Научная статья на тему 'Оценка погрешности восстановления профилей скорости звука при дистанционном экологическом мониторинге водных масс'

Оценка погрешности восстановления профилей скорости звука при дистанционном экологическом мониторинге водных масс Текст научной статьи по специальности «Физика»

50
7
Поделиться
Ключевые слова
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ МАСС / НЕКОНТАКТНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ЗВУКА / МЕТОД "ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ" ЗВУКОВЫХ ЛУЧЕЙ / "PARALLEL" SOUND BEAMS METHOD

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Раскита Максим Анатольевич

Целью работы является выявление погрешности метода «параллельных» звуковых лучей для неконтактного восстановления профилей скорости звука. Приводятся результаты теоретического моделирования. Отмечается, что основную погрешность вносят точность измерения расстояния между акустическими приемниками и погрешность определения времени прихода акустических сигналов.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Раскита Максим Анатольевич,

SOUND VELOCITY PROFILES RECONSTRUCTION ERROR ESTIMATE AT WATER MASSES REMOTE ECOLOGICAL MONITORING

The aim of this work is to uncover the error of parallel sound beams method for remote sound velocity profiles reconstruction. The results of theoretical modeling are shown. It is remarked that the main error is carried in by tolerance of distance measuring between acoustic receivers and the acoustic signals time incoming definition error.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Оценка погрешности восстановления профилей скорости звука при дистанционном экологическом мониторинге водных масс»

I.

690950, , . , , 3 , -

стики, тел.: (4232) 450982

Титов Евгений Максимович E-mail: llns@mail.ru

Korochentsev Vladimir Ivanovich

Institute of Radio electronics, Information Science and Electrical Engineering Department of Hydroacoustics E-mail: vkoroch@mail.ru

3a, Axakovsky pereulok, Vladivostok, 690950, Russia, far Eastern National Technical University, Ph.: +7 (4232) 450982 Titov Eugeny Maximovich E-mail: llns@mail.ru

УДК 534.222

М. А. Раскита

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ЗВУКА ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ВОДНЫХ МАСС

Целью работы является выявление погрешности метода «партлельных» звуковых лучей для неконтактного восстановления профилей скорости звука. Приводятся результаты теоретического моделирования. Отмечается, что основную погрешность вносят точность измерения расстояния между акустическими приемниками и погрешность определения времени прихода акустических .

Экологический мониторинг водных масс; неконтактное восстановление профилей скорости звука; метод «партлельных» звуковых лучей.

M. A. Raskita

SOUND VELOCITY PROFILES RECONSTRUCTION ERROR ESTIMATE AT WATER MASSES REMOTE ECOLOGICAL MONITORING

The aim of this work is to uncover the error of “parallel” sound beams method for remote sound velocity profiles reconstruction. The results of theoretical modeling are shown. It is remarked that the main error is carried in by tolerance of distance measuring between acoustic receivers and the acoustic signals time incoming definition error.

Water masses ecological monitoring; sound velocity remote profiles reconstruction; “parallel” sound beams method.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Дистанционное исследование гидрофизических параметров морской среды является одной из задач экологического мониторинга водной экосистемы. Важнейшей интегральной акустической характеристикой вводных масс, позволяющей оценивать их состояние, является скорость распространения звуковых колебаний. Зависимость скорости звука от параметров морской среды принято представлять в

( ).

измерение профиля скорости звука в водной среде является актуальной задачей

.

Известия ЮФУ. Технические науки

Тематический выпуск

В работах автора [1, 2] приводится описание разработанного им метода «параллельных» звуковых лучей для неконтактного восстановления профилей скорости звука и двух технических реализаций этого метода, защищённых патентами РФ №2319116, №2330248. Рассмотрим вкратце одну из технических реализаций, изображенную на рис.1, для оценки погрешностей при неконтактном восстановле-.

Вертикально ориентированный излучатель И акустических сигналов посылает в исследуемую среду звуковые импульсы, которые, рассеиваясь на неоднородностях морской среды в области пересечения излучающего и приемных лепестков

, , на определенном расстоянии D от излучателя и состоящую из трех акустических приемников П1, П2 и П3, расположенных на расстоянии d друг от друга.

Акустические приемники с последующей схемой обработки сигналов образуют две приемные корреляционные системы, расположенные друг за другом. Корреляционные приемные системы обеспечивают прием рассеянных сигналов с одного и того же направления, задаваемого углом приема а. Каждая пара приемных лучей с одинаковым углом приема следует за предыдущей с определенным шагом по углу, зависящем от заданного шага по глубине, для того, чтобы перекрыть трассу восстановления профиля скорости звука. Таким образом, в пространстве формируются два веера статических лучей приемной характеристики направленности (ХН), характеризуемых фиксированным значением угла приема а,, причем одноименные (по углу приема) лучи в обоих веерах оказываются «паршшель-ными». Профиль скорости звука е(г) восстанавливается по известным расстояниям между излучателем и приемной системой и между акустическими приемниками, и по разности измеренных зависимостей времен прихода рассеянных акустических импульсов по лучам приемных ХН в зависимости от угла приема с помощью соотношения (1) [2].

М, (г) =

с(г). сова

■сов а

V

(1)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

V ' /

где с0 - скорость звука на горизонте размещения антенных систем.

При размещении устройства для неконтактного восстановления профилей

скорости звука на судах расстояние между излучающей антенной и приемной системой может достигать 30-50 м. При этом точность измерения этого расстояния будет не хуже ±1 см. Проследим влияние большей погрешности измерения расстояния D/=D±5cм на погрешность восстановления профилей скорости звука при равных прочих условиях: D = 30 м, d = 1м, глубина восстановления г = 300 м.

Восстанавливаемый профиль скорости .2, .

.2,

разность между исходным и восстановленным профилем скорости звука при сдвиге приемной системы на 5 см в сторону излучателя (т.е. D'= D-0,05 м) и при сдвиге приемной системы от излучателя (т.е. D'= D+0,05 м).

Рис. 1. Одна из технических реализаций метода «параллельных» звуковых лучей

При анализе полученных зависимостей видно, что величина и знак ошибки восстановления определяется видом и знаком градиента исходного профиля ско-.

времен пробега сигналов по акустическим лучам, а не сами времена прихода рас.

На рис.2 до оси ПЗК при отрицательном градиенте скорости звука в случае смещения приемной системы ближе к излучателю погрешность имеет положительный знак и максимальное значение на половине рассматриваемого пути, «ноль» на оси канала, и, далее, отрицательный знак и увеличение по абсолютному .

меняется на противоположную. При градиенте скорости звука 0,3 с-1 численное значение ошибки восстановления профиля скорости звука при смещении приемников к излучателю и от него на 5 см достигает не более 0,4 м/с по абсолютному .

На результат восстановления профилей скорости звука более влияет погрешность задания расстояния между двумя остронаправленными приемниками ё. На .3, -

грешности ±5см задания расстояния между остронаправленными приемниками ё = 1м. Восстанавливаемый профиль скорости звука показан на рис.3,а.

В этом случае погрешность восстановления резко возрастает на первых 60-ти , -меняется по сравнению с начальным увеличением. В случае увеличения расстояния между остронаправленными приемниками погрешность восстановления имеет положительный знак, а в случае уменьшения - отрицательный. Резкое возрастание погрешности восстановления наблюдается в интервале 0-33 м/с, что на порядок превышает погрешность восстановлении при ошибочном задании расстояния Б между излучателем и приемником.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О

50

100

150

200

1440 1460 1480 1500 ф), м/с

/

0

60

120

180

240

-0.5 -0.25 0 0.25 Ас(:), м/с

(0-0

05) 1\у

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(Р+0,05)

а б

Рис.2. Восстанавливаемый профиль и погрешность восстановления

.

-60 -зо

О__________ЗО ЛС<2Г), м/с

(с/+0,05)

(сі- 0,05)

б

Рис.3. Восстанавливаемый профиль и погрешность восстановления

Рис. 4. Геометрия задачи Рис. 5. Зависимость погрешности оп-

ределения времени прихода от угла приема

Основную погрешность при восстановлении ПСЗ будет вносить точность определения разности времен прихода, возникающая за счет геометрических характеристик решаемой задачи - при конечных размерах характеристик направленности излучателя и приемника рассеивающий импульсный объем возрастает с увеличением глубины (рис.4), и, следовательно, увеличивается область пространства, из которого происходит рассеяние. Это приводит к неопределенности положения ,

осей излучающей и приемной характеристик направленности.

Для нахождения максимального времени распространения акустического

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

, . 4.

треугольник, образованный дистанциями 22,12 и Б0 с углами 90°+ 0И0,7, а+00,7 и 180°- (90°+ 0И07)-(а+00,7). В результате получим уравнение (2), позволяющее рассчитывать время прихода рассеянных акустических сигналов при использовании излучателя и приемника с известными характеристиками направленности.

А"г =

А, 8ш(^о + 0^0,7) + соз(0й0,7).

С0 сов(Цо + 0И 0,7 + 0П 0,7)

(2)

Для минимизации влияния расхождения звукового пучка на точностные характеристики восстановления ПСЗ необходимо применять антенны, создающие узкие (слабо расходящиеся) звуковые пучки или работать в ближней зоне антенн. В качестве излучающей антенны, обладающей такими свойствами, может быть применена параметрическая антенна [3, 4].

Рассчитаем погрешность измерения времени для условий z = 200м, Оотах = 80°, D = 35м при предположении влияния только характеристики направленности приемника 260,7 = 0,5°. Расстояние между остронаправленными акустическими приемниками d = 1м. Зависимость погрешности от угла приема для первого акустического приемника показана на рис.5.

Из полученной зависимости видно, что погрешность определения времени прихода возрастает с увеличением угла приема. Максимальное значение погрешности при угле приема а = 80° At =6,87 мс. В интервале углов приема а = 0-60° значение погрешности возрастает плавно от 0,1 до 0,766 мс, затем, в интервале а0 = 60-80°, - 0,766

6,87 .

пространственным изменением рассеивающего объема (в данном случае областью,

),

поэтому при восстановлении профилей скорости звука следует ограничиться уг-

80°.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Борисов С.А., Раскита М.А. Численное восстановление профиля скорости звука

методом лучевого параметра // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Экология 2006 - Море и человек». - Таганрог, 2006. № 12 (67). - С. 126-129.

2. . ., . ., . . -становления профилей скорости звука при дистанционном зондировании морской среды // Методы и устройства передачи и обработки информации: Меж-вуз. сб. науч. трудов.- М.: 2007. Вып. 9. - С. 99-108, 284.

3. . ., . ., . , -

. - - - : , 2004. - 400 .

4. . ., . .

// -

ды конференции «Нелинейная гидроакустика». - Ростов-на-Дону, 2006. -С. 62-65.

Раскита Максим Анатольевич

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный » .

E-mail: raskita@mail.ru

347928, Росиия, г. Таганрог, ГСП 17А, Некрасовский, 44 Тел.: 8 (8634) 37-17-95

Raskita Maksim Anatolievich,

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”

E-mail: raskita@mail.ru

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia, Ph.: +7 (8634) 37-17-95