Компьютерная визуализация источника звука в мелководном волноводе

Рассмотрены теоретические основы и особенности практической реализации голографического метода восстановления акустического поля и визуализации источника звука в пространстве мелководного волновода, относящегося к методам согласованной со средой обработки гидроакустической информации. Показана связь характеристик восстановленного акустического поля источника звука с комплексной передаточной характеристикой волновода, определяемой на основе решения волнового уравнения. Отмечается простота восстановления поля источника путем обращения вычислительных процедур расчета передаточной характеристики волновода методом конечных разностей по явной расчетной схеме. Представлены результаты вычислительных экспериментов по исследованию эффективности метода в условиях неоднородной подводной среды. При этом каждый вычислительный эксперимент состоял из двух этапов: вычисления голограммы поля точечного источника звука и последующего восстановления акустического поля в волноводе по вычисленной голограмме. Для вычислительных экспериментов был выбран мелководный волновод с ровным дном и с положительной рефракцией акустических лучей от поверхности до дна. Рассмотрены три упрощенные модели неоднородной подводной среды: с мелкомасштабной турбулентностью, с внутренней волной, с тонкой структурой вертикального распределения скорости звука. Показано, что неучтенные неоднородности скорости звука, имеющие большую протяженность вдоль волновода, оказывают существенное негативное влияние на эффективность восстановления поля точечного источника звука голографическим методом. Это влияние может быть уменьшено путем уточнения параметров среды вдоль волновода.

1. Зверев В. А. Радиооптика. М: Сов. радио, 1975. 304 с.

2. Зверев В. А. Голография в акустике океана // Акустика океана. Современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 175—180.

3. Пространственно-временная обработка сигналов / Под ред. И. Я. Кремера. М.: Радио и связь, 1984. 224 с.

4. Зуйкова Н. В., Свет В. Д. Оптико-цифровой метод восстановления поля точечного источника в слоисто-неоднородном волноводе // Акуст. журнал. 1987. Т. 33, вып. 3. С. 493—497.

5. Свет В. Д. Экспериментальное восстановление звукового поля точечного источника в волноводе // Акуст. журнал. 1990. Т. 36, вып. 4. С. 733—739.

6. Свет В. Д., Федотов Д. А. О восстановлении поля точечного источника звука в приповерхностном океаническом волноводе // Акуст. журнал. 1993. Т. 39, вып. 4. С. 729—734.

7. Завадский В. Ю. Вычисление волновых полей в открытых областях и волноводах. М.: Наука, 1972. 558 с.

8. Завадский В. Ю. Метод сеток для волноводов. М.: Наука, 1986. 368 с.

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

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

11. Bucker H. P. Use of calculated sound fields and matched-field detection to locate sound in shallow water // J. of the Acoustical Society of America. 1976. V. 59. P. 368—373.

12. 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.

13. Feuillade G., Del Balso D. R. Environmental mismatch in shallow water matched-field processing: Geoacoustic parameter variability // Journal of the Acoustical Society of America. 1989. V. 85. P. 2354—2364.

14. Zala C. A., Ozard J. M. Matched field processing for a moving source // Journal of the Acoustical Society of America. 1992. V. 92. P. 403—417.

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

16. Porter M. D., Tolstoy A. The matched field processing benchmark problems // J. of Computational Acoustics. 1994. N. 3. P. 161—185.

17. Greening M. V., Zakarauskas P., Dosso S. E. Matched field localization for multiple sources in an uncertain environment with application to arctic ambient noise // J. of the Acoustical Society of America. 1997. V. 101. P. 3525—3538.

18. Tollepsen D., Dosso S. E., Wilmut M. J. Matched field geoacoustic inversion with a horizontal array and lowlevel source // J. of the Acoustical Society of America. 2006. V. 120. P. 221—237.

19. Бородина Е. Л., Митюгов В. В., Муякшин С. И., Турко А. Н. Обращение волнового фронта в акустическом волноводе // Акуст. журнал. 2006. Т. 52, № 4. С. 437—447.

20. Лаваль Р., Лабаск И. Расчет усредненных потерь при распространении звука и частотно-пространственных функций когерентности сигналов в мелководных районах // Акустика дна океана / Под ред. У. Купермана, Ф. Енсена, М.: Мир, 1984. С. 245—260.

21. Лаваль Р., Лабаск И. Влияние неоднородностей и нестабильности среды на пространственную и временную обработку сигналов // Подводная акустика и обработка сигналов / Под ред. Л. Бьѐрнѐ. М.: Мир, 1985. С. 43—68.

22. Ярославский Л. П., Мерзляков Н. С. Цифровая голография. М.: Наука, 1982. 219 с.

23. Ярославский Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: введение в цифровую оптику. М.: Радио и связь, 1987. 295 с.

24. Василенко Г. И., Тараторин А. М. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

25. Физика океана: В 2 т. Т. 2 / Под ред. В. М. Каменковича, А. С. Монина. М.: Наука, 1978. 439 с.

26. Распространение звука во флуктуирующем океане / Под ред. С. Флатте. М.: Мир, 1982. 336 с.

27. Доронин Ю. П. Физика океана. СПб.: Изд. РГГМУ, 2000. 340 с.