CC BY
171
ОБЗОР
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
Векторно-фазовые методы и создание перспективных акустических систем
нового поколения
, Т. В. Гордиенко1^, Н. В. Краснописцев2,6, В.Н. Некрасов2,с
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, кафедра акустики. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
2 ФГУП ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений. Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево. E-mail: a tan-gor@mail.ru, 6 lab21@vniiftri.ru, c nvn@vniiftri.ru Статья поступила 05.09.2013, подписана в печать 04.12.2013.
Обсуждаются результаты теоретических и экспериментальных исследований, цель которых — обоснование потенциальных возможностей векторно-фазовых методов при решении различных прикладных задач гидроакустики. Эти исследования во многом способствовали активному внедрению векторно-фазовых методов в практику гидроакустических измерений. Преимущества векторно-фазо-вых методов, особенно в гидроакустике, проявляются прежде всего при существенном ограничении области пространства для размещения их в среде. В случае размещения одиночного комбинированного приемного модуля (КПМ) имеет место качественный скачок, который состоит в появлении нового «качества» у точечной приемной системы — возможности определения местоположения источника звука. Другая особенность использования КПМ — возможность применения принципиально новых (по отношению к системам на базе гидрофонов) алгоритмов обработки информации, основанных на прямом измерении потока акустической энергии (мощности), т. е. выделении той ее части, которая обусловлена анизотропией поля или наличием в среде сосредоточенных источников.
Ключевые слова: векторно-фазовые методы, векторный приемник, комбинированный приемник, поток акустической мощности, вектор Умова, локализация источников звука, помехоустойчивость, сонографиче-ский анализ высокого разрешения, метрология векторно-фазовых методов, высокочастотная геоакустическая эмиссия.
УДК: 534.322: 534.8: 534.6. PACS: 43.30.Wi, 43.28.Tc, 43.58.Fm.
В. А. Гордиенко
Введение
Наметившаяся в последнее время как в нашей стране, так и за рубежом тенденция увеличения интереса к малогабаритным гидроакустическим системам, включающим одновременно приемник акустического давления (ненаправленный гидрофон) и векторный приемник (ВП) [1], связана с тем, что известные методы и алгоритмы, основанные на использовании информации, регистрируемой только приемниками давления, достигли своих предельных возможностей в плане регистрации сигналов локальных источников с соотношениями сигнал/шум на входе, существенно меньшими единицы. Такие малогабаритные приемные системы обычно называют комбинированными приемными модулями (КПМ) или комбинированными приемниками (КП), если ненаправленный гидрофон и ВП совмещены в одном корпусе, а концепция, лежащая в основе используемых при этом методов обработки сигналов, — концепцией векторно-фазовых методов (ВФМ).
В широком смысле концепцией векторно-фазовых методов мы будем называть подход к решению акустических задач, не накладывающий обязательных условий потенциальности на поле, основанный на одновременной регистрации с помощью приемников давления (ПД) и векторных приемников в фиксированных точ-
ках пространства поля давления и его градиента (или колебательной скорости).
Основу этих методов заложил еще Н. А. Умов в своей докторской диссертации (1905), в которой указывал на важность характеристики акустического поля, получаемой путем перемножения мгновенных значений давления в волне и колебательной скорости (КС) частиц среды, известной сегодня как вектор Умова (введен в 1874 г.).
Несмотря на такой большой «стаж» направления, оно не только не исчерпало себя, но и получает все новые приложения в различных областях акустики. Причина в том, что идея подходов к анализу акустических полей, заложенная в векторно-фазовых методах, гораздо богаче и информативнее традиционных подходов, основанных на измерении параметров лишь поля акустического давления.
Долгое время при решении практических задач акустики такая характеристика поля, как вектор Умова, не была востребована из-за неясности самих физических аспектов формирования поля потоков акустической энергии в «сложной» волне, хотя некоторые частные методы, основанные на таких измерениях, давно используются в воздушной акустике. Например, фирма «Брюль и Къер» уже более 30 лет выпускает интенси-метр для локализации источников шума в атмосфере (типы 3360 и 4433) [2].
Максимум зарубежных публикаций в научных журналах по вопросам применения векторно-фазовых методов приходится на 1980-е гг. как результат попыток использовать ВП для решения прикладных задач. С тех пор были описаны и запатентованы многочисленные принципы построения систем обнаружения на базе ВП для использования их в радиогидроакустических буях (РГБ) [1], для локализации движущихся объектов, источников низкочастотных импульсных сигналов (выстрелы артиллерийских орудий, подрывы боезарядов и т.п.), применения ВП в условиях морских полигонов [1, 3, 4].
Тем не менее активного распространения, по крайней мере в России, эти методы пока не получили.
Одна из важнейших причин, мешающих эффективному использованию ВФМ в гидроакустике, по нашему мнению, связана с тем, что ВП более дорогие в изготовлении, требуют хорошо налаженных технологических процессов для их изготовления и специальных установок для акустической калибровки. Поэтому их использование должно быть оправдано, например, возможностями принципиального улучшения характеристик акустических систем.
Другая причина, относящаяся преимущественно к России, имеет скорее исторические истоки. Частично она связана с консерватизмом специалистов, в задачи которых входит принятие решений, и с недопониманием многими гидроакустиками сути векторно-фазовых методов и особенностей их использования для решения прикладных задач. Исторически сложилось так, что первыми в гидроакустике появились гидрофоны. Поэтому все основные методы и алгоритмы решения прикладных задач были сориентированы именно на информацию, регистрируемую такими датчиками. В этом направлении были достигнуты значительные успехи, разработаны весьма оригинальные алгоритмы обработки сигналов, позволившие решать достаточно широкий круг гидроакустических задач.
Очевидно, что переход на измерение векторно-фазо-вой структуры акустических полей потребует достаточно серьезного пересмотра не только идеи конструирования самих приемных систем, но и принципиального изменения подходов к алгоритмам обработки, метрологическому обеспечению измерений, пересмотру достаточно большого числа измерительных стандартов и методик. Это, несомненно, влечет за собой необходимость больших материальных и временных затрат. Возможно, поэтому в научной российской литературе регулярно появляются статьи, в которых предпринимаются попытки доказать, что ВФМ не могут обладать серьезными преимуществами в плане возможного повышения соотношения сигнал/помеха (S/N) и лишь позволяют несколько упростить решение акустических задач, не приводя к существенным последствиям (см., например, [5]).
Аргументы, как правило, содержат в своей основе используемую в классической акустике фундаментальную связь между акустическим давлением P, колебательной скоростью частиц среды в волне V и потенциалом скоростей Ф:
P(r, t) = рйФ/dt, V = V(r, t) = - grad Ф(г, t). (1)
Из соотношений (1) следует, что для решения любой задачи достаточно измерить пространственно-временное распределение поля давления. Поэтому, измеряя P(r, t), легко восстановить потенциал Ф(r, t) и далее рассчитать любые параметры сигнала. Что касается приемников звукового давления в гидроакустике (гидрофонов), то изготовить их намного проще и дешевле, чем приемники градиента давления.
Направленные свойства каналов КПМ, под которым мы будем понимать приемную систему малых волновых размеров, включающую ПД и ВП, также выражены слабо (в лучшем случае косинусная характеристика направленности), поэтому существуют попытки доказать, что с помощью ВП нельзя получить выигрыш в соотношении S/N по отношению к гидрофону более чем 3-6 дБ [5]. При этом, как правило, полностью игнорируется факт, что алгоритмы векторно-фазовых методов предполагают совместную специфическую нелинейную обработку сигналов, регистрируемых различными каналами приемной системы, что принципиально отличает эти алгоритмы обработки сигналов от систем на базе гидрофонов.
Однако в последнее время ситуация стала меняться.
Как известно, точное измерение параметров гидроакустического поля локализованного источника звука в морских условиях представляет собой исключительно сложную задачу. Гидроакустическое поле, создаваемое современными малошумными движущимися источниками, имеет в водной среде сложную нестационарную структуру, в результате чего уровень звукового давления в двух точках, разнесенных всего на десяток метров, может различаться в одно и то же время на 30-40 дБ. В таких условиях большое значение приобретают алгоритмы обработки сигналов, позволяющие по измерениям в ограниченной (контрольной) области пространства (обычно малой по сравнению с длиной волны) определять свойства источника, его координаты и элементы движения с последующей их идентификацией (классификацией). Это в свою очередь требует все большего совершенствования методов и алгоритмов обработки сигналов.
В другой постановке похожая задача обозначена в книге В. Бурдика [6]: создание атомных подводных лодок (ПЛ) с баллистическими ракетами на борту существенно изменило роль и конструкции гидроакустических систем. Обязательным требованием к ним стали обнаружение и классификация подводных целей на больших дальностях. Требования к увеличению дальности действия обусловили переход на более низкие частоты, чтобы уменьшить потери из-за поглощения звука. Это в свою очередь привело к увеличению габаритов антенн в целях обеспечения заданной точности определения направления на цель. Так, например, разрабатываемая в течение почти 20 лет система «Агам» оказалась столь громоздкой, что реально удалось изготовить и реализовать только часть ее конструкции (рис. 1 из [7]), уменьшенную с площади размещения гидрофонов 1000-1500 м2 в первоначальном варианте проекта до 750 м2. В целом разработанная система представляет собой впечатляющее сооружение высотой 17 м, шириной 4.1 м, длиной 102.5 м, подводным водоизмещением в рабочем положении 1480 м3.
Рис. 1. Антенная система «Агам» в горизонтальном положении перед постановкой (фото из [7])
Что касается измерительных систем для полигонов, то здесь до сих пор пока приходится работать с сигналами, снимаемыми с отдельно взятых гидрофонов, используя затем специальные алгоритмы обработки [4, 8].
Таким образом, решение этих задач оказалось довольно сложным. Обнаружение и обработка узкополосных тональных составляющих сигналов цели были улучшены благодаря использованию преимуществ высокоскоростной цифровой техники, одновременно не прекращалась деятельность разработчиков и конструкторов кораблей по уменьшению излучаемой морскими объектами (МО) акустической энергии. Поэтому уже сегодня требуется решение перспективной задачи — создания нового поколения средств измерений.
В настоящее время как в России, так и за рубежом ведутся интенсивные работы в направлении повышения эффективности акустических систем за счет усовершенствования алгоритмов обработки сигналов. Однако существуют серьезные опасения, что с помощью этих методов весьма не просто (или даже невозможно) будет решать задачи выделения слабых сигналов на фоне собственных шумов акватории при относительно небольших возможных размерах самой гидроакустической системы. Сегодня, по мнению многих специалистов в этой области, известные методы, основанные на использовании информации, регистрируемой приемниками давления, фактически достигли предельных возможностей [8].
Однако есть и другой путь (не исключающий первого), основанный на увеличении объема акустической информации о поле при заданных пространственно-временных объемах выборок за счет более полного извлечения информации из каждой точки поля, — применение векторно-фазовых методов, об особенностях использования которых и пойдет речь в настоящей статье.
1. Векторно-фазовые методы как принципиально новый подход к решению задач акустики
Следует отметить, что при практической реализации классического метода теоретической трактовки свойств акустического поля, базирующегося на соотношениях (1), возникает ряд серьезных трудностей.
Во-первых, восстановление V по формуле (1) требует измерения P в пространственной области, т. е. приемная система должна быть протяженной, а при приеме широкополосных сигналов — квазинепрерывной в некоторой области пространства.
Во-вторых, введение потенциала скоростей Ф(r, t) в виде (1) позволяет из бесконечного множества решений волнового уравнения рассматривать только те, которые соответствуют безвихревым движениям жидкости (т.е. для которых rot V = rot(grad Ф) = 0). Но это не всегда справедливо для низких звуковых частот, инфразвука, а также при проведении акустических измерений звукоприемниками конечных размеров в движущихся средах (ветер, приливно-отливные течения, буксируемые акустические системы). Общее решение для вектора V в соответствии с теоремой Гельмгольца можно выразить через скалярный Ф и векторный Ф потенциалы:
V = - grad Ф + rot Ф. (2)
В-третьих, остается неоднозначность восстановления потенциала Ф по результатам измерения только поля давления в точке, связанная с наличием двух равнозначных решений одного и того же волнового уравнения для Ф , одно из которых соответствует так называемой простой (локально плоской) волне (по терминологии Бирхгоффа), другое — волне с эллиптическим движением частиц среды [1].
Таким образом, при восстановлении поля необходимо ориентироваться на одновременное независимое измерение минимум двух (по числу восстанавливаемых параметров) характеристик акустического
поля (в данном случае давления Р{1) и вектора КС V (1) = 1Ух(г)+ ¡Уу ® + кУг(г)).
В рамках такого подхода для полного описания акустического поля необходимо располагать знанием о 16 характеризующих его в некоторой точке пространства величинах, которые можно получить путем регистрации зависимости от времени поля давления и вектора КС.
При решении широкого круга относительно простых задач акустики (например, при больших соотношениях сигнал/помеха на входе приемной системы или в области относительно высоких частот анализа) действительно можно ограничиться измерением лишь поля давления и использованием протяженных антенн.
При изучении структуры шумовых полей океана в низкочастотной области или при попытках выделить слабые низкочастотные сигналы на фоне шумов информации только о поле давления, как правило, оказывается недостаточно. Данный вывод обосновывается в рамках развитого нами подхода к акустике как частного случая гидродинамики [1]. Упомянутые 16 величин легко получить, если для описания параметров поля ввести четырехмерный вектор-столбец Р = {рсУХ, рсУу, рсУг, Р}. Очевидно, что для любой частоты [ отличным от нуля за время I, кратное или существенно большее периода, является второй момент компонентов Р, или среднее значение измеряемой величины на выходе квадратичного детектора, выражение для которого можно записать стандартным образом в матричном представлении вида
Я =(Р ■ (Р)т)*/2рс,
где символ Т означает транспонирование, а * — комплексно-сопряженную величину.
Тогда для элементов матрицы «мгновенных» отсчетов получаем выражение
Рпш = (Рп ■ Рт)/(2рс2) = Ке(Япт) +Ц1ш(Япт). (3)
Матрица Я является эрмитовым тензором, элементы которого представляют собой математическое ожидание (ковариацию) произведения двух центрированных величин. Элементы Я имеют размерность плотности энергии, а с ■ Я — плотности потока акустической мощности. Разумно назвать Я тензором плотности энергии акустического поля. Переопределяя его так, чтобы среднеквадратичные значения были вещественны, введем два действительных тензора
Б(к) = (Я + Я*)/2 и Б(а) = -Ц ■ (Я - Я*)/2,
так что Я = Б(к) + ЦБ(а).
Симметричные члены БЫ определяют когерентную (активную), а антисимметричные Б(а) — некогерентную (реактивную) составляющие функции плотности энергии соответствующих пар компонентов акустического поля. Элементы матрицы б4^ = Щт (т = 4) носят название проекций плотности потока акустической мощности на направление т. Элементы б4^ = Щт соответствуют компонентам х , у и г реактивной плотности акустической энергии.
Считая, что БПт отличны от нуля только для п = т, а БПт — для п < т, для практических нужд можно
сформировать обобщенную матрицу (не тензор!), в которой присутствует полный набор параметров поля, по принципу Б'Пт = БПт + Ба :
с ■ Б' =
° пт ~
Рх2/Рс с ■ Б(а) ■ ху с ■ Б{а) ■ хг Щх
с ■ Б{к) ■ ух Ру2/Р с с ■ Б(а) ■ хг Щу
с ■ БухХ с ■ БХг Рг2/Рс Щг
Щх Щгу Щг Р2/рс
(4)
Матрица эквивалентна тензору 5 (или Я) только с точки зрения числа описываемых независимых параметров.
При анализе различных сигнально-помеховых ситуаций более удобно бывает пользоваться нормированными значениями элементов матрицы Б, а именно коэффициентами взаимной корреляции рпт ~ Б(с), Р**т ~ Б(а) (-1 < Рпт, р*т < +1) и функцией когерентности 0 < 7 < 1 (модуль безразмерного взаимного спектра), которые легко определяются через введенные выше элементы матрицы [1].
Располагая данными о численных значениях этих характеристик поля в точке, можно практически сразу произвести классификацию акустических полей. Например, для акустического поля в дальней зоне имеем
— диффузное поле: Рп4 = 0, {рц) = {р*ц) = чц ~ 0;
— поле стоячих волн: рп4 = 0, р*4 = ±1, 7п4 = 1;
— анизотропное (когерентное) поле: рп4 = ±1,
р*4 = 0, 7п4 = 1 .
В ближнем поле излучателя всегда существует реактивная плотность акустической энергии, а разность фаз АфРУ между Р и У отличается от нуля и зависит от типа источника. Появление реактивных составляющих КС или потока акустической мощности (ПАМ) свидетельствует о наличии в среде нескольких источников или как минимум одного сложного, который можно представить набором точечных разнесенных в пространстве источников звука.
2. Особенности метрологии векторно-фазовых методов
Один из важнейших вопросов, которые возникают при создании измерительных систем на базе векторных приемников, — существуют ли какие-либо устойчивые (фундаментальные) связи между скалярными, векторными и фазовыми (разностно-фазовыми) характеристиками полей локализованных и шумовых источников в реальном океане, позволяющие высказать определенные суждения об адекватности совместных измерений полей различными типами звукоприемников. Последнее не очевидно, так как конкретные соотношения между скалярными и векторными параметрами акустического поля существенно зависят от механизмов и условий его формирования.
Проведенный нами в свое время впервые анализ векторно-фазовой структуры поля сигнала локализованного источника в океане позволил сделать ряд интересных выводов, касающихся наличия фундаментальных связей между параметрами акустического поля для некоторых важных частных сигнально-помеховых ситуаций. В частности, показано, что при наличии
на акватории удаленного в направлении г локализованного источника горизонтальный компонент КС порождаемого им поля в дальней зоне, выраженный в единицах давления плоской звуковой волны путем формального домножения значения КС на волновое сопротивление среды рс, в целом, по амплитуде и фазе идентичен звуковому давлению. Справедливость данных утверждений доказана теоретически, а также проверена экспериментально при проведении большой серии экспериментов в различных районах Мирового океана и акваторий закрытых морей [1].
Существуют и закономерности формирования век-торно-фазовой структуры поля шумовых источников в океане. В частности, для большинства шумов моря акустического происхождения (объемный шум, поверхностный шум, шум береговой линии и т. п.) выполняется условие
Р2/У + У2 + Уг2) = (рс)2. (5)
Невыполнение условия (5) свидетельствует либо о наличии полей неволнового происхождения (шумы обтекания, турбулентные пульсации и пр.), либо о работе в ближнем поле источников.
Наиболее важным результатом расчетов шумового поля, генерируемого взволнованной поверхностью, следует считать то, что при наличии дна с произвольным коэффициентом отражения У([, $) или/и вертикальной стратификации при выполнении условия Ш >3 (Н — глубина погружения приемной системы) зависимость отношений Р2/У2 от частоты практически не наблюдается, так что
Р2/(рсУх)2 « Р2/(рсУу)2 = 5-7 дБ, Р2/(рсУг)2 = 2-3 дБ.
Существенно, что около 90% энергии поля, генерируемой взволнованной поверхностью, определяется ограниченным участком близлежащей поверхности. Шумы дальнего судоходства приходят преимущественно с горизонтальных направлений (для них обычно Р2/(рсУг)2 > 15-30 дБ). Вертикальный канал ВП оказывается защищенным от шумов дальнего судоходства, так что в случае отсутствия мощных источников в непосредственной близости от приемной системы канал Уг дает информацию об истинном значении уровня поверхностных шумов в районе наблюдений. Если обозначить через Р^ усредненный уровень звукового давления, генерируемого взволнованной поверхностью, а через Р2 — аналогичный уровень шумов, приходящих из дальней зоны, тогда их относительный вклад можно оценить исходя из измеренных значений Р2/У2 [1]:
Р2/рЫ = Р2/(2 • рсУг?] - 1.
(6)
Характерно, что в большинстве районов океана существует отличная от нуля доля шумов, приходящих из дальней зоны и имеющих относительно устойчивые направления в пространстве. Относительный вклад таких шумов, определяемый коэффициентом а = >/<Р2>, для различных акваторий колеблется от -30... -40 дБ для глубоководных удаленных от судоходных трасс районов до -5... -8 дБ для береговых зон и районов с интенсивным судоходством. Отметим, что а « Р2/Р^, если шумы существенно анизотропны. В противном случае обычно а < Р2/Р^.
Мы считаем, что на настоящий момент времени метрологическая задача обеспечения единства гидроакустических измерений при использовании вектор-но-фазовых методов решена в том числе благодаря накопленному нами экспериментальному материалу, полученному для самых разнообразных акваторий Мирового океана и прибрежных морей.
3. Помехоустойчивость приемных систем на базе векторных приемников
Второе направление проведенных нами исследований — выявление факторов, определяющих потенциальные возможности КПМ в плане расширения их функциональных возможностей, повышения помехоустойчивости и точностных характеристик.
Здесь следует выделить два принципиально различающихся между собой подхода к обработке сигналов, снимаемых с отдельных каналов КП.
Первый подход — так называемые аддитивные алгоритмы, позволяющие сформировать в пределах одного приемного модуля дипольную или близкую к кардиоиде характеристики направленности (ХН), ориентированные в заданном направлении. Дальнейшая обработка сигнала (в том числе с точки зрения помехоустойчивости) принципиально ничем не отличается от обработки сигналов, снимаемых с обычных гидрофонов, для которых годятся основные описанные в литературе оценки помехоустойчивости (например, [5, 10, 11]).
В этом случае реальная помехоустойчивость одиночного КПМ определяется, как и в случае систем на базе приемников давления, преимущественно коэффициентом концентрации, т. е. фактически наличием «косинусной» характеристики направленности у ВП, и в зависимости от типа шумового поля и используемых комбинаций каналов ВП и ПД лежит в пределах 3-13 дБ [1, 5].
Второй подход связан с нелинейной обработкой сигналов, внешне сходной с мультипликативной или корреляционной обработкой, но вместе с тем принципиально отличающейся от нее. Здесь выделяют регистрацию потоков акустической энергии и ее реактивной составляющей.
Переход на регистрацию проекций потока акустической мощности позволяет с учетом его векторного характера (за счет пространственной фильтрации сигналов [1]) значительно снизить порог обнаружения устройства вплоть до значений Б/Ы = -20... -25 дБ на входе одиночного гидрофона. Эту величину следует, по-видимому, рассматривать как предельную для помехоустойчивости КП, регистрирующего поток акустической мощности тонального сигнала, по отношению к одиночному гидрофону. Забегая вперед, приведем результаты одного из экспериментов, подтверждающих данный вывод при проведении измерений для тонального стабильного по частоте и амплитуде сигнала 230 Гц на протяженной трассе в одном из глубоководных районов Тихого океана вдали от судоходных трасс (1985 г.). Излучатель был установлен на удалявшемся по заданной трассе НИС «Академик Виноградов», приемная система — на НИС «Академик Лаврентьев», находившемся во время регистрации сигнала в режиме «тишина». Прием осуществлялся на трехэлементную линейную
антенну на базе КПМ. Экспериментальная зависимость уровня регистрируемого по потоку акустической мощности сигнала К на фоне уровня анизотропной составляющей помехи Ка в точке регистрации сигнала в зависимости от соотношения сигнал/шум на выходе приемника звукового давления приведена на рис. 2. Из рисунка хорошо видно, что соотношение сигнал/помеха для потока акустической мощности К/Ка превышает 6 дБ вплоть до соотношений Р$/Р^ & -25 дБ на выходе приемника звукового давления.
обычно соответствует половине или четверти длины отдельной выборки т0), число N усредняемых для каждой частоты значений К и закон усреднения.
В пределах единичной выборки длиной т0 с номером а для каждого частотного поддиапазона 5/г из анализируемого диапазона А/ могут быть определены азимутальный фг и полярный $г углы прихода сигнала в горизонтальной и вертикальной плоскостях и интенсивность ¡г этого сигнала, представляющая значение модуля вектора потока акустической мощности в направлении, определяемом углами фг и $г:
^ ^ = , tg $ - , _ , (7)
WRxi '
WL + Ki
Рис. 2. Экспериментальная зависимость регистрации уровня сигнала на фоне помехи по потоку акустической мощности в зависимости от соотношения сигнал/помеха для приемника звукового давления при регистрации сигнала частотой 230 Гц на протяженной трассе в Тихом океане
Однако для широкополосного локализованного источника теоретически предел выделения его на фоне шумов может быть существенно выше, и значения S/N = —30... —40 дБ могут быть вполне допустимы при определенных условиях.
4. Особенности алгоритмов обработки и связанные с ними вопросы помехоустойчивости
Третье важное направление исследований — выявление факторов, определяющих потенциальные возможности КП в плане расширения их функциональных возможностей, повышения помехоустойчивости и точностных характеристик. Эта проблема тесно связана с используемыми алгоритмами обработки сигналов, регистрируемых каналами КПМ.
Можно предложить следующую, в некоторой степени оптимизированную, хотя и достаточно громоздкую, процедуру, которую можно реализовать двумя несколько различающимися способами [12].
В первом случае (условно алгоритм I) в заданном частотном диапазоне А/, включающем m узкополосных сигналов различной частоты или частотных поддиапазонов 5/i со средней частотой поддиапазона /i, для каждой выборки с номером q строят массив из m независимых троек проекций потоков акустической мощности
WRxt = Wrx (tq, /) , WRyi = WRy (tq, /) , Wrzi = WRz (tq, /)
(предполагается, что направления осей X, Y и Z известны). Для этого обычно требуется задать ряд параметров. Например, если используются алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ), следует задать длину т0 отдельной выборки, как правило, определяющую совместно с частотой дискретизации, использовавшейся при оцифровке сигнала, частотное разрешение спектра, сдвиг во времени Ат между соседними обрабатываемыми выборками (tq+1 = tq + Ат, где Ат
I (Ф) -у/ КХ + Кг или
и Ф > $1 )-у! к*+кУ1+к* •
Разбивая весь диапазон анализируемых углов на М секторов (например, для плоского случая горизонтальной плоскости М — 360/Аф0, где Аф0 — выбираемое пространственное разрешение), для заданной
т
частотной полосы А/ — ^ 5/г, состоящей из набо-
г— 1
ра т дискретных частотных интервалов полосой 5/г каждый (например, частотное разрешение БПФ или полоса пропускания узкополосного фильтра), рассчитывают дискретный набор значений (массив) I(фп) для выборки q по алгоритму
т
¡а (фп ) — ¡аг [/г, (п - 1) . Аф0 < фг < п • Аф0 ], (8)
г—1
где п пробегает значения от 1 до М . В случае необходимости (если это не противоречит поставленной задаче) результат может быть приведен к полосе 1 Гц.
Далее переходят к следующей выборке (а + 1) и повторяют процедуру, получая массив значений ¡а+1 (фп) для следующего момента времени, отстоящего на Ат от предыдущего, а результаты последовательных отсчетов усредняют.
Если ^тт > М, то распределение (8) на шаге а ^ Nт можно рассматривать как квазипространственный спектр акустического сигнала по потоку акустической мощности в горизонтальной плоскости для интервала времени , который в случае отсутствия мощных локализованных источников на акватории в первом (грубом) приближении может быть близок к пространственному спектру, получаемому с помощью горизонтальной линейной антенны. Если при этом выражать колебательную скорость в эквивалентных единицах звукового давления плоской звуковой волны (т. е. вместо значения колебательной скорости V рассматривать значение р^, где рс — волновое сопротивление среды), то размерности ¡ и Р2 будут совпадать и их численные значения можно сравнивать. При этом для акватории типа слоя с импедансной границей в соответствии с данными [12, 14] должно выполняться условие
M
£
п=1
I (фп ) = /Е/ » P2
Второй подход (алгоритм II) в основной части совпадает с описанным выше. Отличие касается способа построения гистограммы, а именно: в пределах отдельной выборки в каждую угловую ячейку с номером п, характеризуемую средним значением угла пеленга фп, записывают значения интенсивности, например определяемые из условия
I (фп ) = 2 {[I (фп) - I (180° + фп )] + \1 (фп ) - I (180° + фп )|}.
(9)
В этом случае изотропная составляющая шумов акватории достаточно быстро убывает уже при небольших временах усреднения и остаются только относительно устойчивые (стационарные) в пространстве и времени анизотропные -составляющие шумовых источников.
Этот алгоритм может быть эффективно использован для выделения источника слабых сигналов на фоне шумов акватории при условии, что частотные и угловые характеристики выделяемого источника и «стационарных» составляющих поля помех не совпадают. Наилучший эффект должен получаться в случае шумов акватории, близких к изотропным. Именно в этом случае помехозащищенность приемника, регистрирующего вектор потока акустической мощности, может существенно превышать 20 дБ [12].
Пример обработки данных натурного эксперимента в горизонтальной плоскости для акватории Белого моря (глубина места около 300 м) по алгоритмам I и II, когда на акватории отсутствовали видимые локализованные источники, приведен на рис. 3. Нормированное на интегральное значение Р2 угловое распределение I(ф) для значения М = 360 (угловое разрешение 1°), построенное по алгоритму I, соответствует статистическому пространственному распределению вектора шумов акватории в месте постановки приемной системы в горизонтальной плоскости. Для приводимых на рисунке значений I(ф) хорошо выполняется условие 360
^ I(фп) = 1, т. е. интегральный уровень интенсивности
п= 1
равен значению Р2 .
Зависимость I(ф), построенная по алгоритму II, отражает пространственное распределение относительно устойчивой в горизонтальной плоскости анизотропной
составляющей вектора потока акустической мощности шумового поля , интегральный уровень которой для данного района на 7а = 13-15 дБ меньше Р2. Это означает, что по формальным критериям у одиночного КПМ появляется принципиальная возможность на основании измерений характеристик акустического поля в единственной точке определять на фоне умеренно изотропных шумовых полей направление на достаточно слабые локализованные источники с соотношением сигнал/шум по каналу давления существенно меньшим единицы.
Однако при оценке потенциальных возможностей выделения слабых сигналов на фоне шумов акватории возникают некоторые проблемы. В отличие от антенной решетки, для которой значение 7а действительно будет характеризовать ее помехозащищенность в заданном угловом секторе, величина А1 превышения сигнала локализованного источника над уровнем шумов акватории (рис. 4, в) будет зависеть от ряда факторов, основным из которых является соотношение сигнал/шум по потоку акустической мощности. В отличие от антенной решетки, угловой спектр прихода энергии от локализованного источника, определенный с помощью описанных выше алгоритмов, является довольно широким, что связано с весьма существенными флуктуациями в пространстве и времени суммарного регистрируемого вектора \УБ + , формируемого с участием локализованного источника (рис. 4, б). Последнее, безусловно, различает определение направления на источник с помощью КПМ и с помощью антенной решетки, так что обычно требуется дополнительная обработка огибающей зависимости I(ф) для определения истинного пеленга на источник с заданной точностью, как, впрочем, и для определения истинного уровня излучения этого источника.
Дальнейшее улучшение соотношения сигнал/помеха можно осуществить за счет использования алгоритмов спектрального анализа с высоким частотным разрешением, основанных на методах времячастотных преобразований сигналов, описанных нами ранее в работах [12-14]. Эти же алгоритмы, как правило, позволяют осуществить пространственное разделение источников дискретных составляющих сигналов, генерируемых различными объектами в одном и том же частотном диапазоне.
Рис. 3. Пример обработки данных натурного эксперимента в горизонтальной плоскости для акватории Белого
моря по алгоритмам I и II
Рис. 4. К вопросу о формировании пространственного статистического распределения вектора потока акустической мощности : а — изотропный в горизонтальной плоскости шум (); б — возможные угловые положения ф в горизонтальной плоскости суммарного вектора потока акустической мощности
при наличии на акватории локального источника, формирующего поток акустической мощности в направлении ф0, и изотропного шума \¥Ы (< Шб ); в — примерные зависимости нормированного на Р2 распределения I(ф) для нескольких характерных случаев: 1 — изотропный шум без локального источника; 2 — локальный источник в отсутствие шумов; 3 — уровень сигнала Ш значительно выше уровня помехи ;
4 — уровень сигнала Ш <
Действительно, при уменьшении полосы спектрального анализа дисперсия пеленга может быть уменьшена (а следовательно, увеличена надежность выделения сигнала локализованного источника на фоне окружающих шумов) за счет увеличения отношения \\Б\/\\Ы\ (рис. 4), а флуктуационная составляющая — за счет увеличения статистики. Однако во многих практических случаях, особенно для движущихся объектов, время усреднения часто не может быть существенно увеличено. Поэтому практически единственным способом одновременного выполнения обоих условий является увеличение числа анализируемых частотных полос, т. е. увеличение частотного разрешения спектрального анализа (рис. 5). Этот же прием в большинстве практических случаев позволяет провести пространственное разделение двух и более реальных широкополосных источников сигнала, работающих в пересекающихся частотных полосах. Последнее обычно связано с возможностью разделения, как правило, всегда присутствующих дискретных составляющих шумоизлучения большинства морских объектов.
Однако высокое частотное разрешение накладывает свои ограничения на возможности выделения слабых сигналов на фоне окружающих шумов акватории. При этом следует решить две проблемы. Первая проблема связана с необходимостью увеличения массива обрабатываемых данных при узкополосном анализе, вторая заключается в наличии флуктуаций сигнала по частоте как за счет нестабильности работы излучающих механизмов объекта и флуктуаций распространения сигнала, так и за счет эффекта Доплера, если пеленгуемый объект движется.
Для уменьшения объема анализируемой выборки можно использовать методы цифровой квадратурной и низкочастотной фильтрации с прореживанием, которые обычно предназначены для предварительной обработки сигналов, необходимой для реализации алгоритмов
Рис. 5. Профили зависимости I (ф) для нефлуктуиру-ющего по частоте гармонического сигнала (а) при различном частотном разрешении (1 — 1 Гц; 2 — 0.1 Гц; 3 — 0.06 Гц; 4 — 0.03 Гц) и оценка значения А уменьшения Тшах(ф) по отношению к регистрации нефлуктуирующего гармонического сигнала (б) при флуктуации частоты сигнала: 1 — 0.01 Гц; 2 — 0.5 Гц; 3 — 1 Гц; 4 — 3 Гц
спектрального и сонографического (спектрально-временного) анализа с высоким частотным разрешением, упоминавшихся выше.
5. Возможное использование векторных приемников в измерительных гидроакустических системах
5.1. Измерения уровней шумности морских объектов при малом соотношении сигнал/помеха
Один из аспектов данной задачи — определение по измерениям поля излучения морского объекта в ближней зоне акустических характеристик низкочастотных
источников звука малой интенсивности, для которых, как правило, не представляется возможности обеспечить проведение таких измерений в дальней зоне или хотя бы в условиях, приближенных к свободному пространству. Очевидно, что эти задачи должны решаться с учетом преемственности, технической и финансовой реализуемости, а также на основе анализа мирового опыта.
В соответствии с принятой парадигмой и существующей нормативной базой уровень (мощность) источника стационарного излучения, движущегося равномерно и прямолинейно относительно точки наблюдения (например, приемной гидрофонной базы), определяется как максимальное на измерительном галсе значение так называемой проходной характеристики A(t) в определенной, например треть-октавной, частотной полосе, приведенное к некоторой стандартной дистанции г0 по сферическому (либо иному) закону. Никакие другие характеристики, связанные с условиями измерений, моделью помех и т.п., вообще говоря, в явном виде не рассматриваются.
В этом направлении в ФГУП ВНИИФТРИ были достигнуты значительные успехи в плане разработки и введения в практику обработки сигналов таких методов, как ЭСО (энергетическая согласованная обработка) и ЭСТО (энергетическая согласованная траекторная обработка). Как утверждается в [4, 8], алгоритмы ЭСО и ЭСТО хорошо зарекомендовали себя в практике измерений сигналов от источников, которые на 5-10 дБ ниже уровня окружающих шумов. Однако существуют серьезные опасения, что с помощью этих методов весьма не просто (или даже невозможно) будет решать задачи метрологического обеспечения измерений перспективных морских объектов. Существуют также веские основания полагать, что измерения уровня шумности морских объектов, выполненные в ближнем поле, могут не соответствовать их шумности в дальней зоне.
Мировой и отечественный опыт показывают, что задача измерения и контроля характеристик подводного шума (ПШ) малошумных МО наиболее эффективно решается техническими средствами и в условиях специальных полигонов. Под этим термином понимаются
прежде всего морские стационарные полигоны (МСП), примером которых могут быть иностранные центры AUTEC, BUTEC и т. д. В последние годы интенсивно развиваются и мобильные гидроакустические полигоны, которые разворачиваются в требуемом месте с обеспечивающих судов. По сравнению с МСП они имеют существенно меньший объем технических средств, но их использование позволяет решить задачи контроля ПШ современных малошумных МО с существенно меньшими затратами.
Достигнутое на современных подводных лодках снижение уровней шумоизлучения, а также необходимость выполнения измерений ПШ в направлениях нос-корма, т. е. на дистанциях в 2-3 раза больших, чем стандартная, вызвали появление целого ряда работ, призванных обеспечить измерения уровней шумоизлучения при отношениях сигнал/помеха менее чем 0.3-0.5. Так, на средиземноморском полигоне НАТО в районе г. Тулона [3] применение принципиально различных приемных систем (одиночных гидрофонов, комбинированных приемников и антенн), каждая из которых имеет независимые систематические составляющие аппаратурной и методической погрешности, дает возможность реализовать принцип «рандомизации» погрешностей при измерениях гидроакустических полей (ГАП) (рис. 6).
Другой пример — использование антенн из КП на морском полигоне США вблизи поселка Ketchikan (рис. 7) [15].
На наш взгляд, внедрение методик, основанных на использовании векторно-фазовых методов, позволит существенно улучшить ситуацию в развитии данного направления.
5.2. Оценка направленных свойств излучения в горизонтальной плоскости
Существует и еще одна не решенная до настоящего времени проблема, а именно проблема непосредственного измерения уровней, создаваемых шумоизлучением МО в направлениях нос-корма. Современные представления о физической модели формирования акустического поля МО позволяют считать, что одно из этих значений может соответствовать максимуму ХН.
Рис. 6. Использование векторных приемников на средиземноморском полигоне в районе г. Тулона [3]
Рис. 7. Структура приемной системы на базе векторных приемников, используемая на полигоне США вблизи поселка Ketchikan [15]
В настоящее время определение шумоизлучения в направлении нос-корма приходится осуществлять на основе экстраполяции со значений углов, достаточно сильно отличающихся от линии нос-корма. Основная причина — малые уровни шумоизлучения МО по отношению к окружающим шумам акватории при измерении их с помощью стандартных гидрофонов.
Использование векторно-фазовых методов позволяет существенно облегчить получение этих данных. В основе предлагаемого решения лежит возможность увеличения дистанции надежной регистрации шумо-излучения МО до 800-1000 м по горизонтали без изменения геометрии стандартной методики определения шумности за счет использования канала потока акустической мощности. Последнее позволяет при дистанции около 50 м между траекторией движения МО и приемной системой получить углы измерения
Рис. 8. Угол между направлением нос-корма при регистрации потока акустической мощности и оценка ошибки определения уровня шумоизлучения
в направлении нос-корма, не превышающие 2-4°, и тем не менее обеспечить достаточное время накопления сигнала, используя дистанции по горизонтали 400-600 или 400-800 м (рис. 8). Действительно, нетрудно оценить, что при скорости МО 8 узлов время прохождения дистанции от 400 до 800 м составит около 100 с. При этом угол на МО изменяется в пределах 3-7° , что приводит к возникновению ошибки измерений уровня шумоизлучения в направлении нос-корма не более 0.7 дБ.
Возможности такого подхода основываются на результатах анализа уровней экспериментально зарегистрированных с помощью комбинированных приемных систем уровней собственных шумов акваторий Белого моря и Финского залива и регистрации проходных характеристик реальных источников низкочастотных сигналов малых уровней (рис. 9).
Как нами было показано ранее [1], информативным параметром при переходе на измерение потока акустической мощности следует считать не величину флук-туаций сигнала на выходе канала Ш, а комбинацию шума и помехи, т.е. значение \ШТ п \ + БтШ, которое и должно сравниваться с аналогичным значением на выходе приемника звукового давления. Здесь \ШТп представляет собой фактически модуль анизотропной составляющей Ша потока акустической мощности в направлении линии измерений, а БтШ — уровень флукту-
Рис. 9. Пример регистрации сигнала удаляющегося источника по каналам Р и Ш в Финском заливе (слева) и для двух частотных третьоктавных полос в Белом море
аций сигнала на выходе приемной системы для времени усреднения т. При этом потенциальная дальность приемной системы, регистрирующей поток акустической мощности, должна отличаться от аналогичной системы на базе гидрофонов на величину, примерно определяемую отношением уровня шумов акватории к уровню анизотропной составляющей потока акустической мощности в направлении измерений. При реально зарегистрированных нами величинах анизотропии 12-15 дБ это соответствует увеличению эквивалентной дистанции от 50 до 750-1400 м.
Важно отметить, что описанный алгоритм в определенных ситуациях может работать и при наличии на акватории дополнительных источников. В качестве иллюстрации приведем пример регистрации на акватории Финского залива Балтийского моря малошумного морского объекта с уровнем шума на траверзе примерно на 6 дБ ниже уровня окружающих фоновых шумов акватории на фоне проходящего мимо сухогруза, уровень шума которого в точке расположения приемной системы на траверзе превышал уровень фоновых шумов акватории примерно на 15-20 дБ.
Геометрия эксперимента представлена на рис. 10. На рис. 11 — результат применения сонографического анализа высокого частотного разрешения. При обычном частотном разрешении 2 Гц на проходной характеристике прослеживается преимущественно «акустический след» сухогруза. Однако уже при частотном разрешении 0.05 Гц удается не только раздельно запеленговать сигналы от МО и сухогруза, но и выделить проходную характеристику МО.
5.3. Поиск, локализация и оценка уровней подводного шума источников повышенного шумоизлучения судов, кораблей, буровых платформ, в том числе и в условиях заводских акваторий на этапе их швартовных испытаний
Проблема локализации и измерения уровней излучения низкочастотных источников сигнала малых уровней на сегодняшний день является одной из актуальнейших для современной гидроакустики. Обычно для этой цели используются либо «линейки» одиночных гидрофонов [4, 8], либо различной конструкции антенные решетки [16]. Одна из серии таких задач — локализация источников излучения малой мощности на корпусе корабля — предусматривает наличие хороших диагностических инструментов для проведения анализа шумового источника, оценивания его местоположения на корпусе и уровня излучения для обеспечения снижения шумности конкретного морского объекта. Проблема получения акустического образа является чрезвычайно трудной, так как требуемое пространственное разрешение источников на низких частотах является по своему масштабу таким, что оно обычно в несколько раз меньше длины акустической волны. Во многом из-за этого использование протяженных многоэлементных антенн на базе гидрофонов часто оказывается малоэффективным, особенно при малых соотношениях сигнал/помеха. В результате в последнее время как в нашей стране, так и за рубежом наметилась тенденция увеличения интереса к малогабаритным гидроакустическим системам, включающим одновременно
Рис. 10. Геометрия эксперимента в Финском заливе Балтийского моря
Рис. 11. Результат применения сонографического анализа высокого частотного разрешения для выделения проходной характеристики МО на фоне сухогруза в третьоктавной полосе 160 Гц при времени усреднения 10 с
приемник акустического давления и векторный приемник [3, 15].
В работе [15] описаны результаты тестирования возможностей антенной решетки, состоящей из пяти векторных приемников, разнесенных по вертикали на расстояние 10 см, при определении местоположения и интенсивности источников излучения на корпусе подводной лодки на упоминавшемся выше стационарном гидроакустическом полигоне ВМС США SEAFAC в Behm Fiord на Аляске недалеко от поселка Ketchikan (рис. 7). Локализация источников на корпусе ПЛ достигалась путем сравнения откликов разных каналов отдельных ВП в предположении, что только один источник имеется на борту в интересующем диапазоне частот. В случае присутствия нескольких источников формировалась узкая диаграмма направленности луча путем соответствующего подбора весового вектора в алгоритме лучевой мультипликативной обработки.
На наш взгляд, такой подход нельзя рассматривать как оптимальный для низких частот. Поэтому в своих работах мы ориентировались на использование одиночного КПМ (или КП) или лучше двух разнесенных на достаточно большое расстояние КП с последующим использованием метода триангуляции для повышения точности локализации источника. Для пространственного разрешения источников мы использовали описанный выше метод спектрально-временного представления (сонографический анализ) проекций потока акустической мощности с высоким частотным разрешением, позволяющим одновременно увеличить и соотношение
сигнал/помеха на выходе системы обработки.
Ниже описывается один из экспериментов, подтверждающий возможность решения подобной задачи на практике, в условиях акватории стационарных морских полигонов в случае неподвижного судна с работающими механизмами при нахождении его вблизи причала или недалеко от береговой линии промышленной зоны.
Геометрия расположения КПМ и потенциальных источников шумоизлучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях при выполнении измерений представлена на рис. 12. Исследуемое судно БН1 с работающими основными судовыми механизмами было заякорено недалеко от пирса. К этому же пирсу было пришвартовано другое судно (БН2). С другой стороны пирса в непосредственной близости находился док с работающими механизмами.
КПМ находился на расстоянии около 25 м по горизонтали от носовой части исследуемого судна, в 1 м от дна акватории, на глубине примерно 20 м. При этом горизонтальная ось судна была направлена практически на КПМ (рис. 12). Такая достаточно неоптимальная геометрия взаимного размещения приемной системы и судна в рамках описываемого эксперимента не позволяла различать отдельные источники судна БН1 в азимутальной плоскости. Возможность их различения в данном случае обеспечивалась только в вертикальной плоскости с учетом различия глубины погружения источников шумоизлучения и КПМ. В принципе для надежного различения источников необходимо размещать КПМ таким образом, чтобы иметь боковой обзор одного
Рис. 12. Геометрия проведения измерений (слева) в горизонтальной (вверху) и вертикальной (внизу) плоскостях и результаты локализации источников излучения (справа) частот 49.7 (1) и 57.9 Гц (2)
из бортов, как это описано, например, в [15].
Одной из основных в описываемом эксперименте являлась проблема правильного определения уровня излучения шумов на дискретной составляющей энергообеспечения корабля в районе 50 Гц на уровне фоновых составляющих такого же излучения, генерируемых механизмами, не принадлежащими морскому объекту БН1.
При частотном разрешении 0.05 Гц в спектре сигнала в окрестности 50 Гц хорошо прослеживаются три частотных составляющих — 49.68, 49.98 и 57.96 Гц (рис. 13). Пространственная фильтрация интенсивности излучения в горизонтальной плоскости I(ф), выполненная для этих дискретных составляющих при частотном разрешении 0.2 Гц по алгоритму I, показала, что дискретные составляющие с частотами 49.7 и 57.9 Гц имеют выраженное направление на судно БН1. Для сигнала с частотой 50 Гц пространственное распределение излучения выражено не однозначно.
Рис. 13. Фрагмент спектра сигнала, регистрируемого приемником звукового давления в окрестности частоты 50 Гц при частотном разрешении 0.05 Гц
Дальнейшее использование алгоритмов спектрального анализа с высоким разрешением (5[ = 0.001 Гц) позволило сделать вывод, что дискретные составляющие с частотами 49.7 (49.680) и 57.9 (57.961) Гц одиночные, а с частотой 50.00 Гц фактически состоит из трех близко расположенных составляющих, из которых дискретные составляющие со средним значением частот 49.987 и 49.998 Гц имеют нестабильный по частоте характер, а составляющая с частотой 50.002 Гц
стабильна. Первые две частотные составляющие генерируются в доке, а третья связана с шумоизлучением объекта БН2.
На рис. 12 (справа) представлены диаграммы углового распределения интенсивности потока акустической мощности для частот 49.7 и 57.9 Гц в вертикальной плоскости (= 0.2 Гц). Ось диаграммы 0° соответствует направлению на поверхность.
Диаграмма на частоте 49.7 Гц «указывает» на источник, находящийся на расстоянии ^ 23 м по горизонтали от ВП, диаграмма на частоте 57.9 Гц — на источник на расстоянии ^ 50 м, каждый в пределах длины объекта исследований БН1.
Приводимые результаты демонстрируют принципиальную возможность определения местоположения источников на корпусе судна.
Данные рис. 14 иллюстрируют возможности сравнительной оценки спектров шумоизлучения объектов БН1 и БН2 в третьоктавных полосах частот для составляющих спектра, имеющих направленность на объекты БН1 и БН2 соответственно. Из рисунка видно, что между спектрами имеется существенное различие. Так, спектр в низкочастотной части диапазона сформирован преимущественно источниками объекта БН1, а спектр высокочастотной — источниками, находящимися в направлении объекта БН2.
Рис. 14. Третьоктавный спектр с выхода приемника звукового давления (1) и полученный в результате пространственной фильтрации сигнала: 2 — БН2
(ф «-114°); 3 — БН1 (ф « 90°) ния 10 с
Время усредне-
Отметим, что приводимые спектры объектов измерения следует рассматривать лишь как оценочные, так
как при наличии на акватории нескольких объектов шумоизлучения, работающих в одном и том же частотном диапазоне, они формируются путем суммирования уровней излучения дискретных (или линейчатых) составляющих, «разделенных» по направлениям с учетом описанных нами выше алгоритмов статистической обработки значений проекций вектора ПАМ и спектрального анализа с высоким разрешением. Что касается сплошной части спектра, то его уровень от нескольких источников суммируется в векторе потока акустической мощности сложным образом. Его учет и вклад в общий уровень шумоизлучения представляют собой отдельную задачу.
Отметим важный факт: использование векторно-фа-зовых методов в условиях заводских акваторий на этапе их швартовных испытаний позволит сэкономить значительные средства судостроительных и аналогичных предприятий за счет сокращения количества испытаний в условиях специализированных морских полигонов.
6. Основные возможности регистрации импульсных сигналов
Следует отметить, что круг задач, в которых могут эффективно использоваться векторно-фазовые методы, гораздо шире описанных выше подходов. Часть задач, которые могут быть успешно решены, мы уже отмечали ранее [1]. Здесь отметим лишь несколько наиболее интересных примеров использования ВФМ для решения прикладных задач.
6.1. Сигналы импульсных источников в атмосфере
Важный круг проблем низкочастотной акустики связан с задачей регистрации и локализации низкочастотных импульсных источников звука.
Как известно, звукоулавливающие комплексы в гидроакустике имеют широкое практическое применение вплоть до настоящего времени, являясь практически единственным средством выявления наличия объектов в водной среде на больших расстояниях.
В воздушной акустике после Второй мировой войны в связи с бурным развитием электроники и радиотехнических средств и методов возникла тенденция замены игравших ранее важную роль звукометрических комплексов радиолокаторами.
Однако дальнейшее развитие науки и техники, успехи в материаловедении, создание приборов и средств, позволяющих обеспечить безопасное перемещение объектов вблизи поверхности Земли или со значительными скоростями по земле, а в ряде случаев — просто решение задач локализации наземных низкочастотных источников шума, вновь стали привлекать внимание к звукометрии.
Для промышленных нужд и частот эту задачу частично решает аппаратура, выпускаемая фирмой «Брюль и Къер». Но когда речь идет о расстояниях до источника, измеряемых километрами или десятками километров, наиболее распространенными в настоящее время являются системы на базе разнесенных на расстояние от 50 до 250 м в виде креста из четырех или более микрофонов. Определение акустического пеленга на источник мощных импульсных сигналов, как правило, осуществляется путем измерения разности времен
регистрации переднего фронта волны, а для источников непрерывных сигналов — по измерениям разности фаз между сигналами, регистрируемыми различными микрофонами (аналог бинаурального эффекта). Однако сравнительно низкая скорость звуковой волны в воздухе, сравнимая со скоростями ветрового переноса масс воздуха в атмосфере, приводит, как правило, к достаточно большим флуктуациям как фазы сигнала, так и времен прихода переднего фронта волны [17]. Для определения акустического пеленга эти флуктуации должны быть несущественны при одновременной регистрации различных компонентов поля в одной и той же точке пространства, например, с помощью КПМ, состоящего из ПД и трехкомпонентного ВП.
Один из примеров использования КПМ для целей пеленгования источников низкочастотных импульсных сигналов описывается ниже. В качестве источников сигналов использовались подрывы взрывпакетов с тро-тиловым эквивалентом 150-500 г, а также выстрелы из наземных артиллерийских орудий и минометов. Геометрия одной из обсуждаемых в этом разделе серии опытов, проводившихся под г. С.-Петербургом, представлена на рис. 15.
Рис. 15. Геометрия одного из экспериментов по регистрации импульсных сигналов (а); относительное время задержки прихода импульсов для одной из серии экспериментов (б) и лучевая картина распространения сигнала на частоте 16 Гц от источника в точке П в направлении приемной системы ПС, обусловленная состоянием атмосферы (в)
При выстреле из орудия, как известно, приемная система ПС должна зарегистрировать три вида сигналов.
Снаряд, вылетающий из ствола орудия со сверхзвуковой скоростью, порождает волну, называемую баллистической. В геометрии рис. 15 она должна приходить первой. Кроме того, в момент выхода снаряда из ствола (на рис. 15 — точка П) возникает импульсная волна (обычно называемая дульной [18]), распространяющаяся практически изотропно в горизонтальной плоскости. Третий импульсный сигнал возникает спустя достаточно большое время в точке Р разрыва снаряда (промежуток времени Ы между возникновением сигнала в точке П и разрывом в точке Р в описываемой серии экспериментов составлял около 13 с).
На самом деле количество регистрируемых импульсов оказывается существенно большим из-за многолу-чевости распространения сигналов (особенно порождаемых в точках П и Р), связанной с вертикальной стратификацией атмосферы, наличием ветра и других причин.
На рис. 15, в приведена одна из таких лучевых картин, рассчитанная на основании измеренных с помощью запускавшегося зонда вертикальных разрезов температуры и скорости ветра в момент проведения описываемой в этом разделе серии экспериментов.
На рис. 15, б приведены характерные задержки времени прихода фронта наиболее ярко выраженных импульсов относительно времени прихода импульса «баллистической» волны на частоте 16 Гц для серии экспериментов, которой соответствуют данные рис. 15, в.
Вариант пространственной селекции одного из выстрелов для некоторых узкополосных огибающих (для наглядности пространственного разрешения сигналов в вертикальной плоскости масштаб проекций КС на ось Z отличается от масштаба представления проекций на оси X и У) приведен на рис. 16. Вследствие особенностей аналоговой обработки сигналов все углы акустического пеленга в горизонтальной плоскости приведены к первому квадранту.
В горизонтальной плоскости ХУ все зарегистриро-
ванные импульсы четко разделяются на три подгруппы. Заштрихованный импульс (Б на рис. 16) соответствует углу прихода баллистической ударной (так как снаряд двигался со сверхзвуковой скоростью) волны. Импульс сильно размыт по углу пеленга прежде всего из-за достаточно сложного характера движения частиц среды в волне. Импульс 2 во всей частотной области имеет четко выраженное направление прихода с направления, соответствующего точке Р на рис. 15. Импульсы 1, 3 и 4 в горизонтальной плоскости приходят с направления П.
В вертикальной плоскости первым после баллистики приходит импульс 1 дульной волны, распространяющийся практически без дисперсии вдоль поверхности Земли. Импульсы 3, 4 соответствуют лучам, приходящим для частот 10-17.5 Гц под углами 4 и 6°.
Обратим внимание, что, поскольку для исследуемых импульсных сигналов методы БПФ оказываются малоэффективными, для определения пеленга по потоку акустической мощности целесообразно использовали интегральную интенсивность вектора Умова, так что пеленг определяется по алгоритму
tg ф = 4
I
где р, УХ\ и УуI — мгновенные одновременные отсчеты значений сигналов по каналам звукового давления и КС в интервале времени стабильности угла.
Анализ литературных источников показывает, что на сегодняшний день целый ряд стран использует векторные приемники для пеленгования и локализации источников импульсных сигналов.
Так, компания МБТЯЛУШ разработала уникальную систему оборудования для пехоты, позволяющую солдатам во время ведения боя быстро определять местоположение огневых точек противника, в том числе и скрытых. Несколько звукоприемников «слушают» пролетающую пулю, после чего на основе их данных спе-
Рис. 16. Пример совместной обработки сигналов, регистрируемых каналами X, У и X векторного приемника, расположенного в воздухе при узкополосном анализе в 6%-й полосе частот на аналоговой аппаратуре при выстреле гаубицы на расстоянии 9.5 км: Б — баллистическая волна (затемнена); 1-4 соответствуют лучам дульной волны, пришедшим по разным траекториям в вертикальной плоскости за счет вертикальной стратификации атмосферы, в горизонтальной — за счет переотражений от наземных объектов
Рис. 17. Фрагменты рекламного издания фирмы AVISA (русский и английский варианты)
циальный алгоритм в процессоре устройства вычисляет место, откуда эта пуля была выпущена. Таким образом удается определить точное расположение стрелка.
Одно из устройств — PEARL (Personal Equipment Add-on for Reactive Localization) — персональный прибор для мгновенной локализации является дешевым оружейным детектором для определения и локализации выстрела, который может устанавливаться на различное вооружение: штурмовые винтовки, снайперские винтовки, пулеметы, гранатометы, может монтироваться на технику и устанавливаться на блокпостах. Аналогичные устройства уже были опробованы при боевых действиях в Афганистане и показали высокую эффективность.
О реализации похожей идеи в 2011 г. заявила нидерландская фирма AVISA [19], которая начала использовать векторные приемники типа Microflown AVISA для поиска снайперов, обнаружения и локализации выстрелов артиллерийских орудий, самолетов и автомобилей RAM-LOC (Rocket, Artillery & Mortar Localisation System), а также RAM-SCORE (рис. 17).
Датчики этой же фирмы проекта Hydroflown AVISA предполагается использовать для локализации надводных и подводных кораблей и торпед в рамках реализации проекта Eurostars, финансируемого подводным исследовательским центром Ла Специя (НАТО) в качестве партнера.
Специалисты этой фирмы считают использование векторных акустических датчиков для описанных целей революционной технологией.
6.2. Регистрация в водной среде сигналов высокочастотной геоакустической эмиссии, которые могут выступать в качестве оперативных предвестников землетрясений
Динамические процессы при подготовке сильных землетрясений охватывают области в десятки и сотни
километров. По уровню относительных деформаций 10_8, сравнимых с окружающими шумами (например, с амплитудами приливных колебаний), радиус влияния очага землетрясения обычно оценивается как г = 10042М км, где М — магнитуда. С приближением к гипоцентру готовящегося землетрясения относительные деформации нарастают.
Деформации, распространяющиеся из очагов землетрясений (рис. 18), создают вблизи пунктов наблюдений в упруго-вязкой среде сдвиговые напряжения, определяющие преимущественную ориентацию трещин.
Рис. 18. Схема, поясняющая возникновение анизотропии движения частиц среды в геоакустических шумах: 1 — зона субдукции; 2 — очаг подготовки землетрясения; 3 — стрелки, показывающие направления распространения деформаций; 4 — пункт наблюдения на земной поверхности; 5 — ориентированные трещины с направленным излучением сейсмоакустической энергии
Рис. 19. Пример высокочастотных аномалий, зарегистрированных на оз. Микижа перед землетрясениями, произошедшими 18 декабря 2002 г. в 11:09 (слева) и 16 ноября 2004 г. (В = 113 км, К = 12.1). Момент
землетрясения показан стрелкой
Как следствие появляется направленность колебательного движения частиц среды с переносом акустической энергии в направлении от зоны субдукции и очага готовящегося землетрясения. Возникает акустическая эмиссия, растущая с увеличением напряжений, которые остаются значительно ниже предела прочности.
Размер трещин определяет и амплитуду, и частоту заполнения сигналов, что приводит к зависимости между этими параметрами.
Оценки размера г трещин, произведенные в соответствии с описываемыми в литературе модельными представлениями, при частоте заполнения импульсов акустической эмиссии / = 3 кГц дают значения порядка 1 м. Считается, что при понижении частоты заполнения / размер трещин возрастает, как 1//.
Формирование трещин начинается с малых масштабов, но соответствующие им высокочастотные колебания сильно затухают и не наблюдаются. Тем не менее в принципе имеется возможность регистрировать «вторичные» высокочастотные сигналы акустической эмиссии, определяемые мощностью процессов в зоне субдукции на удалении сотен километров от будущего очага землетрясения. Как правило, в пределах суток перед землетрясением с энергетическим классом К >10 наблюдается аномальное увеличение числа сигналов ГАЭ, которое при отсутствии препятствий для распространения трещин (разломы и пр.) в радиусе до 200-250 км. Примеры наблюдения такого аномального возрастания уровня сигналов ГАЭ приведены на рис. 19. По силе и продолжительности, а также по частотным особенностям эти шумы нетрудно выделить на фоне техногенных и атмосферных помех.
В настоящей работе приведены некоторые результаты исследований особенностей формирования сигналов ГАЭ для событий, произошедших на полуострове Камчатка 4 августа и 16 ноября 2004 г. (рис. 20).
Рис. 20. Схема землетрясений 4 августа и 16 ноября 2004 г.
Специфичным для оз. Микижа, в котором вблизи дна размещалась приемная система на базе высокочастотного (до 12 кГц) ВП, явился достаточно высокий уровень реверберации. Поэтому информативным, к сожалению, является преимущественно начальный период импульсного сигнала, на который еще не нало-жились сигналы, переотраженные от границ озера. Тем не менее, анализируя годографы КС, удалось оценить примерные направления на будущие очаги наиболее сильных толчков (рис. 21).
Рис. 21. Примеры построения годографов для отдельных сигналов ГАЭ по данным регистрации сигналов с горизонтальных каналов приемника градиента давления в период наблюдения аномалии 16 ноября 2004 г. Стрелками показаны направления на последовавшие за данными аномалиями землетрясения
Заключение
В настоящей работе продемонстрирована принципиальная возможность использования КП для решения задач оценки направления и локализации отдельных источников, селекции источников по принадлежности, более достоверной оценки уровней излучения источников за счет пространственной фильтрации сигналов и отстройки от мешающих сосредоточенных источников в сложной сигнально-помеховой обстановке акватории проведения измерений.
Показано, что векторно-фазовые методы — это путь создания перспективных, в том числе измерительных, акустических систем нового поколения.
Вместе с тем следует отметить, что круг задач, в которых могут эффективно использоваться вектор-но-фазовые методы, гораздо шире описанных выше подходов.
Список литературы
1. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике.
М., 2007.
2. Gade S. Sound Intensity (Theory) // Technical Rewiew.
1982. N 3.
3. Roy J.-A. // UDT Pacific 98. February, 1998. Sydney,
Australia. P. 290.
4. Маслов В.К. // Труды ВНИИФТРИ. Вып. 49 (141). М.,
2005. С. 77.
5. Смарышев М.Д. // Акуст. журн. 2005. 51, № 3. С. 357.
6. Бурдик B.C.Анализ гидроакустических систем. Л., 1988.
7. Из истории становления отечественной гидроакустики. СПб., 1998.
8. Маслов В.К., Трохан А.М. // Труды ВНИИФТРИ. Вып. 47 (139). М., 2004. С. 84.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Гидродинамика. M., 1988.
10. Воробьев С.Д., Сизов В.И. // Акуст. журн. 1992. 38, № 4. С. 654.
11. Клячкин В.И. // Акуст. журн. 2004. 50, № 4. С. 516.
12. Gordienko V.A., Krasnopistsev N.V., Nasedkin A.V. et al. // Acoustical Physics. 2009. 55, N 6. P. 741.
13. Торопов В.Н. // Томографические методы в физико-технических измерениях: Сб. трудов НПО ВНИИФТРИ. М., 1990. С. 97.
14. Гордиенко В.А., Краснописцев Н.В., Некрасов В.Н., Торопов В.Н. // Акуст. журн. 2011. 57, № 2. С. 179.
15. Clark J., Tarasek G. // 0ceans'06, MTS IEEE, Revolutionize Marine Science Technology. Sept. 18-21, 2006. Hynes Convention Center, Boston, Massachusetts.
16. Законов Ю.И., Коротин П.И., Орлов Д.А. и др. // Акуст. журн. 2010. 56, № 2. С. 223.
17. Красильников В.А. // Докл. АН СССР. 1947. 38, № 7. С. 985.
18. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной и движущейся среды. М., 1981.
19. Сайт www.microflown-avisa.com. Microflown AVISA. Netherlands, Arnhem. January 2012.
Vector-phase methods and the development of advanced new-generation acoustic systems
|V.A. Gordienko I, T.V. Gordienko u, N. V. Krasnopistcev2b, V.N. Nekrasov2c
1 Department of Acoustics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
2 All-Russian Scientific Research Institute for Physical-Technical and Radiotechnical Measurements (VNIIFTRI), Mendeleevo, Moscow Region 141570, Russia.
E-mail: a tan-gor@mail.ru, c lab21@vniiftri.ru, b nvn@vniiftri.ru.
The results of theoretical and experimental studies are discussed aiming at the justification of potential vector-phase methods for various hydroacoustics applications. These studies have greatly contributed to the active introduction of the vector-phase methods for sonar measurements. The advantages of vector-phase methods, especially in underwater acoustics are most manifested at significant limitation of the spatial region for their propagation in the medium. A qualitative shift exists in the case of a single combined receiving module (CRM), which provides a new
"characteristic" of the point receiving system, viz., detectability of the acoustic source. Another CRM feature is the applicability of a fundamentally new (as concerns hydrophone systems) processing algorithm based on direct measurement of acoustic flux (energy), i.e., the release of its part that is dependent on field anisotropy or point sources in the environment.
Keywords: vector-phase methods, vector receiver, integrated receiver, acoustic flux, Umov vector, location of the acoustic source, noise immunity, sonographic analysis of high resolution, metrology of vector-phase methods, high frequency geoacoustic emissions. PACS: 43.30.Wi, 43.28.Tc, 43.58.Fm. Received 05 September 2013.
English version: Moscow University Physics Bulletin 2(2014). Сведения об авторах
1. Гордиенко Валерий Александрович — докт. физ.-мат. наук, профессор, вед. науч. сотрудник.
2. Гордиенко Татьяна Валерьевна — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; е-mail: tan-gor@mail.ru.
3. Краснописцев Николай Вячеславович — зав. лабораторией НИК-2 ФГУП ВНИИФТРИ; е-mail: lab21@vniiftri.ru.
4. Некрасов Виталий Николаевич — докт. техн. наук, начальник НИК-2 ФГУП ВНИИФТРИ; е-mail: nvn@vniiftri.ru.
