CC BY
53
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЕМНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ПОИСКА ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
В. А. Воронин, А. Г. Ишутко, Д. В. Косырев, Ю.О. Покровский, С. П. Тарасов
Таганрогский государственный радиотехнический университет
В настоящее время широкое применение для поиска заиленных объектов получили гидроакустические приборы с излучающими параметрическими антеннами, которые обладают рядом достоинств, таких, как:
- высокая направленность излучения при малых габаритах преобразователя накачки;
- низкий уровень боковых лепестков в характеристике направленности;
- широкий диапазон излучаемых частот;
- постоянство характеристики направленности во всем частотном диапазоне.
Использование гидроакустических приборов с такими характеристиками позволяет более эффективно решать задачи обеспечения подводного поиска. В частности, узкая характеристика направленности параметрических антенн увеличивает точность обнаружения. При работе в условиях мелкого моря в прибрежной зоне и во внутренних водоемах появляются дополнительные преимущества, вызванные отсутствием боковых лепестков в характеристике направленности. Малые размеры преобразователя при направленном излучении на низких частотах делают возможным установку параметрических приборов на судах любого, даже самого малого, водоизмещения. При использовании свойств нелинейной акустики эффективно решается вопрос создания широкополосных гидроакустических систем. Последние могут применяться при обнаружении объекта для увеличения дальности действия и разрешающей способности по дистанции за счет излучения сложных сигналов и коротких импульсов.
Одной из важных тактических характеристик систем гидроакустической локации является скорость обзора подводного пространства, которая, в первую очередь, определяется способом обзора.
Обзор пространства, используемый в параметрических гидролокаторах, имеет ряд особенностей, обусловленных соотношением параметров направленности приемной и излучающей антенн. В то время как в классической гидролокации характеристика направленности в режиме приема, как правило, равна или уже характеристики направленности в режиме излучения, для параметрических гидролокационных систем характерно обратное соотношение, т.е. в приеме направленность оказывается такая же или шире, чем в излучении. Последнее особенно характерно для параметрических гидролокационных систем, работающих на низких частотах, для которых использование широко направленного приема является мерой вынужденной, чтобы не повышать массогабаритные характеристики всей антенной системы.
При работе параметрических антенн в составе эхолота или локатора вертикального действия можно выделить две типичные ситуации. Первая характерна для высокочастотного параметрического высоконаправленного эхолота с разностной частотой в сотни килогерц. В этом случае можно сформировать высокую направленность не только в режиме излучения за счет параметрической антенны, но и в режиме приема, не слишком увеличивая массогабаритные характеристики антенной системы.
Вторая ситуация характерна для низкочастотного высоконаправленного эхолота либо профилографа. Для обеспечения высоконаправленного приема требуется существенно увеличивать размеры приемной антенны по сравнению с антенной накачки. Так, для параметрического гидролокатора, работающего на разностной частоте 10 кГц, при ширине характеристики направленности в излучении, равной 3 град,
размер антенны накачки на частоте накачки, например, 100 кГц составляет 0,3 м, а приемная антенна с такой же направленностью должна иметь размер 3 м. Использовать такое сочетание антенн не имеет смысла. Поэтому наиболее целесообразно размеры излучающей антенны накачки и приемной антенны выдержать примерно одинаковыми, а направленность в режиме приема окажется, соответственно, более широкой, чем в режиме излучения. Недостатком такого способа обзора является низкая помехоустойчивость из-за слабонаправленного приема.
Проблемы, аналогичные перечисленным, сохраняются при использовании параметрических антенн в составе гидролокаторов горизонтального действия. Наиболее распространенным методом подводного поиска является поиск в определенном секторе пространства. При использовании параметрических гидролокаторов обзор осуществляется в условиях широко направленного приема, охватывающего весь сектор. В этом состоит основное отличие от традиционных гидролокационных систем, в которых преимущественно используется более высоконаправленный прием по сравнению с излучением.
Дискретное сканирование пространства осуществляется путем шагового обзора за счет облучения узкой характеристикой направленности параметрической антенны ограниченной зоны пространства и приема эхо-сигналов в пределах всего сектора, в котором осуществляется обзор. Цикл обзора равен промежутку времени между двумя последовательными излучениями: Тобз =2хтах /с, где х^ - ожидаемая максимальная дальность действия гидролокационной системы. Перед каждым излучением сигнала характеристика направленности параметрической излучающей антенны поворачивается на угол, равный ее ширине, называемый шагом поиска. Полное время обзора заданного сектора определяется циклом обзора и отношением величины сектора к ширине характеристики направленности.
Ряд задач требует определения направления прихода эхо-сигналов при слабонаправленном приеме и при большой скорости обзора пространства. Проблема решается сканированием пространства в необходимом секторе за длительность одного импульса и применением веера статических характеристик направленности в приеме, причем в таком случае необходима антенная решетка с большими волновыми размерами.
Высокая направленность приемных параметрических антенн с большой базой позволяет решить задачу направленного приема на низких частотах в системах локации заиленных объектов с внутриимпульсным обзором пространства. Применение относительно высоких частот накачки снижает габариты антенной системы. Существенным при использовании приемной параметрической антенны в локаторе является наличие излучающего преобразователя накачки со стороны прихода сигнала, что конструктивно невозможно при транспортируемых системах. Поэтому рассмотрим возможность использования приемных параметрических антенн "локационного" типа в гидроакустических системах, предназначенных для обнаружения сигналов, пришедших с разных направлений в море.
Локационная приемная параметрическая антенна на рассеянных волнах работает следующим образом. Преобразователь накачки излучает в сторону предполагаемого направления прихода низкочастотного сигнала волну накачки с частотой ю. Поскольку частота накачки довольно высока, то волна накачки от границы раздела вода - грунт и распространяется в сторону приемного преобразователя накачки. Волна накачки будет взаимодействовать с низкочастотными сигналами, отраженными от заиленных объектов, вследствие нелинейности среды распространения. Результатом взаимодействия, как это было показано ранее, будут волны с комбинационными частотами либо изменения фазы волны накачки. Волна накачки совместно с волнами комбинационных частот, или промодулированная по фазе сигналом, принимается приемным преобразователем накачки, расположенным в одной точке пространства
с излучающим преобразователем, причем приемным преобразователем накачки может быть излучающий преобразователь накачки при работе антенны в импульсном режиме.
Идея использования отраженных и рассеянных волн для создания высоконаправленной параметрической приемной антенны была заявлена в способе акустической геолокации и устройстве для его осуществления [1], в котором повышенная разрешающая способность по углу обеспечивается осуществлением направленного параметрического приема на волнах разностной частоты при их взаимодействии с рассеянными волнами накачки.
Поскольку излучателем волн накачки в рассмотренном параметрическом приемнике, по существу, является граница вода - дно, а сигнал может приходить от источников, расположенных как в непосредственной близости от границы раздела, так и вдали от нее, то для анализа его характеристик необходимо использовать модель взаимодействия сферических волн [2].
Для проверки модели приемной параметрической антенны с большой базой и определения ее характеристик нами были проведены экспериментальные исследования приемной параметрической антенны с большой базой. На рис. 1 приведена схема испытаний [3].
Излучающий преобразователь накачки заглублялся на 10 м от поверхности и ориентировался в сторону дна. Приемный преобразователь закреплялся на погружаемом блоке акустического зонда и ориентировался в сторону излучающего преобразователя. Погружаемый блок с помощью кабель-троса опускался на необходимую глубину. Отсчет расстояния между излучающим и приемным преобразователями (размер Ь) вычислялся по задержке зондирующего сигнала. Излучатель накачки возбуждал в воде непрерывную волну накачки с частотой 20 кГц, которая формировалась в излучающем блоке. Принятый сигнал накачки по кабель-тросу подавался на приемный блок для обработки и выделения индекса фазовой модуляции сигнала накачки, полученного в результате нелинейного взаимодействия волны сигнала с волной накачки. Импульсные сигналы с частотами от 1000 до 3 000 Гц, а также импульсный шумовой сигнал, излучались преобразователем, располагающимся у поверхности вблизи преобразователя накачки. Принятые сигналы записывались на магнитофон, а затем обрабатывались. База параметрической антенны изменялась дискретно путем заглубления погружаемого блока.
■ ' ' 11 ■ 500 1000 им
Рис. 1. Схема проведения испытаний Рис. 2. Зависимость амплитуды спектраль-в натурных условиях ной составляющей частоты 1 кГц на выхо-
де приемника от длины базы антенны На рис. 2 представлена экспериментально полученная зависимость выходного сигнала параметрической антенны (с выхода фазового детектора) от величины расстояния между излучающим и приемным преобразователями накачки И2 - (база
антенны). Точками показаны экпериментально полученные результаты, а сплошной линией их апроксимация.
На графике по вертикальной оси отложены амплитуды спектральной составляющей сигнала на частоте сигнала 1 кГц, приведенной к уровню 1 В. Экспериментальная зависимость показывает, что с изменением базы антенны сигнал на выходе приемника имеет накапливающийся характер. Физически это означает, что максимальное взаимодействие сигналов происходит в начале базы антенны, а затем добавка за счет взаимодействия уменьшается вследствие затухания и дифракции как волн накачки, так и волн сигнала. Проведенные исследования показывают, что параметрические антенны с большой базой реализуемы (однако увеличение длины базы с целью повышения чувствительности приемной параметрической антенны эффективно лишь в ограниченных масштабах). Параметрические приемные антенны могут применяться для направленного приема низкочастотных акустических сигналов в океане.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воронин В.А., Громов В.И., Тарасов С.П., Тер-Сааков Э.И., Тимошенко В.И.. Способ акустической геолокации и устройство для его осуществления. А.с. №747313 (СССР).
2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика.- Л.: Судостроение, 1981. 265 с.
3. Воронин В.А., Тимошенко В.И., Тарасов С.П., Котляров В.В., Котляров В.П.. Исследование приемной параметрической антенны с большой базой // Акуст. Журнал, Т.38, М., 1992 г. №2.
МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАК НОВАЯ
СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Н.Н. Чернов, В.А. Черёмушкин
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Одним из глобальных результатов развития информационных технологий является создание электронных непрерывно действующих технических средств наблюдения и контроля процессов в природе. В первую очередь это относится к метеорологической службе. Далее можно назвать сейсмологическую службу. На третье место по важности для народного хозяйства и для общества в целом можно поставить задачу контроля процессов в экологических системах.
Внимание к вопросам экологии в мире началось с конца 60-х годов ХХ столетия. Проблема экологического мониторинга была поднята в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде. Определение экологического мониторинга в 1988 г. имело следующую формулировку: экологический мониторинг представляет собой естественнотехнический объект с функциями контроля, прогноза и управления экологическими процессами [1].
В приведённом определении обращает на себя внимание сочетание слов «контроля, прогноза и управления». Такое широкое видение функций экологического мониторинга реализуемо в техническом отношении при переходе от термина «объект» к выражению «комплекс аппаратно-программных средств». В пределе экологический мониторинг должен стать организованным государством процессом контроля, прогнозирования и управления в экологических системах. Следовательно, понятию «экологический мониторинг» можно дать следующее определение: экологический мониторинг есть организованный государством в системе «общество-природа» про-
