CC BY
38
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ. Физические поля корабля, океана и атмосферы
D0I.org/110.5281/zenodo.1286022 УДК 534.23
А.Н. Самченко, А.В. Кошелева, А.А. Пивоваров, А.Н. Швырев, И.О. Ярощук
САМЧЕНКО АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ - к.г.н., старший научный сотрудник, e-mail: samchenco@poi.dvo.ru
КОШЕЛЕВА АЛЕКСАНДРА ВАСИЛЬЕВНА - научный сотрудник, e-mail: kosheleva@poi.dvo.ru
АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ ПИВОВАРОВ - научный сотрудник, e-mail: pivovarov@poi.dvo.ru
АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ШВЫРЕВ - к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, e-mail: shvyrev@poi.dvo.ru
ИГОРЬ ОЛЕГОВИЧ ЯРОЩУК - д.ф.-м.н., заведующий лабораторией, e-mail: yaroshchuk@poi.dvo.ru
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Балтийская ул., 43, Владивосток, 690041
Экспериментальные гидроакустические исследования в заливе Петра Великого Японского моря (обзор)
Аннотация: Представлен краткий обзор состояния современных гидроакустических исследований в заливе Петра Великого Японского моря. Особое внимание уделено выполнению комплексных исследований, включающих как низкочастотные гидроакустические экспериментальные работы, сопровождающиеся гидрологическими измерениями, так и определение геоакустических параметров дна. В экспериментальных гидроакустических работах использовались тональные, частотно-модулированные и фазоманипулированные сигналы. Продемонстрирована принципиальная возможность решения обратных сейсмоакустических задач и статистического оценивания подводных сигналов на фоне шумов моря с использованием гидроакустических низкочастотных излучателей. Ключевые слова: гидроакустические исследования, фазоманипулированные сигналы, частотно-модулированные сигналы, гидрологические исследования, залив Петра Великого.
Введение
В заливе Петра Великого Японского моря на протяжении многих лет сотрудниками Тихоокеанского океанологического института (ТОИ ДВО РАН) активно проводятся экспериментальные гидроакустические исследования. В состав института входит морская экспериментальная станция, расположенная на побережье Японского моря на мысе Шульца (рис. 1). В акватории залива существует гидроакустический полигон, где в настоящее время проводятся в основном экспериментальные работы. На полигоне в натурных условиях проводят испытания технических средств исследования океана, разработанных и созданных в институте, осуществляют акустический и гидрофизический мониторинг морской среды, дистанционное определение динамических характеристик водной среды. Например, результаты проведения исследований влияния внутрен-
© Самченко А.Н., Кошелева А.В., Пивоваров А.А., Швырев А.Н., Ярощук И.О., 2018
О статье: поступила: 13.04.2018; финансирование: акустические работы выполнены при частичном финансировании по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные основы прорывных технологий в интересах национальной безопасности», проект «Диагностика морской среды дистанционными методами и обнаружение подводных объектов». Гидрологические исследования проведены при частичном финансировании по программе «Дальний Восток», проект № 18-!-004.
них волн на потери звука при распространении вдоль стационарных трас на шельфе были представлены в работе [7]. Проводится термометрия на шельфе с помощью акустических методов [1]. Исследуются возможности применения векторно-фазовых методов в задачах томографии океана [2]. На берегу залива Петра Великого (мыс Шульца) установлен уникальный измерительный сей-смоакустический комплекс [3], в состав которого входят двухкоординатный лазерный деформо-граф и мобильный лазерный деформограф. Измерительный комплекс наиболее эффективен при регистрации низкочастотных сейсмоакустических и сейсмических сигналов ниже 1 Гц. При проведении работ мы ориентировались на опыт зарубежных коллег, например, подобные исследования, выполнялись на побережье США и Китая [10, 11, 13]. В настоящее время решение задач геоакустической инверсии на континентальном шельфе актуально в связи с активным ее использованием, добычей полезных ископаемых и прокладкой коммуникаций [12, 14].
Цель статьи: на основе обзора проведенных на протяжении ряда лет авторами и другими сотрудниками ТОИ ДВО РАН работ представить современное состояние гидроакустических исследований на шельфе Японского моря (в заливе Петра Великого).
Экспериментальные работы и обсуждение их результатов
Гидроакустические экспериментальные работы проводятся в заливе Петра Великого лабораторией статистической гидроакустики ТОИ ДВО РАН (сотрудниками которой являются авторы данной статьи) в комплексе с изучением гидрологической ситуации и геоакустических свойств дна. Гидрологические работы проводятся с 2009 года [8]. Создана геоакустическая модель залива Петра Великого [9]. В экспериментах используются низкочастотные гидроакустические излучатели 22 Гц, 33 Гц, 230-250 Гц, 310-340 Гц и 420-520 Гц и автономные донные акустические станции в качестве приемных систем [4, 5]. Акустические исследования на шельфе сопровождаются гидрологическими измерениями гидрофизических процессов в водной толще. Мониторинг осуществляется пространственно-распределенным гидрологическим комплексом [6]. Система состоит из автономных регистраторов температуры и/или гидростатического давления. Решались следующие задачи:
1) изучение распространения низкочастотных акустических сигналов на океаническом шельфе;
2) статистическое оценивание подводных сигналов на фоне шумов моря.
131 °0'0"Е 131010'0"Е
д » 40 д . * д. л. ★ ..... 50-.- -•^•""О 1
07 ,/' <у-',о: Фуругельма ао
0 3 6 12
Рис. 1. Схема акустических экспериментов, проведенных в 2016 и 2017 г. Звездочками показаны точки излучения, пятиугольники - точки постановки акустических станций, треугольники - точки постановки гидрологических станций. Темные значки соответствуют эксперименту, проведенному в 2016 г,
светлые - эксперименту 2017 г.
Рассмотрим примеры решения первой задачи с помощью экспериментальных гидроакустических работ, проведенных в октябре 2016 г. и октябре 2017 г. (рис. 1). В 2016 г. использовался гидроакустический излучатель 22 Гц и семь автономных донных акустических станций. Акустические станции были расставлены в 1 км друг от друга по трассе от мыса Шульца до о. Фуругель-ма. Приемные акустические станции устанавливались на дно таким образом, что расстояние от дна до гидрофона было 0.5 м для каждой из систем. Гидроакустический излучатель опускался на глубину 15 м от поверхности воды. Всего в ходе данного эксперимента было выполнено пять станций излучения на расстоянии 2 км друг от друга. Глубина моря вдоль всей акустической трассы примерно равна 40 м, с вариациями не более 2 м. Гидроакустический эксперимент сопровождался измерениями параметров морской воды при помощи заякоренных вертикальных термогирлянд и гидрологического зонда RBRconcerto. Гидрологические стационарные станции показаны на рис. 1 треугольниками.
Измерения гидрологическим зондом проводились от поверхности до дна в каждой точке излучения акустических сигналов и постановки акустических приемных систем. В работе применялись тональные и фазоманипулированные М-последовательностями сигналы. Излучение и прием акустических сигналов осуществлялись с измерением точного времени с помощью системы синхронизации. На рис. 2 показаны максимумы корреляционной функции принятых сигналов частотой 22 Гц на акустических донных станциях. Приемные акустические станции были расположены на расстоянии в 11, 13 и 15 км от точки излучения. Излучение сигналов проводилось вблизи о. Фуругельма. На всех приемных системах зафиксировано два прихода акустического сигнала, рассчитаны их групповые скорости. В геоакустической модели на акустической трассе выделено три осадочных слоя и акустический фундамент, состоящий из гранитов. Верхние два осадочных слоя, состоящих из средне- и мелкозернистых песков, имеют близкие акустические свойства. Средняя скорость продольных волн в первом осадочном слое равна 1700 м/с, во втором - 1850 м/с. Третий осадочный слой состоит из крупнообломочных пород, гальки и крупно-среднезернистого песка, по акустическим свойствам он резко отличается от верхних слоев. Средняя скорость продольной волны в третьем слое равна 3000 м/с. По всей видимости, граница между верхними двумя осадочными слоями с близкими акустическими свойствами для низкочастотных акустических сигналов является акустически «прозрачной», что показывают результаты гидроакустических экспериментальных работ.
Рис. 2. Главные максимумы корреляционных функций для частоты 22 Гц (октябрь 2016 г.). Точка излучения 5, точки приема в 11, 13 и 15 км от точки излучения.
Из рис. 2 видно, что соотношение энергетики принятых сигналов меняется в зависимости от их групповой скорости. В результате проведенного в 2016 г. эксперимента получены следующие выводы: первый - каналом распространения столь низкочастотных сигналов является водный
слой и рыхлые донные отложения до консолидированного фундамента. Второй - продемонстрирована принципиальная возможность решения обратных задач: определения числа и мощности осадочных слоев (по положению и ширине главного максимума корреляционной функции и по скорости распространения отраженных волн) и расчета скорости звука в осадочных слоях и фундаменте (по скорости распространения боковых волн). Третий - гидрологическая ситуация на распространение низкочастотного сигнала (ниже 100 Гц) влияет слабо.
В эксперименте, проведенном в 2017 г., использовались гидроакустический излучатель и четыре приемные акустические системы. Гидроакустический излучатель имеет частотный диапазон излучения от 420 до 520 Гц, устанавливается на дно длительностью до 72 часов. В эксперименте глубина моря в месте расположения излучателя была 40 м, приемные системы устанавливались на глубинах от 45 м (ближняя) до 58 м (дальняя). Всего было установлено пять приемных акустических станций. В эксперименте использовались частотно-модулированные сигналы с изменением частоты во всей полосе частот излучателя и в тональном режиме на центральной частоте излучателя. Акустический эксперимент также сопровождался гидрологическими измерениями с помощью заякоренных вертикальных термогирлянд и гидрологического зонда КВЯсопсеЛо. Измерения гидрологическим зондом проводились в точках установки вертикальных термогирлянд, акустических приемников и в точках излучения. Основной вывод, полученный в ходе эксперимента, связан с полученными данными гидрологических измерений. Методика гидрологических исследований позволила детально проследить и проанализировать пространственную и временную изменчивость внутренних гравитационных волн при движении последних со стороны кромки к берегу. Она позволила увидеть процесс трансформации и распада интенсивных волн. Интенсивные волновые возмущения, генерируемые приливом в районе свала глубин залива Петра Великого, сильно нелинейны и испытывают значительные изменения при движении к берегу. Уединенные гидрологические возмущения в диапазоне глубин от 100 до 40 м при движении к берегу трансформируются в пакет короткопериодных интенсивных внутренних гравитационных волн, временные масштабы которых составляют от нескольких до десятков минут. Амплитуда данных возмущений достигает десятки метров по глубине. На рис. 3 показан пример сформированных короткопериод-ных внутренних гравитационных волн, зарегистрированных заякоренной вертикальной термогирляндой в августе 2017 г. Термогирлянда была установлена на глубине 48 м. Наблюдается два термоклина на глубинах 20-30 м и 35-45 м, где проходят изобаты 12-16 °С и 7-8 °С соответственно. Ко-роткопериодные гидрологические возмущения имеют сильное влияние на распространение акустических сигналов. Колебания амплитуды принятых сигналов на акустических станциях достигает 10 дБ и более при прохождении интенсивных внутренних гравитационных волн.
09-Аид 12:00 ОЭ^ид 15:00 09-Аид 16:00 09-Аид 21:00 10-Аид 00:00 10-Аид 03:00 10-Аид 06:00 10-Аид 09:00 10-Аид 12:00
Дата и время ГМТ, ч
Рис. 3. Результаты измерений на заякоренной вертикальной термогирлянде в августе 2017 г.
В рамках решения проблемы статистического оценивания подводных сигналов на фоне шумов моря был проведен ряд гидроакустических экспериментов в заливе Петра Великого. Так, в августе 2017 г. проводился гидроакустический эксперимент с применением 230-250 Гц гидроакустического излучателя. Схема эксперимента приведена на рис. 4. Излучатель опускался на глубину 5 и 10 м. В качестве приемных систем были установлены автономные донные акустические станции. Всего были установлены 4 приемные акустические системы, расположенные параллельно трассе излучения.
,--30'""
*
• 40
★ • —
•
*
„„ *
..-40"
*
50
0 1.5 з 6
Рис. 4. Схема акустического эксперимента, проведенного в августе 2017 г. Звездочками показаны точки излучения, пятиугольники - точки постановки акустических станций.
Расстояние между приемными системами составило примерно 1 км, расстояние от точек излучения до приема - более 5 км; максимальное расстояние между точками излучения и приема -около 9 км. В работе использовались тональные сигналы 240 Гц и фазоманипулированные М-последовательности. Акустические сигналы излучались различной мощности, минимум излучения был около 1 кПа на одном метре от излучателя. Гидрологические измерения проводились в том же формате и объеме, как и в ранее описанных гидроакустических экспериментах. Гидрологические показатели, оказывающие существенное влияние на распространение сигнала 240 Гц, учитывались при обработке и анализе данных. По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы: всеми приемными акустическими станциями на расстояниях до 9 км однозначно фиксируются излученные сигналы даже малой мощности. Используя геометрию расставленных приемных систем, со всех точек излучения были получены необходимые параметры (расстояния и углы приходов сигналов).
Заключение
На основе результатов гидроакустических экспериментов на частотах ниже 100 Гц продемонстрирована принципиальная возможность решения как обратных задач, так и геоакустической инверсии. Полученные в результате измерений групповые скорости различных мод позволяют провести оценки геоакустических свойств дна. При проведении измерений на более мелкой сетке (излучение и прием через ~ 100-500 м) возможно создание методики детального восстановления структуры осадочных слоев.
Влияние гидрологии на распространение акустических сигналов различной частоты хорошо известно. Однако нами показана региональная специфика гидрофизических процессов и их влияние на распространение не только тональных, но и фазоманипулированных, и частотно-модулированных сигналов. Методика проведения экспериментальных работ, используемая авто-
рами, позволила также решить задачи статистического оценивания подводных сигналов на фоне
шумов моря в заливе Петра Великого.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В. и др. Термометрия шельфовых зон океана акустическими методами // Доклады академии наук. 2006. Т. 409, № 4. С. 543-546.
2. Буренин А.В., Моргунов Ю.Н., Стробыкин Д.С. Экспериментальные исследования особенностей векторных приемников в задачах томографии океана // Акустический журнал. 2007. Т. 53, № 6. С.786-790.
3. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом // Доклады академии наук. 2007. Т. 412, № 1. С. 104-106.
4. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Пивоваров А.А. и др. Излучающая гидроакустическая система на частотах 19-26 Гц // Приборы и техника эксперимента. 2017. № 4. С. 137-141.
5. Леонтьев А.П., Пивоваров А.А. Автономная приемная двухканальная гидроакустическая станция // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 4. С. 144-145.
6. Леонтьев А.П., Ярощук И.О., Смирнов С.В. и др. Пространственно-распределенный измерительный комплекс для мониторинга гидрофизических процессов на океаническом шельфе // Приборы и техника эксперимента. 2017. № 1. С. 128-135.
7. Рутенко А.Н. Влияние внутренних волн на потери при распространении звука на шельфе // Акустический журнал. 2010. Т. 56, № 5. С. 662-672.
8. Самченко А.Н., Пивоваров А.А., Кошелева А.В. Результаты гидрологических и геолого-геофизических исследований залива Посьета // Подводные исследования и робототехника. 2011. № 1(11). С. 64-68.
9. Самченко А.Н., Ярощук И.О. Акустические параметры рыхлых донных отложений залива Петра Великого (Японское море) // Вестник ДВО РАН. 2017. № 5. С. 130-136.
10. Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S. et al. An overview of the 1995 SWARM shallow-water internal wave acoustic scattering experiment. IEEE JOE. 1997(22);3:465-500.
11. Denner W.W., Simmen J.A. ASIAEX - the history and status. The 2nd intern. workshop on acoustical engineering and technology. Harbin, China. Oct. 1999. P. 1-10.
12. Guo X., Yang K., Duan R., Ma Y. Sequential Inversion for Geoacoustic Parameters in the South China Sea Using Modal Dispersion Curves. Acoustics Australia. 2017(45);1:119-129.
13. Yang J., Jackson D.R., Tang D. Mid-frequency geoacoustic inversion using bottom loss data from the Shallow Water 2006 experiment. J. Acoust. Soc. Am. 2012(131);2:1711-1721.
14. Yardim C., Gerstoft P., Hodgkiss W.S. Sequential geoacoustic inversion at the continental shelfbreak. J. Acoust. Soc. Am. 2012(131);2:1722-1732.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Physical Fields of Ship, Ocean and Atmosphere
D0I.org/110.5281/zenodo.1286022
Samchenko A., Kosheleva A., Pivovarov A., Shvyrev A., Yaroshchuk I.
ALEXANDER SAMCHENKO, Candidate of Geographical Sciences, Senior Researcher, e-mail: samchenco@poi.dvo.ru
ALEXANDRA KOSHELEVA, Researcher, e-mail: kosheleva@poi.dvo.ru ALEXANDER PIVOVAROV, Researcher, e-mail: pivovarov@poi.dvo.ru ALEXEY SHVYREV, Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Senior Researcher, e-mail: shvyrev@poi.dvo.ru
IGOR YAROSHCHUK, Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Head of Laboratory,
e-mail: yaroshchuk@poi.dvo.ru
V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS
43 Baltiyskaya St., Vladivostok, Russia, 690041
Experimental hydroacoustic studies
in the Peter the Great Bay of the Sea of Japan (Review)
Abstract. The paper provides a brief overview of the actual state of the hydroacoustic studies in the Peter the Great Bay of the Sea of Japan. Special attention is paid to the complex research including both the low-frequency hydroacoustic experimental works accompanied by hydrological measurements and the determination of geoacoustic parameters of the bottom. When carrying out experimental hydroacoustic studies, the voice-frequency, frequency-modulated, and phase-shifted signals were used. The possibility in principal of solving the reverse seismoacoustic problems and estimating statistically underwater signals with the noise of the sea in the background using hydroacoustic low-frequency radiators has been demonstrated.
Key words: hydroacoustic studies, phase-shifted signals, frequency-modulated signals, hydrological studies, Peter the Great Bay.
REFERENCES
1. Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., et al. Thermometry of oceanic shelf zones by acoustic methods. Doklady Earth Sciences. 2006(409);4:948-951.
2. Burenin A.V., Morgunov Yu.N., Strobykin D.S. Experimental studies of the characteristic features of vector receivers in application to ocean tomography. Acoustical Physics. 2007(53);6:694-697.
3. Dolgikh G.I., Dolgikh S.G., Kovalev S.N., et al. Recording of deformation anomaly of a tsunamigenous earthquake using a laser strainmeter. Doklady Earth Sciences. 2007(412);1:74-76.
4. Dolgikh G.I., Dolgikh S.G., Pivovarov A.A., et al. A hydroacoustic system that radiates at frequencies of 19-26 Hz. Instruments and Experimental Techniques. 2017(60);4:596-599.
5. Leontyev A.P., Pivovarov A.A. Measuring autonomic two-channal hydroacoustic station. Instruments and Experimental Techniques. 2013;1:144-145.
6. Leontyev A.P., Yaroshchuk I.O., Smirnov S.V., et al. A spatially distributed measuring complex for monitoring hydrophysical processes on the ocean shelf. Instruments and Experimental Techniques. 2017(60);1:130-136.
7. Rutenko A.N. The influence of internal waves on losses during sound propagation on a shelf. Acoustical Physics. 2010(56);5:703-713.
8. Samchenko A.N., Pivovarov A.A., Kosheleva A.V. The results of the hydrological and geological and geophysical studies of the Gulf Pos'eta. Underwater research and robotics. 2011(11);1:64-68.
9. Samchenko A.N., Yaroshchuk I.O. Acoustic parameters of friable bottom sediments of the Peter the Great Bay of the Sea of Japan. 2017;5:130-136.
10. Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S., et al. An overview of the 1995 SWARM shallow-water internal wave acoustic scattering experiment. IEEE JOE. 1997(22);3:465-500.
11. Denner W.W., Simmen J.A. ASIAEX - the history and status The 2nd international workshop on acoustical engineering and technology. Harbin. China. Oct. 1999:1-10.
12. Guo X., Yang K., Duan R., Ma Y. Sequential Inversion for Geoacoustic Parameters in the South China Sea Using Modal Dispersion Curves. Acoustics Australia. 2017(45); 1:119-129.
13. Yang J., Jackson D.R., Tang D. Mid-frequency geoacoustic inversion using bottom loss data from the Shallow Water 2006 experiment. J. Acoust. Soc. Am. 2012(131);2:1711-1721.
14. Yardim C., Gerstoft P., Hodgkiss W.S. Sequential geoacoustic inversion at the continental shelfbreak. J. Acoust. Soc. Am. 2012(131);2:1722-1732.
