Модели эхо-сигналов для имитатора гидролокатора бокового обзора Текст научной статьи по специальности «Физика»

- отражающая способность донной поверхности (коэффициент обратного рассеяния) в зависимости от типа грунта, частоты зуковых колебаний и угла падения фронта звуковой волны на донную поверхность;

- площадь элемента донной поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в текущий момент времени.

В математической модели реверберационных сигналов от неоднородностей водной среды следует учитывать зависимость коэффициента обратного рассеяния звуковой энергии от силы ветра. Это связано с тем, что в условиях мелководья основной вклад в рассеяние звуковой энергии вносят воздушные пузырьки, возникающие при взаимодействии ветра с приповерхностным слоем воды.

ПО электронной картографической системы должно представлять собой модернизированную версию ЭКС эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К.

ПО модели управления судном должно обеспечивать отображение упрощенной компьютерной панели управления судном, обеспечивающей возможность оперативного изменения обучаемым курса и скорости судна.

ПО визуализации должно обеспечить отображение окружающей обстановки в виде планшета.

А.Н. Долгов, А.В. Ходотов

МОДЕЛИ ЭХО-СИГНАЛОВ ДЛЯ ИМИТАТОРА ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА

Выбор составляющих результирующего сигнала

Основным назначением трактов ГБО эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К, являющихся прототипом имитатора ГБО, является поиск и регистрация промысловых рыбных объектов на мелководье. Кроме того, они могут также использоваться для поиска и регистрации на мелководье других подводных объектов как искусственных, так и естественного происхождения.

Как показывает опыт [1], рыбы промысловых размеров встречаются на мелководье либо поодиночке (рассеянные скопления), либо в виде небольших стаек. В этом случае вводить отдельную акустическую модель для рыбной стаи нецелесообразно, достаточно использовать акустическую модель только одиночной рыбы.

Наиболее часто встречающимися объектами естественного происхождения являются камни и валуны различных размеров. Характерными подводными объектами искусственного происхождения являются подводные трубопроводы.

Эхо-сигналы от большинства подводных объектов регистрируются в ГБО на фоне донной реверберации, которая для данного типа аппаратуры является полезным сигналом, так как на ее фоне формируются тени от объектов, позволяющие повысить классификационные возможности аппаратуры.

Уровень объемной реверберации значительно ниже уровня донной реверберации, но она может регистрироваться в зоне свободной воды.

Для высокочастотных ГБО с подкильным размещением антенн (или на забортном устройстве) поверхностная реверберация от границы раздела вода-воздух обычно не наблюдается. Это, по-видимому, можно объяснить малыми углами скольжения акустических лучей, а также тем, что при штилевой погоде акустические лучи претерпевают только зеркальное отражение в сторону от антенны, а при волнении моря площади бликующих точек волнового профиля (участка поверхности с нормалью, близкой к направлению акустического луча) незначительны.

Так как в эхолоте-видеоплоттере ПЭВ-К используется относительно высокая рабочая частота 290 кГц, а максимальная рекомендуемая для ПЭВ-К скорость судна не должна превышать 6 узлов, то при моделировании результирующего сигнала, принимаемого гидроакустическими антеннами комплекса ПЭВ-К, можно в соответствии с результатами анализа, изложенными в работе [2], пренебречь всеми шумовыми составляющими результирующего сигнала - акустическими шумами судна, внешними акустическими шумами водоема и электрическими шумами антенны и приемного тракта.

Исходя из изложенного выше и анализа возможных видов составляющих результирующего сигнала, приведенном в работе [2], при разработке имитатора высокочастотного ГБО следует моделировать следующие составляющие результирующего сигнала:

1) реверберационный эхо-сигнал от донной поверхности;

2) эхо-сигнал от одиночной рыбы;

3) эхо-сигнал от камня, лежащего на дне;

4) эхо-сигнал от трубопровода, лежащего на дне;

5) объемную реверберацию;

6) зондирующий импульс.

Модели большинства этих составляющих уже были описаны в работе [2], но следует учесть, что они соответствуют случаю сферического распространения звуковой волны. В ГБО соотношение ширины характеристики направленности (ХН) антенны в разных плоскостях составляет десятки единиц, поэтому форма фронта волны в пределах ближней зоны, имеющей довольно большую протяженность, постепенно трансформируется от плоской, через цилиндрическую, к сферической. В связи с этим при моделировании эхо-сигналов от объектов, находящихся в ближней зоне, в математических моделях из работы [2] дистанционный множитель 1Ж4 необходимо заменять на множитель вида 1Ж3.

При работе ГБО на мелководье водную среду нельзя рассматривать как изотропную, так как при взаимодействии ветра с водной поверхностью происходит ее насыщение воздушными пузырьками, концентрация которых уменьшается с глубиной. Вследствие этого интенсивность объемной реверберации не является постоянной величиной и зависит от глубины, на которой находится рассеивающий объем. Таким образом, объемную реверберацию в имитаторе ГБО следует рассматривать как реверберацию от приповерхностного слоя, модель которой описана в работе [2].

Следует также модифицировать модель эхо-сигнала от одиночной рыбы, так как в работе [2] одиночная рыба рассматривалась как точечный объект. В высокочастотных ГБО используются короткие зондирующие импульсы и узкая ХН в горизонтальной плоскости, в результате чего на малых и средних дистанциях рассеивание звуковой энергии в текущий момент времени осуществляется от части тела рыбы. Следовательно, в соответствующее математическое выражение из работы [2] должна подставляться уменьшенная по отношению к полной эффектив-

*

ной площади рассеяния о эффективная площадь рассеяния о . Можно предположить, что следующее выражение обеспечит для моделирования интенсивности эхо-сигнала от рыбы достаточную степень точности:

V *

оР =Ор(1)

где 8р - площадь участка тела рыбы, рассеивающая звуковую энергию в текущий момент времени; Sр - площадь проекции тела рыбы на вертикальную плоскость, параллельную главной оси рыбы.

Модели эхо-сигналов от камня и трубопровода, лежащих на дне водоема, в работе [2] не рассматривались, поэтому далее представлены разработанные авторами варианты этих моделей.

Модель эхо-сигнала от камня, лежащего на дне

Реальные камни могут иметь самую разнообразную форму, но для упрощения решения геометрической задачи пересечения акустического луча с камнем удоб -нее всего представить его в виде полусферы с основанием, лежащим на донной поверхности. С акустической точки зрения поверхность камня можно считать ча -стью донной поверхности с параметрами, аналогичными параметрам скалистой донной поверхности. В этом случае для расчета квадрата эффективного значения акустического давления эхо-сигнала от поверхности камня можно воспользоваться математическими выражениями из работы [2] для реверберационного сигнала от донной поверхности, учитывая при этом постепенное увеличение угла между средней нормалью к рассеивающему участку поверхности камня и осью парциального акустического луча ХН антенны по мере продвижения фронта ультразвуко -вого импульса к центральному сечению полусферы.

Если считать, что фронт ультразвукового импульса плоский, то можно показать, что при равномерной дискретизации эхо-сигнала по дистанции площади элементарных рассеиващих площадок сферической поверхности, заключенных между соседними секущими плоскостями, равны друг другу. Для полусферы это равенство соблюдается до момента достижения фронтом ультразвукового импульса основания полусферы.

На рис. 1 в упрощенном виде представлен процесс прохождения фронта ультразвукового импульса через полусферу.

О

Рис. 1. Упрощенный вид процесса прохождения фронта ультразвукового импульса

через полусферу

При этом предполагается, что момент соприкосновения фронта с ближней к антенне точкой полусферы точно совпадает с моментом очередной выборки ам -плитуды эхо-сигнала. К моменту следующей выборки фронт ультразвукового импульса смещается на величину АО, отсекая от сферической поверхности сегмент высотой АО . Площадь этого сегмента S1 равна 2р • Кк • АО . При последующих перемещениях фронта ультразвукового импульса последовательно отсекаются шаровые пояса, площади которых S2 и Sз также равны 2р • Кк • АО . После

достижения фронтом ультразвукового импульса основания полусферы в процессе рассеяния звуковой энергии участвуют только части шаровых поясов, в результате

чего площадь S4 и последующие за ней должны рассчитываться в соответствии со

следующим выражением:

Sj = кі • 2п • Кк • АО. (2)

Можно предложить различные способы расчета коэффициентов к ■. Учитывая тот факт, что коэффициент к ■ для шарового пояса, прилегающего к центру полусферы, приблизительно равен 0,5, а для начальных полных шаровых поясов равен

1, можно использовать простую аппроксимацию значений этих коэффициентов. Для этого по количеству неполных шаровых поясов Nншп рассчитывается поправка Ак}- в соответствии со следующим выражением:

А = 0,5/. (3)

Считая для последнего полного шарового пояса значение к} = 1, для последующих неполных шаровых поясов последовательно рассчитываются ряд коэффициентов по следующей формуле:

кІ+1 = кІ -Акі . (4)

При расчете в соответствии с математическими выражениями из работы [2] квадрата акустического давления от рассеивающего шарового пояса нет необходимости рассчитывать непосредственно значение угла вмежду средней нормалью к шаровому поясу и осью акустического луча, а воспользоваться следующим простым выражением для косинуса этого угла:

_ Кк - 0,5 АО - Nшп •АО

СОБ вд, =—----------------шп------, (5)

К

где Дшп - номер шарового пояса.

Очевидно, что для начального шарового сегмента (например, на рис. 1 с площадью ^ ) СОБвд = 1.

Модель эхо-сигнала от трубопровода, лежащего на дне

С геометрической точки зрения подводный трубопровод можно рассматривать как бесконечно длинный круговой цилиндр. Приводимые в литературе [3 - 6] акустические модели для такого вида объекта подразумевают, что нормаль к оси цилиндра совпадает с направлением на источник сферической звуковой волны. При локации трубопроводов с помощью ГБО облучение трубопровода в большинстве случаев осуществляется по направлению, которое не совпадает с перпендикуляром к оси трубопровода. Кроме того, можно считать, что вследствие очень малой ши-

рины ХН в горизонтальной плоскости и приблизительно горизонтальном положении трубопровода, падающая звуковая волна имеет плоский фронт. Для плоской звуковой волны существуют акустические модели рассеяния звуковых волн цилиндром конечной длины [3, 5, 6], в которых не учитывается рассеяние торцами цилиндра. Если воспользоваться моделью идеальной ХН антенны в горизонтальной плоскости, подразумевающей отсутствие в режиме излучения звукового поля за пределами основного лепестка (например, на уровне минус 6 дБ) и отсутствие реакции антенны в режиме приема на звуковые колебания в этих же пределах, то часть трубопровода, ограниченную ХН, можно рассматривать как цилиндр конечной длины.

Используя зависимости, приведенные в [4] для силы цели цилиндра конечной длины и известное соотношение между силой цели и площадью сечения эквивалентной сферы [2], можно записать следующее выражение для эффективной площади рассеяния оц такого цилиндра:

ж •Д, • Д, (sincЛ

cos2 J , (6)

где Дц - диаметр цилиндра (внешний диаметр трубы); L - высота цилиндра (горизонтальный отрезок трубы, ограничиваемый ХН антенны); С - параметр, определяемый ракурсом цилиндра и его волновыми размерами; J - угол между направлением зондирования и нормалью к оси цилиндра; 1 - длина звуковой волны в воде.

Величина параметра С определяется выражением

2ж 1

Следует заметить, что член sin c/c , аналогичный ХН для прямоугольного поршня, при J = 0 определяется через его лимит при стремлении J к нулю и равен 1. Для этого частного случая выражение для стц принимает вид

ж • Д -L2

s =-------. (8)

ц 1

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

c =—A 'sin J. (7)

1. Долгов А.Н., Ходотов А.В. Результаты испытаний панорамного эхолота-видеоплоттера в Таганрогском подходном канале по рыбным объектам и иску сственным целям на мелководье // Известия ТРТУ. Тематический выпуск “Экология 2004 - море и человек”: Материалы Третьей Всероссийской конференции с международным участием. - Таганрог, 2004. №5(40). С. 101-104.

2. Кудрявцев Н.Н. Исследование и разработка моделей акустических сигналов и помех для создания имитаторов гидроакустических рыбопоисковых приборов. Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. - Таганрог: ТРТУ, 2001.

3. УрикРоберт Дж. Основы гидроакустики: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978.

- 448 с.

4. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. - М.: Наука, 1976.

- 256 с.

5. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1972. -352 с.

6. Шендеров Е.Л. Излучение и рассеяние звука. - Л.: Судостроение, 1989. - 304 с.

И.Б. Старченко

ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ АТТРАКТОРА ПРИ НЕЛИНЕЙНОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ ВОЛН В ЖИДКОСТЯХ

В соответствии с теоремой Такенса [1] из временных рядов были реконструированы фазовые портреты (аттракторы) сигналов нелинейного параметрического излучателя [2]. Рассмотрим процесс формирования аттрактора во времени. В качестве примера возьмем один период сигнала основной частоты / = 1254 кГц, записанный на расстоянии 90 см от преобразователя накачки. Такое расстояние выбрано, чтобы наилучшим образом показать искажения в сигнале, сформировавшиеся в процессе его распространения в воде. Этот процесс изображен на рис. 1 - 40. Каждый этап показан в двух видах: в виде аттрактора (слева) и в виде временной зависимости амплитуды сигнала (справа). Такое представление позволяет отследить, как особенности осциллограммы сигнала проявляют себя на аттракторе. Количество этапов (40) соответствует, во-первых, точности дискретизации (40 точек на период), а, во-вторых, 40 отсчетов во временном масштабе соответствуют длительности одного периода основной частоты сигнала

Т =-1—- = 8,032-10-7 с,

1254•103

п = Т/а = 8,032 • 10-7 • 5 • 107 @ 40.

(5107) Ь,

Рис. 5 Рис. 6