Использование веера статических лучей в приемной параметрической антенне для лоцирования придонных слоев Текст научной статьи по специальности «Физика»

границы в зоне взаимодействия / Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1981. Вып.УШ.

2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судо-

строение, 1981. 264 с.

3. Лепендин Л.Ф. Акустика: Уч. пос. для втузов. М.: Высш. школа, 1978. 448с.: ил.

4. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Аку-

стика морских осадков / Под ред. Л. Хэмптона. М.: Мир, 1977. С.227-273.

В.А. Воронин, А.Г. Ишутко, В.Л. Чулков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЕРА СТАТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПРИЕМНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЕ ДЛЯ ЛОЦИРОВАНИЯ ПРИДОННЫХ СЛОЕВ

В настоящее время широкое применение для поиска заиленных объектов получили гидроакустические приборы с излучающими параметрическими антеннами, обладающих рядом достоинств:

- высокой направленностью излучения при малых габаритах преобразователя накачки;

- низким уровнем боковых лепестков в характеристике направленности;

- широким диапазоном излучаемых частот;

- постоянством 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 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. Если в классической гидролокации характеристика направленности в режиме приема, как правило, равна или уже характеристики направленности в режиме излучения, то для параметрических гидролокационных систем характерно обратное соотношение, т.е. в приеме направленность оказывается такой 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 вынужденно: 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 сотни килогерц. В этом случае можно сформировать высокую направлен-

ность не только в режиме излучения за счет параметрической антенны, но и в режиме приема, не слишком увеличивая массо-габаритные 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. Например, для параметрического гидролокатора, работающего на разностной частоте 10 кГц, при ширине характеристики направленности в излучении, равной 30, размер антенны накачки на частоте накачки, скажем, 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 используется преимущественно 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 хтах - 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. 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 обеспечи-

вается осуществлением направленного параметрического приема на волнах разностной частоты при их взаимодействии с рассеянными волнами накачки.

На рис.1 представлена структура системы поиска заиленных объектов с использованием приемной параметрической антенны, работающей на отраженных от границы раздела волнах накачки.

Гн +Г

Рис. 1. Структурная схема приемной параметрической антенны на отраженных волнах накачки

На рис.1 приняты следующие обозначения: 1 - излучающий преобразователь накачки; 2 - приемная антенна накачки; 3 - усилитель мощности; 4 - формирователь сигналов; 5 - приемное устройство; 6 - устройство выделения результата взаимодействия волн; 7 - индикатор; 8 - поверхность дна; 9 - донные осадки; 10 -диаграмма направленности излучающего преобразователя; 11,12,13 - веер статических лучей в диаграмме направленности приемного преобразователя.

Локационная приемная параметрическая антенна на рассеянных волнах работает следующим образом. Излучающий преобразователь накачки 1 излучает в сторону предполагаемого направления прихода низкочастотного сигнала волну накачки с частотой /н. Поскольку частота накачки довольно высока, то волна накачки отражается от границы раздела вода - грунт и распространяется в сторону приемной антенны накачки 2. Волна накачки будет взаимодействовать вследствие нелинейности среды распространения с низкочастотными сигналами с частотой Б, отраженными от заиленных объектов. 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 промоду-лированная 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.

Поскольку роль излучателя волн накачки в рассмотренном параметрическом приемнике, по существу, выполняет 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 расчета характеристик приемных параметрических антенн можно воспользоваться решениями, приведенными в литературе [2,3]. При использовании модели взаимодействия дифрагирующих волн, т. е. для длинных антенн, амплитуду волн комбинационных частот на приемнике можно определить так:

P P Y + 1

где A(ra) = -»-2- [---Ою(1 - cos ©)(2-у-cos ©)],P» - амплитуда волны на-

с0р0 2

качки; k , - волновое число волн комбинационных частот; 1, = a-----длина зоны

± d X

дифракции волны накачки; X - длина волны накачки; PQ - амплитуда волны сигнала; © - угол прихода сигнала; a - поперечный размер антенны накачки; L - база (длина) приемной параметрической антенны; у - коэффициент нелинейности, равный показателю степени в уравнении Тэта [2]; с 0, р 0- равновесные скорость звука и

плотность среды распространения волн.

Модуль выражения [1] дает зависимость чувствительности параметрической приемной антенны от длины базы антенны L

lP±(L)| = -fb . (2)

k Ч1+(i7

Выражения (1) и (2) получены без учета затухания взаимодействующих и генерируемых волн. Если учесть затухание высокочастотных составляющих, которое намного больше затухания волны сигнала, то решение (2) примет вид

|P, (L)| = A(a)L e*P(Tr (3)

w з

где i =________1_____- длина зоны затухания высокочастотных составляющих , а

з

а, + а- + а+

а ", а _ , а + - коэффициенты затухания, соответственно, волн накачки разностной и суммарной частот.

Характеристика направленности такой приемной антенны будет определяться выражением, совпадающим с выражением для антенны бегущей волны, каковой и является приемная параметрическая антенна:

smW _ cos©) ]

iR(©)|=_A»Lsn________2_____!. (4)

I ( ^ A^») КЩ - cos©)

2

Учитывая, что в рассматриваемой системе, в качестве волн накачки используются отраженные от границы раздела вода - дно волны накачки, то в выражения для расчета необходимо ввести коэффициент отражения волн от границы. Причем необходимо учитывать, что отражение для центрального луча зеркальное, а для других лучей - рассеяние под углом.

Чтобы определить характеристики приемной параметрической антенны для каждого луча веера статических характеристик направленности примем коэффициент рассеяния в виде [4]

ms = 4k4p4 cos4 ©0G(2kp0sin ©0) , (5)

где k - волновое число волны накачки; ©0 - направление распространения падающей и рассеянной волн; G(2kp0 sin ©0) - двухмерный спектр неровностей дна при изотропных неровностях и рассеянии в обратном направлении; p 0 - радиус корреляции неровностей.

Выражение для расчета амплитуды генерируемых волн в параметрической приемной антенне локационного типа можно представить в виде

A(ro)L

k ±. 1 + (L)2

(6)

A(ro)L

k ±, ii+ф)2

exp(-L) • 4k4p4 cos4 ©0G(2kp0 sin©0)

Рассчитаем угловую зависимость амплитуды генерируемой волны от угла падение волны накачки. При расчетах примем, что спектр неровностей дна гауссовый. Такое предположение закономерно при малых углах падения, высокой направленности антенн и высоких частотах. Тогда

G(2kp0 sin ©0) = exp[-(kp0 sin ®0)2]. (7)

На рис. 2 приведены угловые зависимости амплитуды генерируемой волны в параметрическом приемнике, нормированной к максимальному значению, определяемому при угле падения © = 0°.

Рис.2. Зависимость амплитуды генерируемой гармоники от угла падения при различных кр0

Приведенные расчеты показывают, что при малых углах лоцирования амплитуда генерируемой волны меняется незначительно, следовательно, чувствительность приемной параметрической антенны будет изменяться медленно с увеличением угла лоцирования, или номера луча в статическом веере характеристик направленности. Кроме того, величина неровностей дна также влияет на амплитуду. В приведенном расчете показано, что изменение высоты неровностей в десять раз приводит к изменению чувствительности в такое же количество раз. Чтобы устранить это изменение, необходимо применять многочастотную накачку в параметрической приемной антенне, что приведет к другому схемному решению приемной параметрической антенны.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

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. Авт.св. №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,. Кузнецов В.П. Исследование приемной параметрической антенны с большой базой // Акуст. журнал, М., 1992. Т.38. №2.

4. Акустика океана / Под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука,1974. 695 с.

И. А. Кириченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ АМПЛИТУДЫ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ В СРЕДЕ С НЕОДНОРОДНЫМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ПОТОКОМ

В реальных условиях океана наблюдаются флуктуации амплитуды звукового давления акустических сигналов. По своей физической природе они могут быть условно разделены на флуктуации, вызванные отражением и рассеянием звуковых сигналов на дне океана, движением носителя акустической системы, применением час-тотно-модулированных сигналов. К основным факторам, приводящим к возникновению флуктуаций при движении носителя, относятся качание диаграммы направленности акустической системы, вызванное качкой судна, нестабильность амплитуды сигнала, излучаемого в водную среду, образование вблизи поверхности акустической системы воздушных пузырьков и гидродинамических течений [1].

Экспериментальные исследования влияния неоднородного гидродинамического потока на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн показали, что, кроме повышения уровня звукового давления волны разностной частоты (ВРЧ), возникают периодические флуктуации уровня ВРЧ [2, 3].

С целью выяснения физики процесса влияния неоднородного гидродинамического потока и на нелинейное взаимодействие акустических волн был проведен эксперимент, в котором при сохранении пространственных характеристик области существования потока и скорости потока и изменялся минимальный масштаб структуры самого потока. Вначале минимальный масштаб потока оставался неизменным и был равен диаметру трубы, по которой струя воды поступала в гидроакустический бассейн. В рассматриваемом эксперименте перед срезом сопла, на расстоянии 20см от него, была установлена металлическая решетка с размером ячейки порядка 5мм и толщиной звена решетки (толщиной металлической проволоки) 1мм. Размер решетки 50х40 см был больше ширины гидродинамического потока в плоскости, в которой устанавливалась решетка. Это привело к тому, что в данном случае минимальный масштаб неоднородностей в потоке изменился и стал меньше длин волн накачки.

На рис.1 представлены экспериментально измеренные осевые распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты ¥=30кГц, измеренные для различных значений минимального масштаба гидродинамического потока: 1=30мм (кривая1) и 1=5мм (кривая 2). Для сравнения представлена измеренная в отсутствие потока и зависимость осевого распределения амплитуды давления волны разностной частоты (кривая 3). Поток (и=3м/с) располагался на расстоянии 2,5м от поверхности преобразователя. Гидродинамический поток приводит к повышению уровня звукового давления волны разностной частоты. Видно, что изменение минимального масштаба при постоянных остальных характеристиках потока приводит к уменьшению эффективности процесса нелинейного взаимодействия. Наибольшее повышение (11-12дБ) наблюдается в точке пересечения геометрической оси потока и акустической оси антенны. Затем происходит спад уровня звукового давления и за пределами области, связанной с потоком, повышение уровня составляет 4-5дБ. Данное явление согласуется с результатами рассмотрения влияния случайных неоднородностей на поле параметрического излучателя [5], где показано, что на процесс нелинейного