Низкочастотная акустика океана

Гидроакустические антенные комплексы и методы исследований акустических полей

Для экспериментальных исследований гидроакустического поля в акваториях мелкого моря в 1990-е годы в ИПФ РАН под руководством Б. М. Салина был создан Морской автономный измерительный комплекс (МАИК). Комплекс предназначался для исследования акустического поля и характеристик шума надводных и подводных источников в диапазоне частот до 500 Гц. Основу МАИК составляли кабельные гидроакустические антенны длиной до 200 м с автономной системой регистрации данных.

Реконструкция распределения акустической яркости по длине корпуса корабля по измерениям в ближнем поле (яркость отложена на плоскости «частота — координата вдоль борта») с использованием МАИК	Комплекс «Нева-ИПФ» на палубе измерительного судна: вьюшка с 30-метровой антенной, гермоконтейнер с аппаратурой передачи данных, лебедка с кабелем связи длиной 1100 м

Корабельный обрабатывающий пост комплекса «Нева-ИПФ»

За последние 10 лет технология и методы использования антенн значительно усовершенствованы. Метрология измерений была обеспечена созданием и аттестацией (А. С. Чащин, Б. В. Кияшко) цифровых гидроакустических приемников (ЦГП) со встроенным микроконтроллером. Уровень собственных шумов гидрофона не превышает 35 дБ отн. 20 мкПа в третьоктавных полосах рабочего диапазона до 10 кГц с динамическим диапазоном не хуже 110 дБ при выходном цифровом сигнале по протоколу Ethernet.
На базе кабельных цифровых гидроакустических антенн изготовлены и переданы заказчикам уникальные измерительные комплексы «Нева-ИПФ» и «Брокер-ИПФ» (главный конструктор П. И. Коротин) для измерения уровня подводного шума кораблей в присутствии ближнего судоходства и интерференционных помех, характерных для мелкого моря.

Для гидроакустических измерений разработаны и аттестованы не имеющие аналогов методы (В. И. Турчин, И. Ш. Фикс), связанные с синтезом и адаптацией характеристик направленности много-элементных распределенных приемных систем к акустическим, гидродинамическим и вибрационным помехам. Достигнут уровень подавления помех на выходе антенны, достаточный для решения практически любых измерительных задач.

Варианты постановки антенн комплекса «Нева-ИПФ»: горизонтальная (слева) и вертикальная, реализующая круг равной чувствительности на поверхности акватории (справа)	Адаптивный синтез зоны равной чувствительности для вертикальной антенны в круге радиусом 40 м — нижняя кривая; верхняя кривая — помеха в отсутствие адаптации

Антенные решетки могут использоваться для разнообразных научных и прикладных задач: для исследования пространственной анизотропии шумов, изучения динамики и флуктуаций сигналов на стационарных трассах, выделения мод в мелком море, освещения подводной обстановки, ближнепольной голографии и реконструкции акустического изображения источника. Для этих целей в ИПФ развиваются методы синтеза приемных систем применительно как к пассивной, так и к активной локации. Развита теория синтеза с адаптацией приемной системы к текущим характеристикам помехи (А. А. Родионов). Такой подход позволяет, в частности, размещать антенны непосредственно на борту корабля, так как помехи, создаваемые механизмами корабля, эффективно подавляются.
Для традиционной задачи шумопеленгования найдена возможность повышения точности определения пеленга и дистанции с помощью апертурного синтеза при движении корабля, несущего антенну.

Примеры эффективного использования метода апертурного синтеза при решении задачи локализации источника в горизонтальной плоскости канала в случае тонального сигнала с неизвестной частотой (слева) и широкополосного сигнала (справа)

Для активной локации теоретически и экспериментально изучены возможности линейных антенных решеток с вертикальной и горизонтальной постановкой в режимах просветной и бистатической локации. Обнаружение слабого рассеянного сигнала достигалось специальными методами подавления флуктуаций прямого сигнала, маскирующих рассеянный сигнал.

	Результат срабатывания программы-обнаружителя для просветной локации при тональной подсветке на плоскости «скорость цели — время». Крестики — отметки цели
	Локация движущегося объекта при тональной подсветке в бистатике: на плоскости «частота флуктуаций — пеленг» наклонная отметка — цель

С помощью приемных антенн в морском эксперименте реализован метод обращения времени (А. А. Стромков). Предложен и экспериментально апробирован (В. А. Зверев) метод сканирования источников гидроакустическими системами в мелком море с использованием для фокусировки по дальности и глубине обращения времени и численной модели волновода. Для согласованного со средой приема метод использует обращение сигнала от источника по известным дисперсионным соотношениям с помощью численной модели волновода.
В морском эксперименте при полосе частот сигнала от 100 до 300 Гц сечение сформированной фокальной области практически соответствовало измеренным размерам фокальной области пробного источника по глубине и было только втрое больше по дальности. В качестве модели дисперсии используются соотношения для идеального волновода. Экспериментально показано увеличение потенциала приемной системы благодаря применению метода на 10—12 дБ.

Результат фокусировки в мелком море глубиной 125 м на дистанции 17,5 км, полученный с помощью пробного источника (ПИ) (слева), и пример со смещением фокального пятна на 100 м по дальности и 12 м по глубине (справа)