Acoustical PhysicsAcoustical PhysicsАкустический журнал0320-79193034-5006The Russian Academy of Sciences64841710.31857/S0320791924040102XFGYBRАКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКАResearch ArticleEstimation of the Distance to a Concentrated Inhomogeneity on an Acoustic Path in a Shallow Sea in the Presence of Background DisturbancesОценка расстояния до сосредоточенной неоднородности на акустической трассе в мелком море при наличии фоновых возмущенийLunkovA. A.ЛуньковА. А.
Russian Federation
lunkov@kapella.gpi.ruShermenevaM. A.ШерменеваМ. А.
Russian Federation
shermeneva@mail.ruInstitute of General Physics named after. A.M. Prokhorov of the Russian Academy of SciencesИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукMoscow State Technical University named after N.E. BaumanМосковский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана1507202470456658129012025Copyright ©; 2024, The Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024The Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0320-7919/article/view/648417

We consider the problem of estimating the position of a concentrated inhomogeneity on a stationary acoustic path organized between a single sound source and a vertical receiving antenna in a shallow waveguide in the presence of background disturbances. A local bottom rise and a soliton-like internal wave are chosen as model inhomogeneities. It is proposed to determine the distance from the source to the inhomogeneity by cepstral analysis of the amplitude of the first waveguide mode isolated on the antenna, with preliminary deformation of the frequency axis. Using numerical modeling, the stability of this approach is studied in the presence of several concentrated inhomogeneities or additional disturbances: bottom slope, background internal waves, wind waves, bottom irregularities. Estimates of the signal-to-noise ratio required to implement the proposed approach are provided.

Рассматривается задача оценки положения сосредоточенной неоднородности на стационарной акустической трассе, организованной между одиночным источником звука и вертикальной приемной антенной в мелководном волноводе в присутствии фоновых возмущений. В качестве модельных неоднородностей выбираются локальное поднятие дна и солитоноподобная внутренняя волна. Расстояние от источника до неоднородности предлагается определять путем кепстрального анализа амплитуды первой волноводной моды, выделяемой на антенне, с предварительной деформацией частотной оси. С помощью численного моделирования изучается устойчивость этого подхода при наличии нескольких сосредоточенных неоднородностей или дополнительных возмущений: наклон дна, фоновые внутренние волны, ветровое волнение, неровности дна. Приводятся оценки отношения сигнал/шум, которое требуется для реализации предлагаемого подхода.

shallow waveguideacoustic soundingbroadband signalconcentrated heterogeneityinternal wavebottom irregularitieswind wavesмелководный волноводакустическое зондированиеширокополосный сигналсосредоточенная неоднородностьвнутренняя волнанеровности днаветровое волнениеРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-72-10121Munk W., Wunsch C. Ocean acoustic tomography: Rays and modes // Reviews of Geophysics. 1983. V. 21. № 4. P. 777–793.Буров В. А., Сергеев С. Н., Шуруп А. С., Щербина А. В. Томографическое восстановление характеристик дна мелкого моря // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 5. С. 583–583.Нечаев А. Г., Хилько А. И. Дифференциальная акустическая диагностика случайных неоднород-ностей океана // Акуст. журн. 1988. Т. 34. № 2. С. 285–289.Лучинин А. Г., Хилько А. И. Низкочастотная акустическая томография мелкого моря с использованием маломодовых импульсов // Акуст. журн. 2005. Т. 51, № 2. С. 228–241.Гринюк А. В., Бурдуковская В. Г., Зверев В. А., Кравченко В. Н., Коваленко В. В., Лучинин А. Г., Малеханов А. И., Трофимов А. Т., Трусова О. И., Смирнов И. П., Стромков А. А., Хилько А. И. Экспериментальное исследование модовой селекции в мелком море // Акуст. журн. 2012. Т. 58. №. 3. С. 316–329.Sabra K. G., Conti S., Roux P., Akal T., Kuperman W. A., Stevenson J. M., Tesei A., Guerrini P. Experimental demonstration of a high-frequency forward scattering acoustic barrier in a dynamic coastal environment // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 127. №. 6. P. 3430–3439.Lei B., Yang K., Ma Y. Forward scattering detection of a submerged object by a vertical hydrophone array // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. №. 6. P. 2998–3007.Хилько А. И., Смирнов И. П., Мареев Е. А., Сидоров К. А., Коновалов В. Е., Коваленко В. В. Обнаружение локализованных неоднородностей в рефракционных волноводах при зондировании фокусированными высокочастотными акустическими импульсами // Изв. вузов. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 7. C. 544–562.Луньков А. А., Шерменева М. А. Взаимодействие мод на сосредоточенной однородности в мелководном акустическом волноводе в широкой полосе частот // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 1–10.Lunkov A. A., Shermeneva M. A. Application of Warping Transform for the Analysis of the Acoustic Mode Coupling due to a Local Inhomogeneity in Shallow Water // Phys. Wave Phenom. 2023. V. 31. №. 6. P. 396–405.Pereselkov S. A., Kuz'kin V. M. Interferometric processing of hydroacoustic signals for the purpose of source localization // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. №. 2. P. 666–676.Ehrhardt M., Pereselkov S., Kuz'kin V., Kaznacheev I., Rybyanets P. Experimental observation and theoretical analysis of the low-frequency source interferogram and hologram in shallow water // J. Sound Vib. 2023. V. 544. P. 117–388.Katsnelson B., Petnikov V., Lynch J. Fundamentals of Shallow Water Acoustics. Springer. N.Y., 2012. 540 p.Бреховских Л. М., Годин О. А. Акустика неоднородных сред. Т. 2: Звуковые поля в слоистых и трехмерно-неоднородных средах. М.: Наука, 2009. 426 c.Gao D. Z., Wang N., Wang H. Z. A dedispersion transform for sound propagation in shallow water waveguide // J. Comput. Acoust. 2010. V. 18. №. 3. P. 245–257.Грачев Г. А. К теории инвариантов акустического поля в слоистых волноводах // Акуст. журн. 1993. Т. 39. №. 1. С. 67–71.Чупров С. Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние // Под ред. Бреховских Л. М. М.: Наука, 1982. С. 71–91.Collins M. D., Westwood E. K. A higher-order energy-conserving parabolic equation for range dependent ocean depth, sound speed, and density // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 89. № 3. P. 1068–1075.Porter M. The KRAKEN normal mode program / La Spezia, Italy. SACLANT Undersea Research Centre, 1991 (https://oalib-acoustics.org/website_resources/AcousticsToolbox/manual/kraken.html)Григорьев В. А., Луньков А. А. Взаимодействие мод на киле тороса в широкой полосе частот // Акуст. журн. 2023. Т. 69. №. 4. С. 453–464.Зверев В. А., Павленко А. А., Соколов А. Д., Шаронов Г. А. Слепая дереверберация в глубоком море // Акуст. журн. 2001. Т. 47. №. 1. С. 76–82.Зверев В. А., Стромков А. А. О возможностях кепстрального анализа в уточнении взаимных задержек и амплитуд сигналов // Акуст. журн. 2001. Т. 47. №. 5. С. 657–663.Bonnel J., Nicolas B., Mars J. I., Walker S. C. Estimation of modal group velocities with a single receiver for geoacoustic inversion in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 128. №. 2. P. 719–727.Кузькин В. М. Частотные смещения интерференционной структуры звукового поля в мелком море // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 2. С. 258–263Rouseff D., Ewart T. E. Effect of random sea surface and bottom roughness on propagation in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 98. №. 6. P. 3397–3404.Пирсон В. Дж. Ветровые волны // В кн.: Ветровые волны. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1962. С. 42–124.Кузькин В. М., Лаврова О. Ю., Переселков С. А., Петников В. Г., Сабинин К. Д. Анизотропное поле фоновых внутренних волн на морском шельфе и его влияние на распространение низкочастотного звука // Акуст. журн. 2006. Т. 52. №. 1. С. 74–86.Луньков А. А., Петников В. Г., Черноусов А. Д. Затухание звука на океанском шельфе на небольших расстояниях от источника в присутствии поверхностного волнения // Акуст. журн. 2017. Т. 63. №. 2. С. 180–186.Cron B. F., Sherman C. H. Spatial‐correlation functions for various noise models // J. Acoust. Soc. Am. 1962. V. 34. №. 11. P. 1732–1736.Carey W. M., Evans R. B. Ocean ambient noise: measurement and theory. Springer Science & Business Media, 2011.Луньков А. А., Петников В. Г. Флуктуации фазы сфокусированных низкочастотных звуковых полей в мелком море // Акуст. журн. 2011. Т. 57. №. 5. С. 655–664.Badiey M., Katnelson B. G., Lynch J. F., Pereselkov S., Siegmann W. L. Measurement and modeling of threedimensional sound intensity variations due to shallow-water internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117. №. 2. P. 613–625.Zhou J., Zhang X., Rogers P. H. Resonant interaction of sound wave with internal solitons in the coastal zone // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 90. №. 4. P. 2042–2054.Zhou J. X., Zhang X. Z., Rogers P. H., Wang D., Luo E. Anomalous sound propagation in shallow water due to internal wave solitons // Proc. of OCEANS'93. IEEE, 1993. V. 1. P. I87–I92.Yang T. C., Huang C. F., Huang S. H., Liu J. Y. Frequency striations induced by moving nonlinear internal waves and applications // IEEE J. of Oceanic Engineering. 2016. V. 42. №. 3. P. 663–671.