یادداشت فنی
نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(113-118) شناسایی جریان هاي زیردریایی توسط امواج صوتی

رهام انصاري مهر1*، سید حمیدرضا رئیس السادات2

دانشجوي دکتري، دانشگاه اصفهان؛ rohammehr@gmail.com
استادیار، دانشگاه آزاد اسلامی شهرضا؛ shrr300@iaush.ac.ir

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

5827776369824

تاریخچه مقاله: موج صوتی به خوبی در آب انتشار می یابد، درحالی که بیش تر موجهاي الکترومغناطیسی، به ویژه در تاریخ دریافت مقاله: 17/12/1392 آب هاي شور و چگال دریا، پس از چند ده یا چند صد متر چنان افت می کنند که دیگر امکان ردیابی و تاریخ پذیرش مقاله: 13/05/1393 آشکارسازي آن ها وجود ندارد. در این مقاله، با استفاده از امواج صوتی، روش ویژه اي براي شناسایی تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393 جریانهاي احتمالی زیر آبی و بازسازي شدت، پهنا، و راستاي آنها مطرح می شود. این روش بر پایه ي
تفاوت میان زمان هاي پیمایش صوت در مکان هایی است که چگالی آب یک مکان با مکان دیگر تفاوت دارد. طراحی کار بر اساس دستگاه »چشمه- گیرنده ي صوتی چرخان« است. این تکنیک تا اندازه اي با روش هاي مرسوم بازسازي تصویر در برش نگاري تشخیصی شباهت دارد. بر این پایه، برنامه اي کامپیوتري، به زبان Visual C در محیط ویندوز، نوشته و با شبیه سازي یک ناحیه ي برش نگاشتی اقیانوسی و جریان هاي فرضی موجود در آن ،کارایی و صحت برنامه سنجیده می شود. کلمات کلیدي:
برش نگاري
موج صوتی زمان پیمایش شدت جریان چشمه- گیرنده

Detection of Under Marine Currents by Acoustic Waves

Roham Ansarimehr 1*, S.Hamidreza Reissosadat 2

PhD Candidate, University of Isfahan; rohammehr@gmail.com
Keywords:
Tomography acoustic wave travel time current intensity source-receiver reconstruction of their intensities, widths, and directions by using the acoustic waves. The method relies on the differences in travel times of sound in the locations where the water density varies from one place to another. The design is based on the “rotating sound source-receiver” system. This technique is somehow similar to the customary methods of image reconstruction in diagnostic tomography. A computer program was written in Visual C in the Windows media. The efficiency and accuracy of the program was consequently evaluated by simulating an ocean tomographic region and its postulated currents.
01196808

Assistant Professor, Islamic Azad University of Shahreza; shrr033@iaush.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 8 Mar. 2014
Accepted: 4 Aug. 2014
Available online: 11 Mar. 2015 Acoustic wave propagates properly in water, whilst most forms of electromagnetic waves, particularly in salty and dense sea water, are attenuated after a few tens or hundreds of meters so that it will be impossible to trace and detect them. This paper presents a special method for recognizing probable underwater currents, and

1- مقدمه
پیمایش در راستاي مسیر پرتوهاي صوتی استوار بود. بدین ترتیب که زمان هاي پیمایش پالس هاي صوتی میان چشمه و گیرنده اندازه گیري می شد. این زمان ها را می توان از روي زمان و زاویه ي دریافت پالس ها در آرایه اي از گیرنده هاي افقی یا عمودي که در زیر دریا آرایش یافته اند، از یکدیگر تفکیک کرد، از این رو رعایت زمان برش نگاري بر پایه ي امواج صوتی، بیش از سی سال پیش همچون ابزاري براي مشاهده ي نواحی درونی دریا معرفی شد [1] و پس از آن به سرعت در میان اقیانوس شناسان و صوت شناسان در حوزه هاي اقیانوس شناسی و فناوري دریایی مطرح و به کار گرفته شد. راه کار اولیه ي این نوع از برش نگاري بر پایه ي اندازه گیري دقیق زمان
دقیق و جهت یابی ابزار سنجش در آن الزامی است. از آن جا که سرعت صوت تابع دما یا جریان است، تغییرات اندازه گیري شده در زمان پیمایش نیز میزانی از تغییرات در دما یا جریان هاي موجود در مسیر پرتو را نشان می دهد. مسیرهاي پرتو ممکن است بسیار زیاد باشد و این تکنیک درمجموع یک اندازه گیري میانگین از دما و جریان فراهم می سازد [2].
چنان که می دانیم، موج صوتی به خوبی در آب انتشار می یابد ،درحالی که بیش تر موج هاي الکترومغناطیسی، مانند نور یا موج هاي رادیویی کوتاه، به ویژه در آب هاي شور و چگال، پس از چند ده یا چند صد متر چنان افت می کنند که دیگر امکان ردیابی و آشکارسازي آن ها وجود ندارد. در قیاس، صوت در دریاها و اقیانوس ها به سادگی انتشار می یابد و افت بسیار کم تري دارد.
درکل، سرعت موج صوتی در دریا تابعی افزاینده از سه کمیت دما ،شوري (چگالی)، و فشار (یا عمق) آب است. با افزایش فشار و افزایش دما سرعت صوت افزایش می یابد، اما حساسیت سرعت صوت به شوري آب کم تر از دما یا فشار است. دما در نواحی سطحی دریا گرم تر است و در عمق 200 تا 700 متري به سرعت افت می کند. از این رو در این ناحیه سرعت صوت بسیار کم تر می شود. و اما در زیر این ناحیه، دماي دریا با آهنگ بسیار آهسته اي کاهش می یابد و درعمل می توان سرعت صوت را تنها تابع فشار به شمار آورد [3]. بدین ترتیب، بسته به آن که کدام ناحیه و کدام عمق از دریا مورد بررسی قرار گیرد، با اندازه گیري سرعت صوت، یا زمان پیمایش پرتو صوتی، می توان ساختار فیزیکی مورد نظر (مانند دما ،فشار، و شدت جریان هاي دریایی) را در نواحی مختلف دریا بازسازي کرد.
هنگامی که موج صوتی در عمق دریا نفوذ می کند و سپس به بستر دریا می تابد، بخشی از انرژي آن در بستر (کف) دریا نفوذ می کند. میزان انرژي که درون کف انتشار می یابد در اساس وابسته است به فرکانس صوت، ترکیب کف دریا و زاویه ي برخورد. به طور سردستی، براي یک کف دریاي نمونه وار (بدون گاز و ساخته شده از سازه هاي نرم)، فرکانس هاي بالاي 10 کیلو تا 12 کیلوهرتز بازتاب می یابند. فرکانس هاي صوتی 1 کیلو تا 10 کیلوهرتز چندین متر، و فرکانس هاي 100 تا 1000 هرتز ده ها متر یا بیش تر در بستر دریا نفوذ می کنند. بر این اساس، براي هدف هاي تصویرسازي دریا ،به طور معمول سونارهاي با فرکانس 100 تا 500 هرتز به کار گرفته می شود. در این فرکانس ها، صوت بازتاب اندکی دارد و در عمل تا هزاران متر در عمق دریا نفوذ می کند [4].
در این مقاله ،توجه بر »جریان هاي دریایی« و بازسازي شدت ،جهت ،و پهناي آن ها است .طراحی کار بر اساس دستگاه »چشمه- گیرنده ي صوتی چرخان« است. این روش تا اندازه اي با روش هاي مرسوم برش نگاري تشخیصی (در کاربردهاي فنی و آسیب شناختی) شباهت دارد. در بخش هاي بعد شیوه ي طراحی و اجراي کار بیانمی شود.

مواد و روش ها
2-1- چشمه-گیرنده ي چرخان
با نگاه به شکل 1، تصور کنیم که پرتوهاي صوتی به صورت خط هاي راست میان چشمه و گیرنده باشند. به این معنا که چشمه باریکه اي از پرتوهاي موازي را از میان برش f(x, y) به یک صفحه ي گیرنده می تاباند. در شکل راستاي چشمه و گیرنده نسبت به دستگاه مختصات، زاویه ي φ را می سازد .ولی دستگاه چشمه- گیرنده به دور برش مورد نظر در حال چرخش است، به گونه اي که
. 0 ≤φ ≤π

شکل1 – چشمه- گیرنده ي چرخان[ 5].

درعمل، این وضع را می توان توسط یک کشتی متحرك در اطراف ناحیه ي مورد بررسی پدید آورد. حال بار دیگر به شکل 1 توجه کنیم. با دقت به هندسهي شکل، می توان زمان پیمایش τ را به صورت زیر نوشت [5]:

(s,) sourcerecieverdlf (scoslsin,ssinl cos) (1)

که در آن s و l مختصه هاي چرخش یافته هستند و زمان پیمایش τ با انتگرال گیري در راستاي خط هاي موازي l در همه ي زاویه هاي φ ≤π≤ 0 برآورد می شود. در مبحث بازسازي تصویر تابعی نظیر بالا به نام افکنش موازي خوانده می شود. براي تبدیل وارون معادله ي 1 و بازیابی f(x,y)، الگوریتم هاي چندي پیشنهاد شده است، از جمله روش هاي موسوم به پس افکنش [6 ] که در این جا نیز در بخش بازسازي تصویر نمونه اي از همین روش ها به کار خواهد رفت.

2-2- انتخاب ناحیه، و فرض هاي آغازین
براي اجراي کار، ابتدا باید وسعت ناحیه ي مورد بررسی و عمق آن در زیر آب مشخص شود. سطح ناحیه، بسته به نیاز، ممکن است به وسعت ده ها یا صدها کیلومتر در زیر آب باشد. البته آزمایش در عمق ثابتی صورت می گیرد. به بیان دیگر، چشمه و گیرنده ي صوتی همواره در یک سطح قرار می گیرند. چشمه از خود پرتو صوتی می فرستد (براي نمونه، با فرکانس500 هرتز) و پس از دریافت یک پالس و ثبت زمان پیمایش توسط گیرنده ،دستگاه چشمه -گیرنده در عرض ناحیه ي مورد نظر بر یک خط راست حرکت می کند و به فواصل دلخواه ،ارسال و دریافت پالس و ثبت زمان تکرار می شود (اگر سرعت صوت میانگین در عمق مورد نظر 1500 متر بر ثانیه باشد، براي فاصله ي 100 کیلومتري میان چشمه و گیرنده ،66 تا 67 ثانیه طول می کشد تا یک پالس ثبت شود.)
راه دیگر آن است که چندین گیرنده را به فواصل دلخواه بر یک خط راست، که پهناي ناحیه را پوشش دهد، قرار داد؛ چنان که می دانیم، انتشار صوت در همه ي راستاهاي فضایی صورت می گیرد .
از این رو می توان، مطابق شکل 2، پرتوهایی را که همزمان به صورت واگرا از چشمه تابش می شوند در آرایه اي از گیرنده هاي ثابت واقع بر یک خط راست ثبت کرد (همچنین می توان تدبیري اندیشید و تنها از یک گیرنده ي متحرك بر خط راست بهره گرفت). در این صورت نیازي به حرکت عرضی دستگاه چشمه -گیرنده نیست .روشن است که در این حالت فاصله ي چشمه با گیرنده هاي مختلف یکسان نیست و درنتیجه در آب هاي همگن زمان هاي پیمایش ثبت شده در راستاهاي مختلف با یکدیگر تفاوت پیدا می کند. در برنامه ي بازسازي ،می توان زمان پیمایش صوت براي یک زوج چشمه- گیرنده ي خاص، براي مثال، زوج چشمه – گیرنده ي میانی ،را زمان معیار در نظر گرفت و زمان پیمایش صوت براي چشمه – گیرنده هاي دیگر را، به نسبت فاصله ي چشمه با این گیرنده ها ،برآورد مجدد کرد.

شکل2- دستگاه چشمه- گیرنده ي چرخان (پرتوهاي واگرا).

هر کدام از آرایشهاي یادشده را که برگزینیم، لازم است که عمل اندازه گیري در زوایاي گوناگون، از 0 تا 180 درجه، ادامه یابد. به لحاظ نظري، می توان با سه یا چهار زاویه کار را به پایان رساند ،
رهام انصاري مهر و سید حمیدرضا رئیس السادات / نشریه مهندسی دریا ،سال دهم(20)، پاییز و زمستان 93، (113-118)

ولی هرچه شمار زوایاي اندازه گیري بیش تر باشد، گسسته سازي بهتري صورت می گیرد و تصویر برش نگاشتی دقیق تر خواهد شد.

2-3- ذخیره ي دادهها، و فواصل نمونه بندي
مرکز ناحیه یا دایره ي برش نگاشتی را مبدأ مختصات می گیریم، و در صفحهي افقی دو محور فرضی ثابت x و y را نشان گذاري می کنیم. در هر زاویه اي که آزمایش صورت می گیرد، مکان چشمه و گیرنده در این دستگاه مختصات فرضی باید به خوبی مشخص باشد. چون در این کار داده ها ي ثبتشده همانا زمان هاي پیمایش صوت از چشمه به گیرنده است، فاصلهي چشمه با هرکدام از گیرنده ها در طول اجراي کار همواره باید مشخص باشد . دادهها (زمان هاي پیمایش) را میتوان در تابعی به نام پرتونگاشت ذخیره کرد که در برنامه ي کامپیوتري به صورت آرایه ي دوبعدي s(i, j) تعریف می شود. اگر Nφ را شمار زاویه هاي سمتی و Ns را شمار نمونه هاي شعاعی در راستاي یک خط پاسخ (مسیر پیمایش پرتو) بگیریم ،i از 1 تا Nφ و j از 1 تا Ns تغییر می کنند. زاویه ي φ درواقع زاویه اي است که خط واصل چشمه و هر گیرنده با محور قراردادي x می سازد، و s از فرمول زیر (با توجه به شکل 1 و معادلهي 1) برآورد می شود:

s  xcos ysin (2)

که در آن (x,y) مختصات چشمه است.
در فرایند اندازه گیري، شمار زاویه هاي سمتی Nφ چه بسا زیاد باشد ،ولی در کار برنامه نویسی که گسسته سازي صورت می گیرد به همه ي آن ها نیازي نیست. با وجود این ،Nφ باید به گونه اي انتخاب شود که امکان تفکیک فضایی بایسته فراهم شود. در این زمینه فرمول هاي مشخصی وجود دارد؛ اگر هر پرتونگاشت 2q+1 انتگرال خطی را در بر بگیرد، مقدار بهینه ي q، براي آن که خطاي بازسازي کمینه شود، از فرمول q ~

N پیروي می کند [6]. در این

مقدار نمودار خطا به حد اشباع می رسد و افزودن بر مقدار q اثر چندانی در فرآیند بازسازي نمی گذارد. همچنین، هرچه q از مقدار بهینه کم تر شود خطاي بازسازي بیش تر خواهد شد. از سوي دیگر ،براي برآورد q باید تفکیک فضایی (در اینجا تفکیک شعاعی) مورد نیازمان را مشخص کنیم (دقت کنیم که در برش نگاري زیر آب ،برخلاف برش نگاري تشخیصی پزشکی، فاصله هاي بررسی سامانه بسیار بزرگ و از رده ي ده ها یا حتی صدها کیلومتر است .
جریان هاي زیر آبی نیز بهطور معمول چندین کیلومتر پهنا دارند .
این جریان ها ممکن است کیلومترها در زیر آب جریان یابند، آن گاه پهنا، سرعت، یا جهت شان تغییر کند) .در این برنامه، به دلایل محاسبه اي، شمار فاصله هاي شعاعی 81 در نظر گرفته شده است (که براي میدان دید 100 کیلومتر، تفکیک فضایی 1.125 کیلومتر را فراهم می سازد). در این صورت شمار فاصله هاي زاویه اي بهینه ي Nφ این گونه برآورد می شود:

812q1q~ N 126 (3)

2-4- الگوریتم بازسازي
برنامه ي بازسازي از داده هاي ثبت شده، یعنی زمان هاي پیمایش پرتو از چشمه تا گیرنده در هر یک از راستاهاي اندازه گیري شده ،استفاده می کند و با پردازش داده ها تصویر برش مورد نظر را بر صفحه ي رایانه نشان می دهد. در بازسازي تصویر، درصورتی که از الگوریتم هاي تحلیلی نظیر الگوریتم هاي پس افکنش استفاده شود ،لازم است که داده هاي اندازه گیري (افکنش ها یا پرتونگاشت ها) پالایش یابد. علت آن است که عمل پس افکنش به لحاظ ریاضی موجب پیچش تابع پرتونگاشت با تابع پخش نقطه اي سیستم می شود [7]. این پیچش در عمل موجب مات شدن تصویر بازسازي شده می شود. پالایه ي بازسازي به لحاظ ریاضی تابعی است که خود با تابع پس افکنش پیچش می یابد تا شکل درست تصویر (بدون مات شدگی) فراهم آید. پالایش را می توان به دلخواه قبل و یا بعد از عمل پس افکنش انجام داد. در این برنامه پالایش در گام اول و آن هم در فضاي فرکانسی انجام می شود؛ پالایه در فضاي فرکانسی شکل ساده ي تابع شیب را دارد، ضمن آن که، به لحاظ محاسبه اي، با تبدیل هاي سریع فوریه1 رفت و برگشت میان دو فضاي فرکانسی و فضاي مختصاتی به سرعت صورت می گیرد (البته مسائل وابسته به الحاق صفرها و رساندن شمار نمونه هاي شعاعی به عدد مناسب براي اجراي الگوریتم سریع فوریه، و نیز بهره گیري از یک تابع پنجره ي مناسب براي کاستن اثر نوفه در فرکانس هاي بالا ،را باید در نظر گرفت) [8].
گام بعدي در الگوریتم بازسازي، پس افکنش است؛ یک نقطه ي (x,y) در میدان دید برش نگاشتی ممکن است در چندین پرتونگاشت مختلف ثبت شده باشد. هرگاه همه ي پرتونگاشت هایی را که از این نقطه می گذرند با هم جمع کنیم، جمع به دست آمده بیان گر ویژگی آن نقطه است( در این بحث منظور از ویژگی نقطه آن است که آیا از آن جریانی می گذرد یا نه). این کار همان پس افکنش نام دارد. چون در این برنامه پالایش پیش از پس افکنش انجام می شود، در این گام کافی است که بر روي پرتونگاشت هاي (افکنش هاي) پالایش شده ي τ P در همه ي زاویه هاي سمتی انتگرال بگیریم تا تصویر بازسازي شده ي f R به دست آید:

f R(x, y) 0P(s,)d (4)

براي اجراي گسسته ي انتگرال بالا، ابتدا باید به ازاي هرنقطه ي(x,y) از فضاي مختصاتی، مقدار s براي هر جهت (زاویه ي) φ از معادله ي 2 برآورد شود، آن گاه بر روي آرایه ي پرتونگاشت در راستايs درونیابی صورت گیرد، زیرا یک مقدار خاص s که از معادله ي 2 برآورد می شود، در حالت کلی با نمونه ي گسسته ي آن در آرایه ي پرتونگاشت برابر نیست .روش درون یابی برنامه به این صورت است که مقدار پرتونگاشت با توجه به فاصله ي s از دو نقطه ي متوالی sj و 1sj+ تخمین زده می شود:

(s j1 s}j(ss j}j1
262577102662


ss
سپس این مقدار به عضو متناظر آن در آرایه ي تصویر افزوده می گردد.
در صورتی که دریا در عمق مورد نظر همگن باشد، به بیان دیگر، هیچ جریان زیرسطحی در آن عمق موجود نباشد، تصویر به نمایش درآمده یکدست است (به طور معمول، رنگ خاکستري) و هیچ فراز و نشیبی در آن دیده نمی شود. اما در صورت وجود جریان، چگالی آب در آن ناحیه تغییر می کند و همین موضوع بر زمان پیمایش صوت اثر می گذارد (صوت در جهت جریان تندتر حرکت می کند) [2]. بدین گونه تصویر برش نگاشتی از سه رنگ سیاه و خاکستري و سپید ساخته می شود. با این انتخاب قراردادي، رنگ خاکستري تصویر (زمینه ي تصویر) نشانه ي نبود جریان، و رنگ سیاه یا سپید نشانه ي وجود جریان در آن ناحیه ي خاص است. البته وجود دو جریان سیاه و سپید در زمینه ي خاکستري بیان گر ناهمسو بودن این دو جریان است. ضمن آن که سیاهی یا سپیدي بیش تر بیان گر شدت جریان بیش تر است ( میتوان تصاویر را کدبندي رنگی کرد و جریان ها را با هر رنگ دلخواه نیز نمایش داد) .

2-5- دا دهسازي و آزمون برنامه
در دادهسازي کامپیوتري، می توانیم پرتونگاشت ها را به روش ریاضی، و با دقت دلخواه، بسازیم. براي این کار ابتدا فرض می کنیم که جریان شکل یک بیضی به معادلهي زیر را دارد:

x2 /a2  y2 /b2 1

حال اگر شدت جریان را در راستاي یک قطر بیضی ثابت و برابر 0v بگیریم، می توان نشان داد که پرتونگاشت sφ(u) در یک زاویه ي خاص φ از معادلهي زیر بهدست می آید [7].

627004-18013


m
m
v
u
u
u
ab
0
2
0
2
2
2



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید