CC BY
31
УДК 534.222.2
ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ РЫБОПОИСКОВОЙ АППАРАТУРЫ. Ч. 2
© 2007 г. В.Ю. Волощенко
The results of graphical solutions of a hydrolocation equations for nonlinear acoustic signals (nf) - higher harmonics of radiated finite signal (f) from double- frequency echo-sounder for fish-finding and navigation "Сарган-ЭМ" are discussed.
В процессе проектирования рыбопоисковой аппаратуры (РПА) предполагается получить от антенны максимально возможную излучаемую акустическую мощность, величина которой ограничена значениями допустимых механических напряжений в активных элементах антенны, кавитационной прочностью воды и порогом образования разрыва излучаемой волны [1]. Интенсивный акустический сигнал основной частоты при распространении в водной среде изменяет ее свойства, искажается его форма, что можно рассматривать как генерацию высших гармонических составляющих, у которых акустические поля обладают интересными пространственными характеристиками [2]. Это дает основание предложить реализацию многочастотной РПА с регулируемой разрешающей способностью по углу. Увеличение объема первичных данных о объектах поиска и лова за счет приема и соответствующей обработки эхосигналов высших гармоник п/ излученного сигнала основной частоты / может позволить оператору РПА более успешно расшифровывать показания индикаторных и регистрирующих приборов и оценивать получаемую информацию о подводной обстановке. Однако вопросы оценки энергетической дальности действия подобной РПА на частотах гармоник, прояснения положительных и отрицательных аспектов применения вторичных акустических сигналов кратных частот в системах активной локации до сих пор остаются открытыми.
С целью прояснения поставленных вопросов была осуществлена серия экспериментов, проведенных для модернизированных двухчастотных навигационно-рыбопоисковых эхолотов «Сарган-ЭМ» (№ 249, 250, 306) и гидролокатора «Сарган-ГМ» (№ 215) при работе изделий в штатных режимах. Целью экспериментов было измерение уровней звукового давления акустических сигналов основной частоты / =19,7 кГц, второй 2/ =39,4 кГц и третьей 3/ = 59,1 кГц гармоник, формирующихся в водной среде на акустической оси антенн. Измерение уровня акустического давления сигнала основной частоты осуществлялось в соответствии с обычной методикой приемо-сдаточных испытаний, а уровни звукового давления акустических сигналов второй и третьей гармоник - с использованием варианта измерительной установки, реализующей спектральный метод [1]. Анализ результатов серий многократных измерений уровней звукового давления на различных акустических сигналах кратных частот для указанных изделий позволил установить хорошую повторяемость замеров величин регистрируемых сигналов, наиболее характерные серии из которых для изделия № 249 «Сарган-ЭМ» приведены
в табл. 1. В ней приняты следующие обозначения: п/, кГц - частота соответствующего акустического сигнала; 2в0,7(п£), град - ширина диаграммы направленности антенны РПА в режиме излучения соответствующего акустического сигнала; Р£ Па - амплитудные значения величин звукового давления акустических сигналов с частотами п/ на акустической оси антенны и на расстоянии гг = 2,3 м от нее; Рп£/Р£ % -относительный уровень звукового давления соответствующего акустического сигнала в точке измерения; Рэф(1м,п0, Па-м - величина приведенного звукового давления соответствующего акустического сигнала, формируемого антенной РПА на расстоянии 1 м от ее поверхности; 1Р, 2 в о,^ = 90 - в режиме «узкая ДН» излучение полной мощности; 1Р, 2 в 0,7(£) = 150 - в режиме «широкая ДН» излучение полной мощности; 0,1Р, 2 в 0,7(£) = 90 и 0,1Р, 2 в 0,7(£) = 150 - в соответствующем режиме излучение десятой части мощности; п - номер гармоники.
Таблица 1
Величины регистрируемых сигналов «Сарган-ЭМ» № 249
nf , кГц Pnf105, Па 2 0 0,7(nf> град Pnf/Pf102, % Рэф(1м,nf)•105, Па-м
1P, 2 0 0,7(0=9°
19,7 1,2 9 100 2,76
39,4 0,17 6 14,2 0,39
59,1 0,025 5 2,1 0,057
1P, 2 0о,7(в=150
19,7 0,22 15 100 0,51
39,4 0,027 11 12,3 0,062
59,1 0,00287 9 1.3 0,00663
Известно, что основными параметрами, определяющими энергетическую эффективность работы тракта излучения РПА, являются излучаемая акустическая мощность Жв и звуковое давление Р, создаваемое на акустической оси антенны, которые можно связать с помощью приведенного звукового давления РэфОм), развиваемого антенной на расстоянии г = 1 м от ее поверхности:
Рэф(1 м ) = Р Г = (1с (1 м) рс )0,5 = (№ЛзлРС/4п)0'5, (1) где р - плотность водной среды; с - скорость звука в воде; Р - амплитудное значение звукового давления акустического сигнала, измеренного гидрофоном на оси антенны в точке прямого хода луча тг ; уизл - коэффициент концентрации излучающей антенны (здесь звуковое давление приводится с расстояния 2,3 м, на
котором можно не учитывать затухание акустических сигналов).
В соответствии с основным уравнением гидролокации [2], при отражении от объекта с эквивалентным радиусом ЯЭг находящегося на удалении г, и с учетом затухания, интенсивность 1С и звуковое давление Рс сигнала в точке приема равны
1с = ^Гизл Лэ2-100'2|3г /16пг4 = 52/п, (2)
Рс = Рэф(1 м ) Лэ-10°'1|3хг /2г2 = бРп , где б - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта, которое обеспечивает регистрацию сигнала с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги; 1п и Рп - интенсивность и звуковое давление акустических помех в точке приема.
В нашем случае основное равенство гидролокации имеет вид
1с(я/) = б 1п(я/) или Рс(п/) = бРп(п/) , (3)
где /с(и/), Р^/ - интенсивность и звуковое давление эхосигнала на частоте п/ в точке приема; 1п(„/), Рп/ -интенсивность и звуковое давление помех на частоте п/ в точке приема.
Сомножители в правой части уравнений (3) определяются параметрами приемного и излучающего трактов и помеховой обстановкой. Если принять, что шумовая помеха носителя РПА значительно превы-
шает реверберационную, то акустическое давление помех будет определяться только шумовой помехой.
Уровень акустического давления помех на рабочей частоте РПА в полосе приемного тракта рассчитывается по формуле [2]
Рп/ = (Рпфф/п/) (А//тПр(п/))0'5, (4)
где п/ - рабочая частота локационного сигнала, кГц; А/- полоса пропускания приемного тракта, Гц; упр(п/) = =4я5/Я2(п/) - коэффициент концентрации приемной акустической антенны на рабочей частоте локационного сигнала; £ - площадь поверхности антенны, м2; Л(п/) - длина волны рабочего локационного сигнала, м; Рпо(п/) - суммарный уровень помех на рабочей частоте п/ локационного сигнала в месте установки антенны, приведенный к стандартным условиям, Па [3]. Коэффициент распознавания б для гидро локационных систем обычно принимают равным [2]
б= (205Кб)/(А/7)0'5 , (5)
где Кб - коэффициент надежности приема, т.е. минимально допустимое отношение сигнала к помехе на входе индикатора; 7 - время усреднения сигнала, принимаемое равным длительности импульса посылки т, с. Данные для расчета энергетической дальности действия изделий «Сарган-ЭМ, ГМ», «Сарган-К» приведены в табл. 2.
Таблица 2
Данные для расчета энергетической дальности
п£ кГц Ynp(nf) Pno(nff 10- 2, Па Pc(nf)-10-3, Па Р(п£), дБ/км А f , кГц т , мс 2а м, 5
«Сарган-ГМ, ЭМ», 2 в 0Л£) = 15°
19,7 153,6 5 36 3,22
39,4 614 2,5 4,5 9,1 2 1 0,296 4
59,1 2455 2 1,2 16,7
«Сарган-ЭМ», 2 в °,7(f) = 9°
19,7 438 5 21,4 3,22
39,4 1753 2,5 2,68 9,1 2 1 0,5 4
59,1 7003 2 0,72 16,7
«Сарган-К», 2 в° 7 f = 4°
135 2584 0,356 0,08 57 3 1 0,18 4
270 10546 0,159 0,0125 105
«Сарган-К», 2 в° 7 f = 2,5°
135 5820 0,356 0,076 57 3 1 0,27 4
270 23750 0,159 0,00837 105
С учетом (5) правая часть второго уравнения (3) примет вид
бРп(п/) = (2 ' К& Рпо(п/))/п/(Упр(п/)- т)0,5. (6)
Из (6) видно, что звуковое давление изотропной шумовой помехи будет уменьшаться при использовании более высокочастотной гармоники п/ сигнала основной частоты / за счет снижения уровня акустического давления помех и увеличения коэффициента концентрации приемной акустической антенны.
Член в левой части второго уравнения (3) зависит от величины приведенного звукового давления Рэф(1м ) для локационного сигнала с частотой п/, отражающей способности цели на частоте п/ и законов распространения сигнала до цели и обратно.
Рассмотрим влияние последнего фактора более подробно. Известно, например, что для локационных систем с излучающей параметрической антенной распространение сигнала по направлению к цели и обратно описывается разными зависимостями, так как в пределах зоны нелинейного взаимодействия происходит подкачка энергии во вторичные акустические сигналы со стороны исходных волн [3, 4]. В нашем случае этот эффект тоже должен существовать, однако, оказываемое влияние будем считать незначительным и для упрощения последующего анализа за основу возьмем расчет традиционных гидроакустических систем, в котором потери на распространение сигнала просто увеличивают вдвое.
Отражающие свойства подводных объектов находятся в сложной зависимости от формы тел, поэтому при расчетах реальные объекты обычно заменяют телами простейших форм, эквивалентными по отражающей способности (сфера, цилиндр и др.). Так, рассеивающие свойства рыб характеризуют величиной эквивалентного радиуса RЭ, который представляет собой радиус полностью отражающей идеальной эквивалентной сферы и связан с силой цели TS выражением
TS = 20 ^э/2) = 10 1я(о/4я), (7)
где Rэ - радиус идеально отражающей сферы, создающей в точке приема такой же сигнал, что и реальный объект; ст- эффективная площадь обратного рассеяния. Усредненные значения эффективной площади обратного рассеяния ст следуют закономерности вида ст ~ 1/2 [3].
Представим основное уравнение гидролокации [2] в виде удобном для графического расчета энергетической дальности действия РПА на акустических сигналах кратных частот п£
РэФ(Ы,П/> Rэ(nf)■10OЛв(nf)хr /2Г2 = 6Р<Ф (8)
где Р(п/) - коэффициент затухания для акустического сигнала с частотой п/
Прологарифмируем сомножители в (8) и представим величины в децибелах, используя общепринятые термины и обозначения [2]: 20 1gPэф(1м,nf)=SL(nf) - уровень источника; 20 = TS(rf) - сила цели объекта лоцирования; {40(3+1gг)+2в(n/)г}=2TL(n/) - потери при распространении сигнала в воде; 20 ^3 = БТ - порог обнаружения; 20 1%Р„/ = (Щн/> - Щн)) - относительный уровень шума непосредственно на антенне, причем сумма первых трех величин дает уровень эхо-сигнала на частоте п/ в точке приема EL(ф = SL(„f--2TL(nf)+TS(nf), который для достоверного обнаружения объекта должен быть больше или равен уровню маскирующей помехи на частоте п/ (Ш(/- Б1/+ БТ). Тогда уравнение гидролокации для РПА в условиях изотропного поля шумовой помехи на сигналах кратных частот п/ будет иметь вид
SLf - 21Ъ/ + TS(rf) = ЫЦпЛ - Б1/ + БТ. (9)
В последующих расчетах для звуковых давлений Рэф(1м,ф и Рпо(/ в качестве эталонного уровня принят 1 мкПа, частота акустического сигнала п/ кГц, длительность импульса т, с; дальность действия РПА г, км, коэффициент распознавания 3 = 4, коэффициент затухания Р(п/) вычислялся по формулам Шихи-Хелли и Либермана для морской воды. Как известно, дальность действия РПА существенно ограничивает реверберационная помеха, которую разделяют на объемную, поверхностную и донную [2]. Последняя оказывает относительно малое мешающее действие при вертикальном зондировании эхолотом и при работе с малыми углами наклона гидролокатора. В основном на дальность действия РПА влияют объемная и поверхностная реверберации. В данном случае в (9) параметр (Ш/ - 01/ заменяется уровнем реверберации RL(nf) и уравнение гидролокации для РПА в условиях неизотропного поля реверберационной помехи на сигналах кратных частот п/ примет вид
SL(rf) - 2ЩП» + TS(nf) = RL(nf) + БТ. (10)
Выражения для расчета уровней объемной RLV(f) и поверхностной RLS(/) реверберации при излучении
сигнала основной частоты / приведены в [3] и позволяют оценить маскирующее действие реверберацион-ной помехи и на акустических сигналах высших гармоник п/ Соотношение для расчета уровня объемной реверберационной помехи RLV(nf) на сигналах кратных частот п/ с учетом поглощения в воде будет иметь вид RLv(nf) = SL(rf)+Sv + 10 (ст/2) - (20 г +2Р(п/) г)+ +20 12(^2x0) + 7,7, (11)
где Sv - сила рассеивания объема воды: для приповерхностных слоев -70 дБ; для глубин 1 000 м и более -90 дБ; с - скорость звука в воде, м/с; т, с - длительность импульса; г - расстояние, км; - длина волны соответствующего акустического сигнала с частотой п/и радиус а антенны РПА, см.
Соотношения (9)-(11) использовались для оценки энергетической дальности действия РПА «Сарган- ЭМ» № 249 на акустических сигналах кратных частот НЧ тракта излучения / = 19,7 кГц, 2/ = 39,4, 3/ = 59,1 кГц (рис. 1-3) и РПА «Сарган-К» [6] на акустических сигналах кратных частот ВЧ тракта излучения / = 135, 2/ = 270 кГц (рис. 4, 5) в условиях изотропной шумовой и объемной реверберационной помех при обнаружении «стандартной рыбы» (TS2 = -26 дБ) и «стандартного косяка рыбы» = 0 дБ).
Ю-5 10'3 10"! 10°
г, км
Рис. 1. Оценка энергетической дальности действия РПА «Сарган-ЭМ» на/ = 19,7 кГц
На рисунках представлены следующие зависимости: кривые TS-i и TS2 отображают связь уровня эхо-сигнала БЬ уже обнаруживаемых объектов с указанной силой цели с максимальной дистанцией их обнаружения г, кривые RLV отображают спад уровня объ-
г, км
Рис. 2. Оценка энергетической дальности действия РПА «Сарган-ЭМ» на 2/ = 39,4
емной реверберационной помехи с увеличением дистанции г от антенны РПА; прямые ЫЬ соответствуют уровням принимаемого антенной шума на скорости судна 10 узлов; кривые (КЬу + Б7) и прямые (ЫЬ + Б7) показывают, какой уровень эхосигнала необходим, чтобы при заданном пороге обнаружения Б7 он выделялся на фоне маскирующей реверберации и изотропной шумовой помехи. Все кривые и прямые нанесены на поле графика парами, что обусловлено двумя режимами излучения РПА: «широкая ДН» (• - • ---) и «узкая ДН»(-).
Из графиков рис. 1 следует, что изделие № 249 «Сарган-ЭМ» при вертикальном зондировании обеспечивает обнаружение на рабочей частоте / = 19,7 кГц объектов:
1) с силой цели 7Б\ = 0 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 1 700 и 880 м, причем в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой помехой, уровень которой выше при работе во втором режиме;
2) с силой цели 752 = -26 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 420 и 260 м, причем в первом случае дальность действия ограничена объемной реверберационной помехой, а во втором - шумовой.
Из графиков рис. 2 следует, что изделие № 249 «Сарган-ЭМ» при вертикальном зондировании обеспечивает обнаружение на рабочей частоте 2/ = 39,4 кГц объектов:
1) с силой цели 7Б\ = 0 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 1 200 и 630 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой по-
мехой, уровень которой выше при работе во втором режиме;
2) с силой цели 752 = -26 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 500 и 250 м, в первом случае на этой дальности действия уровни шумовой и объемной реверберационной помех приблизительно равны, во втором - дальность действия ограничена шумовой помехой.
Из графиков рис. 3 следует, что изделие № 249 «Сарган-ЭМ» при вертикальном зондировании обеспечивает обнаружение на рабочей частоте 3/ = 59,1 кГц объектов:
1) с силой цели 75! = 0 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 780 и 400 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой помехой, уровень которой выше при работе во втором режиме;
2) с силой цели 752 = -26 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 350 и 160 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой помехой, уровень которой выше при работе во втором режиме.
Рис. 3. Оценка энергетической дальности действия РПА «Сарган-ЭМ» на 3/= 59,1 кГц
Из графиков рис. 4 следует, что комплекс «Сарган-К» при вертикальном зондировании обеспечивает обнаружение на рабочей частоте / = 135 кГц объектов:
1) с силой цели 751 = 0 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 700 и 600 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой помехой, уровень которой выше при работе во втором режиме;
2) с силой цели 752 = -26 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 500 и 380 м, в первом случае дальность действия ограничена шумо-
г. км
вой помехой, а во втором на этой дальности действия уровни шумовой и объемной реверберационной помех приблизительно равны.
Из графиков рис. 5 следует, что комплекс «Сар-ган-К» при вертикальном зондировании обеспечивает обнаружение на рабочей частоте 2/ = 270 кГц объектов:
1) с силой цели Т5-[ = 0 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 410 и 330 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой по-
мехой, уровень которой выше при работе во втором режиме;
2) с силой цели Т52 = -26 дБ в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН» на дистанциях ~ 310 и 250 м, в обоих случаях дальность действия ограничена шумовой помехой, уровень которой выше при работе во втором режиме.
Рис. 4. Оценка энергетической дальности действия
РПА «Сарган-ЭМ» на/ = 135 кГц
Представленные результаты показывают новые возможности практического использования эффектов нелинейной акустики при проектировании и модернизации гидроакустических систем и, в частности, РПА «Сарган-ЭМ». Использование вторичных акустических сигналов высших гармоник в качестве локационных позволит расширить эксплуатационные и функциональные возможности данной РПА: например, при работе НЧ тракта излучения на основной частоте / = 19,7 кГц излученного сигнала можно осу-
Рис. 5. Оценка энергетической дальности действия РПА «Сарган-ЭМ» на 2/ = 270 кГц
ществлять обнаружение рыбных скоплений на предельных дистанциях лоцирования при наибольшем облучаемом телесном угле (~ 1 700 м и 9°; ~880 м и 15° в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН»), а на частоте третьей гармоники 3Г = 59,1 кГц - уточнение как дистанции, так и угловых координат объектов промысла при наименьшем облучаемом телесном угле (~ 780 м и 5°,~ 400 м и 9° в режимах «узкая ДН» и «широкая ДН»).
2.
Литература
Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л., 1989.
Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л., 1986.
3. Справочник по судовой акустике. Л., 1978.
4. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроаку-
стические параметрические системы. Ростов н/Д, 2004.
5. УрикРоберт Дж. Основы гидроакустики. Л., 1978.
6. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н. // Глубоководные сис-
темы и комплексы. Черкассы, 1986
Таганрогский государственный радиотехнический университет
20 октября 2006 г.
