CC BY
27
УДК 534.222.2
ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ РЫБОПОИСКОВОЙ АППАРАТУРЫ (ЧАСТЬ 3)
© 2007 г. В.Ю. Волощенко
The new modernization approach of hydroacoustic fish finding apparatuses permits to realize original classification method and allows to improve several technical characteristics of these devices such as sonar resolution ability, noise immunity, etc.
Для получения многочастотной РПА с регулируемой разрешающей способностью по углу можно модернизировать РПА серии «Сарган», при этом увеличение объема первичных данных о объектах поиска и лова обусловлено приемом и соответствующей обработкой эхосигналов высших гармоник п/ излученного сигнала основной частоты /
Рассмотрим различные варианты аппаратурной реализации приемного тракта многочастотной РПА и ожидаемое расширение эксплуатационных возможностей устройств.
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. В настоящее время, как это следует из [1], выпускается РПА с двухчастотными антеннами или располагающая набором одночастотных антенн, к недостаткам которой относится сложность используемых антенных систем и необходимость применения набора генераторных трактов. Например, в модификациях двухчастотных эхолотов японской фирмы «Гигипо» БИУ/ГШ 11 (15 кГц/ 200 кГц, 140х140/80), БИУ/ГШ 12 (28 кГц/200 кГц, 140х 130/5,40), БИУ/ГШ 13 (50 кГц/200 кГц,160х9,60/80) при максимальной дальности действия ~600 м излучение в НЧ и ВЧ диапазоне обеспечено интерференционными ферритовой (3 шт.) и пьезокерамической (1 шт.) антеннами, а также использованием сменных однока-нальных генераторных трактов излучения, в то время как применение отечественной РПА «Сарган-ЭМ» в исследуемом режиме позволит перекрыть практически такой же частотный диапазон рабочих акустических локационных сигналов с различной направленностью излучения и при большей дальности действия с помощью одной двухчастотной антенны и двух генераторных трактов (табл. 1). В табл. 1 представлены расчетные значения максимальных дальностей обнаружения «стандартной рыбы» (Т82 = -26 дБ) и «стандартного косяка рыбы» (ТБ1 = 0 дБ) в двух режимах излучения «Узкая ДН» и «Широкая ДН» на пяти частотах при работе НЧ и ВЧ излучающих трактов, по-
лученные в результате графического решения соответствующих уравнений гидролокации [2].
Таблица 1 Расчетные значения максимальных дальностей обнаружения
Известно, что рассеивающие свойства рыб характеризуют величиной эквивалентного радиуса ЯЭ, который представляет собой радиус полностью отражающей идеальной эквивалентной сферы и связан с силой цели Т8 выражением Т8 = 20 ^(Я;э/2) = 10 ^(ст/4л), где ЯЭ - радиус идеально отражающей сферы, создающей в точке приема такой же сигнал, что и реальный объект; с - эффективная площадь обратного рассеяния. Рассмотрим подробно частотную зависимость эффективной площади обратного рассеяния рыб с учетом того, что длина большинства рыб, представляющих интерес для промысловой гидроакустики, составляет в основном I ~ (10 -г 100) см, а диапазон частот, применяемых акустических сигналов в РПА, /~ (10 г 200) кГц, что соответствует длинам волн Я ~ (15 г 0,75) см. Вся область значений размеров рыб I и используемых в промысловой гидроакустике длин волн Я разделена на три диапазона: I <<Я, I >>Я и I ~ Я (релеевская, геометрическая и промежуточная (резонансная) области для зависимости эффективной площади обратного рассеяния с от частоты f рассеиваемого локационного сигнала) [3]. Для используемых в НЧ тракте РПА «Сарган» частот / =19,7 кГц, 2/ = 39,4 кГц и 3/= 59,1 кГц длины волн равны Я/ = 7,61 см, Я2/=3,81 см, Я3/ = 2,54 см, тогда при эхолоцировании размеры рыб в направлении падающего акустического поля (~ 0,21 =
Частота, кГц 19,7 39,4 59,1 135 270
Сила Г макс ,М 1700 1200 780 700 410
цели Узк.ДН, 90/90 674,5° 50/30 2,172,1й 1,771и
TSj= изл/пр
=0 дБ Г макс ,М 880 630 400 600 330
Шир.ДН, изл/пр 150/150 1177,5" 90/50 4,774,7й 3,272,4й
Сила Г макс ,М 420 500 350 500 310
цели Узк.ДН, 90/90 674,5и 50/30 2,172,1й 1,771и
TS2= изл/пр
=-26 дБ Г макс ,М 260 250 160 380 250
Шир.ДН, изл/пр 150/150 110/7,50 90/50 4,774,7й 3,272,4й
= 2 -г- 10 см ) сопоставимы с длинами волн. В этом случае рассеяние локационного сигнала определяется как дифракционными явлениями на поверхности рыбы, так и интерференцией акустических волн, отраженных от различных внутренних частей ее тела. Это приводит к тому, что сила цели рыб имеет осциллирующий характер - ее зависимость от длины волны имеет несколько максимумов и минимумов, разница амплитуд которых может достигать 20 дБ и более. Усредненные значения эффективной площади обратного рассеяния ст следуют закономерности вида: ст ~ 1/Х. Для используемых в ВЧ тракте РПА «Сарган» частот/=135 кГц и 2/ = 270 кГц длины волн равны Х/ = 1,11 см, Х/=0,555 см, тогда при эхолоцировании размеры рыб в направлении падающего акустического поля (~ 0,21 = 2 г 10 см ) становится значительно больше длины волны. В этом случае дифракционные явления играют все меньшую роль и процесс рассеяния постепенно переходит в процесс отражения звука, подчиняющийся законам геометрической акустики. В этом случае эффективная площадь поперечного сечения обратного рассеяния ст~ 1/Х2 [3]. Таким образом, использование вторичных акустических сигналов -высших гармоник п/ излученного сигнала основной частоты / может позволить получить увеличение силы цели для некоторых видов рыб промыслового значения за счет резонансного и геометрического рассеяния акустических волн.
Эхолоты являются основными средствами обнаружения при поиске рыбы и других объектов лова вблизи грунта. Однако РПА вертикального действия в этом случае имеет ограничения, связанные со сферичностью фронта зондирующей акустической волны.
Пусть импульс, излученный антенной эхолота вдоль вертикального направления, падает на ровное дно, находящееся на глубине А (рис. 1), вблизи которого в слое ДИ находится придонная рыба.
л
Рис. 1. Схема обнаружения придонной рыбы с помощью РПА вертикального действия
Как видно из рисунка, в РПА могут быть зафиксированы эхосигналы только от придонной рыбы, расположенной в пределах водного объема, имеющего вид шарового сегмента высотой ДА и диаметром основания Б, в то время как эхосигналы от рыбы, расположенной ниже этого объема, будут регистрироваться на фоне более сильных отраженных сигналов от грунта, маскирующих
полезную информацию. Данная форма объема определяется достигшим дна в точке В сферическим фронтом падающей акустической волны, который ограничен по контуру телесным углом а эффективного поиска придонной рыбы.
Проекция ограничивающего контура на дно определяет поперечный размер Б просматриваемой эхолотом зоны дна, причем при соблюдении условия ДА << к справедливы соотношения [3]: Б и 2(2ДАх А)0'5 и
С0Б(а/2) = ( к -ДА)/ А, (1)
т. е. поперечный размер просматриваемой зоны дна определяется именно положением рыбы относительно грунта ДА и глубиной А, при этом чем ближе ко дну находится рыба, тем меньше придонная область и эффективный угол поиска, в пределах которых рыба может быть обнаружена (на рис. 1 наибольшему эффективному углу поиска соответствуют наибольшие поперечный размер Б и придонный слой ДА, а наименьшему эффективному углу поиска - наименьшие поперечный размер Б" и придонный слой ДА"). Расчетные значения ширины просматриваемой зоны Б и эффективного угла поиска а отдельных рыб (Т52 = -26 дБ) и скоплений рыбы (ТБц = 0 дБ) для различных глубин А и толщин придонного слоя ДА приведены в табл. 2, 3.
Таблица 2
Расчетные значения ширины просматриваемой зоны Б и эффективного угла Г^ = -26 дБ
М,м Глубина к,м
100 200 300 400 500 600
0,5 D,m 20 28 34,6 40 44,7 49
а,град 11,5 8,1 6,6 5,7 5,1 4,7
1 D,m 28,3 40 50 56,6 63 69
а,град 16,2 11,5 9,4 8,1 7,25 6,6
2 D,m 40 56,6 69,3 80 89,5 98
а,град 22,9 16,2 13,2 11,5 10,3 9,4
Сопоставление величин эффективного угла поиска а и значений ширины ХН по уровню 0,7 антенны в режимах «Узк. ДН» и «Шир. ДН» при работе ВЧ и НЧ трактов при регистрации отдельных рыб (752= -26 дБ) и скоплений рыбы (751 = 0 дБ) на одинаковых глубинах позволяет сделать вывод о том, что пространственные характеристики локационных сигналов, используемых в данной РПА, в основном соответствуют эффективным углам поиска придонной рыбы, причем возможность перехода в режиме приема на наиболее оптимальную частоту позволит регулировать ширину просматриваемой зоны дна и соответственно концентрировать в заданном телесном угле акустическую энергию.
Получение фактической картины распределения рыбы у грунта в районе лова существенно осложняется влиянием следующих факторов: рыба может располагаться в несколько слоев у поверхности дна, наличие неровностей на морском дне, волнение морской поверхности.
Рассмотрим наиболее подробно влияние первого фактора. Из-за сферического фронта падающей волны зондирующего импульса объекты лова, находящиеся на одинаковом расстоянии от антенны РПА, но на разных направлениях относительно акустической оси
(рис. 1), будут фактически расположены на разных дистанциях от дна, а на индикаторах и регистраторах эхосигналы от них будут воспроизводиться на одной и той же высоте над грунтом.
Таблица
Расчетные значения ширины просматриваемой зоны Б и эффективного угла = 0 дБ
3
М,м Глубина к,м
400 600 700 800 900 1000 1200 1500
3 D,m 98 120 130 138,6 147 155 170 190
а,град 14 11,5 10,6 9,9 9,4 8,9 8,1 7,25
5 D,m 126,5 155 167,3 179 190 200 219 245
а,град 18,1 14,8 13,7 12,8 12,1 11,5 10,5 9,4
10 D,m 179 219 237 253 268 283 310 346
а,град 25.7 21 19,4 18,1 17 16,2 14,8 13,3
Таким образом, из-за сферического фронта акустической волны возникает неопределенность ДИ в оценке фактической глубины нахождения придонной рыбы, величина которой определяется соотношением Дк= =к{1- С08(а/2)}.Оценим значения поперечных размеров просматриваемых зон дна и возникающих неопределенностей Дк(/ при работе эхолота «Сарган-ЭМ» № 249 на рабочих локационных сигналах кратных частот п/, используя расчетные данные представленные в [2] и взяв в качестве эффективного угла поиска а раскрыв антенны РПА по уровню 0,7 в режиме приема на соответствующих частотах. Результаты расчета сведены в табл. 4.
Результаты расчета. «Сарган- ЭМ» № 249
nf, кГц h, м 2 %7(nf,u3Ä) , град 2 $0,7(nf, пр), град Df м Ahf м
f 2f 3f f 2f 3f
19,7 1700 9 9 267 5,24
39,4 1200 6 4,5 189 94 3,7 0,93
59,1 780 5 3 123 61 41 2,4 0,6 0,3
1Р, 2 00 7(f) =150; TS2=-26 дБ
19,7 260 15 15 68,3 2,3
39,4 250 11 7,5 66 33 2,15 0,54
59,1 160 9 5 36 21 14 1,38 0,34 0,15
1Р,2 00,7( f) =90; ^Si=0 дБ
Из представленных данных следует:
а) в режиме «Узк. ДН» при излучении полной мощности РПА на глубинах к = 780 м возможность переключения в приеме эхосигналов с частоты / на частоту 3/ позволяет: ~ в 3 раза уменьшить ширину зоны обзора Б и тем самым устранить отражения от скоплений рыб, удаленных от акустической оси антенны; ~ в 8 раз уменьшить неопределенность в оценке фактической глубины нахождения скоплений придонной рыбы, находящихся вблизи акустической оси антенны;
б) в режиме «Шир.ДН» при излучении полной мощности РПА на глубинах к = 160 м возможность переключения в приеме эхосигналов с частоты / на частоту 3/ позволяет: ~ в 2,6 раза уменьшить ширину
зоны обзора Б и тем самым устранить отражения от отдельных рыб, удаленных от акустической оси антенны; ~ в 9,2 раза уменьшить неопределенность в оценке фактической глубины нахождения особей придонных рыб, находящихся вблизи акустической оси антенны;
в) при работе на широких характеристиках направленности антенны РПА могут иметь место большие ошибки при обнаружении рыбных скоплений, которые пригодны для облова донными тралами.
Большую помощь в повышении эффективности РПА при донном лове оказало создание устройств типа «Белая линия», «Серая линия». «Отсечка грунта» и т.д., которые позволяют увеличить возможности регистрации придонных рыб на ленте самописца [3]. Эти устройства работоспособны только в том случае, если эхосигналы от объектов лова поступают на антенну РПА раньше прихода эха от грунта. Если же эхо от рыбы приходит на фоне отраженных сигналов от дна, данные устройства не могут выделить полезную информацию и обеспечить получение фактической картины распределения рыбы у грунта в районе лова. В данной ситуации использование в РПА в качестве локационных фазосвязанных акустических сигналов высших гармоник / 2/, 3/, п/ позволит осуществлять классификацию лоцируемых объектов по фазовым признакам эхосигналов кратных частот при использовании одного из них в качестве опорного [4], причем определение акустического сопротивления объекта основано на том, что при отражении сигнала от акустически мягких границ раздела (скопление рыб) происходит изменение его фазы на 1800, а для акустически жестких (морское дно) - фаза сигнала не меняется. Следовательно, для реальных объектов локации диапазон изменения фазы отраженного сигнала с частотой 2/ может составить от 0 до 1800. Кратко опишем принцип действия параметрического локатора для классификации подводных объектов по их акустическому сопротивлению [4], структурная схема и эпюры напряжений в различных точках которого представлены на рис. 2 и 3.
Синхронизирующий видеоимпульс и1 с выхода синхронизатора 1 запускает генератор 2, формирующий радиоимпульс П2 с частотой заполнения / поступающий на акустический преобразователь 3, излучающий в воду мощный акустический сигнал конечной амплитуды П3. При его распространении в среде, обладающей нелинейностью, будет происходить искажение его формы, т.е. формирование гармоник 2/, 3/, ... .п/ связанных по фазе с излученным сигналом с частотой / Полигармонический сигнал П4 отражается от поверхности исследуемого объекта 4 и принимается широкополосным акустическим преобразователем
Таблица 4
5, напряжение с которого после усилителя 6 подается на фильтры 7 и 8, настроенные на частоты / и 2/.
(Л
US
A^iy
9
т
— 1 1 г - f Ь
vb
ю
LJö
и;
11 Т
Рис. 2. Структурная схема параметрического локатора для классификации подводных объектов по их акустическому сопротивлению
ц
LL! Um
и«
U7JÜ1 US üG US U7 U9
1
m
*tw<f
W
^O4
VW t
mm t
HL
^иаа'
V^fiO"
r-jaf
ЛЛД-M
Шw?
TZ
t
r~t
Рис. 3. Эпюры напряжений, поясняющие принцип работы параметрического локатора для классификации подводных объектов Напряжение и6 используется для получения информации в регистраторе 9 (самописец, осциллограф и т. д.) о наличии объекта в зоне лоцирования и, кроме того, после удвоения по частоте в блоке 10 поступает на один из входов фазового детектора 11. На его второй вход подается напряжение и7 с частотой 2/. Напряжение П9, формируемое на выходе фазового детектора, при лоцировании объекта из акустически мягкого материала 2 > 22) будет иметь одну полярность, а для акустически жесткого 2 < 22) - другую. Форма и полярность сигнала П9 просматривается на экране осциллографического индикатора 12. Таким образом, если эхо от акустически мягкой рыбы при-
ходит к антенне РПА на фоне отраженных сигналов от акустически жесткого дна описанное устройство позволит выделить полезную информацию и обеспечит получение фактической картины распределения рыбы у дна в районе лова. Рассмотренный классификационный режим может быть реализован путем добавления блоков 8, 10, 11 и 12 к стандартной импульсной РПА, что позволит расширить ее функциональные и эксплуатационные возможности.
Рассмотренные выше преимущества работы на вторичных сигналах кратных частот могут быть реализованы при обязательной стабилизации эхолотных антенных систем, обеспечивающих заданное положение в пространстве характеристики направленности (ХН) антенны. В этом случае независимо от качки судна основной лепесток ХН антенны РПА всегда направлен вертикально вниз и непрерывно зондируется придонное пространство, захватываемое донным тралом. Таким образом, применение узкой стабилизированной ХН антенны в РПА вертикального действия позволяет значительно повысить эффективность обнаружения придонной рыбы и существенно уменьшить вероятность маскировки эхосигналов от объектов поиска сигналами, отраженными от грунта, за счет сокращения облучаемой зоны дна. В рассматриваемой РПА «Сарган-ЭМ» отмеченные выше преимущества могут быть реализованы, так как в ней используется механическая поплавковая система стабилизации антенны.
Рассмотрим еще один из вариантов конкретной технической реализации предложенного расширения эксплуатационных возможностей изделий «Сарган» в режиме работы НЧ тракта, отличающийся сравнительно небольшим объемом доработок серийно выпускаемых изделий. Прием эхосигналов на частотах высших гармоник (2/ = 39,4 кГц, 3/ = 59,1 кГц) зондирующего сигнала с последующим гетеродинировани-ем на частоту зондирующего сигнала (/ = 19,7 кГц) может быть осуществлен с помощью устройства преобразования частоты (ПЧ), включенного в разрыв между антенной (приборы 1-1, 1-2) и предварительным усилителем ПУ НЧ (прибор 13) изделий «Сарган-ЭМ, ГМ». Функциональная схема устройства преобразования частоты представлена на рис. 4.
Сигнал с антенны 1 поступает на фильтр верхних частот 2 с частотой среза 35 кГц, который осуществляет подавление сигнала основной частоты (19,7 кГц) на 50 дБ. Далее сигнал через усилитель 3 подается на первый вход смесителя 4, второй вход которого соединен с выходом кварцевого гетеродина 5. При приеме эхосигналов второй или третьей гармоник частоты гетеродина равны /Г1 = 59,1 кГц или /Г2 = 78,8 кГц соответственно. После смесителя 4 с помощью полосового фильтра 6 с центральной частотой / = 19,7 кГц и полосой пропускания Д/ = 3 кГц выделяется сигнал с разностной частотой /Г2 - 3/=/Г1 - 2/ = 19,7 кГц. Таким образом, сигналы второй и третьей гармоник преобразуются по частоте в сигнал основной частоты, увеличиваются по амплитуде и поступают в предварительный усилитель 7. Модернизированный рыбопоисковый двухчастотный гидролокатор «Сарган-ГМ» №551 успешно прошел испытания на приемно-сдаточном стенде завода «Прибой». На рис. 5 представлены эхограммы,
полученные в гидроакустическом бассейне глубиной 2,7 м на частотах/=19,7 кГц, 2/ = 39,7 кГц и 3/=59,1 кГц при пониженной мощности излучения (0,1Р) и длительности импульса 1 мс.
Н
npuf&p
Рис. 4. Функциональная схема устройства преобразования частоты (ПЧ), включаемого в разрыв между антенной (приборы 1-1, 1-2) и предварительным усилителем ПУ НЧ (прибор 13) изделий «Сарган-ЭМ, ГМ»
дан
Рис. 5. Эхограммы, полученные в гидроакустическом бассейне
На акустических сигналах второй и третьей гармоник записаны многократные отражения от дна бассейна, причем «истинное» дно лучше зарегистрировано на третьей гармонике, в то время как на второй гармонике в значительной степени дно маскирует реверберационная помеха. В штатном режима на сигнале основной частоты / полезная информация полностью маскируется реверберационной помехой и повторные отражения практически неразличимы.
Рассмотрим имеющиеся особенности использования гидролокаторов после обнаружения скопления и предварительной оценки пригодности его для добычи. С уменьшением дистанции от судна до косяка оператор РПА определяет основные параметры рыбного скопления - горизонтальную протяженность и протяженность в направлении зондирования, размер по вертикали, глубину расположения, ориентировочную плотность и максимум плотности, скорость и направление перемещения, форму скопления. Выполнение этих задач требует постепенного снижения усиления приемного тракта и длительности зондирующего импульса, сопровождающегося своевременным перехо-
дом на меньшие диапазоны регистрирующих устройств, а в нашем случае и переходом на более высокочастотные сигналы 2/, 3/. Одним из основных параметров, определяющих целесообразность облова скопления, является экспериментально определяемая горизонтальная протяженность косяка I = 2xДкxtg(aк/2), где I и а - расстояние и угол между кромками косяка в горизонтальной плоскости; Д - расстояние от судна до косяка. Покажем, что использование многочастотного гидролокатора «Сарган-ГМ» позволит произвести экспериментальное измерение горизонтальной протяженности косяка наиболее точно на акустическом сигнале с частотой 3/. Для определения угловых координат объекта поиска в гидролокаторе «Сарган-ГМ» принят максимальный метод пеленгования, в котором точность пеленгования Дф/ определяется соотношением [2] Дфп/ = 0,6х/Л'5х2в где / - относительное уменьшение амплитуды сигнала при отклонении максимума ХН антенны на угол Ьф с направления на цель (для визуального индикатора /л = 0,05 -г 0,15; для слухового индикатора /л> 0,2); 2 в 0,7пр(п£) - ширина ХН приемной антенны по уровню 0,7 для соответствующего акустического сигнала п/ Оценим неточность Ыпд экспериментально измеряемой горизонтальной протяженности косяка, рассчитав для РПА «Сарган-ЭМ» точность пеленгования Ьф/ границ рыбного скопления протяженностью 1=17,6 м на акустических сигналах кратных частот при расстоянии до него Дк = 50 м и угле между кромками косяка оск = 200. Для сигнала с частотой / = 19,6 кГц при 2во,7пр(С) = 150 и Дф/, = 3,750 неточность измерения протяженности Ыд и 6,6 м, для сигнала с частотой 2/ = 39,2 кГц при 2 в 0,7^(2$ = 7,50 и Дф/ = 20 - Д1к(2д и и3,5 м, для сигнала с частотой 3/ = 59,1 кГц при 2 в 0,7пр(3/) = 50 и Дф(3/) = 1,50 - Д1к(зд и 2,6 м, что обусловит следующие значения относительной погрешности измерения горизонтальной протяженности Ымд /1кмд на сигналах кратных частот/ 2/, 3/- 40; 20; 15 % соответственно.
Предлагаемая модернизация позволит существенно расширить эксплуатационные возможности РПА «Сарган-ЭМ, ГМ» - пять рабочих частот перекрывают диапазон сигналов промысловой гидроакустики (20 - 300 кГц) при возможности изменения практически в 10 раз ширины главного максимума излучения и обнаружении одиночной рыбы/рыбного скопления на глубинах до 500 м/1700 м, что дает возможность осуществлять количественную и видовую оценку рыбных запасов, за счет увеличения объема первичных данных можно повысить достоверность информации о окружающей обстановке промысла с выдачей рекомендаций по управлению судном в процессе поиска и облова промысловых объектов, в том числе и придонной рыбы.
Литература
1. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.
Л., 1986.
2. Волощенко В.Ю. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ес-теств. науки. 2007. № 3. С. 28-33.
3. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболо-
кация. М., 1978.
4. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. // Акустика и ультразвуковая техника. Вып. 21. Киев, 1986.
20 октября 2006 г.
Таганрогский государственный радиотехнический университет
