CC BY
30
УДК 534.222.2
ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ РЫБОПОИСКОВОЙ АППАРАТУРЫ. Ч. 1
© 2007 г. В.Ю. Волощенко
The space beam patterns of fish finding apparatus antennas on nonlinear acoustic signals - higher harmonics of radiated finite amplitude signal at fundamental frequency are investigated. These harmonics are formed in nonlinear medium - water in the hy-droacoustical channel. The expansion of initial information by means of additional registration echo - signals on higher harmonics from located targets is considered.
Совершенствование рыбопоисковой аппаратуры (РПА), проработка новых путей ее построения обусловлены необходимостью повышения эффективности поиска и обнаружения объектов лова [1]. Одним из перспективных направлений проектирования и дальнейшей модернизации гидроакустических систем на основе эффектов нелинейной акустики является использование для активной локации акустических сигналов с кратными частотами 2/ 3/ ..., п/- высших гармонических компонент излучаемого локационного сигнала конечной амплитуды основной частоты / формирующихся при его распространении в воде [2].
Рассмотрим результаты экспериментов, полученные для антенн различной РПА - эхолота «Язь», гидролокатора «Таймень - М» и комплекса «Сарган-К». Особенностью комплекса «Сарган-К» (гидролокатор и эхолот) является использование двухчастотной антенны с помощью которой можно излучать локационный сигнал основной частоты / = 19,7 кГц или 135 кГц, причем предусмотрена возможность возбуждения как части, так и всех активных элементов составляющих антенну, что позволяет получать широкую и узкую диаграммы направленности (ДН) антенны на каждой из частот.
Целью экспериментов было измерение амплитуд звукового давления первичных и вторичных акустических сигналов, сформировавшихся в воде на акустической оси антенн, а также регистрация угловых распределений амплитуд звукового давления данных сигналов (характеристик направленности антенн для исследуемых сигналов). Измерения основных пространственных характеристик акустических полей сигнала основной частоты и вторичного высокочастотного излучения проводились в соответствии с правилами и методиками, применяемыми в гидроакустике и радиоизмерениях, при этом учитывались некоторые особенности. Перед проведением акустических измерений и фиксированием отсчетов электрических величин важно определить природу сформировавшегося вторичного акустического сигнала, который может возникнуть не только за счет нелинейного искажения профиля излученной мощной волны основной частоты / в водной среде, но и в результате нелинейных искажений в излучающем или приемном тракте. С целью устранения возможности отрицательного влияния на результаты экспериментальных измерений так называемого «паразитного», т. е. формирующегося в электронной части излучающего тракта прямого излучения комбинационных сигналов между выходом усилителя мощности и
антенной следует устанавливать режекторные фильтры, обеспечивающие требуемый электрический возбуждающий сигнал, форма которого контролируется визуально с помощью осциллографа. Используемые электронные блоки задающего и измерительного трактов должны обладать малым коэффициентом нелинейных искажений (менее 1 %) и высокой линейностью в заданной полосе частот. В приемном тракте целесообразно использовать измерительный гидрофон без предусили-теля и устанавливать пассивные режекторные (или полосовые) фильтры для устранения мешающих мощных сигналов с последующим усилением выделенных исследуемых сигналов. При соблюдении отмеченных выше требований к электронным трактам измерительной установки следует провести несколько экспериментальных проверок, которые и являются особенностями используемой методики экспериментальных исследований, позволяющими определить природу сформировавшегося акустического сигнала. Первая проверка связана с предварительным измерением осевого распределения звукового давления исследуемого вторичного сигнала: отмечается как наличие (или отсутствие) сигнала возле антенны, максимума звукового давления на соответствующем расстоянии, так и соответствие спада полученной кривой теоретической зависимости в дальней зоне. В качестве второй проверки может служить предварительный анализ экспериментальных амплитудных динамических зависимостей для первичного и вторичных акустических сигналов, заключающийся в сопоставлении пропорциональности относительных изменений уровней звукового давления данных сигналов. Суть третьей проверки состоит в сопоставлении характеристик направленности антенны для вторичных сигналов кратных частот 2/ , 3/, ...., п/ полученных в нелинейном режиме генерации гармоник, с характеристиками направленности той же антенны в линейном режиме излучения акустических сигналов этих же частот.
На рис. 1 - 3 представлены характеристики направленности (ХН) антенн РПА, где ъ - расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; 2а -диаметр антенны. Абсолютная погрешность измерения ширины характеристики направленности по уровню 0,7 составляла (±0,1) град. Используя нанесенный на представленных записях горизонтальный и вертикальный масштабы, оценим пространственные характеристики акустических полей для сигнала основной частоты и его высших гармоник, формирующихся в воде:
____-I . з м ;—!
2а - . Ü.2 ы ;
1кГц
Рис. 1. Характеристики направленности антенны гидролокатора «Тай-мень-М» для сигнала основной частоты/=50 кГц (V, *), формирующихся гармоник
Рис. 2. Характеристики направленности антенны комплекса «Сарган-К» (Широкая ДН) для сигнала основной частоты / =135 кГц и формирующихся гармоник 2/=270 кГц, 3/=405 кГц, 4/=540 кГц, 5/=675 кГц
уровню 0,7 200,7(/) ^)=14,4 град и
уровень бокового излучения РБП(/) (^= =(-19 дБ); на частоте 2/ = 100 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200,7(2/) ^)=10,8 град и
уровень бокового излучения Рбп(2/)^)= (- 23 дБ); на частоте 3/=150 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200 7(3/) (V)= 8,1
град и уровень бокового излучения РБП(з/) (V)= (- 23 дБ); в проверочном линейном режиме излучения на частоте / = 50 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200 7(/)( *) = =14,4 град и уровень бокового излучения РБП(/)(*) =(- 19 дБ); на частоте 2/ = 100 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200,7(2 /) (*)=7,2 град и уровень
бокового излучения Р
'бп(2/) (*)=(-19 дБ); на частоте 3/ = 150 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 20 0,7(3/) (*)= 4,8 град и уровень бокового излучения РБП(3/) (*)= (-18 дБ);
2. Антенна комплекса «Сарган-К» в режиме «Широкая ДН» (рис. 2, ◊) имеет: на частоте / = 135 кГц ширину диаграммы направленности по уровню
______ 0,7 20
0,7( f )
Рис. 3. Характеристики направленности антенны комплекса «Сар-ган-К» (Узкая ДН) для сигнала основной частоты /=135 кГц и формирующихся гармоник 2/=270 кГц, 3/=405 кГц, 4/=540 кГц, 5/ =675 кГц, 6/=810 кГц (®)
=4,7 град и уровень бокового излучения РБП(/)=(-15,5 дБ); на частоте 2/ = 270 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 20о,7(2/) =3,2 град и уровень бокового
излучения РБП(2/) =(-20 дБ); на частоте 3/= 405 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200,7(3/) =2,8 град и уровень бокового
излучения РБП(3/) = (-50 дБ) ; на частоте 4/ = =540 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 20о,7(4/) =2,4 град и уровень бокового излучения РБП (4/) =(-50 дБ); на частоте 5/ = 675 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200 7(5/) =2 град и уровень бокового излучения РБП (5/) = (- 50 дБ);
3. Антенна комплекса «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» (рис. 3, ®) имеет: на частоте /=135 кГц
ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200 7( /) =2,1 град и уровень бокового излучения Рщ/г =(-9 дБ); на частоте 1 Антенна гидролокатора «Таймень-М» 2/=270 кГц ширину диаграммы направленности по (рис. 1.^*) имеет: в исследуемом режиме на частоте уровню 0,7 200 7(2г) =1,7 град и уровень бокового из-/=50 кГц ширину диаграммы направленности по
5
лучения PW(2/)=(-16 дБ);
на частоте 3/= = 405 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 20О7(3 /) = 1,3 град и уровень бокового
излучения РБП(3/)= (-33 дБ); на частоте 4/=540 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 2^о 7(4/) =1 град и уровень бокового излучения
РБП (4/ )= (-25 дБ); на частоте 5/=675 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 2007(5 / )=1
град и уровень бокового излучения РБП (5/) =(-31 дБ); на частоте 6/ = =810 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 2007(6 / )=0,8 град и уровень
бокового излучения РБП (6/)=(-28 дБ).
Антенна комплекса «Сарган-К» в режиме излучения низкочастотного сигнала (♦) имеет: на частоте/= 19,7 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 200,7( /) = 16 град и уровень бокового излучения РБП(/)=(—13 дБ); на частоте 2/ = 39,4 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 2$о,7(2 /) = 11,7 град и уровень бокового излучения
РБП(2/)=(-20 дБ); на частоте 3/ = 59,1 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 2в0 7(3/) =9,6
град и уровень бокового излучения РБП(3/)= (-28 дБ).
Антенна эхолота «Язь» (©) имеет: на частоте / = 84,6 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 2^0 7(/) = 30 град и уровень бокового
излучения РБП/)=(-18 дБ); на частоте 2/ = 169,2 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 2в0 7(2/) =18,8 град и уровень бокового излучения
Рщ-с-п = (- 26 дБ).
0,8 0,6
0,4
0,2
t
( > v 7 J
i
а
4 5 п
номер гармоники
Рис.4 Параметр &о,т4и , где &о,?(1) -
полуширина ДН по уровню 0,7 антенны на частоте Г , ' полуширина ДН по уровню 0,7 антенны на частоте п1\ в зависимости от номера гармоники п
rgil
дБ
-Ю
-20
-30
- 40
-50
\
i > i f А, 9 s
i e \ 7 • > 5 i
i ) 6 5
J 1
T T
1 2 3 4 5 п
номер гармоники
Рис. 5 Уровень бокового излучения р£Г первичного и вторичного акустических полей антенн в зависимости от номера гармоники (л
Для выяснения общих закономерностей и особенностей формирования вторичных акустических полей высших гармоник описанные выше экспериментальные данные для всех антенн полезно не только объединить по наблюдаемому эффекту (уменьшение ширины главного лепестка и ослабление уровня бокового излучения), но и распределить по соответствующим высшим гармоникам. Так, например, обужение главного максимума излучения антенны проиллюстрируем с помощью безразмерного параметра 00,7(п/) / $о,7(/), где
^о,7(п/) и 00,7(/) - полуширина диаграммы направленности антенны на гармонике с частотой п/ и сигнале основной частоты / соответственно. Экспериментальные результаты в таком виде представлены на рис. 4 и 5, где на вертикальных осях нанесены величины безразмерного параметра 007(п/)/#07(/) и уровень бокового излучения Рш(ф акустического поля соответственно, а на горизонтальных осях - номер гармоники п ,причем, каждой антенне соответствует свой символ. Из представленных зависимостей следует, что ширина главного максимума излучения и уровень бокового поля антенн для вторичных акустических сигналов уменьшаются, причем, при увеличении порядкового номера гармоники данные эффекты проявляются в большей степени. Из сопоставления характеристик направленности антенны гидролокатора «Таймень-М» на частотах 2/=100 кГц и 3/=150 кГц, сформированных в нелинейном (V) и линейном (*) режимах (рис. 1), видно их существенное расхождение: в линейном случае на всех частотах уровень бокового поля практически не изменяется, а ширина главного лепестка уменьшается в соответствии с [1]; в нелинейном режиме мощный акустический сигнал наиболее заметно меняет свойства водной среды именно на оси антенны, что и приводит к быстрому ослаблению бокового поля и по-
степенному обострению главного лепестка.
Рассмотрим положительные и отрицательные стороны использования сформировавшихся вторичных акустических сигналов в качестве локационных в РПА. Так, при использовании РПА с достаточно широкими характеристиками направленности осложняется поиск придонных скоплений рыб вследствие сглаживания на эхограммах неровностей рельефа грунта, причем, впадины всегда будут иметь большую глубину, чем считываемую по эхограмме. Серьезные помехи создают маскирующие эхо-сигналы, создаваемые боковыми лепестками характеристики направленности при локации в районах с большими перепадами глубин и крутыми наклонами морского дна, в результате чего происходит наложение эхо-сигналов от возвышенностей на дне на эхо-сигналы от рыбы, что маскирует полезную информацию или приводит к появлению ложных эхограмм, которые на ленте самописца часто внешне не отличаются от эхо-сигналов рыб. Применение РПА с узкой характеристикой направленности антенны позволяет получать более точные отображения рельефа дна и придонных объектов, устраняя отмеченные выше недостатки. Однако при этом сокращается зона обзора подводной обстановки РПА, в результате чего в зону действия аппаратуры попадает меньшее число рассеивателей при их протяженных разреженных скоплениях, что приводит к уменьшению максимальной глубины обнаружения рыбы и появлению мертвых зон на малых дистанциях, так как на ленте самописца за время нахождения объекта в зоне действия аппаратуры может быть не зарегистрировано три минимально необходимых эхо-сигнала от цели.
С учетом вышеизложенного значительный эффект при поиске, количественной и видовой оценке рыбных скоплений, а также расшифровке регистрируемых данных может дать использование РПА с низкочастотными и высокочастотными трактами, особенно при их одновременной работе и анализе получаемых данных на самописце или панорамном электронном цветном индикаторе, что обеспечит получение более полной и достоверной информации.
Рассмотрим конкретный пример улучшения возможности различения обнаруженных объектов на эхо-граммах РПА. Известно, что эхо-сигналы от отдельных рыб регистрируются в виде непрерывных трасс соответствующих отметок на специальной бумаге, которые имеют форму «птичек» (Л), причем, чем шире характеристика направленности РПА, тем большую длину имеют трассы эхо-сигналов и соответственно «птички»
на эхограммах имеют большую ширину при прочих равных условиях и наоборот, т.е. изменение ширины зоны действия РПА, определяемое характеристикой направленности антенны, приводит к изменению характера записи отметок эхо-сигналов от одной и той же рыбы и на более высокой частоте можно более достоверно различить близко расположенных рыб. В [3] предложено оценивать для РПА величину разрешающей способности по углу бкус в реальных условиях при регистрации отдельных рыб с помощью соотношения дкус=0,67 к tg (0 Эфф/2) ё ус/ ур2, где к - глубина нахождения объектов; 0 Эфф - эффективный угол характеристики направленности антенны РПА в режиме приема; ё - горизонтальный размер точечной отметки на бумаге или экране регистратора соответствующей эхо-сигналу от объекта; ус - скорость судна; ур2 - скорость развертки (скорость перемещения бумажной ленты или электронного луча).
Анализ расчетного соотношения позволяет сделать вывод о том, что для РПА разрешающая способность по углу будет улучшаться при использовании в качестве локационных вторичных акустических сигналов с частотами 2/ , 3/ ,.... п/ , что обусловлено сужением основного лепестка диаграммы направленности антенны РПА в режиме приема данных сигналов.
Таким образом, использование рассмотренных вторичных акустических сигналов в качестве локационных позволит реализовать РПА с регулируемой характеристикой направленности антенны за счет осуществления приема и соответствующей обработки эхосигналов кратных частот/,2/ , ... п/: на основной частоте / излученного сигнала можно осуществлять обнаружение объектов на предельных дистанциях лоцирования при наибольшем облучаемом телесном угле, а на гармониках 2/, 3/, ..., п/- оконту-ривание и определение как дальности, так и угловых координат обнаруженных объектов с повышенной разрешающей способностью [4].
Литература
1. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л., 1986.
2. УрикРоберт Дж. Основы гидроакустики. Л.,1978.
3. Кудрявцев В.И. Использование гидроакустики в рыбном хозяйстве. М., 1979.
4. А.с. 1228659 СССР. 1986. МКИ 001Б 15/00. Акустический эхо-импульсный локатор.
Таганрогский государственный радиотехнический университет_20 октября 2006 г.
