Нелинейные доплеровские системы для исследования тонкой структуры поля скорости течений Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

УДК 534.222.2

НЕЛИНЕЙНЫЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ

© 2009 г. В.Ю. Волощенко

Технологический институт Южного федерального университета, Некрасовский, 44, г. Таганрог, ГСП-17А, 347928, egamt@fep.tsure.ru, ega@tsure.ru

Technological Institute of Southern Federal University, Nekrasovskiy, 44, Taganrog, GSP-17A, 347928, egamt@fep.tsure.ru, ega@tsure.ru

Рассмотрена возможность разработки доплеровского измерителя скорости течений с параметрическим излучающим трактом, формирующим в водной среде узкие пучки низко- и высокочастотных акустических сигналов, один из которых (НЧ) используется для измерения абсолютной скорости судна с использованием сигналов донной реверберации, а другой (ВЧ) — для измерения относительной скорости по сигналам объемной реверберации.

Ключевые слова: излучающая параметрическая антенна, абсолютная и относительная скорости судна.

The design ofDoppler water flow velocity meter with the parametric transmitting array, which radiates narrow acoustic beams at difference and sum frequencies, second harmonics of pump waves is considered. Determination of the true velocity of motion for marine vehicles relative to the water mass (high frequencies) and to the sea bottom (low frequency) is demonstrated.

Keywords: parametric transmitting array, the velocity of motion for marine vehicles.

Доплеровский метод находит широкое применение при исследовании пространственно -временных характеристик поля скорости течений в морских условиях с помощью неконтактных измерителей, позволяющих получать данные о вертикальном распределении скорости течения практически в реальном масштабе времени на ходу судна-носителя данной аппаратуры. Моностатический доплеровский измеритель скорости течений представляет собой сочетание низко- (НЧ) и высокочастотного (ВЧ) структурно идентичных допле-ровских трактов, один из которых (НЧ) работает в режиме измерения абсолютной скорости судна с использованием сигналов донной реверберации, а другой (ВЧ) - в режиме измерения относительной скорости по сигналам объемной реверберации [1], т.е. при реализации доплеровского метода используется энергия ультразвуковых волн, рассеянных как дном (НЧ), так и неод-нородностями облучаемого объема воды (ВЧ), частотные сдвиги которых относительно частот излученных волн позволяют определить как абсолютную (относительно дна), так и относительную (относительно определенного слоя воды) скорости перемещения судна-носителя. Разность этих скоростей дает скорость переноса неоднородностей течением, причем для пространственного разрешения отдельных слоев водной среды во втором (ВЧ) тракте осуществляют сканирование приемного строба по дальности (глубине), что позволяет получить вертикальный профиль течения в определенном диапазоне глубин.

Известны основные ограничения, свойственные обоим трактам доплеровского измерителя скорости течений, обусловленные угловым распределением амплитуд звукового давления рабочих сигналов в

ультразвуковых полях, сформированных интерференционными антеннами устройства [1]:

1) в неоднородном поле течений измеренный радиальный компонент скорости, соответствующий акустической оси антенны, будет отличаться от скорости по другим направлениям;

2) интерференционная поршневая приемно-излу-чающая антенна доплеровского измерителя скорости формирует ультразвуковое поле, обладающее значительным уровнем бокового излучения, в результате чего озвучиваемый объем водной среды увеличивается с расстоянием, и информативный сигнал объемной реверберации для любой дальности создается не только рассеивателями, охваченными основным лепестком характеристики направленности, но и теми, которые попадают в водные объемы, озвучиваемые ее дополнительными максимумами.

В результате воздействия указанных причин энергия рассеянных волн распределяется в пределах некоторого спектра доплеровских частот даже при излучении гармонических зондирующих сигналов с частотами /И (ННЧ /И (ВВЧ, причем полезную информацию наряду с уже отмеченным сдвигом средних частот спектров принятых сигналов (+ ч), ± /0(Вч)) несут и

величины расширения спектров (А/в п|||1[, Д/„ (ввч).

Отрицательное воздействие бокового поля может быть уменьшено при использовании в доплеровских измерителях абсолютной скорости движения судов параметрических антенн (ПА), позволяющих формировать в нелинейной водной среде узконаправленный пучок ультразвуковых волн разностной частоты

(ВРЧ) F — /2 - fi, ширина по уровню половинной мощности которых практически постоянна в широкой частотной полосе при относительно малых размерах электроакустического преобразователя, излучающего мощные сигналы накачки с частотами fj, f2 в пределах его полосы пропускания [2]. Однако в процессе изучения свойств ПА был установлен существенный недостаток - малость коэффициента преобразования мощности накачки W(f) в мощность волны разностной частоты (ВРЧ) W^pj: К = И}/.') /"(/) , величина которого в соответствии с теоремой Мэнли-Роу [2] не может превышать величины (Ff о )2, где /о = С/1 + /2 )/2 - центральная частота накачки. Тем не менее имеются сообщения [3] о разработке и успешных испытаниях однолучевого макета доплеров-ского лага PADS (Parametric Array Doppler Sonar), размещаемого на стабилизированном в плоскости горизонта буксируемом теле и рассчитанного на работу по сигналам донной реверберации при глубинах моря под килем до 3 000 м. Наклон акустического луча относительно горизонтальной плоскости составляет 60 , центральная частота накачки /0 = 200 кГц, ширина характеристики направленности по уровню 0,7 составляет é?0,7 (/0) = 3 при уровне бокового поля

(- 14 дБ) и излучаемой акустической мощности до 200 Вт по каждой из исходных волн, сигнал разностной частоты F = 12 кГц при ширине основного максимума излучения по уровню 0,7 7(F) = 3,7 при

отсутствии бокового поля. Диаметр каждого из четырех электроакустических преобразователей накачки антенного устройства типа «Янус» невелик (15 см), а диаметр электроакустического преобразователя для рупорной приемной антенны при заданных параметрах отношения сигнал/шум, дальности действия и десятикратном диапазоне изменения скорости судна должен составлять от 57,5 до 190 см, что обусловлено необходимостью осуществления направленного приема эхо-сигналов разностной частоты и потребовало продолжения исследований [4, 5]. Параметрическая антенна может быть выполнена в виде двухчастотной переменно-фазной решетки из пьезоэлементов небольших размеров, что позволит сформировать двухлучевую характеристику направленности типа «Янус» при снижении массогабаритных характеристик, автоматически компенсировать изменение скорости звука вблизи антенны и отказаться от обтекателя [3].

Между тем при работе ПА наряду с генерацией СРЧ в водной среде формируются ВЧ спектральные компоненты - сигнал суммарной частоты (ССЧ) f+= /2 + /1, вторые гармоники сигналов накачки 2fi, 2 f 2, акустические поля которых обладают следующими характеристиками [6]:

1) эффективность генерации компонент ВЧ излучения достаточно высока: на акустической оси для расстояний, составляющих всего полторы длины ближней зоны дифракции Френеля для преобразователя накачки, амплитуды звуковых давлений формирующихся акустических сигналов достигают макси-

мумов, составляющих до 20 % от уровней сигналов накачки, после которых закон убывания данных сигналов можно считать близким к сферическому;

2) угловые распределения амплитуд звукового давления акустических сигналов вторых гармоник определяются поперечными распределениями амплитуд сигналов накачки в акустическом пучке, возведенными во вторую степень, а для сигнала суммарной частоты - произведением угловых распределений амплитуд сигналов накачки, что позволяет на указанных выше расстояниях сформировать акустические пучки с ослабленным боковым полем и повышенной (в 1,5 -2 раза) остротой главных максимумов по сравнению с аналогичными характеристиками преобразователя накачки на исходных частотах и на СРЧ;

3) направленный прием эхо-сигналов ВЧ компонент спектра может быть осуществлен как с помощью исходного преобразователя накачки ПА, включенного через коммутатор приема-передачи, так и с помощью отдельного приемного малогабаритного преобразователя.

Генерируемые компоненты спектра ПА -/+ =/2 +/ъ 2/ь 2/2, 3/ь 3/2,......., при соответствующей обработке в ВЧ доплеровском тракте в режиме измерения относительной скорости судна по сигнала объемной реверберации [7, 8] могут обеспечить получение нового объема данных о тонкой структуре поля скорости течений в водной среде за счет увеличения как скоростной чувствительности приемного тракта, так и остроты главных максимумов при снижении уровня бокового излучения для акустических полей данных спектральных компонент.

При проектировании систем активной локации с предлагаемым режимом доплеровского измерения скорости течений необходимо оценить возможное информативное дополнительное уширение доплеров-ских спектров сигналов объемной реверберации на ВЧ компонентах /+ = /2 + /\. 2/ь 2/2 . Рассмотрение проведем для акустического сигнала второй гармоники с частотой 2/1 = й/Х(2 / \}, где с - скорость

звука в среде; /1(2/1)- длина волны акустического

сигнала. В предположении, что рассеиватели пассивно переносятся течением, механизм уширения спектра обусловлен следующими причинами [1]:

1) турбулентными пульсациями показателя преломления, происходящими в рассеивающем водном объеме со среднеквадратичной скоростью мтуу = (ОД — 0,3)х | \'туу где \>т - скорость турбулентных пульсаций показателя преломления в данном объеме. Уширение спектра для рабочего локационного сигнала второй гармоники 2/ в данном случае можно рассчитать

4/Ъ (г,2/1) = мг/Ц;2/1); (1)

2) конечностью размера озвучиваемого объема водной среды ГРЕВ(2П) = (я- • г2/4) х (0О

,7(2/1) / /2),

где г - расстояние до рассеивающего объема; ^о,7(2/1)_ острота направленного действия приемно-

излучающей антенной системы на частоте 2 ; ги -длительность излучаемого импульса. В данном случае

уширение спектра для рабочего локационного сигнала второй гармоники 2/[:

■■¿(2/1) — I УГУУ I Х(^-'(2/1)/Л;2/1)'г) '

где Ь(2f 1) - поперечный размер рассеивающего акустический сигнал с частотой 2^ водного объема;

3) пространственно-временной (х,() неоднородностью поля средней скорости течений оТЕЧ . Соответствующие величины уширений спектра для рабочего локационного сигнала второй гармоники 2^ можно оценить из соотношений:

А/,

L.

(2f 1)

ди~г

£>-Х-(2/1)

т

7Л

Л

'(2/1) до^

дх

Л,.

dt

(3)

где Т

4/"D-i-(2/l)

'•(2fl)

ИЗМ - время измерений.

Как следует из представленных соотношений (1) -(3), составляющие, определяющие результирующее уширение доплеровского спектра для ВЧ компонент спектра излучения ПА, имеют достаточно большую величину в сравнении с аналогичными величинам в НЧ тракте. Это обеспечит увеличение информативности доплеровской системы для исследования тонкой структуры поля скорости течений при ближнем подводном наблюдении, так как позволит не только уточнить данные о параметрах движения судна, но и с

разной степенью точности оценивать мелкомасштабные вариации скорости как на турбулентных, так и на биологических структурах внутри измерительного рассевающего объема водной среды.

Литература

1. Гидроакустическая техника исследования и освоения

океана / А.В. Богородский [и др.]. Л., 1984. 264 с.

2. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроаку-

стические параметрические системы. Ростов н/Д, 2004. 400 с.

3. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги.

М., 1980. 176 с.

4. Пат. 4450542 США, МКИ HO4r 17/00. Multiple beam lens

transducer for sonar systems / Jacob A. Kritz (США); Sperry Corporation (США). №354973; Заявлено 5.03.1982; Опубл. 22.05. 1984; НКИ 367/150; 310/335. 5с. 1. Пат. 4296482 США, МКИ GO1s 15/60 Parametric array Doppler sonar apparatus / Jacob A. Kritz (США), Sperry Corporation (США). № 133158; Заявлено 24.03.80; Опубл. 20.10.81; НКИ 367/91; 367,92; 367/150. 9 с.

5. Волощенко В.Ю. Гидролокатор ближнего действия с из-

лучающей параметрической антенной. Таганрог, 1992. 25 с. Деп. в ВИНИТИ 23.06.92, № 2037. В92.

6. Пат. 75062 РФ 2008, МКИ G01S 15/00. Доплеровская

локационная система / В.Ю. Волощенко [и др.]. Опубл. 20.07.08. Бюл. № 20.

7. Многоуровневая импульсная доплеровская навигацион-

ная система / В.Ю. Волощенко [и др.]. Пол. реш. от 27.08.2008 по заявке № 20081207030/22(033070), приоритет от 02.07.2008.

Поступила в редакцию

23 декабря 2008 г.