Способ достроения измеренной части профиля вертикального распределения скорости звука в воде до поверхности и до дна Российский патент 2017 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для формирования полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде от поверхности до дна на надводных кораблях, подводных лодках и необитаемых подводных аппаратах.

Для решения множества задач гидроакустики: расчет дальностей обнаружения погруженных целей, угловых и временных характеристик принятого антенной многолучевого сигнала для классификации целей, средней горизонтальной скорости распространения зондирующего сигнала для обеспечения режима измерения дистанции до цели и т.д., необходимо знание полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна [1-3]. Современная корабельная аппаратура измеряет ВРСЗ до глубин не более 500 метров, а отдельные станции производят измерение скорости звука начиная с глубины в 50-150 метров и ниже [3].

Известны способы получения полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна на основе измеренного его фрагмента корабельной аппаратурой. Так в способе, изложенном в патенте [4], осуществляется достроение 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.

Причиной, препятствующей достижению результата, является низкая точность получаемого полного профиля ВРСЗ относительно фактического, обусловленная использованием для дальнейшей обработки измеренного фрагмента скорости звука только одного «максимально правдоподобного» профиля ВРСЗ из всего многообразия имеющихся в базе данных статистических измерений, атласах и других источниках информации, описывающих климатические наблюдения гидрологических характеристик морей и океанов за большой промежуток времени. При этом функция правдоподобия основана на сравнении части единичного профиля ВРСЗ из базы данных многолетних измерений и измеренного участка фрагмента ВРСЗ, распространена на полный профиль ВРСЗ и не учитывает характерные особенности приводного и придонного слоя в данном районе моря для конкретного сезона.

Наиболее близким (прототип) по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является способ, изложенный в работе [5] и заключающийся в измерении корабельной аппаратурой фрагмента кривой ВРСЗ, расчете значения скорости звука на поверхности моря на основе анализа приповерхностного слоя скорости звука, расчете области возможного нахождения подводного звукового канала и средневзвешенных значений скорости звука на стандартных горизонтах на основе набора вероятностных кривых ВРСЗ климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года и построения полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна.

Недостатками известного способа является то, что необходимо наличие измеренного фрагмента кривой ВРСЗ корабельной аппаратурой обязательно от поверхности моря до предельной глубины измерения, при этом предельная глубина измерения фрагмента кривой ВРСЗ должна быть больше глубины оси залегания подводного звукового канала для данного географического квадрата и данного сезона, и отсутствие возможности достроения фрагмента кривой ВРСЗ до глубины места, превышающей глубины предельных значений массива вероятностно-статистических данных по скорости звука для выбранного района моря в конкретный сезон года.

Для устранения недостатков приведенных способов получения кривой ВРСЗ от поверхности до дна с использованием измеренного массива данных предлагается способ достронения измеренного отрезка ВРСЗ корабельной аппаратурой, вне зависимости от ее размещения ее на подводной лодке, необитаемом подводном аппарате или надводном корабле, до поверхности и дна с использованием массива данных по скорости звука для конкретного района Мирового океана (МО) А, накопленный за значительный период проведения измерений.

Целью изобретения является повышение точности решения практических задач, требующих наличие полного профиля ВРСЗ, за счет повышения достоверности представления цифровой модели канала распространения акустической энергии в водной среде.

Поставленная цель достигается тем, что в способе достроения измеренной части профиля вертикального распределения скорости звука до поверхности и до дна, заключающемся в измерении корабельной аппаратурой фрагмента кривой ВРСЗ, расчете значения скорости звука на поверхности моря на основе анализа приповерхностного слоя скорости звука, расчете области возможного нахождения подводного звукового канала и средневзвешенных значений скорости звука на стандартных горизонтах на основе набора вероятностных кривых вертикального распределения скорости звука климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года и построения полного профиля вертикального распределения скорости звука от поверхности до дна используют в расчете весь массив вероятностных кривых ВРСЗ климатического масштаба и значения глубинных градиентов скорости звука для района производства измерений гидрофизических параметров и текущего сезона года, при этом достраивают измеренный фрагмент кривой вертикального распределения скорости звука до поверхности моря с учетом рассчитанного среднего значения скорости звука на поверхности моря из набора вероятностных кривых вертикального распределения скорости звука климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг. 1 представлена блок-схема алгоритма. На фиг. 2 приведена иллюстрация, поясняющая предлагаемый способ.

Рассмотрим работу предлагаемого способа. Весь массив многолетних данных по скорости звука А для конкретного района МО разбивается на подмассивы A_i, которые описывают изменчивость поля скорости звука в географическом квадрате (i - номер географического квадрата). Размеры географического квадрата задаются постоянными, например 1⁰ по широте и 1⁰ по долготе. Аналогично, в свою очередь каждый из подмассивов многолетних данных географического квадрата A_i разбивается на группы A_ij, которые описывают изменчивость поля скорости звука за период года, продолжительность которого для одного района МО задается постоянной, например, один месяц. Таким образом, для каждого географического квадрата и каждого периода мы имеем массив данных многолетних наблюдений A_ij, т.е. кривые ВРСЗ, измеренные в данном районе в заданный период времени время в разные годы. Эта информация представляет собой исходную базу данных, используемую для достроения измеренной части ВРСЗ до поверхности и до дна.

Для решения поставленной задачи производится измерение фрагмента кривой ВРСЗ в ограниченном измеряемой аппаратурой диапазоне глубин (C₁, H₁; …; C_k, H_k, где k - количество точек измерения), фиксирование географических координат положения носителя измерительной аппаратуры (ϕ, λ) и измерение глубины места (H_м). При этом весь массив (C₁, H₁; …; C_k, H_k) формирует исходные данные для работы алгоритма (блок /2/, фиг. 1).

Используя географические координаты места проведения измерений в исходной базе данных, выбираем массив многолетних наблюдений A_ij за текущий месяц с присущими вероятностями каждой кривой ВРСЗ и градиенты скорости звука G_f для глубинных слоев в блоке /3/, фиг. 1. В нашем массиве A_ij пусть находится N кривых ВРСЗ.

Если H₁>0 (H₁ - глубина первого измерения из массива) /4/, то кривая ВРСЗ достраивается до поверхности (H₀) /6/ с учетом расчета точки C₀ по формуле . Здесь C_n⁰ - скорость звука на поверхности моря в конкретной N-й кривой ВРСЗ, м/с; P_n - вероятность N-той кривой ВРСЗ; C₀ - среднее значение скорости звука на поверхности воды, м/с.

Для каждой из N кривых в блоке /7/ найдем точку (C_n^mm, H_n^mm), где C_n^mm - минимальное значение скорости звука в данной N-й кривой ВРСЗ на глубине H_n^mm. Таких точек будет ровно N. Для получившегося набора точек {(C_n^mm, H_n^mm), n=1, N} найдем средние значения C^mm по формуле , здесь P_n - вероятность статистической кривой ВРСЗ; C_n^mm - минимальное значение скорости звука конкретной статистической кривой ВРСЗ, м/с; n - номер статистической кривой ВРСЗ; и H^mm по формуле , здесь H_n^mm - глубина нахождения C_n^mm в статистической кривой ВРСЗ, м. Далее найдем среднеквадратичные отклонения σ_с и σ_н по формулам и .

В блоке /8/ проверяется условие H^mm>H_k, где H_k - предельная глубина измерения ВРСЗ. Если условие выполняется, то последнюю точку из массива (C₀, H₀; …; C_k, H_k) соединяют с точкой (C^mm; H^mm) /9/. Если условие не выполняется, то вычисляется параметр H_m=H^mm+σ_н /10/.

В блоке /11/ производится вычисление средневзвешенных скоростей звука С_а на стандартных горизонтах глубин (100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000 м) /11/ по формуле , где C_c - значение скорости звука в конкретной статистической кривой на стандартном горизонте, м/с. Далее последнюю точку из массива (C₀, H₀; …; C_k, H_m) соединяют с точкой на стандартном горизонте, следующей после H_m и удовлетворяющей условию C_k<C_a.

До глубины 2000 м кривая ВРСЗ достраивается по рассчитанным точкам (C_a, H_a) /12/. Если глубина места измерения составляет более 2000 м, ВРСЗ до дна достраивается с использованием градиентов скорости звука глубинных слоев G_f /13/ по формуле C_b=C_b-1+G_fΔH_b, где C_b - значение скорости звука на горизонтах глубин более 2000 метров (3000, 4000, 5000 м, и т.д.), м/с; C_b-1 - значение скорости звука на предыдущем горизонте глубин, м/с; ΔH_b - толщина водного слоя, м. При этом величины градиентов скорости звука глубинных слоев G_f выбираются из исходной базы данных A.

Блок /14/ предназначен для отображения и архивирования полного профиля ВРСЗ от поверхности моря до дна.

Анализ результатов численного эксперимента, приведенный в работе [5], по расчету аномалии распространения звука для измеренной части кривых ВРСЗ в слое 25-400 метров и достроенных до дна предложенным способом и непосредственно измеренных до дна при выборе критерия оценки - пространственно-энергетические характеристики зоны дальней акустической освещенности - показывает, что предложенный алгоритм достроения измеренной части кривой ВРСЗ до поверхности моря и до дна с использованием многолетних данных позволяет простроить полный профиль ВРСЗ независимо от предельной глубины измерения скорости звука. Рассмотрение полученных погрешностей позволяет сделать вывод о качестве алгоритма и целесообразности применения статистической базы данных пространственно-временной изменчивости поля скорости звука в различных районах МО.

Предложенный способ построения профиля ВРСЗ позволяет автоматизировать процесс обработки измерительной информации на корабле. К достоинствам данного способа стоит отнести: проведение обработки измерительной информации без участия оператора, что позволит минимизировать вносимые погрешности; возможность присвоения погрешности полученной кривой ВРСЗ для дальнейшего ее учета в системе оперативной океанологии; в узлах аппроксимированного фрагмента кривой ВРСЗ находятся реальные точки измерения гидрофизических параметров; при достроении измеренного фрагмента до полной кривой ВРСЗ учитываются пространственно-временные особенности поля скорости звука района наблюдений; способ применим как при размещении измерительной аппаратуры на всех типах носителей, производимых гидрологические измерений (надводный корабль, подводная лодка, самолет), так и для стационарного варианта размещения измерительной аппаратуры.

Таким образом, заявленный способ достроения измеренной корабельной аппаратурой части профиля ВРСЗ в воде до поверхности и до дна позволит в значительной степени повысить точность и своевременность получения отдельных характеристик гидрофизических параметров морской среды с целью решения практических задач гидроакустики, требующих учета полного профиля ВРСЗ.

Источники информации

1. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики / пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978 - 448 с.

2. Машошин А.И. Оптимизация маневрирования подводной лодки с использованием гидроакустических расчетов. // Морская радиоэлектроника. 2012. №4 (42). с. 24-27.

3. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1983. 205 с.

4. Патент на изобретение №2498354. G01V 1/38, G01H 5/00. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука / Машошин А.И., Соловьева О.Б., Шафранюк А.В. Опубл. 10.11.2013.

5. Микушин И.И. Способ достроения измеренной части кривой вертикального распределения скорости звука до дна. // Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ. 2003. №6 (35). с. 103-105.

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для формирования полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде от поверхности до дна. Сущность: производят измерение гидрофизических параметров водной среды корабельной аппаратурой, размещаемой на надводном корабле, подводной лодке или необитаемом подводном аппарате, и формируют фрагмент кривой вертикального распределения скорости звука, который не характеризует поле скорости звука в приповерхностном и придонном слоях моря. Используя набор вероятностных кривых ВРСЗ климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года, рассчитывают среднее значение скорости звука на поверхности моря и область возможного нахождения подводного звукового канала со средневзвешенными значениями скорости звука на стандартных горизонтах. Анализируя минимальную и предельную глубины точек измерения скорости звука измеренного фрагмента и рассчитанные параметры области возможного нахождения подводного звукового канала, достраивают измеренный фрагмент ВРСЗ до поверхности с использованием параметров скорости звука на поверхности моря и дна с использованием средневзвешенных значений скорости звука на стандартных горизонтах и их глубинных градиентов. Технический результат - повышение точности решения практических задач, требующих наличие полного профиля ВРСЗ, за счет повышения достоверности цифровой модели канала распространения акустической энергии в водной среде. 2 ил.

Способ достроения измеренной части профиля вертикального распределения скорости звука до поверхности и до дна, заключающийся в измерении корабельной аппаратурой фрагмента кривой вертикального распределения скорости звука, расчете значения скорости звука на поверхности моря на основе анализа приповерхностного слоя скорости звука, расчете области возможного нахождения подводного звукового канала и средневзвешенных значений скорости звука на стандартных горизонтах на основе набора вероятностных кривых вертикального распределения скорости звука климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года и построения полного профиля вертикального распределения скорости звука от поверхности до дна, отличающийся тем, что используют в расчете весь массив вероятностных кривых вертикального распределения скорости звука климатического масштаба и значения глубинных градиентов скорости звука для района производства измерений гидрофизических параметров и текущего сезона года, при этом достраивают измеренный фрагмент кривой вертикального распределения скорости звука до поверхности моря с учетом рассчитанного среднего значения скорости звука на поверхности моря из набора вероятностных кривых вертикального распределения скорости звука климатического масштаба района производства измерений гидрофизических параметров для текущего сезона года.