Особенности диаграмм направленности антенн в зоне Френеля и их влияние на главные параметры гидролокационных средств Текст научной статьи по специальности «Физика»

<р,град

Рис. 1. Диаграммы направленности линейной непрерывной антенны (16) при 0 = я/2, ф0>7 = 1°. Кривая 1 - ДН в дальней зоне, кривые 2-4 - в зоне Френеля: 2 - при гд/г = 1; 3 - при г^г = 4, кривая 4 рассчитана по точной формуле (7) при гд/г = 4

При полномасштабной реализации изложенного метода в виде программы для инженерных расчетов ДН в любой зоне предполагается организация диалогового режима, применение символического метода для дифференцирования в (13) и автоматического выбора числа членов ряда по заданной допустимой погрешности ре.

Изложенное позволяет полагать, что область применения алгоритмов (12) - (15) не ограничивается расчетом ДН антенн.

Так, наверное, (12) - (15) можно использовать при экспериментах в области параметрического излучения и приема, в частности для оценки реальной конфигурации и размеров области взаимодействия волн накачки по ДН на разностной частоте в .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Колтон Д., Кресс Р. Методы теории интегральных уравнений в теории рассеяния.

- М.: Мир, 1987.

2. ШендеровЕМ. Излучение и рассеяние звука. - Л.: Судостроение, 1989.

3. . ., . . . - .: , 1987.

4. Свердлин ГМ. Прикладная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1990.

ОСОБЕННОСТИ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН В ЗОНЕ ФРЕНЕЛЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ГМ. Махонин, С.Ф. Черепанцев,

ГЛ. Черниховская, О.В. Ершова

Анализ информации о главных параметрах современных многолучевых эхолотов, предназначенных, в основном, для картографирования дна, показывает, что

почти для всех из них является правилом, а не исключением, работа в ситуациях, когда лоцируемая область дна находится ближе, чем граница дальней зоны.

Так, приблизительно для 35% всех типов эхолотов таких известных фирм, как Simrad, Reason, Atlas Marine Electronics и др., паспортные значения минимальной наклонной дальности в 2 - 5 раз меньше расстояния до границы дальней зоны гд, для 60% - в 5 - 20 раз меньше гд, значения наименьшей рабочей глубины для 80% всех типов в 5 - 20 раз меньше гд. Рассчитаем г:[ по формуле [1]:

2L2

г»=—' (1)

L - , , -

ной вокруг этой антенны; X - длина акустической волны, для которой рассчитывается г.

центральной частоте f0 этих сигналов.

В значительной части ситуаций в зоне Френеля происходит и работа гидролокаторов бокового обзора, предназначенных для обнаружения на дне неподвижных объектов, например мин, "черных ящиков" потерпевших аварию летательных аппаратов, контейнеров с ценными или опасными веществами, трубопроводов и т.п.

Из изложенного видно, насколько актуальным является прогнозирование и инженерные расчеты главных характеристик ГАС при их работе в зоне Френеля.

В настоящее время методики таких расчетов нет, известные из научнотехнических публикаций результаты исследований особенностей акустических полей вне дальней зоны не могут непосредственно использоваться для решения инженерных задач оценки точностных и энергетических характеристик Г АС в ближней зоне.

Исходя из общих физических представлений о структуре акустического поля в зоне Френеля, можно качественно оценить, какие из явлений, которыми можно пренебречь в зоне Фраунгофера, начинают проявляться и существенно влиять на главные характеристики ГАС.

К основным из таких явлений можно отнести:

- -

стояния до объекта локации;

- , погрешности определения направления на цель, ухудшению углового разрешения , ;

- -

симости от расстояния. Это может приводить к уменьшению отношения сигнал/помеха и дополнительным погрешностям оценки размеров объектов локации;

- , объект локации и расстояния до него. Это может быть причиной появления дополнительной погрешности определения дальности до объекта локации, а также направления на него, если применяются фазовые или фазово-амплитудные методы пеленгова-.

Особенно сложные явления возникают при применении сверхширокополос-ных (СШП) зондирующих сигналов. В этом случае возникают ситуации, когда для части спектральных составляющих зондирующего сигнала цель находится в дальней , - . сигнала влияют на эффективность его фильтрации в приемном тракте и приводят к дополнительным погрешностям оценок дальности до цели и направления на нее. Рассмотрение этих вопросов выходит за рамки настоящей работы, однако некоторые ее результаты могут быть распространены и на случаи СШП зондирующих сигналов.

Основным видом антенн, применяемых в ГБО и в многолучевых эхолотах, является плоская прямоугольная антенна. Для однолучевых эхолотов и профилогра-

( ).

Поэтому при дальнейшем рассмотрении ограничимся этими видами антенн.

Обычно применяются антенны с равномерной чувствительностью по апертуре. В режиме излучения всем точкам поверхности таких антенн сообщается одинаковая колебательная скорость у0.

Известно, что если плоская антенна находится в жестком экране, имеющем большие волновые размеры (что на практике всегда выполняется), то давление созданного ею звукового поля определяется в любой точке М однородной изотропной неподвижной среды без поглощения интегральной формулой Г юйгенса (интегралом Рэлея):

-krMf

Р(М) = ^о(£), (2)

2П 5 ТМ%

где Р(М) - давление в точке М; у0(£) - нормальная составляющая колебательной скорости в точке = %(х$ у(, 2') поверхности антенны, р0, с0 - плотность среды и скорость звука в ней; к - волновое число; 5 - уравнение поверхности антенны, щ - расстояние от точки £ до точки М, в декартовых координатах равное

где хм, ум, zM - координаты точки М.

Рассмотрим следующий случай: антенна прямоугольная, ее центр (пересечение диагоналей) совпадает с началом О (правой) системы координат XYZ, плоскость антенны лежит в плоскости YOZ, ее большая сторона параллельна оси OY и имеет длину Ly, малая - длину Lz, ось антенны совпадает с OX, колебательные скорости каждой точки антенны одинаковы, т.е. v0(g) = v0 = const. Тогда

Lz Ll

iko c v

P(M) = P(0,p, г) = J P0 0 0 J J-----------dydz, (3)

2 J* _Ly V ( )

2 2

где в, (p, г - сферические координаты хм = г sind cosp; yM = г sin Osimp; zM = г cosO .

,

V2 2 2

r -2r(ysin0sinp+ zcosO) + у + z

7 2 2 2

хм + Ум + 2М ■

Для описания пространственных характеристик антенн и связанных с ними параметров ГАС можно использовать в качестве аналога диаграммы направленности отношение

Р(в,ф, г)

R(0,p, r) =

POP, r) (4)

функций (3), где вл <р0 - направление, относительно которого производится норми.

Выбор этого направления в общем случае неоднозначен. Для того чтобы можно было сопоставлять пространственные характеристики поля в дальней и ближ-, 0, 0

зоне (применительно к (3) - это в0 = ж/2, <р0 = 0). Однако при этом оказывается, что при определенном сочетании в, <р, т модуль (4) может быть больше 1 (рис. 1), что, по , . 0, 0 направления, при котором \Я(6, <р, т)\ достигает глобального максимума, оказывается неоднозначным, т.к. при некоторых т могут существовать не сколько значений одина-

(4), , .

, (4) -

, , (4)

( ).

В соответствии с изложенным, из (3), (4) после преобразований получим:

где

Я(0,р, т) =

2(0, Ф, т)

2с(т)

Ь2 Ь /ктп Г Г @ /

2(0, р, т) = I I-------------------dudu ’

-ъ -к П

(5)

(6) (7)

,л , ь \ М1

2о(т) = 2 ТДт = } \

л/1 + и2 + и2

dudu ,

(8)

Ъу=£,

К = ^ .

2 2т

Модуль ДН \Я(6, <р, т) \ и ее фаза %(в, (р, т) определяются выражениями: \т>0 Л| \2(0,P, т ^

10т)| = |ай| ,

(9)

(10)

где

Ао В — Во А Х(в, р, т) = ате(^—°-------—

А0 А + В0 В

Ъг Ъу

А0 = Яе 20

cos ктл/Г-

иг °у К ЪУ

•х/Т+й^+м'2"

-dudu',

В0 = 1тас,.) =} г

-I -I V!

2 . /2 + u + u

22 Ъ -Ъу ^1 +11 + u

Ь2 ЪУ

dudu',

А = Яе 2(0, р, т) = | |

соз(ктп)

П

dudu'

В = 1т2(0,р,т) = | | 5т(ктП) dudu/ .

(11)

(12)

(12) :

1Е),0 л/АчВ7

|йс0,р,т,| ^ТАг+ВТ <|3)

А0 ' -^0

Из (11), (12) находится запаздывание (задержка) сигнала в антенне д А—-вМ А,^- В0 дА-

дт = дх = дк дк дк дк

А дю С0( А2 + В2) С0(А02 + В02) (14)

которое, как упоминалось выше, зависит в зоне Френеля и от направления на цель, и от расстояния до нее.

IRM

Рис. 1. ДН Щр, r)\ = \R(k/2; (р, r)\.

На рис.2 показана эволюция диаграммы направленности прямоугольной антенны в зоне Френеля при изменении г,/г (где гд определяется формулой (1)). Диаграммы рис. 2 получены численным расчетом по формулам (5) - (9).

Расчеты выполнены при следующих исходных данных:

- центральная частота з ондирующих сигналов f0 = 100 кГ ц (А 0 = 1,5 см);

- ширина характеристики в горизонтальной плоскости (р07 = 1°, в вертикальной - в0 7 = 30°. Скорость звука принята равной с0 = 1 500 м/с.

(

сочетанию параметров).

Им соответствуют: размеры антенны Ly = 76 см; Lz = 25 см; расстояние до границы дальней зоны гд = 76 м.

Из рис. 1, 2 видно, что при гд/г < 5 основной лепесток ДН на уровнях выше

0,6 , -стояния до цели ухудшается значительно медленнее, чем принято полагать. Этот факт целесообразно учитывать при инженерных расчетах точностных параметров .

r 10 ; -

ственно падает угловая разрешающая способность. Так, в рассматриваемом примере она при г,/г = 10 приблизительно в четыре раза хуже, чем в дальней зоне. Однако это не приводит к существенному ухудшению реальных точностных характеристик Г АС, поскольку линейное тангенциальное разрешение

„ . Д®

Дг, = 2r sin--

1 2

остается достаточно хорошим.

Так, в данном случае Ar±~ 1,3 м при r = п{; Дгх~ 0,53 м при r = п/20 (т.е. , r = r ).

Рис. 2,а соответствует r^-co (r,/r = 0), рис. 2,6 - r =15,2 м (r,/r =5), рис. 2,в -r =7,6 м (r,/r = 10), рис. 2,г - r = 3,8 м (r,/r = 20). На рис. 1 даны сечения ДН рис. 2 плоскостью e=const = п/2. Кривая 1 соответствует r,/r = 0; кривая 2 - r,/r = 5; кривая 3 - r,/r = 10; кривая 4 - r,/r = 20.

Одной из особенностей ДН при больших r,/r является то, что ее значения

= 0. , . 1, лепестка (т.е. при |R\ > 0,707) ДН при гд/г >10 имеет несколько максимумов, причем в части из них \R\ >1. "Изрезанность" основного лепестка ДН может приводить при движении ГАС относительно цели к потерям контактов с ней, и, главное, делает не-

надежной оценку радиусов гауссовой кривизны поверхности объекта локации по амплитуде эхо-сигналов. Это существенно снижает возможности классификации в зоне Френеля целей по их геометрическим признакам.

Ф, град

0—л/2,

Рис. 2. ДН \Щв, (р, г)\ прямоугольной антенны в зоне Френеля

Для круглой плоской антенны (круглого поршня) ДН из (2) выражение (4) имеет вид:

Ж*,,)=О&п

йо(Г )

(15)

где

п% еікгп

Q1(*,г) = II----------------и йыйа,

-ПО п

(16)

Q1 (г) = —(еікг^ -е1кг ^ ікгК

(17)

П1 ^ л/Т-2ихїп*соЮ+"г

/ а

Ьі =~, г

где а - радиус антенны.

2

Диаграммы направленности круглой антенны приведены на рис. 3, 4.

Они рассчитаны при следующих исходных данных:

- центральная частота зондирующих сигналов /0 = 100 кГц;

- ширина ДН в01 = 10.

Им соответствуют: радиус антенны а = 44 см, гд = 103 м.

Основные особенности ДН круглого поршня в значительной степени совпадают с рассмотренными выше особенностями прямоугольной антенны (см. рис. 2 и 3;

. 1 4).

Представляется достаточно вероятным, что более детальные исследования особенностей формирования полей излучения в зоне Френеля могут дать полезную информацию для разработчиков параметрических излучателей.

Как довод в пользу этого предположения рассмотрим следствия, вытекающие из упоминавшегося выше факта "изрезанное™" основного лепестка диаграмм направленности в ближней части зоны Френеля, т.е. при больших п/г (эта область в

).

Пусть рассмотренные антенны применяются в качестве источников волн накачки для параметрических излучателей.

Поскольку параметрический эффект зависит от амплитуды волн накачки , , где они имеют наибольшую амплитуду. Этим областям соответствуют наибольшие значения модуля ДН. Так, из рис. 1 видно, что для прямоугольной антенны при г,/г = 20 область, где 0,9<|Л|<1,1 соответствует области углов ±(1,Т<$К3,Т), т.е. занимает только около половины основного лепестка.

Рис.3. ДН \Я(в,г)| круглого поршня: а - при п/г = 0, б - при п/г =10

, -

тивного взаимодействия может оказаться меньше, чем рассчитывается при предположении о цилиндрической форме области накачки.

Близкие к этим результаты получаются и при рассмотрении круглого порш.

Возникает естественный вопрос: почему это явление до настоящего времени не рассматривалось систематически в технике параметрического излучения? Одной из вероятных причин может быть то, что неравномерность давления в пределах основного лепестка физически усредняется в направлении оси ДН. Во всяком случае, представляется небесполезным обратить внимание специалистов на упомянутые яв.

9,град

Рис. 4. ДН \Я(в, г)\ круглого поршня в плоскости в (графики 1, 2, 3, 4 соответствуют г,/г = 0; 5; 10; 20)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Свердлин ГМ. Прикладная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1990.

2. ШендеровЕЛ. Излучение и рассеяние звука. - Л.: Судостроение, 1989.

3. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.

4. . ., . . . - .:

Судостроение, 1989. - 256 с.

ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ НЕЛИНЕЙНЫМ МЕТОДОМ А.М. Гаврилов, Р.О. Ситников

В работе приведены результаты экспериментальной апробации нелинейного метода измерения фазочастотной характеристики (ФЧХ) акустического излучателя [1, 2], в основу которого положено использование эффекта фазового запрета 1-й гармоники волны разностной частоты (1-й ВРЧ), генерируемой в среде трехчастотной волной накачки. Зависимость амплитуды 1-й ВРЧ от фазовых соотношений в спектре накачки позволяет определять фазовые искажения, вносимые излучающим трактом в трехчастотный сигнал (ю = ю0 - £2, ю0, юв = ю + Я, где £2 << ю0). Отличительной особенностью рассматриваемого метода является возможность учета всех фазовых , ,

- ,

дифракционными процессами в акустическом тракте. Среди преимуществ метода следует отметить отсутствие необходимости в градуированных приемниках звука с