Classification of acoustically stable areas using empirical orthogonal functions - examination of stability methods

Abstract

Overview and control of the oceanographic and acoustic variations are very important in underwater warfare. We have developed a method for dividing an area into smaller subareas that can be represented by a single vertical sound speed profile. This is useful in an operational context since it can be used during sonar operations to determine how often, geographically and temporally, the sound speed should be measured, but also during rapid environmental assessment (REA) missions where it can be used to determine the distribution of REA assets. It can also be used tactically by submarines to find areas with variable oceanography where they are harder to detect. The method is based on a forcast from an ocean model containing salinity and temperature gridded in space and time. The proposed procedure divides an area into smaller acoustically stable subareas. Acoustically stable areas are defined as areas where the majority of sound speed profiles from the area result in approximately the same modeled sonar performance. The procedure employs empirical orthogonal functions to characterize groups of sound speed profiles. The sound speed profiles are then grouped according to these characteristics using a cost function. Two methods using different cost functions are introduced. The first method is based on acoustic modeling using the acoustic raytracer Lybin, while the second method examines the sound speed variance directly. The first method is more accurate but has a higher computational cost than the second methode. We regard the first method as the benchmark. The main goal of this study is to determine if the second method may be used without significant loss of accuracy. The methods were applied on three different data sets from an ocean model that covers the area outside Bergen. The data sets were provided by the Norwegian Meteorological Office. The largest data set contains 66 successive weeks of data. Our main find was that the second method is not sufficiently accurate for summer conditions. Acceptable results were observed for the remainder of the year, but data sets from other times and/or places should be investigated before any conclusion regarding the second methods validity for non-summer seasons may be drawn. We therefore recommend using the first method. It may be slower, but for most applications accuracy should be prioritized. A suggestion for further work and a possible improvement of the faster second method is to use the variance of the vertical sound speed gradient instead of the variance of the sound speed. The sound speed gradient has more influence on acoustic propagation than the value of the sound speed.

Oversikt og kontroll over oseanografiske og akustiske variasjoner er svært viktig i undervannskrigføring. Vi har utviklet en metode for å dele et havområde opp i mindre underområder hvor disse underområdene kan representeres med én vertikal lydhastighetsprofil. Dette er svært nyttig i undervannsoperasjoner hvor det kan brukes til å avgjøre hvor ofte, både geografisk og i tid man bør gjøre lydhastighetsmålinger, eller det kan brukes taktisk av ubåter til å plassere seg i områder med varierende oseanografi. Også for Rapid Environmental Assesment- (REA) operasjoner vil dette være nyttig da det kan brukes til å bestemme hvor man bør ha fokus på datainnsamlingen. Utgangspunktet for metoden er varsel fra en havmodell som inneholder salt og temperatur griddet i rom og tid. Målet er at metoden kan anvendes i et varslingsprodukt. Prosedyren som presenteres deler et område i mindre, akustisk stabile underområder. Akustisk stabile områder er definert som områder der majoriteten av lydhastighetsprofilene i området gir omtrent samme modellerte sonarytelse. Prosedyren bruker empirisk ortogonale funksjoner for å gruppere lydhastighetsprofilene og en kostfunksjon brukes til å avgjøre om gruppen med lydhastighetsprofiler er stabil eller ikke. To metoder som bruker ulike kostfunksjoner er testet. Den første metoden er basert på akustisk modellering ved hjelp av strålegangsmodellen Lybin, mens den andre metoden bruker variansen til lydhastighetsprofilene. Den første metoden er mer nøyaktig, men mye mer beregningskrevende enn den andre metoden. Den første metoden anses som referansemetode. Hovedmålet med arbeidet er å dokumentere om den andre metoden kan brukes uten at det går på bekostning av nøyaktigheten. Metodene ble anvendt på tre ulike datasett fra en havmodell som dekker området utenfor Bergen. Det største datasettet inkluderer 66 suksessive uker med data. Dataene ble levert av Meteorologisk institutt (met.no). Det viktigste funnet var at den andre metoden ikke var tilstrekkelig god nok i sommerperioden. Metoden ga tilfredsstillende resultater resten av året, men den må anvendes på datasett fra flere år før vi med sikkerhet kan si at den andre metoden er gyldig tre fjerdedeler av året. Derfor anbefaler vi å bruke den første metoden basert på akustisk modellering. Den er tregere, men for de fleste tilfeller bør nøyaktighet prioriteres. Et forslag til videre arbeid og forbedring av den raskere andre metoden er å bruke variansen til lydhastighetsgradienten istedenfor variansen til lydhastigheten. Lydhastighetsgradienten har større påvirkning på akustikken enn absoluttverdien til lydhastigheten.