References

hydrophysics

Фундаментальная и прикладная гидрофизика

Fundamental and Applied Hydrophysics

2073-66732782-5221

St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences

hydrophysics-873

Research Article

ГИДРОАКУСТИКА

HYDROACOUSTICS

Практические задачи гидроакустики, решаемые с использованием алгоритмов обработки сигналов, согласованных со средой их распространения (обзор)

Underwater acoustics problems solving with using matched field processing

Машошин

А. И.

Mashoshin

A. I.

г. Санкт-Петербург

St.-Petersburg

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияJSC Concern Central Scientific and Research Institute «Elektropribor»Russian Federation

2017

20112022

1013748

2022

Машошин А.И.

Mashoshin A.I.

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/873

Фундаментальной особенностью гидроакустического поля является сложная зависимость закона распространения сигнала от текущих гидроакустических условий в районе работы, поэтому алгоритмы решения большинства практических задач гидроакустики, которые, как правило, являются обратными задачами, должны учитывать текущие гидроакустические условия, т. е. должны быть согласованными со средой распространения гидроакустических сигналов и помех. В зарубежной литературе по гидроакустике под алгоритмами, согласованными со средой, понимается весьма узкий класс алгоритмов определения координат источника на основе фокусировки вертикально развитой антенны в конкретную точку пространства. Тем не менее, этот класс алгоритмов прочно закрепил за собой название Matched Field Processing, семантически подразумевающее существенно более широкий класс алгоритмов. Целью работы является обзор наиболее известных практических приложений гидроакустики, которые базируются на использовании алгоритмов, согласованных со средой. Приводится краткое описание алгоритмов, лежащих в основе приложений. Показано, что эти алгоритмы объединяет то, что на их вход, кроме параметров входных сигналов, измеренных на выходе приёмной гидроакустической антенны, поступает модель передаточной характеристики канала распространения сигнала, сформированная с использованием параметров текущих гидроакустических условий, измеренных с применением специальных технических средств (глубина моря, вертикальное распределение скорости звука, волнение поверхности, толщина ледового покрова) либо считанных с цифровых морских карт (рельеф дна), либо загруженных из баз гидрологических данных (коэффициенты затухания, отражения, рассеяния).

The main difference between the hydroacoustic field and other physical fields is significant and complicated dependence of signal propagation law on the hydroacoustic conditions (HC). Therefore, algorithms for solving the most practical problems of hydroacoustics, which, as a rule, are inverse problems, should take into account current hydroacoustic conditions, i.e., must be consistent with the environment of propagation of hydroacoustic signals and interference. The purpose of the paper is to review practical applications of hydroacoustics, based on the use of algorithms, agreed with the environment. Such applications include: tomography of the ocean; detection of sea objects at greater distances; classification of sea objects; a joint solution of classification and ranging problems; underwater sound communication. The quality of solution of these problems depends largely on the accuracy of the parameters of the waveguide. Researches to improve this accuracy must be fulfilled in two directions: development of methods and devices of in-situ measurement of current parameters of the environment; development of adequate models of the waveguide, oriented to the solution of practical problems and considered the possibilities of these methods and devices.

гидроакустикаобработкасогласованная со средоймодель канала распространениятомография океанаклассификация морских объектовгидроакустическая связь

hydroacoustic conditionsmatched field processingtomography of the oceanunderwater sound communication

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 15-08- 02928-а).

References1

Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.

Акустика океана / Под ред. Л. М. Бреховских. М.: Наука, 1974.

Распространение звука во флюктуирующем океана / Под ред. С. Флатте. М.: Мир, 1982.

Марасёв С. В., Машошин А. И. Задачи, решаемые системой гидроакустических расчётов // Морская радиоэлектроника. 2015. № 2 (52). С. 40—45.

Марасёв С. В., Машошин А. И. Расчет дальности действия гидроакустических средств в условиях неполного знания о теку- щих гидроакустических условиях // 7-я российская мультиконференция по проблемам управления. Материалы конференции «Управление в морских и аэрокосмических системах» (УМАС-2014), г. Санкт-Петербург, 7—9 октября, 2014. C. 809—812.

Bucker H. P. Use of calculated sound fields and matched field detection to locate sources in shallow water // Journal of the Acoustical Soc. of America. 1976. V. 59, N. 2. P. 368—373.

Baggeroer A. B., Kuperman W. A., Schmidt H. Matched field processing: Source localization in correlated noise as an optimum parameter estimation problem // J. of the Acoustical Society of America. 1988. V. 83. P. 571—587.

Baggeroer A. B., Kuperman W. A. Matched Field Processing in Ocean Acoustics // Acoustic Signal Processing for Ocean Exploration / Ed. by J.M.F. Moura and I.M.G. Loutrie: Kluwer Publishing, 1993.

Tolstoy A. Matched Field Processing for Ocean Acoustics. New Jersey: World Scientific Publishing Co., 1993.

Зуйкова Н. В., Свет В. Д. Согласованная обработка сигналов в океанических волноводах // Акустический журнал. 1993. Т. 39, вып. 3. С. 389—403.

Porter M. D., Tolstoy A. The matched field processing benchmark problems // J. of Computational Acoustics. 1994. № 3. P. 161—185.

Малышкин Г. С. Современное состояние с разработкой методов и алгоритмов обработки гидроакустических сигналов, согласованных со средой распространения // Труды XI Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург: Наука, 2012. C. 369—371.

Сазонтов А. Г., Малеханов А. И. Согласованная пространственная обработка сигналов в подводных звуковых каналах (обзор) // Акустический журнал. 2015. Т. 61, № 2. С. 233—253.

Baggeroer A. B. Why did applications of MFP fail, or did we not understand how to apply MFP? // Proceedings of the 1st International Conference and Exhibition on Underwater Acoustics. Corfu Island, Greece: Heraklion, 2013. P. 41—49.

Зверев В. А. и др. Выделение мод в мелком море путем их обращения // Акустический журнал. 2009. Т. 55, № 6. С. 719—726.

Завадский В. Ю. Моделирование волновых процессов. М.: Наука, 1991. 248 с.

Чиров Д. В. Компьютерная визуализация источника звука в мелководном волноводе // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 3. C. 80—95.

Munk W., Wunsch C. Ocean acoustic tomography. A scheme for large-scale monitoring // Deep sea research. 1979. V. 26A. P. 123—161.

Beringer D., Birdsall T., Brown M. et al. A determination of ocean acoustic tomography // Nature. 1982. V. 299. P. 121.

Munk W., Worcester P., Wunsch C. Ocean Acoustic Tomography. Cambridge: Cambridge University Press, 1995.

Кравцов Ю. А., Петников В. Г. О возможностях фазовой томографии океана с использованием нормальных волн // Известия АН СССР, ФАО. 1986. Т. 22, № 9. С. 992.

Любавин Л. Я., Нечаев А. Г. Акустическая интерференционная томография океана // Акустический журнал, 1989. Т. 35, № 4. С. 703—710.

Бурлакова И. Б., Петухов Ю. В., Славинский М. М. Определение методом доплеровской томографии угловой зависимости рассеянных дном тональных акустических сигналов в глубоководном океаническом волноводе // Акустический журнал. 1991. Т. 37, № 4. С. 631—635.

Нечаев A. Г., Фокин В. Н., Фокина М. С. Лучевая схема дифференциального метода акустической томографии океана // Акустический журнал. 1994. Т. 40, № 1. С. 107—110.

Диденкулов И. Н., Нечаев А. Г. Акустическая эмиссионная томография океана // Акустический журнал. 1989. Т. 35, № 3. С. 461—467.

Буров В. А., Сергеев С. Н., Шуруп А. С. Использование в пассивной томографии океана низкочастотных шумов // Акустический журнал. 2008. Т. 54, № 1. С. 51—61.

Буров В. А., Сергеев С. Н., Шуруп А. С. Трехмерная модель томографического восстановления океанических неоднородностей при неизвестном расположении антенн // Акустический журнал. 2011. Т. 57, № 3. С. 348—363.

Гончаров В. В., Чепурин Ю. А., Годин O. A. Пассивная акустическая томография океана при использовании антенн неизвестной формы // Акустический журнал. 2013. Т. 59, № 2. С. 193—201.

Зайцев В. Ю., Нечаев А. Г., Островский Л. А. Об алгоритме трехмерной модовой томографии океана // Акустический журнал. 1987. Т. 33, № 6. С. 1124—1125.

Буров В. А., Грачева Т. В., Сергеев С. Н., Шуруп А. С. Двумерная модель томографического восстановления океанических неоднородностей при волновом и лучевом описании акустического поля // Акустический журнал. 2008. Т. 54, № 2. С. 291—306.

Бородин B. В. Статистический подход в задаче томографии океана. Границы Крамера–Рао точности восстановления поля скорости звука // Акустический журнал. 1994. Т. 40, № 6. С. 909—914.

Spiesberger J., Hurlburt H., Johnson M., Keller M., Meyers S., O'Brien J. J. Acoustic thermometry data compared with two ocean models: The importance of Rossby waves and ENSO in modifying the ocean interior // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1998. V. 26/ P. 209—240.

Munk W. H., Forbes A. M. G. Global ocean warming: an acoustic measure? // Journal of physic oceanography. 1989. V. 19. P. 1765—1778.

Spiesberger J. L., Metzger K. Basin-scale tomography: a new tool for studying weather and climate // Journal of geophysical research. 1991. V. 96. P. 4869—4889.

Mikhalevsky P. N., Gavrilov A. N. Acoustic thermometry in the Arctic Ocean // Polar Research. 2001. V. 20. P. 185—192.

Munk W. H., O'Reilly W. C., Reid J. L. Australia-Bermuda Sound Transmission Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1988. V. 18. P. 1876—1998.

Potter J. R. ATOC: Sound Policy or Enviro-Vandalism? Aspects of a Modern Media-Fueled Policy Issue. – The Journal of Environment & Development, 1994. V. 3. P. 47—62.

National Research Council. Marine mammals and low-frequency sound: Progress since 1994. Washington, D.C.: National Academy Press, 2000.

Frankel A. S., Clark C. W. Behavioral responses of humpback whales (Megaptera novaeangliae) to full-scale ATOC signals // Journal of the Acoustical Society of America. 2000. V. 108. P. 1—8.

Frankel A. S., Clark C. W. ATOC and other factors affecting distribution and abundance of humpback whales (Megaptera novaeangliae) off the north shore of Kauai // Marine Mammal Science. 2002. V. 18. P. 664—662.

Mobley J. R. Assessing responses of humpback whales to North Pacific Acoustic Laboratory (NPAL) transmissions: Results of 2001-2003 aerial surveys north of Kauai // Journal of the Acoustical Society of America. 2005. V. 117. P. 1666—1673.

National Research Council. Ocean Noise and Marine Mammals. National Academies Press, 2003.

Годин О. А., Михин Д. Ю., Мохов А. В. Акустическая томография океанских течений по методу согласованной невзаимности // Акустический журнал. 1996. Т. 42, № 4. С. 501—509.

Гончаров B. В. Акустическая томография течений в океане с использованием линеаризованного метода согласованной невзаимности // Акустический журнал. 2001. Т. 47, № 1. С. 37—43.

Lebedev K. V., Yaremchuck M., Mitsudera H., Nakano I., Yuan G. Monitoring the Kuroshio Extension through dynamically constrained synthesis of the acoustic tomography, satellite altimeter and in situ data // Journal of Physical Oceanography. 2003. V. 59. P. 751—763.

Гончаров В. В. Метод согласованных временных откликов я акустической томографии океана // Акустический журнал. 1997. Т. 43, № 5. С. 622—629.

Курьянов Б. Ф., Морозов А. К., Тимашкевич Г. К. Акустическая томография внутренних волн в океане // Акустический журнал. 1995. Т. 41, № 1. С. 112—116.

Бурлакова И. Б., Дубовой Ю. А., Зейгман А.Л., Нечаев А.Г., Славинский М.М., Смирнов Н. М. О возможности акустической томографии взволнованной поверхности океана // Акустический журнал. 1988. Т. 34, № 3. С. 423—430.

Буров В. А., Сергеев С. Н., Шуруп А. С., Щербина А. В. Томографическое восстановление характеристик дна мелкого моря // Акустический журнал. 2015. Т. 61, № 5. С. 583—595.

Машошин А. И. Особенности синтеза алгоритмов классификации подводных объектов по их гидроакустическому полю // Акустический журнал. 1996. Т. 42, № 3. С. 396—400.

Broadhead M. K. Broadband source signature extraction from underwater acoustics data with sparse environment information // JASA. 1995. V. 97. P. 1322—1325.

Azimi-Sadjadi M. R., Yao D., Jamshidi A. A., Dobeck G. J. Underwater target classification in changing environments using an adaptive feature mapping // IEEE Transactions on neural networks. 2002. V. 13, N. 5. P. 1099—1111.

Jimenez L. A. T., Mayen H. G., Arteagoitia O. B., Garza D., Torres R. System for acoustic detection and autonomous classification of targets in the sea (SIDACAM) // Proceedings of 3d Underwater Acoustics Conference and Exhibition, 21—26 June 2015, Crete island, Greece, 2015. P. 137—144.

Fischell E. M., Schmidt H. Classification of underwater targets from autonomous underwater vehicle sampled bistatic acoustic scattered fields // JASA. 2015. V. 138. P. 3773.

Машошин А. И. Об одном подходе к совместному решению задач классификации и определения координат подводных объектов по их гидроакустическому полю // Акустический журнал. 1999. Т. 45, № 1. С. 124—127.

Lucas C., Heard G. J., Pelavas N. DRDC Starfish acoustic sentinel and phase gradient histogram tracking // Proceedings of 3d Underwater Acoustics Conference and Exhibition, 21—26 June 2015, Crete island, Greece, 2015. P. 669—676.

Bao C., Ma S., Zhang Z., Hu X., Wu Y., Meng Z. A robust passive source localization method using a single vector sensor // Proceedings of 3d Underwater Acoustics Conference and Exhibition, 21—26 June 2015, Crete island, Greece, 2015. P. 857—864.

Skarsoulis E., Papadakis P., Kalogerakis M., Piperakis G., Orfanakis E. A passive acoustic localization system for broadband sources // Proceedings of 3d Underwater Acoustics Conference and Exhibition, 21—26 June 2015, Crete island, Greece, 2015. P. 341—348.

Kwon H. M., Birdsal T. G. Digital Waveform Coding For Ocean Acoustic Telemetry // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1991. V. 16, № 1. 1991. P. 56—65.

Захаров Ю. В., Коданев В. П. Экспериментальные исследования акустической системы передачи информации с шумоподобными сигналами // Акустический журнал. 1994. Т. 40, № 5. С. 799—808.

Захаров Ю. В., Коданев В. П. Адаптивный прием сигналов в гидроакустическом канале связи с учетом доплеровского рассеяния // Акустический журнал. 1995. Т. 41, № 2. С. 254—259.

Захаров Ю. В., Коданев В. П. Помехоустойчивость адаптивного приема сложных акустических сигналов при наличии отражений от границ океана // Акустический журнал. 1996. Т. 41, № 2. С. 212—219.

Коданев В. П., Пискарев С. П. Методика оптимизации характеристик системы передачи цифровой информации по гидроакустическому каналу в условиях однолучевого приема // Акустический журнал. 1996. Т. 42, № 4. С. 573—576.

Бобровский И. В., Ефимов С. Г. Экспериментальные исследования гидроакустической системы передачи информации со сложными шумоподобными сигналами в мелком море // Сб. тр. 6 межд. конф. «Прикл. технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург, 2002. С. 389—390.

Singer A. S., Nelson J. K., Kozat S. S. Signal processing for underwater acoustic communications // IEEE Communications Magazine. January, 2009. P. 90—96.

Курьянов Б. Ф., Пенкин М. М. Цифровая акустическая связь в мелком море для океанологических применений // Акустический журнал. 2010. Т. 56, № 2. С. 245—255.

Кранц В. З., Сечин В. В. Использование информационных символов для синхронизации системы связи со сложными сигналами // Гидроакустика. 2012. № 15. C. 36—41.

Brown M. G., Udovydchenkov I. A. Underwater communication using weakly dispersive modal pulses // Acoustical Physics. 2013. V. 59, N. 5. P. 533—538.

Бобровский И. В., Яготинец В. П. Экспериментальные исследования акустической системы связи в условиях мелководья // Акустический журнал. 2013. Т. 59, № 6. С. 667—676.

Кебкал К. Г., Кебкал А. Г., Кебкал В. К. Инструментальные средства синхронизации гидроакустических устройств связи в задачах управления подводными сенсорами, распределенными антеннами, автономными аппаратами // Гироскопия и навигация. 2014. № 2 (85). С. 70—85.

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