hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2025.18(2)-6IUMPCFhydrophysics-1432Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSО повышении эффективности пространственной обработки тональных акустических сигналов в океанических волноводах с ветровым волнениемOn Improving the Efficiency of Spatial Processing of Tonal Acoustic Signals in Oceanic Waveguides with Wind Waveshttps://orcid.org/0000-0002-7914-4810РаевскийМ. А.RaevskiiМ. А.

Раевский Михаил Алексеевич, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. 46

Scopus AuthorID6602674679

WoS ResearcherID ABF‑2016-2020

46 Ulyanova Str., Nizhny Novgorod, 603950

raevsky@appl.sci-nnov.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1557-6729БурдуковскаяВ. Г.BurdukovskayaV. G.

Бурдуковская Вера Геннадьевна, научный сотрудник

Scopus AuthorID6504075366

46 Ulyanova Str., Nizhny Novgorod, 603950

bvg@ipfran.ruИнститут прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАНРоссияA.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics RASRussian Federation2025140720251828395Copyright © Раевский М.А., Бурдуковская В.Г., 20252025Раевский М.А., Бурдуковская В.Г.Raevskii М.А., Burdukovskaya V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1432

Исследуется возможность повышения эффективности пространственной обработки тональных сигналов в акустических волноводах со взволнованной поверхностью. Показано, что предварительная частотная фильтрация сигнала в узкой полосе в сочетании с известными алгоритмами пространственной обработки позволяет значительно увеличить коэффициент усиления горизонтальной антенной решетки. Основной идеей предлагаемой пространственно-временной обработки сигналов является подавление некогерентной компоненты акустического поля при частотной фильтрации сигнала. Предложен алгоритм расчета корреляционной матрицы сигнала на основе уравнения переноса для пространственно-временных функций когерентности комплексных амплитуд акустических мод. Получены результаты численного моделирования коэффициентов усиления при различных алгоритмах обработки сигнала в звуковом канале с гидрологией зимнего типа. Проанализированы зависимости коэффициентов усиления от дистанции, скорости ветра, параметров дна, модели шума и ориентации антенной решетки. Основное внимание уделяется сравнению результатов с частотной фильтрацией и без нее.

The possibility of increasing the efficiency of spatial processing of tonal signals in acoustic waveguides with wind waves is investigated. It is shown that preliminary frequency filtering of the signal in a narrow band in combination with known spatial processing algorithms allows to significantly increase the gain of the horizontal antenna array (AA). The main idea of the proposed spatio-temporal signal processing is to suppress the incoherent component of the acoustic field during frequency filtering of the signal. An algorithm for calculating the correlation matrix of the signal based on the transfer equation for the spatio-temporal coherence functions of complex amplitudes of acoustic modes is proposed. The results of numerical modeling of the gain factors for various signal processing algorithms in a sound channel with winter-type hydrology are obtained. The dependences of the gain factors on the distance, wind speed, bottom parameters, noise model and AA orientation are analyzed. The main attention is paid to comparing the results with and without frequency filtering.

акустический волноводветровое волнениеантеннакогерентностьчастотная фильтрациякоэффициент усиленияacoustic waveguidewind wavesantennacoherencefrequency filteringgainДанное исследование выполнено в рамках госзадания ИПФ РАН по теме № FFUF‑2024-0035.This study was carried out within the framework of the state assignment of the IAP RAS on theme No. FFUF‑2024-0035.ReferencesЕлисеевнин В.А. О работе горизонтальной линейной антенны в мелком море // Акустический журнал. 1983. Т. 29, № 1. С. 44–49.Eliseevnin VA. Performance of a horizontal linear antenna in shallow sea Acoustical Physics. 1983;29(1):44–49. (in Russian)Елисеевнин В.А. Усредненный отклик горизонтальной линейной антенны в мелком море // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 2. С. 193–197. EDN: OPQSBPEliseevnin VA. Averaged response of a horizontal linear antenna in shallow sea. Acoustical Physics. 2004;50(2):154–157. doi:10.1134/1.1675869Сазонтов А.Г., Фарфель В.А. О работе горизонтальной дискретной антенны в случайно-неоднородном океане // Акустический журнал. 1990. Т. 36, № 1. С. 130–136.Sazontov AG., Farfel VA. Performance of a horizontal discrete antenna in a randomly inhomogeneous ocean. Acoustical Physics. 1990;36(1):130–136. (in Russian)Городецкая Е.Ю., Малеханов А.И., Сазонтов А.Г., Фарфель В.А. Влияние эффектов дальнего распространения звука в случайно-неоднородном океане на потери усиления горизонтальной антенной решетки // Акустический журнал. 1996. Т. 42, № 5. С. 615–622.Gorodetskaya EYu, Malehanov AI, Sazontov AG, Farfel VA. Far-range sound propagation effects on gain losses in horizontal antenna arrays. Acoustical Physics. 1996;42(5):615–622. (in Russian)Carey W.M. The determination of signal coherence length based on signal coherence and gain measurements in deep and shallow water // The Journal of the Acoustical Society of America. 1998. Vol. 104, № 2. P. 831–837. doi:10.1121/1.423357Carey WM. Determining signal coherence length in deep and shallow water. The Journal of the Acoustical Society of America. 1998;104(2):831–837. doi:10.1121/1.423357Carey W.M., Lynch J.F., Siegmann W.L., Rozenfild I., Sperry B.J. Sound transmission and spatial coherence in selected shallow-water areas: measurements and theory // Journal of Computational Acoustics. 2006. Vol. 14, № 2. P. 265–298. doi:10.1142/S0218396X06003037Carey WM, Lynch JF, Siegmann WL, Rozenfild I, Sperry BJ. Shallow-water sound transmission and spatial coherence. Journal of Computational Acoustics. 2006;14(2):265–298. doi:10.1142/S0218396X06003037Завольский Н.А., Малеханов А.И., Раевский М.А., Смирнов А.В. Влияние ветрового волнения на характеристики горизонтальной антенны в условиях мелкого моря // Акустический журнал. 2017. Т. 63, № 5. С. 501–512. doi:10.7868/S0320791917040165 EDN: ZDOHHNZavolskii NA, Malekhanov AI, Raevskii MA, Smirnov AV. Effects of wind waves on horizontal array performance in shallow-water conditions Acoustical Physics. 2017;63(5):542–552. DOI: 10.1134/S1063771017040145Завольский Н.А., Малеханов А.И., Раевский М.А. Сравнительный анализ методов пространственной обработки сигналов, принимаемых горизонтальной антенной решеткой в канале мелкого моря со взволнованной поверхностью // Акустический журнал. 2019. Т. 65, № 5. С. 608–618. doi:10.1134/S0320791919050198 EDN: SOILKOZavolskii NA, Malekhanov AI, Raevskii MA. Comparative analysis of horizontal array processing in a shallow-water channel with a rough windy surface. Acoustical Physics. 2019;65(5):507–516. doi:10.1134/S0320791919050198Бурдуковская В.Г., Малеханов А.И., Раевский М.А. Влияние анизотропного ветрового волнения на эффективность пространственной обработки акустических сигналов в мелком море // Акустический журнал. 2021. Т. 67, № 6. С. 617–625. doi:10.31857/S0320791921060022 EDN: AXLLLXBurdukovskaya VG, Malekhanov AI, Raevsky MA. Influence of anisotropic wind waves on the efficiency of spatial processing of acoustic signals in shallow water. Acoustical Physics. 2021;67(6):617–625. doi:10.1134/S1063771021060026Раевский М.А., Бурдуковская В.Г. Влияние межмодовых корреляций на эффективность пространственной обработки акустических сигналов в океаническом волноводе со взволнованной поверхностью // Акустический журнал. 2022. Т. 68, № 6. С. 625–637. doi:10.31857/S0320791922060107 EDN: VBJCJDRaevsky MA, Burdukovskaya VG. Effect of intermodal correlations on the efficiency of the spatial processing of acoustic signals in an oceanic waveguide with a perturbed surface Acoustical Physics. 2022;68(6):582–593. doi:10.1134/S1063771022060100Раевский М.А., Бурдуковская В.Г. Пространственная обработка акустических сигналов в океанических волноводах на фоне шумов ветрового происхождения // Акустический журнал. 2023. Т. 69. № 1. С. 73–83. doi:10.31857/S032079192210001X EDN: DADWRSRaevsky MA, Burdukovskaya VG. Spatial processing of acoustic signals in oceanic waveguides on a wind noise background Acoustical Physics. 2023;69(1):102–111. DOI: 10.1134/S1063771022700063Раевский М.А., Бурдуковская В.Г. Модели распространения акустических сигналов и шумов в океанических волноводах с взволнованной поверхностью и эффективность пространственной обработки // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2023. Т. 66. № 12. С. 1068–1093. doi:10.52452/00213462_2023_66_12_1068 EDN: RPXQMFRaevsky MA, Burdukovskaya VG. Models of propagation of acoustic signals and noise in oceanic waveguides with wavy surface and the effectiveness of spatial signal processing. Radiophysics and Quantum Electronics. 2024;66(12):966–987. https://doi.org/10.1007/s11141-024-10345-4Раевский М.А., Бурдуковская В.Г. Совместное влияние ветрового волнения и внутренних волн на когерентность низкочастотных акустических сигналов и эффективность их пространственной обработки в мелком море // Акустический журнал. 2024. Т. 70. № 4. С. 592–607. doi:10.31857/S0320791924040121 EDN: XFCDUFRaevsky MA, Burdukovskaya VG. The combined influence of wind waves and internal waves on the coherence of low-frequency acoustic signals and the efficiency of their spatial processing in shallow water Acoustical Physics. 2024;70(4):705–717. DOI: 10.1134/S1063771024601547Артельный В.В., Раевский М.А. О статистических характеристиках нормальных волн в волноводе с объемными неоднородностями // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 1984. Т. 27, № 9. С. 1142–1150.Artel’nyi VV, Raevskii MA. Statistical characteristics of normal modes in a waveguide with volume inhomogeneities Radiophysics and Quantum Electronics. 1984;27(9):804–810. https://doi.org/10.1007/BF01041390Горская Н.С., Раевский М.А. О многократном рассеянии низкочастотных акустических волн на поверхностном волнении // Акустический журнал. 1986. Т. 32, № 2. С. 165–171.Gorskaya NS, Raevsky MA. On multiple scattering of low-frequency acoustic waves by surface waves. Acoustical Physics. 1986;32(2):165–171. (in Russian)Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 с.Brekhovskikh LM, Lysanov YP. Theoretical foundations of ocean acoustics. Moscow: Nauka; 2007. 370 p. (in Russian)Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.Davidan IN, Lopatukhin LI, Rozhkov VA. Wind waves in the World Ocean. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1985. 256 p. (in Russian)Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 193 с. EDN: YXGDJZKatsnelson BG, Petnikov VG. Shallow water acoustics. Moscow: Nauka; 1997. 193 p. (in Russian)Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 445 с.Urick RJ. Principles of underwater sound. New York: McGraw-Hill; 1975.Dennis R. Morgan, Thomas M. Smith. Coherence effects on the detection performance of quadratic array processors, with applications to large-array matched-field // The Journal of the Acoustical Society of America. 1990. Vol. 87, № 2. P. 737–747. doi:10.1121/1.398888Morgan DR., Smith TM. Coherence effects on the detection performance of quadratic array processors, with applications to large-array matched-field // The Journal of the Acoustical Society of America. 1990;87(2):737–747. doi:10.1121/1.398888Kuperman W.A., Ingenito F. Spatial correlation of surface-generated noise in a stratified ocean // The Journal of the Acoustical Society of America. 1980. Vol. 67. P. 1988–1996. doi: 10.1121/1.384439Kuperman WA, Ingenito F. Spatial correlation of surface-generated noise in a stratified ocean // The Journal of the Acoustical Society of America. 1980;67:1988–1996. doi:10.1121/1.384439

The authors declare that there are no conflicts of interest present.