Услышав свет: DAS может произвести революцию в подводной сфере

Дэвид Р. Страчан — оборонный аналитик и основатель Strikepod Systems…

26 января 2023 г.

Авторские права bluebay2014/AdobeStock

Летом 2020 года группа морских ученых Норвежского университета науки и технологий (NTNU), базирующаяся на архипелаге Шпицберген, успешно обнаружила звуки усатых китов, резвящихся в Северном Ледовитом океане и Северном море, на расстоянии примерно 70-90 километров. На первый взгляд это может показаться ничем не примечательным, учитывая, что исследователи регулярно наблюдают за поведением китов, а уже давно известно, что китовая песня преодолевает большие расстояния. Но что сделало этот конкретный набор наблюдений особенным, так это выбор датчика. Это был не гидрофон, надежный инструмент морской биоакустики. Вместо этого это были импульсы света, передаваемые по 120-километровому подводному оптоволоконному кабелю, проложенному между городами Лонгйирбюен и Ню-Олесунн.

Ученые NTNU использовали относительно новую и инновационную технологию, известную как распределенное акустическое зондирование (DAS), которая использует оптоволокно для обнаружения волн давления, исходящих от акустической или сейсмической активности. С помощью специального устройства, известного как запросчик, световые импульсы посылаются по длине неиспользуемого «темного» волокна через известные интервалы. Когда свет сталкивается с крошечными дефектами внутри волокна, часть его отражается обратно к опросчику (феномен, известный как обратное рэлеевское рассеяние). Поскольку волны давления акустической эмиссии создают «нанодеформации» волокна, это вызывает флуктуации отраженного света. Эти колебания затем можно проанализировать и с помощью усовершенствованной обработки сигналов преобразовать в уникальную акустическую сигнатуру, что приведет не только к обнаружению, но и к идентификации и даже локализации источника. Когда DAS используется в морской среде, дефекты вдоль волокна действуют как крошечные гидрофоны, превращая отрезок оптоволоконного кабеля в матрицу датчиков с большой апертурой. А поскольку акустические волны могут проникать через морское дно, для эффективной работы чувствительным волокнам не обязательно полностью подвергаться воздействию толщи воды. Некоторые сегменты кабеля, использованного в проекте NTNU, были погребены под слоем отложений от одного до двух метров.

Учитывая, что по всему земному шару протянуты подводные кабели длиной 785 000 миль (1,2 миллиона километров), DAS представляет собой значительный прорыв в наблюдении за океаном. Вместо того, чтобы полагаться на дискретные акустические и сейсмические датчики, разбросанные по морскому дну, темные волокна, размещенные в подводных кабелях где угодно, теперь могут быть перепрофилированы в многокилометровые сенсорные массивы, оснащенные эквивалентом тысяч гидрофонов, способных обнаруживать как биологические, так и антропогенные шумы. В дополнение к вокализации китов, DAS успешно обнаруживает надводные корабли, землетрясения, поверхностные волны и отдаленные океанские штормы и может даже действовать как всемирная система предупреждения о цунами. Учитывая ее способность обеспечивать обширную, постоянную сенсорную сеть, которая уже размещена На просторах Мирового океана существует значительный потенциал DAS в операциях подводной обороны – в частности, за счет обеспечения дополнительного уровня наблюдения, отслеживания как надводных, так и подземных целей. DAS может обнаруживать и отслеживать надводные военные корабли, дополняя разведданные, собранные с других платформ ISR, таких как спутники и самолеты. Помимо обнаружения судов в пути, DAS может также обнаруживать звуки систем динамического позиционирования, указывая на то, что операции на морском дне продолжаются.

Изображение предоставлено исследовательской статьей «Подслушивание со скоростью света: распределенное акустическое зондирование усатых китов в Арктике», доступной по адресу https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54.

Под поверхностью есть возможности для подводной войны. На данный момент DAS оптимизирован для обнаружения низкочастотных излучений (даже в миллигерцовом диапазоне), и хотя современные подводные лодки действительно излучают в низкочастотном диапазоне, эти излучения также имеют низкую интенсивность – согласно открытым источникам, несекретным оценкам, где-то между 95 и 110 децибел, что лишь немного выше окружающего шума океана (около 90 децибел). Учитывая, что децибел является логарифмической мерой (т.е. каждое увеличение на 10 децибел представляет собой десятикратное увеличение акустической мощности, на 20 децибел - в 100 раз, на 30 децибел - в 1000 раз), по сравнению со стонами североатлантического синего кита, которые могут превышать 180 раз. децибел, пилотируемые подводные лодки генерируют гораздо меньшую акустическую мощность.