„Който пази тайна, получава това, което иска.“

Симулация на хидроакустични полета. В момента намаляването на шума на подводниците (Submarines) е почти достигнало своя предел и по някои параметри се изравнява с естествения шум на морето, което изисква нови подходи към системата за наблюдение на подводната обстановка като цяло. При тези условия увеличаването на обхвата на откриване на ниско шумни цели е възможно само ако се получи надеждна оперативна информация за текущите хидрологични и акустични параметри на морската среда, включително полето на скоростта на звука във водата, както и параметрите на отражение от бурната морска повърхност и дъното. Познаването на релефа на дъното също е от съществено значение поради причината, че неговата вдлъбнатина и видът на грунта (почвата) значително влияят върху разпространението на акустични лъчи.

Интелигентната геоинформационна система (IGIS) за моделиране на хидроакустични полета, разработена от ЗАО SPIIRAN-NTBVT, позволява да се изчислят структурата и параметрите на хидроакустичното поле по зададен път. В същото време хидроакустичните изчисления включват свързването на източника и приемника на сигнали към географските координати, поради уникалните стойности на параметрите на това поле във всяка точка от зоната на неговото формиране. Уникалността на полето се определя преди всичко от сложните закономерности на влиянието на околната среда върху процеса на неговото формиране и високата променливост на свойствата му в пространството.

IGIS прилага вълнови и лъчеви изчисления (симулация) на хидроакустични полета. Екранната форма на началния екран и менюто на софтуерния пакет са показани на рис. 1.
Елементите на потребителския интерфейс осигуряват интуитивен процес на взаимодействие на потребителя със системата на всички етапи от изчисленията. По-специално, потребителят може да избере всеки регион на Световния океан за изчисления и съвсем просто, използвайки дадените координати или използвайки курсора, да постави позицията на източника (S) и приемника (R) на акустична енергия. В този случай пътят на разпространение на акустичната енергия се показва под формата на сегмент, свързващ източника и приемника.

Рис. 1. Екранен изглед на началния екран на програмата „Sonar Loss“

В тази публикация разглеждаме правилността на използването на геопространствени данни (мрежови масиви) за батиметрията (топография на дъното) на Световния океан, които са разработени от различни американски отдели, изучаващи Световния океан, в разработеното местно оборудване за хидроакустични изчисления. Повечето от тези чуждестранни данни се разпространяват свободно чрез Интернет. Използването на чужди мрежови масиви според
батиметрията във вътрешните разработки се обяснява с отсъствието на подобни вътрешни, въпреки че мрежовите масиви вече са създадени за някои морета.
Глобалният цифров модел на височината на океанското дъно в ISIS е представен от мрежови масиви Etopo 1, Etopo 2, Etopo 5, GDEM и Geobase. Подробно описание на тези ресурси, особено методологията за тяхното формиране и изчисляване, е трудно да се намери в публичното пространство. В Таблица 1 се показват някои данни за най-използваните мрежови масиви на глобалния цифров модел на релефа на океанското дъно Етопо 1, 2, 5.

Таблица 1. Данни за използваните мрежови масиви на глобалния цифров модел на релефа на океанското дъно Etopo 1, 2 ,5

За да сравним горните мрежови масиви, ще изградим профили на дънната топография, разположени в южната част на Баренцово море, като зададем техните координати в менюто „Район“ на трасе 1 (65 km) и 2 (24 km).
С помощта на менюто „Релеф“ на IGIS, показано на рис. 3 се избира необходимият решетъчен масив, избира се стъпката за избор на дълбочина и се изгражда долният топографски профил по дадените следи. Ще ги съпоставим с данните за реално измерените дълбочини на експедиционния океанографски кораб и дълбочините, отчетени от морските навигационни карти по зададените трасета, които се въвеждат ръчно в програмата.

Рис. 3. Изглед на екранната форма на меню „Релеф“ – релеф на дъното по изчислителната следа

На рис. 4 и 5 се показват профилите за изчисление на релефа на дъното по пътеки 1 и 2, изчислени с помощта на различни ГИС решетки, както и по измервания на ехолота и данни, прочетени от морски навигационни карти № 13003, 13004 и 13005 M 1:100000.

Рис. 4. Профили на долната топография, изчислени от различни модели на топография на дъното по път 1: 1 – gdem цифров топографски модел на дъното, 2 – Etopo1 цифров топографски модел на дъното, 3 – Etopo2 цифров топографски модел на дъното, 4 – Etopo5 цифров топографски модел на дъното, 5 – цифров модел на дъното Geobase топография на дъното, 6 – дълбочини от морската карта, 7 – измерени с ехолот по трасето

Рис. 5. Профили за изчисление на дънната топография, изчислени с помощта на различни модели на дънната топография по пътя Т2 (вижте легендата към рис. 4)

Фигурите показват, че топографските профили на дъното на трасета зададени от различни бази данни, се различават един от друг:
– данните за измерването (крива 7) на топографията на дъното и данните от морската карта (крива 6) съвпадат по форма, но могат да се различават от 3 до 14 m, което е в рамките на точността на отчитане на дълбочините от морската карта;
– от всички масиви от данни само моделът на топографията на дъното на Geobase (крива 5) е близък по форма до измерения профил на дъното;
– моделът на дъното gdem описва най-лошо реалния профил на дъното (крива 1);
– моделите на топографията на дъното Etopo1-5 (криви 2–4) имат различни степени на приближаване до реалния профил на дъното, но в близост до брега (на разстояние 60–65 km по маршрут 1 с дълбочини под 100 m) показват значителни несъответствия с измерванията;
– стойностите на разсейване в дълбочината по път 1 във всички бази данни е от 23 до 192 m;
– разпределението на стойностите на дълбочината по път 2 във всички бази данни е от 12 до 33 m.
Нека изберем моделите на релефа на дъното, които най-точно показват профила на релефа на дъното по трасето и да оценим тяхното влияние върху структурата и параметрите на хидроакустичното поле при извършване на хидроакустични изчисления с помощта на ГИС (изчисления на намаляването на интензитета на звуково поле с разстояние).
На рис. 5 се показват профилите на релефа на дъното, избрани за хидроакустични изчисления.

Рис. 5. Характерни профили на топография на дъното, избрани за хидроакустични изчисления по път 1 (а) и път 2 (б): 2 – цифров релеф на дъното Etopo1; 5 – дигитален модел на дънния релеф Геобаза; 6 – дълбочини от морската карта; 7 – измерено с ехолота)

При ГИС изчисленията е използван лъчевият метод (ехо режим за намиране на посока).
Входните параметри за морската среда бяха автоматично избрани при определяне на координатите на избраните трасета 1 и 2 в Баренцово море. Профилът на скоростта на звука във вода и грунта е избран за септември (VRSZ тип V), честота 1 kHz, GAS антена е всенасочена. Дълбочината на приемника е 60 m, източникът на излъчване е 50 m, а вълните са 4 бала. При тип V VRSS, когато се наблюдава отрицателно пречупване от повърхността към дъното (особено на плитки водни площи), се наблюдават неблагоприятни условия за разпространение на звука. При изчисленията е променен само профилът на релефа на дъното по трасето, зададен в четири варианта: 1 – профил на дъното, измерен с ехолот, 2 – дълбочина от морска карта; 3 – цифров модел на дънния релеф Etopo1; 4 – дигитален модел на дънния релеф Геобаза;

На рис. 6–8 са показани графики за изчисляване на намаляването на интензитета на звуковото поле по пътища 1 и 2, когато са посочени различни модели на топографията на дъното. По маршрут 1 бяха избрани два характерни участъка: участъкът от трасето от 0 km до 18 km – издигане на релефа на дъното по трасето от дълбочина 220 m до дълбочина 138 m, и участък от трасето от 16 km до 36 km – спускането на релефа на дъното по трасето от дълбочина 138 m до дълбочина 258 m (виж рис. 5а).

Рис. 6. Графики на разчетите за намаляването на интензитета на звуковото поле In (db) при определяне на различни модели на топографията на дъното по път 1 (участък от път 1–1 от 0 km до 18 km (виж рис. 5а): 1 – профил на дъното, измерен с ехолот, 2 – дълбочини от морска карта; 3 – цифров релеф на дъното Etopo1; 4 – цифров релеф на дъното Geobase

От рисунките се вижда, че разликата в нивата на намаляване на интензитета на звуковото поле при определяне на различни модели на топографията на дъното на различни участъци от пътеки 1 и 2 може да достигне от 5 до 15 dB, което е значително, когато се извършват хидроакустични изчисления.
Основната тенденция в развитието на съвременните подводници е максималното намаляване на техния шум до ниво, близко или равно на фона, което наред с високо ниво на смущения и сложна хидрология в редица области на Световния океан, които са от голямо оперативно и стратегическо значение, изисква създаването на цифров модел на релефа на дъното на открито море с висока пространствена разделителна способност.

Рис. 7. Графики на разчетите за намаляването на интензитета на звуковото поле In (db) при определяне на различни модели на релефа на дъното по път 1 (участък от път 1–2 от 16 km до 36 km (виж рис. 5а). Виж легендата за рис. 6

Рис. 8. Графики на разчетите за намаляването на интензитета на звуковото поле при определяне на различни модели на топографията на дъното по пътя Т2 (виж рис. 5б).

Заключения
1. Използването в ИГИС на решетъчни масиви за батиметрия (релеф на дъното) на Световния океан, разработени от различни американски ведомства, внася грешка в изчисленията на намаляването на интензитета на звуковото поле по пътищата, което може да достигне стойности от 5 до 15 dB.
2. Значителен ефект на дъното (както релеф, така и тип грунт) при моделиране на хидроакустични полета в плитки морета се наблюдава при тип V VRSS, когато се наблюдава отрицателно пречупване от повърхността към морското дъно.
3. От всички разгледани решетъчни масиви за дънна батиметрия (релеф), най-добро съответствие с измерванията показаха цифровите модели на релефа на дъното Etopo1 и Geobase.
4. В крайбрежните води на моретата се наблюдават значителни грешки в батиметрията на чужди мрежови масиви.
5. В интерес на флота е необходимо да се разработи и приложи в създаденото оборудване, което произвежда хидроакустични изчисления, цифров модел на релефа на дъното на крайните морета, а в бъдеще и на целия Световен океан.