Интерферометрия гидродинамики океанического шельфа, вызванной интенсивными внутренними волнами

Представлены результаты интерферометрической обработки данных крупномасштабного океанографического эксперимента SWARM-95 на побережье Нью-Джерси. В ходе эксперимента была проведена детальная регистрация гидродинамики водных слоев с помощью разработанной системы океанографических сенсоров (CTD). Данная система позволила выполнить океанографические съемки интенсивных внутренних волн с высоким разрешением, используя как заякоренные, так и буксируемые сенсоры. Акустическая составляющая эксперимента SWARM-95 проводилась с использованием двух стационарных акустических трасс, ориентированных под разными углами к фронту интенсивных внутренних волн. Интенсивные внутренние волны в эксперименте приводили к значительным акустическим эффектам, обусловленным рефракцией модовых лучей в горизонтальной плоскости и взаимодействием вертикальных мод. В работе показано, что в результате голографической обработки интерференционной структуры поля в точке приема формируются две отдельные группы спектральных пятен. Первый набор спектральных пятен соответствует звуковому полю в невозмущенном волноводе. Второй набор спектральных пятен соответствует гидродинамическому возмущению звукового поля интенсивными внутренними волнами. Данный эффект наблюдается для обеих акустических трасс эксперимента. Показано, что интерференционная структура звукового поля в невозмущенном волноводе и его гидродинамическое возмущение восстанавливаются отдельно путем фильтрации спектральных пятен в области голограммы. В работе продемонстрированно восстановление передаточной функция невозмущенного волновода и временная изменчивость гидродинамики океанской среды.

1. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 71–82.

2. Орлов Е.Ф. Интерференционная структура широкополосного звука в океане // Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984. С. 85–92.

3. Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Method for measuring the frequency shifts of interference maxima in monitoring of dispersion media: theory, implementation, and prospects // Phys. Wave Phenom. 2010. 18, 196–222.

4. Kuz’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.

5. Thode A.M. Source ranging with minimal environmental information using virtual receiver and waveguide invariant theory // J. Acoust. Soc. Am. 2000. 108. P. 1582–1594.

6. Cocrell K.L., Smidt H. Robust passive range estimation using the waveguide invariant // J. Acoust. Soc. Am. 2010. 127. P. 3780–2789.

7. Rouseff D., Zurk L.M. Striation-based beam forming for estimating the waveguide invariant with passive sonar // J. Acoust. Soc. Am. Express Lett. 2011. 130. P. 76–81.

8. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V. Noise source localization shallow water // Phys. Wave Phenom. 2017. 25. P. 156–163.

9. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V., Grigor’ev V.A. Interferometric method for estimating the velocity of a noise sound source and the distance to it in shallow water using a vector-scalar receiver // Phys. Wave Phenom. 2017. 25. P. 299–306.

10. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Spectrogram and localization of a sound source in shallow water // Acoust. Phys. 2017. 63. P. 449–461.

11. Kaznacheev 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. P. 37–48.

12. Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kuznetsov G.N., Kaznacheev I.V. Interferometric direction finding by a vector-scalar receiver // Phys. Wave Phenom. 2018. 26. P. 63–73.

13. Besedina T.N., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy L. Yu. Estimation of the depth of an immobile sound source in shallow water // Phys. Wave Phenom. 2015. 23. P. 292–303.

14. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D. Yu. Wave method for estimating the sound source depth in an oceanic waveguide // Phys. Wave Phenom. 2016. 24. P. 310–316.

15. Kuz’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.

16. Ocean Acoustic Interference Phenomena and Signal Processing (AIP Conference Proceedings), Ed. by W.A. Kuperman and G.L. D’Spain. May 1–3, 2001, San Francisco, CA (Melville, N.Y., 2002).

17. 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. V. 22. P. 465–500.

18. 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. V. 116, N6. P. 3404–3422.

19. Badiey M., Katsnelson B.G., Lynch J.F., Pereselkov S.A., Siegmann W.L. Measurement and modeling of three-dimensional sound intensity variations due to shallow-water internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117, N2. P. 613–625.

20. Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Low-frequency acoustic refraction caused by internal wave solitons in a shallow sea // Acoust. Phys. 2000. 46. P. 684–691.