The Influence of the A Priori Uncertainty of the Shallow Sea Sound Channel Model on the Vertical Array Gain

A. I. Malekhanov; Малеханов А. И.; A. V. Smirnov; Смирнов А. В.

doi:10.31857/S0320791923600427

The Influence of the A Priori Uncertainty of the Shallow Sea Sound Channel Model on the Vertical Array Gain

Authors: Malekhanov A.I.¹^,2, Smirnov A.V.¹
Affiliations:
1. A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, 603950, Nizhny Novgorod, Russia
2. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State University, 603950, Nizhny Novgorod, Russia
Issue: Vol 69, No 5 (2023)
Pages: 542-558
Section: АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
URL: https://journals.rcsi.science/0320-7919/article/view/134468
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600427
EDN: https://elibrary.ru/QTEETJ
ID: 134468

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The purpose of this paper is to numerically demonstrate and comparatively analyze the critically strong and ambiguous impact of the a priori uncertainty of a shallow sea waveguide model in its main physical parameters on the output performance of model-based methods for spatial processing of multimode signals received by a vertical antenna array. The scenario is specified when a relatively weak signal of a remote underwater source is received against the background of intensive interference excited by a subsurface source (like a ship, for example) and ambient sea noise excited by wind waves. The considered array processing methods include matched-signal processing, optimal processing of the signal on the background of interference and noise, and suboptimal processing based on matched-mode array filtering of one of the signal-carrying modes with adaptive selection of its number. Quantitative estimates are obtained from above for the environment uncertainties, or model errors, with respect to the sound velocity in the water column and geoacoustic parameters of the underlying bottom, at which the array gain loss does not exceed a given level. It is shown that such estimates are very different both for different environmental parameters and for processing methods, with the determining role played by the conditions of useful signal reception, namely, the modal composition and intensity levels of the interference and sea noise at the array input. The problem statement and results are considered to be useful to detail the requirements for operational oceanography tools designed to support the effective operation of sonar antenna systems in real sea environments.

Keywords

shallow sea waveguide, vertical antenna array, spatial signal processing, array gain matched-signal processing, optimal processing, matched-mode filtering, operational oceanography

About the authors

A. I. Malekhanov

A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, 603950, Nizhny Novgorod, Russia; Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State University, 603950, Nizhny Novgorod, Russia

Email: almal@appl.sci-nnov.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46; Россия, 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

A. V. Smirnov

A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, 603950, Nizhny Novgorod, Russia

Author for correspondence.
Email: almal@appl.sci-nnov.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

References

Коваленко В.В., Родионов А.А., Ванкевич Р.Е. Методические основы построения систем оперативной океанографии в приложении к задачам подводного наблюдения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14. № 3. С. 4–19.
Коваленко В.В., Селезнев И.А. Оперативная океанография в интересах акустического подводного наблюдения // Гидроакустика. 2023. Вып. 53(1). С. 89–106.
Baggeroer A.B., Kuperman W.A., Mikhalevsky P.N. An overview of matched field methods in ocean acoustics // IEEE J. Oceanic Engin. 1993. V. 18. № 4. P. 401–423.
Baggeroer A.B. Why did applications of MFP fail, or did we not understand how to apply MFP? // Proc. 1st Int. Conf. and Exhib. on Underwater Acoustics. Eds. by Papadakis J.S. & Bjørnø L. Corfu Island, Greece. 2013. P. 41–49.
Малышкин Г.С., Сидельников Г.Б. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов (обзор) // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 5. С. 526–545.
Сазонтов А.Г., Малеханов А.И. Согласованная обработка сигналов в подводных звуковых каналах (обзор) // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 2. С. 233–253.
Малеханов А.И., Коваленко В.В., Никитин Д.А., Сазонтов А.Г., Сергеев В.А. Согласованная со средой обработка акустических сигналов в подводных звуковых каналах: состояние исследований, оценки эффективности, перспективы // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: Труды XVI Всерос. конф. СПб.: Политех–Пресс, 2022. С. 15–21.
Малеханов А.И., Смирнов И.П. Пространственная обработка акустических сигналов в каналах мелкого моря в условиях априорной неопределенности: оценки потерь эффективности // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 4. С. 427–439.
Малеханов А.И. Точность априорной информации об океанической среде как фактор эффективности пространственной обработки гидроакустических сигналов // Гидроакустика. 2023. Вып. 53(1). С. 7–22.
Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 189 с.
Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
Ильичев В.И., Калюжный А.Я., Красный Л.Г., Лапий В.Ю. Статистическая теория обнаружения гидроакустических сигналов. М.: Наука, 1992. 415 с.
Малышкин Г.С., Мельканович В.С. Классические и быстрые проекционные адаптивные алгоритмы в гидроакустике. СПб.: ГНЦ РФ АО “Концерн” ЦНИИ “Электроприбор”, 2022. 268 с.
Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 с.
Малеханов А.И. Некогерентная пространственная фильтрация мод в случайно-неоднородном океаническом волноводе // Акуст. журн. 1992. Т. 38. № 5. С. 898–904.
Labutina M.S., Malekhanov A.I., Smirnov A.V. Estimation of the efficiency of the vertical antenna arrays in underwater sound channels // Physics of Wave Phenomena. 2016. V. 24. № 2. P. 161–167.
Вдовичева Н.К., Матвеев А.Л., Сазонтов А.Г. Экспериментальное и теоретическое исследование вертикальной когерентности звукового поля в мелком море // Акуст. журн. 2002. Т. 48. № 3. С. 309–313.
Сазонтов А.Г., Смирнов И.П. Локализация источника в акустическом волноводе с неточно известными параметрами с использованием согласованной обработки в модовом пространстве // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 4. С. 540-550.
Сазонтов А.Г., Смирнов И.П. Определение направления на источник в акустическом волноводе и предел углового разрешения // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 2. С. 174–184.
Kuperman W.A., Ingenito F. Spatial correlation of surface generated noise in a stratified ocean // J. Acoust. Soc. Am. 1980. V. 67. № 6. P. 1988–1996.
Smirnov A.V., Malekhanov A.I., Labutina M.S. Vertical array gain in a randomly inhomogeneous underwater sound channel: Effect of the array arrangement // Proc. Meet. Acoust. (POMA). 2021. V. 44. № 055005. P. 1–12.
Малеханов А.И., Таланов В.И. Об оптимальном приеме сигналов в многомодовых волноводах // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 5. С. 891–897.
Городецкая Е.Ю., Малеханов А.И., Таланов В.И. Моделирование оптимальной пространственной обработки сигналов в подводных звуковых каналах // Акуст. журн. 1992. Т. 38. № 6. С. 1044–1051.
Вдовичева Н.К., Городецкая Е.Ю., Малеханов А.И., Сазонтов А.Г. Коэффициент усиления вертикальной антенны в случайно-неоднородном океаническом волноводе // Акуст. журн. 1997. V. 43. № 6. С. 769–776.