hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321020052hydrophysics-78Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSПередача информации через случайно-неоднородную океаническую средуThe Information Transmission through Random-Inhomogeneous Ocean EnvironmentКузькинВ. М.Kuz’kinV. M.

119991, ул. Вавилова, д. 38, г. Москва

119991, ul. Vavilova, 38, Moscow

ЛяховГ. А.LyakhovG. A.

119991, ул. Вавилова, д. 38, г. Москва

119991, ul. Vavilova, 38, Moscow

ПересёлковС. А.PereselkovS. A.

394018, Университетская пл., д. 1, г. Воронеж

394018, Universitetskaya Sq., 1, Voronezh

pereselkov@yandex.ruКазначееваЕ. С.KaznacheevaE. S.

394018, Университетская пл., д. 1, г. Воронеж

394018, Universitetskaya Sq., 1, Voronezh

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАНРоссияProkhorov General Physics Institute of RASRussian FederationВоронежский госуниверситетРоссияVoronezh State UniversityRussian Federation2021301120211425464Copyright © Кузькин В.М., Ляхов Г.А., Пересёлков С.А., Казначеева Е.С., 20212021Кузькин В.М., Ляхов Г.А., Пересёлков С.А., Казначеева Е.С.Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A., Kaznacheeva E.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/78

Рассмотрены физико-математические принципы формирования голограммы в океанической среде на фоне интенсивных внутренних волн, вызывающих взаимодействие мод. В основе представленного исследования лежит анализ частотно-временной интерференционной картины (интерферограммы), формируемой широкополосным источником звука и ее двумерное фурье-преобразование (голограмма). В работе получена связь структуры интерферограммы и голограммы с характеристиками невозмущенного и рассеянного полей. Спектральная плотность голограммы концентрируется в двух непересекающихся областях, соответствующих рассеянному и невозмущенному полям. Фильтрация этих областей дает возможность передавать неискаженную информацию через неоднородную океаническую среду. Представлены и проанализированы результаты численного моделирования интерферограмм и голограмм в присутствии интенсивных внутренних волн. Оценена относительная ошибка восстановления интерферограммы невозмущенного поля. Предложен подход адаптации полученных результатов к задаче передачи неискаженной информации на фоне океанических неоднородностей.

The physical and mathematical principles of hologram formation in the oceanic environment at presence of intense internal waves is considered. It is assumed that intense internal waves are reason of the sound field modes coupling. The presented research is based on the analysis of the frequency-time interference pattern (interferogram) of the broadband sound source and its 2D Fourier transformation (hologram). The relationship between the interferogram and hologram structures and the unperturbed and scattered fields parameters is obtained in the paper. The hologram spectral density consists of the two disjoint regions corresponding to the scattered and scattered fields. The filtering of these regions allows us to transmit the non-distorted information through inhomogeneous ocean environment. The numerical simulation results of interferograms and holograms at presence of the internal waves are considered. The relative error of the reconstructed interferogram for unperturbed sound field is estimated. The applying of obtained results to the hydroacoustic communication are proposed.

голографическая интерферометрияинтенсивные внутренние водыдвукратное фурье-преобразованиеспектральная плотностьчисленное моделированиеневозмущенное и рассеянное поляholographic interferometryintense internal wavessound fieldhorizontal refractionmode couplingnumerical modelingunperturbed and scattered field2D Fourier transformationspectral densitytransfer functionРабота выполнена при поддержке грантов РФФИ: 19–29–06075 и 19–38–90326. Научно-исследовательская работа Е.С. Казначеевой поддержана грантом Президента РФ: (МК-6144.2021.4).ReferencesКузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Спектрограмма и локализация источника звука в мелком море // Акуст. журн. 2017. Т. 63, № 4. С. 406–418. doi: 10.7868/S0320791917040086Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Spectrogram and localization of a sound source in shallow water. Acoust. Phys. 2017, 63, 449–461. doi: 10.1134/S1063771017040078Казначеев И.В., Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Интерферометрический метод обнаружения движущегося источника звука векторно-скалярным приемником // Акуст. журн. 2018. Т. 64, № 1. С. 33–45. doi: 10.7868/S0320791918010100Kaznacheev I.V., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. An interferometric method for detecting a moving sound source with a vector-scalar receiver. Acoust. Phys. 2018, 64, 37–48. doi: 10.1134/S1063771018010104Бади М., Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Интерферометрия гидродинамики океанического шельфа, вызванной интенсивными внутренними волнами // Фундам. прикл. гидрофиз. 2020. Т. 13, № 1. С. 45–55. doi: 10.7868/S2073667320010050Badiey M., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Interferometry of hydrodynamics of oceanic shelf caused by intensive internal waves. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2020, 13, 1, 45–55. doi: 10.7868/S2073667320010050Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 71–82.Chuprov S.D. Interference Structure of Sound in a Layered Ocean. Ocean Acoustics. Current State. Moscow, Nauka, 1982, 71–91 (in Russian).Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Интерферометрическая диагностика гидродинамических возмущений мелкого моря. М.: Ленанд, 2019. 200 с.Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Interferometric diagnostics of hydrodynamic perturbations of the shallow sea. Moscow, Lenand, 2019, 200 p. (in Russian).Dosso S.E., Wilmut M.J. Maximum-likelihood and other processors for incoherent and coherent matched-field localization // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 132(4). P. 2273–2285. doi: 10.1121/1.4730978Dosso S.E., Wilmut M.J. Maximum-likelihood and other processors for incoherent and coherent matched-field localization. J. Acoust. Soc. Am. 2012, 132(4), 2273–2285. doi: 10.1121/1.4730978Сазонтов А.Г., Малеханов А.И. Согласованная пространственная обработка сигналов в подводных звуковых каналах (Обзор) // Акуст. журн. 2015. Т. 61, № 2. С. 233–253. doi: 10.7X68/S0320791915020124Sazontov A.G., Malekhanov A.I. Mathched field signal processing in underwater sound channels (Review). Acoust. Phys. 2015, 61, 213–230. doi: 10.1134/S1063771015020128Kaznacheeva E.S., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Measurement capability of the interferometric method of sound source localization in the absence of data on the waveguide transfer function // Phys. Wave Phenom. 2019. 27. P. 73–78. doi: 10.3103/S1541308X19010126Kaznacheeva E.S., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Measurement capability of the interferometric method of sound source localization in the absence of data on the waveguide transfer function. Phys. Wave Phenom. 2019, 27, 73–78. doi: 10.3103/S1541308X19010126Kaznacheeva E.S., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A., Tkachenko S.A. Adaptive interferometric processing algorithms // Phys. Wave Phenom. 2020. 28. P. 267–273. doi: 10.3103/S1541308X20030103Kaznacheeva E.S., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A., Tkachenko S.A. Adaptive interferometric processing algorithms. Phys. Wave Phenom. 2020, 28, 267–273. doi: 10.3103/S1541308X20030103Kuz’kin V.M., Kuznetsov G.N., Pereselkov S.A., Grigor’ev V.A. Resolving power of the interferometric method of source localization // Phys. Wave Phenom. 2018. 26. P. 150–159. doi: 10.3103/S1541308X18020097Kuz’kin V.M., Kuznetsov G.N., Pereselkov S.A., Grigor’ev V.A. Resolving power of the interferometric method of source localization. Phys. Wave Phenom. 2018, 26, 150–159. doi: 10.3103/S1541308X18020097Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S., Finette S., Headrick R.H., Kemp J., Lynch J.F., Newhall A.E., Orr M.H., Pasewark B.H., Tielburger D., Turgut A., von der Heydt K., Wolf S.N. An overview of the SWARM 1995 shallow-water internal wave acoustic scattering experiment // IEEE J. Ocean. Eng. 1997. 22. P. 465–500.Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S., Finette S., Headrick R.H., Kemp J., Lynch J.F., Newhall A.E., Orr M.H., Pasewark B.H., Tielburger D., Turgut A., von der Heydt K., Wolf S.N. An overview of the SWARM 1995 shallow-water internal wave acoustic scattering experiment. IEEE J. Ocean. Eng. 1997, 22, 465–500.Frank S.D., Badiey M., Lynch J., Siegmann W.L. Analysis and modeling of broadband airgum data influenced by nonlinear internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2004. 116(6). P. 3404–3422. doi: 10.1121/1.1819499Frank S.D., Badiey M., Lynch J., Siegmann W.L. Analysis and modeling of broadband airgum data influenced by nonlinear internal waves. J. Acoust. Soc. Am. 2004, 116(6), 3404–3422. doi: 10.1121/1.1819499Буров В.А., Сергеев С.Н. Современные методы теории возмущения при расчете гидроакустических полей // Вестн. МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 1992. Т. 33, № 2. С. 49–56.Burov V.A., Sergeev S.N. Modern methods of perturbation theory for calculating hydroacoustic fields. MSU Bulletin. Series 3. Physics. Astronomy. 1992, 33, 49–56 (in Russian).Распространение звука во флуктуирующем океане / Под ред. С. Флатте. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 336 с.Sound Transmission Through a Fluctuating Ocean / Ed. by S.M. Flatte. Cambridge University Press, 1979, 299 p.Коняев К.В., Сабинин К.Д. Волны внутри океана. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 271 с.Konyaev K.V., Sabinin K.D. Waves inside the ocean. St. Petersburg, Hydrometeoizdat, 1992, 271 p. (in Russian).Кузькин В.М., Луньков А.А., Пересёлков С.А. Частотные смещения максимумов звукового поля, вызванные интенсивными внутренними волнами // Акуст. журн. 2012. Т. 58, № 3. С. 342–349.Kuz’kin V.M., Lunkov A.A., Pereselkov S.A. Frequency shifts of sound field maxima under the effect of intense internal waves. Acoust. Phys. 2012, 58, 312–319. doi: 10.1134/S1063771012020108Kuz’kin V.M., Kutsov M.V., Pereselkov S.A. Frequency shifts of sound field maxima in few-mode propagation, which are initiated by internal wave solitons // Phys. Wave Phenom. 2013. 21. P. 139–151. doi: 10.3103/S1541308X13020064Kuz’kin V.M., Kutsov M.V., Pereselkov S.A. Frequency shifts of sound field maxima in few-mode propagation, which are initiated by internal wave solitons. Phys. Wave Phenom. 2013, 21, 139–151. doi: 10.3103/S1541308X13020064Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 374 с.Brekhovskikh L.M., Lysanov Yu.P. Theoretical bases of ocean acoustics. Moscow, Nauka, 2007, 370 p. (in Russian).Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.Landsberg G.S. Optics. Moscow, Nauka, 1976, 928 p.

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