Оценка эффективности энергетического обнаружения параметрическим гидролокатором малоразмерных заиленных объектов при экологическом мониторинге донных осадков Текст научной статьи по специальности «Физика»

Рис. 5. ВРСЗ

Рис. 6. ВРСЗ

Рис. 7. ВРСЗ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Акустика морских осадков / Под ред. Л. Хэмптона; Пер. с англ. А.В. Бунчука и Е.А. Копыла / Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - 534 с.

А.С. Борисов, С.А. Борисов, Р.В. Царев

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ГИДРОЛОКАТОРОМ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ДОННЫХ ОСАДКОВ

В связи с возрастающим количеством затонувших в море объектов, в том числе из-за техногенных катастроф на море и в воздухе, несанкционированным сбросом опасных предметов требуется проведение экологического мониторинга донных осадков. Особенно эти исследования актуальны для районов развитого судоходства и шельфовых зон, где производятся инженерно-строительные работы.

Обнаружение заиленных малоразмерных объектов представляет собой сложную научно-техническую задачу, которая может решаться в основном гидроакустическими методами. Однако для надежного обнаружения малоразмерных заиленных объектов в условиях сильной донной реверберации и отражений от тел-помех, таких, например, как валуны и камни, гидроакустические средства должны обладать таким, довольно уникальным, свойством, как высокая направленность в излучении в широкой полосе в области низких частот. Таким свойством обладают параметрические системы локации, позволяющие свести к минимуму уровни донной и объемной реверберации в грунте, так как обладают высокой направленно-

стью и низким уровнем бокового поля (ореола), а следовательно, озвучивают сравнительно небольшие участки донного грунта в широкой полосе частот.

Для получения представления об эффективности обнаружения параметрическими излучателями заиленных объектов произведем оценки отношения сигнал/помеха в «точке» излучения при приеме от малоразмерных объектов эхо-сигналов. Для нахождения отношения сигнал/помеха (коэффициента распознавания 8 ) воспользуемся уравнением гидролокации [1]:

Рэ =8 Рп. (1)

Амплитуду звукового давления Рэ в эхо-сигнале в точке излучения-приема найдем, используя из [2] выражение для звукового давления в волне разностной частоты, распространяющейся в грунте, и учитывая потери акустической энергии в морской среде, грунте, при переходе через границы поверхности раздела вода-грунт, грунт-вода и при отражении от объекта поиска:

Р = Р- (Н)- ^12 -^21 -еХР(-Ргр. -к) ехр\-(Р- Н + Ргр-И)] (2)

э = '2' Н + к ’ где Р- (Н) - амплитуда звукового давления в падающей на поверхность грунта волне разностной частоты (в зондирующем импульсе); м>12 и ^21- коэффициенты прохождения звука из воды в грунт и обратно, соответственно; ргр - коэффициент поглощения звуковых волн в грунте (на рабочей - разностной частоте); р - коэффициент поглощения звуковых волн в морской среде на разностной частоте; к -глубина погружения объекта в морской грунт; Н - глубина места (вертикальное расстояние от точки приема-излучения до поверхности донного грунта); Ьа - характерная длина зоны дифракции для волны разностной частоты.

Амплитуду звукового давления в волне (разностной частоты), падающей на поверхность грунта - Р- (Н), определим на основании решения уравнения ХЗК [3]. Звуковое давление помехи Рп найдем как энергетическую сумму шумовой помехи, донной реверберации и объемной реверберации в грунте:

Рп = Рш. + Рд.р. + Ро.р.г. . (3)

Таким образом, коэффициент распознавания 8 (отношение сигнал/помеха) при локации заиленных малоразмерных объектов определится по формуле

8= Р- (Н )• ^12 -^21 ехр(-ррк) / ехр[-(рН +рр к)] ^ (4)

"V1 +к2/4 -^1+ Р2р.+Р2р.г. 2 [ Н + к )'

Шумовая помеха Рш задается обычно из тактических условий поиска. Объемную реверберацию в грунте найдем, полагая, что в ее создании в текущий момент времени участвуют мелкомасштабные неоднородности грунта статистически равномерно распределенные в озвученном объеме, определяемом длительностью зондирующего импульса и эффективной площадью поперечного сечения звукового луча (виртуальным звуковым пятном). При этом средняя амплитуда звукового давления объемной реверберации в грунте может быть найдена из выражения (4), в котором эквивалентный радиус цели необходимо заменить на эквивалентный радиус объемной реверберации. Эквивалентный радиус объемной реверберации (Рорг ) определим, вычислив текущий импульсный объем, озвученный параметрическим источником, т.е.

Я

о. р. г.

-\/а о. р.г.5эфф СТ и /2 ’

(5)

где аорг - коэффициент объемной реверберации в грунте, 5^. - эффективная

площадь рассеяния звуковых импульсов в грунте.

Выражение для звукового давления донной реверберации, создаваемой при облучении поверхности грунта параметрическим источником, найдено в работе

Для систем локации с высокой радиальной разрешающей способностью при расчетах коэффициента распознавания во многих случаях при вертикальном зондировании достаточно учитывать только шумовую помеху и объемную донную реверберацию и не учитывать донную поверхностную реверберацию, так как она разрешается с объектом локации.

Численный анализ выражения (4) показывает, что даже при высокой частоте накачки, такой, например, как /0 = 250 кГц, коэффициент распознавания заиленных малоразмерных объектов может быть больше единицы.

Большее влияние на коэффициент распознавания оказывает выбор центральной частоты накачки /0. Например, при снижении /0 с 250 до 100 кГц при разностной частоте 10 кГц возможно уверенное обнаружение объектов, заиленных на глубину в несколько метров.

Увеличение направленных свойств параметрической антенны позволяет снизить уровни реверберации, обусловленные рассеянием в грунтах, что также может приводить к заметному (в несколько раз) увеличению коэффициента распознавания 8 .

Для примера на рис. 1 и 2 показаны зависимости коэффициента распознавания от глубины заиливания объекта, с радиусом эквивалентной сферы Яэ = 0,4 м для двух типов морского грунта [5] и различных частот зондирующих сигналов. Кривые 1 - 3 на рис. 1 получены для случая грунта, представляющего собой ил и имеющего следующие акустические свойства: сгр = 1560м/с; ргр = 1420м/с;

Ргр. = к-/п [дБ/м], где / - рабочая частота, £=0,1, п=1. Кривые 1 - 5 на рис. 2 и кривая 4 на рис. 1 построены для случая обнаружения объекта в песчано-илистой глине: сгр = 1578 м/с; ргр = 1580 м/с; Ргр = к• /п [дБ/м], где к = 1, п = 1. При

вычислениях были заданы также следующие характеристики: амплитуды акустического давления в волнах накачки р=105 Па; длительность зондирующего импульса т = 1мс ; ширина характеристики направленности параметрического излучателя на уровне 0,707 - 10х30; коэффициент концентрации приемной антенны у = 1; уровень шума Рш = 0,025 Па/л/Гц . Кривые 1 - 4 на рис. 1 соответствуют глубинам места Н = 10 м, центральной частоте накачки /0 = 100 кГц и разностным (рабочим) частотам Г.: 20, 10, 5 и 10 кГц соответственно. Кривые 1-3 на рис. 2 соответствуют глубине места Н = 50 м, рабочей частоте 5 кГц и частоте накачки /0: 25, 50 и 100 кГц, соответственно; для кривой 5 центральная частота накачки /0 = 100 кГц, а рабочая частота Г. = 10 кГц; кривая 4 аналогична кривой 4 на рис. 1.

[4]:

(6)

Рис. 1. Зависимость коэффициента распознавания от глубины заиливания объекта

Рис. 2. Зависимость коэффициента распознавания от глубины нахождения объекта

Численный эксперимент показал, что параметрические системы даже при относительно высоких частотах накачки могут обнаруживать заиленные малоразмерные объекты при глубинах заиливания в несколько метров. В случае увеличения энергетического потенциала параметрической системы локации, например, за счет увеличения длительности зондирующих импульсов, увеличения направленных свойств, снижения уровня собственных акустических шумов носителя малоразмерные объекты могут обнаруживаться при их заиливании до глубин в 2 - 3 десятка метров. Необходимо отметить также, что размеры антенны накачки при заданных характеристиках направленности на низких частотах возрастают до нескольких метров, что является трудным условием для изготовления и размещения подобных антенн на носителях. Работа выполнена при частичной поддержке гранта мк-1177.2005.5 Президента Российской Федерации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СташкевичА.П. Акустика моря. - Л.: Судостроение. - 1966. - 354 с.

2. С.А. Борисов, А.С. Борисов. Оценка уровней звукового давления в морских грунтах при вертикальном зондировании параметрическим источником // Сборник трудов XVI сессии РАО. Т.2. - М, 2005. С. 315-318.

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

4. А.С. Борисов, С.А. Борисов. О модели донной реверберации, обусловленной параметрическим источником звука // Материалы VII международной конференции АПЭП-2004. Том 4. Новосибирск: НГТУ, 2004. С. 23-24.

5. Барник В.Р., Вендт Г., Каблов Г.П., Яковлев А.Н. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна. - Новосибирск: НГУ, 1992. - 238 с.

А.В. Шилова, А.И. Забалуева

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ РЫБНЫХ РЕСУРСОВ В ТАГАНРОГСКОМ ЗАЛИВЕ

Известно, что Таганрогский залив относится к числу самых продуктивных по биомассе водоёмов. В заливе обитают около 300 видов свободно живущих беспозвоночных и примерно 70 видов рыб. Большое промысловое значение в Ростов-