CC BY
57
ПРОМЫШЛЕННОЕ РЫБОЛОВСТВО. АКУСТИКА
УДК 534.222:629.127.4
1 1 2 3 3
Р.Н. Алифанов , И.А. Алифанова , М.В. Мироненко , А.С. Шмаков , П.А. Стародубцев
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии,
693023, г. Южно-Сахалинск, ул. Горького, 25
3Военный учебно-научный центр Военно-Морского флота «Военно-морская академия
имени адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова» (филиал, Владивосток), 690006, г. Владивосток, Днепровский переулок, 6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ СПОСОБА И СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ РАЗМЕРОМЕТРИИ
Приводятся результаты экспериментальных исследований закономерностей рассеяния на морских объектах падающего акустического поля, измерения пространственной амплитудно-фазовой структуры его теневой (дифракционной) составляющей. Показана возможность практической реализации рассмотренной закономерности в создании способа дистанционной гидроакустической размерометрии. Приводится пример экспериментальной проверки разработанного способа в гидроакустическом бассейне. Обосновывается возможность создания протяженной просветной системы гидроакустической размерометрии.
Ключевые слова: гидроакустическая размерометрия, многолучевость распространения сигналов, структура дифракционного поля, флюктуация амплитуды.
R.N. Alifanov, I.A. Alifanova, M.V. Mironenko, A.S. Shmakov, P.A. Starodubtcev EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE DEVELOPMENT OF METHOD AND SYSTEM FOR REMOTE HYDROACOUSTIC RAZMEROMETRII
This research paper presents the results of experimental studies of the scattering patterns on offshore incident acoustic field measurement of the amplitude and phase of the spatial structure of its shadow (diffraction) component. The possibility ofpractical implementation of laws considered to provide a method of remote sonar razmerometrii. Is an example of an experimental verification of the developed method in a hydroacoustic pool. The possibility of creating an extended luminal sonar system razmerometrii.
Key words: hydroacoustic razmerometriya, multipath propagation, the structure of the diffraction field amplitude fluctuation.
Структура приемоизлучающих трактов и методика экспериментальных исследований в гидроакустическом бассейне
Экспериментальные исследования пространственной структуры дифракционного поля за экранами выполнялись в гидроакустическом бассейне размером 15,0-6,5-6,0 м3. Измерения проводились в соответствии с принципами физического моделирования гидроакустических процессов [1] при величине коэффициента подобия (моделирования), равной 100. С помощью специально изготовленных устройств в бассейне перемещались акустические экраны различной конфигурации и различного материала. Измерялась пространственная структура
31
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31
ISSN 2222-4661
поля в зависимости от различных факторов: частоты и ширины полосы частот сигнала, размеров экрана и наличия многолучевости распространения сигналов [1, 2].
Схема проведения эксперимента в бассейне приведена на рис. 1, где r1, r2 - расстояния, определяющие положения экрана между излучателем и приемником сигналов; d - диаметр экрана (шара). Измерения проводились с помощью стационарно оборудованного в бассейне гидроакустического комплекса, представляющего собой два независимых приемных тракта и мощный (до 5 кВт) излучающий тракт. Диапазон излучаемых частот составлял от 50 до 650 кГц. Измерения выполнялись в непрерывном и импульсном режимах излучения с временным разделением приходов путем стробирования. Применялись тональные и широкополосные сигналы. Режимы излучения и приема задавались непосредственно с пульта измерительного комплекса.
Эксперимент выполнялся следующим образом (рис. 1). Направленный излучатель Изл. и ненаправленный приемник Пр. располагали на расстоянии 1 м от противоположных стенок «заглушенного» бассейна, что соответствовало расстоянию между ними 14 м. Затем с помощью экранов пересекали и экранировали пути распространения сигналов от излучателя к приемнику и регистрировали изменения пространственных характеристик (амплитуды и фазы) установившегося акустического поля. Акустические экраны подвешивали на капроновой нити, уравновешивали грузом и с помощью специально изготовленного электромеханического привода со скоростью, не превышающей нескольких миллиметров в секунду, равномерно перемещали сверху вниз и обратно.
Согласующие Измерительный
трансформаторы < комплекс
т
Электромеханический Предварительный
привод “€ усилитель
Рис. 1. Схема проведения эксперимента в гидроакустическом бассейне Fig. 1. The scheme of the experiment in the pool hydroacoustic
Результаты экспериментальных исследований структуры дифракционного поля за экранами
При проведении модельных экспериментальных исследований были получены пространственные характеристики дифракционного поля сигналов, частотные характеристики (в зависимости от частоты и ширины полосы частот сигналов подсветки), а также структура дифракционного поля в условиях моделируемой многолучевости распространения сигналов в среде. Результаты исследований пространственной амплитудно-фазовой структуры дифракционного поля приведены на рис. 2-4.
32
Промышленное рыболовство. Акустика
На рис. 2 - пространственная структура дифракционного поля (записи уровня непрерывных тональных сигналов) между излучателем и приемником. Частота сигналов 20 кГц, h1, h2 - расчетные значения радиусов первой и второй зон Френеля, экран - эбонитовый шар диаметром 10 см с пластилиновым покрытием. Записи уровней сигналов сделаны в точках с интервалом 1 м по расстоянию.
На рис. 3 - пространственная структура поля сигналов для экранов различной протяженности, которая изменялась посредством увеличения набора пенопластовых дисков. Частота сигналов 230 кГц.
На рис. 4 - частотная зависимость структуры дифракционного поля тональных сигналов. Экран - эбонитовый шар диаметром 10 см с пластилиновым покрытием, расположен между точками излучения и приема (r1 = r2 = 7 м).
Все записи структуры дифракционного поля получены с помощью СПУ в линейном масштабе записи 10-110 mB. Эксперимент показал, что направленность излучения сигналов (при условии заглушенности бассейна и отсутствия отражения от стенок) затрудняет возможность поддержания постоянного уровня сигнала и регистрацию изменений сигнала за счет экранирования объектом. Регистрация изменений сигнала за счет экранирования объектом при ненаправленном облучении среды более эффективна.
Анализируя приведенные на рис. 2-4 результаты эксперимента, отметим следующее.
Пространственная структура дифракционного поля за экранами хорошо согласуется с теоретической структурой поля между точками излучения и приема и формируется в соответствии с закономерностями зон Френеля [1]. Количество регистрируемых зон Френеля возрастает с увеличением степени монохроматичности сигнала, а их пространственная протяженность увеличивается с возрастанием длины падающей на экран звуковой волны. Структура поля и размер зон Френеля проявляется в соответствии с известной зависимостью [2]
h
n
r1r2A,n (Г1 + Г2 )
1
2
(1)
где hn - радиус n-й зоны Френеля; Я - длина волны сигнала подсветки; r1, r2 - расстояния, определяющие положение экрана между излучателем и приемником; n - номер зоны.
При этом последовательное экранирование зон Френеля сопровождается периодичностью изменения уровня регистрируемого сигнала. Амплитуда и период излучения увеличиваются с приближением экрана к первой зоне, где спад уровня сигнала (рис. 2). Глубина спада (затенения) сигнала в основном определяется степенью экранирования первой зоны, ширина - пространственной протяженностью первой зоны в точке пересечения экраном, а в случае, когда размер экрана превышает размер пересекаемого участка зоны Френеля, ширина и глубина спада уровня сигнала определяются также величиной указанного повышения (рис. 3) [2].
В момент затенения сигналов движущимся экраном одновременно с изменением амплитуды сигнала наблюдается изменение (скачок) фазы. Общее изменение фазы в момент затенения сигнала характеризуется возрастанием флюктуаций. Замечено также, что структура дифракционного поля на импульсных сигналах существенного отличия от записей сигналов в непрерывном режиме излучения тональных сигналов не имеет, так как в условиях «заглушенного» бассейна отражения от его стенок на частотах сигналов 230-500 кГц практически отсутствовали. Преимущество импульсного режима работы с использованием временного разделения приходов путем стробирования наблюдается в условиях многолучевого распространения сигналов.
33
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31
ISSN 2222-4661
Рис. 2. Пространственная структура «акустической тени» между излучателем и приемником
Fig. 2. Spatial structure of «acoustic shadow» between transmitter and receiver
Рис. 3. Структура «акустической тени» за экранами различной протяженности d Fig. 3. The structure of the «acoustic shadow» behind screens of varying length d
Для обоснования практических возможностей регистрации подводных объектов дифракционным методом в условиях многолучевости распространения сигналов эксперимент в гидроакустическом бассейне был специальным образом усложнен. Многолучевость распространения сигналов в бассейне создавалась с помощью установленных отражателей (см. рис. 1).
Экспериментальными исследованиями устойчивости пространственной структуры дифракционного поля в условиях многолучевости распространения сигналов показано, что искажение сигналов экранами по отдельным лучам сопровождается соответствующими изменениями в суммарном многолучевом сигнале. Т.е для устойчивой регистрации признаков затенения сигналов экраном необходимо их пространственно временное разделение, что выполнялось методом «стробирования» импульсов.
34
Промышленное рыболовство. Акустика
Анализ результатов эксперимента показал следующее. Структура суммарного многолучевого сигнала изменяется в соответствии с моментами пересечения каждого отдельного луча и степенью его экранирования объектом. Наличие в точке приема дополнительных (помеховых) сигналов, обусловленных многолучевостью распространения, существенно искажает четкость структуры звуковой тени, не исключает возможность обнаружения объекта по закономерностям дифракции. В этом случае увеличивается амплитуда флюктуаций уровня суммарного сигнала, обусловленная интерференцией отдельных приходов. Т.е. в дифракционной системе обнаружения целесообразно осуществлять временное разделение многолучевого сигнала и раздельную регистрацию наиболее энергонесущих приходов сигнала по лучам.
Рис. 4. Флюктуации амплитуды просветных сигналов, искаженных изменяющимся состоянием физического явления (протяженность расположения приемных пассивных элементов 10 км) Fig. 4. Fluctuation amplitude signals distorted luminal changes the state of a physical phenomenon (the length of the receiving passive elements 10 km)
10
20
0
Рис. 5. Флюктуации фазы искаженных просветных сигналов, искаженных изменяющимся состоянием физического явления (протяженность расположения приемных пассивных элементов 10 км)
Fig. 5. Phase fluctuations distorted luminal signals distorted changing state of physical phenomena (the length of the receiving passive elements 10 km)
35
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31
ISSN 2222-4661
Способ и система дистанционной гидроакустической размерометрии
Проведенные в гидроакустическом бассейне исследования зависимости пространственной протяженности звуковой тени от размера экрана d позволили получить функцию, представленную на рис. 6. Из нее видно, что при постоянном значении падающей на экран длины волны и фиксированном расстоянии между точками излучения - приема сигналов, а также известном положении объекта между ними половина протяженности акустической тени останется неизменной до момента равенства величины протяженности экрана радиусу первой зоны Френеля регистрации сигнала. С момента перекрытия размером экрана радиуса первой зоны Френеля протяженность акустической тени увеличивается (до определенных пределов) пропорционально этому превышению. На рис. 6 видно, что точка излома функции
h/2 = f (d ) (2)
соответствует моменту равенства размера экрана в плоскости его перемещения пространственному размеру радиуса первой зоны Френеля. Полученная при проведении исследований закономерность использована при разработке способа, позволяющего дистанционно измерить недоступные для контактных измерений подводные объекты. Сущность таких измерений объясняется следующим образом.
При постоянном размере экрана и приближенно известной геометрии расположения его между точками излучения и приема, последовательно изменяя длину волны падающего на экран сигнала, можно определить то значение длины волны (частоты сигнала), при которой начинается увеличение протяженности ширины зоны h, что будет соответствовать моменту превышения ширины первой зоны Френеля протяженности экрана. Точное значение этой длины волны может быть определено по частоте сигнала в точке характерного излома функции (рис. 7)
h = f (f).
(3)
Рис. 6. Зависимость протяженности «акустической тени» от размера экрана Fig. 6. Dependence length «acoustic shadow» on the screen size
Рис. 7. Зависимость протяженности «акустической тени» от частоты сигнала Fig. 7. Dependence length «acoustic shadow» on the signal frequency
При этом протяженность акустической тени h может быть измерена как относительная величина (без учета скорости перемещения излучателя и приемника относительно измеряемого объекта). Определив зафиксированное в точке перегиба функции значение частоты сигнала и поставив соответствующее ей значение X, а также ориентировочно известные рас-
36
Промышленное рыболовство. Акустика
стояния от объекта до излучателя и приемника (r1 и r2), протяженность профиля объекта в заданной плоскости рассчитаем по известной формуле, выражающей размер радиуса первой зоны Френеля:
d = h
rxr2X
ri + Г2
(4)
На практике трудно измерить объект, размеры которого не известны хотя бы в заданном интервале. Это связано с тем, что необходимо излучение сигналов с неопределенной шириной полосы частоты. По этой причине измерению подлежат объекты, ориентировочные размеры которых известны в заданных пределах. Среднюю частоту излучаемых сигналов /ср можно определить из соотношения (4), заменив в нем истинный размер объекта d на предполагаемый dn, а также приняв r1 = r2 = r (при измерениях объект можно ориентировать посредине гидроакустической линии):
Кр =
d2 n (r1 + r2) = d2 n 2r = 2d2
f =
J ср
С = Cr
Кср 2d2 n
n
2
rir2
r
r
(5)
Введем коэффициент kd, определяющий заданный интервал возможных размеров объекта и коэффициент кд/, определяющий ширину полосы анализа принимаемых сигналов (полосу фильтров). С учетом kd заданный интервал размеров вероятного объекта запишется в виде dn(1 ± kd), а интервал изменения средней частоты принимаемых сигналов - /ср(1 ± кд/). С учетом этих интервалов верхнее и нижнее значения частоты излучаемых сигналов можно представить следующим образом:
fe = (l + k дт)
Cr
2d2 n (1 - kd )2’
fn =(l - k д,)
Cr
2d n (l + kd )
(6)
Ширина полосы излучаемых сигналов при регистрации и измерении объекта может быть определена соотношением
дf-(.f,)
1 k Дf . 1 + k^f
(l + kd )2 .(1 - kd )
Cr
2d2 „ ’
(7)
где kd - коэффициент, определяющий заданный интервал возможных размеров вероятного объекта; kд/ - коэффициент, определяющий ширину полосы анализа (полосу применяемых фильтров); С - скорость звука в воде; r - половина расстояния между точками излучения и приема; dn - предполагаемый (в заданном интервале) размер объекта.
Структурная схема гидроакустической системы, реализующей способ дистанционного измерения размеров неподвижных подводных объектов, приведена на рис. 8. Порядок измерения с помощью предложенной системы заключается в следующем.
Контролируемый участок водной среды находится между излучателем и приемником акустических колебаний. С помощью блока 1 формируют импульсные широкополосные сигналы, через блок усиления мощности сигналов 2 подают их на излучатель 3, облучают контролируемый участок среды и объект. Принятые приемником теневых сигналов 4 импульсы
37
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31
ISSN 2222-4661
усиливают блоком широкополосного усилителя 5, расфильтровывают их блоком узкополосных фильтров 6, уравнивают расфильтрованные сигналы по амплитуде с помощью первого многоканального блока коррекции уровней 7 (корректируют частотную погрешность трактов при отсутствии объекта).
Рис. 8. Структурная схема системы реализации способа гидроакустической размерометрии Fig. 8. Block diagram of system implementation method sonar razmerometrii
Далее принятые и расфильтрованные сигналы подают на многоканальный самописец (регистратор уровней) 8, а также на сигнальный вход фазометра 9. Опорный вход фазометра
9 через второй блок коррекции уровней 2 и далее через второй блок узкополосных фильтров
10 подключен к формирователю широкополосных сигналов 1. Выходы многоканального блока измерения фаз 9 подсоединены ко второму многоканальному самописцу 12 (регистратору фаз). Генератор импульсных сигналов 13 и измеритель временных интервалов 14 позволяет в случае необходимости уточнить положение объекта между излучателем и приемником сигналов. Блоки электромеханических приводов 17, 18 необходимы для синхронного перемещения приемной и излучающей систем при измерении неподвижного объекта. В случае измерения подвижных объектов блоки 17 и 18 не используются. По измеренным и зарегистрированным многоканальными самописцами спадам уровней затененных объектом сигналов, а также скачкам сигналов фазы строят функцию h = f (d), определяют значение длины волны в характерной точке изгиба функции, которое используется в дальнейших вычислениях размера объекта d в соответствии с зависимостью (4). Положение объекта в случае необходимости уточняется путем измерения временного интервала между излученным и отраженным от объекта высокочастотным эхо-сигналом с помощью блоков 13, 14.
Рассмотренным способом был измерен экран (цилиндр) в условиях гидроакустического бассейна. Водную среду облучали сигналами в полосе 50-650 кГц. Измеренная обычным метрическим способом высота цилиндра составляла 15 см, расстояния от объекта до излучателя и приемника сигналов - 7 м. Полученная путем измерений функциональная зависимость
38
Промышленное рыболовство. Акустика
приведена на рис. 6, из которой видно, что частота сигнала в точке характерного изгиба функции составляет 215 кГц, что соответствует длине волны в воде 0,7 см, а протяженность (высота) цилиндра в плоскости измерения составляет 15,6 см. Погрешность серии измерений не более 4 %.
Аналогичные измерения были проведены и в условиях опытового морского поля [2].
Следует отметить, что рассмотренный способ позволяет измерять объекты, не изменяющие акустических свойств среды, например, за счет внутренних волн, возникающих в результате его движения в водной среде. Применение разработанного способа для дистанционного измерения реальных объектов требует дальнейшей разработки и, прежде всего, разделения влияния на сигнал от объекта и возмущенной области за объектом. Измерение малоразмерных объектов на небольших дистанциях, например, проведение контроля качества гидротехнических сооружений разработанным способом может проводиться уже в настоящее время.
Список литературы
1. Савельев И.В. Дифракция света: Курс общей физики. - М.: Наука, 1971. - С. 106-155.
2. Матвеев В.Н., Мацевич Э.В. Контроль состояния подводных частей морских гидротехнических сооружений дифракционным гидроакустическим методом // Проблемы исследования и освоения Мирового океана: сб. докл. IV конф. - Владивосток: ДВПИ, 1983. - С. 199-201.
3. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М. Теоретические и экспериментальные исследования пространственной амплитудно-фазовой структуры дифракционного поля за акустическими экранами и неоднородностями морской среды // Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизичсеких полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. - С. 44-57.
4. Способ дистанционной гидроакустической размерометрии: а.с. СССР № 223207 / М.В. Мироненко, Н.А. Клименко, заявл. от 01.08.1985.
5. Мироненко М.В., Паренский А.И. Контроль размеров акустических экранов дифракционным методом // Сб. докл. 4-й ДВ акустической НТК. - Владивосток: ДВПИ, 1986. -С. 120-122.
6. Мироненко М.В., Клименко Н.А., Рокотов С.П. К вопросу акустического контроля размеров экранов дифракционным способом // Сб. докл. 4-й ДВ акустической НТК. - Владивосток: ДВПИ, 1986. - С. 142-144.
Сведения об авторах: Алифанов Роман Николаевич, кандидат технических наук,
e-mail: gidra_518@mail.ru;
Алифанова Ирина Анатольевна, e-mail: shira_83@mail.ru;
Мироненко Михаил Владимирович, ведущий сотрудник, доктор технических наук,
профессор, e-mail: professor@mail.primorye.ru;
Шмаков Андрей Станиславович, кандидат технических наук, доцент;
Стародубцев Павел Анатольевич, доктор технических наук, профессор,
e-mail: spa1958@mail.ru.
39
