The Combined Influence of Wind Waves and Internal Waves on the Coherence of Low Frequency Acoustic Signals and the Effectiveness of Their Spatial Processing in Shallow Sea

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The combined influence of random internal waves and developed wind waves on the coherence and efficiency of spatial processing of narrow-band acoustic signals in shallow seas is studied analytically and numerically. A theoretical model is proposed for the correlation matrix of a multimode signal at the aperture of a horizontal antenna array (AR), using the difference in the spatiotemporal scales of acoustic field fluctuations caused by wind and internal waves. The results of numerical modeling for hydrological conditions in summer are presented. The antenna gain is analyzed for three spatial processing methods: phased array method, optimal linear processing method, and optimal quadratic processing method. The main attention is paid to the dependence of the antenna gain on the intensity of wind waves and the distance R between the source and the antenna. It is shown that, despite the summer-type hydrology, wind waves can have a significant impact on the gain of a horizontal antenna over a wide range of distances R~10–100 km.

About the authors

M. A. Raevsky

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: bvg@appl.sci-nnov.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod

V. G. Burdukovskaya

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: bvg@appl.sci-nnov.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

  1. Распространение звука во флуктуирующем океане. Под ред. Флатте С. Пер. с англ. М.:Мир, 1982. 336 с.
  2. Завольский Н. А., Малеханов А. И., Раевский М. А., Смирнов А. В. Влияние ветрового волнения на характеристики горизонтальной антенны в условиях мелкого моря // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 5. С. 501–512.
  3. Завольский Н. А., Малеханов А. И., Раевский М. А. Сравнительный анализ методов пространственной обработки сигналов, принимаемых горизонтальной антенной решеткой в канале мелкого моря со взволнованной поверхностью // Акуст. журн. 2019. T. 65. № 5. С. 608–618.
  4. Раевский М. А., Бурдуковская В. Г. Эффекты многократного рассеяния акустических мод на анизотропном ветровом волнении в мелком море // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 1. С. 65–71.
  5. Бурдуковская В. Г., Малеханов А. И., Раевский М. А. Влияние анизотропного ветрового волнения на эффективность пространственной обработки акустических сигналов в мелком море // Акуст. журн. 2021. T. 67. № 6. С. 617–625.
  6. Раевский М. А., Бурдуковская В. Г. Влияние межмодовых корреляций на эффективность пространственной обработки акустических сигналов в океаническом волноводе со взволнованной поверхностью // Акуст. журн. 2022. T. 68. № 6. С. 625–637.
  7. Раевский М. А., Бурдуковская В. Г. Пространственная обработка акустических сигналов в океанических волноводах на фоне шумов ветрового происхождения // Акуст. журн. 2023. T. 69. № 1. С. 73–83.
  8. Raghukumar K., Colosi J. High-frequency normal mode statistics in a shallow water waveguide: The effect of random linear internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. № 1. P. 66–79.
  9. Луньков А. А., Петников В. Г. Когерентность низкочастотного звука в мелком море при наличии внутренних волн // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 1. С. 65–75.
  10. Раевский М. А., Бурдуковская В. Г. Влияние случайных внутренних волн на характеристики горизонтальной антенны в мелком море // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 5. С. 584–594.
  11. Raghukumar K., Colosi J. A. High-frequency normalmode statistics in shallow water: The combined effect of random surface and internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 137. № 5. P. 2950–2961.
  12. Раевский М. А., Хилько А. И. О пространственно-временной когерентности низкочастотных акустических волн в мелком море с флуктуирующими параметрами // Акуст.журн. 2015. Т. 61. № 3. С. 369–376.
  13. Артельный В. В., Раевский М. А. О статистических характеристиках нормальных волн в волноводе с объемными неоднородностями // Изв.ВУЗов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 9. С. 1142–1150.
  14. Горская Н. С., Раевский М. А. О многократном рассеянии низкочастотных акустических волн на поверхностном волнении // Акуст. журн. 1986. Т. 32. № 2. С. 165–171.
  15. Вировлянский А. Л., Костерин А. Г. Метод плавных возмущений для описания полей в многомодовых волноводах // Акуст. журн. 1987. Т. 33. № 4. С. 599–605.
  16. Давидан И. Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.:Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.
  17. Yang T. C., Yoo K. Internal wave spectrum in shallow water; measurement and comparison with the Garrett-Munk model // IEEE J. of Oceanic Engineering. 1999. V. 24. № 3. P. 333.
  18. Colosi J. et al. Observations of sound-speed fluctuations on the New-Jersey continental shelf in the summer of 2006 // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 131. № 2. P. 1733.
  19. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
  20. Morgan D. R., Smith T. M. Coherence effects on the detection performance of quadratic array processors, with applications to large-array matched-field // J. Acoust. Soc. Am. 1990. V. 87. № 2. P. 737–747.
  21. Малеханов А. И., Таланов В. И. Об оптимальном приеме сигналов в многомодовых волноводах // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 5. С. 891–897.
  22. Carey W. M. The determination of signal coherence length based on signal coherence and gain measurements in deep and shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 104. № 2. P. 831–837.
  23. Carey W. M., Lynch J. F., Siegmann W. L., Rozenfild I., Sperry B. J. Sound transmission and spatial coherence in selected shallow-water areas: measurements and theory // J. of Computational Acoustics. 2006. Vol. 14. N. 2. P. 265–298.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences