Измерение координат заиленных объектов Текст научной статьи по специальности «Физика»

именно различием в строении скелета озвучиваемой среды и соответственно различными реакциями его на акустическое воздействие. Так например, амплитудный разброс для акустически жесткой среды значительно меньше, чем для акустически упругой. Это может объясняться тем, что скелет жесткой структуры под воздействием звуковых колебаний не претерпевает столь значительных изменений, сколь это может наблюдаться в эластичной раме, за счёт чего обеспечивается большее постоянство параметров среды.

Знание таких особенностей оказывает существенную помощь в трактовке и обработке результатов акустического зондирования донных грунтов, а возможности данной математической модели позволят просчитать реакцию большинства интересующих исследователя сред на акустическое воздействие ещё до проведения измерений, что существенно облегчит его работу и улучшит результаты обработки проводимых исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Acoustics, elasticity, and thermodynamics of porous media / twenty-one papers by Maurice Anthony Biot; Ivan Tolstoy, editor. Acoustical Society of America, 1992,. 267 p.

2. Allard J.F. Propagation of sound in porous media: modeling sound absorbing materials. London and New York: Elsevier science publishers LTD, 1993. 285 p.

А.Г. Ишутко

ИЗМЕРЕНИЕ КООРДИНАТ ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Определение гидролокационными методами координат заиленных объектов представляет собой значительно более сложную задачу, чем определение координат таких же объектов, но расположенных в толще воды или на дне[1].

Это обусловлено тем, что результаты измерений временных и пространственных характеристик эхо-сигналов от заиленного объекта зависят не только от его координат и скорости звука в воде Со, но и от акустических параметров осадков, в толще которых он находится:

- скорости звука Сд или коэффициента преломления =________;

- коэффициента поглощения энергии звука Рд и его зависимости от частоты;

- плотности осадков рд;

- изменения Сд, Рд, рд от расстояния до границы вода - дно;

- пространственных (объемных) флуктуаций Сд, Рд, рд;

- случайных неровностей границы вода - дно.

При локации измеряются: время запаздывания t эхо-сигнала относительно начала излучения зондирующего сигнала и направление прихода эхо-сигнала (в сферической системе координат - углы ф, 0). При заиленных целях ^ ф, 0-функции от горизонтальных координат цели хц, уц и глубины И ее погружения в осадки, горизонтальных координат антенны (ее центра) хА, уА и ее высоты Н над дном, вектора скорости

движения V антенны (носителя гидролокатора), параметров среды С0, Сд, рд, Рд и случайных функций £, п, обусловленных неровностями границы вода - дно и объемными флуктуациями акустических характеристик осадков.

Математически задача нахождения координат цели сводится к задаче решения системы трех уравнений вида

( г )—

( - )-о! (1)

( г )- о

с тремя неизвестными - хц, уц, И, где хА, уА, НА, V - данные навигационных систем носителя, считающиеся известными.

В большинстве реальных ситуаций информация о значениях акустических параметров осадков в районах, где производится поиск целей, отсутствует. Поэтому система (1) не может быть решена однозначно.

Из перечисленных выше параметров осадков наибольшую роль имеет Сд, а влияние рд, Рд, 4, П проявляется около углов падения 0, близких к критическому 0кр.

Поскольку вероятность обнаружения цели при этих углах резко падает, погрешности измерения координат цели при 0~0кр не имеют существенного значения. Вследствие этого можно в (1) пренебречь Рд, Рд, 4, П.

Если наибольшие расстояния до цели не превышают нескольких сот метров, можно пренебречь влиянием перемещения носителя гидролокатора за время одного

цикла излучение-прием и принять V — 0 .

В результате этого систему (1) можно заменить более простой:

( )— , (2)

Ф3 ( Хц , (ц , h, ХА , Уа , НА , п) — 0.

При принятых предположениях геометрию ситуации можно представить в лучевом приближении в виде рис.1а - в, где а - аксонометрия, б - проекция на горизонтальную плоскость координат ХОУ, в - проекция на вертикальную плоскость, в которой лежат волновые векторы падающей, преломленной и отраженной волны.

На рис.1 А - точка расположения центра антенны ГЛС, ОА=Н - расстояние до дна; М - точка, где расположена цель хц, уц,, ее горизонтальные координаты, И - глубина погружения цели в осадки. Линия АВМ - траектория распространения зондирующего сигнала от антенны до цели и обратно.

АВ=гВ - расстояние, которое зондирующий сигнал проходит в воде, В - точка входа этого сигнала в осадки, ВМ=Гд - расстояние, которое зондирующий сигнал проходит в толще дна до цели, ОМ'=гг - горизонтальное расстояние до цели.

Из рис.1 видно, что

С учетом закона Снелиуса [2]

Г-

(3)

(4)

где

Из (3), (4) получаются рабочие алгоритмы определения координат цели:

—------------ ; (5)

V г 1 • (6)

— <Р . (7)

г —

В (3) - (5) входит коэффициент п, истинное значение которого неизвестно и формально может быть взято произвольным. Однако погрешности определения гг и И будут тем меньше, чем ближе взятое значение п к истинному, поэтому возникает вопрос выбора реалистичного значения п. В простейшем случае можно принять п=1. Это физически оправдано, поскольку заиливание происходит наиболее интенсивно при полужидких осадках, а акустические параметры таких осадков близки к соответствующим параметрам воды.

Рис. 1

а

Как известно, погрешности Дгг, Дхц, Дуц, ДИ оценок искомых координат связаны (в линейном приближении) с погрешностями Дг, Дф, Д0 измеряемых величин

1, ф, 0 соотношениями

_ д ; _ д ; _ д ;

д ’ ф дф ' ’ дф '''

д д д ф;

дф д д

Аналогично определяется погрешность, обусловленная отклонением Дп истинного значения п от принятого в расчетах:

_ д ~~ .

Из (5) — _ ■

д

а

д

дф

д

~д~~

дф

<Р\

дф

<Р\

б

в (8)

Или с учетом (5)

д—_1.

1^1

или с учетом (5)

д

д

д

/

Аналогично, из (6)

С,

о •

Г-

г-

- +

(9)

д_

д

д_

д

д_

д

Если Д\, Дф, Д0 - случайные погрешности измерений и они статистически независимы, то среднеквадратические погрешности измерений горизонтальной

дальности гг и глубины погружения И определяются выражениями

дгг

дф

аф +

дгг

30

2

а0 +

дгг

дН

аН +

дгг

дп

а? _

а2 +

2

а0 +

(1о)

(11)

где сф, с0, сн - среднеквадратические погрешности измерения времени прихода

эхо-сигнала, углов ф и 0, высоты Н антенны над дном; сп - погрешность, обусловленная среднеквадратической погрешностью выбора п.

Наглядное представление о количественных значениях и относительном влиянии погрешностей Д\, Дф, Д0, Дп на погрешности Дгг, Дхц, Дфц можно получить из следующего примера. Пусть

- глубина места Н=100 м;

- глубина погружения цели в осадках И=1 м;

-ожидаемое значение коэффициента преломления п=0,8 (соответственно, критический угол падения 0кр=53,1°);

-пеленг на цель ф=0;

-диапазон измерений: от 0тт=1О° до 0тах=0кр-О,5 (этим углам соответствует диапазон горизонтальных дальностей от ггортш~18 м, до ггтах~140 м);

д

д

)

г

д

д

д

д

д

д

е

а

д

2

б

в

г

2

2

2

-погрешности измерений Д1=0,2 мс; Дф=1°; Д0=3°; ДН=0,5 м; возможна ошибка в п: Дп=-0.2;

тогда расчет по формулам (8), (9) дает при гг=18 м: Дг4=0,5 см; Дуф=0,31 м,

Дгг0=5,2 м; ДггН=2 см; Дггп=0,54 м; при гг=140 м Дг4=0,19 см; Дуф=2,4 м,

Дгг0=0,9 м; ДггН=0,15 см; Дггп=2,4 м.

Из этих данных видно, что для получения погрешностей порядка единиц метров необходима достаточно высокая точность измерения угловых координат.

Технически алгоритмы (5) - (7) могут быть реализованы различными способами. Выбор способа непосредственно связан с тем, что измерение координат цели является частью более общей задачи-поиска. Задача измерения координат логически и функционально связана с остальными составляющими: задачами обнаружения, пространственного разрешения и классификации (распознавания).

Поэтому требования к точности измерения координат цели, ограничения на время измерений, технические ресурсы и т. п. определяются заданием режима поиска и устанавливаются с позиции оптимизации метрологических характеристик гидролокатора применительно к этому режиму. При этом оптимизация алгоритмов и технических средств для решения составляющих задач может производиться только тогда, когда это не препятствует оптимизации метрологических характеристик гидролокатора к общей задаче.

Это наглядно видно из сравнения следующих режимов поиска: так называемого свободного поиска и мониторинга.

В первом случае гидролокатор входит в состав оборудования судна для поиска и поднятия на поверхность (или уничтожения) таких объектов, как "черные ящики" летательных аппаратов, затонувшие головки ракет или приборные контейнеры космических аппаратов, контейнеры с ценными грузами или опасными веществами, мины и т. п.

Обнаружение целей и измерение координат должны осуществляться одновременно или, в крайнем случае, при возможно малом смещении во времени и при произвольном маневрировании судна относительно объекта поиска.

При этом погрешности измерения координат должны уменьшаться по мере приближения к цели или, по крайней мере, не возрастать.

В рассматриваемой ситуации вероятность того, что рядом с искомой целью окажется посторонний предмет, сравнительно невелика, поэтому к разрешающей способности гидролокатора не предъявляется повышенных требований.

Однако при свободном поиске оказывается необходимым осуществлять классификацию обнаруженных объектов. Вид и параметры зондирующих сигналов, оптимизированные для решения этой задачи, могут оказаться не оптимальными для измерения координат цели.

Необходимость проведения таких операций может возникнуть в самых различных районах Мирового океана в широком диапазоне физических условий - скорости звука в воде и в грунте, его плотности, рельефа дна, пространственной и временной (сезонной, температурной и др.) изменчивости этих факторов и т.п.; априорная информация об акустической обстановке оказывается в большинстве случаев недостаточно полной и достоверной, поэтому может быть значительным влияние погрешности, обусловленной незнанием скорости звука в осадках.

В этой ситуации представляется наиболее логичным применение многолучевой системы, обеспечивающей пространственную избирательность в горизонтальной и вертикальной плоскости одновременно. При этом, для обеспечения беспропускного режима обнаружения целей и измерения их координат при изменении курса судна-носителя при маневрировании на ±20° и погрешностей, близких к приведенным в примере, нужно число каналов (лучей) порядка 150-200. Создание такой системы связано с рядом достаточно сложных технических проблем. Их обсуждение выходит за рамки настоящей работы.

Мониторинг в данном случае - это периодический осмотр дна данной акватории - порта, прибрежной территории, промышленных объектов, атомных электростанций и т. п. Роль такого мониторинга становится в последние годы все более важной, особенно в связи с активизацией мирового терроризма. Главной задачей мониторинга является проверка того, что в контролируемой зоне не появились новые объекты, не зафиксированные в предыдущих сеансах. При обнаружении таких объектов их дальнейшее исследование - классификация, точное определение координат и т. п.

- не входят в задачи мониторинга. В соответствии с этим гидролокаторы для мониторинга должны иметь высокую производительность поиска, обеспечивать высокую вероятность обнаружения заиленных объектов и высокое пространственное разрешение этих объектов. При этом к точности определения координат представляются менее жесткие требования, чем при режиме свободного поиска.

Вследствие этого оказывается возможным применение более простых алгоритмов и техники для измерения координат обнаруженных целей.

Более подробный анализ влияния режима поиска на метрологические характеристики и технические решения тракта измерения координат целей требует отдельного рассмотрения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике Л.: Судостроение, 1988. 288 с., ил.

2. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978. 448 с. ил.