Способ достроения измеренной от поверхности моря части профиля вертикального распределения скорости звука до дна Российский патент 2022 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 моря до дна.

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 моря до дна [1-3]. Современная судовая аппаратура измеряет значения гидролого-акустических параметров (скорость распространения звука, температура, электропроводность или соленость воды) до глубин не более 500 метров [4].

Известны способы получения полного профиля ВРСЗ от поверхности до дна на основе измеренного его фрагмента корабельной аппаратурой. Так в способе, изложенном в патенте [5], 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.

Недостатком способа 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 предполагаемому изобретению является способ, изложенный в патенте [6] и заключающийся в измерении 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 отсутствие информации о измеренных значениях скорости звука в приповерхностном слое и на поверхности моря приводит к неточности построения профиля ВРСЗ, что влечет к значительным ошибкам в расчете дальности обнаружения погруженных объектов и снижению эффективности средств освещения подводной обстановки.

Для устранения недостатков приведенных способов получения кривой ВРСЗ от поверхности моря до дна с использованием измеренного массива данных, предлагается способ достроения измеренной от поверхности моря части профиля ВРСЗ судовой аппаратурой до дна с использованием массива статистических данных по слоисто-градиентной структуре поля скорости звука и типовой кривой ВРСЗ в придонном слое для конкретного района Мирового океана.

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

Поставленная цель достигается тем, что способ достроения измеренной от поверхности части профиля вертикального распределения скорости звука до дна, заключающийся в измерении судовой аппаратурой приповерхностного фрагмента кривой ВРСЗ и последовательном приближении слоистой и градиентной структуры поля скорости звука последнего измеренного значения скорости звука к скорости звука на глубинном горизонте сопряжения для заданного района Мирового океана и периода года, при этом параметры градиентов скорости звука по слоям и типовые кривые ВРСЗ от горизонта сопряжения до дна для конкретных районов моря и сезонов года сведены в климатические базы данных.

Рассмотрим работу предлагаемого способа. Весь массив многолетних данных по скорости звука А для конкретного района Мирового океана разбивается на подмассивы А_ij, которые описывают градиентную изменчивость поля скорости звука в i-м слое, j-м районе и имеют для данного района характерную типовую кривую ВРСЗ в придонном слое. Эта информация представляет собой исходную климатическую базу данных, используемую для достроения измеренного фрагмента ВРСЗ до дна.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой приведен пример, поясняющий предлагаемый способ.

Для решения поставленной задачи производится измерение фрагмента профиля ВРСЗ от поверхности моря (С_п,0) до предельной глубины (С_изм,Н_изм). При этом предельная глубина измерения глубина ВРСЗ может быть минимальной. Формируется измеренная часть профиля ВРСЗ (С_п,0:, C_изм,H_изм), которую необходимо достроить до дна моря. Дополнительно фиксируются географические координаты положения носителя измерительной аппаратуры (ϕ, λ) и измерение глубины места (H_дн).

Используя географические координаты места проведения измерений в исходной климатической базе данных, выбираем подмассив многолетних наблюдений А_ij за текущий сезон с присущими градиентами скорости звука для набора слоев, характеризующих данный морской район. Для примера, приведенного на фиг. 1, выбранный район характеризуется 3-мя градиентными слоями (отрезки 1-2, 2-3, 3-4). Для данного района из этой же климатической базы данных выбираем типовую кривую ВРСЗ в придонном слое, которая начинается с глубины горизонта сопряжения (С_ГС,Н_ГС) и заканчивается на глубине места (С_дн,Н_дн).

Для сопряжения последней измеренной точки (С_изм,Н_изм) с точкой на горизонте сопряжения (С_ГС,Н_ГС), выбранный из подмассива А_ij градиент для I слоя графически опускаем на горизонт сопряжения и получаем точку (ГС_Iсл), из которой проводим прямую до последней измеренной точки (С_изм,Н_изм). Ограничиваясь глубиной I слоя (H_Iсл), получаем точку (С_Iсл,H_Iсл,), которая будет входить в построенный профиль ВРСЗ.

Далее, используя градиент для II слоя, графически опускаем на горизонт сопряжения и получаем точку (ГС_IIсл), из которой проводим прямую до последней полученной при достроении точки (С_Iсл,H_Iсл). Ограничиваясь глубиной II слоя (Н_IIсл), получаем точку (С_IIсл,H_IIсл), которая будет входить в построенный профиль ВРСЗ.

Последнюю полученную при достроении точку (С_IIсл,H_IIсл) соединяем с точкой скорости звука типовой кривой ВРСЗ в придонном слое (С_ГС,Н_ГС), расположенной на горизонте сопряжения. В результате предложенного способа измеренная часть профиля ВРСЗ (С_п,0; С_изм,Н_изм) достраивается до дна профилем (С_изм,Н_изм; С_Iсл,Н_Icл; С_IIсл,Н_IIсл; С_ГС,Н_ГС; С_дн,Н_дн).

Предложенный способ достроения измеренной от поверхности части профиля ВРСЗ позволяет автоматизировать процесс обработки измерительной информации на судне. К достоинствам данного способа стоит отнести: проведение обработки измерительной информации без участия оператора, что позволит минимизировать вносимые погрешности; при достроении измеренной части профиля до полной кривой ВРСЗ учитываются слоисто-градиентные особенности поля скорости звука района наблюдений; способ применим как при получении минимальной части по глубине измерения профиля ВРСЗ, так и при измерении скорости звука только на поверхности моря, получаемой, например, с авиационных или космических носителей.

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

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

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. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003. 357 с.

5. Патент на изобретение №2498354. G01V 1/38, G01Η 5/00. Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука / Машошин А.И., Соловьева О.Б., Шафранюк А.В. Опубл. 10.11.2013.

6. Патент на изобретение №2618599. G01S 15/00. Способ достроения измеренной части профиля вертикального распределения скорости звука в воде до поверхности и до дна. / Микушин И.И. Опубл. 04.05.2017.

Использование: изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для формирования полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде от поверхности моря до дна. Сущность: производят измерение гидрофизических параметров водной среды судовой аппаратурой и формируют фрагмент ВРСЗ, который не характеризует поле скорости звука в глубинном и придонном слоях моря. Используя набор градиентов скорости звука для типовых слоев толщи морской воды определенного морского района и текущего сезона года в виде климатической базы данных и типовую кривую ВРСЗ в придонном слое, последовательно достраивают последнюю измеренную по глубине точку скорости звука с первой точкой скорости звука типовой кривой, расположенной на горизонте сопряжения, с учетом характерной градиентной структуры водной среды. Технический результат - повышение точности решения практических задач, требующих наличия полного профиля ВРСЗ, за счет повышения достоверности цифровой модели канала распространения акустической энергии в водной среде. 1 ил.

Способ достроения измеренной от поверхности моря части профиля вертикального распределения скорости звука до дна, заключающийся в измерении судовой аппаратурой фрагмента кривой вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ), выборе из климатической базы данных для конкретного морского района и сезона года набора градиентов скорости звука для типовых слоев толщи морской воды и типовой кривой ВРСЗ в придонном слое, последовательном достраивании последней измеренной по глубине точки скорости звука с первой точкой скорости звука типовой кривой, расположенной на горизонте сопряжения, с учетом характерной градиентной структуры водной среды, отличающийся тем, что в достроении используют минимальную по глубине измеренную часть вертикального распределения скорости звука или скорость звука на поверхности моря, а также климатическую базу данных, описывающую градиенты скорости звука по типовым слоям и типовую кривую ВРСЗ в придонном слое.