Выделение малого акустического сигнала при интенсивных помехах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Электронный журнал «Техническая акустика» http://www .ejta.org

2006, 2

Б. А. Воронков

e-mail: boris-gradient@mail.ru

Выделение малого акустического сигнала при интенсивных помехах

Получена 02.08.2005, опубликована 14.01.2006

В статье представлены материалы разработки оптического фазового датчика для акустических измерений. Использование датчика позволяет обеспечить: 1. Прием инфразвуковых сигналов; 2. Компенсацию

динамических шумов; 3. Определение направления прихода сигнала.

Фазовый градиентный датчик давления перспективен для решения актуальных задач в различных областях науки и техники для измерения навигационной и технической информации.

ВВЕДЕНИЕ

Измерение амплитудно-частотных и пространственных характеристик источников сигналов является классической задачей гидроакустики. Измерения обычно проводятся в условиях интенсивных помех. Выделение полезного сигнала в этих условиях является актуальной задачей измерительной техники.

Интенсивность динамических шумов при гидроакустических измерениях выше уровня полезного сигнала на 5-8 порядков. Порог чувствительности гидрофона составляет 0,001 Па, а уровень атмосферного давления 100000 Па. Таким образом, полезный сигнал более чем в миллион раз меньше исходного давления!

Наиболее информативной для гидроакустики является инфразвуковая область сигнала. Необходимость работы в области инфразвука определяется задачами дальнего приема сигналов. Инфразвуковые составляющие спектра сигнала характеризуются большой интенсивностью и малым затуханием. К инфразвуковой области сигнала прилегает область интенсивных динамических шумов различной природы. Обилие мощных инфразвуковых источников помех маскирует полезный сигнал, приводит к искажениям и потерям информации.

Обеспечение качества преобразования гидроакустических сигналов приводит к необходимости отделения малого полезного сигнала от интенсивной помехи.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Известный амплитудный способ измерения в гидроакустике характеризуется низкой эффективностью преобразования инфразвуковых сигналов и зависимостью от модулирующего воздействия помех. Попытки повысить эффективность преобразования сигнала приводили к усилению влияния динамических шумов.

Практической возможности для отделения полезного сигнала от динамических шумов амплитудный метод преобразования не дает.

Перспективы преобразования гидроакустических сигналов были связаны с использованием градиентного приема [1-5]. Интерес к использованию градиентных датчиков определяется возможностью:

1. Применения одиночных приемников вместо протяженных антенных систем;

2. Компенсации синфазных воздействий;

3. Снижения частоты приема;

4. Определения направления и знака прихода сигнала.

Работы в этой области известны с 1946 г. Теоретические выкладки обосновывают целесообразность использования градиентного приема для преобразования акустической информации [6]. Для практических применений использовались амплитудные элементы в дифференциальном включении. Градиентные приемники подобной конструкции имеют низкое значение компенсации синфазных воздействий. Низкое качество преобразования в этом случае определяется свойствами амплитудного преобразования и низким уровнем технологии производства чувствительных элементов.

С 1977 г. известны разработки волоконно-оптических фазовых датчиков для преобразования гидроакустических сигналов [7]. Разработки характеризуются высокой чувствительностью, в частности к инфразвуковым воздействиям, и высоким уровнем собственных фазовых шумов. Попытки устранения собственных шумов оказались не эффективными. В настоящее время разработка волоконно-оптических датчиков не привлекает активного внимания специалистов гидроакустики.

Таким образом, в гидроакустике существует конкуренция между абсолютным (амплитудным) и относительным (дифференциальным) способом преобразования.

При использовании абсолютного способа преобразования имеются существенные ограничения по качеству преобразования информации.

Относительный характер гидроакустической информации определяет необходимость использования дифференциального способа преобразования сигналов.

К рассмотрению предлагаются материалы разработки фазового датчика градиента давления. Обеспечение компенсационных свойств при фазовом преобразовании выделено приоритетным направлением работ.

2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

Источник сигнала создает градиент давления, относительно исходного статического и динамического давления. Градиент давления содержит основную информацию, определяющую амплитудно-частотные и пространственные характеристики источника сигналов. Полезный сигнал в гидроакустике обычно находится в диапазоне частот 1010000 Гц при амплитудах воздействий 0,001-10 Па.

Распространение звука от источника проходит в сопровождении интенсивных динамических шумов различного происхождения. Эти шумы определяются: изменениями атмосферного и гидростатического давления, шумами сопровождения, естественными шумами моря, работой машин и механизмов, сейсмическим фоном, турбулентными шумами и прочее (рис. 1).

Для выделения полезного сигнала необходимо обеспечить компенсацию динамических шумов в диапазоне частот от статических воздействий до нижней частоты приема. При статическом давлении Р = 100000 Па величина компенсации квазистатических шумов (коэффициента ослабления синфазных воздействий — КОСВ) в среднем должна составлять 120 дБ.

РсШ+ отн. г.Ю^Па/Гц**5

100 -

30 -

40 -

60 -

20-

►

Рис. 1. Спектрально-энергетические характеристики шумовых полей (по книге Векторно-фазовые методы в акустике под ред. В. И. Ильичева)

1, 3 - максимальный и минимальный уровень динамических шумов 2 - спектр шумов судоходных трасс

Основой для градиентного приёма акустического сигнала являются два чувствительных элемента, разнесённых в пространстве на малое, по сравнению с длиной волны, расстояние. При этом появляется возможность для выделения и преобразования разностной составляющей сигнала. Синфазные составляющие компенсируются, при этом повышается точность измерения.

Предлагается использовать базу измерения для выделения относительной фазовой составляющей сигнала. Для сигналов с большим периодом колебаний фазовая составляющая мала, следовательно, мала амплитуда преобразованного сигнала. Амплитуда преобразования максимальна, когда база измерения соответствует половине периода колебаний. Таким образом, появляется возможность для реализации частотнозависимого преобразования, определяемого базой измерения. Это свойство позволяет обеспечить компенсацию шумов. При базе измерения 0,4 м компенсация на частоте 1 Гц составляет 60 дБ (см. рис 2).

Рис. 2. АЧХ фазового компенсационного преобразования 1 - Динамические шумы, 2, 3, 4 - Компенсационные кривые (расчётные данные)

Фазовый метод позволяет определить направление и знак прихода сигнала. Одновременный приход сигнала в две области измерения определяет направление на источник (нуль приема). Задержка фазы прихода определяет отрицательное значение, а набег фазы плюсовое значение сигнала.

3. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО МЕТОДА

Качество дифференциального преобразования определяется идентичностью двух чувствительных элементов. Для получения порога чувствительности 1 Па необходимо обеспечить компенсацию исходных условий измерения в 100000 раз. (1 Па = 1/100000 атм.). Требования по обеспечению идентичности элементов составляют 1/100000. Столь высоким требованиям отвечает классическое оптическое производство. Чистота оптических материалов составляет 1/1000000, а точность производства —

0,3 мкм.

Разрешение фазового метода на два порядка выше способности амплитудного метода. Практическое значение динамического диапазона может составлять 120 дБ, естественно, относительно давления окружающей среды.

Эти позиции определяют необходимость использования оптического фазового метода для компенсации интенсивных шумов и измерения акустических параметров сигнала. Возможность для этого предоставляет оптическая промышленность, располагающая непревзойденно высокими качествами чистоты, стабильности и точности обработки материала, что в сочетании с высокой разрешающей способностью оптического (фазового) метода измерения позволяет видеть перспективы решения проблем акустических измерений.

4. ПРИНЦИП ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Оптическое фазовое преобразование относится к уравновешивающему, компенсирующему способу преобразования. Степень компенсации синфазных воздействий определяет основные характеристики преобразования: порог

чувствительности, динамический диапазон, уровень собственных шумов, направленность приема, погрешность измерения.

При использовании фазового способа преобразования проводится регистрация фазы оптического излучения, проходящего по двум рабочим каналам (см. рис. 3). Регистрация осуществляется оптоэлектронным преобразователем с последующим усилением сигнала. Синфазное воздействие на оба канала определяет равновесное состояние выходного сигнала. Воздействие градиента давления приводит к модуляции фазы и к пропорциональному отклику на выходе. Изменение направления воздействия приводит к изменению знака сигнала на выходе.

Рис. 3. Схема оптического фазового преобразователя

5. РЕЗУЛЬТАТ РАЗРАБОТОК

В результате разработок определено и оптимизировано техническое решение фазового градиентного датчика, исключены основные источники собственных погрешностей преобразования, выбрана доступная технологическая и конструктивная база, отработаны вопросы сборки и настройки.

Испытания работоспособности макета датчика позволили определить назначение и характеристики датчика.

6. НАЗНАЧЕНИЕ ДАТЧИКА

Основное назначение: измерение градиента акустического давления, использование в составе приемников акустического давления.

Дополнительное назначение: измерение эксплуатационных, технологических и навигационных параметров, установка и автоматическое поддержание параметров в заданном режиме, диагностика состояния корпуса, установок, машин и механизмов.

7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАЗОВОГО ГРАДИЕНТНОГО ДАТЧИКА.

1. Порог чувствительности......................... менее 1,0 Па

2. Динамический диапазон.......................... более 80 дБ

3. Частотный диапазон............................. 0,1 - 10 000 Гц

4. Компенсация синфазных воздействий.............. более 40 дБ

Внешний вид датчика представлен на рис. 4.

- Габариты датчика: диаметр - 75 мм, высота - 35 мм.

- Потребляемая мощность в автономном режиме менее 3 Вт.

- Демаскирующие поля отсутствуют.

- Исполнение герметичное.

Техническое решение фазового градиентного датчика имеет ряд отличий, позволяющих обеспечить эффективное преобразование гидроакустических сигналов. Перспективы дальнейших разработок состоят в достижении:

1. Порога чувствительности менее 0,1 Па;

2. Динамического диапазона более100 дБ;

3. Степени компенсации синфазных воздействий более 60 дБ.

Рис. 4. Фотографии датчика

8. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗРАБОТОК

Степень компенсации синфазных воздействий является приоритетным качеством фазового градиентного датчика. В ходе проводимых разработок удалось повысить это качество с 20 дБ до значения более 40 дБ на частоте порядка 2 кГц.

Амплитудно-частотная характеристика преобразования отражает естественное распределение спектра сигналов. Частотный диапазон фазового градиентного датчика не имеет ограничений по низшей частоте приема. Эти ограничения вводятся измерительной базой.

При фазовом преобразовании известен верхний предел измерений — длина волны источника оптического излучения. Нижний предел — собственные фазовые шумы преобразователя. При условии компенсации собственных фазовых шумов динамический диапазон может достигать 140 дБ. Порог чувствительности при этом в абсолютных единицах может составлять 0,01 ангстрема. Динамический диапазон макета датчика составляет более 80 дБ относительно 1 атм. на частотах 25-2500 Гц

Длина волны является естественной мерой для определения характеристик фазовых преобразователей. При использовании фазового преобразования отпадают проблемы калибровки, градуировки с использованием прецизионных средств измерения.

По ряду параметров: подавлению синфазных воздействий и эффективности

преобразования в инфразвуковой области — фазовый градиентный датчик имеет существенные преимущество по отношения к известным амплитудным датчикам.

Выходной сигнал — токовый, близок к режиму короткого замыкания, что определяет высокую помехоустойчивость.

Повышение эффективности акустических систем различного назначения связано с улучшением отношения сигнал/помеха. Исключение помех из процесса преобразования информации является одним из основных условий повышения эффективности акустических систем.

Квазистатические и динамические воздействия на частотах ниже 1 Гц оказывают мощное модулирующее действие на чувствительные элементы. Возникает необходимость частотного разделения полезного сигнала и динамических шумов. Для исключения помех при использовании фазового метода преобразования принципиальное значение имеет использование известной базы измерения.

Инструментальные погрешности определяются используемой оптической схемой, идентичностью чувствительных элементов, наличием невзаимных элементов, используемой технологией сборки и настройки. Проработка этих вопросов позволила определить техническое решение, выбрать технологическую и конструктивную базу, отработать вопросы сборки и настройки, обеспечить существенную компенсацию инструментальной погрешности.

9. ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

Реальные динамические процессы проходят в условиях воздействия статического давления. Градиент давления является функцией и характеристикой процессов. Отсутствие достоверной информации о характеристиках процессов может приводить к неконтролируемому развитию критических ситуаций. Для ряда областей науки и техники измерение градиента давления имеет большое значение. Использование оптического (фазового) способа измерения позволяет обеспечить решение ряда актуальных технических задач.

Одной из таких задач является преобразование гидроакустических сигналов. Использование фазового градиентного датчика позволяет обеспечить:

1. Эффективное преобразование в инфразвуковой области воздействий;

2. Компенсацию динамических шумов;

3. Определение направления прихода сигнала;

4. Увеличение динамического диапазона.

Дальнейшие разработки определяются возможностью достижения предельно высоких значений динамического диапазона и компенсации динамических шумов. Основные перспективы применения фазового градиентного датчика заключаются в использовании в составе фазового акустического преобразователя.

Использование фазового датчика перспективно для решения задач сейсмической акустики. Актуальность применений в этих случаях также определяется возможностью приема инфразвука.

Отдельно могут стоять вопросы разработок и применений фазового градиентного датчика для измерения деформаций и напряженного состояния в результате статических и динамических воздействий. Для этих применений также характерно измерение относительных параметров процессов. При этом существенное значение может играть определение векторных составляющих сигнала.

Применение фазового датчика целесообразно на объектах промышленного и гражданского строительства, в угольной промышленности, в ядерной и электроэнергетике, в нефтегазовой промышленности, в машиностроении для измерения вибраций, напряженности ответственных элементов конструкций.

В судостроении возможно измерение эксплуатационных параметров (давления, скорости, расхода, напряженного состояния корпуса, вибраций) и навигационных параметров (осадка, скорость, снос, крен, дифферент).

В авиации возможно измерение горизонтальной и вертикальной скорости, крена, тангажа, подъемной силы, тяги двигателя, расхода, высоты, вибраций, напряженного состояния корпуса, деформаций ответственных узлов и агрегатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получение достоверной информации в различных областях науки и техники требует использования датчиков со стабильными свойствами. Этому условию потенциально отвечают оптические фазовые датчики. Разработка датчика затрагивает фундаментальные вопросы когерентной оптики, физики твердого тела, акустики и оптоэлектроники. Относительный (фазовый) способ измерения характеризуется эффективностью преобразования в инфразвуковой области спектра воздействий, подавлением нерабочих воздействий, направленностью (градиентом) приема.

Фазовый способ преобразования имеет следующие возможности: измерение в абсолютных и относительных единицах, обеспечение режима уравновешивающего преобразования, управления амплитудно-частотными характеристиками, использования для спектрального анализа. Датчик может быть использован для измерения давления, скорости, расхода, напряжения, деформаций. Это открывает возможности измерения навигационной и технической информации. Разработка относительного (фазового) метода преобразования целесообразна для различных областей науки и техники. В науке это геофизика, метеорология, сейсмология, океанография. В промышленности это авиация, космонавтика, морской флот. Разработка способа относится к наукоемкому производству и требует использования конструкционных материалов со стабильными свойствами, разработки и применения способов и приемов высоких технологий. Современный уровень техники и технологий дает возможность решения вопроса относительных измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л. Д. Гик. Измерение вибраций. Новосибирск, «Наука», 1972.

2. А. Лакомб. Физическая океанография. Москва, «Мир», 1974.

3. Автоматизация производства и промышленная электроника в 4-х т. Под ред. А. И. Берга, В. А. Трапезников. Москва, «Советская энциклопедия», 1962.

4. Р. Г. Джагупов, А. А. Ерофеев. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. Ленинград, «Машиностроение», 1986.

5. А. М. Туричин. Электрические измерения неэлектрических величин. Москва, «Энергия», 1966.

6. Векторно-фазовые методы в акустике. Под ред. В. И. Ильичева. Москва, «Наука» 1989.

7. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. Бутусова «Машиностроение» Ленинград 1987.