CC BY
41
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955.
2. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2003.
ПЕЛЕНГОВАНИЕ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ В ЗОНЕ ФРЕНЕЛЯ
Г. М. Махонин, О. В. Ершова
ФГУП НИИ «Бриз», г. Таганрог
Сочетание требований, предъявляемых к главным метрологическим характеристикам современных многолучевых эхолотов, таковы, что эти средства должны работать внутри зоны Френеля, причем достаточно далеко от ее внешней границы, т.е. при дальностях, значительно меньших, чем расстояние до границы дальней зоны (зоны Фраунгофера).
Анализ паспортных данных эхолотов таких известных фирм, как Simrad, Reason, Atlas Marine Electronics и др. показал, что около 35% из этих эхолотов имеют наименьшие значения рабочей наклонной дальности в 3-5 раз меньше, чем расстояние до границы дальней зоны, около 60% - в 5-20 раз меньше последнего. Приблизительно для 80% таких эхолотов наименьшая рабочая глубина в 5-20 раз меньше расстояния до границы дальней зоны.
Аналогичная ситуация имеет место и для гидролокаторов бокового обзора (ГБО), предназначенных для поиска таких объектов, как фрагменты потерпевших аварию летательных аппаратов, их "черных ящиков", донных мин, контейнеров с ценными или опасными веществами, трубопроводов и т.п.
В задачу поиска таких объектов обычно входит сближение с обнаруженной целью до дистанции, необходимой для ее доклассификации, уточнения расположения и т.п. Эта дистанция практически всегда оказывается значительно меньше, чем расстояние до границы дальней зоны.
Здесь и далее расстоянием до границы дальней зоны гд считается расстояние
Гд = — , (1)
Д 1
где L — наибольший размер акустической антенны, X — длина волны, соответствующая частоте наибольшей энергетически значимой спектральной составляющей сигнала. Для узкополосных сигналов можно считать X = Х0 = со/£), где f0 — центральная частота спектра сигнала.
Исходя из общих физических представлений о механизме формирования акустического поля в зоне Френеля, можно ожидать, что модуль и фазовая характеристика диаграммы направленности (ДН) антенны в этой зоне будут отличаться от соответствующих характеристик в дальней зоне и что это может существенно повлиять на главные параметры гидроакустических средств (ГАС).
В паспортных данных упомянутых эхолотов и других серийных ГАС сведения об их метрологических характеристиках в зоне Френеля не приводятся.
Рассмотрение в [1, 2] особенностей диаграмм направленности антенн при работе их в этой зоне показало, что при увеличении отношения гд к расстоянию до цели г амплитудный метод определения направления на цель (пеленгования) становится все менее эффективным как из-за расширения ДН, так и из-за возникновения неоднозначности оценки пеленга вследствие появления локальных минимумов внут-
ри интервала углов -ф0,7/2 < ф < ф0,7/2. Это явление приводит также к тому, что оценка размеров цели по интенсивности ее эхосигналов может стать практически недостоверной.
В связи с этим представляет интерес рассмотрение альтернативных амплитудному методов пеленгования - фазового и амплитудно-разностного. Ниже рассматривается первый из них. Для реализации обоих указанных методов антенну необходимо разделить на две самостоятельные части, как показано на рис. 1. (Иногда эти части называют полубазами. Мы в дальнейшем используем термины "антенна А1" для левой полубазы, "антенна А2" - для правой, "антенна А0" - для всей антенны).
Длина антенн А1 и А2
і =
ь_
2
где Ьу - длина антенны А0.
Ось антенны А0 расположена вдоль оси ОУ, центр Ао лежит в начале координат, центры О1 и О2 антенн А1 и А2 расположены на расстояниях ± 1/2 от начала координат О, оси ДН всех антенн параллельны оси ОХ.
Рис. 1. Геометрия задачи
Предположим:
- цель находится в точке М, лежащей в плоскости ХОУ;
- геометрические и электромеханические характеристики антенн А1 и А2 идентичны;
- антенны А0, Аь А2 - прямоугольные, с равномерным распределением чувствительности. (Это предположение не является обязательным, оно сделано для конкретизации, чтобы получить числовые результаты).
Из рис. 1 видно, что
г
г2 = г +------гісоза
4
соза = зіпф
(2)
4
откуда
8т(ф) =
2 2 г1 - г2
2г1
(3)
, у2 + Г2 ]2
г2 = г1 + г2 I
(4)
2
4
где г, г1, г2 - расстояния от точки М до центров О, О1, О2 антенн А0, А1, А2 соответственно.
При фазовом методе пеленгования для определения направления на цель используется, в конечном счете, информация об относительном запаздывании прихода эхосигналов 11, 12 (в центры О1 и О2) антенн А1 и А2 и ^ - в центр О антенны А0.
При принятых предположениях
2г
г + г1
Г + г2
(5)
откуда
г1 = 11со- г ;
г2 = 12со - г;
Из (4)-(7)
С0 (^2 Ь '):1 + 12 1о ) .
= С0 (^1 — 12 + 12 — 10)
ип
(6)
(7)
(8)
Систематическая погрешность пеленгования 5ф при отсутствии помех возникает только из-за запаздывания сигналов в антеннах, обусловленного мнимой составляющей ДН.
В [2] показано, что это запаздывание для прямоугольных антенн определяется выражением
где
дЬ
да
а-------Ь
дк дк
С0(а2 + Ь2)
дЬо.
дк
— Ь0
да0
~дк
Со(ао2 + Ьо2)
(9)
= 1
соз(кгп )
du
к соз(кгу1 + и2 ) , а0 = I ------. ----du
—к \ 1 + и2
— = —г I зт (кгп)du дк —к
да0
~дк
Ь =1
$т( кгп )
du
Ьо = 1
—к
к
du
+ u
— = г 1 соз( кгц)du дк —к
-г 1 $т( кгл/Г+й2 )du , = г 1 соз (кгл/Г+й2')du
дк
к
•1 с
—к
2п юо ко = = ,
Ло со
для антенны А о
П = -\! 1 + 2жтф + ы2 , для антенны А 1
П = $ + 2usin ф1
к = ^ 2г
+ u
к=Ь-
4г
(10)
(11)
(12)
с
с
с
о
о
о
1
а
о
для антенны А 2
(13)
Используя геометрические соотношения рис. 1, можно получить:
I I
гзт® +— гзт® -
&1пф2 = . 2 = ; &1п®2 =-
2
2 I2 , .
г +------+ гшпф
2 I2 , .
г +------гшпф
4 \ 4
Оценка погрешности 5ф на уровне первых приращений имеет вид
(14)
д® д® д®
— —— А?о + — А?1 + — А/2 '
дго
3/1
(15)
Из (7), (15)
=
Ы0соа®
__ (/1 — 4)
А?о + (211 — {о) — (2/2 — {о )
(16)
или, с учетом (6), =
2г1соз®
1 +
2г
Ып®А/0 + 2г1А/1 — 2г2 А/2
(17)
Для инженерных расчетов при 1<<г целесообразно использовать приближенную формулу
5® =
1соз®
Ып®
А?о + А?1 — А?2
(18)
В качестве примера на рис. 2 показаны графики погрешностей фазового пеленгования, рассчитанные по приведенным выше формулам при следующих параметрах сигнала и антенн:
- центральная частота зондирующих сигналов /о = 100 кГц (Ло = 1,5 см);
- ширина ДН (в дальней зоне) в горизонтальной плоскости ф07 = 1°, в вертикальной - в07 = 30°. Скорость звука принята равной со = 1500 м/с.
Эти данные близки к наиболее характерному для многолучевых эхолотов сочетанию параметров.
Им соответствуют: размеры антенны Ьу = 76 см; 4 = 25 см; расстояние до границы дальней зоны гд = 76 м.
Гд / г = 0
с
0
о
г1 + г2
с
о
г
а
ш-1---------------------------------------------------
<Р> град
<р, град
Гд / г = 20 г
Рис. 2. Графики погрешностей фазового пеленгования
Г
Рис. 3. Зависимость ширины диаграммы направленности от отношения гд/г
На рис. 3 показана зависимость ф0,7 (ширина ДН на уровне 0,7) от отношения Гд / г. При амплитудном методе пеленгования систематическую погрешность пеленгования можно считать равной ф0,7.
Из сравнения рис. 2 и рис. 3 видно, что в зоне Френеля фазовый метод пеленгования обеспечивает существенно большую точность, чем амплитудный.
Однако при наличии нескольких целей, попадающих внутрь ДН, может при фазовом методе пеленгования появиться неоднозначность пеленгования. Более подробное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки настоящей работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Махонин Г.М., Черепанцев С.Ф., Черниховская Г.Л., Ершова О.В.Расчет пространственного распределения поля гидроакустических антенн, работающих в зоне Френеля // Известия ТРТУ. - №5. 2004. - С. 53-57.
2. Махонин Г.М., Черепанцев С.Ф., Черниховская Г.Л., Ершова О.В. Особенности диаграмм направленности антенн в зоне Френеля и их влияние на главные параметры гидролокационных средств // Известия ТРТУ. - №5. 2004. - С. 57-64.
