Институт Океанологии РАН
Физика океана, морская геология, морская биология, морская техника
English | Russian
Главная arrow Учебная работа в ИО РАН arrow Акустическая томография океана. Практикум для студентов Физического факультета МГУ.
Акустическая томография океана. Практикум для студентов Физического факультета МГУ. Печать E-mail

Дистанционные методы исследования океана осуществляются, в основном, с помощью акустических волн, распространяющиеся в океанской толще на большие расстояния. По характеру распространения, отражения, рассеяния акустических волн можно получать информацию о свойствах среды, решая так называемые обратные задачи. Такого рода средства уже давно используются, как правило, на ограниченных дистанциях, например, эхолоты, устанавливаемые практически на всех судах и позволяющие не только измерять глубину океана, но и с помощью более совершенных моделей изучать строение дна океана. Широко применяются также акустические измерители течений, акустические маяки, используемые, например, при бурении глубоководных скважин, и т.п.

В 1979 году американский ученый В.Манк по аналогии с медицинской рентгеновской томографией ввел новый термин "Акустическая томография океана" (АТО), основной задачей которой предполагалась просветная диагностика крупномасштабных неоднородностей океана (десятки и сотни километров), располагающимися на трассе между источником и приемником звука. Акустическую томографию можно отнести к группе методов, позволяющих получить изображение внутренней структуры исследуемого объекта по характеристикам зондирующего сигнала, прошедшего через исследуемую область. В отличие от прямых измерений параметров водной толщи акустическая томография океана позволяет дистанционно получать как интегральные характеристики среды распространения, так и параметры локальных неоднородностей, а также наблюдать эволюцию среды в течение времени проведения наблюдений. К настоящему времени понятие подводной томографии охватывает большинство задач, связанных с акустическим зондированием океана, от мелких случайных неоднородностей до усредненных среднеклиматических параметров среды на тысячекилометровых трассах, важных, например, для слежения за глобальным потеплением климата Земли.

Целью практикума является ознакомление студентов с основными принципами и методами подводной акустической томографии. Первая часть практикума посвящена ознакомлению с основами расчета звуковых полей в океане. Описаны лучевой и модовый подходы, метод параболического приближения. Далее рассказывается о способах построения среды распространения звука (фоновая среда), используя базис среднеклиматических профилей скорости звука, присущих данной акватории. Дано представление о построении эмпирических ортогональных функций (ЭОФ). Студентов знакомят с различными типами сигналов используемых в акустической томографии океана (тональные, импульсные, взрывные, М-последовательности), а также способами их обработки (коггерентое и некоггерентное накопление). Кратко изложены современные томографические методы реконструкции неоднородностей, уделено внимание основным возникающим при этом проблемам и способам их преодоления (линейная томография Манка, метод согласованного поля, восстановление усредненных по трассе распространения звука параметров среды, акустическая термометрия океана). Дано представление о восстановлении поля скорости течений в океане по результатам встречного распространения звука. Описаны основы нелинейных томографических подходов. В завершении практикума рассказано об основных крупомасштабных томографических экспериментах.

Практические задачи затрагивают следующие вопросы:

- Построение фоновой модели среды вдоль звуковой трассы по заданному на исследуемой акватории базису профилей скорости звука (среднеклиматических и измеренных).
- Построение присущих для данного района эмпирических ортогональных функций (ЭОФ).
- Расчет звуковых полей по различным алгоритмам с целью исследования влияния неоднородностей океана на измеряемые характеристики принятого акустического поля.
- Простейшие томографические задачи, основанные на измерении временных задержек между сигналами по автокорреляционной функции принятого широкополосного сигнала.
- Томографическое восстановление локальной неоднородности (линзы) итерационным методом.
- Коггерентная обработка М-последовательности для реальных сигналов из эксперимента THETIS-II
- Разложение принятого вертикальной антенной тонального сигнала в спектр звуковых мод.
- Линейная лучевая схема восстановления поля течений в океане.
- Малопараметрические томографические схемы. Восстановление усредненных по трассе распространения звука параметров среды. Акустическая Термометрия Океанского Климата (АТОК).

Учебное пособие

 
Российская академия наук
Почтовая система Ocean Институт Океанологии РАН Проект OceanDB