Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Хромов, Алексей Валерьевич. Методы анализа широкополосных волновых полей и обработки сигналов в задачах акустики мелкого моря : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 05.13.01 / Хромов Алексей Валерьевич; [Место защиты: Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева].- Нижний Новгород, 2010.- 152 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-1/807

смотреть введение
Введение к работе:

Мелким морем в акустике океана считаются акватории, глубина которых менее 10—20 длин волн излучаемого сигнала. Граница условна и уточняется по критериям, соответствующим решаемой задаче.

Мелкое море в акустике океана занимает особое место, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, в мелководных бассейнах распространение звуковых волн носит ярко выраженный дисперсионный характер, что приводит, в частности, к существенному непрерывному расширению импульсных сигналов в ходе распространения. Во-вторых, закономерности формирования поля в мелком море имеют общий характер для звуковых полей в глубоком океане, но для длинноволнового диапазона частот.

Вместе с тем длинноволновая акустика глубокого океана и акустика мелководных бассейнов представляет интерес с точки зрения возможной реализации в морской среде эффективных информационных систем мониторинга свойств среды, передачи информации, локации, исследования шумовых полей и т.д.

Базовой, основной задачей акустики океана является создание адекватной математической модели распространения звука в океане и получение решений для звукового поля гармонического точечного источника в модельной среде. Задача сводится к решению волнового уравнения для гармонических волн — уравнения Гельмгольца— при заданных параметрах среды: профиле дна z0(x,y), скорости распространения волн как функции пространственных координат и времени (c(x,y,z,t)) и граничных условиях на поверхности и на дне. Упрощающие решение задачи предположения относительно c(x,y,z,t) и z0(x,y) и условий на границах приводят к различным моделям океана. В настоящее время существуют модели двух типов: модель детерминированного океана и модель флуктуирующего океана.

В первом случае скорость звука не зависит от времени, либо эта зависимость такова, что временной интервал корреляции изменений скорости звука много больше времен распространения звука по максимальным трассам океана. Для моделей детерминированного океана базовая задача имеет решения.

Во втором случае — случае флуктуирующего океана — учитываются временные флуктуации скорости звука различных временных масштабов, эффект рассеяния звука на случайных неоднородностях и взволнованной поверхности океана.

Для детерминированного океана рассматриваются следующие модели: однородный океан постоянной глубины; стратифицированный однородный по

трассе океан постоянной глубины; стратифицированный неоднородный по трассе океан переменной глубины.

Модель однородного детерминированного океана постоянной глубины имеет различные варианты: океан с абсолютно отражающими границами — идеальный волновод; океан, водный слой которого (с плотностью р1 и скоростью звука сх) лежит на однородном жидком полупространстве (с параметрами Pi и с2) — двухслойный волновод.

В мелком море и в низкочастотной акустике океана, когда длины волн звука соизмеримы с вертикальными размерами водного слоя, роль флуктуации и эффектов рассеяния в среде снижается по сравнению с ролью этих факторов в акустике «высокочастотной». Океан может рассматриваться как детерминированная среда с медленными изменениями параметров. Снижается и роль стратификации — зависимости скорости звука от глубины в водном слое. В связи с этим оправдано использование для исследования основных закономерностей распространения низкочастотного звука в океане (в мелком море) модели однородного океана постоянной глубины в двух вариантах: идеальный волновод, двухслойная среда.

Акустика мелкого моря как направление в научных исследованиях и работах прикладного характера возникла с появлением теоретических и экспериментальных работ по распространению волн в слоистых средах и распространению звуков взрывов в мелкой воде, последовавших за открытием сверхдальнего распространения звука в океане. Эти основополагающие работы определили главное направление развития акустики океана на длительный период как развитие работ по распространению звуковых волн в глубоком океане.

В 1970-х годах в связи с практическими потребностями происходит перенос центра тяжести работ в область низкочастотной акустики океана. Известны достижения в этой области. Они связаны с успехами акустической томографии океана.

В 1970-80-е годы формируется системный подход в стохастическом анализе проблем распространения звуковых волн в океане. Уделяется большое внимание акустическим исследованиям в мелком море. Развиваются новые подходы с использованием особенностей волноводного распространения звука, среди которых можно отметить методы согласованного поля и методы акустической интерферометрии.

Среди нерешенных задач и проблем акустики мелкого моря можно отметить следующие.

Проблема практического использования регулярных свойств полей интенсивности широкополосных источников в мелком море. Исследования интерференционной структуры полей интенсивности широкополосного звука в океанической среде (и в мелком море) показали существование устойчивой во времени, прогнозируемой интерференционной структуры поля интенсивности, обладающей свойством регулярности. Но в настоящее время не разработаны прикладные методы, позволяющие использовать интерференционные свойства звукового поля в мелком море для решения практических задач.

Получившие развитие в акустике глубокого океана методы импульсной томографии водной среды не могут быть напрямую использованы в мелком море. Главная причина— расширение зондирующих импульсов, вызванное дисперсией звуковых волн в среде. Альтернативные импульсному методы томографии в мелком море, например, методы временной селекции нормальных волн, не дают желаемых результатов.

Немаловажное значение в акустике мелкого моря имеет решение проблемы построения приемных антенных систем больших размеров, с большой горизонтальной базой. Модовый характер поля в среде делает работу больших антенн по существующим алгоритмам селекции плоских волн неэффективной. Попытки построения согласованных со средой алгоритмов обработки сигналов встречают трудности, связанные с невозможностью необходимого для фазовых измерений точного прогнозирования параметров среды.

Актуальность работы состоит в том, что проблемы практического использования особенностей полей интенсивности широкополосных звуковых источников, томографии водного слоя и повышения эффективности протяженных антенн стоят в ряду основных проблем акустики мелкого моря, которые ждут своего решения.

Объект исследования — звуковые поля широкополосных источников в мелком море.

Предмет исследования — интерференционные особенности полей интенсивности, частотно-фазовая структура, пространственная интерферометрия и методы обработки широкополосных звуковых сигналов в задачах акустики мелкого моря.

Цель работы — системный анализ широкополосных низкочастотных волновых полей в мелком море и на этой основе совершенствование методов обработки сигналов с целью повышения эффективности акустических информационных систем.

Задачи работы:

  1. Развитие подхода при анализе волновых полей в мелком море как к задаче исследования информационных систем с использованием аппарата теории сигналов и систем.

  2. Исследование особенностей полей интенсивности широкополосных источников в мелком море, их пространственной корреляции и поиск возможностей практического использования интерференционных свойств полей интенсивности.

  3. Анализ частотно-фазовой структуры импульсных сигналов в мелком море с целью поиска путей повышения возможностей акустической томографии среды.

  4. Анализ схем пространственной интерферометрии и поиск возможностей создания устойчивых алгоритмов обработки сигналов интерферометров с большой базой в мелком море.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Исследована пространственная корреляция полей интенсивности звуковых широкополосных источников в мелком море. Показано, что интервал пространственной корреляции поля интенсивности не зависит от расстояния до источника. Получены аналитические выражения для корреляционных функций поля интенсивности. Исследована зависимость корреляционных функций поля интенсивности от используемого диапазона частот. Предложен метод определения расстояния до точечного широкополосного звукового источника в мелком море при помощи одиночного ненаправленного приемника, основанный на использовании корреляционных свойств интерференционной структуры ПОЛЯ интенсивности.

Впервые исследована пространственно-частотная структура фазового спектра импульсных откликов среды в мелком море. Показано, что структура фазового спектра обладает свойствами регулярности и устойчивости к малым возмущениям параметров среды. Предложены элементы нового импульсно-фазового метода акустической томографии в мелком море. Показано, что наличие дисперсии и многих мод в однородной по трассе слоистой среде не является препятствием для использования предложенного метода.

Предложен метод согласованной обработки сигналов интерферометра с большой базой в мелком море, что дает потенциальную возможность повысить угловое разрешение интерферометра на порядок по сравнению с существующими методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты анализа пространственной корреляции полей интенсивности широкополосных звуковых источников в мелком море и метод определения дистанции до источника одиночным приемником, основанный на измерении пространственной корреляции интерференционной структуры поля интенсивности.

  2. Результаты анализа частотно-фазовой структуры импульсных сигналов и элементы импульсно-фазового метода томографии в мелком море.

  3. Результаты анализа пространственной корреляции многомодовых полей и метод согласованной обработки сигналов двухканального интерферометра с большой базой в мелком море.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при построении акустических измерительных систем в мелком море, позволяющих определять:

расстояние до звукового широкополосного источника;

гидрофизические параметры водного слоя;

направление на звуковой широкополосный источник.

Применение полученных в работе результатов позволит повысить эффективность указанных систем.

Методы исследования. Для аналитических исследований в работе были использованы методы математического анализа, теории сигналов и систем, спектрального анализа. Для компьютерного моделирования и выполнения расчетов использована среда MATLAB. Графический материал получен в результате расчетов по разработанным алгоритмам.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

XII Нижегородская сессия молодых ученых «Технические науки» (Нижегородская область, Татинец, 2007);

Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии (ИСТ-2007)» (Нижний Новгород, 2007);

XIX сессия Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2007);

Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии (ИСТ-2008)» (Нижний Новгород, 2008);

XIII Нижегородская сессия молодых ученых «Физико-математические науки» (Нижегородская область, Татинец, 2008);

VII Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2008);

XX сессия Российского акустического общества (Москва, 2008);

XXII сессия Российского акустического общества (Москва, 2010). Доклады «Математическое моделирование пространственной корреляции

поля интенсивности звуковых волн в мелком море» и «Фазовая структура поля импульсного источника в двухслойном волноводе» удостоены диплома Российского акустического общества «За лучший доклад молодого специалиста в секции «Акустика океана» XIX сессии РАО».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 печатных публикациях. В том числе одна работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 79 рисунков, 2 таблицы. Список использованных источников включает 78 наименований. Общий объем работы составляет 152 страницы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net