CC BY
75
Секция акустики и медицинской техники
УДК 534.222.2
С.С. Коновалова, Т.Н. Куценко, В.И. Тимошенко
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОКЕАНА
Применение гидроакустических локационных систем для исследования океана, как правило, подразумевает решение обратных задач рассеяния
.
содержат информацию об их структуре, природе и динамике гидрофизических процессов, изменчивости поля скорости звука в океане и других характеристиках, представляющих практический интерес.
Для исследования коэффициента обратного объемного рассеяния звука гидрофизическими неоднородностями представляется перспективным использование параметрических гидролокационных систем, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии волн. Частотнонезависимая характеристика направленности параметрической антенны обеспечивает постоянство озвучиваемого объема водной среды, что дает ряд преимуществ перед обычными излучающими антеннами в океанологических исследованиях и создает значительные методические удобства при
.
Учитывая малые значения коэффициентов объемного рассеяния и невысокие уровни излучения параметрических антенн, важно оценить потенциальную дальность действия параметрического гидролокатора в режиме локации объемных рассеивателей.
Определим энергетический потенциал параметрической гидролокационной системы с учетом того, что полезным эхосигналом является сигнал обратного объемного рассеяния.
Методика расчета характеристик параметрических гидролокационных систем имеет ряд особенностей, обусловленных спецификой тракта излучения, принцип действия которого основан на использовании эффекта нелинейного взаимодействия волн [1]. Основой для расчета энергетических параметров является уравнение гидролокации [2]
1С = б21п, или Рс = бР„ , (1)
где !с, Рс - интенсивность и звуковое давление эхосигнала в точке приема; 1П , Р - интенсивность и звуковое давление помех; б - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе тракта обра-
,
вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги.
Сомножители в правой части уравнения (1) для параметрических гидролокаторов определяются из тех же соображений, что и для обычных (с
традиционной излучающей антенной) с учетом всех параметров приемного и излучающего трактов и помеховой обстановки.
,
,
[2]
т Рпо 2 10 6 А Р
1 « = —^1----------------- , (2)
р Гпррс
где Р - рабочая частота; АР - полоса пропускания приемного усилительного тракта; упр - коэффициент концентрации приемной акустической антенны; Рпо - эффективное значение акустического давления помехи при стандартных условиях: Р = 1 кГц, АР = 1 Гц, упр = 1; с - скорость звука.
Член в левой части уравнения (1), представляющий собой интенсив-( ) , -пульса, коэффициента концентрации излучателя, отражающей способности рассеивающего объема и законов распространения сигнала до цели и обратно. Его следует определять с учетом особенностей характеристик пара, -ствия происходит подкачка энергии в волну разностной частоты со стороны исходных волн [1].
Уровень интенсивности сигнала реверберации, т.е. обратного объемного рассеяния в точке приема гидроакустической системы при использовании параметрического излучения определится [2]:
т ЛорТ е-2в
е , (3) где аР - коэффициент реверберации, характеризующий рассеивающую способность моря; № - излучаемая мощность; т - длительность сигнала; р - коэффициент пространственного затухания на разностной частоте; 1 -текущее время, Пор - коэффициент взаимной направленности, учитывающий влияние направленных свойств излучателя и приемника на уровень
, :
П
2п + 2
| |R1R 2 cos 0d0da
о _ п
г, — 2
П op = + п , (4)
2п + 2
| |R1 cos 0d0da
о _п ~2
где R1 (a, 0) - характеристика направленности излучающей антенны; R2 (a, 0) - характеристика направленности приемной антенны; a и 0 - азимутальный угол и угол места.
Представляем, что объемная реверберация создается под воздейст-
, , -
те Р, мощностью Wa , равной мощности параметрической антенны на раз, , -.
В параметрических гидроакустических локационных системах, работающих на разностных частотах, приемная антенна, имеет обычно характеристику направленности более широкую, чем параметрический источник. Весь озвучиваемый объем водной среды дает вклад в сигнал реверберации, который принимается широконаправленной приемной антенной. Кроме того при качке судна это обстоятельство позволяет обойтись без стабилизации антенной системы.
Подстановка выражений (2) и (3) для 1П, 1ор в уравнение гидролокации (1) дает
Выражая акустическую мощность Wa через звуковое давление разностной частоты Р_ параметрической антенны, которое, в свою очередь, в соответствии с /1/, определяется через параметры антенны накачки, получим выражение для определения значения коэффициента распознавания
фракции волны разностной частоты; р - коэффициент затухания звука на разностной частоте; Р- - разностная частота; О = 2пР-; Р01, Р02 - амплитуды давления волн накачки у поверхности антенны; а - апертура излучателя .
Входящий в выражение (6) интеграл 1(В,у) описывает пространственное распределение акустического поля разностной частоты параметрической излучающей антенны [1].
Полученное выражение позволяет рассчитать отношение сиг/
моностатическом лоцировании объемных рассеивателей. На рис.1 и 2 представлены зависимости коэффициента распознавания 8 от расстояния
. 0,3
характеристику направленности 2° град. на уровне -3 дБ при излучении разностных частот в диапазоне от 5 кГц до 50 кГ ц за счет нелинейного взаимодействия акустических сигналов со средней частотой 150 кГц. Прием осуществлялся такой же по размерам антенной, ширина характеристики направленности которой изменялась в зависимости от принимаемой частоты от 60° до 6°. Интенсивность волн накачки у поверхности антенны накачки
2 / 2.
(5)
где а - параметр нелинейности;
8 =
2жан р 2р01р0:
Рис.1 Рис.2
Рис. 1 демонстрирует изменение отношения сигнал/помеха в зависимости от расстояния при работе параметрического гидролокатора на разностных частотах 10, 20, 30, 40, и 50 кГц. Коэффициент объемной реверберации составлял а =10-7 1/м, уровень приведенных помех Рпо =0,01 Па, длительность зондирующего импульса составляла 1 мс.
При небольших расстояниях до рассеивающего объема отношение сигнал/помеха резко возрастает с увеличением расстояния, а затем, с расстояний равных длине ближней зоны антенны накачки, монотонно уменьшается. Это объясняется особенностью поведения уровня звукового давления, создаваемого параметрической антенной на разностной частоте, которое имеет максимальное значение на границе ближней зоны антенны накачки. Эта закономерность повторяется на всех разностных частотах. Увеличение разностной частоты приводит к увеличению коэффициента распознавания, в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой
. -ластей объемного рассеяния, на уровень эхосигналов сказывается частотно-зависимое затухание, что приводит к появлению оптимальной частоты в зависимости от дальности обнаружения и выбранного отношения сиг/.
Очевидно и длительность зондирующего импульса должна выбираться ,
измерения, с одной стороны, и наибольшей дистанции, на которой прово, .
На рис. 2 представлены зависимости коэффициента распознавания от расстояния для локации рассеивающих объемов с коэффициентами объемной реверберации 10-6, 10-7, 10-8 и 10-9 1/м. Кривые рассчитаны для случая, при котором рабочая (разностная) частота равнялась 50 кГц, а длительность зондирующего сигнала составляла 1 мс. Даже при этой длительности самые меньшие значения обратного объемного рассеяния могут быть зарегистрированы в пределах небольших дистанций.
Представленная методика и результаты расчетов позволяют проанализировать потенциальные возможности гидроакустической системы для лоцирования областей объемного рассеяния в различной помеховой обстановке, при различных параметрах зондирующих импульсов и характеристиках рассеивающего объема.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. С.264.
2. Сташкевич АЛ. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. 354с.
УДК 621.396
С.П. Тарасов, В.А. Воронин, Ю.В. Белоус, А.Н. Куценко
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ПОЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ОТ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ЦЕЛЬЮ ЧАСТИЧНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФОРМЫ
ЭТИХ ОБЪЕКТОВ
В теории нелинейной акустики большой практический интерес представляет параметрическая антенна (ПА). Она имеет ряд преимуществ в формировании и распространении гидроакустического сигнала и обладающая зоной 1, где происходит устойчивое распространение волны разностной частоты и в случае переотражения сигнала в этой зоне, наблюдаются , .
Учитывая достоинства ПА и то, что на фазу сигнала приходится основная информационная нагрузка [7], основной упор в дальнейшей работе будет сделан на поперечное фазовое распределение вторичного поля.
При решении поставленной задачи, как уже отмечалось, фазовое распределение во вторичном гидроакустическом поле будет зависеть от множества субъективных факторов, основными из которых являются набег фазы по площади раскрыва антенны и набег фазы, обусловленный геометрическими размерами облучаемого объекта.
Произведено исследование фазового распределения вторичного гид,
приемной антенны при положительных и отрицательных коэффициентах отражения.
Выводы: Исследования отражений от дюралюминиевой пластины и металлического цилиндра показывают, в основном, зеркальное отражение поля параметрической антенны. В этом случае достаточно успешно может быть применен зеркальный принцип мнимых источников.
Исследования отражений от пенопластовой пластины показывают, что после отражения происходит формирование фазового фронта новой разно. , -венно происходит этот процесс, возможна регистрация как старой, отраженной разностной волны, так и новой, в зависимости от выбранной точки синхронизации опорного гидрофона.
В последствии необходимо произвести более тщательные измерения с использованием объектов различной конфигурации и с близкими геометри. -вой разностной волны после отражения на информативность волны о границе отражения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов Г.В., Подольский А.А., Махов АЛ. Акустические прожекторные системы. - Изд-во Саратовского университета, 1972. 124 с.
