СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОЛНОГО ПРОФИЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА Российский патент 2013 года по МПК G01V1/38 G01H5/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено в задаче гидроакустических расчетов, а именно при прогнозировании дальности действия гидроакустических комплексов и систем, выработке оптимальных параметров настройки активных гидроакустических систем, определения наиболее выгодного расположения носителя в целях оптимального обнаружения объектов определенного класса и т.п. задачах.

Задача формирования оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) возникает при невозможности его непосредственного измерения во всем диапазоне глубин: от морской поверхности до дна (Ю.Г. Фирсов, Основы гидроакустики и использовании гидрографических сонаров, СПб: Нестор-История, 2010, стр.48). Такая ситуация часто возникает при использовании систем гидроакустических расчетов для носителей, оборудованных простыми системами измерения скорости звука. Знание профиля скорости звука необходимо, в частности, для построения лучевой картины акустического поля и решения гидрологических задач, позволяющих выработать рекомендации по наиболее эффективному использованию средств освещения подводной обстановки. На настоящий момент существует большая база данных систематических многолетних наблюдений за профилем скорости звука в различных районах мирового океана в зависимости от сезонов (Бреховских Л.М., Акустика океана, М: Наука, 1974, стр.166). При этом выделяются некоторые области измерения на водной поверхности земного шара, ограниченные меридианами и параллелями. Области объединяются в группы со сходными сезонными профилями ВРСЗ. Существуют также статистические характеристики подобных измерений, такие как точность определения скорости звука, статистическая выборка в рамках одного сезона и др. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк, Дальность действия гидроакустических средств, Л: Судостроение, 1981, стр.7…36 и Matthews D.J. Tables of velocity of sound in pure water and sea water, 3-rd edition, London, 1944, Hydrographic Department, Admirality).

При формировании оценки полного профиля ВРСЗ наиболее актуальной является задача экстраполяции его значений на область глубин, в которой непосредственное измерение скорости звука носителем гидроакустических систем затруднено или невозможно. В случае гидрографических судов к данным глубинам относятся глубоководные слои толщи морской воды, лежащие как правило ниже 500…2000 м. Для судов общего назначения интерес представляют глубины 10…70 м.

При проведении измерений ВРСЗ подводными автономными либо пилотируемыми аппаратами, измерение скорости звука в слоях, прилегающих к морской поверхности на 0…70 м (приповерхностный диапазон), а так же в слоях ниже глубин движения аппарата (÷200 метров и более - придонный диапазон) затруднительно, т.е. измерение проводится в текущем диапазоне глубин плавания.

Измерение скорости звука в верхних слоях относительно текущего положения подводного аппарата в принципе возможно, однако производится, как правило, с использованием отрывных одноразовых датчиков, вследствие чего непрерывное использование этого метода в течение всего времени плавания невозможно. Таким образом, актуальность задачи сохраняется и в данном случае, а использование вышеописанного способа измерений применимо лишь для периодической коррекции текущих данных по профилю скорости звука. Для достраивания имеющегося замера ВРСЗ до поверхности используются как методы экстраполяции текущих измерений ВРСЗ на неохваченную область глубин (R. Hare, "Error Budget Analysis for US Naval Oceanographic Office (NAV-OCEANO) Hydrographic Survey Systems", HSRC, University of Southern Mississippi, Hattiesburg,USA, September 2001), так и достраивание на основе использования стандартных профилей ВРСЗ из баз данных, справочников, таблиц (Океанографические таблицы. 4-е изд. Л: Гидрометеоиздат, 1975; Таблица для расчета скорости звука в морской воде. Гидрографическое управление ВМФ, 1965; Oceanographie Atlas of the North Atlantic Ocean, Section VI. Sound Velocity. US Naval Oceanographic Office. Washington, 1967).

Решение, предлагаемое в данном изобретении, является наиболее близким к способу экстраполяции профиля ВРСЗ, описанному в статье R. Hare, "Error Budget Analysis for US Naval Oceanographic Office (NAV-OCEANO) Hydrographic Survey Systems", HSRC, University of Southern Mississippi, Hattiesburg, USA, September 2001. Предложенный в статье способ, принятый за прототип, заключается в том, что неизвестная часть профиля скорости звука, независимо от того, лежит она выше или ниже измеренной области, достраивается с использованием экстраполяции нулевого либо первого порядка на основе соответствующих крайних точек измеренной части профиля ВРСЗ в предположении детерминированности данных.

Однако, данное решение не лишено некоторых недостатков. К первому из них относится использование детерминированного метода экстраполяции, не учитывающего особенностей измерения профиля скорости звука. Действительно, отсутствие учета среднеквадратичных отклонений (СКО) данных измерений снижает достоверность экстраполяции данных. Ко второму недостатку способа относится неполное использование всей имеющейся априорной информации. В частности, имеющиеся базы данных, таблицы и другие источники информации, описывающие многолетние всесезонные наблюдения профилей ВРСЗ, а также сопутствующих величин, параметров измерителей и т.п. не используются. Таким образом, накопленные статистические данные не оказывают влияние на модель экстраполяции. При этом следует отметить, что основным недостатком способов достраивания ВРСЗ, базирующихся исключительно на использовании априорных моделей, является отсутствие учета текущих погодных и гидрофизических условий, также влияющих на текущее ВРСЗ, в результате чего получаемый результат является усреднением по сезону.

Задачей изобретения является повышение достоверности формирования оценки полного профиля ВРСЗ на основе имеющегося фрагмента ВРСЗ, измеренного в некотором диапазоне глубин. Решение этой задачи позволит повысить точность гидрологических расчетов и следовательно поднять качество решения задач, базирующихся на их основе. В частности, повысить точность расчета прогнозных дальностей действия гидроакустических средств, параметров оптимальной настройки активных режимов работы и прочее.

Для решения поставленной задачи в способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука, состоящий в измерении в ограниченном диапазоне глубин скоростей звука в виде набора реперных точек, представляющих собой измеренный профиль вертикального распределения скорости звука с (h_j), где j=0…N-1, причем N - количество точек, в которых проведены измерения, а индексация производится в порядке возрастания величин глубин h_j, и экстраполяции значений скоростей звука измеренного фрагмента на область глубин, лежащую выше и ниже диапазона измерения, введены следующие новые признаки:

1) производится определение географических координат текущего положения носителя и находятся ранее измеренные, соответствующие этим координатам априорные профили вертикального распределения скорости звука, описываемые набором реперных точек c_apriori (h_i), где i=0…М-1, а М-число реперных точек в профиле, индексация которых производится в порядке возрастания величин глубин h_i, и, соответствующих этим реперным точкам, среднеквадратических отклонений скорости звука, после чего среди априорных профилей вертикального распределения скорости звука находится максимально правдоподобный измеренному профиль вертикального распределения скорости звука, а затем, с использованием значений реперных точек наиболее правдоподобного априорного вертикального распределения скорости звука производится экстраполяция значений скорости звука измеренного профиля вертикального распределения скорости звука на диапазоны глубин, в которых измерение скорости звука не производилось;

2) в точке измерения профиля вертикального распределения скорости звука измеряется глубина моря и для априорных профилей вертикального распределения скорости звука, максимальная глубина которых меньше измеренной глубины, производится достраивание до дна путем экстраполяции скоростей звука полиномом первой степени с использованием двух реперных точек априорного профиля вертикального распределения скорости звука с наибольшими глубинами по формуле

,

где c_apriori(h) - экстраполируемое значение скорости звука на глубину дна h, а c_apriori - значение скорости звука в априорном профиле вертикального распределения скорости звука, в свою очередь, для априорных распределений, у которых максимальная глубина больше измеренной глубины моря, все реперные точки с глубинами более измеренной отбрасываются, а достраивание до дна производится по формуле ,

где i - индекс верхней отброшенной реперной точки с наименьшей глубиной, h - измеренная глубина моря;

3) за максимально правдоподобный априорный профиль вертикального распределения скорости звука принимается тот, для которого величина достигает максимума, где N_mes - количество во точек в измеренном профиле вертикального распределения скорости звука, P_mes (h_j) - вероятность принадлежности измеренной скорости звука на глубине h_j рассматриваемому априорному профилю вертикального распределения скорости звука.

4) вычисление вероятности принадлежности измеренной скорости звука на глубине h_j рассматриваемому априорному профилю вертикального распределения скорости звука определяется по формуле

где c_mes - измеренная скорость звука, Δс - среднеквадратичное отклонение измеренной скорости звука, Ф(·) - нормальная функция распределения - априорная скорость звука на глубине h_j, причем реперные точки из априорного профиля вертикального распределения скорости звука выбираются согласно условию h_i-1≤h_j≤h_i;

5) значения величин скорости звука в оценке полного профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин, меньших минимальной глубины измерений, извлекаются из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука, причем их значения изменяются на такую величину, чтобы c_apriori(h_upper)=c_mes(h_upper),

где h_upper - наименьшая глубина в диапазоне измеренных скоростей звука, а значения величин скорости звука в оценке профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин, превышающих наибольшую глубину в диапазоне измеренных скоростей звука извлекаются из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука, причем, их значения увеличиваются на такую величину, чтобы c_apriori(h_bottom)=c_mes(h_bottom),

где h_bottom - наибольшая глубина в диапазоне измеренных скоростей звука;

6) значения величин скорости звука, взятые из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин, лежащих вне диапазона измерений, изменяются на одну и ту же величину, определяемую по формуле

где , а x - минимизируемый параметр;

7) если в априорном профиле вертикального распределения скорости звука отсутствуют реперные точки, соответствующие глубинам h_upper и/или h_botlom, то значения скорости звука для данных глубин в априорном профиле рассчитываются по формулам:

и

где h_near.1, h_near.2 - глубины реперных точек априорного профиля наиболее близкие к глубине h_upper, а h_near.3, h_near.4 - глубины реперных точек априорного профиля наиболее близкие к глубине h_bottom.

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение достоверности оценки полного профиля ВРСЗ, полученной по его измеренному фрагменту;

- повышение достоверности гидрологических моделей, выстраиваемых на основе оценки полного профиля ВРСЗ, и, следовательно, повышение точности решения задач, использующих эти гидрологические модели.

Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет:

1) использования статистических (априорных) данных многолетних измерений ВРСЗ в различных районах Мирового океана в различные сезоны года;

2) корректировки априорных данных на основе результатов текущих измерений ВРСЗ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняет фигура 1. В некотором районе Мирового океана производится замер ВРСЗ (2) в системе координат (3) в некотором диапазоне глубин h_upper…h_bottom. При этом измеряется глубина в данном районе от поверхности моря (6) до дна (7). Для измеренного фрагмента ВРСЗ определяется максимально правдоподобный априорный профиль ВРСЗ (1), на основе которого производится оценка полного профиля ВРСЗ (5). При этом осуществляется коррекция величин скорости звука (4) в априорном ВРСЗ (1) на некоторую величину, определяемую из соображений совмещения точек априорного и измеренного ВРСЗ, отвечающих глубинам h_upper и h_bottom. Причем, для приповерхностного и придонного диапазонов глубин величина коррекции скорости звука может быть различной. Другим вариантом является константность величины коррекции для всех диапазонов, причем сама величина выбирается из соображений минимума невязки между значениями скоростей звука в априорном и измеренном ВРСЗ для глубин h_upper и h_bottom.

Предложенный способ оценки полного профиля ВРСЗ позволяет добиться повышения:

1) адекватности оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука;

2) достоверности гидрологических моделей;

3) точности решения прогнозных задач гидроакустики (расчет дальности действия гидроакустических систем, расчет оптимальной мощности излучения сонаров и т.п.).

Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при формировании оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) по его измеренному в некотором диапазоне глубин фрагменту. Сущность: в способе осуществляется достраивание полного профиля ВРСЗ на основе текущего замера ВРСЗ с привлечением априорной информации из базы данных многолетних измерений ВРСЗ, представленной в статистической форме. Для измеренного фрагмента ВРСЗ находится максимально правдоподобное априорное ВРСЗ из базы данных, после чего происходит достраивание точек ВРСЗ для глубин, лежащих выше и ниже границ замера ВРСЗ. При этом производится коррекция априорного профиля с учетом текущей глубины района плавания и, в случае необходимости, линейная интерполяция реперных точек на интересующие глубины. Технический результат: повышение достоверности гидрологических моделей, повышение точности решения прогнозных задач гидроакустики - расчета дальности действия гидроакустических систем, расчета оптимальной мощности излучения сонаров и т.п. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука, состоящий в измерении в ограниченном диапазоне глубин скоростей звука в виде набора реперных точек, представляющих собой измеренный профиль вертикального распределения скорости звука c(h_j), где j=0…N-1, причем N - количество точек, в которых проведены измерения, а индексация производится в порядке возрастания величин глубин h_j и экстраполяции значений скоростей звука измеренного фрагмента на область глубин, лежащую выше и ниже диапазона измерения, отличающийся тем, что производится определение географических координат текущего положения носителя и находятся ранее измеренные соответствующие этим координатам априорные профили вертикального распределения скорости звука, описываемые набором реперных точек C_apriori(h_i), где i=0…M-1, a M - число реперных точек в профиле, индексация которых производится в порядке возрастания величин глубин h_i, и соответствующих этим реперным точкам среднеквадратических отклонений скорости звука, после чего среди априорных профилей вертикального распределения скорости звука находится максимально правдоподобный измеренному профилю вертикального распределения скорости звука, а затем с использованием значений реперных точек наиболее правдоподобного априорного вертикального распределения скорости звука производится экстраполяция значений скорости звука измеренного профиля вертикального распределения скорости звука на диапазоны глубин, в которых измерение скорости звука не производилось.

2. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по п.1, отличающийся тем, что в точке измерения профиля вертикального распределения скорости звука измеряется глубина моря и для априорных профилей вертикального распределения скорости звука, максимальная глубина которых меньше измеренной глубины, производится достраивание до дна путем экстраполяции скоростей звука полиномом первой степени с использованием двух реперных точек априорного профиля вертикального распределения скорости звука с наибольшими глубинами по формуле
,
где c_apriori(h) - экстраполируемое значение скорости звука на глубину дна h, a c_apriori - значение скорости звука в априорном профиле вертикального распределения скорости звука, в свою очередь, для априорных распределений, у которых максимальная глубина больше измеренной глубины моря, все реперные точки с глубинами более измеренной отбрасываются, а достраивание до дна производится по формуле
,
где i - индекс верхней отброшенной реперной точки с наименьшей глубиной, h - измеренная глубина моря.

3. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по п.2, отличающийся тем, что за максимально правдоподобный априорный профиль вертикального распределения скорости звука принимается тот, для которого величина
достигает максимума, где N_mes - количество точек в измеренном профиле вертикального распределения скорости звука, P_mes(h_j) - вероятность принадлежности измеренной скорости звука на глубине h_f рассматриваемому априорному профилю вертикального распределения скорости звука.

4. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по п.3, отличающийся тем, что вычисление вероятности принадлежности измеренной скорости звука на глубине h_j рассматриваемому априорному профилю вертикального распределения скорости звука определяется по формуле

где c_mes - измеренная скорость звука, Δс - среднеквадратичное отклонение измеренной скорости звука, Ф(·) - нормальная функция распределения, - априорная скорость звука на глубине h_j, причем реперные точки из априорного профиля вертикального распределения скорости звука выбираются согласно условию h_i-1≤h_j≤h_i.

5. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по п.4, отличающийся тем, что значения величин скорости звука в оценке полного профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин меньших минимальной глубины измерений извлекаются из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука, причем их значения изменяются на такую величину, чтобы c_apriori(h_upper)=c_mes(h_upper), где h_upper - наименьшая глубина в диапазоне измеренных скоростей звука, а значения величин скорости звука в оценке профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин, превышающих наибольшую глубину в диапазоне измеренных скоростей звука, извлекаются из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука, причем их значения увеличиваются на такую величину, чтобы c_apriori(h_bottom)=c_mes(h_bottom), где h_bottom - наибольшая глубина в диапазоне измеренных скоростей звука.

6. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по п.4, отличающийся тем, что значения величин скорости звука, извлеченные из выбранного априорного профиля вертикального распределения скорости звука для значений глубин, лежащих вне диапазона измерений, изменяются на одну и ту же величину, определяемую по ,
где , a x - минимизируемый параметр.

7. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука по пп.5 и 6, отличающийся тем, что при отсутствии в априорном профиле вертикального распределения скорости звука реперных точек, соответствующих глубинам h_upper и/или h_bottom, значения скорости звука для данных глубин в априорном профиле рассчитываются по формулам:
и ,
где h_near.1, h_near.2 - глубины реперных точек априорного профиля, наиболее близкие к глубине h_upper, a h_near.3, h_near.4 - глубины реперных точек априорного профиля, наиболее близкие к глубине h_bottom.