Измерение распределений коэффициента обратного объемного рассеяния в океане с помощью параметрических гидролокационных систем Текст научной статьи по специальности «Физика»

Т---------------1--------------1---------------1--------------1---------------г

Рис.4

Использование аппарата вейвлет-анализа для решения поставленной задачи представляется обоснованным, т. к. одной из главных целей применения вейвлет-анализа является выделение нестационарных характеристик процесса, к которым можно отнести и выделение когерентных компонент сигналов, присутствующих лишь на отдельных временных участках (в случае работы по выделению сигналов от движущихся объектов такая же задача может быть поставлениа и для масштабной области ввиду полного равноправия этих областей).

Рассмотрим функцию следующего вида:

1 п , -

ф(*> т)=-Ё ¥ *(+х,8])-

п и

Данная функция представляет собой усреднение произведения вейвлет-спектра мощности сигнала X на сдвинутый интервал времени т по всем масштабам разложения сигналов & Значок указывает на комплексное сопряжение. При наличии во временной области когерентных составляющих сигнала модуль функции Ф, подобно функции взаимной Рис.5. корреляции, достигает экстремума.

На рис.5 представлен |Ф| как функция времени и временного сдвига. Области повышенной яркости на графике указывают на характерные временнные участки сигнала, имеющие подобные по форме фрагменты во втором сигнале. Проведенная кривая через данные области согласуется и с известными значениями задержек в принятых импульсах. Накладывающаяся сетчатая структура на рис.5 указывает на временной характер последовательности импульсов, близкий к кратному.

Замечание._Подобная же функция может быть построена и для усреднения во временной области,. и для выделения когерентных частотных компонент, сдвинутых в частотной области (за счет, например, движения лоцируемого объекта).

т

200-

С.С. Коновалова

ИЗМЕРЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ОБРАТНОГО ОБЪЕМНОГО РАССЕЯНИЯ В ОКЕАНЕ С ПОМОЩЬЮ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Экспрессные дистанционные методы исследования океана, в которых получение информации о свойствах среды обусловлено характером рассеяния акустиче-

ских волн, приобретают все большее значение в акустике океана. Практически, океан является рассеивающей средой в каждой точке своего объема. Рассеиватели в океане имеют различную природу и обладают различными акустическими свойствами. Сила обратного объемного рассеяния зависит от частоты зондирующего сигнала. Перспективным инструментом исследования акустики океана являются параметрические антенны, обеспечивающие постоянство озвучиваемого объема в широком диапазоне частот. Для достижения максимальной дальности зондирования неоднородностей необходимо решать задачу выбора оптимальных параметров параметрической гидролокационной системы. Не менее важна обратная задача, суть которой состоит в том, чтобы по результатам акустического зондирования водной среды определить характеристики обратного объемного рассеяния.

В данной работе рассматривается методика определения коэффициента обратного объемного рассеяния по результатам экспериментальных измерений объемной реверберации в океане с помощью параметрических гидролокационных систем.

Примеры временных зависимостей сигналов объемного рассеяния, полученные с помощью параметрического эхолота на частотах 30 и 20 кГц, представлены на рис.1а, б.

Методика расчета коэффициента обратного объемного рассеяния в океане разработана на основе решения уравнения гидролокации [1].

1с = 82 1п , или Рс = 5 Рп , (1)

где 1с , Рс - интенсивность и звуковое давление эхо-сигнала в точке приема; 1п , Рп -интенсивность и звуковое давление помех; 5 - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе тракта обработки, которое обеспечивает регистрацию сигнала с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги.

При локации источников объемного рассеяния в безграничной среде интенсивность помех будет определяться в основном шумовой помехой. Интенсивность шумовых помех на рабочей частоте в полосе приемного тракта рассчитывается по формуле

г1 2 10 6

г« = —р-------------, (2)

Е 2 ту гП„г

1 пр

где Б - рабочая частота; упр - коэффициент концентрации приемной акустической антенны; Рпо - эффективное значение акустического давления помехи при стандартных условиях: Г = 1 кГц, М = 1 Гц, упр = 1; т - длительность импульса; с -скорость звука.

Коэффициент распознавания 5 для гидролокационных систем обычно принимают равным:

л/2К,В

(3)

где К5 - коэффициент надежности приема, т.е. минимально допустимое отношение сигнала к помехе на входе индикатора; М - полоса пропускания приемноусилительного тракта; Т - время усреднения сигнала, принимаемое на практике равным длительности зондирующего импульса.

Кроме того, необходимо учитывать влияние неоднородностей, расположенных в зоне нелинейного взаимодействия, на процесс нелинейного взаимодействия и, следовательно, на уровень звукового давления зондирующего сигнала в области исследуемого рассеивающего объема.

Интенсивность объемной реверберации определяется известным выражением:

_ е- 2в

2г61

гор _---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------— е • , (4)

где аор - коэффициент объемной реверберации, характеризующий рассеивающую способность моря; Wа - излучаемая мощность; р - коэффициент пространственного затухания на разностной частоте; 1 - текущее время; пор - коэффициент взаимной направленности, учитывающий влияние направленных свойств излучателя и приемника на уровень интенсивности реверберации.

Расчетное соотношение для вычисления коэффициента обратного объемного рассеяния при измерениях с помощью параметрических гидролокационных систем получено в виде

-,,2 „2 ,А6 ,„0,05гА ,„2 5

2гВ• Р • 10 40 •у • гП • с

'V _ по изл о

0р Б4 • гО• гС•у • Р2. • Р022 • г? • I2 • е 2Х/Ь2 • I2(в,у)гЕ (5)

'пр 01 02 О 4 *7/ ор 4 '

где е - параметр нелинейности; _ ^^4 _ длина области дифракции волны разностной частоты; Ьз = 1/р; Б - разностная частота; О = 2лБ;

I ) _ Уу ехр(-г)а2 , у _ X . й ; в _ ; 1с1Дс2 _ а2ю1>2/2с0 - длина

+ у/В +1(7 - у) 1з 1з 1С11С2

зоны дифракции волн накачки; Р01, Р02 - амплитуды давления волн накачки у поверхности антенны; а - апертура излучателя накачки; у - нелинейный параметр (для воды принимается равным 7,1); ро - равновесная плотность; упр., уил - коэффициент осевой концентрации для приемной и излучающей антенн.

Полученное выражение позволяет определить коэффициент обратного объемного рассеяния по измеренной амплитуде рассеянного сигнала, точнее - по отношению сигнал/помеха.

Используя экспериментальные данные измерений, сделанных в Индийском океане [2], временные зависимости которых представлены на рис.1, рассчитаем распределение по глубине коэффициента обратного объемного рассеяния. Исследования проводились с помощью параметрического гидролокатора. Частота накачки составляла 150 кГц, разностная частота - 30 кГц (см. рис.1а) и 20 кГц (см. рис.1б). Размеры (диаметры) круглых антенн накачки параметрического излучающего тракта и приемной антенны были одинаковыми и составляли 0,3 м. Длительность зондирующего импульса при измерениях была равна 1мс, уровень приведенных шумовых помех 0,005 Па (измерения проводились в дрейфе судна).

2 1

0 -1

-2

2

1 О -1

-2

65,0 69 ,© 73,0 77,0 81,0 85,0 89,0 1,мс

Рис. 1 (а и б). Временные зависимости сигналов объемного рассеяния на частотах 30

и 20 кГц

| .................................................................................................*|

Значения отношения сигнал/помеха для реализаций, приведенных на рис. 1а, б, соответственно, для разностных частот 30 и 20 кГц, использовались в качестве исходных данных для вычисления зависимости коэффициента обратного объемного рассеяния от глубины расположения рассеивающего объема. На рис.2 приведены расчеты для коэффициента рассеяния на частоте 30 кГц, на рис.3 - соответствующие результаты для частоты зондирующего сигнала 20 кГ ц. Полученные характеристики показывают существенное различие распределений коэффициентов обратного объемного рассеяния по глубине океана (на графиках - это зависимости от времени распространения сигнала) для разных частот. На частоте 20 кГц общий уровень реверберации выше и наблюдается несколько иной характер зависимости, отличающийся большим числом флюктуаций коэффициента рассеяния, обусловленных, по-видимому, присутствием в рассеивающем объеме дискретных рассеивателей резонансного типа, например мелких пузырных рыб. На частоте 30 кГц получена более плавная зависимость с одним незначительным выбросом относительно общего фона

Рис.2. Временные зависимости коэффициентов объемного рассеяния на частоте

30 кГц

60 65 70 75 80 85 ^ мс

Рис. 3. Временные зависимости коэффициентов объемного рассеяния

на частоте 20 к Гц

Следует отметить, что в данном случае рассматриваются отдельные одиночные реализации реверберационного сигнала. Обычно анализ характеристик рассеяния проводят на основе усреднений по большому ансамблю реализаций.

Представленная методика и результаты расчетов демонстрируют возможность автоматизации процесса измерения коэффициента обратного объемного рассеяния в океане. Широкополосные параметрические антенны с одинаковой направленностью на всех используемых для измерений частотах обеспечат получение полной характеристики рассеивающего объема океана в реальном времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СташкевичА.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. С. 354.

2. Житковский Ю.Ю., Котляров В.В., Кузнецов В.П., Тарасов С.П., Тимошенко В.И.

Исследование объемного рассеяния звука в океане параметрическим гидролокатором // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т.305. №4. С. 970-973.

И. А. Кириченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА НА СПЕКТР ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ

В процессе взаимодействия исходных волн накачки в среде, движущейся со скоростью и, образование вторичного поля акустических волн имеет более сложный характер, чем взаимодействие в неподвижной среде: происходит изменение длин волн накачки и волн, образуемых в результате нелинейного взаимодействия. Результаты решений задачи о взаимодействии монохроматических и шумовых волн показали, что их спектры претерпевают искажения и происходит перераспределение энергии как в область низких частот, так и в область высоких [1-4].

Теоретические и экспериментальные исследования влияния гидродинамического потока, находящегося в ближнем поле параметрической антенны, на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн показали, что движение среды приводит к появлению комбинационных волн с отличающимися частотами [5], в характеристике направленности параметрической излучающей антенны появляются дополнительные максимумы [6,7], происходит изменение уровня звукового давления волны разностной частоты в области, связанной с гидродинамическим потоком [8].

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния потока жидкости на спектр вторичного поля параметрической антенны. При измерении поля скорости гидродинамического потока использовался измеритель скорости течений, позволяющий определять среднюю скорость натекающего потока с точностью до 10%. Измерение поля скорости потока проводилось для различных режимов работы устройства формирования гидродинамического потока. Поскольку условия измерений в гидроакустическом бассейне отличаются от измерений в безграничном пространстве, то первоначально была проведена оценка временного интервала, в течение которого характеристики потока можно считать постоянными. Временной границей было выбрано время Т = 10мин. Оно определяет момент наступления циркуляции воды в гидроакустическом бассейне, что приводит к изменению границ потока. Была проведена оценка спектра шума, возбуждаемого гидродинамическим потоком в измерительном бассейне. Основные спектральные составляющие шума сосредоточены в низкочастотной области до 2 кГц. При этом наибольшая интенсивность наблюдалась на дискретных частотах ниже 1 кГц. На рис.1 показана геометрия эксперимента, где 1- преобразователь накачки параметрической излучающей антенны, 2 - низкочастотный приемный гидрофон, расположенный за пределами потока жидкости, 3 - низкочастотный гидрофон, расположенный в потоке жидкости, 4-гидродинамический поток.