Экспериментальные исследования обратного объемного рассеяния на моделях рассеивателей Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАТНОГО ОБЪЕМНОГО РАССЕЯНИЯ НА МОДЕЛЯХ РАССЕИВАТЕЛЕЙ

И. А. Кириченко, С. С. Коновалова

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Акустические волны в водах океана рассеиваются при встрече с дискретными препятствиями. Это разнообразные подводные неоднородности, объем каждой из которых четко очерчен, а на границах препятствия акустические свойства среды (упругость, плотность и т.д.) изменяются скачком. К основным дискретным неоднород-ностям вод океана относятся живые организмы и пузырьки воздуха, занесенные в воду поверхностным волнением и ветром.

Как пузырьки воздуха, так и живые организмы существенно неоднородно распределены по глубине океана. Пузырьки воздуха находятся непосредственно под поверхностью воды и образуют слой, толщиной 20 - 30 м. Поле, рассеянное слоем этих пузырьков, практически неотделимо от поля, рассеянного неровностями поверхности.

Основные эффекты подводного рассеяния живыми организмами связаны с так называемыми звукорассеивающими слоями - горизонтально протяженными биологическими скоплениями, залегающими, как правило, в пределах верхней тысячи метров водной толщи открытого океана. Характерной особенностью основных звукорас-сеивающих слоев являются их ежедневные вертикальные миграции. Звукорассеи-вающие слои являются основной причиной возникновения объемной реверберации, флуктуирующего воздуха толщи воды, в которой распространяется акустическая волна. Уровень реверберации будет тем выше, чем сильнее при прочих равных условиях рассеиваются в воде звуковые волны, чем большая доля рассеянной энергии распространяется в обратном, локационном направлении и в направлениях, близких к нему.

Экспериментальные исследования обратного объемного рассеяния волны разностной частоты на моделях неоднородностей тонкой структуры водной среды проводились в заглушенном гидроакустическом бассейне. В процессе подготовки к исследованиям при измерениях амплитудных характеристик поля звукового давления волны разностной частоты и обработке результатов экспериментов учитывались правила и методики, используемые в линейной акустике, радиоизмерениях и особенности измерения звукового давления волны разностной частоты.

Структурная схема измерительной установки показана на рис.1, где 1 - синхронизирующее устройство; 2 - приемо-усилительный тракт (канал 2); 3 - приемо-усилительный тракт (канал 1); 4 - осциллограф; 5 - двухканальный АЦП; 6 - формирователь сигналов накачки; 7 - усилитель мощности; 8 - самописец; 9 - ПЭВМ; 10 -поворотно-выдвижное устройство; 11 - преобразователь накачки; 12 - приемный преобразователь (канал 2); 13, 15 - координатные устройства; 14 - приемный преобразователь (канал 1); 16 - пелена воздушных пузырьков (модель 1); 17 - компрессор; 18 -гидроакустический бассейн; 19 - рассеивающий слой (модель 2).

Измерения рассеянных на физических моделях рассеивающих объемов в локационном режиме проводились в диапазоне значений волны разностной частоты от 5 до 30 кГц. Геометрия экспериментов показана на рис.2 и 3.

Пузырьковый слой формировался в гидроакустическим бассейне посредством воздушного компрессор и образовывал усеченный конус, диаметр основания которого на поверхности бассейна составлял примерно 0,5 м.

1 6

^ 3 е-

> 9

10

ГЕ

Л3

0-:

14

19

7

2

4

8

5

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки

0,4м И

гЛ.

'Ч

Ч

2,5м

4м

5

Рис. 2. Геометрия экспериментов по исследованию рассеяния волны разностной частоты на слое воздушных пузырьков: 1 - преобразователь накачки;

2 - приемный преобразователь (канал 2);

3 - приемный преобразователь (канал 1);

4 - пузырьковый слой; 5 - гидроакустический бассейн

Рис. 3. Геометрия экспериментов по исследованию рассеяния волны разностной частоты на физической модели рассеивающего объема: 1 - преобразователь накачки; 2 - приемный преобразователь (канал 2); 3 - приемный преобразователь (канал 1); 4 - модель рассеивающего объема; 5 - гидроакустический бассейн

Физическая модель рассеивающего объема представляла собой капроновую сеть с размером ячейки (2х2) см. Структуру слоя образовывали шесть слоев сетки, расположенные друг от друга на расстоянии порядка 10 см. Горизонтальный размер сетки составлял 1,5 м, вертикальный размер - 2,5 м. Вертикальные размеры обеих моделей рассеивающих объемов превышали размер пятна акустического пучка на уровне 0,7 более чем в 6 раз, а горизонтальные размеры - в 1,5 и 4 раза для пузырькового слоя и рассеивающего объема соответственно.

Волновые размеры исследуемых моделей в диапазоне частот от 5 до 30 кГц в продольном направлении на оси излучающей антенны составили ka = (10 - 60), а в вертикальной плоскости ka = (50 - 300). Такие значения волновых размеров позволяют исключить резонансные эффекты в исследуемых моделях объемных рассеивате-лей.

В экспериментах сигнал принимался от всего озвученного объема. Справедливость такого утверждения основывается на том, что характеристика направленности параметрической антенны постоянна во всем диапазоне частот, а ее значения на много меньше ширины характеристики направленности приемных преобразователей.

В процессе измерений поддерживался постоянный уровень амплитуды звукового давления исходных волн накачки, который контролировался измерительным высокочастотным гидрофоном, располагавшимся на расстоянии 1 м от поверхности преобразователя накачки на его акустической оси.

Экспериментальные измерения рассеяния сигналов волны разностной частоты на пузырьковом рассеивающем объеме предварялись исследованием вклада, вносимого в поле рассеяния трубкой, погруженной в гидроакустический бассейн. С этой целью проводились измерения сигналов трубкой, заполненной воздухом и водой. Результаты измерений показали, что уровни сигналов, рассеянных трубкой, заполненной воздухом, не менее чем на 18 дБ меньше уровня сигналов, рассеянных пузырьковым слоем, а для трубки, заполненной водой, уровень рассеянного сигнала меньше на 24 дБ.

Таким образом, в экспериментах долей сигналов, рассеянных непосредственно трубкой, можно пренебречь.

На рис. 4 представлены результаты исследования частотной зависимости амплитуды сигналов волны разностной частоты, рассеянных на пузырьковом слое, нормированные к максимальному уровню амплитуды звукового давления, где кривая 1 - сигнал, рассеянный на пузырьковом слое (канал 1); кривая 2 - сигнал, рассеянный на пузырьковом слое (канал 2); кривая 3 - сигнал, рассеянный на трубке, заполненной воздухом (канал 1); кривая 4 - сигнал, рассеянный на трубке, заполненной воздухом (канал 2); кривая 5 - сигнал, рассеянный на трубке, заполненной водой (канал 1); кривая 6 - сигнал, рассеянный на трубке, заполненной водой (канал 2).

В связи с тем, что пузырьковый слой представляет собой систему рассеива-телей, претерпевающую непрерывные изменения во времени количества элементарных рассеивателей, их размеров, плотности распределения рассеивателей, пространственных координат местоположения элементарных рассеивателей, пространственных характеристик самого рассеивающего объема и т.д., амплитуда рассеянного сигнала непрерывно флуктуирует.

На рис.5 представлена зависимость изменения во времени амплитуды рассеянной на пузырьковом слое волны разностной частоты 27 кГц. Длительности излучаемого импульса составляла 1 мс, период следования импульсов 30 мс, скорость протяжки ленты самописца 3 мм/с.

p

2аёр-,дЕ

-10

-20

-30

-40

1 ^2

//

у

у

у 3ч____—

Jl

6

5 10

F, кГц

Рис. 4. Зависимость амплитуды звуково- Рис. 5. Изменение во времени амплитуды го давления сигналов, рассеянных на звукового давления ВРЧ, рассеянной на пузырьковом слое, от частоты пузырьковом слое (Б- = 27 кГц)

0

На рис.6 представлена гистограмма распределения флуктуаций амплитуды сигнала разностной частоты F=27 кГц, где сплошная линия представляет собой теоретическую зависимость, соответствующую нормальному закону распределения случайной величины.

Сравнение экспериментально полученного распределения флуктуаций уровня звукового давления волны разностной частоты с теоретической зависимостью позволяет сделать вывод о том, что они достаточно хорошо совпадают друг с другом.

Среднее квадратическое отклонение рассмотренной выборки, состоящей из 100 значений, составило 1,488, а доверительный интервал для значения доверительной вероятности 0,95 равен 1 дБ.

Histogram (NEW11.STA 10v*100c) y = 100 * 1 * normal (x; 3,31; 1,488644)

0 --,--.--,--,--.--,--

0 1 2 3 4 5 6 7

УАЯ4

Рис. 6. Гистограмма распределения флуктуаций уровня сигнала ВРЧ, рассеянного на пузырьковом слое

На рис.7 представлены результаты исследования частотной зависимости амплитуды сигналов волны разностной частоты, рассеянных на физической модели рассеивающего объема.

Исследуемая физическая модель рассеивающего объема в отличие от рассмотренной ранее модели, создаваемой пузырьковым слоем, является достаточно стабильной по своим характеристикам рассеяния в течение времени измерений. Оценка флуктуаций уровня звукового давления сигналов, рассеянных на этой модели, показала, что изменения не превышают 1 дБ. Они, по всей видимости, имеют природу, отличную от процессов рассеивания акустических волн, и этими изменениями можно пренебречь.

Р

201§—, дБ

0

-10

-20

-30 ^

1»

2

F, кГц

5 10 20 30

Рис. 7. Зависимость амплитуды звукового давления сигналов ВРЧ,

рассеянных на объемном рассеивателе

В процессе исследований обратного объемного рассеяния волны разностной частоты на моделях гидрофизических неоднородностей запись сигналов осуществлялась посредством преобразования аналоговых величин в цифровом виде. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код применялся двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), синхронизируемый импульсом запуска от формирователя сигналов накачки.

Преобразованная информация сохранялась в виде массива чисел в файлах формата *.dso. Дальнейшая обработка полученных данных на ЭВМ осуществлялась в пакете программ по обработке сигналов ORIGIN (версия 6.1). Полученная информация сохранялась в файлах формата *.opj и *.org.

На рис. 8 показаны осциллограммы сигналов, соответствующие каналу 1 (а) и каналу 2 (б). Под осциллограммами показаны результаты обработки по методу быстрого преобразования Фурье (БПФ) (фазовые и амплитудно-частотные характеристики) сигналов канала 1 (в) и канала 2 (г), а также результаты вычисления взаимно-корреляционной функции для представленных выборок сигналов (д), полученные при исследовании сигналов волны разностной частоты, рассеянных на объемных не-однородностях физических моделей.

Сигналы, рассеянные на физической модели объемного рассеивателя, записывались одновременно двумя каналами АЦП. Значения разностных частот составляли 11, 17, 21 и 27 кГц, длительность сигналов была равна 1 мс, а период следования импульсов составлял 30 мс.

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о том, что разработанная структура измерительной установки и методика измерения и обработки сигналов волны разностной частоты, рассеянных на моделях физических неоднородностей, дают возможность в лабораторных и натурных условиях исследовать процессы рас-

сеяния и определять время прихода рассеянных сигналов, распространяющихся в водной среде с изменяющимся пространственным распределением скорости звука

100 2С0 300 400 500

1С0 200 3С0 4С0

Ртесцетсу (Нг)

0,1 0,2 0(3 0(4 05

0,1 0,2 0(3 0(4 05

Ргедиетсу (Нг)

Ртесцепсу (Нг)

0,1 02 03 0,4 05

.....—1— — —— —

0 „ _ -у

0 - 0 --

\

01 02 03 04 05

Ртедиепсу (Нг)

в

400000 300000 200000 100000

0

||к,гг

Рис. 8. Осциллограммы сигналов, результаты вычисления БПФ и корреляционной функции (Б = 27 кГц, т = 1 мс)

б

а

20

10

г

100000

0

200

д

Результаты обработки экспериментальных данных показали, что некоторые отличия характеристик приемных каналов измерительной установки и помехи, создаваемые в условиях гидроакустического бассейна, практически не влияют на достоверность полученной информации о рассеянии волны разностной частоты на моделях объемных рассеивателей.

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКЕАНА

С. С. Коновалова

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Применение параметрических антенн для построения гидроакустических комплексов дистанционного измерения объемного рассеяния звука в океане целесообразно благодаря их высокой направленности, широкополосности, низкому уровню бокового поля, постоянству характеристики направленности в широком диапазоне частот, что необходимо для лоцирования рассеивающего объема с достаточной степенью точности, высокой помехоустойчивостью и возможности адаптации к изменяющимся условиям измерений.

Методика расчета энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем дистанционного зондирования неоднородностей в океане была разработана на основе решения уравнения гидролокации [1]. Выражение для определения отношения сигнал/помеха в зависимости от различных параметров сигналов, помех и характеристик рассеивающего объема при локации объемных рассеивателей и неоднородностей позволяет путем расчета определить возможность использования разработанной методики для определения дальности действия широкополосных параметрических гидролокаторов и вычисления частотных характеристик коэффициента обратного объемного рассеяния. Также может быть использовано при решении задач построения адаптивных гидролокационных систем диагностики водной среды в океане [2]:

8= 2 ка с Б2 Р 01Р ^Ьр^у) Рпо е2Рх -10 3

2а ор Л ор Спр т ,

У изл Др

где Р01, Р02 - амплитуды первичных волн на поверхности преобразователей накачки; - параметр нелинейности;

< _ У +1 '

4Р0-0

0 0 у „ О

Ьс = —--длина области дифракции волны разностной частоты;

а2 О

4с0

Ьз = 1/Р; Р - коэффициент затухания звука на разностной частоте; Б. - разностная частота; О = 2яР_;

У

11 (В, у) = |

ехр(-г)^

0 ё + у7В +1(7 - у)