CC BY
44
- возможность накопления опыта программистов в проектировании и программировании прикладного ПО для МВС ЦОС.
К ВОПРОСУ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПЕДАНСА ГРАНИЦ РАЗДЕЛА А. Н. Куценко
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Знание акустического импеданса границы раздела весьма важно при решении различного рода задач гидроакустики. Это могут быть как задачи классификации обнаруженных объектов, донных структур, так и задачи конструкторского плана -подбор материалов рефлекторов, экранов и других элементов конструкций антенн. На сегодняшний день существует как минимум два способа измерения комплексного импеданса границы раздела [1, 2, 3]: метод стоячих волн (интерференционный метод) [1, 2] и метод измерения коэффициента отражения при использовании сложных сигналов [3]. При использовании интерференционного метода зондовый гидрофон помещают вблизи границы раздела, где он одновременно принимает прямой сигнал от удаленного излучателя и сигнал, отраженный от границы раздела. Для этого используют непрерывный сигнал или длинные импульсы. Гидрофон измеряет с учетом фаз сумму падающего и отраженного звуковых давлений. По измеренным величинам максимумов и минимумов в образовавшихся стоячих волнах судят о величине импеданса границы раздела. Интерферометрический метод позволяет с высокой точностью измерять модуль и фазу импеданса границы раздела. Однако для проведения таких измерений необходимо выполнение ряда условий, которые практически выполняются только в измерительных трубах. Это накладывает ряд ограничений при использовании данного метода: ограничения, обусловленные условиями проведения измерений (данный метод может быть использован только в лабораторных условиях), а также частотное ограничение. Например, для проведения измерений в воде на частоте 1 кГц необходимо, чтобы диаметр измерительной трубы был меньше 88 см, для проведения измерений на частоте 10 кГц диаметр должен быть меньше 8,8 см, а для частоты 100 кГц - меньше 0,88 см.
Одной из модификаций импульсного метода является метод, использующий многочастотные сигналы. Простейшим из этих методов является двухчастотный метод [3]. Здесь излучаются две кратные частоты с определенным соотношением фаз. Этот метод позволяет с достаточной степенью точности измерить фазу импеданса границы по измеренной разности фаз двух кратных по частоте волн. Амплитуда коэффициента отражения определяется аналогично, как это делается в амплитудном методе. Сложность исполнения такого метода измерения заключается в необходимости использования широкополосных излучателей звука, реализация которых в традиционном исполнении наталкивается на ряд трудностей.
Оба этих метода (а также и импульсный метод) определения коэффициента отражения обладают существенным недостатком, который заключается в наличии дифракционного сигнала, который может в значительной мере искажать результаты измерений [3]. Появление дифрагированных волн может быть исключено использованием высоко направленных источников звука, в качестве которых могут использоваться параметрические излучатели звука (ПИ).
Можно модифицировать импульсный метод измерения, введя в качестве излучателя ПИ. Однако в этом случае необходимо, чтобы граница раздела находилась
на расстояниях, больших протяженности области взаимодействия волн накачки. Эта модификация импульсного метода в настоящее время широко используется при работе параметрических профилографов в натурных условиях. Широкополосность подобных систем позволяет использовать сложные зондирующие сигналы. На основе свойства широкополосности могут быть построены системы с использованием описанного выше двухчастотного метода измерения комплексного импеданса границы. Однако системы, использующие многочастотные сигналы, могут обладать достаточно высокой погрешностью, обусловленной частотной зависимостью акустических характеристик осадков.
В случае наличия отражающей границы раздела в области взаимодействия волн накачки ПИ модуль и фаза импеданса границы раздела будут в значительной степени изменять пространственное распределение звукового давления волны разностной частоты (ВРЧ). И по этому изменению пространственного распределения звукового давления ВРЧ можно оценить модуль и фазу импеданса границы раздела. В работе [4] были проведены теоретические исследования влияния импедансной границы раздела на пространственное распределение звукового давления ВРЧ. Были проведены исследования изменения пространственного распределения звукового давления ВРЧ при изменении импеданса границы раздела, а также взаимного положения излучателя накачки ПИ и границы раздела. Эти исследования проводились на примере осевых распределений звукового давления ВРЧ ПИ, где была выделена характерная точка, координаты которой, как оказалось, зависят от параметров, характеризующих импедансную границу и взаимное расположение границы раздела и излучателя накачки ПИ. Поэтому, измеряя координату характерной точки в осевом распределении звукового давления ВРЧ ПИ, и зная взаимное расположение границы раздела и преобразователя накачки ПИ, можно с достаточно высокой точностью определить модуль и фазу импеданса границы раздела [4].
На практике проведение измерений осевого распределения звукового давления ВРЧ ПИ является затруднительным. Наиболее удобно проводить измерения поперечного распределения звукового давления ВРЧ ПИ. Очевидно, что на фиксированном расстоянии от границы раздела характер поперечного распределения звукового давления ВРЧ ПИ будет зависеть от модуля и фазы импеданса границы раздела. Таким образом, именно по характеру поперечного распределения достаточно точно можно определять комплексный импеданс границы раздела.
Были проведены экспериментальные исследования поперечного распределения звукового давления волны разностной частоты при наличии в области взаимодействия, на расстоянии «1,5-1д, различных границ раздела (рис. 1). Здесь кривые приведены для расстояния от преобразователя накачки «2-1д, при излучении ВРЧ частотой 100 кГц. На рис. 1 кривая 1 соответствует случаю наличия, в области взаимодействия волн накачки, границы раздела вода-воздух, кривая 2 - границе раздела вода-пенопласт (ПС-100), кривая 3 - границе раздела вода-дерево, кривая 4 - границе раздела вода-сталь (ст. 35), кривая 5 - границе раздела вода-олово, кривая 6 - границе раздела вода-дюралюминий, кривая 7 - границе раздела вода-резина. Все кривые нормированы относительно своих максимальных значений. Видно, что при проведении измерений на одном расстоянии от границы раздела кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ после отражения различны для разных границ раздела. Таким образом, зная расстояния от излучателя накачки до границы раздела и от границы раздела до точки, в которой производятся измерения, можно с достаточной точностью прогнозировать величины модуля и фазы коэффициента отражения. Эти измерения можно проводить на разных частотах, таким образом, получая частотные зависимости модуля и фазы коэффициента отражения и соответственно акустического импеданса исследуемой границы раздела.
и/ии
0.8
0.6
0.4
0.2
✓ у ✓ * / АГ /г уУ _ Д. •\\ Л>Г>~ У\ ч \\\ \\ \ N Ч
/ / / // / II * 1 / В 1 / / 1 * Ч \ В V п п І: / \ \ / * \ а \\ \\ \ ' V \ \ \ \ у N \ V N V
/ / / / / і 1 / /і ' /У ! /1 /7 \*х \ \\' \ V у \
І / / / > // / / / / / / // . ./ Г // // // / / — / — 2 - - 3 \ V'. \ \ Ч \ \ \ Л ' \\ \ '-V \
/ 5 7 1 хч’"1
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 х.мм
Рис. 1. Кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧПИ при наличии в области взаимодействия волн накачки различных границ раздела: кривая 1 - для границы раздела вода-воздух; кривая 2 - вода-пенопласт; кривая 3 - вода-дерево; кривая 4 - вода-сталь; кривая 5 - вода-олово; кривая 6 - вода-дюралюминий; кривая 7 - вода-резина
и/ишх
0.8
0.6
0.4
0.2
1 Г\1 ( р ч V- \
/ 1 11 і і '\ \
/ /■' 7 \\ \\ Ч\ V
/ // // ■у — і \\ N
7 — 2 — 3 V Ч
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 х.мм
Рис. 2. Кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ ПИ при наличии в области взаимодействия волн накачки абсолютно мягкой границы раздела: кривая 1 - для частоты ВРЧ50 кГц; кривая 2 для частоты ВРЧ 100 кГц; кривая 3 - для 130 кГц
На рис. 2 приведены экспериментально полученные кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ ПИ после отражения от абсолютно мягкой границы раздела, находящейся на расстоянии «1-1д от излучателя накачки. Кривые были сняты на расстоянии «1,3-1д от излучателя накачки. Здесь кривая 1 соответству-
ет частоте ВРЧ 50 кГц, кривая 2 - 100 кГц, кривая 3 - 130 кГц. Видно, что при изменении частоты изменяется и характер поперечного распределения звукового давления ВРЧ. По характеру этих кривых можно проводить измерения частотных зависимостей импедансных характеристик исследуемых объектов.
Таким образом, ПИ можно использовать как инструмент измерения комплексного импеданса границы раздела. Неоспоримым преимуществом этого метода измерения комплексного импеданса является то, что здесь нет необходимости проведения абсолютных измерений. Это позволит значительно упростить измерительную аппаратуру.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. КолесниковА.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1970. - 238 с.
2. Колесников А.Е. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1993. -256 с.
3. Авторское свидетельство №1196754 «Устройство для измерения коэффициента отражения образцов» В.Н. Максимов, В.Ю. Волощенко, В.И. Тимошенко В.И.
4. Куценко А.Н. О возможности дистанционного определения импеданса донных отложений // Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Экология 2004 - море и человек». - Таганрог, 2004. №6. - С.85-88.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ОБЪЕКТОВ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ПОДВОДНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Е. Л. Шейнман
ФГУП «ЦНИИ "Морфизприбор"», г.Санкт-Петербург
При создании интегрированных систем подводного наблюдения (ИСПН) возникает задача идентификации (отождествления) сигналов, обнаруженных системами наблюдения, находящихся на значительных расстояниях друг от друга. В общем случае системы наблюдения независимы друг от друга и могут иметь различные собственные скорости и курсы.
Алгоритм идентификации сигналов, обнаруженных разнесенными системами, должен учитывать перечень информации, вырабатываемый этими системами. В настоящее время идентификация сигналов объектов производится только в тех случаях, если:
• имеется оценка дистанции хотя бы в одной из систем, что позволяет пересчитать координаты объекта к центру второй разнесенной системы;
• объект находится на большом расстоянии от обеих рассматриваемых систем, что приводит к близким значениям пеленга объекта, обнаруженного в двух системах, и позволяет проводить идентификацию по совпадениям пеленгов.
Для такой идентификации достаточно разового обнаружения объекта в двух системах. Можно показать, что решение задачи идентификации сигналов объектов в разнесенных системах наблюдения, при отсутствии оценки дистанции в этих системах, возможно при наличии нескольких последовательных обнаружений объекта и, соответственно, нескольких оценок пеленга.
При наличии большего числа разнесенных систем обнаружения (более двух) задача идентификации может быть решена и при разовом обнаружении объекта одновременно во всех разнесенных системах.
