CC BY
46
УДК 534.222.2
ЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННОЙ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ПОДВОДНЫХ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА
© 2008 г. В.Ю. Волощенко1, В.И. Тимошенко2
Таганрогский технологический институт Technological institute of Southern federal university
Южного федерального университета 347928, Taganrog, GSP-17A, Nekrasovskiy, 44
347928, г.Таганрог, ГСП-17А, Некрасовский, 44 'yvoloshchenko@yandex.ru
'yvoloshchenko@yandex.ru, 2egamt@fep.tsure.ru
2egamt@fep.tsure.ru
Рассмотрена структурная схема и результаты испытаний эхо-импульсного локатора с параметрической излучающей антенной, в котором для распознавания и классификации подводных границ раздела используются фазовые признаки эхо-сигналов исходных частот и формирующихся в воде вторых гармоник.
Ключевые слова: параметрическая антенна, классификация границ раздела, фазовые признаки эхо-сигналов кратных частот.
The echo-impulse sonar's structural scheme with the parametric transmitting array and results of it's testing for the underwater interfaces identification by phase features of multiple frequency echo-signals are considered.
Keywords: parametric antenna, classification of interfaces, phase signs of the echo-signals of the multiple frequencies.
В настоящее время одним из важных направлений развития акустических локационных систем является разработка и модернизация средств распознавания и классификации объектов. Существуют локационные устройства, в которых для различения акустического сопротивления объектов используются фазовые признаки эхо-сигналов кратных частот, при этом излучение локационных сигналов осуществляется с помощью «линейных» интерференционных антенн, обладающих большим уровнем бокового излучения и существенными флуктуациями амплитудного и фазового распределений для формируемых акустических полей [1]. Следующим шагом в развитии таких локационных систем является использование для лоциро-вания и классификации фазосвязанных акустических сигналов с кратными частотами, формирующихся в водной среде при использовании параметрической антенны (ПА) [2]. В данном случае положительным является то, что с помощью излучающей ПА можно сформировать фазосвязанные акустические сигналы кратных частот как в низкочастотном (НЧ) диапазоне (сигналы разностной частоты), так и в высокочастотном (ВЧ) (сигналы накачки и их высшие гармоники).
Ряд авторов предлагает для классификации подводных заиленных объектов по фазовым признакам эхо-сигналов использовать ПА в режиме излучения амплитудно-модулированного колебания (АМК), формирующую в результате нелинейного взаимодействия в воде данных сигналов накачки волну разностной частоты (ВРЧ), включающую в себя две фазосвя-занные составляющие кратных частот Б и 2Б [3-5]. Однако использование в локационных устройствах фазосвязанных акустических сигналов кратных частот, формируемых излучающей ПА в НЧ диапазоне, ограничено проблемой осуществления направленного приема эхо-сигналов.
Между тем одним из перспективных направлений проектирования устройств для различения акустического сопротивления границ раздела по фазовым признакам эхо-сигналов является использование локационных систем с ПА в режиме излучения как бигармонического, так и монохроматического сигнала накачки [6]. В данном случае наряду с генерацией ВРЧ в водной среде формируется вторичное высокочастотное излучение -сигнал суммарной частоты (ССЧ) . Вторые гар-
моники сигналов накачки 2:^ обладают следующими характеристиками: 1) высокой эффективностью генерации компонент вторичного высокочастотного излучения по сравнению с генерацией ВРЧ; 2) малым уровнем боковых лепестков в ХН; 3) повышенной (в 1,5 - 2 раза) направленностью формирующегося вторичного высокочастотного излучения по сравнению с направленностью главного максимума преобразователя накачки на исходных частотах и на ВРЧ Р=:2-Г1 ; 4) широким диапазоном частот вторичных акустических сигналов; 5) кратностью частот и фазовой связи распространяющихся в водной среде вторичных 2:12 и первичных 11,2 акустических сигналов. Использование данных сигналов в качестве локационных может быть перспективным при реализации режима прецизионной ближней локации, причем направленный прием вторичных высокочастотных эхо-сигналов можно осуществить традиционным способом.
Параметрический локатор для классификации подводных объектов по фазовым признакам эхо-сигналов и результаты его лабораторных испытаний описаны в [7]. Устройство (рис. 1) работает следующим образом. Синхронизатор 1 (рис. 2) запускает осциллографы 13, 14, а также генератор 2, вырабатывающий радиоимпульс и1 с частотой заполнения : =250 кГц и длительностью, регулируемой в пределах 0,5 - 10 мс.
Рис. 1. Структурная схема параметрического локатора для обнаружения и классификации подводных объектов
Рис. 2. Эпюры напряжений в различных точках структурной схемы параметрического локатора
С выхода усилителя мощности 3 этот радиоимпульс поступает на преобразователь 4, излучающий в водную среду с акустическим сопротивлением 2ср акустический сигнал с частотой 250 кГц, форма которого при распространении в нелинейной водной среде будет искажаться, т.е. генерироваться акустические сигналы высших гармоник с частотами 500, 750, ...кГц, жестко связанные между собой по фазе. Интенсивный акустический сигнал основной частоты при распространении в водной среде изменяет ее свойства, искажается его форма, что можно рассматривать как генерацию высших гармонических составляющих с частотами 2£ 3£ 4£ ...,п£ у которых акустические поля обладают интересными пространственными характеристиками - ширина главного максимума излучения и уровень бокового поля для вторичных акустических сигналов уменьшаются, причем при увеличении порядкового номера гармоники данные эффекты проявляются в большей степени.
Такой многочастотный сигнал и2 отражается от близкорасположенных объектов 15 и 16, материал которых имеет акустические сопротивления 2об1 и 2об2, и его первая и вторая гармоники (250 и 500 кГц) принимаются преобразователями 5 и 6 соответственно. Акустические преобразователи 5, 6 соединены через резо-
нансные усилители 7, 8 и ограничители 9, 10 с входами фазового детектора 12, причем сигнал основной частоты 250 кГц - через удвоитель частоты 11. При отражении от акустически «жестких» объектов (Zo61 > Zcp, Zo62 > Zcp) не происходит фазового сдвига на я радиан для гармонических составляющих сигнала U2, в результате чего электрические сигналы U5, U4 син-фазны, и видеоимпульсы U6, вырабатываемые фазовым детектором 12, имеют положительную полярность. Если же отражение происходит от акустически «мягкого» объекта 15, находящегося на фоне акустически «жесткого» объекта 16, то при отражении от объекта 15 происходит изменение фазы сигнала на 180", в результате чего электрические сигналы U5', U4' для этого объекта противофазны (при удвоении по частоте электрического сигнала U3' удваивается и его фазовый сдвиг, который становится равным 360" или 0"), и видеоимпульс U6' для этого объекта имеет отрицательную полярность. Для акустически «жесткого» объекта 16 видеоимпульс U6' сохраняет положительную полярность. Таким образом, по полярности сигнала U6 и U6' можно судить об акустическом сопротивлении материалов лоцируемых объектов. В устройстве возможна установка в обоих каналах временных селекторов с генераторами селектирующих импульсов для того, чтобы до ограничения эхо-сигналов U3, U4 и U3', U4' иметь возможность произвести временную селекцию их частей, имеющих наибольшую амплитуду и соответствующих отражению от зеркальных точек объекта. Неодинаковые постоянные фазовые сдвиги, возникающие при прохождении сигналов U3, U4 и U3', U4' через электронные цепи локатора, устранялись при калибровке устройства путем введения в один из каналов фазосдвигающей цепочки.
В излучающем тракте в качестве исходного преобразователя накачки 4 применен круглый (радиусом a = 5 см) плоский преобразователь с близким к гаус-совому [6] распределением амплитуды звукового давления у излучающей поверхности р0« 0,5Т05 Па, что соответствует удельной акустической мощности 1а~ 0,07 Вт/см2 для исходной волны. Преобразователь накачки, для которого длина ближней зоны дифракции накачки составляла 1д ~ 0,47 м, формировал первичное и вторичное акустические поля со следующими характеристиками: уровнем звукового давления сигнала, приведенного к расстоянию 1 м от преобразователя с учетом пространственного затухания PnpiM.f,» 0,23ТО5 Па-М и Рпр1м(2^ 0,028-105 Па-м; шириной характеристики направленности по уровню 0,7 26,Х7([П1Ш » 4,3" и 20,„(2flmjI ~ 3'' Осевые распределения амплитуд звуковых давлений сигнала накачки с частотой f и его второй гармоники 2f, формируемые в водной среде преобразователем 4, представлены на рис. 3.
Из них следует, что для сигнала второй гармоники на расстоянии z ~ (1,4 1,6)1д = (0,65 0,75) м амплитуда звукового давления достигает максимума, что обусловлено как убылью энергии волны накачки, так и поглощением сформировавшегося вторичного сигнала, его дифракционной расходимостью.
Оценим для излучающего преобразователя 4 относительное влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на исходные волны первичного поля накачки, рассчитав безразмерные величины -параметр Хохлова N = 1р/1д = 36; число Рейнольдса Яе = 1з/2е1р = 1,4; параметр Г= 1р/13 =0,0974; параметр Заболотской N3 = 8/Ы = 0,23, где 1р = р0с03/е(В(;р0 - расстояние образования разрыва плоской волны с частотой о» = 2тгГ. рад/с, и амплитудой звукового давления Р0, Па, у поверхности излучателя; 1д = а2со/2с0 - длина области дифракции Френеля для волны накачки с центральной частотой о», рад/с; 13 = 1/2(3(8 - расстояние затухания акустической волны накачки, м.
ет (— V КС г iej 5HV ент (•,♦) —
расч
- ?г
---* *-'
0,4 0,6 1,0 2 4 6 10
Рис. 3. Осевые распределения амплитуд звуковых давлений сигнала накачки с частотой 1 = 250 кГц и его второй гармоники 2 Г = 500 кГц
Для пресной воды коэффициент затухания р, Нп/м, связан с частотой £ с4, уравнением р = 0.2765/НГ^/Г1/ Из расчетных величин можно сделать вывод о том, что преобразователь накачки работает в слабо нелинейном режиме, соответствующем физической модели ПА в режиме генерации вторичных высокочастотных сигналов комбинационных частот [6], в котором предполагается малость нелинейных эффектов (Ы> 10) в среде распространения (т.е. нелинейность среды не оказывает существенного влияния на поведение исходных волн накачки).
Для рассматриваемого устройства [7] необходимо располагать информацией о фазовых характеристиках для первичного (1) и вторичного (21) акустических полей. Здесь термин «пространственная фазовая характеристика сигнала» описывает дифракционный фазовый сдвиг, приобретаемый соответствующим сигналом при распространении из ближней в дальнюю зону антенны, т.е. характеризует трансформацию квазиплоской волны соответствующей частоты у поверхности излучателя в расходящуюся квазисферическую на определенном расстоянии от него. Общие выражения, позволяющие проанализировать и графически отобразить распределение и эволюцию дифракционной фазы в первичном и вторичном акустических пучках, имеют вид [6]
Ф^.Г) = - гхгн/а2х(1 + 7^-) + агйя ^ , (1)
ф2^г,г)=л/2 - 2гхгн/а2х(1+ т^') + аг&ё гн-- аг^аг^ /„/0.5x111(1 + /,,2)|. (2)
где ъ, г -продольная (/ > 0) и поперечная (-<х>< г <со) координаты в акустическом пучке; /,, = у А;. 1д = а2ю/2со -расстояние дифракции волны накачки с частотой Г = <в/2л; а - ширина акустического пучка.
Пространственное распределение дифракционной фазы первичного и вторичного акустических полей поперек и вдоль оси пучка показано на рис. 4.
На нем для фиксированных величин безразмерной продольной координаты ън (отмечены отрезками вертикальных линий) нанесены расчетные кривые, отображающие форму волновых фронтов. Величины горизонтальных отрезков, заключенных между точкой пересечения расчетной кривой и указанного вертикального отрезка с осью гн, количественно характеризуют значения осевого дифракционного фазового сдвига, не зависящего от поперечной координаты г пучка. На верхней половине рисунка представлено пространственное распределение фазы сигнала накачки с частотой 1, на нижней - формирующегося сигнала второй гармоники 21. Сопоставление представленных кривых позволяет сделать вывод о том, что волновые фронты обоих сигналов имеют максимальную степень искривления на расстоянии ън = 1, т.е. ъ = 1д, а затем кривизна волновых фронтов обоих сигналов уменьшается, причем фазовый фронт вторичного сигнала с частотой 21 искривлен в большей степени, чем у первичного сигнала накачки с частотой 1. Первоначально квазиплоский волновой фронт сигнала с частотой 21" до расстояний ъ = (1 + 1,5)1д трансформируется в сферический, а при дальнейшем увеличении расстояния ъ радиус кривизны волнового фронта вторичного сигнала настолько увеличивается, что в при-осевой области поперечное изменение фазы (в сечении пучка) мало. Наиболее резкое возрастание дифракционной фазы как вторичного акустического сигнала второй гармоники, так и первичного сигнала накачки происходит на оси преобразователя накачки в диапазоне расстояний: 0 < г <10 1д, а затем происходит «насыщение» прироста численного значения дифракционной фазы обоих сигналов и асимптотическое приближение к постоянному значению: для 21" —> л, для f —> л/2. Как видно из рис. 3, 4, формирующиеся акустические поля не содержат резких осцилляций амплитуды и фазы, причем монотонность изменения фазового распределения формирующихся акустических сигналов и плавность изменения амплитуд данных сигналов взаимно обусловлены. Именно эти характеристики первичного и вторичного акустических полей и могут обусловить предпочтительность использования устройства [7] в исследуемом режиме в сравнении с аналогичными устройствами, в которых применяются «традиционные» линейные антенны для осуществления ближней локации вблизи мешающих границ раздела, проведении гидроакустических измерений в условиях ограниченных пространств и т.д.
Результаты представленного выше рассмотрения закономерностей фазового распределения формирующихся первичного и вторичного акустических сигналов использовались при разработке локационного устройства [7] для классификации объектов по акустическому сопротивлению, формирующему в гидроакустическом канале набор фазосвязанных сигналов с кратными частотами, так как в этом случае необходимо компенсировать разность дифракционных фазовых
сдвигов данных локационных сигналов, величина которых зависит от расстояния 7. Аналитическая зависимость разности дифракционных фазовых сдвигов Дф12 = 2ф|{/. 0) - ф2[{/. 0) для данных сигналов от продольной координаты 7н на акустической оси антенны [7] будет иметь вид
Лф12 (г, 0) = - аг&ё 2н +
+ arctg [arctg z„/0.51n(l + z„-)|.
Результаты испытаний показали, что для плоских границ раздела имеет место однозначное соответствие между полярностью информационного видеоимпульса иб, иб' и соотношениями акустических сопротивлений лоцируемых границ раздела относительно акустического сопротивления водной среды > Ъ„
Рис. 4. Пространственное распределение дифракционной фазы для первичного (1} и вторичного (21} акустических полей поперек и вдоль оси пучка
Максимальной величины Аф^ макс ~ 29" разность дифракционных фазовых сдвигов между первой 1 и второй 2f гармониками достигает на оси пучка на расстоянии ъ к 3,75 1д, причем при дальнейшем увеличении продольной координаты /,, функция асимптотически стремится к постоянному значению ~ 11" (при /,, = 104). Возникающая разность дифракционных фазовых сдвигов между первой и второй гармониками для прямого хода луча и необходимых дистанций ло-цирования объектов может быть скомпенсирована путем введения в один из каналов устройства фазос-двигающей цепочки, величина фазового сдвига которой зависит от дальности обнаруживаемого объекта.
Экспериментальное исследование работоспособности параметрического локатора для классификации подводных объектов по фазовым признакам эхо-сигналов [7] проводились в гидроакустическом бассейне. В его нижней части располагали приемно-излучаюшую систему с преобразователями 4, 5, 6, 6', акустические оси которых ориентировали нормально к свободной границе раздела вода-воздух, которая считалась абсолютно «мягкой». Для моделирования реальных границ раздела использовались различные пластины-листы, устанавливаемые в верхней части бассейна на расстоянии 3,5 м от преобразователей и изготовленные из различных материалов: стали, латуни, титана пенопласта и т.д. Осциллограммы информационного видеоимпульса иб, иб' от модельных границ раздела: 1) акустически «мягкой» - вода - воздух; 2) акустически «жесткой» - вода - металл для параметрического локатора [7] представлены на рис. 5.
Рис. 5. Осциллограммы информационного видеоимпульса иб, иб' от модельных границ раздела
При отражении от взволнованной поверхности воды, а также от искривленных и меняющих свое положение во времени и пространстве различных границ раздела наблюдались флюктуации амплитуды сигнала иб, иб' и изменение в отдельные короткие промежутки времени его полярности на противоположную. Однако введение после фазового детектора 12 дополнительного блока -интегратора - со временем усреднения, большим, чем 35 периодов волнения или флюктуаций, позволило получить на его выходе квазипостоянное напряжение с полярностью, зависящей только от соотношений акустических сопротивлений границ и водной среды. Таким образом, испытания данного устройства показали, что с его помощью можно осуществлять не только обнаружение различных объектов, находящихся в зоне лоцирова-ния, но и выполнять их дополнительную классификацию, определяя, является ли объект акустически «мягким» или «жестким».
Для многих случаев лоцирования задача определения этого параметра объекта - акустическая «мягкость» или акустическая «жесткость», т.е. его акустическое сопротивление 2о6=Роб'Соб меньше или больше акустического сопротивления среды 2ф=рф-сф, где рис- соответствующие плотности материалов и скорости распространения в них акустических сигналов, является актуальной. Это важно, например, для достоверной классификации характера лоцируемых поверхностей - «вода-лед», «вода-воздух», «лед-воздух» и т.п. при обеспечении подводного плавания автономных аппаратов и определении толщины ледового покрова, нахождении во льдах полыней и разводий, пригодных для всплытия, при освоении арктического шельфа России.
Оценим акустическое сопротивление воздушной, водной, ледяной и металлической сред, определяемое произведением плотности р соответствующей среды на скорость распространения в ней продольных волн с: 1) воздух - ^„зд = 442 кг/м2-с; 2) вода - 2вОД =1,5-106 кг/м2с; 3) лед - 2лед = 3,6-106 кг/м2-с; 4) металл (Бе) - 2мет = = 46,2-106 кг/м2с. Из расчетных данных видно, что при работе локатора [7] в режиме эхоледомера при обеспе-
чении подводного плавания автономных аппаратов последовательно проходимые акустическими волнами по прямому ходу луча границы раздела: вода-лед (1,5 < 3,6)-10б, кгЛг-с. вода-металл (1,5 < 46,2)-10б, кгЛгс-акустически жесткие; лед-воздух (3,6 > 0,0005) -106, кг/м2с, вода-воздух (1,5 > 0,0005) -106, кг/м2с - акустически мягкие, причем имеющиеся различия акустических сопротивлений должны обеспечить наличие или отсутствие фазового сдвига на л радиан при отражении для зондирующих сигналов. Для случая рыболокации актуальна задача обнаружения рыб с газонаполненным плавательным пузырем как акустически мягкого объекта в водной среде на фоне маскирующих отражений от дна. Известно, что акустическое сопротивление тела рыбы определяется его плотностью {р=(1,04—1,09) -103,кг/м3} и скоростью звука в нем {(1,5-1,6) -103,м/с}, причем его величина мало отличается от акустического сопротивления воды. Однако наибольшее отражение акустической энергии (до 50 % в эхо-сигнале) происходит от плавательного пузыря, хотя он занимает около 5 % от общего объема рыбы, причем, если при средних частотах облучающих акустических сигналов и небольших размерах рыб доля вклада в эхо-сигнал от тела и пузыря примерно равны, то при высоких частотах излучения и больших размерах рыбы наибольшую часть в результирующем эхо-сигнале составляют отражения от плавательного пузыря и твердых частей тела, а на их границе упругие свойства сред (т.е. акустические сопротивления) изменяются скачкообразно [8].
Поступила в редакцию_
Литература
1. Волощенко В.Ю. О возможности различения акустического сопротивления границ раздела в водной среде по фазовым признакам эхо-сигналов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 3. С. 41-45.
2. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д, 2004.
3. Барник В. и др. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна. Новосибирск, 1992.
4. Яковлев А.Н., Гуляев Н.В., Кочергин О.К., Новик А.Н., Утробин С.Г., Мосягин А.А. Пат №2039366 (РФ). Фазовый параметрический гидролокатор бокового обзора. МКИ G01S 15/00, опубл.9.7.1995. Бюл. № 19.
5. Гаврилов А.М., Максимов В.Н. Пат. №1827654 (РФ). Устройство для классификации объектов по акустической жесткости. МКИ G01S 15/00, G01N 29/04, опубл. 15.07.1993. Бюл. № 26.
6. Волощенко В.Ю. Исследование и разработка параметрической антенны в режиме генерации акустических сигналов суммарной частоты для использования в гидроакустических системах ближнего действия: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Таганрог, 1993.
7. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н. Экспериментальное исследование параметрического локатора для классификации подводных объектов // Прикладная акустика. Таганрог, 1985. Вып. 11. С. 36 - 39.
8. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М., 1978. С. 29, 32-33.
14 декабря 2007 г.
