Была разработана схема акустической томографии движущегося океана, а также томографических схем для медицинских приложений. В ходе работы авторами были получены следующие основные результаты.
Разработано обобщение модового представления звукового поля в анизотропных ориентированных средах, каковой является океан с подводными течениями. В данном представлении решение обратной задачи производится с использованием модифицированных мод (моды становятся локальными по горизонтальной координате и ориентированно-анизотропными по отношению к направлению течения), что позволяет сохранить все преимущества модового представления при восстановлении кинетических неоднородностей. Поскольку в большинстве известных авторам работ восстановление кинетических характеристик океана происходит на основе линеаризованных уравнений гидродинамики с выделением кинетических эффектов, линейных по числу Маха (например, с использованием принципа невзаимности), то решение задачи на основе модифицированного модового представления представляется принципиально иным подходом к решению задачи.
Представляется новым подходом в компьютерной томографии разработанное авторами рассмотрение томографической задачи как векторно-параметрической. Специфика такого подхода состоит в «объемности» получаемых схем, построенных на базе известного метода «вертикальные моды - горизонтальные лучи» - необходимости учета и восстановления всей вертикальной гидрологии в каждом сечении исследуемого объекта, так как горизонтальный луч, соединяющий пару гидрофонов «источник-приемник», определяется вертикальной модовой структурой океанического волновода.
Стандартными подходами к решению задачи контроля местоположения каждого гидрофона приёмно-излучающей системы являются инженерные решения типа заякорения, использования сосредоточенных вдоль антенны грузов и плавучестей или аппаратное позиционирование антенных узлов. Авторами проекта впервые была разработана и численно промоделирована схема компенсации неизвестного искривления приёмно-излучательных вертикальных антенных систем, основанная на комбинации частот принимаемых полей (или корреляционных матриц в случае шумового сигнала) в произведение по определенному правилу (так называемый "четырехчастотный метод"), что позволило расширить аппаратную функцию до оптимальной для рассматриваемой задачи ширины в несколько сотен метров. В меньших пределах (100-200м) происходит искривление формы антенны, то есть отклонение от вертикали узлов антенны, которое в результате практически не сказывается на получаемых данных. При этом легко достигается навигационная точность в постановке антенных систем. Кроме того, четырехчастотный метод обработки не нуждается в привязке номеров лучей или мод к моменту прихода сигнала по ним и использует весь принимаемый сигнал, в то время как основной используемый в настоящее время томографический метод основан на измерении относительных задержек импульсных сигналов и сопоставлении этих относительных времен с рассчитанными в рамках априорной жестко параметризованной модели. Основная трудность при этом состоит в идентификации номеров мод и лучей и в невозможности использования той части принятого сигнала, в которой такое разрешение в принципе невозможно. Между тем, в этой составляющей сигнала заключена существенная часть информации, связанная с дисперсионными характеристиками мод, формирующих принимаемые лучи.
Создана интегрированная схема восстановления как рефракционных, так и кинетических неоднородностей. Впервые удалось решить комбинированную задачу одновременного восстановления как рефракционной так и кинетической неоднородности, присутствующих в одной акватории.
Обнаружение в исследуемой акватории комбинированной рефракционно-кинетической неоднородности
| Реальный профиль скорости звука (ожидаемое значение - 1500 м/с) | |
|---|---|
 |
 |
| Исходная неоднородность | Результат восстановления |
| Величина скорости планарного течения и вихря (ожидалось отсутствие потоков) | |
|---|---|
 |
 |
| Исходная неоднородность | Результат восстановления |
| Направление скорости течения и вихря | |
|---|---|
 |
 |
| Исходная неоднородность | Результат восстановления |
При этом важной особенностью разработанной схемы является её реалистичность с точки зрения практического воплощения. Здесь имеется в виду, в первую очередь, устойчивость схемы по отношению к уменьшению числа громоздких, дорогих и энергоёмких приёмно-излучающих систем. Обычным подходом к решению такой задачи является увеличение частотного диапазона, что приводит к уменьшению количества излучателей, но приводит к усложнению их конструкций. В разработанной схеме основное внимание уделено максимально полному использованию априорной информации, выразившемуся в разложении всех исследуемых неоднородностей по соответствующим эмпирическим функциональным базисам, выбранным по среднесезонным характеристикам рассматриваемого региона. Показано, что при использовании вертикальных антенн, состоящих всего из двух приёмо-излучательных комплектов, расположенных на двух наилучшим образом выбранных глубинах, возможно определение по крайней мере до четырех коэффициентов разложения по соответствующим эмпирическим базисным функциям, что во многих случаях представляется достаточным для восстановления искомой неоднородности. Критерием эффективности разработанной схемы служила обусловленность получившейся матрицы дискретного аналога Фреше-производных.
Осуществлена постановка и получено решение задачи акустической томографии океана в радоновском базисе для набора двумерных карт по время-пролётной схеме, в лучевой, а также в строгой волновой постановке и трёхмерная задача в представлении «вертикальные моды – горизонтальные лучи». Изучены масштабы применимости томографических схем в различных представлениях.
В практической части был изготовлен макет вертикальной гидроакустической антенны. Макет состоит из нескольких полностью автономных модулей с независимой системой сбора информации. Каждый модуль предназначен для приема, усиления, оцифровки сигналов и хранения полученных данных. Автономность элементов системы является важным результатом, позволяющим комбинировать системы антенн и количество гидрофонов на каждой антенне в зависимости от характеристик исследуемой акватории. Для просмотра оцифрованных данных отдельного модуля разработана и отлажена компьютерная программа.
В последнее время исследования были сосредоточены на решении прямых и обратных задач рассеяния на акустических неоднородностях в едином упрощённом описании. В связи с этим предложена и апробирована в модельных экспериментах новая простая схема описания неоднородностей океанической среды, сильно упрощающая решение обратной задачи томографии океана. А именно, был разработан специальный мозаичный базис, по которому происходит разложение исследуемых неоднородностей как рефракционного, так и кинетического (планарные и вихревые течения).
Базис представляет собой набор параллельных полос с «единичным» возмущением в каждой, поворачиваемый с равномерным шагом в интервале углов от нуля до пи (как это делается в методах решения томографических задач, основанных на преобразовании Радона). Базис является переполненным по отношению к исходным данным, что позволяет, рассматривая задачу как статистическую, использовать априорную информацию. В качестве исходных данных рассматриваются фазовые набеги "вертикальных" мод в комбинированных схемах «горизонтальные лучи вертикальные моды» или, в более сложных случаях, данные об амплитуде и фазе сигналов, принимаемых вертикальной гидроакустической антенной. Работоспособность разработанного метода была проверена численным моделированием на томографичесих схемах. В разработанных на основе предложенного базиса схемах удалось преодолеть ряд трудностей, присущих обычным томографическим схемам. Прежде всего, удалось решить проблемы, связанные с попаданием «горизонтальных» лучей в углы фигур (квадратов, треугольников), на которые разбивается исследуемый регион в стандартных схемах. Кроме того, в решаемых задачах интегралы берутся не по лучам (траектория которых является функцией восстанавливаемых неоднородностей), а по полоскам базиса, что является существенным упрощающим отличием.
Исследована и реализована возможность объединения «мозаичного базиса» и представления гидрологии океана в виде разложения по набору функций Карунэна-Лоэва в целях минимизации числа подлежащих восстановлению коэффициентов разложения.
Исследована область применимости предлагаемого подхода в различных регионах мирового океана (показано краснцыми точками).
Показано, что в умеренных и приполярных широтах разработанный метод позволяет восстанавливать сезонную изменчивость гидрологии, в то время как в экваториальных и тропических широтах влияние сезонных изменений гидрологии, лежащих в верхнем слое толщиной 100-150м, слишком мало для восстановления методами низкочастотной томографии.
Получены первые результаты по использованию собственных шумов океана в качестве источников звука в задачах пассивной акустической томографии.