RU2304794C2 - Способ гидрометеорологоакустического наблюдения за акваторией морского полигона - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области наблюдений за состоянием акватории морского полигона и может быть использовано при проведении мониторинга. Сущность: одновременно выполняют эхолокационную площадную съемку рельефа дна и гравиметрическую съемку для определения поправок за рельеф дна при измерениях. Размещают на поверхности, в водной среде и на дне акватории морского полигона измерительную аппаратуру. Измеряют посредством установленной аппаратуры уровень моря, динамический шум моря, температуру морской воды и атмосферы, атмосферное и гидродинамическое давления, плотность и соленость морской воды, скорость течения. Анализируют спектры зарегистрированных сигналов, определяют по ним составляющие энергетического шума моря, средней скорости ветра, высоты волн 3% обеспеченности. Включают этих параметры в состав информационного обеспечения и передают на приемные пункты через канал связи. Технический результат: повышение достоверности получаемых результатов. 3 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к способам мониторинга за состоянием морской поверхности в обеспечении задач в области геофизики, гидрологии, метеорологии, гидрографии, картографии и может быть использовано для решения задач, связанных с использованием природных богатств морей и океанов, подводной навигацией и обеспечением безопасности эксплуатации морских магистральных трубопроводов.

Известен способ гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [1], включающий размещение измерительной аппаратуры, состоящей из последовательно соединенных гидрофона, предварительного усилителя, линии связи, широкополосного усилителя, анализатора спектра, блоков выделения участка спектра, классификации шума моря, определения скорости ветра, определения волнения, в котором гидрофон размещается в морской среде на глубине 100-150 м и соединяется с береговой базой, на которой оценивается гидрометеорологоакустическая обстановка. Получаемый технический результат заключается в одновременном определении подводного шума моря, средней скорости ветра над акваторией и волнения поверхности в акватории морского полигона. Принцип действия основан на связи спектра шума моря с гидрометеорологическими условиями путем выполнения вычислений по аналитическим зависимостям.

С учетом того, что параметры определяются посредством одного ненаправленного гидрофона по энергетическому шуму моря, характеристики которого сохраняют стационарность для реализаций на сравнительно коротком промежутке времени (см. ,например, Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана / Аредов А.А., Дронов Г.М., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.357-361), и участок спектра с максимальными сигналами может сдвигаться с увеличением глубины, то степень достоверности получения конечных результатов, особенно для акваторий полигонов, имеющих большую площадь и сложный рельеф дна, весьма невысока.

Кроме того, использование в алгоритмах обработки энергетического шума моря, дискретного преобразования Фурье, когда исследуемые процессы представляют собой суперпозицию гармонических колебаний в виде ряда или интервала Фурье для реализации с коротким промежутком времени, особенно в нестационарных условиях, может вносить в конечный результат дополнительную погрешность, так как сумма двух периодических колебаний может быть непериодической функцией, например, при сложении синусоидальных колебаний с несоизмеримыми частотами.

Известен также способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана [2], включающий транспортировку к области исследования по баллистической или орбитальной траектории диагностического модуля, отделение от него за границами спускаемых капсул, снабженных радиозондами, доставку спускаемых капсул к исследуемой области, измерение с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения параметров атмосферы, земной поверхности и океана, передачу информации от радиозондов на пункты приема, в котором от диагностического модуля отделяют комплект спускаемых капсул, количество капсул в котором удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой области, после истечения заданного временного интервала осуществляют разведение спускаемых капсул, обеспечивая заданное распределение их в пространстве и доставку их к верхней границе исследуемой области, при этом от диагностического модуля последовательно с заданными временными интервалами отделяют несколько комплектов спускаемых камер.

При использовании данного способа для исследования океана при воздействии взволнованной водной поверхности происходит нарушение заданного распределения капсул с измерительной аппаратурой. Данный фактор особенно негативно сказывается при проведении исследований, связанных с обеспечением высокоточного координирования при спуске капсул и при их дрейфе после приводнения в океане.

Задача координирования средств измерения является одной из приоритетных задач при выполнении наблюдений за акваторией морского полигона, особенно в случаях, когда морской полигон предназначен и для решения задач, связанных с обеспечением проведения испытаний, например, по калибровки измерительных средств, установленных на космических аппаратах, в частности высокоточного радиовысотомера космической геодезической системы типа ГЕО-ИК-2.

Как правило, процессу выполнения наблюдений за акваторией морского полигона предшествуют работы, связанные с районированием полигона, включающие гравиметрическую и площадную съемки.

Основной задачей морской гравиметрической съемки является изучение строения земной коры по данным вариации силы тяжести на поверхности. Так как значительная часть этих вариаций обусловлена рельефом морского дна, гравитационный эффект которого необходимо учитывать, то гравиметрические работы сопровождаются непрерывным эхолотированием (площадной съемкой). При этом определение значения силы тяжести производится по формуле: g_н=g_оп+Δg_r+Δg_э, где g_оп - значение силы тяжести на опорном пункте; Δg_r - средний весовой отсчет пары гравиметров; Δg_э - поправка за эффект Этвеша (см. Гайнанов А.Г., Пантелеев В.Л. Морская гравиразведка. М., Недра, 1991, с.109).

Аномалии силы тяжести на акватории полигона определяются путем камеральной обработки по методике редуцирования (см. там же, с.110-111). По результатам камеральной обработки составляется карта аномалий силы тяжести. Для получения достоверных результатов в процессе гравиметрической съемки необходимо учитывать поправки в показаниях морских гравиметров, связанные с изменением силы тяжести в фиксированной точке на поверхности океана из-за колебания уровня морской поверхности во времени, обусловленного влиянием луны и солнца, связанные с изменением взаимного расположения гравитирующих объектов внутри Земли и изменением положения самой Земли относительно центра ее масс. Влияние этих факторов при неблагоприятном стечении обстоятельств приводит к тому, что можно получить ложную аномалию с существенной амплитудой (10 мГал и более) и шириной (около 10 км) ввиду того, что амплитуда статических вариаций гармонических колебаний линейно связана с размахом колебаний уровня, а для динамической составляющей существенна ее зависимость от периода колебаний. Для уменьшения влияния этих факторов в процессе измерений и камеральной обработки вводят величину поправки, условно называемую океанографической. Ее величину, являющуюся функцией отклонений поверхности океана от среднего положения (совпадающего с геоидом), получают по косвенным данным, включающим сведения о приливах, гидрологическом режиме и метеорологических условиях в точке измерения, что требует трудоемких вычислений по определению поправочных коэффициентов.

При отклонении уровня океана от геоида на 1 м величина статической составляющей вариации силы тяжести в фиксированной точке этой поверхности составляет около 0,25 мГал. Значение вертикального градиента в каждой конкретной точке может отличаться от нормального в пределах 10-20%.

Во многих случаях, кроме того, может оказаться заметной погрешность за счет аппроксимации притяжения промежуточных масс плоскопараллельным слоем. Значения вводимых коэффициентов носят приближенный характер, так как они определяются по информации, полученной с использованием контактных измерителей (мареографы) или неконтактных (дистанционных) измерителей уровня моря, с одновременным определением географических координат, момента верхней кульминации луны на фиксированном географическом меридиане (как правило на Гринвичском) и вычислением уровня моря. Кроме того, известные способы определения уровня моря не позволяют определить временной ход приливного колебания уровня моря в конкретной точке измерения ввиду того, что периоды системы времени измерения и периоды гармоник процесса колебаний уровня могут быть несоизмеримы и при сложении двух периодических колебаний их сумма может представлять собой непериодическую функцию, например при сложении двух синусоидальных колебаний с несоизмеримыми частотами, что требует выполнения дополнительных преобразований с использованием Фурье-анализа, выбора цикловой частоты (определение защитного временного интервала, обеспечение восстановления несущей частоты, тактовая синхронизация по элементам и адресация информации, установление уровней сигналов во временных интервалах).

При составлении гравиметрических карт акватории полигона, которое включает приведение аномалий силы тяжести в единую систему, выбор масштаба и сечения карты, выбор значения плотности промежуточного слоя, интерполирование аномалий и построение карты с нанесением изоаномал по интерполированным значениям аномалий, ввиду того, что делают предположение о линейном изменении аномалий, могут вносится существенные погрешности, так как интерполированное значение аномалий отличается от действительного. Для оценки точности гравиметрических карт вычисляют ошибку интерполяции, представляющую собой среднее квадратическое значение разности интерполяции по карте изоаномал и измеренного значения аномалий силы тяжести. При этом в значение разности входит и погрешность измерения, что при расстоянии между точками измерений более 10 км в предположении о линейном изменении аномалий приводит к большим ошибкам.

Кроме того, при построении изоаномал на карте с одновременным нанесением на карту географических объектов (береговая черта, маяки, навигационные опасности и т.д.) выполняется картографическая генерализация (см., например, 1. Основы автоматизации картографической информации Мирового океана / Киселев В.А., Свердлов Э.Н., Башкиров О.А. и др. - Главное управление навигации и океанографии МО СССР, адм. №9119, Л., 1979, с.109-112. 2. Берлянт A.M., Бусин О.Р. Картографическая генерализация и теория фракталов. М., МГУ им. Ломоносова, 1998 - 136 с., с.96-112). При этом выполняются такие операции как разделение линейного объекта по геометрическим показателям (кривизна, фрактальная размерность, фрактальный множитель), упрощение путем уменьшения количества точек линии, сглаживание путем уменьшения кривизны линии, смещение части линии или некоторых точек линии, утрирование, заключающиеся в утверждении или исключении отдельных элементов, не выражающихся в уменьшенном масштабе карты. В результате выполнения этих операций не учитываются такие важные факторы как вид генерализуемого объекта, степень извилистости, степень уменьшения генерализуемого объекта, что при изменении масштаба карты в связи сохранением графического подобия линейного объекта снижает геометрическую точность расположения линии относительно других линий географических объектов, что приводит к уменьшению степени достоверности полученной информации в точке измерения.

Размещению измерительной аппаратуры на акватории полигона, как правило, также предшествуют работы, связанные с изучением микрорельефа дна посредством гидроакустических средств (ГАС) для определения поправок за рельеф дна, учитываемых при измерениях. Для этого используют две ГАС, антенны которых пространственно разнесены в горизонтальной плоскости на некоторую величину, составляющую базис стереообзора (см., например, Патент US №3781775).

При этом методика стереонаблюдений основана на использовании параллактического смещения между соответствующими записями изображений рельефа дна на эхограммах двух ГАС, возникающего за счет разноса их антенн. Получаемые в результате этой операции поправки отягощены нелинейностью изменения продольного параллакса в зоне стереоэффекта, зависимостью величины разности параллаксов от величины базиса.

Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности получения гидрометеорологоакустических параметров при наблюдениях за акваторией морского полигона.

Поставленная задача достигается тем, что в способе гидрометеорологоакустического наблюдения за акваторией морского полигона, включающем одновременное выполнение площадной съемки рельефа дна эхолокацией и гравиметрической съемки для определения поправок за рельеф дна при измерениях, размещение измерительной аппаратуры на поверхности, в водной среде и на дне акватории морского полигона, количество которой удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой акватории с обеспечением заданного распределения в исследуемой акватории путем определения координат местоположения измерительной аппаратуры, сравнение их с заданными координатами, измерение посредством измерительной аппаратуры динамического шума моря, температуры морской воды и атмосферы, атмосферного и гидродинамического давлений, плотности и солености морской воды, скорости течения, анализ спектров зарегистрированных сигналов, определение по ним составляющих энергетического шума моря, средней скорости ветра, высоты волн 3% обеспеченности, с включением этих параметров в состав информационного обеспечения, передаваемого на приемные пункты через каналы связи, в котором условия заполнения исследуемой акватории с обеспечением заданного распределения в ней определяются путем восстановления профиля рельефа дна исследуемой акватории по результатам площадной съемки, определения критических точек, обусловленных изменением гравитации, при регистрации динамического шума моря дополнительно регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки с детектированием комбинационных сигналов по модуляционным характеристикам акустических шумов моря и судоходства при рассеянии плоской гармонической волны на ограниченном в пространстве волновом пакете, длина которого меньше длины волны, и еще определяют скорость колебаний измерительной аппаратуры под воздействием течения, а среднюю скорость ветра определяют путем обработки участков энергетического спектра, отобранных посредством кластеризации с последующим синтаксическим анализом и определением скорости поверхностного течения, скорости дрейфового течения, скорости поверхностного ветрового течения, скорости орбитального течения, периода волн, длины волн, скорости волн, при этом при выполнении площадной съемки рельефа дна путем гидролокационной съемки с подвижного носителя посредством по крайней мере двух эхолокаторов относительные превышения дна определяют путем измерения продольных параллаксов в произвольных точках, полученных путем дискретного изменения угла направленности лучей; при гравиметрической съемке, включающей измерение силы тяжести посредством гравиметров с определением поправок в показаниях гравиметров, обусловленных изменением силы тяжести в фиксированной точке на поверхности океана, колебаниями уровня морской поверхности во времени, влиянием луны и солнца, построение гравиметрических карт акватории полигона, с измерением уровня моря посредством измерителей с регистрацией времени измерения, определения верхней кульминации луны на фиксированном географическом меридиане, измерения уровня моря выполняют на интервале времени, соизмеримом изменению фазы прилива; построение гравиметрических карт акватории полигона, включающее нанесение на карту гравиметрических пунктов со значением аномалий, интерполяцию значений аномалий, построение изоаномал по измеренным значениям аномалий путем нанесения на карту изоаномал в виде фрактальных линий, удовлетворяющих условию L(δ)=l(δ), где L(δ)=qδ^1-d; L - длина береговой линии, l(δ) - длина изоаномалы между пунктами аномалий, q и d>1 - числовые константы, определяемые изрезанностью формы береговой линии и изрезанностью фрактальной линии соответственно, δ - масштаб карты.

Соответствие условия заполнения исследуемой акватории с обеспечением заданного распределения в ней путем восстановления профиля рельефа дна исследуемой акватории по результатам площадной и гравиметрической съемок повышает инвариантность измерительной аппаратуры к условиям полигона, и в сочетании с регистрацией низкочастотных волн посредством искусственно возбуждаемых волн накачки с определением дополнительных параметров водной среды, соответственно и достоверность регистрируемых сигналов.

Способ реализуется следующим образом.

На акватории морского полигона одновременно выполняют гравиметрическую и площадную съемки посредством измерительной аппаратуры, установленной на подвижном носителе, например судне.

Гравитационная съемка включает выполнение судном прямолинейных галсов на акватории полигона, перевод отсчета каждого гравиметра в миллигалы, введение поправки за линейный дрейф нуль-пункта в отсчет каждого гравиметра, исключение динамических погрешностей, исключение систематической погрешности, обусловленной эффектом кросс-каплинг, введение поправки на эффект Этвеша, построение карт аномалий силы тяжести (см., например, Гайнанов А.Г., Пантелеев В.Л. Морская гравиразведка. М., Недра, 1991, с.106-132).

В отличие от известных технических решений в заявляемом способе при выполнении гравиметрических работ регистрацию уровня моря осуществляют на интервале времени, соизмеримом изменению фазы прилива в предшествующий момент верхней кульминации луны, в момент верхней кульминации луны и в последующий за ним момент, что позволяет определить временной ход приливных колебаний уровня в различных точках акватории полигона и получить пространственных ход приливных колебаний на данной акватории на любой астрономический момент времени. После выполнения регистрации уровня моря посредством приборов, например мареографов или радиотехнических устройств спутниковых систем, выполняют преобразование результатов наблюдений в виде рядов гармонических колебаний в виде чистых колебаний, представляющих собой тригонометрические ряды вида ΣА_пexp(iΛ_пt) в интервале -∞<t<∞, также выполняют преобразование циклического времени r(t) в линейное t в зависимости от частоты циклической системы времени ω_t в соответствии с зависимостью t=r(t)/ω_τ. Затем выполняют последующую обработку с учетом преобразованного времени. При этом гармонический процесс q в каждый фиксированный момент времени будет являться функцией двух частот q(t)=q(ω_ot, ω_τt), а в каждый момент времени t значение процесса q(t) является функцией двух независимых переменных: фазы φ_o(t)=ω_ot и фазы ω_τ(t)=ω_τt, представляющих собой координаты фазового пространства. Необходимость данных преобразований обусловлена тем, что истинное солнечное время и истинные лунные сутки изменяют свою длительность в относительно широком диапазоне, что приводит к погрешностям, обусловленным различием характера периодичности реального и измеренного процессов колебаний уровня моря по причине измерения в циклической системе среднесолнечного времени. В то время как основные энергонесущие гармоники связаны с лунными периодами, периоды системы времени измерения и периоды полученных гармоник могут быть несоизмеримы. В этом случае в фазовом пространстве, построенном на несоизмеримой с колебательным процессом системе времени, траектории процесса ведут себя хаотически. В зависимости от размерности фазового пространства, определяемого площадью полигона, траектории могут носить квазипериодический характер с перемежаемостью и даже, более того, иметь структуру странного артифактора. Нестационарность процесса может быть следствием неэргодичности траекторий в фазовом пространстве.

Процесс нанесения на карту изоаномал включает кодирование координат точек, в которых зарегистрированы аномалии, а также других географических объектов (береговая черта, навигационные знаки и т.д.), составляющих композицию с линиями изоаномал, нанесение на карту изоаномал в векторном формате по заданному разрешению карты в виде кривых линий в соответствии с зависимостью:

где T_g(a, b) - подмножество коэффициентов, для которых а (операция сдвига) меньше заданного масштаба (см., например, 1. Астафьев Н.М. Вейвлет анализ: основы теории и примеры использования // УФН, т.166, 1996, с.1145-1170. 2. Берлянт A.M., Бусин О.Р., Собчук Т.В. Картографическая генерализация и теория фракталов. М., МГУ им. Ломоносова - 1998 - 136 с., с.96-112).

Одновременно с гравиметрической съемкой выполняют площадную съемку с использованием двух гидроакустических станций (ГАС) бокового обзора. При этом характеристики направленности обоих антенн ГАС отклоняют от вертикали с образованием двухгранного угла, верхнее ребро которого перпендикулярно продольной оси носителя ГАС, а следы боковых граней на горизонтальной плоскости параллельны. Прямолинейным перемещением носителя ГАС обеспечивают последовательное освещение каждого элемента рельефа дна сначала одним лучом, а затем другим акустическим лучом пространственно разнесенных точек, что обуславливает наличие продольного параллакса в направлении перемещения носителя. Разность параллаксов ДР описывается выражением: ΔР=2М tgα h=kh, где М - масштаб регистрации, h - относительное превышение точек, k - постоянный коэффициент стереообзора, 2α - угловой базис стереообзора. Относительное превышение точек определяется как h=ΔР/k. При этом исключается нелинейность изменения продольного параллакса, обусловленного зависимостью величины разности параллаксов от величины базиса.

По результатам гравиметрической и площадной съемок, в зависимости от особенностей аномальных зон и рельефа дна, определяются точки установки измерительной аппаратуры.

В отличие от устройства гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [1], представляющего собой ненаправленный гидрофон, размещенный в морской среде на глубине 100-150 м, реализации заявляемого способа осуществляются посредством измерительной аппаратуры, которая помимо гидрофона включает датчики измерения температуры, солености, плотности, давления, скорости течения, геофоны, параметрический приемник звука, гидроакустический и спутниковый каналы связи, размещенные в герметичном корпусе.

Такой состав измерительной аппаратуры, помимо расширения спектра регистрируемых сигналов, позволяет уменьшить влияние негативных последствий, обусловленных воздействием водной среды. Например, существенным источником погрешностей для измерительной аппаратуры являются течения, причем независимо от способа их установки (на поверхности моря, в толще воды на якоре или на морском дне). Как показывают исследования (см., например, Duenneber F.K., Blackinton G., Sutton G.N. Current generated noise recorded on ocean bottom seismometers // Mar. Geophys. Res. 1981, v.5, №1, p.109-115), в зависимости от глубины постановки измерительной аппаратуры и конкретных условий скорости подводных течений могут меняться от долей до десятков сантиметров в секунду. Течения носят ламинарный или турбулентный характер, меняют направление и могут непосредственно раскачивать капсулу с измерительной аппаратурой. Другой механизм воздействия течений состоит в генерации акустических помех в воде за счет завихрений вокруг выступающих частей капсулы или неровностей дна. Еще один механизм нежелательного воздействия заключается в возбуждении акустических колебаний за счет вибраций упругих элементов капсулы под воздействием турбулентного потока, что может вносить дополнительную погрешность в результаты измерений акустических сигналов.

Для исключения этой составляющей погрешности определяют скорость колебаний капсулы в соответствии с зависимостью V=3ρΔu/(ρ+2ρ_кап), где ρ - плотность жидкости, ρ_кап - плотность капсулы, Δu - пульсационная скорость жидкости.

Известно, что интенсивные звуковые волны в воде не распространяются независимо, а вследствие нелинейных эффектов взаимодействуют между собой. Обычно в акустике дисперсия практически отсутствует и волны близких частот в квадратичном приближении эффективно взаимодействуют лишь только при коллинеарном распространении, когда выполняются условия синхронизма (см., например, Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана / Аредов А.А., Дронов Г.М., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. // Акустический журнал. 1994. Том 40, №3, с.357-361). Однако при взаимодействии волн, сильно различающихся по частоте, например, если интенсивный высокочастотный звуковой пучок распространяется в среде, возмущенной низкочастотной волной, возможен эффект модуляции высокочастотного пучка, степень которой будет зависеть от величины нелинейного параметра водной среды и угла между векторами распространения волн. Возможность регистрации низкочастотных волн с помощью искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки показана в работах (см., например, Westervelt R.J. Scattering of sound de sound // J.Acoust. Soc. Am. 1957. Vol.2, p.199-203; Westervelt R.J. Parametric acoustic array // Ibid. l963. Vol.35, №4, p.935-937).

В предлагаемом способе детектирование комбинационных сигналов осуществляется по модуляционным характеристикам акустических шумов моря и судоходства путем решения задачи о рассеянии плоской гармонической волны частоты ω_s на ограниченном в пространстве волновом пакете длины L с частотой заполнения ω_о. Интенсивность волнового пакета, распространяющегося вдоль оси х, имеет вид: Р=Р_оexp(iω_ot+ik_ox), где k_o=ω_о/u, u - скорость распространения пакета, а интенсивность падающей волны под углом θ плоской волны: P_s=Psoexp(-iω_st+ik_sxx+ik_syy), где k_sx=k_scosθ.

Для волны, рассеянной под углом Ψ, частота и амплитуда определяются путем решения волнового уравнения, которое в системе координат волнового пакета имеет вид: ΔP-1/c²[∂/∂t+u∂/∂x]²P=0.

Амплитуда рассеянной волны, измеряемой на расстоянии R от центра волнового пакета, определяется как:

где ε_r=ε-2sin²(θ/2), где ε_r=ε-2sin²(θ/2), r_n - радиус пучка волнового пакета, L - длина области взаимодействия волн, а для случая произвольного распространения волн (при условии, что длина волнового пакета p(f)=0,68fa_oρc_o/cosβ, где f - частота сигнала, а_о - вертикальное смещение дна, ρс_о - волновое сопротивление воды, ρ - плотность воды, с_о - скорость звука в воде, β - угол преломления волны, вышедшей из дна в воду - мала по сравнению с длиной волны исследуемого сигнала):

где ω_D=ω_s(1-cosθ)/(1-cosψ) - частота излучаемой волны.

При этом амплитуда рассеянной волны определяется взаимодействием первичных волн на длине пакета, а ее частота зависит от взаимной ориентации волновых векторов рассеиваемой волны и волнового пакета, что позволяет определять приход акустической волны, в том числе и волн сейсмического происхождения, по величине сдвига частоты рассеянного излучения посредством параметрического приемника звука и устройства диагностики нелинейного параметра среды (см., например, Наугольных К.А., Рыбак С.А. О возможности диагностики среды на основе эффектов взаимодействия звуковых волн // Акустика в океане / Под ред. Л.М. Бреховских, Л.Б. Андреевой. М., Наука, 1992, с.147-251). Использование для регистрации динамического подводного шума в акватории полигона параметрического приемника звука и устройства диагностики нелинейного параметра среды позволяет выделить низкочастотные составляющие, а в качестве гармонических высокочастотных сигналов регистрируются шумы судоходства посредством направленных геофонов, включенных по дифференциальной схеме, которые проявляются на фоне других шумов как "линейчатые" составляющие.

Скорость ветра на акватории полигона определяется путем обработки участков энергетического спектра, отобранных посредством процедуры кластеризации, с использованием синтаксического метода анализа (см., например, Анализ и выделение сейсмических сигналов / Под ред. Ч.Чжаня. - Перевод с английского под ред. Г.Н.Гогоненкова // М., Мир, 1996, с.218-228), что позволяет повысит достоверность определения скорости ветра и соответственно и параметров волнения на акватории полигона, которые в отличие от известного технического решения [1], в котором волнение определяется в баллах в соответствии с таблицей Бофорта, определяются путем вычислений по более строгим аналитическим зависимостям (см., например, Шулейкин В.В. Краткий курс физики океана. Гидрометеоиздат. М., 1958) в соответствии со следующим алгоритмом.

По полученным значениям скорости ветра W определяют скорость дрейфового течения

где φ - широта места; скорость поверхностного ветрового течения Vw=±0,329W^0,56 (см., например, Перепелицын О.В., Чернявец В.В. Исследование поверхностного ветрового течения в море // Физика атмосферы и океана, том 13, №2, 1978, с.217-220); высоту волны Н_в=0,2286W^3/2+1,524; скорость поверхностного течения

скорость орбитального течения

где τ - период волн; длину волн λ=(τ/0,8), скорость волны

При этом, ввиду того, что процесс взаимодействия на границе атмосфера-океан практически не является стационарным, то полученные значения параметров волнения подвергаются экспресс-анализу по следующему алгоритму: определение средней линии, определение амплитуд волн, определение средней высоты волн, определение периода волны, определение высоты волны 3% обеспеченности. Каждая полученная реализация волнения за промежуток времени, равный 20 мин, делится на 40 промежуточных интервалов t_n длительностью 30 сек, где n=1÷40. Для определения средней линии на каждом из промежуточных интервалов производится осреднение ординат волн за период t_k=210 сек, в середине которого находится t_n. Таким же образом определяется значение средней линии для t_n+1 интервала и так далее. Интервалам t_n с 1 по 3 присваиваются значения нулевой линии, рассчитанные для 4 периода, а интервалам t_n с 38 по 40 - значения, рассчитанные для 37 периода. В результате расчета получается массив из 40 значений нулевой линии, соответствующих определенному интервалу реализации. В соответствии с определением высоты волны, которая определяется как Н_вi=r₁+r₂, где r₁, r₂ - соответственно высота предыдущего и последующего полупериода, при наличии нескольких одинаковых максимальных амплитуд за полупериод для расчета Н_i используется любая из них. После определения значений высот волн и их количества в реализации рассчитывается среднее значение высоты волны на заданном интервале:

где m - число волн на интервале, равном 20 мин. Затем вычисляется индекс 3% обеспеченности. K_3%=3m/100.

Для повышения достоверности из анализа исключаются вторичные колебания. С этой целью в алгоритме амплитудной волны считается наибольшая ордината процесса, зарегистрированная до пересечения с нулевой линией. Для исключения из расчетов вторичных колебаний, возникающих в районе нулевой линии, в алгоритм введена зона нечувствительности. После исключения тренда производится вычисление полученной центрированной оценки

где Hi - значения центрированного тренда, N - количество значений в выборке. Амплитуда колебаний выводится через дисперсию А=2σ²=2σ, где А - искомая амплитуда, σ - среднее квадратическое отклонение. Далее производится вычисление периода методом подсчета числа пересечений волновым профилем нулевой линии. Амплитуда волны заданной обеспеченности определяется в соответствии с выражением:

где D_ξ - дисперсия, К=2,64 для волн 3% обеспеченности.

При отыскания волн Н_р заданной обеспеченности Р учитывается, что Н_р=2r_р, то

Результатом такой обработки являются оптимальным образом сглаженные значения, которые подвергаются еще более глубокому сглаживанию (фильтрации), что позволяет убрать постоянный низкочастотный тренд ошибок при определении скорости ветра, и соответственно получить более достоверные значения параметров волнения.

Использование направленных геофонов, включенных по дифференциальной схеме, в сочетании с параметрическим приемником звука позволяет также выделить и сейсмоакустические волны, распространяющиеся вдоль поля звукового канала. Момент их появления и направление прихода могут быть выявлены путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа на комбинационных частотах.

Промышленная применимость способа технической трудности не представляет, так как для его осуществления используются серийные датчики и приборы, средства информационного обеспечения и каналы связи (спутниковые, гидроакустические).

Результаты апробирования способа на акватории морского полигона площадью 100×100 км² показали возможность использования его не только для целей наблюдений - мониторинга за состоянием морской поверхности, но и для проведения работ, связанных с калибровкой высокоточных радиовысотомеров космической геодезической системы типа ГЕО-ИК-2.

Источники информации

1. Патент РФ №2079168.

2. Патент РФ №2041476.

Claims (4)

1. Способ гидрометеорологоакустического наблюдения за акваторией морского полигона, включающий одновременное выполнение площадной съемки рельефа дна эхолокацией и гравиметрической съемки для определения поправок за рельеф дна при измерениях, размещение на поверхности, в водной среде и на дне акватории морского полигона измерительной аппаратуры, количество которой удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой акватории с обеспечением заданного распределения в исследуемой акватории путем определения координат измерительной аппаратуры, сравнения их с заданными координатами, измерение посредством измерительной аппаратуры уровня моря, динамического шума моря, температуры морской воды и атмосферы, атмосферного и гидродинамического давлений, плотности и солености морской воды, скорости течения, анализ спектров зарегистрированных сигналов, определение по ним составляющих энергетического шума моря, средней скорости ветра, высоты волн 3% обеспеченности, включение этих параметров в состав информационного обеспечения и передачу на приемные пункты через канал связи, отличающийся тем, что условия заполнения измерительной аппаратурой исследуемой акватории с обеспечением заданного распределения в ней определяются путем восстановления профиля рельефа дна исследуемой акватории по результатам площадной съемки и определения критических точек, обусловленных изменением гравитации, при этом измерения уровня моря выполняют на интервале времени, соизмеримом изменению фазы прилива, определяемой по данным гравиметрической съемки, дополнительно определяют скорость колебаний измерительной аппаратуры под воздействием течения, среднюю скорость ветра определяют путем обработки участков энергетического спектра, отобранных посредством кластеризации с последующим синтаксическим анализом и определением скорости поверхностного течения, скорости дрейфового течения, скорости поверхностного ветрового течения, скорости орбитального течения, периода волн, скорости волн, при регистрации динамического шума моря также регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, детектируют комбинационные сигналы по модуляционным характеристикам акустических шумов моря и судоходства при рассеянии плоской гармонической волны на ограниченном в пространстве волновом пакете, длина которого меньше длины волны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадная съемка рельефа дна выполняется путем гидролокационной съемки с подвижного носителя посредством, по крайней мере, двух эхолокаторов, при этом относительные превышения дна определяют путем измерения продольных параллаксов в произвольных точках, полученных путем дискретного изменения угла направленности лучей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гравиметрическую съемку, включающую измерение силы тяжести посредством гравиметров с определением в их показаниях поправок, обусловленных изменением силы тяжести в фиксированной точке на поверхности океана, колебаниями уровня морской поверхности во времени, влиянием луны и солнца, построение гравиметрических карт акватории полигона, выполняют с измерением уровня моря посредством измерителей с регистрацией времени измерения и определением верхней кульминации луны на фиксированном географическом меридиане.

4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что выполняют построение гравиметрических карт акватории полигона, включающее нанесение на карту гравиметрических пунктов со значением аномалий, интерполяцию значений аномалий, построение изоаномал по измеренным значениям аномалий, при этом нанесение на карту изаномал выполняют в виде фрактальных линий, удовлетворяющих условию L(δ)=l(δ), где L(δ)=qδ^l-d, L - длина береговой линии, l(δ) - длина изоаномалы между пунктами аномалий, qd>l - числовые константы, определяемые степенью изрезанности формы береговой линии и степенью изрезанности фрактальной линии соответственно, δ - масштаб карты.