Рыбопромысловая гидроакустика: Учебно-методическое пособие

Камчатский государственный технический университет

Кафедра судовождения Кафедра радиооборудования судов

Я.С. Карлик, Ю.В. Марапулец

РЫБОПРОМЫСЛОВАЯ ГИДРОАКУСТИКА Учебно-методическое пособие по дисциплине «Рыбопромысловая гидроакустика»

Петропавловск-Камчатский 2004 1

УДК 621.396.933.21 ББК 32.875 К23 Рецензенты: А.П. Белаш, доцент, заместитель декана мореходного факультета КамчатГТУ А.А. Дуров, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой радиооборудования судов КамчатГТУ

Карлик Я.С., Марапулец Ю.В. К23

Рыбопромысловая гидроакустика: Учебно-методическое пособие. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. – 260 с. В учебно-методическом пособии по дисциплине "Рыбопромысловая гидроакустика" рассматриваются основы теории распространения звука в морской воде и гидроакустические методы промысла морских гидробионтов, а также особенности построения и эксплуатации гидроакустической аппаратуры, используемой на рыбопромысловых судах. Пособие предназначено для курсантов и студентов высших учебных заведений, готовящих кадры для рыбопромыслового флота. Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол № 7 от 23.05.2003 г.).

УДК 621.396.933.21 ББК 32.875

© КамчатГТУ, 2004 © Карлик Я.С., 2004 © Марапулец Ю.В., 2004 2

Содержание Введение ............................................................................................ Глава 1. История развития, современное состояние и перспективы дальнейшего совершенствования отечественной и иностранной гидроакустической рыбопромысловой аппаратуры ................................................... 1.1. История развития гидроакустической техники в первой половине XX века ............................................................. 1.2. История развития отечественной рыбопоисковой аппаратуры во второй половине XX века ...................................... 1.3. История развития зарубежной рыбопоисковой аппаратуры во второй половине XX века ...................................... 1.4. Современное состояние и перспективы развития рыбопоисковой аппаратуры ............................................ Глава 2. Основные уравнения акустического поля .............................. 2.1. Уравнения гидродинамики для идеальной жидкости ........... 2.1.1. Акустические колебания, их виды и основные параметры ..................................................................... 2.1.2. Уравнение неразрывности ..................................................... 2.1.3. Уравнение движения ............................................................. 2.1.4. Уравнение состояния ............................................................. 2.1.5. Волновое уравнение распространения звука ...................... 2.2. Плоские и сферические волны в жидкости ............................ 2.2.1. Плоская волна ......................................................................... 2.2.2. Сферическая волна ................................................................. 2.2.3. Интенсивность акустической волны .................................... 2.2.4. Уменьшение интенсивности акустической волны в океане .......................................................... Глава 3. Распространение акустических волн в водной среде ............ 3.1. Интерференция акустических волн ......................................... 3.2. Отражение и преломление акустических волн ...................... 3.3. Дифракция акустических волн ................................................ 3.4. Характеристики морской воды ................................................ 3.5. Рефракция акустических лучей ............................................... 3.6. Прохождение акустических волн через перегородку ........... 3.7. Эффект Доплера ........................................................................ 3

7

13 13 14 17 18 19 19 19 21 23 25 26 27 27 30 32 35 41 41 44 49 50 55 58 62

Глава 4. Гидроакустические помехи ...................................................... 4.1. Источники гидроакустических шумов и помех .................... 4.1.1. Шумы морской среды ........................................................... 4.1.2. Шумы носителей РПА .......................................................... 4.1.3. Реверберация .......................................................................... 4.1.4. Компенсация реверберационной помехи при помощи временной автоматической регулировки усиления РПА5 .......... 4.2. Поле помех в точке приема РПА ............................................ 4.2.1. Основные параметры, характеризующие поле помех ....... 4.2.2. Расчет уровней помех в рабочей полосе РПА ....................

64 64 65 67 69

Глава 5. Рассеяние звуковых волн ......................................................... 5.1. Рассеяние звуковых волн подводными объектами ............... 5.1.1. Основные понятия о характеристиках рассеяния звука объектом ................................................................................. 5.1.2. Акустическое поперечное сечение обратного рассеяния жесткой сферы ............................................................... 5.2. Рассеяние звуковых волн морским дном ............................... 5.2.1. Акустические свойства морского дна ................................. 5.2.2. Эхосигналы от морского дна как случайные процессы .... 5.2.3. Сила эхосигнала от морского дна ........................................

81 81

75 78 78 80

81 84 87 87 95 98

Глава 6. Гидроакустические антенны .................................................... 6.1. Классификация гидроакустических антенн ........................... 6.2. Основные параметры гидроакустических антенн ................. 6.2.1. Режим излучения ................................................................... 6.2.2. Режим приема ........................................................................ 6.3. Характеристики основных типов антенн, используемых в РПА2 ..................................................................... 6.3.1. Дискретные эквидистантные решетки, состоящие из ненаправленных элементов, расположенных вдоль отрезка прямой ................................................................................. 6.3.2. Дискретные плоские антенны .............................................. 6.3.3. Круговые цилиндрические антенны .................................... 6.3.4. Параметрические антенны ....................................................

111 113 114 116

Глава 7. Гидроакустические преобразователи ...................................... 7.1. Классификация и характеристики преобразователей ........... 7.2. Магнитострикционный эффект ............................................... 7.3. Пьезоэлектрический эффект ....................................................

117 117 120 126

4

100 100 102 102 107 111

Глава 8. Основное уравнение гидролокации ......................................... 137 8.1. Уравнения пассивной и активной гидролокации .................. 137 8.2. Расчет основных параметров уравнения дальности .............. 141 8.2.1. Порог обнаружения ................................................................ 141 8.2.2. Уровень излучения и излучаемая акустическая мощность 144 8.3. Дальность действия РПА .......................................................... 148 Глава 9. Морские гидробионты как объекты промысла ...................... 9.1. Акустические характеристики морских гидробионтов ........ 9.1.1. Биологические характеристики морских гидробионтов .... 9.1.2. Отражательная способность морских гидробионтов ......... 9.1.3. Сила цели рыб и рыбных скоплений ................................... 9.2. Шумоизлучение морских гидробионтов ................................ 9.2.1. Основные параметры шумоизлучения морских гидробионтов .................................................................................... 9.2.2. Характеристики шумоизлучения различных морских гидробионтов .................................................................... Глава 10. Обнаружение сигналов на фоне помех ................................. 10.1. Общие положения ................................................................... 10.2. Вероятностные характеристики обнаружения сигналов РПА ................................................................................... 10.2.1. Модели сигналов на входе РПА ......................................... 10.2.2. Модели помех на входе РПА .............................................. 10.3. Аналоговая обработка сигналов в РПА ................................ 10.3.1. Методы обработки аналоговых сигналов .......................... 10.3.2. Методы регистрации и отображения аналоговых сигналов ....................................................................... 10.4. Цифровые методы обработки сигналов в РПА .................... 10.4.1. Дискретизация и квантование непрерывных сигналов .................................................................... 10.4.2. Оптимальная обработка гидроакустических сигналов .......................................................... Глава 11. Состав и основные характеристики рыбопоисковой аппаратуры промыслового судна ................................................... 11.1. Состав РПА промыслового судна ......................................... 11.2. Характеристики эхолотов ...................................................... 11.3. Характеристики гидролокаторов ........................................... 11.3.1. Гидролокатор шагового обзора .......................................... 11.3.2. Гидролокатор секторно-шагового обзора ......................... 11.3.3. Гидролокатор одновременного кругового обзора ............ 11.4. Приборы контроля параметров орудий лова ....................... 11.5. Комплексирование аппаратуры ............................................. 5

150 150 150 151 154 155 155 158 161 161 164 164 168 169 169 171 174 174 176 177 177 180 183 183 185 187 189 192

Глава 12. Принципы построения основных трактов РПА ................... 12.1. Тракт излучения ...................................................................... 12.2. Тракт приема ........................................................................... 12.2.1. Первичная обработка эхосигналов .................................... 12.2.2. Вторичная обработка эхосигналов .................................... 12.3. Устройства отображения информации в РПА ..................... 12.3.1. Электромеханические регистраторы ................................. 12.3.2. Одноцветные электронные индикаторы ........................... 12.3.3. Многоцветные электронные индикаторы ......................... 12.3.4. Звуковые индикаторы .........................................................

194 194 202 202 214 222 223 227 232 237

Глава 13. Поиск объектов морского промысла .................................... 13.1. Теоретические основы поиска объектов морского промысла ......................................................... 13.1.1. Общие положения теории поиска объектов морского промысла ......................................................................... 13.1.2. Вероятность обнаружения объекта .................................... 13.1.3. Вероятность встречи с объектом ....................................... 13.1.4. Вероятность контакта с объектом ...................................... 13.1.5. Критерии эффективности поиска обьектов ...................... 13.2. Планирование и производство поисковых работ ................ 13.2.1. Технологии планирования поисковых галсов .................. 13.2.2. Расчет межгалсовых расстояний ........................................ 13.2.3. Выполнение поисковых работ ...........................................

239 239 239 242 244 247 249 251 251 253 255

Литература ................................................................................................ 260

6

ВВЕДЕНИЕ Слово "гидроакустика" образовано из двух древнегреческих слов: "гидро" – вода и "акуо" – слушаю. Таким образом, дословный перевод этого слова – слушаю воду. Однако в настоящее время понятие ″гидроакустика″ намного шире. Под гидроакустикой подразумевается отрасль науки о подводном звуке, его излучении, распространении в воде, отражении от подводных объектов и приеме. Кроме того, одновременно это и отрасль техники, базирующаяся на современных научных достижениях. Наиболее важной составной частью гидроакустики является гидролокация (от греческого "гидро" – вода и латинского "локатио" – размещение, расположение) – область науки и техники, обеспечивающая получение информации о подводных объектах и их расположении относительно наблюдателя. Технические средства, с помощью которых обеспечивается получение гидролокационной информации о подводных объектах, называют гидроакустическими станциями. Источником гидролокационной информации является гидроакустический сигнал – звуковая волна, распространяющаяся в воде и принимаемая гидроакустической станцией. Область гидроакустики, предназначенная для обеспечения различных задач промышленного рыболовства, называется рыбопромысловой гидроакустикой, а ветвь рыбопромысловой гидроакустики, обеспечивающая наблюдение за объектами морского промысла, – рыболокацией [17]. В начальной стадии своего развития технические средства для промышленного рыболовства использовались в основном для поиска и обнаружения объектов промысла. Эти средства называются рыбопоисковыми гидроакустическими станциями. В настоящий момент функции гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры (РПА) в зависимости от задач промысла постоянно усложняются. Особенно возросла роль РПА в связи с введением двухсотмильных национальных экономических рыболовных зон и заметным обеднением биологических ресурсов Мирового океана. Гидроакустическая РПА постоянно совершенствуется и усложняется в зависимости от типа решаемых задач. Гидроакустическая РПА является наиболее типичным представителем гидроакустических систем во всем их многообразии. Она имеет значительное число вариантов построения, отличающихся методами технической реализации, обработки гидроакустической информации, способами локации, методами обзора акватории, типами решаемых задач и т.д. Гидроакустическая техника, применяемая для рыбного промысла, включает в себя [10]: 7

– аппаратуру поиска скопления рыбы (косяка) в районе лова, ее количественной оценки, определения координат и элементов движения, а также глубины нахождения, необходимых для эффективного использования орудий лова; – аппаратуру контроля за положением орудий лова относительно косяка, их состоянием и рабочими параметрами; – аппаратуру исследования поведения биологических объектов в среде обитания, приманки или отпугивания их, контроля за их миграцией, получения информации о физических процессах в организмах и т.д. Для поиска скопления рыбы в настоящее время используется два основных гидроакустических способа подводной локации – пассивный и активный. Пассивная гидролокация – способ установления наличия подводных объектов и определения их свойств, основанный на приеме и обработке акустических сигналов, излучаемых самими объектами. Структурная схема пассивного гидролокатора представлена на рис. 1. Устройство отображения

Приемная антенна

Усилитель

Рис. 1. Схема работы пассивной гидроакустической станции

Принцип работы пассивного гидролокатора следующий. Звуковые волны, излученные подводным объектом, поступают на приемную антенну, где производится преобразование акустической энергии в электрическую, затем они усиливаются в усилителе и поступают на устройство отображения информации. Поскольку рыбные объекты не являются источником достаточно мощного гидроакустического поля, пассивная гидролокация как метод подводного наблюдения в рыбопоисковой технике используется редко и применяется только для специальных (в основном исследовательских) целей. Активная гидролокация – способ установления свойств подводных объектов, основанный на излучении гидроакустических сигналов, приеме и обработке эхосигналов, которые возникают в результате отражения (или рассеивания) от этих объектов. Структурная схема пассивного гидролокатора представлена на рис. 2. Принцип работы активного гидролокатора следующий. Акустические сигналы с генератора поступают на излучающую антенну, где преобразуются из электрической энергии в акустическую и излучаются в водную среду. Достигнув подводных объектов, звуковые волны от них отражаются и далее поступают на приемную антенну, усиливаются в усилителе и поступают на устройство отображения информации. 8

Генератор

Излучающая антенна

Усилитель

Приемная антенна

Устройство отображения

Рис. 2. Схема работы активной гидроакустической станции

Гидролокационные системы активного действия подразделяются на гидролокаторы вертикального, горизонтального и горизонтальновертикального действия. Гидролокаторы вертикального действия (рыбопоисковые эхолоты) по принципу построения и работы являются разновидностью эхолотов, отличаясь от последних некоторыми техническими параметрами и наличием дополнительных узлов и устройств. К числу таких устройств относятся многорежимные самописцы, электронные индикаторы для крупномасштабного детального анализа отметок от целей, находящихся в выбранном оператором ограниченном объеме водной среды ("фишлупа"), схемные устройства, улучшающие возможности обнаружения придонных рыб ("белая линия", "серая линия", "отсечка грунта") и др. Многие виды гидролокаторов вертикального действия совмещают функции рыбопромыслового и навигационного эхолота. Диапазон измеряемых ими глубин может доходить до нескольких тысяч метров, промысловые скопления рыб обнаруживаются на глубинах до 600 м. Гидролокаторы вертикального действия просты по устройству, компактны и удобны в эксплуатации. Их недостаток – возможность наблюдения лишь в сравнительно небольшом объеме водной среды, находящемся непосредственно под килем судна, что в значительной степени затрудняет прицельное применение орудий лова, снижает вероятность обнаружения рыбы даже на небольшом удалении ее от судна. Гидролокаторы горизонтального действия представляют собой специфическую разновидность судовых гидролокаторов. Наиболее простыми по устройству, компактными и дешевыми являются гидролокаторы шагового обзора, получившие широкое распространение. Однако в настоящее время все чаще в гидролокаторах применяют секторный и круговой обзоры, обеспечивающие более эффективные поиск рыбы и применение орудий лова. Гидролокаторы горизонтально-вертикального действия первоначальный поиск рыбы осуществляют в горизонтальной плоскости на удалении от судна. По мере сближения с обнаруженным косяком произво9

дится наклон оси характеристики направленности (ХН) антенны в вертикальной плоскости, что обеспечивает слежение за рыбой на всех фазах лова. Высокая эффективность таких гидролокаторов достигается за счет существенного усложнения конструкции аппаратуры. В некоторых гидролокаторах используются независимые тракты горизонтального и вертикального обзора, работающие на различных частотах. Тактические и технические параметры современных рыбопромысловых гидролокаторов различны. По основным параметрам – дальности и глубине обнаружения орудий лова – они условно делятся на гидролокаторы для обнаружения объектов промысла в прибрежной зоне и внутренних мелких водоемов (глубина обнаружения рыбы до 50 – 100 м), малого радиуса действия (глубина до 300 м, дальность до 500 м), среднего радиуса действия (глубина до 600 – 700 м, дальность до 1000 – 2000 м) и большого радиуса действия (глубина свыше 600 м, дальность до 3000 – 6000 м). Средства контроля за орудиями лова, основанные на принципах гидроакустики, позволяют осуществлять прицельный лов рыбы, управляя перемещением орудий лова по курсу и глубине и контролируя их рабочие параметры непрерывным сопоставлением текущей информации о перемещении косяка рыбы и местонахождении относительно косяка сетей или тралов. Такой контроль способствует повышению эффективности лова на 8–10%. Простейшим устройством контроля является сетевой зонд, обеспечивающий эхолотное измерение глубины хода трала. Зонд может подключаться к любому рыболокатору. Непосредственно на трале, на его верхней подборе, закреплена акустическая антенна, являющаяся единственным основным элементом зонда. Эта антенна соединена с находящимся на судне гидролокатором кабелем длиной до 300 м. Генерирование зондирующих импульсов, усиление, обработка и отражение получаемых эхосигналов от дна осуществляют соответствующие тракты гидролокатора. Более сложные сетевые зонды обеспечивают измерения расстояния от подборы до грунта, ширины раскрыва устья трала, температуры воды на глубине его хода и некоторых других величин. Имеется тенденция увеличения числа измеряемых параметров и использования ЭВМ для обработки получаемой информации. В некоторых зондах информация от приемников, размещенных на трале, передается на судно по гидроакустическому каналу связи. В рыбопоисковых комплексах и системах сочетаются функции поиска рыбы и контроля за орудиями лова. К средствам контроля за поведением биологических объектов относятся, в частности, гидроакустические метки (маячки), закрепляемые на теле рыб или морских животных. Они позволяют осуществлять длительное слежение за перемещением рыбы или животного в контролируемом районе. Работа каждой метки основывается на принципах пингера, когда ею излучаются непрерывные сигналы или импульсы с заданной частотой 10

следования, или транспондера, когда метка ретранслирует запросные сигналы судна или другого объекта, осуществляющего контроль. Современное состояние микроминиатюризации позволяет создавать метки, габариты и масса которых дают возможность размещать их даже на небольших особях. Основными объектами промысла, обнаружение которых осуществляется с помощью гидроакустической РПА, являются большинство видов рыб и млекопитающие – киты (в настоящее время их промысел запрещен). Ведутся работы по использованию РПА для обнаружения антарктического криля. К основным видам орудий лова относятся: тралы, дрифтерные сети, кошельковые неводы, яруса, ловушки для крабов и креветок. Тралы представляют собой сетные мешки, буксируемые за траулером при помощи двух стальных тросов. В зависимости от горизонта лова по конструктивному выполнению тралы могут быть донными, придонными и разноглубинными. Отличительная особенность работы донного трала от других заключается в том, что при тралении он движется, прижимаясь к грунту и следуя всем его неровностям. Дрифтерные сети применяются для лова пелагических скоплений рыбы. Промысел с их помощью носит пассивный характер. Они соединяются между собой в так называемый порядок, который при помощи каната (вожака) крепится одним концом к судну, и дрейфуют вместе с ним под влиянием ветра и течения. Длина дрифтерного порядка от 60 до 120 м, число сетей в нем зависит от погоды, концентрации рыбы, водоизмещения судна и глубины лова. Поддержание дрифтерного порядка на плаву и контроль за его положением осуществляется при помощи дрифтерных и концевых буев. Кошельковые неводы – это обкидные отцеживающие орудия обычно прямоугольной формы, длина которых в несколько раз превышает их высоту. Косяк окружается неводом, и невод стягивается, образуя кошель. Минимальная высота невода, при которой возможно правильное кошелькование, составляет 10% от его длины. Яруса – крючковые снасти в виде тонких шнуров, по всей длине которых на подводцах прикреплены крючки. Ярусный порядок, имеющий длину от 1 до 160 км, составляется из 50 – 400-метровых секций. По способу установки ярусные порядки делятся на стационарные и дрейфующие. Стационарные ярусные порядки устанавливаются на якорях и применяются на малых судах для лова в прибрежной полосе. Дрейфующие получили распространение при морском и океаническом промыслах на больших глубинах, когда применение якорей затруднено. Стационарные яруса устанавливаются как в придонном, так и в приповерхностном положениях, и могут располагаться наклонно к горизонту. В заключение рассмотрим, почему именно акустические (а не другие 11

виды) колебания используются в рыбопромысловой гидроакустике. Прозрачность водной среды составляет не более нескольких десятков метров, поэтому использовать светолокаторы явно будет неэффективно. Возможно было бы использовать лазерное излучение, которое способно в водной среде распространяться на несколько сотен метров, но и такая дальность недостаточна для обеспечения задач промышленного рыболовства. Использование подводных радиолокаторов возможно. Однако затухание радиоволн в водной среде очень высоко и зависит от излучаемой частоты: чем выше частота, тем выше затухание. Таким образом, волны сантиметрового диапазона, используемые в классической радиолокации, вообще не распространяются в водной среде. В данном случае речь может идти только о сверхдлинноволновых радиолокаторах, однако здесь возникает очень существенное препятствие. Для создания эффекта направленного действия антенны необходимо соблюсти условие: размеры антенны должны превышать длину излучаемой или приемной волны, т. е. размер антенны сверхдлинноволнового радиолокатора должен превышать размер самого судна, что, естественно, невозможно. Таким образом, сверхдлинноволновые подводные радиолокаторы также не могут создать существенную конкуренцию гидроакустическим рыбопромысловым гидролокаторам. Звуковые волны при сравнительно небольших затратах энергии на их возбуждение способны распространяться в водной среде на расстояния в несколько километров, а при благоприятных условиях уже на десятки, сотни и даже тысячи километров. Кроме того, так как скорость распространения звука в воде приблизительно в 200 тысяч раз меньше скорости распространения радиоволн, то при одной и той же частоте длина звуковой волны будет в 200 тысяч раз меньше длины радиоволны. Следовательно, габариты гидроакустической антенны будут вполне приемлемы для размещения на судне. Поэтому и в ближайшем будущем гидроакустические средства будут играть исключительную роль для подводного наблюдения, если, конечно, человечество не обнаружит какой-нибудь неизвестный вид энергии, способной передаваться в воде на еще большие расстояния.

Глава 1. ИСТОРИЯ РАЗВИ-

ТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СО12

СТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ИНОСТРАННОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ РЫБОПРОМЫСЛОВОЙ АППАРАТУРЫ 1.1. История развития гидроакустической техники в первой половине XX века Возможность обнаружения подводных объектов с помощью звуковых волн была отмечена давно. Еще в 1490 г. Леонардо да Винчи фактически описал схему шумопеленгаторного гидроакустического устройства: "Если вы остановите свой корабль и опустите один конец длинной трубки в воду а другой ее конец приложите к уху, вы услышите корабли на большом расстоянии от вас". Но только в начале XX века некоторые суда стали вооружаться первой примитивной гидроакустической аппаратурой – колоколами для поддержания связи между собой. В 1912 г. Л.Ф. Ричардсон подал в Британское патентное управление заявку на изобретение способа определения расстояния с помощью звукового эхосигнала, распространяющегося в воде. В 1916 г. во Франции русский инженерэлектроник Константин Шиловский и физик Поль Ланжевен в экспериментах с конденсаторными резонаторами и угольными микрофонами смогли получить эхосигналы от дна и стальной плиты на расстоянии 200 метров, т.е. практически впервые создали новый класс гидроакустической аппаратуры – прообраз гидролокатора. Первоначально активная гидролокация использовалась в основном для измерения глубин под килем судна. В 1925 г. в США и Великобритании появились первые эхолоты, а в 1938 г. в США началось производство гидролокаторов. В 20-е гг. впервые была высказана мысль о возможности обнаружения рыбы акустическими методами. На заседании биологического и океанографического общества в Париже в 1924 г. профессор Портье в докладе "Применение ультразвуковых волн для биологических и океанографических исследований" высказал предположение о перспективности определения точной глубины плотных стай рыб посредством отражения ультразвуковых волн. Идея использования гидроакустических средств для обнаружения косяков рыб подтверждалась сообщениями моряков о необычных показаниях навигационных эхолотов, которые значительно отличались от значений, помещенных на карте. Как оказалось, эхолоты в данном случае фиксировали глубину над рыбным косяком. Первая практическая попытка рыбоэхолотирования принадлежит доктору Кимура (Япония), применившему в 1929 г. для обнаружения рыбы ультразвуковые колебания. В 1933 г. шкиперу Болтсу (Великобритания), который вел наблюдения за рыбными стаями по показанию эхолота 13

Marconi-424, удалось сопоставить показания визуального индикатора с полученными уловами. Капитан Бокн на судне "Сигнал" в 1934 г. зарегистрировал четкие записи косяков кильки на ленте регистратора эхолота HughesAdmiral и при этом получил хорошие уловы. В 1935 г. капитан Оскар Зунд (Норвегия) на исследовательском судне "Иоган Хьюрт" осуществил поиск трески при помощи эхолота. В 1937 г. Рунстрем (Норвегия) акустическим методом исследовал распределение скоплений сельди у норвежского побережья. Гидроакустические навигационные приборы использовали для рыболокации и в нашей стране. Так, в 1938 г. сотрудники ПИНРО успешно применили английский эхолот MS-12 для поиска сельди и нерестовых концентраций трески на экспедиционном судне "Персей". После второй мировой войны возобновились исследования в области рыболокации. Но все они проводились с помощью навигационных эхолотов. Большое различие между интенсивностями эхосигналов, отраженных от грунта, на величины которых были настроены приемные антенны эхолотов, и от рыбных скоплений, не давали реальной картины. Постепенно пришли к выводу о необходимости разработки специальной гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Практически только в 50-е гг. началось целевое и регулярное использование гидроакустических средств для поиска рыбных скоплений. К этому же периоду следует отнести появление отдельной отрасли гидроакустической техники – рыбопоисковой аппаратуры. 1.2. История развития отечественной рыбопоисковой аппаратуры во второй половине XX века В Советском Союзе первый рыбопоисковый эхолот "Окунь" был выпущен в ноябре 1958 г., а первый рыбопромысловый гидролокатор "Палтус" – в 1959 г. Практически с этого времени начинает свое развитие отечественная РПА. Период с конца 50-х до начала 60-х гг. характеризуется интенсивным развитием разработок и серийным освоением целого ряда новой отечественной РПА: эхолоты "Кальмар", "Дельфин", "Судак", "Язь", "Омар", гидролокаторы "Палтус-М", "Омуль". Это первое поколение отечественной РПА, созданное преимущественно на магнитострикционных преобразователях и электронно-вакуумных приборах. По своим тактико-техническим характеристикам эта аппаратура не уступала лучшим зарубежным образцам. Особого внимания заслуживают гидролокатор "Палтус-М" и эхолоты "Язь" и "Омар", которые уже в то время имели пьезокерамические антенны и частично полупроводниковые приборы. Период второй половины 60-х и начала 70-х гг. характеризуется разработкой второго поколения отечественной РПА, к которой можно отнести гидролокаторы "Ерш", "Лещ", "Палтус-МП", "Финвал", эхолоты 14

"Спрут", "Кальмар-П", "Мускун"; аппаратуру контроля параметров орудий лова с гидроакустическим каналом связи "Ленинград", "Горизонт", с кабельным каналом связи ИГЭК; индикатор-приставку кругового обзора "Сектор" и другую аппаратуру. РПА второго поколения отличается широким внедрением полупроводниковой техники. Особого внимания из разработок этого периода заслуживает гидролокатор "Финвал" – первый отечественный гидролокатор одновременного широкосекторного обзора (60˚) и аппаратура ИГЭК – первая аппаратура, дающая информативные сведения о параметрах трала. РПА третьего поколения, разработанная в 70-х гг., выполнена полностью на полупроводниковой технике с использованием унифицированных функциональных узлов и отличается комплексированием аппаратуры. К этому поколению относятся комплексы "Прибой-101", "Сарган-К", "Кумжа", "Лещ-Б", электронно-сканирующий гидролокатор "Пикша" для обнаружения придонной рыбы в стороне от судна; научно-исследовательские шумопеленгаторные станции "Чайка" и "Биозвук", аппаратура контроля параметров орудий лова с гидроакустическим каналом связи СКОЛ и СКОЛ-1500, с кабельным каналом связи ИГЭК-УМ, "Игла", "Дейма" и другая аппаратура. РПА этого поколения имеет энергетические параметры обнаружения биологических объектов в 1,5–2 раза большие, чем РПА первого и второго поколения. В процессе создания третьего поколения РПА был решен целый ряд новых технических проблем, среди которых можно выделить: создание двухчастотных антенн, возможность контролирования параметров орудий лова, использование буксируемых антенн, применение многоперьевой системы записи эхосигналов, возможность просмотра расширенных участков рабочих диапазонов и изучение с помощью аппаратуры звуков самих биологических объектов океана, новые системы индикации, встроенный контроль параметров аппаратуры, система привязки к грунту и другие разработки. РПА третьего поколения по энергетическим параметрам является самой мощной в мире. Так, гидролокатор "Прибой-101" имеет дальность действия по рыбным скоплениям до 3000 м, а эхолот "Прибой-101" по одиночной рыбе – 1200 м. Комплекс "Кумжа" при использовании буксируемых антенн в режиме гидролокатора обеспечивает дальность действия в траверзном направлении до 6000 м, а в режиме эхолота по глубине – до 1500 м. Гидролокатор и эхолот комплекса "Сарган-К" работают на двух значительно разнесенных рабочих частотах 20 и 135 кГц при наличии одной антенны. Приборы контроля параметров орудий лова способны давать информацию о параметрах трала и промысловой обстановке вокруг него на глубинах до 1500 м при отстоянии трала от судна до 4000 м. В начале 80-х гг. началась разработка отечественной РПА четвертого поколения, которая выполнялась в основном на микросхемах с широким ис15

пользованием мини- и микроЭВМ. Характерной особенностью аппаратуры четвертого поколения является электронное сканирование акустического луча как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях обзора с использованием плоских и цилиндрических акустических систем. Это гидролокаторы одновременного секторного и кругового обзоров с плавным электронным наклоном диаграмм направленности в вертикальной плоскости, эхолоты с электронной стабилизацией диаграммы направленности в вертикальной плоскости и эхолоты с электронной стабилизацией диаграммы направленности или ее сканированием в мидельной плоскости судна. Дальность действия гидролокаторов этого поколения достигает 3500 м, эхолотов – 2000 м, глубины погружения приборов контроля параметров орудий лова достигают 2000 м. В этот период в разработки РПА внедрен ряд сложных научнотехнических и новых инженерных решений, выдвинутых спецификой современного рыбного промысла. К ним прежде всего относятся: создание автоматизированных промыслово-навигационных комплексов отображения промысловой ситуации лова с использованием мини- и микроЭВМ, практическое использование в РПА эффекта нелинейной гидроакустики, широкое внедрение методов цифровой обработки в первичную и вторичную системы обработки сигналов, применение электронной стабилизации диаграмм направленности антенн и др. Широкое внедрение в новые разработки последних достижений микроэлектроники и элементов цифровой техники позволили разработать: цветные электронные индикаторы телевизионного типа, электронные индикаторы-дисплеи с немелькающим изображением, панорамные регистраторы с постоянной скоростью движения пера, встроенный автоматический контроль параметров аппаратуры и др. Многие технические разработки на практике были внедрены в аппаратуру отечественными конструкторами впервые в мире. Среди них: двухчастотные антенны, использование в РПА эффекта нелинейной гидроакустики, применение буксируемых антенн, первичная (пространственно-временнная) обработка сигналов с использованием методов цифровой обработки, поплавковая система стабилизации антенны. Много конструктивных решений было внесено в системы контроля параметров орудий лова. Единственным существенным недостатком РПА четвертого поколения являлась низкая надежность отечественной мини- и микропроцессорной техники, на базе которой она создавалась. Наступивший далее период "перестройки", закончившийся распадом СССР, остановкой и прекращением деятельности предприятий, занимающихся разработкой и изготовлением РПА, привел к тому, что отечественная гидроакустическая техника рыбопромыслового флота четвертого поколения широкого внедрения на судах не получила, а ее место стала занимать иностранная РПА. В настоящее время производится разработка РПА пятого поколения на базе современной микропроцессорной техники и персональных ЭВМ, включающая в себя все основные теоретические и конструктивные разра16

ботки, использованные в РПА предыдущих поколений. 1.3. История развития зарубежной рыбопоисковой аппаратуры во второй половине XX века С возникновением производства РПА в Советском Союзе в конце 50-х гг. были созданы специализированные фирмы в Японии, Норвегии, ФРГ, Великобритании и США, являющиеся в настоящее время ведущими в мире. Всего подобных фирм насчитывается более двадцати. Рассмотрим коротко некоторые тенденции развития РПА ведущих фирм мира. Япония. Фирма "Furuno Electric Co, Ltd″ (торговая марка "Furuno") была организована из небольшой исследовательской лаборатории, изучавшей распространение ультразвука в воде. В декабре 1948 г. она выпустила свой первый эхолот. В настоящее время она является ведущей фирмой по производству РПА в Японии, изготавливая до 60% всех эхолотов, выпускаемых в этой стране. Фирма "Koden Electronics Co, Ltd" (торговая марка "Koden"). С 1956 г. в ассортимент радиоэлектронной аппаратуры фирмы входит разработка и выпуск РПА. Фирма специализируется на выпуске эхолотов, гидролокаторов и приборов контроля параметров орудия лова. Фирма "Kaijo Denri Co, Ltd" в 1957 г. выпустила свой первый гидролокатор. В настоящее время она в основном занимается разработкой РПА, настройкой и регулировкой серийной выпускаемой аппаратуры, а изготовление приборов осуществляют дочерние фирмы. Фирма "Japan Radio Co, Ltd" (торговая марка JRC). Основное производство фирмы – радиоаппаратура. Фирма выпускает до 20% эхолотов от их общего выпуска в Японии. Все японские фирмы, занимающиеся выпуском различного радиоэлектронного оборудования, часть средств тратят на морское приборостроение. Ведущие фирмы Японии широко привлекают к производству приборов мелкие фирмы, что позволяет им легко перестраивать собственное производство. Среди фирм существует широкая кооперация. Большинство новых разработок ведется за счет собственных средств, но широко используются и лицензии других государств. Как правило, все фирмы разрабатывают базовую конструкцию определенной серии и на ее основе выпускают ряд моделей этой серии. В результате такой организации производства на рынке Японии находится до 100 различных эхолотов, до 20 модификаций гидролокаторов и до 15 модификаций приборов контроля параметров орудий лова. Норвегия. Фирма "Simrad" в 1950 г. выпустила свой первый эхолот, предназначенный как для навигации, так и для поиска рыбы, а в 1958 г. она уже изготовила 5000 эхолотов различных марок. Разработка новых конструкций РПА проводится в тесном сотрудничестве конструкторского бюро фирмы с судовыми гидроакустиками и научными работниками Морского исследовательского института. Фирма разработала несколько 17

базовых моделей эхолотов, гидролокаторов и приборов контроля параметров орудий лова и на их основе выпускает модели для судов различного типа и назначения. В последние годы фирма стала широко использовать микропроцессоры производства США. США. Соединенные Штаты Америки до 70-х гг. не занимались проектированием и изготовлением РПА. Однако в настоящее время более двадцати фирм, три научно-исследовательские лаборатории, пять научноисследовательских институтов, два центра подводных акустических исследований и два управления научных исследований занимаются исследованиями, разработкой и изготовлением самого разнообразного гидроакустического оборудования. Многие из этих фирм создавали РПА совместно с фирмами других стран, например Японии, Канады, Великобритании. Это объясняется тем, что США практически не занимаются рыбным промыслом, а рыбопродукты предпочитают приобретать в других странах. В начале 70-х гг. фирма "Western Marine Electronics Co" (торговая марка "Wesmar") разработала и выпустила на рынок рыбопоисковые гидролокаторы серии SS, которые благодаря наличию пассивной механической системы стабилизации антенны от качки судна до 25º и высокой степени унификации быстро завоевали огромный спрос и авторитет на мировом рынке. Великобритания. Английская фирма "Kelvin Hughes" – одна из старейших фирм, которая стала разрабатывать и выпускать РПА. В настоящее время фирма имеет большие связи с другими странами. Основная специализация фирмы – эхолоты. Имеется шведское и канадское отделение фирмы. Фирме принадлежит приоритет в разработке электронной системы стабилизации ультразвукового луча, цилиндрической антенны для РПА. ФРГ. Фирма "Krupp Atlas-Electronics" основана в 1966 г. Продукция фирмы: гидролокаторы секторного обзора, эхолоты с электронной стабилизацией диаграммы направленности и приборы контроля параметров орудий лова с кабельным каналом связи. Фирма "Elac" специализируется на разработке и выпуске эхолотов, гидролокаторов и приборов контроля параметров орудий лова с кабельным каналом связи. Канада. Самая известная фирма "C-Tech", которая специализируется на разработке электронно-сканирующих гидролокаторов одновременного кругового обзора с цилиндрическими антеннами и электронным наклоном диаграмм направленности. 1.4. Современное состояние и перспективы развития рыбопоисковой аппаратуры В настоящее время на российских судах флота рыбной промышленности находится в эксплуатации более 2000 гидролокаторов горизонталь18

ного поиска отечественного и зарубежного производства, более 5000 гидролокаторов вертикального поиска отечественного и зарубежного производства, более 3000 отечественных и зарубежных траловых зондов. Развитие гидролокации, рыболокации и других ветвей гидроакустики безусловно связано с расширением знаний по распространению звука в морской воде, более глубоким изучением свойств гидроакустических сигналов и помех. Весомый вклад в развитие знаний по акустике океана в послевоенные годы внесли отечественные ученые, среди которых необходимо выделить Л.Д. Розенберга, И.П. Жукова, Н.И. Сигачева, Ю.М. Сухаревского, В.В. Ольшевского, Л.М. Бреховских, Ю.Ю. Житковского, Е.В. Шишкова, К.И. Юданова, В.И. Тимошенко, В.К. Новикова, О.В. Руденко и многих других. Достижения в области гидроакустики тесно связаны с достижениями в других областях науки и техники, в частности физики, микроэлектроники, радиолокации, вычислительной техники. Например, огромное значение для гидроакустики имело открытие отечественными физиками под руководством академика Б.М. Вула и американскими под руководством У.П. Мэзона искусственных пьезоэлектрических материалов – пьезокерамик, из которых в настоящее время изготавливаются все акустические антенны. Перспективы дальнейшего совершенствования гидроакустической техники связаны в настоящее время в первую очередь с внедрением в ее состав средств микроэлектроники и вычислительной техники, которые развиваются революционными темпами.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ 2.1. Уравнения гидродинамики для идеальной жидкости 2.1.1. Акустические колебания, их виды и основные параметры Акустическими колебаниями называются распространяющиеся в упругой среде механические колебания ее частиц. Под воздействием внешнего возбуждения частицы среды, расположенные в непосредственной близости у источника, выводятся из положения равновесия и в результате взаимодействия упругих и инерционных сил начинают совершать гармонические колебания около положения равновесия. Из-за упругих связей эти колебания передаются соседним частицам, которые совершают колебательные движения с некоторым запозданием, определяемым расстоянием до источника. Эти распространяющиеся в среде зоны сжатия и разря19

жения между частицами представляют собой упругие колебания, называемые акустическими волнами. Область среды, в которой наблюдаются волновые колебания, принято называть волновым, или звуковым, полем. Расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны λ. Время, за которое волновое колебание проходит расстояние, равное длине волны, определяет период Τ волновых колебаний. Скорость распространения волны с выражается соотношением: с = λ/Т.

(2.1)

Это соотношение в теории волн является основным. При распространении акустической волны не происходит переноса частиц среды, ибо со скоростью с распространяется лишь возмущение среды. В зависимости от направления колебательного движения частиц среды по отношению к направлению распространения волны различают поперечные и продольные волны. У продольных волн колебания частиц среды совпадают с направлением распространения волны, а у поперечных частицы среды колеблются нормально к направлению распространения волны. Поперечные волны возникают в тех средах, где возможна деформация сдвига, т.е. только в твердых телах. В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Таким образом, продольные акустические волны в воде представляются в виде распространяющихся областей сжатия среды и разряжения. Поверхность, проходящая через точки, колеблющиеся с одинаковой фазой, называется волновой. Частным случаем волновой поверхности является фронт волны, представляющий собой геометрическое место точек, до которых к заданному моменту дошло колебание. Направление, в котором распространяется колебание от источника, называется лучом. В зависимости от фазы волновой поверхности различают три вида простейших акустических волн: плоские, сферические и цилиндрические. Волновые поверхности реальных звуковых волн значительно сложнее указанных. Для упрощения физико-математического анализа их можно с некоторым допущением отнести к одному из простейших видов волн. К числу основных величин, описывающих параметры звукового поля, относятся: звуковое давление ρ и колебательная скорость v частиц среды. Звуковое давление – результат чередующихся сжатий и разрежений среды. Величина давления является функцией времени и координат точки измерения, т.е. ρ = f(t, x, y, z). Если источник звука излучает гармонические волны, то и акустическое давление будет также изменяться по периодическому закону. В тесной связи с акустическим давлением находятся смещения частиц среды, благодаря которым происходит изменение статического давления p0 в каждой точке на величину акустического давления. Первая производная по времени от смещения частиц при колеба20

ниях дает нам другой основной параметр звукового поля – колебательную скорость v = f(t, x, y, z). При анализе процесса распространения звуковой волны следует также принимать во внимание изменение плотности среды ρ как следствие переменного акустического давления. Закон распространения акустической волны зависит от основных параметров звукового поля и плотности среды. Однако эти величины находятся в сложной взаимозависимости, требующей своего раскрытия. Рассмотрим закономерности изменений плотности среды, колебательной скорости частиц и акустического давления в звуковом поле. 2.1.2. Уравнение неразрывности Уравнение неразрывности – математическое выражение закона, утверждающего, что никакие возмущения среды не могут привести к возникновению или уничтожению массы. Для вывода уравнения выделим в жидкости элементарный объем в виде параллелепипеда с ребрами dx, dy и dz (рис. 2.1) [1, 2, 4]. Допустим, что жидкость втекает в рассматриваемый объем перпендикулярно грани I со скоростью vx. Тогда через площадь dydz грани I в единицу времени протекает масса жидкости, равная dm1 = pvxdydz. Масса жидкости, вытекающей в единицу времени из параллелепипеда через грань II, в общем случае не равна массе dm1, так как плотность ρ и скорость vx являются функцией координат.

Рис. 2.1. Элементарный объем жидкости

Поэтому произведение ρvx в точке с координатой (x + dx) имеет при∂ ( ρvx ) dx . Следоращение, выражаемое дифференциалом этой функции ∂x вательно, масса жидкости, вытекающей из элементарного объема в еди∂ ( ρv x ) ⎤ ⎡ ницу времени, dm2 = ⎢ ρvx + dx ⎥ . ∂x ⎣ ⎦ 21

Приращение массы жидкости, протекающей в направлении оси х в ∂ ( ρvx ) dxdydz . Аналогично определяется единицу времени, dm1 − dm2 = − ∂x ∂ ( ρv y ) ∂ ( ρvz ) dxdydz , протеприращение массы жидкости − dxdydz и − ∂z ∂y кающей в единицу времени через грани, перпендикулярные осям y и z. Полное приращение массы dm внутри параллелепипеда в единицу времени, или скорость приращения массы, выражается суммой трех величин [4]:

⎡ ∂ ( ρvx ) ∂ ( ρv y ) ∂ ( ρvz ) ⎤ + + dm = − ⎢ ⎥ dxdydz . ∂ x y z ∂ ∂ ⎣ ⎦

(2.2)

Приращение массы жидкости в единицу времени при постоянном объеме происходит за счет изменения плотности. Поэтому скорость приращения массы можно выразить через скорость изменения плотности dρ ∂ρ , т.е. ≈ dt ∂t dm =

∂ρ dxdydz . ∂t

(2.3)

Приравнивая выражения (2.2) и (2.3), получаем: ⎡ ∂ ( ρvx ) ∂ ( ρv y ) ∂ ( ρvz ) ⎤ ∂ρ + + = −⎢ ⎥. ∂ ∂ ∂ ∂t x y z ⎣ ⎦

(2.4)

Это уравнение упрощается, если плотность ρ выразить через статическое значение ρ0 и величину относительного изменения плотности ρ − ρ0 −σ = . Подставляя значение ρ = ρ0(1 + σ) в первый член уравнения

ρ0

(2.4), имеем: ∂ ( ρvx ) ∂ ⎡ ∂v ∂ (σvx ) ⎤ = [ρ0 (1 + σ )vx ] = ρ0 ⎢ x + . (2.5) ∂x ∂x ∂x ⎥⎦ ⎣ ∂x Произведение σvx является величиной малой, поэтому им пренебре∂ ( ρvx ) ∂v = ρ0 x . гаем. Тогда ∂x ∂x ∂ ( ρv y ) ∂v ∂ ( ρvz ) ∂v = ρ0 z . Аналогично находим = ρ0 y и ∂z ∂z ∂y ∂y 22

Подставляя полученные величины и значение ρ = ρ0(1 + σ) в уравнение (2.4) и преобразуя его, получаем уравнение неразрывности [1, 2, 4]: ⎛ ∂v ∂v ∂v ⎞ ∂σ = −⎜⎜ x + y + z ⎟⎟ . ∂z ⎠ ∂t ⎝ ∂x ∂y

(2.6)

2.1.3. Уравнение движения Зависимость колебательной скорости частиц от акустического давления и плотности среды определяется уравнением движения. Допустим, что на грань I (рис. 2.1) действует сумма (р0+р) статического и акустического давлений. Тогда к поверхности грани приложена сила F1 = (р0 + р) dy dz. ∂p dx), следоваПротивоположная грань II испытывает давление (р0 + p + ∂x ∂p dx)dydz. Двительно, на ее поверхность действует сила F2 = − (p0 + p + ∂x жение элементарного объема жидкости происходит под действием резуль∂p dxdydz. тирующей этих двух сил F2 + F1= − ∂x Если масса жидкости dm = ρdxdydz движется в направлении оси х dvx , то по второму закону Ньютона уравнение движения с ускорением dt жидкости выражается равенством: ρdxdydz

dvx ∂p =− dxdydz, dt ∂x

или после преобразования [4] имеем:

1 ∂p dvx =− . ρ ∂x dt

(2.7)

Пользуясь правилом дифференцирования сложных функций, найдем полную производную функции vx = f(t, x, y, z): dvx ∂vx ∂vx dx ∂vx dy ∂vx dz . = + + + dt dt dx dt ∂y dt ∂z dt Пренебрегая тремя последними малыми членами, получаем равенст-

23

во

dvx ∂vx ≈ , с учетом которого уравнение (2.7) принимает вид: dt dt ∂vx 1 ∂p . =− ∂t ρ ∂x

(2.8)

Аналогично получаются дифференциальные уравнения движения жидкости в направлении осей y и z: ∂v y

1 ∂p , ρ ∂y

(2.9)

∂vz 1 ∂p . =− ∂t ρ ∂z

(2.10)

∂t

=−

Введем вспомогательную функцию Ф(х, у, z, t), называемую потенциалом скорости. Частные производные от потенциала скорости по координатам являются линейными скоростями колеблющихся частиц по соот∂Ф ∂Ф ∂Ф = vx , = vz . После подставетствующим направлениям: = vy и ∂x ∂z ∂y новки этих значений в уравнения (2.8 – 2.10) получаем следующие выражения [4]:

1 ∂p ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ ; ⎜ ⎟=− ∂x ⎝ ∂t ⎠ ρ ∂x

∂ ⎛ ∂Ф ⎞ 1 ∂p ; ⎜ ⎟=− ∂y ⎝ ∂t ⎠ ρ ∂y

1 ∂p ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ . ⎜ ⎟=− ∂z ⎝ ∂t ⎠ ρ ∂z

Умножим левые и правые части полученных уравнений соответственно на dx, dy, dz, сложим и проинтегрируем:

⎡ ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ ⎤ ∂p ⎞ ∂p 1 ⎛ ∂p ⎟dx + ⎜ ⎟dy + ⎜ ⎟dz ⎥ = − ∫ ⎜ dx + dy + dz ⎟. ∂y ⎝ ∂t ⎠ ∂z ⎝ ∂t ⎠ ⎦ ∂v ∂z ⎠ ρ ⎝ ∂x ⎠

∫ ⎢⎣ ∂x ⎜⎝ ∂t

Подынтегральные выражения левой и правой части этого равенства ∂Ф представляют собой полные дифференциалы величин и p: ∂t

1 ⎛ ∂Ф ⎞ d = − ⎜ ⎟ ∫ ⎝ ∂t ⎠ ρ ∫ dp . Интегрируя последнее равенство и принимая ρ ≈ ρ0, учитываем, что 24

при малых величинах звукового давления σ >> 1, и получаем окончательное выражение уравнения движения [1, 2, 4]: ∂Ф p =− . ∂t ρ0

(2.11)

2.1.4. Уравнение состояния Уравнение состояния устанавливает зависимость между акустическим давлением, плотностью и температурой. В связи с тем что акустические колебания в идеальной среде относятся к адиабатическому процессу, влияние температурного фактора принимать во внимание не будем. Допустим, что начальный объем V0 жидкости со статической плотностью ρ0 под воздействием акустического давления приобретает значения V и ρ. В соответствии с законом сохранения массы можно написать ρ V0 = . Найдем частную производную по времени от поV0ρ0 = Vρ, или ρ0 V следнего равенства: 1 ∂ρ V0 ∂V . = ρ ∂t V 2 ∂t

∂ρ ∂σ = ρ0 , последнее выражение ∂t ∂t в результате преобразования принимает вид [4]: Принимая V = V0 и помня, что

∂σ 1 ∂V =− . V ∂t ∂t

(2.12)

Правую часть равенства (2.12) выразим через акустическое давление. Для этого напишем математическое выражение коэффициента сжимаемости, равного относительному изменению объема среды при воздействии на него единицы давления: K =−

⎞ ⎛V V − V0 , или Kp = −⎜⎜ − 1⎟⎟ . V0 p ⎝ V0 ⎠

В данном выражении знак минус указывает на то, что при увеличении давления объем уменьшается. Определим частную производную по 25

времени от последнего выражения: K

∂p 1 ∂V =− . V ∂t ∂t

(2.13)

Приравнивая левые части уравнений (2.12) и (2.13) и преобразуя их, получаем уравнение состояния жидкой среды в окончательном виде [1, 2, 4]: ∂p 1 ∂σ . = ∂t K ∂t

(2.14)

2.1.5. Волновое уравнение распространения звука Для вывода волнового уравнения распространения звука в идеальной жидкости необходимо решить систему трех уравнений (2.6), (2.11) и (2.14). Обычно решение этих уравнений производится относительно потенциала скорости. В уравнении (2.6) величины колебательных скоростей выражаем через потенциал скорости [1, 2, 4]: ⎛ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ ∂σ = −⎜⎜ 2 + 2 + 2 ⎟⎟ . ∂t ∂y ∂z ⎠ ⎝ ∂x

(2.15)

Затем, дифференцируя по времени уравнение (2.11), решая его относительно переменной р и подставляя в уравнение (2.14), получаем: −

∂ 2Ф 1 ∂σ . ρ = 0 K ∂t ∂t 2

Решаем последнее равенство относительно переменной σ и подставляем полученное выражение в уравнение (2.15): ∂ 2Ф 1 ⎛ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ ⎜ ⎟. = + + ∂t 2 Kρ 0 ⎜⎝ ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 ⎟⎠ 1 = c 2 , получаем волновое уравнение распроВведя обозначение Kρ0 странения звука в идеальной жидкости [1, 2, 4]: 2 ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ 2⎛ ∂ Ф ⎜ c + = ⎜ ∂x 2 ∂y 2 + ∂z 2 ⎟⎟ . ∂t 2 ⎠ ⎝ 2.2. Плоские и сферические волны в жидкости

26

(2.16)

2.2.1. Плоская волна Источником излучения плоской волны является колеблющаяся плоскость, размеры которой значительно превосходят длину волны. Плоская волна распространяется только в одном направлении. Если это направление совпадает, например, с осью х, то потенциал скорости Ф = f(х, t). Поэтому волновое уравнение плоской волны имеет вид: 2 ∂ 2Ф 2∂ Ф . = c ∂t 2 ∂x 2

(2.17)

Интеграл этого дифференциального уравнения в общем виде найдем, воспользуясь решением Даламбера [1, 2, 4]. Введем новые переменные: η = x − ct;

ψ = x + ct.

(2.18)

Считая Ф зависящим от х и t и применяя дифференцирование сложных функций, выразим производные по переменным х и t через производные от новых переменных ψ и η: ∂Ф ∂Ф ∂ψ ∂Ф ∂η ; = + ∂x ∂ψ ∂x ∂η ∂x

∂Ф ∂Ф ∂ψ ∂Ф ∂η . = + ∂t ∂ψ ∂t ∂η ∂t

Подставив в эти выражения значения ∂ψ = 1; ∂x

∂η = 1; ∂x

∂ψ = c; ∂t

∂η = −c , ∂t

(2.19)

полученные дифференцированием равенств (2.18), имеем: ∂Ф ∂Ф ∂Ф ; = + ∂x ∂η ∂ψ

∂Ф ∂Ф ∂Ф . =c −c ∂t ∂ψ ∂η

Продифференцируем выражения (2.20) еще раз. Получаем: ∂ 2Ф ∂ ⎛ ∂Ф ∂Ф ⎞ ∂η ∂ ⎛ ∂Ф ∂Ф ⎞ ∂ψ = + + + ; ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ 2 ∂η ⎝ ∂η ∂ψ ⎠ ∂x ∂ψ ⎝ ∂η ∂ψ ⎠ ∂x ∂x ∂ 2Ф ∂ ⎛ ∂Ф ∂Ф ⎞ ∂ψ ∂ ⎛ ∂Ф ∂Ф ⎞ ∂η = c − − + c . ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ∂ψ ⎝ ∂ψ ∂η ⎠ ∂t ∂η ⎝ ∂ψ ∂η ⎠ ∂t ∂t 2 Преобразуем полученные уравнения с учетом равенств (2.19): 27

(2.20)

∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ; + + + = +2 + = ∂ψ∂η ∂ψ 2 ∂x 2 ∂η 2 ∂η∂ψ ∂ψ∂η ∂ψ 2 ∂η 2

(2.21)

⎛ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ 2 ⎛ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ .(2.22) 2 c с с с с с = − − + = − + 2 ⎟ 2 ⎟ ⎜ ∂ψ 2 ⎜ ∂ψ 2 ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ψ η η ψ ψ η η η ∂t 2 ∂ ∂ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Подставим значения выражений (2.21) и (2.22) в волновое уравнение (2.17): ⎛ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ ∂ 2Ф ∂ 2Ф ⎞ 2 ⎛ ∂ 2Ф ⎟. ⎜ ⎟ с 2 ⎜⎜ с 2 2 + + = − + 2 2 ⎟ 2⎟ ⎜ ∂η 2 ψ η ψ η ∂ ∂ ∂ ∂ ψ η ψ ∂ ∂ ∂ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ В результате сокращения получим: ∂ ⎛ ∂Ф ⎞ ∂ 2Ф (2.23) = 0, или ⎜ ⎟ = 0. ∂η ⎝ ∂ψ ⎠ ∂ψ∂η ∂Ф Интегрируя это уравнение, находим что = f (ψ ) – производная ∂ψ ∂Ф функция переменной ψ. От переменной η функция не зависит, что ∂ψ ∂Ф подтверждается равенством (2.23), где производная от по η равна 0. ∂ψ Вторичное интегрирование дает: Ф(ψη ) = ∫ f (ψ )∂ψ + f1 (η ) ,

где f1(η) – постоянная интегрирования по ψ является производной функцией от η, что вполне возможно. Первое слагаемое обозначим через f2(ψ) и будем считать его производной функцией от ψ, тогда Ф(ηψ )= f1(η) + f2(ψ), или, выражая через начальные переменные х и t в соответствии с формулами (2.18), имеем: Ф(x, t) = f1(x − ct) + f2(x + ct).

(2.24)

Таким образом, получено решение волнового уравнения плоской волны в самом общем виде, где f1 и f2 – две произвольные функции, определяемые конкретными физическими условиями. В гидроакустике наибольший интерес представляет гармонический волновой процесс. Принимая во внимание произвольный характер функций f1(x−ct) и f2(x+ct), задаемся потенциалом скоростей в функции косинуса от аргу28

ментов (x − ct) и (x + ct): Ф = A cosk(x − ct) + B cosk(x + ct),

(2.25)

где A и B – постоянные интегрирования; k – коэффициент перевода аргумента в радианную меру. Первое слагаемое уравнения (2.25) относится к распространению бегущей волны, второе характеризует отраженную волну. В дальнейшем ограничимся рассмотрением только бегущей волны, уравнение которой в тригонометрической форме имеет вид: Ф = A cosk(x − ct).

(2.26)

Выясним физический смысл величин с и k. В волновом поле одна и та же фаза колебаний наблюдается в различных точках одновременно. Допустим, что одинаковые фазы колебаний в точках х1 и x2 наблюдаются соответственно в моменты t1 и t2. Тогда, приравняв фазы k(x1 − ct1) = k(x2 − ct2) и решив уравнение относительно с, получаем: x −x с= 2 1. t2 − t1 Таким образом, величина с определяет скорость движения волны (фазы). Согласно уравнению (2.16) фазовая скорость звука с=

1 . Kρ 0

(2.27)

Как следует из формулы (2.27), фазовая скорость звука зависит только от физических свойств жидкости – коэффициента сжимаемости K и плотности ρ0. Для морской воды в среднем с = 1500 м/с. Величина k, равная отношению угловой частоты w к скорости звука с (k = w/c), называется волновым числом. Выясним физический смысл и численное значение коэффициента k. За один период T фаза колебания в данной точке среды изменится на величину 2π. Поэтому, если рассмотреть колебания в момент времени t1 и t2, разделенные одним периодом T, то можно записать k(ct2 – x) – k(ct1 – x) = 2π. Отсюда находим k = 2π(t2 – t1)/c, или k = 2π/λ. Таким образом, коэффициент k является строго определенной величиной для данной волны, численное значение которой зависит от длины волны. В связи с этим коэффициент k называется волновым числом. Волновое число – одна из наиболее распространенных величин в прикладной теории звуковых волн. Так как круговая частота колебаний w = 2 πf, то волновое число можно записать как функцию круговой частоты и скорости звука k = w/c. 29

С учетом вышесказанного формула (2.26) примет следующий вид: Ф = Фm cos(wt – kx).

(2.28)

Для анализа акустического поля необходимо найти значения характеризующих его основных величин. Колебательную скорость частиц определим дифференцированием уравнения (2.28): vx =

∂Ф = kФmsin( wt − kx) . ∂x

Обозначив kФm = vm, получим: vx = vm sin(w – kx).

(2.29)

Акустическое давление найдем из уравнения (2.11): px = ρ0

∂Ф = wρ 0Фmsin( wt − kx) , ∂t

или, введя обозначение wρ0Фm = pm, имеем: px = pm sin(wt – kx).

(2.30)

Из сравнения формул (2.29) и (2.30) для идеальной жидкости видно, что акустическое давление рх и колебательная скорость vx частиц среды в плоской волне совпадают по фазе, а амплитуды акустического давления рт и колебательной скорости vm от расстояния не зависят. 2.2.2. Сферическая волна Волновая поверхность сферических волн представляется в виде сферы. Источником сферических волн является радиально пульсирующий шар очень малых размеров. При этом предполагается, что пульсация происходит по всем направлениям одинаково. Такой шар называется точечным источником. Колебание частиц среды происходит по радиусам, проведенным из центра симметрии. В связи с тем что сферическая волна симметрична относительно источника колебаний, находящегося в центре сферы, потенциал скорости, а следовательно, акустическое давление и колебательная скорость частиц зависят только от радиуса вектора r и времени t. Поверхностью равных фаз в этом случае будет сферическая поверхность, центр которой совпадает с точечным источником. Поэтому 30

для удобства волновое уравнение целесообразно представить в сферической системе координат: ∂ 2 ( rФ ) 2 ∂ 2 ( rФ ) =c . ∂t 2 ∂r 2

(2.31)

По своей структуре дифференциальное уравнение сферической волны (2.31) не отличается от уравнения плоской волны (2.17). Разница заключается лишь в том, что в уравнении (2.31) искомой функцией является не потенциал скорости, а произведение rФ потенциала скорости на радиус-вектор. Поэтому уравнение (2.31) аналогично решению волнового уравнения для плоской волны (уравнение Даламбера). В тригонометрической форме оно имеет следующий вид [1, 2, 4]: rФ = A cos(wt – kr) + B cos(wt + kr).

(2.32)

Рассматривая распространение сферической волны в условиях неограниченного пространства, исключаем отраженную волну и ограничиваемся анализом бегущей волны. Исходя из этого последнее уравнение перепишем так: Ф=

Фm cos( wt − kr ) , r

(2.33)

где Фm – амплитудное значение потенциала скорости в точке звукового поля, для которой r = 1. Дадим характеристику звуковому полю, создаваемому сферическими волнами. Сначала определим акустическое давление, создаваемое сферической волной: ∂Ф ρ0Фm w p = − ρ0 = sin( wt − kr ). ∂t r ρФ w Обозначив амплитуду акустического давления через pm = 0 m , r получаем: (2.34) p = pm sin(w – kr). Формулу, определяющую величину колебательной скорости частиц среды, получим дифференцированием уравнения (2.33) по переменной r: Ф ∂Ф kФm = sin( wt − kr ) − 2m cos( wt − kr ) . r ∂r r Преобразуем полученное выражение: v=

31

v=

kФm ⎡ 1 ⎤ sin( wt kr ) cos( wt − kr )⎥ . − − ⎢ r ⎣ kr ⎦

(2.35)

1 = tgϕ (такая подстановка допустима, так как kr функция tg изменяется от +∞ до −∞), получим: Введя обозначение

v=

kФm sin [(wt − kr ) − ϕ ] = vmsin [(wt − kr ) − ϕ ], rcosϕ

(2.36)

где vm – амплитуда колебательной скорости. Сравнение формул (2.34) и (2.36) показывает, что колебательная скорость отстает по фазе от акустического давления на величину φ. Угол сдвига 1 и, как видно, является функцией фаз φ выражается формулой ϕ = arctg kr расстояния r и частоты колебания. В непосредственной близости у источника (r = 0) угол φ = 90°. По мере удаления от источника угол сдвига фаз быстро уменьшается и на расстоянии r = λ − φ ≈ 9º, а на расстояниях r >> λ − φ он практически равен нулю. Следовательно, колебательную скорость и акустическое давление в реальных условиях можно считать синфазными, как и в плоской волне. Амплитуды рт и vm, в отличие от тех же величин в плоской волне, уменьшаются с увеличением расстояния от источника колебаний. Следовательно, даже в идеальной жидкости сферическая волна будет постепенно затухать по мере своего распространения. Причина затухания такой волны, как видно, не связана со свойствами среды, а вызвана чисто геометрическим фактором – расширением площади волновой поверхности, поэтому его называют геометрическим затуханием. Геометрическое затухание присуще всем волнам с неплоской волновой поверхностью, только в зависимости от формы волновой поверхности оно проявляется по-разному. Например, в сферических волнах амплитуда убывает обратно пропорционально расстоянию, в цилиндрических – обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. 2.2.3. Интенсивность акустической волны Акустическая волна любой формы сопровождается распространением потенциальной и кинетической энергий по направлению звукового луча. В идеальной жидкости количество перемещающейся в пространстве звуковой энергии остается неизменным. Для получения энергетической характеристики звукового поля необходимо определить значение энергии в заданном месте и скорость ее перемещения, которые обобщаются в едином понятии – интенсивность звука. Определим интенсивность, или 32

силу звука. Под действием акустического давления частицы среды смещаются от положения равновесия за малый промежуток времени dt на величину ds = vdt. Произведенная элементарная работа по перемещению частиц единицы площади фронта волны выражается равенством dA = pvdt. При неравномерном распределении акустического давления р работа вычисляется путем интегрирования предыдущей формулы: T

A = ∫ pvdt . 0

Для гармонических колебаний интегрирование удобнее производить в пределах одного периода T. В этом случае T

1 I = ∫ pvdt . T0

(2.37)

Величина I, равная мощности звуковой энергии, приходящейся на единицу площади волновой поверхности, называется интенсивностью звука, которая является векторной величиной. В честь создателя учения о распространении энергии Умова Н.А. (1846—1915 гг.) вектор I называется вектором Умова. Вектор I совпадает с вектором с скорости звука. Интенсивность звука зависит от формы волны. Определим величину I для плоской и сферической волн. Плоская волна. Подставив значения рх и vx из выражений (2.30) и (2.29) в формулу (2.37), получаем: T

1 I = ∫ pmvmsin 2 ( wt − kx)dt . T0 В результате интегрирования получаем [1, 2, 4]: p v (2.38) I= m m. 2 В этом выражении произведем преобразование, выразив амплитудное значение скорости vm через амплитуду акустического давления pm, kpm2 pm2 I= = . (2.39) 2 wρ 0 2 ρ 0 c Аналогично получаем формулу для интенсивности звука в функции амплитуды колебательной скорости: 1 (2.40) I = cρ 0vm2 . 2 Сферическая волна. Для вывода формулы интенсивности сферической волны в уравнение (2.37) подставим значения р и v из выражений

33

(2.34) и (2.36). Получаем: T

1 I = ∫ pmvmsin( wt − kr )sin[( wt − kr ) − ϕ ]. T0 Практический интерес представляют расстояния r >> λ, на которых можно считать φ = 0. Тогда данное выражение будет иметь следующий вид: T

1 I = ∫ pmvmsin 2 ( wt − kr ). T0

Решение этого интеграла представлено выражением (2.38). Найдем зависимость интенсивности звука от акустического давления, выразив предварительно vm через pm, тогда I=

1 pm2 2 ρ0ccosϕ

или

I=

1 pm2 . 2 ρ 0c

(2.41)

Аналогично, решая относительно амплитуды колебательной скорости, имеем: 1 1 (2.42) I = ρ0cvm2 cosϕ или I = ρ 0cvm2 . 2 2 Интенсивность сферической волны уменьшается пропорционально квадрату расстояния, так как амплитуды рт и vm обратно пропорциональны расстоянию r в первой степени. Это наглядно видно из формулы для интенсивности звука в зависимости от амплитуды потенциала скорости Фm: 1 1 Ф2 pmvm = ρ0 kw 2m . (2.43) 2 2 r Кроме того, обратная квадратичная зависимость интенсивности звука от расстояния подтверждается логическими соображениями. С увеличением расстояния r от источника площадь сферической волновой поверхности увеличивается пропорционально r2 (S = 4πr2− площадь сферы), следовательно, обратно пропорционально квадрату расстояния убывает мощность звуковой энергии, приходящейся на единицу площади фронта волны. В формулах, выражающих зависимость интенсивности звука от величин рт и vm, есть величина ρ0с, которую называют акустическим сопротивлением среды. Она равна ρ0с = рт/vт на основании совместного решения уравнений (2.41) и (2.42). От величины акустического сопротивления зависит интенсивность звуковых колебаний. С увеличением ρ0с (при рт – const) уменьшается колебательная скорость частиц среды и, следовательно, уменьшается интенсивность звука. При vm – const большему значению ρ0с соответствует большая интенсивность. Если воспроизвести звук одинаковой интенсивности в разных средах, то значения I=

34

акустического давления и колебательной скорости будут значительно различаться. Формула для акустического сопротивления среды является акустическим аналогом закона Ома в электротехнике, если рассматривать давление как напряжение, а колебательную скорость как силу тока в электрической цепи. Как в электротехнике, так и в акустике на преодоление волнового сопротивления тратится энергия источника. Энергия, потраченная на преодоление активного сопротивления в электрической цепи, уходит безвозвратно, превращаясь в тепло. Но куда девается энергия, потраченная источником на преодоление волнового сопротивления прилегающего к нему слоя среды? В отличие от электротехники, энергия, потраченная на преодоление волнового сопротивления, не застревает в прилегающем к источнику слое, а передается в следующий слой среды, обладающий таким же волновым сопротивлением, и т.д. Волновое сопротивление, таким образом, участвует в переносе звуковой энергии в среде, вызывая необратимый переход механической энергии колебательной системы источника звука в энергию звуковой волны.

2.2.4. Уменьшение интенсивности акустической волны в океане Распространение акустических колебаний в море сопровождается уменьшением их интенсивности. Одной из причин ослабления силы звука, как было указано выше, является расширение фронта волны. Так, согласно формуле (2.43) интенсивность сферических волн обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Это очевидно также из геометрических соображений: по мере удаления звука от источника волновая поверхность сферических волн возрастает пропорционально квадрату расстояния. По такому же закону уменьшается количество энергии, приходящейся на единицу площади волновой поверхности. Площадь фронта плоской волны при распространении звука не изменяется, и ослабления интенсивности звука, вызываемого характером распространения волн, не происходит. Однако, кроме рассмотренной причины, падение интенсивности в океане происходит также за счет поглощения, теплопроводности, рассеяния и внутримолекулярных процессов, что принято называть обобщенно затуханием. Все рассмотренные выше волновые уравнения были выведены для идеальной среды. Реальная же среда обладает внутренним трением, на преодоление которого затрачивается часть звуковой энергии. Потери звуковой энергии, вызванные внутренним трением или вязкостью, называются поглощением. Таким образом, в результате поглощения часть 35

звуковой энергии превращается в тепловую, постоянную на каждой единице пути, проходимого звуком. Допустим, что при распространении звука на расстоянии dr энергия звуковой волны уменьшается на величину dW. Предположим, что эта энергия полностью поглощается средой. Поглощаемую или превращаемую в тепло энергию выразим через акустичеdW скую мощность W и коэффициент δ = , равный относительному W уменьшению мощности звука на единице его пути [4]: dW = − Wδdr, или

dW = −Wδ . dr

(2.44)

Интеграл уравнения (2.44) имеет вид W = Ae−δr, постоянная интегрирования A равна мощности источника излучения W0 (при r = 0). Тогда W = W0e-δ r.

(2.45)

Заменяя в последнем выражении акустическую мощность значениями интенсивностей в начальной точке (r = 0) и в точке, удаленной от источника на расстоянии r, получаем формулу, учитывающую не только поглощение, но и ослабление интенсивности за счет расширения фронта волны, т. е.

Ir =

I 0 −δ r e . 4π r 2

(2.46)

Величина δ называется коэффициентом поглощения по интенсивности и обуславливается сдвиговой вязкостью среды. Первые достоверные работы по изучению затухания звука были проведены Стоксом в Англии и Кирхгофом в Германии. Эти работы объяснили затухание наличием необратимого поглощения части энергии волны из-за вязкости и теплопроводности в средах. Коэффициент поглощения δ, обусловленный внутренним трением между частицами или сдвиговой вязкостью, по физическим соображениям должен быть пропорционален коэффициенту внутреннего трения или коэффициенту вязкости γ, частоте волны w, скорости звука с и плотности среды ρ. Согласно классической теории затухания, учитывающей лишь сдвиговую вязкость [19], 2 w2γ (2.47) . δ= 3 ρc 3 Но выражение (2.47) справедливо только для одноатомных жидкостей и газов. В многоатомных жидкостях и газах измеренные значения коэффициентов поглощения оказывались большими, чем это дает формула (2.47). Классическая теория объясняла такое расхождение тем, что при сжатии и разряжении среды, т.е. при изменении объема, появляются 36

дополнительные внутренние силы сопротивления, характеризующиеся объемной вязкостью, на преодоление которой необратимо уходит еще одна часть энергии волны. Коэффициент объемной вязкости μ имеет одинаковую размерность, по величине он того же порядка, что и коэффициент сдвиговой вязкости γ. Если учитывать и сдвиговую, и объемную вязкость, то в формуле (2.47) вместо сдвиговой вязкости следует взять некоторую линейную комбинацию из коэффициентов сдвиговой и объемной вязкостей. С учетом объемной вязкости классическая теория дает [19]: w2 ⎛ 4 ⎞ δ= γ + μ ⎟. 3⎜ 2 ρc ⎝ 3 ⎠

(2.48)

Для морской воды μ/γ = 2,81, т.е. объемная вязкость дает почти в три раза больший вклад в затухание, чем сдвиговая. Процесс распространения звука является не вполне адиабатическим, что не учитывалось ранее. В звуковой волне происходит частичный необратимый перенос тепла из мест сжатий (более нагретых) в места разрежений (менее нагретых). Переданная через теплопроводность энергия для звуковой волны является потерянной (поглощенной), поэтому по мере распространения волна будет затухать и из-за теплопроводности среды. С учетом вышесказанного выражение для коэффициента поглощения принимает следующий вид [19]: ⎛ 1 w2 ⎡ 4 1 ⎞⎤ ⎜ ⎟⎟⎥ , δ= γ μ ξ + + − ⎢ ⎜С C 2 ρc3 ⎣ 3 P ⎠⎦ ⎝ V

(2.49)

где ξ – коэффициент теплопроводности; CV, CP – теплоемкости при постоянном объеме и давлении соответственно. Для воды ξ = 0,5, а CP/CV ≈ 1,001, поэтому вклад теплопроводности даже по сравнению с вязкостью в затухание звука в воде очень мал. Анализ выражения (2.49) показывает, что коэффициент поглощения, согласно классической теории затухания, пропорционален коэффициентам вязкости, теплопроводности и, что очень важно, квадрату частоты. Это означает, что чем выше частота волны, тем сильнее она будет поглощаться. Более поздние исследования показали, что формулой (2.49) удовлетворительно описывается затухание звука в воздухе, дистиллированной воде и в других "чистых" жидкостях, но для морской воды она не дает ни качественного, ни количественного совпадения с экспериментальными значениями коэффициента поглощения. Дело в том, что при распространении звуковой волны в среде возбуждаются как внешние, так и внутренние степени свободы молекул. При этом нарушается равновесное распределение энергии между различными степенями свободы молекул. Но при37

рода такова, что она не терпит неравновесного состояния, поэтому в среде возникают внутренние процессы, способствующие восстановлению равновесия. Такие процессы называют релаксационными. Они являются необратимыми процессами. Развиваясь при распространении звука в среде, они на свое поддержание отбирают энергию от звуковой волны. По этой причине волна по мере распространения будет испытывать дополнительное поглощение (релаксационное). Релаксационное поглощение – это, по всей видимости, то, что в классической теории учитывалось в виде второй объемной вязкости. В морской воде, помимо обычных для воды релаксационных процессов, есть еще и специфические релаксационные процессы, связанные с изменением степени диссоциации молекул растворенных в ней солей, в частности, сернокислого магния (MgSO4). Релаксационная теория в совокупности с классической теорией затухания дает следующее выражение для коэффициента поглощения звуковой волны в морской воде [19]:

⎛ Aw2τ р ⎞ 2⎟ δ = 4,3 ⋅ 10 + Bw , ⎜ 1 + w2τ 2 ⎟ р ⎝ ⎠ 5⎜

(2.50)

где τр – время релаксации (восстановления энергетического равновесия) молекул; A = 4,7 · 10-8 с/м; B = 1,2 · 10-15 с2/м. Из выражения (2.50) видно, что максимум поглощения будет при wτр = 1. При wτр < 1, т.е. на низких частотах, оно действительно пропорционально квадрату частоты. При wτр > 1поглощение практически не зависит от частоты. Время релаксации имеет порядок 10-6 с. Поэтому низкие частоты – это частоты менее 100 кГц, а высокие – более 100 кГц. Для морской воды τр ≈ 1 · 10-6 с. Однако причины затухания звуковых волн в море не исчерпываются лишь вязкостью, теплопроводностью, релаксационными (молекулярными) процессами, т.е. поглощением. В такой неоднородной среде, как морская вода, важной причиной затухания является рассеяние волны неоднородностями, рассредоточенными в толще воды. Особая роль здесь принадлежит таким рассеивателям, как газовые пузырьки. Рассеяние звуковой волны неоднородностями среды зависит от формы и размеров неоднородностей, от сжимаемости и плотности их вещества (соответственно от волнового сопротивления). Если сжимаемость и плотность такие же, как у среды, то неоднородности не вызывают рассеяния, независимо от их размеров и формы. В противном случае рассеяние в той или иной мере будет наблюдаться. Газовый пузырек – это неоднородность, отличающаяся и плотно38

стью, и сжимаемостью от воды. Поэтому он будет создавать рассеяние дипольного типа из-за поступательных колебаний относительно воды и монопольного типа из-за пульсаций в воде. Колебания пузырька под действием сил падающей на него звуковой волны – это вынужденные колебания, амплитуда которых существенно зависит от соотношения частоты w падающей волны и собственной частоты w0 радиальных пульсаций пузырька. Максимум амплитуды пульсаций, следовательно, и максимум рассеянной пузырьком волны будет при w = w0 (явление резонанса). Количественно рассеяние звуковых волн неоднородностями среды принято оценивать отношением мощности Pas рассеянной волны к интенсивности Ii падающей волны. Это отношение имеет размерность площади, поэтому его называют сечением рассеяния σ:

σ=

Pas . Ii

(2.51)

Более подробно теория рассеяния акустической волны на морских неоднородностях будет рассмотрена ниже. В случае газового пузырька, если длина волны много больше его диаметра (λ >> d), что в технической гидроакустике практически всегда выполняется, то сечение рассеяния пузырька в воде можно вычислить достаточно точно по формуле [19]:

σ=

πd 2 [( w / w0 ) 2 − 1]2 + (dw02 / 2c1w) 2

,

(2.52)

где с1 − скорость звука в газе, заполняющем пузырек. Из выражения (2.52) следует, что для частот w << w0 сечение рассеяния пузырька будет близко к нулю, так как знаменатель окажется много больше числителя. В режиме резонансных колебаний, когда w << w0 , сечение рассеяния пузырька будет определяться выражением: σ = 4πс12/w02 = λ12/π,

(2.53)

где λ1 – длина волны в газе, заполняющем пузырек. Резонансная частота радиальных пульсаций газового пузырька в воде определяется его диаметром и глубиной моря h [19]: 3,27 (1 + 0,1h) . (2.54) d Из формулы (2.54) следует, что при d = 0,0001 м резонансная частота радиальных пульсаций пузырька в поверхностных слоях морской воды будет равна 65,4 кГц (w0 = 4,1 · 105 c-1). Тогда, беря в среднем c = 340 м/с, из формулы (2.53) получим, что σ = 8,6 · 10-6 м2. Геометрическое поперечw0 = 4π

39

ное сечение пузырька σг = πd2/4 = 7,9 · 10-9 м2. Таким образом, в режиме резонансных колебаний поперечное сечение газового пузырька как бы возрастает в тысячи раз, что и дает эффект аномально большого, не соответствующего геометрическим размерам пузырька рассеяния звука. Ведь из формулы (2.51) видно, что если σ велико, то большой становится рассеянная мощность Pas. На частотах, отличных от резонансной частоты пульсаций пузырька, будет иметь место рассеяние не столь большое, как при резонансе. В связи с тем что в морской воде длительное время могут существовать во взвешенном состоянии пузырьки с диаметрами в сотые доли сантиметра, аномальное рассеяние (следовательно, и затухание) в море могут испытывать волны с частотами в десятки килогерц, что подтверждается и практическими наблюдениями. Например, навигационные эхолоты с рабочей частотой порядка 50 кГц на заднем ходу судна, когда под корпусом вода сильно насыщена газовымя пузырьками, отказываются измерять даже небольшие глубины, а эхолоты с рабочими частотами более 200 кГц не испытывают такого эффекта. Очевидно, на частотах порядка 50 кГц происходит аномально большое затухание зондирующих сигналов, вызванное резонансным рассеянием на пузырьках. Затухание звука на газовых пузырьках усугубляется еще и тем, что они не только рассеивают, но и поглощают часть энергии звуковой волны. И это поглощение наиболее сильно происходит именно на резонансной частоте. Количественное поглощение звука пузырьками оценивают аналогично рассеянию, т.е. вводят понятие о сечении поглощения по отношении поглощенной мощности к интенсивности падающей волны. Поэтому учет поглощения звука газовыми пузырьками формально можно свести к некоторому увеличению сечения рассеяния. Что касается рассеяния звука в морской воде на мелких твердых неоднородностях, то какоголибо заметного рассеяния они не привносят. При рассмотрении закона затухания звуковых волн в море было показано, что независимо от причин, приводящих к затуханию, амплитуда или интенсивность волны убывает по экспоненциальному закону. И так как все причины физического затухания действуют независимо друг от друга, то их совокупный учет может быть осуществлен объединенным коэффициентом затухания β, учитывающим все причины затухания. Тем более, что при измерении затухания звука в море практически невозможно отделить одну причину физического затухания от другой. Многочисленные эксперименты, проводившиеся для изучения физического затухания звуковых волн в северной части Тихого океана американскими учеными М.Дж. Шихи и Р. Хале, позволили им коэффициент затухания в диапазоне частот от 6 до 60 кГц аппроксимировать следующим выражением [7]: β = 0,036f 3/2, 40

(2.55)

где β – коэффициент затухания, дБ/км; f – частота, кГц. Как видно из выражения (2.55), с учетом всех возможных причин физического затухания коэффициент увеличивается с частотой несколько медленнее, чем дает теория, т.е. пропорционально не квадрату частоты, а частоте в степени 1,5. Но и в этом случае волны более высоких частот будут затухать сильнее, чем волны низких частот (разумеется, без учета случаев аномального затухания на газовых пузырьках).

Глава 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ВОДНОЙ СРЕДЕ 3.1. Интерференция акустических волн

При распространении в среде двух или нескольких гармонических колебаний происходит их сложение, называемое интерференцией. В результате интерференции в одних точках происходит усиление волновых колебаний, а в других − ослабление или полное их уничтожение. Это зависит от соотношения частот, амплитуд и фаз составляющих колебаний. Рассмотрим наиболее простой и представляющий практический интерес случай интерференции двух плоских волн с одинаковой амплитудой и частотой, приходящих в заданную точку с различными фазами (угол встречи волн меньше 90°). Акустические давления двух интерферируемых волн по уравнению давления плоской волны (2.30) выражаются равенствами: p1 = pm1 sin(w t − kx1); p2 = pm2 sin(wt − kx2),

(3.1)

где x1, x2 − ход лучей, т.е. расстояние, прошедшее волнами от начальной точки (x = 0) до их встречи; kx1, kx2 – начальные фазы каждого колебания. Найдем значение акустического давления р результирующего колебания. Исходя из того, что сумма двух синусоидальных величин с одной и той же частотой является также синусоидальной величиной с той же частотой, получаем: p = p1 + p2 = pm sin(wt − kx), (3.2) где результирующая амплитуда акустического давления pm и начальная фаза kx определяются [4] выражениями: pm =

pm2 1 + pm2 2 + 2 pm1 pm 2cos[k ( x1 − x2 )] ;

41

tg( k x) =

pm1sin( kx1 ) + pm 2sin(kx2 ) . pm1cos(kx1 ) + pm 2cos(kx2 )

С учетом условия pm1 = pm2 после преобразования получим: k ( x1 + x2 ) ⎤ ⎡ k (x − x ) ⎤ ⎡ p = 2 pm1cos ⎢ 1 2 ⎥sin ⎢ wt − ⎥⎦ . 2 2 ⎦ ⎣ ⎣

(3.3)

Вывод уравнения для колебательной скорости в результирующей волне аналогичен выводу уравнения (3.3):

k ( x1 + x2 ) ⎤ ⎡k(x − x ) ⎤ ⎡ v = 2vm1cos ⎢ 1 2 ⎥sin ⎢ wt − ⎥⎦ , 2 2 ⎣ ⎦ ⎣

(3.4)

⎡k(x − x ) ⎤ где 2vm1cos ⎢ 1 2 ⎥ = vm (т. е. амплитуде колебательной скорости в ре2 ⎣ ⎦ зультирующей волне). Из полученных уравнений видно, что значения рm и vm зависят от разности хода лучей (х1 − х2). Максимальные значения амплитуд рт и vт соответствуют условию 0,5k(x1 − x2) = nπ, где n = (0, 1, 2, 3, …). Если соблюдается равенство 0,5k(x1 − x2) = (2n + 1)π/2, то амплитуды pm и vm обращаются в нуль, так как интерферируемые колебания взаимно уничтожаются. Для определения интенсивности звука в результирующем волновом колебании воспользуемся уравнением интенсивности (2.37). Подставив значения р и v из выражений (3.3) и (3.4), получаем: T

k ( x1 + x2 ) ⎤ 2 k ( x1 − x2 ) 1 ⎡ = I = ∫ 4 pm1vm1sin 2 ⎢ wt − ⎥⎦cos T0 2 2 ⎣ = 2 pm1vm1cos2

k ( x1 − x2 ) = 2 pmvm . 2

Наибольшее значение интенсивности соответствует условию максимального значения амплитуд акустического давления рm и колебательной скорости vm. Частным случаем интерференции являются стоячие волны, образующиеся при сложении встречных волновых колебаний. Обычно стоячая волна получается в результате интерференции бегущих и отраженных волн. Найдем величины колебательной скорости, акустического давления и интенсивности в стоячей волне. Потенциал скорости в стоячей волне из уравнения (2.25) выражается формулой: Фст = Фm1 cos(wt − kx) + Фm2 cos(wt + kx), 42

(3.5)

где Фm1 и Фm2 – амплитуды потенциала скоростей бегущей и отраженной волн. Для определения колебательной скорости стоячей волне найдем частную производную от Фст по x из уравнения (3.5): vСΤ =

∂Фcm = kФm1sin( wt − kx) − kФm 2sin( wt + kx) , ∂x

или vст = vm1 sin(wt − kx) − vm2 sin(wt + kx),

(3.6)

где vm1, vm2 – амплитуды скоростей в бегущей и отраженной волнах. Акустическое давление получим дифференцированием уравнения (3.5) по t с учетом выражения (2.11): pст = − ρ0

∂Фcm = ρ0wФm1 sin(wt − kx) + ρ0wФm2 sin(wt + kx), ∂t

либо, обозначая амплитуды акустического давления в бегущей и отраженной волнах через pm1 = ρ0wФm1 и pm2 = ρ0wФm2, получим: pст = pm1sin(wt − kx) + pm2sin(wt + kx).

(3.7)

Если допустить, что плоская волна распространяется в идеальной среде и падает нормально на плоскость, от которой полностью отражается, то рт1 = рт2 и vm1 = vm2. В этом случае уравнения (3.6) и (3.7) примут вид: vст = vm[sin(wt − kx) − sin(wt + kx)] = − 2vm sinkx coswt = π⎞ π⎞ ⎛ ⎛ = 2vm sinkx sin ⎜ wt − ⎟ = vmст sin ⎜ wt − ⎟ ; 2⎠ 2⎠ ⎝ ⎝ pст = pm[sin(wt − kx) + sin(wt + kx)] = 2pm coskx sinwt = pmст sinwt.

(3.8) (3.9)

Амплитуды колебательной скорости и акустического давления в стоячей волне выражаются формулами: vmст = 2vm sinkx и pmст = 2pm coskx [2, 4]. Из сравнения уравнений (3.8) и (3.9) видно, что между колебательной скоростью и акустическим давлением в стоячей волне имеется сдвиг фаз, равный 90º. Амплитуды vmст и pmст в стоячей волне являются функцией расстояния х, отсчитываемого от отражающей поверхности. Если kx = nπ или х = nλ/2 (n = 0, 1, 2, ...), то vmст = 0 и pmст = 2pm. Точки стоячей волны, которые соответствуют максимальным значениям колебательной скорости и акустического давления, соответственно называются пучностями скорости и давления. Точки, смещенные от пучностей на расстояние λ/4 и соответствующие нулевым значениям колеба43

тельной скорости и акустического давления, соответственно называются узлами скорости и давления. Определим величину интенсивности звука в стоячей волне следующим выражением [4]: I CΤ =

1

Τ

1

Τ

⎛

π⎞

p v dt = ∫ pmCΤ vmCΤ sinwtsin ⎜ wt − ⎟dt = 0. 2⎠ Τ ∫ CΤ C Τ Τ ⎝ 0

0

Как следует из данного выражения, в стоячей волне звуковая энергия не распространяется. В реальных условиях отражательная поверхность не является абсолютно жесткой и отражается часть падающей энергии. Кроме того, происходит потеря энергии при распространении звука. Поэтому имеем vm1 > vm2 и pm1 > pm2. Следовательно, в пучностях стоячей волны амплитуды pmст и vmст меньше удвоенных величин амплитуд колебательной скорости и акустического давления в бегущей волне, а в ее узлах значение тех же величин больше нуля. Таким образом, при отражении нормально падающей волны результирующая волна состоит из стоячей и бегущей (обратной), амплитуда которой определяется разностями vm1 − vm2 и pm1 − pm2. 3.2. Отражение и преломление акустических волн

Если на пути распространения акустической волны встречается среда с иными акустическими свойствами, то часть звуковой энергии отражается от границы раздела этих сред, а остальная, преломляясь, проникает в другую среду. Явление отражения и преломления можно объяснить, пользуясь принципом Гюйгенса – Френеля. Сущность этого принципа, высказанного Х. Гюйгенсом и дополненного Ж. Френелем, заключается в том, что любая точка волнового поля, подверженная воздействию первичной волны, становится источником излучения элементарных сферических волн. В результате интерференции множества таких элементарных волн образуется результирующая волна, максимальная интенсивность которой направлена по лучу. Допустим, что на границу раздела двух сред падает плоская волна (рис. 3.1а). Так как лучи падают наклонно, то достигают они точек 1, 2, 3 и 4 неодновременно. Первой подвергается воздействию первичной падающей волны точка 1, и она становится источником сферических волн. Затем поочередно излучателями сферических волн становятся 2, 3, 4 и другие точки. Излучаемые ими колебания распространяются в обеих средах, но с неодинаковой скоростью в связи с различием физических свойств смежных слоев воды. К моменту падения крайнего луча в точку 4 колебания из точек 1−3 распространились на различные расстояния, наибольшее из которых соответствует "излучателю" – точке 1. В результате интерференции этих сферических волн 44

получаются две результирующие, одна из которых распространяется в первой среде (отраженная волна), а другая проникает во вторую среду, отклоняясь от направления падающей волны, т. е. преломляется. Преломление объясняется различной скоростью звука в этих средах. Так, если c2 > c1, то лучи, проникающие во вторую среду, начинают распространяться с большей скоростью, чем те лучи, которые еще не дошли до границы раздела, и, следовательно, направление распространения результирующего луча во второй среде отклоняется в сторону от нормали.

а)

б)

Рис. 3.1. Падение акустической волны на границу раздела двух сред

Найдем законы отражения и преломления звука. Пусть на границу раздела двух сред с акустическими сопротивлениями ρ1с1 и ρ2с2 падает луч плоской волны под углом θ (рис. 3.1б). Часть звуковой энергии отражается под углом θ1, другая проникает за границу раздела под углом преломления θ2. Акустические давления падающей, отраженной и прошедшей волн выражается формулами [4]: p = pm sin(wt − k1x1); p1 = pm1 sin(wt − k1x2); p2 = pm2 sin(wt − k2x3). В связи с тем что три луча находятся в одной плоскости, приведем эти направления к одной системе координат х, у, пользуясь известными формулами преобразования координат: x1 = x sin θ − y cos θ; x2 = x sin θ1 + y cos θ1; x3 = x sin θ2 − y cos θ2. При этом выражения для акустических давлений принимают вид [4]: p = pm sin(wt − k1x sin θ + k1y cos θ); p1 = pm1 sin(wt − k1x sin θ1 − k1y cos θ1) 45

(3.10)

p2 = pm2 sin(wt − k2x sin θ2 + k2y cos θ2). В точке, находящейся на границе раздела сред (y = 0), акустические давления выражаются следующим образом [4]: p = pm sin(wt − k1x sin θ); p1 = pm1 sin(wt − k1x sin θ1);

(3.11)

p2 = pm2 sin(wt − k2x sin θ2). Зададимся первым граничным условием: суммарное давление в падающей и отраженной волнах в точке падения на границе раздела равняется акустическому давлению в прошедшей волне, т. е. p + p1 = p2, или pm + pm1 = pm2.

(3.12)

Это условие вытекает из принципа непрерывности [4]. Произведем сложение акустических давлений, выражаемых формулами (3.11): pm sin(wt − k1x sin θ) + pm1 sin(wt − k1x sin θ1) + pm2 sin(wt − k2x sin θ2) = 0. Принимая во внимание выражение (3.12) граничного условия, приходим к выводу, что сумма трех гармонических величин может равняться нулю только при условии равенства аргументов функции синуса: или

wt − k1x sin θ = wt − k1x sin θ1 = wt −k 2x sin θ2, k1x sin θ = k1x sin θ1 = k2x sin θ2.

(3.13)

Отсюда следует, что θ = θ1 − угол падения равен углу отражения, а sin θ/sin θ2 = с1/с2 = сk, т. е. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равняется отношению скоростей распространения звука в обеих средах. Величина сk называется показателем преломления или постоянной Снеллиуса. Полученные законы отражения и преломления звука аналогичны соответствующим законам геометрической оптики. В гидроакустической практике немаловажное значение имеет энергетическое соотношение отраженных и прошедших волн. Для количественной оценки отраженной и прошедшей энергий вводятся понятия коэффициентов отражения и проникновения (преломления). Для вывода математических зависимостей этих коэффициентов введем второе граничное условие, вытекающее из принципа непрерывности нормальной составляющей колебательной скорости на границе раздела: колебательная скорость vy частиц обеих сред должна иметь одинаковое значение, т. е. v'y1= vy2 (vy1 − суммарная проекция колебательных скоростей на ось y в падающей и отраженной волнах). Так как это равенство удовлетворяет любому моменту времени, то и частные производные 46

по времени также будут равны между собой: ∂v'y1 ∂t

=

∂v y 2 ∂t

.

(3.14)

Принимая во внимание уравнение (2.7), имеем: 1 ∂p1' 1 ∂p2 ∂ ( p + p1 ) ρ1 ∂p2 = , или = . ∂y ρ1 ∂y ρ 2 ∂y ρ 2 ∂y

(3.15)

Продифференцируем уравнения (3.10) по переменной y: ∂ ( p + p1 ) = pmk cosθ cos(wt − k1xsinθ + k1ycosθ) − ∂y – pm1k1cosθ1cos(wt− k1xsinθ1 − k1ycosθ); ∂p2 = pm2k2cosθ2cos(wt − k2xsinθ2 + k2ycosθ2). ∂y

Подставим полученные выражения в формулу (3.15), учитывая, что у = 0. Имеем: pmk1 cos θ cos(wt – k1x sin θ)− Pm1k1 cos θ1 cos(wt − k1x sin θ1)= =

ρ1 pm2k2 cos θ2 cos(wt − k2x sin θ2.). ρ2

На основании равенства (3.13) последнее выражение сократим на cos(wt − k1x sin θ): pmk1 cos θ − pm1k1 cos θ1 =

ρ1 ρ pm2k2 cos θ2, или (pm−pm1)k1 cos θ = 1 pm2k2 cos θ2. ρ2 ρ2

В полученное выражение введем значения k1 = w/c1 и k2 = w/c2: ( pm − pm1 )

cosθ ρ1 cosθ 2 = pm 2 . c1 c2 ρ2

(3.16)

Сначала решим уравнение (3.16) относительно pm1, подставив pm2 = pm + pm1. Получаем: ⎛ ⎞ 2c2 ρ 2cosθ ⎟⎟. pm1 = pm ⎜⎜ (3.17) c c + ρ cos θ ρ cos θ ⎝ 1 1 ⎠ 2 2 2 Выражая акустические давления в уравнениях (3.16) и (3.17) через соответствующие значения интенсивностей по формуле (2.41) и вводя обозначения I1/I = β и I2/I = A, находим [4]:

47

2

I ⎛ c ρ cosθ 2 − c2 ρ 2cosθ ⎞ ⎟ ; β = 1 = ⎜⎜ 1 1 I ⎝ c1ρ1cosθ 2 + c2 ρ 2cosθ ⎟⎠

(3.18)

4c1ρ1c2 ρ 2cos 2θ I2 A= = . I (c1ρ1cosθ 2 + c2 ρ 2cosθ ) 2

(3.19)

Величина β, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волн, называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности прошедшей звуковой волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проникновения (преломления). При нормальном падении лучей коэффициенты β и A выражаются более простыми формулами: 2

⎛с ρ −с ρ ⎞ 4c1ρ1c2 ρ 2 . β = ⎜⎜ 1 1 2 2 ⎟⎟ и A = + ( ) c c с ρ с ρ ρ + ρ ⎝ 1 1 2 2⎠ 1 1 2 2

(3.20)

В табл. 3.1 приведены приближенные значения β для некоторых объектов при нормальном падении лучей на них из воды. Таблица 3.1 Отражающий объект Воздух Сталь Гранит Песок

Отражающий объект Дерево Рыба Лед Ил

β, % 100 88 60 25÷80

β, % 21 15 12 10

Возможны случаи полного отражения и полного проникновения звука во вторую среду. Из формул (3.20) вытекает, что при нормальном падении лучей условия полного внутреннего отражения (β = 1) определяются неравенствами: с1ρ1 >> c2ρ2 или c1ρ1 << c2ρ2, т. е. одна из сред должна быть акустически абсолютно жесткая. Если акустические сопротивления обеих сред сравнимы и падение лучей наклонное, то величиной, определяющей полное внутреннее отражение, становится угол падения θ. При определенном угле падения и в зависимости от соотношения скоростей с1 и с2 проникновение звука во вторую среду может быть исключено. Угол падения, при значении которого вся звуковая энергия отражается, называется критическим углом θкр. Математическое выражение критического угла падения: sin θкр = с1/c2 получается из закона преломления при θ = 90º. Полное проникновение акустической волны во вторую среду происходит при наличии равенства с1ρ1 cos θ2 = c2ρ2 cos θ, так как

48

в этом случае β = 0. Практический интерес представляет отражение звуковой волны от морского дна, поверхность которого не является ровной и идеально гладкой. Если неровности дна превышают длину волны, то отражение звука происходит по законам "геометрической оптики". Такое же зеркальное отражение наблюдается и при наличии шероховатостей дна, размеры которых значительно меньше длины волны. Если размеры неровностей дна соизмеримы с длиной падающей волны, то акустическая энергия рассеивается равномерно во все стороны. Это так называемое рассеянное, или диффузное, отражение. Отражение акустических волн от поверхности неспокойного моря также относится к диффузному. 3.3. Дифракция акустических волн

Волновые колебания при определенных условиях обладают способностью огибать встречающиеся на пути препятствия. Это явление называется дифракцией. Выясним сущность дифракции звука, исходя из принципа Гюйгенса – Френеля. Пусть на пути плоской акустической волны расположена звуконепроницаемая преграда (рис. 3.2). Согласно принципу Гюйгенса–Френеля точки волнового поля 1, 2, 3, ..., находящиеся непосредственно у преграды, излучают вторичные элементарные волны. Лучи элементарных волн, которые направлены за преграду, не встречают других колебаний и быстро затухают. Если рассмотреть последовательно ряд точек волнового поля, расположенных по обе стороны от преграды и испытывающих действие лучей, направленных за препятствие, то становится очевидным, что в какой-то момент произойдет интерференция этих огибающих препятствие колебаний и фронт плоской волны восстановится. Степень дифракции зависит от соотношения размеров препятствия и длины волны λ. Если размеры препятствия в несколько раз больше λ, то происходит частичная дифракция, а за преградой появляется область акустической тени. При приближении размеров препятствия к величине λ дифракция выражается заметнее и область акустической тени уменьшается. Полное огибание препятствия происходит при условии, когда длина волны больше размеров препятствия. Явление дифракции необходимо принимать во внимание при рассмотрении отражения звука от объекта. Интенсивность отраженного эхосигнала уменьшается: она тем больше, чем меньше размеры препятствия по сравнению с длиной волны. Пользоваться лучевой теорией отражения без учета дифракции можно только ориентировочно при размерах препятствий, превышающих 3λ.

49

Рис. 3.2. Дифракция акустических волн

Исходя из сущности явления дифракции, можно сделать практический вывод о том, что это явление необходимо учитывать при выборе рабочей частоты гидроакустического поискового прибора в зависимости от характера промысловых объектов (рыба, крабы, киты и др.) и при дешифрировании показателей прибора, фиксирующего различные породы рыб. 3.4. Характеристики морской воды

Важнейшими акустическими характеристиками любой среды являются скорость звука и плотность, так как ими определяется главная акустическая характеристика − ее волновое сопротивление. Скорость звука согласно формуле (2.27) зависит от сжимаемости и плотности среды: 1 с= . Kρ 0 В среднем можно считать, что для морской воды K = 4,5 · 10-11 м2/Н, а ρo = 1000 кг/м3. На основании уравнения (2.27) C = 1500 м/с. Именно такое среднее значение скорости звука в морской воде принимается в гидроакустических расчетах, если не требуется знать фактическое ее значение. А так как сжимаемость и плотность морской воды могут иметь различные значения в зависимости от местоположения в океане и времени (года, сезона, суток), то различные фактические значения будет принимать и скорость звука. Сжимаемость и плотность морской воды зависят от температуры tº, солености воды S ‰ и гидростатического давления P0 атм. При повышении температуры сжимаемость и плотность воды уменьшаются. Это означает, что согласно формуле (2.27) при повышении температуры скорость звука в море будет повышаться. Морская вода − это раствор многих солей, основными из которых яв50

ляются: – хлористый натрий, или поваренная соль NaCl (в среднем 26,5 г в литре океанической воды); – сернокислый магний MgSO4 (около 3,3 г в литре); – хлористый магний MgCl2 (2,45 г в литре); – хлористый кальций CaCl2 (около 1,14 г в литре); – хлористый калий KCl (около 0,72 г в литре). Соленость морской воды также влияет на сжимаемость и плотность. При увеличении солености плотность увеличивается, а сжимаемость уменьшается. Если плотность на 1‰ изменения солености изменяется в среднем на 0,08%, то сжимаемость изменяется на 0,3%. Более резкое изменение коэффициента сжимаемости по отношению к изменению плотности приводит к тому, что скорость звука при увеличении солености будет возрастать. В среднем прирост солености на 1‰ дает приращение скорости звука на 1,14 м/с. С увеличением глубины возрастает гидростатическое давление (приблизительно 1 атм на каждые 10 м глубины). С ростом гидростатического давления плотность воды увеличивается, а коэффициент сжимаемости уменьшается. При этом коэффициент сжимаемости на каждую атмосферу изменения гидростатического давления изменяется более резко, чем плотность. Поэтому в целом при увеличении гидростатического давления скорость звука также будет возрастать. В среднем на одну атмосферу скорость звука возрастает на 0,18 м/с. Температура морской воды может изменяться от −1,9 до 33ºС, соленость − от 0 до 41 ‰, а гидростатическое давление изменяется от 1 до 1000 атм. Поэтому в Мировом океане в значительных пределах изменяется скорость звука: от 1400 м/с − в холодных опресненных приустьевых районах арктического бассейна до 1600 м/с и более − на дне глубоководных океанских впадин. В связи с тем что коэффициент сжимаемости и плотность зависят от температуры, солености и давления, согласно выражению (2.27) скорость звука можно считать функцией вышеперечисленных гидрологических параметров морской воды с = f(tº, S ‰, p0). Морская вода содержит в себе воздух и газы в растворенном состоянии и в виде пузырьков. Наибольшее влияние на скорость звука оказывают газовые и воздушные пузырьки. Скорость звука в воде, насыщенной пузырьками, может уменьшиться на величину до 1%. Производить расчет скорости звука по теоретической формуле (2.27) практически трудно. Поэтому были предложены эмпирические формулы для расчета скорости звука по известным величинам t и S. Эти формулы предназначены для вычисления скорости звука, распространяющегося в горизонтальном направлении на поверхности моря или на определенной глубине. В качестве примера приводится формула, предложенная в 1924 г. Маурером: 51

c = 1445 + 4,46t − 0,0615t2 + (1,2 − 0,015t)(S – 35). В 1952 г. Дель-Гроссом была предложена наиболее точная формула для определения скорости звука в поверхностных слоях моря при температуре от 0 до 40oС и солености от 19 до 40‰. При добавлении к этой формуле члена, учитывающего изменение скорости с глубиной H, она принимает вид: c = 1448,6 + 4,618t − 0,0523t2 + 0,00023t3 + 1,25 (S − 35) − – 0,011(S − 35)t + 0,0027 · 10−5(S − 35)t4 − – 2 · 10−7(S − 35)4(1 + 0,577t − 0,0072t2) + 0,0175H. Как было указано выше, из-за неоднородности физических свойств морской воды скорость распространения звука в пределах одной среды непрерывно меняется. Величина изменения скорости звука, отнесенная к единице длины, называется градиентом скорости gc (с−1). При распространении звука в горизонтальной плоскости его скорость (в пределах дальности действия гидроакустических приборов) практически неизменна, и, следовательно, горизонтальная составляющая градиента скорости равна нулю. Исключение составляют прибрежные воды, опресненные речным стоком, чего никак нельзя сказать о вертикальном направлении (по глубине моря). По многим причинам температура, соленость и гидростатическое давление с ростом глубины претерпевают значительные изменения, вызывая соответствующие изменения и скорости звука. Поэтому в общем виде выражение для вертикальной составляющей градиента скорости звука будет иметь следующий вид:

gc =

dc(h) , dh

(3.21)

где c(h) – скорость звука как функция глубины. Градиент скорости звука может быть как положительным (возрастание скорости звука с глубиной), так и отрицательным (убывание скорости звука с глубиной). Если известна аналитическая зависимость градиента скорости звука от глубины, то скорость звука ch на конкретной глубине h можно найти из очевидного соотношения: h

ch = c0 + ∫ g c (h)dh ,

(3.22)

0

где с0 – скорость звука в точке, от которой отсчитывается глубина h. Практическое значение имеет вертикальный градиент скорости, величина которого также является функцией температуры, солености, гидростатического давления и выражается формулой: gc = 0,0182 + [6,187 − 0,05 (32 + 1,8t)] gt+ 1,31gs, 52

(3.23)

где t – температура воды; gt – температурный градиент; gs – градиент солености. В приведенной формуле постоянная составляющая градиента скорости, равная 0,0182 с−1, обусловлена изменением гидростатического давления, т. е. глубины. Определяющим в формуле является член, включающий температурный градиент. При значительных величинах температурного градиента (показателями) изменений солености и гидростатического давления можно пренебречь. Расчет градиента скорости по формуле (3.23) производится для средней температуры рассматриваемого слоя. Изменчивость скорости звука в морской воде существенно сказывается на характере распространения звуковых волн. Непрерывное изменение скорости звука от точки к точке морской воды приводит к искривлению траектории звукового луча (т. е. явлению рефракции, которое будет рассмотрено ниже). Из-за того что скорость звука и плотность морской воды изменяются, будет изменяться и ее волновое сопротивление по мере распространения волны, а это неизбежно вызовет рассеяние звуковой энергии – рефракционное рассеяние. Характер изменения скорости звука по глубине моря соответствует в основном характеру распределения температуры воды по глубине, но возможны и случаи, когда изменение скорости звука обусловлено изменением солености воды или гидростатического давления. Вертикальное распределение скорости звука в общих чертах следует сезонным и суточным изменениям температуры и солености. Но на эти закономерные временные изменения скорости звука с глубиной всегда в той или иной мере накладываются изменения случайного характера, приводящие к неустойчивому, случайному характеру распределения ее по глубине моря. Тем не менее можно выделить некоторые типичные случаи вертикального распределения скорости звука в тех или иных районах моря, в тот или иной сезон, в то или иное время суток. Рассмотрим основные из них. Постоянство скорости звука по глубине. В этом случае, очевидно, gc(h) = 0, что характерно для мелководных районов средних широт зимой и осенью, когда в результате охлаждения поверхностных слоев воды происходит вертикальная циркуляция вод: более холодная (более плотная, тяжелая) приповерхностная вода опускается, а более теплая (менее плотная, легкая) придонная вода поднимается. Температура и соленость воды по всей глубине водоема выравниваются, а поскольку водоем мелкий, то скорость звука будет практически неизменной по глубине. Постоянство скорости звука по причине вертикальной циркуляции может наблюдаться в поверхностном слое в глубоком море. Линейное повышение скорости звука с глубиной. В этом случае gc(h) = const, что характерно для глубоководных водоемов в средних широтах в летне-осенний период, когда в результате вертикальной циркуляции вы53

равнивается температура и соленость воды по глубине, но так как h велико, то будет наблюдаться медленное возрастание скорости звука по глубине по линейному закону c = c0 + gsh. Линейное понижение скорости звука с глубиной. В этом случае также gc(h) = const, но данное явление характерно для неглубоких водоемов в средних широтах в осенне-зимний период, когда в результате охлаждения верхних слоев воды будет наблюдаться медленное убывание скорости звука по глубине по линейному закону c = c0 – gsh. Слой скачка скорости звука. Слоем скачка называют слой воды с наибольшим перепадом скорости звука при резко выраженном максимуме скорости звука в этом слое. Слой скачка может наблюдаться в весенне-летний период в умеренных широтах, когда в приповерхностном слое под влиянием волнения и летнего повышения температуры скорость звука имеет положительный градиент, а в более глубоких слоях воды температура убывает с глубиной, скорость звука при этом уменьшается (отрицательный градиент). Подводный звуковой канал. Подводным звуковым каналом называется слой с наибольшим перепадом скорости звука при резко выраженном минимуме скорости звука в этом слое. Данный случай имеет место при охлаждении верхних слоев воды в осенний период и в ночное время (скорость звука при этом имеет отрицательный градиент). При этом в более глубинных слоях воды остаются более теплые воды с положительным градиентом скорости звука. Особый интерес представляет собой случай, когда резкий минимум скорости звука наблюдается в глубинных слоях воды – глубоководный звуковой канал. Этот случай характерен для экваториальных районов в любое время года, где с ростом глубины температура воды падает и скорость звука понижается. Затем, начиная с некоторой глубины, скорость звука возрастает, ибо на больших глубинах температура воды не изменяется, но зато увеличивается гидростатическое давление и скорость звука растет. Канал в этом случае называют гидростатическим или глубоководным, так как он возникает на глубинах от нескольких сотен метров до километра. Увеличение скорости на больших глубинах может вызываться наличием глубоководных теплых течений. Кроме рассмотренных крупномасштабных закономерных изменений скорости звука в морской воде, существуют еще и мелкомасштабные случайные изменения, обусловленные случайными изменениями температуры и солености. Это явление особенно характерно для поверхностных слоев морской воды, где приблизительно каждый кубометр воды несколько отличается по температуре от таких же соседних объемов. Эти случайные изменения носят не только пространственный, но и временной характер, т. е. температура и соленость флуктуируют во времени в одном и том же месте.

54

3.5. Рефракция акустических лучей

Как было указано выше, из-за неоднородности физических свойств морской воды скорость звука в пределах одной среды изменяется от точки к точке. В этом случае, как того требует принцип Гюйгенса, звуковые лучи будут искривляться. Искривление траектории звуковых лучей, вызванное изменениями скорости звука, называют рефракцией [6]. Рассмотрим рефракцию звукового луча для случая, когда градиент скорости gc = const. Выбираем прямоугольную систему координат ху так, чтобы ось у была направлена вертикально, а ось х – параллельно поверхности моря. Известно, что в любой точке градиент скорости dc gc = . dy Проинтегрировав это выражение, получаем: c y= + A. (3.24) gc Постоянная интегрирования А = у0 – ордината точки, в которой скорость звука с = 0. Из закона преломления известно, что в любой точке среды c = ck . Определив из этого выражения с и подставив его значение sinθ в уравнение (3.24), получаем: c y − y0 = k cosθ dθ . (3.25) gc c Продифференцируем это выражение: dy = k cosθ dθ . Поскольку gc c dx dx = k sinθ dθ . Проинтегрировав это выражение, получаем: = tgθ , gc dy c x = − k cosθ dθ + B. gc Постоянная интегрирования B = x0 – абсцисса точки, в которой луч горизонтален, т.е. θ = 90º. Тогда последнее уравнение примет вид: ck cosθ . gc Возведем в квадрат и сложим уравнения (3.25) и (3.26): x − x0 = −

ck2 ( x − x0 ) + ( y − y0 ) = 2 . gc 2

2

55

(3.26)

ck . gc Выбрав начало координат в центре окружности, получаем:

Получаем уравнение окружности с радиусом r =

ck2 x +y = 2. gc 2

2

(3.27)

Таким образом, траектория звукового луча при gc – const представляет собой дугу окружности с центром в точке, удовлетворяющей следующим условиям: скорость звука в этой точке равна нулю (с = 0), а пересечение окружностью оси у происходит под прямым углом (θ = 90º). Рефракция звуковых лучей зависит от знака градиента скорости: при отрицательных значениях gc, когда с глубиной скорость звука уменьшается, луч своей выпуклостью направлен к поверхности моря; при положительных градиентах луч изгибается к поверхности (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Рефракция акустических лучей при постоянном (отрицательном и положительном) градиенте

Если градиент скорости gc меняется с положительного на отрицательный (слой скачка), происходит расщепление звуковых лучей (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Рефракция звука при наличии слоя скачка

При интенсивном перемешивании поверхностных слоев воды создается изотермический слой, в пределах которого температура и соленость постоянны. В этом случае положительный градиент скорости создается за счет изменения давления c глубиной. Если скорость звука в поверхностном изотермическом слое c = 1500 м/с, то радиус кривизны траектории 56

луча r ≈ 82 км (gc = 0,0182 с−1). Лучи, выходящие из источника излучения под различными углами в изотермическом слое, имеют одинаковую кривизну и различные координаты центра кривизны (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Рефракция звука при постоянном значении градиента

Явление рефракции по-разному влияет на обнаружение подводных объектов, но в большей мере это влияние является отрицательным. Образование зон акустической тени, особенно при отрицательной рефракции и рефракции на слое скачка с расщеплением звукового пучка, может привести к тому, что подводные объекты при работе гидролокатора вовсе не будут обнаружены, попадая в зону тени. Плохо обнаруживаются подводные объекты, лежащие ниже слоя скачка, даже в том случае, когда не происходит расщепления звукового пучка: рефрагируя на ярко выраженном слое скачка, звуковой пучок значительно увеличивается в поперечном сечении (расширяется), в результате чего интенсивность его существенно ослабляется. В случае гидролокации аналогичное явление на слое скачка произойдет и при возвращении отраженной от объекта волны (эхосигнала) к приемной антенне. Уменьшение интенсивности эхосигнала при нахождении объектов гидролокации ниже слоя скачка бывает столь сильным, что эти объекты не обнаруживаются. И, наконец, рефракция вносит существенные погрешности в глубины погружения объектов, определяемые с помощью гидролокатора. Учет этих погрешностей весьма важен в рыбопоисковой практике, поэтому рассмотрим данный вопрос детальнее. Если при горизонтальной (наклонной) локации получен эхо-контакт с объектом, то это означает, что объект попал на звуковой луч и, следовательно, находится на наклонном расстоянии r, снимаемом с регистратора сигналов, по направлению αд в вертикальной плоскости (рис. 3.6).

57

Рис. 3.6. Кажущаяся и действительная глубины объекта

Действительная глубина объекта будет hд. Но нам кажется, что объект находится на том же расстоянии r, но по направлению α0, равному углу наклона антенны, снимаемому с указателя положения акустической оси антенны. В этом случае получается, что объект находится на глубине h0. Определим глубину h0 из прямоугольного треугольника, т.е. h0 = rsinα0. Определяя, таким образом, глубину погружения объекта, будет допускаться погрешность, поскольку из рис. 3.6 видно, что кажущаяся глубина h0 – далеко не действительная глубина hд. При отрицательной рефракции h0 всегда меньше hд (погрешность отрицательная), при положительной рефракции h0 > hд (погрешность положительная) Попытки определять глубину погружения объекта по данным горизонтальной локации вышеперечисленным способом, т. е. по наклонному расстоянию и углу наклона антенны, могут зачастую приводить к погрешностям, достигающим чуть ли не половины самой глубины. И чем круче траектория луча (следовательно, больше градиент скорости звука, но меньше угол наклона антенны), тем больше эти погрешности. При этом наиболее неблагоприятные условия для определения глубины создаются тогда, когда большие градиенты скорости звука приходятся на начальные участки пути волны (у антенны гидролокатора). Вычислить поправку к кажущейся глубине h0 можно лишь в простейших случаях, когда известна зависимость градиента скорости звука от глубины (например, когда градиент постоянен по глубине). В общем же случае для вычисления поправок к кажущейся глубине h0 необходимо располагать траекториями звуковых лучей в интересующем нас районе океана. В настоящее время для этого используются специализированные приборы – построители траекторий лучей (лучеграфы и зонографы). 3.6. Прохождение акустических волн через перегородку

В гидроакустике практический интерес представляет случай прохождения звука через перегородку, акустическое сопротивление которой отличается от акустических сопротивлений двух сред, разделяемых ею. 58

Актуальность этой задачи связана с тем, что антенны гидроакустической аппаратуры, размещаемой на рыбопромысловых судах, обычно устанавливаются либо без прорези днища судна (танковая установка) [18], представленная на рис. 3.7а, или в обтекателе специальной конструкции (рис. 3.7б). В первом случае выше и ниже обшивки днища расположена вода. Во втором случае внутри и вне корпуса обтекателя находится забортная вода. В обоих случаях необходимо выяснить, как повлияет промежуточный слой на прохождение звуковых волн через него, как сделать промежуточный слой наиболее проницаемым для звука.

а)

б)

Рис. 3.7. Варианты установки антенны гидролокатора

Допустим, что из первой среды (ρ1с1) на поверхность преграды в точку 1 падает луч плоской волны с интенсивностью I1 (рис. 3.8). Проникая в промежуточный слой (ρ2c2), преломленный луч выходит из точки 1 с интенсивностью I2' = I1a1 и падает на нижнюю поверхность преграды в точку 2, в которой интенсивность падающего луча равна I2''. Тогда интенсивность I3 луча, прошедшего в третью среду, выражается равенством I3 = I2''a2 (a1 и a2 – коэффициенты проникновения соответственно из первой среды во вторую и из второй – в третью). Исследуем условия прохождения звука через перегородку в зависимости от ее толщины и акустических сопротивлений сред. Введем понятие коэффициента прохождения ε, равного отношению интенсивностей прошедшей I3 и падающей I1 волн без учета затухания и воздействия отраженных эхосигналов на излучатель: I 2'' a1a2 I3 ε = , или ε = ' . I1 I2 59

(3.28)

Рис. 3.8. Прохождение акустических волн через перегородку

Для определения соотношения между интенсивностями I2' и I2'' звукового луча воспользуемся уравнением плоской волны (2.30) в показательной форме, которое представим в виде p = pme−ikxeiwt [4]. Сомножитель еiwt характеризует гармонические колебания. Откуда амплитудное значение акустического давления рA = рmе-kx, или в тригонометрической форме, выражая через модуль комплексного числа, pA = pmcos kx.

(3.29)

В соответствии с формулой (2.39) выражаем значения интенсивностей I2' и I2'' через акустическое давление, выбираем начало координат в точке 1, направляя ось абсцисс по направлению звукового луча: I 2' =

p A2 p2 p A2 p2 = m и I 2' = = m cos 2 (kl sec θ2' ) , 2 ρ 2c2 2 ρ 2c2 2ρ2c2 2ρ2c2

(3.30)

где lsecθ2' – абсцисса точки 2; θ2 – угол преломления в точке 1. Подставляя значения I2', I2'' в формулу (3.28), получаем выражение коэффициента проникновения в следующем виде: ε = a1a2 cos2(kl sec θ2').

(3.31)

Полученная формула (3.31) для коэффициента ε соответствует общему случаю, когда звуковой луч падает наклонно и акустические свойства трех сред различны. В частном случае при нормальном падении луча (θ = θ2' = θ2'' = 0) и равенстве акустических сопротивлений ρ1c1 = ρ3c3 формула (3.31) принимает вид: ε = a12cos2(kl).

(3.32)

Подставив значения a1 и выразив волновое число k через длину волны λ, получаем:

(4c1ρ1ρ 2c2 ) 2 2π l I3 cos ε= = . 2 λ I1 (c1ρ1 + c2 ρ 2 ) 60

(3.33)

Анализ формулы (3.33) позволяет сделать следующие выводы: – наилучшее прохождение звука через перегородку возможно в том случае, если в ее толщине укладывается целое число полуволн, т.е. при условии, что l = nλ/2 (n = 1, 2, 3,...); – перегородка оказывается звуконепроницаемой, если в ее толщине укладывается нечетное число четвертей длин волн, т. е. при условии

λ

− l = (2n + 1) ; 4 – если перегородка имеет толщину меньше полуволны, то прохождение звука через нее улучшается с уменьшением ее толщины. Задача создания звукопрозрачных мембран или обтекателей у эхолотов и гидролокаторов достаточно остро стоит и в настоящее время. Оригинальное решение этой задачи предложено конструкторами норвежской фирмы "Simrad". Обтекатель выполнен из эластичной резины (рис. 3.9а), армированной стальной проволокой. В патрубок на днище судна, где размещается антенна в поднятом состоянии, в объем жесткого герметичного основания обтекателя по необходимости подается под давлением забортная вода, которая распрямляет прижатую в исходном состоянии резину к днищу судна, придавая ей форму, близкую к рассеченной по оси капле. Давление внутри обтекателя составляет 1,2 – 1,4 атм и в дальнейшем поддерживается на этом уровне. Нижняя точка обтекателя отходит примерно на 0,55 м от днища судна. После этого антенну приспускают в полость обтекателя. Благодаря тому что волновое сопротивление резины близко к волновому сопротивлению воды, такой обтекатель почти полностью звукопрозрачен.

а)

б)

Рис. 3.9. Виды обтекателей гидролокаторов

В гидролокаторе вертикального поиска "Сарган-Э" сконструирована звукопрозрачная мембрана из стали, представляющая собой сотообразную конструкцию (рис. 3.9б). Отверстия в мембране расположены вплотную друг к другу и имеют сужающуюся, а затем расширяющуюся форму. Отверстия запрессованы резиной, которой прикрыта и нижняя часть мембраны. Звукопрозрачность этой мембраны обеспечивается за счет трансформации ее волнового сопротивления из-за эффекта уменьшения скорости звука при прохождении его по тонким трубам. Такая мембрана довольно прочна (имеет толщину около 20 мм) и практически полностью звукопрозрачна. 61

3.7. Эффект Доплера

В гидроакустической практике мы имеем дело с движущимся излучателем-приемником и отражающим объектом. Их взаимное перемещение влияет на характер эхосигнала. Еще в 1842 г. Х.Доплером было установлено, что при относительном движении излучателя и приемника изменяется частота звука, воспринимаемого приемником. Проанализируем это явление, называемое эффектом Доплера, для общего случая, когда излучатель и приемник эхосигналов совмещены и движутся со скоростью судна Vc, а отражающая цель, являющаяся как бы приемником прямых лучей и излучателем эхосигналов, движется со скоростью Vц. Проекциями этих скоростей на направление распространения излучаемого звукового импульса (рис. 3.10) будут +V1 и +V2 а на направление распространения отраженного сигнала −V1' и −V2'. (В гидроакустике принято считать значения проекций V1, V1', V2 и V2' положительными, при условии если они совпадают с направлением распространения волн, и отрицательными, если эти проекции направлены в сторону, противоположную распространению волн).

Рис. 3.10. Распространение звукового импульса при эффекте Доплера

В связи с тем что распространение эхосигнала происходит в направлении, противоположном распространению импульса, численные значения проекций скоростей попарно равны: V2 = V1', V1 = V2'. Акустический импульс, излучаемый станцией и состоящий из серии незатухающих волн с частотой f0, удаляется от движущегося источника со скоростью с − V1, где с – скорость импульса относительно неподвижного излучателя. Следовательно, истинная длина волн, входящих в излучаемый импульс, определяется формулой:

λ=

с − V1 . f0

62

(3.34)

Тогда вполне очевидно, что период волны, воспринимаемой "приемλ 1 ником" отражателя, Τ = 1 = , откуда частота импульса, падающего с − V2 f1 на объект, будет определяться выражением: f1 =

c − V2

λ1

= f0

c − V2 . c − V1

(3.35)

Движущийся со скоростью V1 отражатель "излучает" эхосигналы, длина волны которых, по аналогии с формулой (3.34), определяется так: с + V1' λ2 = . f1

(3.36)

Эхосигнал принимается движущимся со скоростью V2' приемником, и частота воспринимаемых им отраженных сигналов выражается равенстc + V2 c + V2' вом f 2 = = f1 . Подставив в последнее выражение значение f1 λ2 c + V1' из формулы (3.35), получаем: (c + V2' )(c − V2 ) f2 = f0 . (c + V1' )(c − V1 )

(3.37)

Принимая во внимание установленные ранее соотношения V2 = V1' и V1= V2', формула (3.37) будет иметь вид: f 2 = f0

⎡ c 2 − c (V2 − V1 ) − V1V2 ⎤ (c + V2' )(c − V2 ) f = ⎥. 0⎢ 2 (c + V1' )(c − V1 ) c c ( V V ) V V + − − 2 1 1 2⎦ ⎣

В полученном выражении произведение V1V2 незначительно по сравнению с величиной с2, поэтому им можно пренебречь. Тогда ⎡ c − (V2 − V1 ) ⎤ ( c − ΔV ) f 2 = f0 ⎢ = f0 , ⎥ ( ) ( ) c V V c V + − + Δ ⎣ 2 1 ⎦

(3.38)

где ΔV – скорость сближения (расхождения) источника излучения и отражающего объекта. Из анализа формулы (3.38) можно сделать вывод, что при сближении излучателя и объекта, т. е. при ΔV < 0, частота f2 увеличивается и тон звучания принимаемого эхосигнала повышается, если цель удаляется (ΔV > 0), то f2 уменьшается и тон звучания понижается. 63

Рассмотрим частные случаи эффекта Доплера. Когда источник звука и приемник находятся на разных движущихся судах, то частота воспринимаемого звука может быть определена по формуле (3.35). Для неподвижного источника звука (V1 = 0) и движущегося приемника формула (3.35) принимает вид: ⎛ V ⎞ f1 = f 0 ⎜1 − 2 ⎟ . c⎠ ⎝

(3.39)

Для случая движения излучателя относительно неподвижного приемника (V2 = 0) из формулы (3.35) получаем выражение: f1 = f 0

c . c − V1

(3.40)

Глава 4. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ 4.1. Источники гидроакустических шумов и помех

Прием гидроакустических сигналов всегда осуществляется на фоне помех. В общем случае помехами приему гидроакустических сигналов являются [7, 8]: – собственный (внутренний) шум РПА и наводки от электрорадиооборудования носителя РПА; – шумы морской среды; – излученные шумы носителя РПА; – излученные шумы кораблей и судов (шумовые помехи целей); – сигналы активных станций других носителей, находящихся в данном районе; – реверберация моря. Акустические антенны РПА вместе с элементами приемного тракта являются источниками шумов электрического происхождения вследствие шумов преобразователей, сопротивлений полупроводников, электронных ламп и других деталей. Внутренние шумы правильно сконструированных станций по уровню значительно меньше других и в дальнейшем не рассматриваются. Электрические наводки от другой аппаратуры также сравнительно легко сводятся к минимуму улучшением качества монтажа приборов, тщательной экранировкой всех цепей, применением независимых источников питания и т.д. 64

4.1.1. Шумы морской среды

Установлено, что каждому участку рассматриваемого диапазона частот в зависимости от глубины и других характеристик района свойственны те или иные преобладающие источники окружающих шумов. Модель глубокого океана является наиболее предпочтительной для раскрытия общего механизма формирования фона среды. Для мелководных районов характерны специфические особенности, также представляющие практический интерес. Принята следующая классификация шумов морской среды: – динамические, обусловленные приливно-отливными явлениями, ветровыми волнами, турбулентными потоками в воде и в атмосфере, шумами дождей и прибоя, кавитацией пузырьков; – шумы судоходства, а также от технических сооружений в гаванях и прибрежных районах; – сейсмические, вызванные тектонической и вулканической активностью земли, а также сопровождающие образование волн цунами; – подледные, возникновение которых связано с образованием и динамикой ледового покрова, взаимодействием его неровностей с ветром, подводным течениями; – биологические, вызванные различными представителями морской фауны; – тепловые. Основными факторами, определяющими параметры шумовых полей, являются особенности района измерений (глубина места, бионаселенность, близость судоходных трасс, наличие ледового покрова и т.д.), гидрометеорологические параметры (скорость и устойчивость ветра, состояние поверхности моря, зависимость скорости звука от координат и т.д.), условия и методики проведения эксперимента. Для полярных районов наиболее существенны плотность, толщина и динамика ледового покрова, температура воздуха. Шум моря в данной точке есть результат сложения различных по частоте, амплитуде и фазе акустических колебаний, приходящих с различных направлений. Минимальный шум моря обусловлен тепловым возбуждением молекул, практический интерес этот шум представляет на частотах свыше 50 Гц. Динамические шумы. Отмечаются во всех районах океанов при любых гидрометеорологических условиях. Основными источниками шумов в инфра - и низком звуковом диапазоне частот (ƒ < 200 … 300 Гц) являются турбулентные потоки в воде и атмосфере, а также стоячие поверхностные волны. Следует отметить, что интенсивные сейсмические, биологические или технические шумы, а также шумы обтекания (псевдозвук), могут помешать 65

приему динамических шумов в данном диапазоне частот, и тогда связь между уровнем шума и скоростью ветра не будет обнаружена. Однако экспериментальные исследования показали, что уровень шума всегда хорошо коррелирует со средними по акватории условиями шумового поля. Это обстоятельство объясняется малым затуханием звука низких частот при распространении и, следовательно, участием значительного района поверхности океана в формировании шумового поля в данной точке. Спектр динамических шумов может искажаться за счет прихода шумов штормов и циклонов из удаленных районов, а также избирательного поглощения и волновых эффектов слоя воды. В этом случае в спектрах шумов могут возникнуть максимумы на частотах, соответствующих нормальным волнам различных порядков. Близость судоходных трасс и малое затухание низких частот приводят к повышению уровня шума в диапазоне частот от 20 до 100 Гц. В звуковом диапазоне частот, кроме шумов турбулентных потоков, присутствует шум, вызванный кавитационными процессами и разрушением ветровых волн, шумы дождя. Уровни шума тесно связаны с гидрометеорологическими условиями в районе наблюдения. Естественные шумы дождя в значительной степени повышают уровень собственных шумов океана в диапазоне частот 0,05…16 кГц. В диапазоне частот 0,05…10 кГц спектры дождя схожи с динамическими шумами океана. Уровни шумов дождя практически не зависят от скорости ветра, а определяются лишь интенсивностью осадков. Шумы судоходства. Это результат сложения шумовых полей большого количество судов, удаленных от места наблюдения и распределенных в значительной пространственной области таким образом, что вклад отдельных шумов практически не наблюдается. В любой момент в океане находятся десятки тысяч судов, шумовые поля которых характеризуются наличием сплошного фона в спектре и дискретных составляющих, появляющихся при работе гребных винтов, машин и механизмов. Спектрально-энергетические и пространственно-временные характеристики шумов судоходства зависят от его интенсивности, расположения точки наблюдения относительно судоходных трасс и характера влияния условий прохождения звука при его распространении. Исследование шумов глубоководного океана позволили выяснить, что шумы судоходства имеют максимум в диапазоне частот 20…150 Гц. Технические шумы у побережий и в портах могу быть разнообразными, но наиболее типичные спектры шумов в гаванях связаны с производственной деятельностью человека. Сейсмические шумы. Сейсмические процессы, происходящие в литосфере, практически постоянно являются источниками низкочастотного шума в океане. В качестве основных источников сейсмического происхождения рассматривают микросейсмические колебания. Микросейсмические колебания, как правило, имеют спектр частот от 66

0,1 до 10…25Гц. Основной период наблюдаемых колебаний определяется расстоянием от точки наблюдения до эпицентра, силой землетрясения и структурой пород, слагающих земную кору на трассе от очага землетрясения до точки наблюдения. Для близких землетрясений преобладающими периодами продольных сейсмических волн оказываются 0,3…0,5 с (2…3 Гц), а для поперечных – 0,5…0,8 с (1…2 Гц). Исследования показали, что вблизи эпицентра (15…20 км) основная часть продольных волн обычно лежит в диапазоне до 20…30 Гц, уменьшаясь до 7…10 Гц с увеличением расстояния до 100…150 км. Спектр шума извержения подводного вулкана лежит обычно в диапазоне от 1…3 до 50…100 Гц и по форме напоминает спектр глубоководного взрыва. Биологические шумы, порождаемые живыми организмами в море, многочисленны и разнообразны. В зависимости от разновидности живых организмов шумоизлучение биологических источников лежит в частотном диапазоне от единиц Гц до десятков кГц. Подледные шумы. Основными источниками подледных шумов являются: термическое растрескивание льда, трение льдин и ледовых полей, переметание снега по их поверхности. Переохлаждение пакового льда приводит к его растрескиванию и возникновению импульсных колебаний. Максимум спектральных уровней отмечается в диапазоне частот 100…300 Гц. Спектральные уровни шума с усилением ветра растут в основном без изменения формы спектра. 4.1.2. Шумы носителей РПА

На судне имеются в основном три группы источников шумов, формирующих акустическое поле помех в обтекателе станции [8]: – шумы машин и вспомогательных механизмов; – шумы, связанные с работой гребных винтов; – гидродинамические шумы. Особую группу составляют шумы носового буруна, а также шумы судна, рассеянные дном, поверхностью моря, другими неоднородностями, которые регистрируются акустической антенной. Вклад отмеченных источников в суммарном поле помех зависит от ряда факторов, среди которых скорость судна, место размещения, конструкция обтекателя и т.д. Помехи от механизмов и машин. На малой скорости судна акустическое поле помех формируется в основном шумами механизмов и машин и, в зависимости от конструкции обтекателя и места его установки, шумами гребных винтов. Шум механизмов проявляется чаще на низких частотах в виде дискретных составляющих в спектре помех. Поскольку практически независимо от режима движения эти механизмы работают 67

с постоянным числом оборотов, шум механизмов и машин с увеличением скорости носителя растет незначительно. На уровень помехи наибольшее влияние оказывают механизмы, расположенные в непосредственной близости от антенны. Значение давления помех на частоте ƒ, кГц, в полосе Δƒ, Гц, при ненаправленном приеме, вызванного работой i-го вспомогательного механизма, может быть оценено с помощью эмпирического выражения: pi = 4,2 · 10-3ξ

S

Δf /(r0δƒ),

(4.1)

где ξ – среднее ускорение вибраций на лапах механизма на частоте работы РПА в третьоктавной полосе частот, м/с2; S – площадь проекции фундамента механизма на горизонтальную плоскость, м2; r0 – расстояние между центром тяжести площади проекции фундамента механизма на горизонтальную плоскость и центром активной поверхности антенны РПА; δ – средняя толщина обшивки корпуса судна в районе расположения механизма, м. Шумы гребных винтов. Работа гребного винта вызывает кавитационный шум на лопастях и ступице винта. Спектр кавитационного шума характеризуется пологим максимумом на частоте, зависящей от среднего размера кавитирующих пузырьков, насыщенности воды газами и т. д., с последующим спадом спектра со скоростью 5…7 дБ/октава. Шумы гребных винтов начинают сказываться начиная со скоростей 9…12 уз, причем наибольшее их влияние наблюдается на судах малого водоизмещения, где расстояние между обтекателем и винтом сравнительно невелико. Давление шумов от гребных винтов определяется по эмпирической формуле:

р = 2 · 10-2(D3VzN)1/2

∆ƒ /(r1ƒ),

(4.2)

где D – диаметр гребного винта, м; V – скорость судна, уз; z – количество лопастей гребного винта; N – количество гребных винтов; r1 – расстояние от центра винта до вертикальной оси вращения антенны, м. Уровни помех в пределах рабочего сектора обзора РПА, как правило, симметричны, они повышаются на кормовых курсовых углах до 5…12 дБ. На определенной скорости возможно возникновение носового буруна, который приведет к увеличению уровня помех на курсовом угле 0º. Наиболее интенсивный шум бурун создает на частотах ниже 10 кГц. 68

Гидродинамические помехи. Являясь незначительным на малой скорости, гидродинамический шум возрастает с увеличением скорости судна. На больших скоростях гидродинамический шум от участков корпуса, расположенных вблизи антенны и на поверхности обтекателя, может преобладать в поле помех. Спектры гидродинамического шума имеют плоский участок (ориентировочно до сотен герц) с дальнейшим спадом пропорционально ƒ3. С увеличением скорости обтекаемой жидкости уровень плоского участка растет пропорционально кубу, а участок спада спектра – шестой степени скорости. Шумы кораблей и судов, расположенных в зоне действия станций, являются источниками помех, препятствующих приему полезных сигналов. Величина помехи, обусловленной влиянием посторонних судов, зависитот количества судов, дистанции до них, уровня их шумоизлучения и т. д. Помехой также являются сигналы активных станций других носителей, находящихся в данном районе моря. Наиболее сильный вклад вносят станции, работающие на частоте, соответствующей полосе пропускания приемного тракта своей РПА, но если работа станции осуществляется на других частотах, возникают помехи работе РПА. 4.1.3. Реверберация Прием отраженных эхосигналов гидроакустическими приборами сопровождается помехами в виде шума, создаваемого посторонними источниками непосредственно от излучаемых акустических импульсов. Наибольшее влияние на работу гидроакустической станции оказывают шумы, появляющиеся в результате излучения сигналов. Эти шумы, примерно одного тона с излучением, являются результатом отражения звука от различного рода рассеивателей, которыми могут быть твердые частицы во взвешенном состоянии, водоросли, пузырьки воздуха, газа, шероховатости дна, планктон, локальные, в основном тепловые, неоднородности среды. Многочисленные отражения от мелких объектов, сливаясь, создают непрерывное звучание определенной продолжительности. Такое явление называется реверберацией. Морская реверберация – процесс, описывающий изменение во времени суммарного рассеянного звукового поля, наблюдаемого в точке приема после излучения зондирующего сигнала. По своей физической природе реверберация является результатом суперпозиции многочисленных рассеяний зондирующего сигнала, одновременно достигших антенны. Чем от более далеких рассеивателей приходит реверберация, тем меньше будет ее уровень из-за затухания звука в морской воде. Флуктуации объясняются как неравномерностью распределения рассеивателей по трассе зондирующего сигнала, так и неодинаковостью фазовых соотношений рассеянных волн в каждый конкретный момент времени. 69

Реверберация моря – явление, к которому до сих пор приковано внимание гидроакустиков, хотя бы уже потому, что своим фоном реверберация способна маскировать полезные сигналы (эхосигналы). Дело в том, что по своей физической природе эхосигналы являются выбросами реверберации моря. Косяк рыбы можно расценивать как сгусток неоднородностей, следовательно, в момент прихода эхосигнала от косяка на реверберационном фоне будет наблюдаться подъем уровня. Если сигналы от целей заметно превышают флуктуации реверберации, то мы уверенно будем говорить, что это эхосигналы, но если эхосигналы мало отличаются от флуктуации реверберации, то оснований утверждать, что это именно эхосигналы, у нас не будет, потому что это могут оказаться и случайные большие флуктуации реверберации. Но даже и мощные эхосигналы трудно отличить от реверберационного фона, когда отображение информации яркостное, т.е. когда сильные сигналы от слабых отличают по яркости отметок. Это связано с тем, что бумаги самописцев и экраны электронных индикаторов современных гидролокационных средств плохо передают оттенки сигналов в связи с их силой, так как сигналы и реверберация создают трудно различимые по яркости отметки. В этом заключается маскирующее действие реверберации как помехи, отсюда вытекает важность знания свойств реверберации. На рис. 4.1 представлен график изменения интенсивности реверберации во времени. Пунктирная линия соответствует равномерному распределению центров рассеяния без учета интерференции. В реальных условиях наблюдается неравномерное распределение рассеивателей в толще воды. Кроме того, многократно отраженные от центров рассеяния эхо-импульсы интерферируют между собой. Поэтому прослушиваемые реверберационные шумы носят флуктуирующий характер (на графике сплошная линия). Однако в обоих случаях характерно быстрое уменьшение интенсивности реверберации пропорционально квадрату времени. Максимальное значение интенсивность реверберации имеет сразу после излучения импульса.

Iр

t Рис. 4.1. График изменения интенсивности реверберации во времени

70

Вполне очевидно, что выделить слабые эхо-импульсы от рыбных скоплений на фоне реверберационного шума трудно, поэтому требуется специальная натренированность слуха акустиков и судоводителей. В зависимости от характера распределения неоднородностей, вызывающих рассеяние звука, различают три типа реверберации [1, 2]: объемную, слоевую, граничную. Рассмотрим приближенную энергетическую теорию реверберации, которая является приближенной по следующим причинам: – она не учитывает особенностей распространения звука, связанных с его рефракцией в морской среде (средняя скорость распространения звука по глубине считается постоянной); – рассеивающие свойства морской среды в горизонтальной плоскости предполагаются статистически однородными; – не учитывается вторичное рассеивание звука. Считаем, что рассеиватели в морской среде распределены по пространству в пределах рассеивающей области статистически независимо и достаточно редко, так что в точке приема элементарные рассеянные сигналы складываются некогерентно. Данное высказывание позволяет предположить, что средняя интенсивность реверберации I(t) пропорциональна среднему числу рассеивателей, находящихся в рассеивающей области, или, что то же самое, пропорциональна величине n1(t)δэф, где n1(t) – среднее число элементарных сигналов, приходящих в точку приема в единицу времени, δэф – эффективная длительность излучаемых импульсов (на уровне 0,707 от максимальной амплитуды). Объемная реверберация формируется рассеивателями, заполняющими безграничное пространство. Выражение для средней интенсивности объемной реверберации имеет вид [1, 2]: N kδ η (4.3) I о (t ) = а 0 эф2 0 10−0,1β ⋅c⋅t , 2πсt где Nа − излучаемая акустическая мощность; k0 = dNp/I1dV−коэффициент объемного рассеяния; dNp – мощность рассеяния, приходящаяся на объем dV рассеивающего пространства при интенсивности падающей волны I1; η0 – коэффициент, зависящий от формы характеристик направленности излучающей и приемной антенн; с – скорость звука; t – текущее время; β – коэффициент пространственного затухания.

71

Коэффициент η0 численно равен: η / 2 2η

∫ ∫ Rиз (a ,θ )Rnр (a ,θ )dacosθ dθ 2

2

η0 = −η / 2 η0 / 2 2η

,

(4.4)

∫ ∫ Rиз (a ,θ )dacosθ dθ 2

−η / 2 0

где R – характеристика направленности. Слоевая реверберация обуславливается рассеянием звука неоднородностями, сосредоточенными в слое воды (приповерхностный слой воздушных пузырьков, звукорассеивающие слои, находящиеся в толще воды, и т. д.). Средняя интенсивность слоевой реверберации определяется выражением [1, 2]: N а k0 hδ эфη −0,1β ⋅c⋅t I сл (t ) = 10 (4.5) 2πс 2t 3 где h – толщина слоя рассеивателей; η – коэффициент, связанный с направленностью антенн. Коэффициент η численно равен: 2π

η=

2 2 ∫ Rиз2 (a ,θ ) Rпр (a ,θ )da

0 2π π / 2

.

(4.6)

∫ ∫ Rиз (a ,θ )cosθ dθ da 2

0 −π / 2

Интенсивность реверберации, обусловленная рассеянием звука на границе раздела двух сред (граничная реверберация) для однородной среды при импульсном излучении с учетом направленных свойств приемоизлучающей антенны, определяется соотношением [1, 2]: N k Hδ η (4.7) I гр (t ) = а г 3 4 эф 10−0,1β ⋅c⋅t , πс t где kг = dNp/I1dS – коэффициент рассеяния границы раздела; Н – кратчайшее расстояние от излучателя до рассеивающей границы. Математическая модель и распределение вероятностей реверберационных сигналов. Реверберация, как существенно нестационарный процесс, может быть описана произведением двух функций: регулярно монотонно убывающей во времени и стационарной случайной р(t) = g(t)v(t), где v(t) – процесс, стационарный в широком смысле. Поскольку рассеиватели в морской среде расположены дискретно, то для модели процесса v(t) справедлива каноническая модель типа: n

v(t) = ∑ ai (t ) s(t − ti ) ,

(4.8)

i =1

где ai (t) и ti – случайные амплитуды и моменты возникновения элементарных рассеянных сигналов.

72

Суммирование в формуле (4.8) производится по всем возможным значениям случайных величин ai и ti, соответствующих рассеивающей области пространства. Число элементарных сигналов n, создающих реверберацию, также является случайной величиной. Коэффициенты ai предполагаются независимыми случайными величинами, имеющими одинаковые распределения. То же самое правомерно и в отношении случайных моментов времени ti. Если для рассматриваемых моментов времени число рассеянных сигналов n1δэф, одновременно приходящих в точку приема, велико, т. е. n1δэф >> 1, то плотность вероятности процесса pt(v) в силу центральной предельной теоремы будет описываться гауссовым законом. Математическое ожидание реверберации, в силу того, что излучаемые сигналы являются квазигармоническими, равно нулю. В реальных условиях возможны отклонения закона распределения вероятностей реверберационных сигналов от гауссова. Причинами этому могут быть наличие в суммарном процессе регулярной составляющей, вызванной, например, когерентным рассеянием или сравнительно малым числом рассеивателей, заключенных в просматриваемом станцией объеме среды. Пусть в суммарном процессе v1(t) наряду с составляющей, распределенной по гауссову закону, присутствует интенсивный сигнал с постоянной амплитудой А0: v1(t) = v(t) + A(t) = v(t ) + A0 cos(ωt + φ),

(4.9)

где φ – случайная начальная фаза, для которой можно принять равномерный закон распределения: pt(φ) = 1/2π|φ| ≤ π.

(4.10)

Плотность вероятности рt(A) процесса А(t) определяется выражением: pt(A) = 1/[πA0 1 − ( A / A0 ) 2 ], |А/А0| ≤ 1.

(4.11)

Закон распределения суммы мгновенных значений реверберационных процессов c(t) = ∑vc(t) оказывается также гауссовым с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σ2с, которая определяется выражением: N

σ c2 = ∑σ vi2 + i =1

N

∑σ viσ vj rij ,

(4.12)

i ≠ j ,i , j =1

где σ2vi – дисперсия i-го процесса vi(t); rij – нормированная взаимокорреляционная функция слагаемых vi(t) и vj(t). Корреляционные характеристики реверберации. Нормированная кор73

реляционная функция (КФ) реверберации определяется формулой [1, 2]: ∞

r(τ) =

∞

∫ s(t )s(t + τ )dt / ∫ s

−∞

2

(t )dt ,

(4.13)

−∞

где s(t) – функция, описывающая излучаемый сигнал. Для детерминированных квазигармонических излучаемых сигналов функция s(t) записывается в виде: s(t) = s0(t) cos [ω0t + М(t)],

(4.14)

где s0(t) – огибающая сигнала; ω0 – частота заполнения; М(t) – функция, определяющая частотную модуляцию. В случае излучения импульсов конечной длительности s(t) = 0, |t| ≤ t1/2 для нормированной КФ справедливо, что r(τ) = r0(τ) cos ω0τ,

(4.15)

где функция r0(τ) является огибающей КФ, т. е. ( t1 − τ ) / 2

r0(r) = (2/δэф)

∫ s0 (t − τ / 2)s0 (t + τ / 2)cos [М (t + τ / (2) − М (t − τ / 2)] dt . (4.16) 0

Величина δэф является эффективной длительностью сигнала: ∞

δэф = ∫ s02 (t )dt .

(4.17)

−∞

В случае излучения импульса длительностью t1 c синусоидальным заполнением М(t)= 0 огибающая нормированной корреляционной функции принимает вид: ( t1 − τ )/2

r0(τ) = (2/δэф)

∫

s0(t – τ/2)s0(t + τ)dt.

(4.18)

0

Для частотно-модулированного сигнала с линейным законом модуляции М(t)= Δωмt2/(2tм),

(4.19)

где Δω – девиация частоты; tм – параметр, характеризующий скорость изменения частоты. При прямоугольной форме огибающей и tм = t1 справедливо уравнение: 74

r0(τ) =

sin [(Δω мτ / 2)(1 − τ / t1 )] . Δω мτ / 2

(4.20)

При небольшой девиации частоты и выполнении неравенства ΔFмt1 << 1 имеем: ∆ωм = 2π∆Fм ; sin[(Δωмτ/2)(1 – |τ|/t1)] = (∆ωмτ/2)(1 – |τ|/t1).

(4.21)

В случае значительной девиации:

ΔFмt1 >> 1;

⎫ sin(Δω мτ / 2) ⎪⎬ r0 (τ ) ≈ , Δω мτ / 2 ⎪⎭

(4.22)

т.е. корреляция реверберации определяется лишь девиацией частоты. При излучении шумоподобного сигнала типа s(t) = s0(t)x(t) нормированная КФ реверберации определяется выражением: rp(τ) = rs(τ)rx(τ)cosω0t,

(4.23)

где rs(τ), rx(τ) – нормированные КФ огибающей s0(t) и огибающей процесса x(t). Поскольку заполнение x(t) получается фильтрацией широкополосного шума при помощи линейных систем с коэффициентами передачи k(ω), нормированная корреляционная функция процесса x(t) на выходе таких систем определяется следующим образом: ∞ ⎡∞ ⎤ 2 rp(τ) ≡ ⎢ ∫| k1( ω ) | cosωτdω / ∫| k1( ω ) | dω ⎥ rs ( τ )cosω0τ , ⎢⎣ 0 ⎥⎦ 0 ∞

∞

∫| k1( ω ) | cosωτdω / ∫| k1( ω ) | dω = rx ( τ ) . 0

2

2

(4.24)

(4.25)

0

В выражении (4.25) rх(τ) есть нормированная КФ огибающей процесса x(t), а, k1(ω) – характеристика фильтра, симметричная относительно частоты ω − ω0. 4.1.4. Компенсация реверберационной помехи при помощи временной автоматической регулировки усиления РПА Ранее было указано, что физическая природа реверберации и эхосигналов от подводных объектов (особенно скоплений объектов промысла) принципиально одна и та же: это суперпозиция элементарных рассеяний в точке расположения антенны. На фоне объемной и граничной реверберации эхосигналы наблюдаются в виде всплесков. 75

И реверберация, и эхосигналы, пройдя усилительный тракт, поступают на устройства отображения информации: регистраторы, электронные индикаторы, цифровые устройства индикации. Любое устройство отображения информации имеет какой-то порог срабатывания (ставит отметку, когда напряжение с выхода усилителя превысит некоторое минимальное напряжение). Например, бумага в регистраторе рыбопромыслового гидролокатора для постановки отметки требует, чтобы на пере было напряжение не менее 100 В. Все сигналы, напряжения которых превысят 100 В, изобразятся на бумаге отметками (черными черточками), а от тех сигналов, у которых напряжение менее 100 В, отметок не будет. При этом, при превышении порога Uмин, чернота отметок становится практически одинаковой для всех напряжений. Это означает, что и реверберация, и эхосигналы – всплески на ее фоне – будут сливаться на общем черном фоне. И только очень большая разница в уровнях напряжений эхосигналов и реверберации позволяет различать более черные места эхосигналов от менее черного фона реверберации. Совершенно аналогичная и, пожалуй, еще более запутанная картина получится при поступлении смеси реверберации и эхосигналов на электронный индикатор с яркостной индикацией, где ярким цветом на ярком фоне будут изображаться отметки эхосигналов на фоне отметок реверберации. Ясно, что простым увеличением или уменьшением уровня поступающего на регистрацию или индикацию напряжения (за счет увеличения или уменьшения коэффициента усиления с помощью регулировки в усилителе) невозможно добиться эффекта устранения реверберационного фона от полезных сигналов. Не получится желаемого эффекта от манипулирования излучаемой мощностью и от изменения мощности, так как пропорция между силой (напряжением) реверберации и эхосигналов не изменится. Не получится желаемого эффекта отсечки реверберационного фона от эхосигналов и при манипулировании длительностью зондирующего сигнала, так как силы реверберации и эхосигнала изменяются при этом одинаково. Не даст эффекта и сужение или расширение полосы пропускания частот приемо-усилительного тракта, так как спектры прямоугольного импульса по несущей практически одинаковы. Частоты заполнения реверберации и эхосигнала очень близки, а если объекты неподвижны, то теоретически и одинаковы. Если объекты подвижны, то теоретически эхосигналы от них будут отличаться по частоте от реверберации на доплеровский сдвиг. Таким образом, в этом случае можно отличать эхосигналы от реверберации по частоте, но осуществить это на практике довольно сложно. Поэтому в рыбопромысловых гидролокаторах такая частотная селекция применяется редко (только в современных цифровых станциях), тем более, что есть более простой путь устранения реверберационного фона от эхосигналов. Этот путь связан с применением в усилительных трактах временных автоматических регулировок усиления (ВАРУ). Известно, что напряжение Up(t) реверберационной помехи убывает с расстоянием (со временем) по тому или иному закону, который в общем 76

виде можно записать как

U p (t ) =

B 10−0,1βct , n (ct )

(4.26)

где B – постоянный сомножитель (не зависящий от расстояния); n – число, учитывающее влияние геометрического затухания на уровень реверберации. Поэтому коэффициент усиления Кус(t) усилительного тракта в этом случае устанавливают обратно изменяющимся по времени [19]:

К ус (t ) = К мин (ct ) n100,1βct ,

(4.27)

где Кмин – некоторое минимальное (начальное) значение коэффициента усиления. В усилительном тракте напряжение Up(t) реверберации перемножается на коэффициент усиления, в результате чего на выходе усилителя получается квазистационарное напряжение Upст [19]: Upст = Up(t) Кус(t) = КминB.

(4.28)

Таким образом, ВАРУ по закону, обратному закону спадания входного напряжения реверберации, позволяет на выходе усилительного тракта стационаризировать напряжение реверберации, сделать его не зависящим от времени. Следует отметить, что если стационаризированное напряжение реверберации окажется больше порога постановки отметок на бумаге, то бумага в регистраторе будет равномерно зачернена от верха до низа. Однако в распоряжении оператора имеется ручная регулировка усиления, с помощью которой он может понизить напряжение, поступающее на бумагу. При понижении напряжения реверберации таким образом, чтобы оно оказалось чуть-чуть ниже порога постановки отметок на бумаге, реверберация записываться не будет, а выбросы эхосигналов, превышающие порог постановки отметок, запишутся на бумаге без реверберационного фона. Рассмотрим действия оператора по регулировке ВАРУ [19]: – посредством ручной регулировки усиления задать большое усиление (вплоть до максимального) для того, чтобы увидеть влияние реверберации на закраску бумаги; –с помощью органов регулировки ВАРУ подобрать такой закон изменения коэффициента усиления во времени, чтобы напряжение реверберации одинаково черным фоном ("на глаз") распределилось по бумаге (если оно одинаково – значит стационаризировано); – посредством ручной регулировки усиления понизить поступающее на бумагу напряжение так, чтобы на бумаге был заметен очень легкий фон помех. При такой регулировке, если появятся эхосигналы, то они запишутся чисто, без помех. 77

Следует заметить, что ВАРУ, по сути, как бы выравнивает затухание, для всех расстояний делает его одинаковым. А это означает, что сила эхосигналов при настроенном ВАРУ будет пропорциональна рассеивающим свойствам объектов, поэтому уровень напряжения эхосигнала будет больше от того объекта, который сильнее рассеивает (отражает) зондирующий сигнал, а не от того, который находится ближе к антенне, как это бывает без ВАРУ. Так что ВАРУ позволяет и более объективно судить об отражающих свойствах объекта и, следовательно, о самом объекте локации. Конечно, подобрать закон возрастания коэффициента усиления со временем так, чтобы он в точности был обратен закону спадания уровня реверберации – задача не из простых, если учесть, что оператор не располагает в каждом конкретном случае показателями изменения ревербации. Поэтому в реальных конструкциях рыбопромысловых гидролокаторов предусматривается несколько регулировок ВАРУ (короткое ВАРУ, длинное ВАРУ и т.п.). 4.2. Поле помех в точке приема РПА

4.2.1. Основные параметры, характеризующие поле помех Акустическое поле помех в точке приема образуется различными источниками, каждый из которых, в свою очередь, может формировать одну или несколько составляющих поля помех, отличающихся характером спектра и абсолютными значениями давления. Наложение совокупности составляющих поля приводит к образованию суммарного поля помех [7,8]: 2

n

p =

∑

p2i ,

(4.29)

i =1

где n – общее число источников помех. По характеру взаимодействия с сигналом помехи классифицируют на аддитивные и мультипликативные. В общем виде влияние помех на принимаемый сигнал можно выразить оператором f: х = f(s, n). Если этот оператор выражается суммой х, т. е. х = s + n,

(4.30) (4.31)

то помеха n называется аддитивной. Если же оператор f представляется произведением, т. е. х = μ(t) · s(t), (4.32) то помеха n называется мультипликативной. При этом μ(t) – случайный процесс, зависящий от времени. Для активных станций в большинстве 78

случаев характерно наличие аддитивной и мультипликативной помех: x = μ(t) · s(t)+n.

(4.33)

Аддитивные помехи по своей статистической структуре могут быть разделены на три группы: флуктуационные (распределенные по частоте и времени), импульсные (сосредоточенные по времени) и гармонические (сосредоточенные по спектру). Наиболее распространенной помехой является флуктуационная, представляющая собой бесконечную сумму излучений, источники которых не связаны с полезным сигналом. Примером может служить кавитационный шум, возникающий при работе гребного винта. Кавитационный шум представляет собой процесс возникновения, колебания и последующего разрушения воздушно-газовых пузырьков, сопровождающихся излучением акустической энергии. При этом моменты возникновения и разрушения пузырьков следует настолько часто, что переходные явления в приемном тракте накладываются, образуя непрерывный случайный процесс. К импульсным помехам относятся помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за одним через такие промежутки времени, что переходные процессы в приемном тракте успевает практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса. Примером может служить работа гидролокаторов мешающих близлежащих судов, воздействие взрывных источников на приемный тракт РПА, работа собственного эхолота и другие импульсные возмущения в пределах носителя РПА, регистрируемые приемной антенной. Понятия флуктуационной и импульсной помех являются относительными. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная – на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуационная – на приемник с относительно узкой полосой пропускания. Под гармонической помехой понимается аддитивная помеха, энергетический спектр который сосредоточен в сравнительно узкой полосе частот, сопоставимой с полосой полезного сигнала или даже более узкой. К числу таких помех следует отнести дискретные составляющие в спектре первичного поля носителя, обусловленные работы гребного винта, машин, механизмов и воспринимаемые акустической антенной. Частоты дискретных составляющих, возбуждаемых гребным винтом, определяются по формуле: f = nzi / 60,

(4.34)

где n – число оборотов винта, мин; z – число лопастей; i – номер гармоники. Обычно дискретные составляющие представляют собой модулирование по некоторому закону колебания. Дискретные составляющие сущест79

венным образом влияют на статистические свойства суммарного поля помех. Природа мультипликативной помехи в гидроакустике обуславливается значительной изменчивостью условий подводного наблюдения, что приводит к случайному во времени изменению параметров поля помех. Например, на характер формирования поля шумов океана оказывает влияние многолучевость, внутренние волны и т.д. Мультипликативный характер носит реверберационная помеха. 4.2.2. Расчет уровней помех в рабочей полосе РПА Уровень помех в рабочей полосе РПА определяется соотношением [8–11]: pш2 ( f Э ,Δf ) = pш2 ( f 0,1 / f Э ) n Δf , (4.35) где pш(f0,1) – давление шума в полосе Δf = 1 Гц на некоторой частоте f0, Гц; Δf – полоса пропускания Δf = f2 − f1, Гц. Величина fЭ является эквивалентной частотой рабочего диапазона и определяется из соотношения:

f Эn =

(n − 1) f 2n−1 f1n−1Δf , f 2n−1 − f1n−1

(4.36)

где n – константа, связанная с наклоном спектра шумов. При ƒ0 = 103 Гц, n = 2 для р2П(∆ƒ) справедливо: р2П (∆ƒ) = р2П0 ∆ƒ/ƒ2Э,

(4.37)

где рП – давление, Па; ∆ƒ – полоса, Гц, ƒЭ – эквивалентная частота, кГц; рП0 – приведенное давление помех (f0 = 1 кГц, ∆ƒ = 1 Гц). В изотропном поле уровень помех уменьшается в K 0 ( f Э ) раз: р2П(∆ƒ,К) = р2П0

Δf f Э2 K 0 ( f Э )

,

(4.38)

где рП(∆ƒ,К) – давление помех в рабочей полосе направленной РПА; К0(ƒЭ) – коэффициент осевой концентрации антенны на эквивалентной частоте. Следует отметить, что выражение (4.38) справедливо только для случая изотропного поля помех. В существенно анизотропном поле помех параметр помехоустойчивости акустической антенны может отличаться от своего значения в изотропном поле как в большую, так и в меньшую сторону. Величина поправки к К0(ƒЭ) определяется экспериментально. Глава 5. РАССЕЯНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН 80

5.1. Рассеяние звуковых волн подводными объектами

5.1.1. Основные понятия о характеристиках рассеяния звука объектом Как ранее было указано, звуковая волна, падая на подводный объект, акустические свойства которого отличаются от акустических свойств морской воды, будет претерпевать рассеяние во все стороны, в том числе и в обратном направлении. При этом под подводными объектами подразумеваются объекты, дающие обратное рассеяние не в виде реверберации, а в виде эхосигнала. Тем самым из понятия "подводный объект" исключаются крупномасштабные неоднородности типа рассеивающих объемов или слоев, поверхности моря и его дна, рассеяние звука которыми будут рассмотрены далее. По своей постановке задача о рассеянии звука подводным объектом довольна проста: рассеянная волна должна рассматриваться как результат суперпозиции бесконечно большого числа элементарных гюйгенсовских сферических волн, образованных отражением падающей волны каждой точкой поверхности объекта. А это означает, что характер рассеянного звукового поля будет зависеть не только от акустических свойств объекта, но и от соотношения размеров объекта и длины волны, а также от геометрической формы объекта. Решение данной задачи можно получить только в частных случаях, например, когда размеры объекта много меньше длины падающей волны (газовые пузырьки в воде) или когда объекты, наоборот, имеют размеры, много большие длины волны, и простую геометрическую форму (сфера, цилиндр, диск и др.). Для объектов простой геометрической формы с размерами, много большими длины волны, решение задачи о рассеянии звука может быть достигнуто методами геометрической акустики. Например, методами геометрической акустики можно оценить основные характеристики рассеивающих свойств сферы. Обычно этого оказывается достаточно, чтобы на практике дать числовую оценку рассеивающих свойств реальных объектов: рыб, рыбных косяков и др. Рассмотрим основные параметры, характеризующие рассеяние звука объектами. Акустическое поперечное сечение σs определяется как отношение рассеянной объектом мощности Pas к интенсивности Ii падающей волны: Pas . (5.1) Ii Акустическое поперечное сечение характеризует рассеивающие

σs =

81

свойства объекта в целом (велико σs – объект сильно рассеивает падающую на него волну, мало σs – рассеяние слабое), но не говорит о том, каково пространственное распределение рассеянной объектом волны, не дает представления о том, каково будет рассеяние в обратном направлении. Для более детальной оценки рассеяния звуковых волн объектом вводят понятия функции рассеяния, акустического поперечного сечения обратного рассеяния, силы цели. Если на объект падает звуковая волна с интенсивностью Ii, а рассеянная волна по какому-то направлению имеет интенсивность Is, то, исходя из принципа Гюйгенса, рассеянная интенсивность будет пропорциональна падающей интенсивности. С учетом сферического расхождения рассеянной волны получим: I s = ϕ s (θ s ,ψ s ,θi ,ψ i , f ) S П (θi ,ψ i )

Ii , r2

(5.2)

где φs( )SП( ) – функция рассеяния; θs, ψs, θi, ψi – направления прихода рассеянной и падающей волн; f – частота волны; SП(θi, ψi) – поперечное сечение объекта в плоскости, перпендикулярной направлению на источник; r – расстояние до точки приема рассеянной волны. Когда источник и приемник звука разнесены в пространстве, говорят о "бистатическом" рассеянии. Когда приемник и источник находятся в одной точке (совмещенная приемоизлучающая антенна гидролокатора), говорят о "моностатическом" рассеянии. При обратном (моностатическом) рассеянии θs = 180º, ψs = 0º и, следовательно, функция обратного рассеяния будет определяться только направлениями θi и ψi падающей волны. При обратном рассеянии она имеет вид[19]: I ms = ϕ ms (θi ,ψ i , f ) S П (θi ,ψ i )

Ii . r2

(5.3)

Интенсивность рассеянной волны обычно представляют в графическом виде (в полярной системе координат). Кривую, характеризующую распределение рассеянной интенсивности в пространстве (рис.5.1), называют индикатриссой рассеяния [19]. На рис. 5.1а представлена индикатрисса рассеяния для объекта с волновым размером, много меньшим единицы (индикатрисса рэлеевского рассеяния). Как видно из рисунка, при очень малых волновых размерах объектов (в том числе и рыб) независимо от их формы рассеяние вперед и назад одинаково, но оно в два раза больше рассеяния в перпендикулярных направлениях. На рис. 5.1б представлена индикатрисса обратного рассеяния для ры82

бы с волновым размером (по длине), существенно большим единицы. В этом случае весьма наглядно выражена неодинаковость рассеяния в зависимости от ракурса облучения рыбы: наиболее сильное эхо от рыбы будет при облучении ее сбоку, а наиболее слабое эхо – при облучении с хвоста и головы.

а)

б)

Рис. 5.1. Индикатрисса рассеяния от рыбных объектов

Важнейшей характеристикой рассеивающих свойств объекта с точки зрения гидролокации является акустическое поперечное сечение обратного рассеяния σms, которым называют отношение обратной рассеянной интенсивности Ims, взятой на расстоянии 1 м от объекта, к интенсивности падающей волны: I σ ms = ms . (5.4) Ii r =1м

С учетом формулы (5.3) выражение (5.4) принимает вид:

σ ms = ϕms (θi ,ψ i , f ) S П (θi ,ψ i ) .

(5.5)

Таким образом, поперечное сечение обратного рассеяния можно рассматривать в виде произведении функции обратного рассеяния на площадь поперечного сечения объекта в плоскости, перпендикулярной направлению падения волны. Распространенной характеристикой обратного рассеяния объекта является сила цели СЦ. Силой цели называют десять десятичных логарифмов от акустического поперечного сечения обратного рассеяния.

СЦ = 10 lg σms,

(5.6)

Таким образом, важность знания акустического поперечного сечения обратного рассеяния или силы цели объекта заключается в том, что они, связывая между собой интенсивность падающей волны (зондирующего сигнала) и интенсивность обратно рассеянной волны (эхосигнала), позволяют вести расчеты энергетической дальности обнаружения объекта. 5.1.2. Акустическое поперечное сечение обратного рассеяния 83

жесткой сферы Интерес гидроакустиков-практиков к рассеянию звука сферами обусловлен тем, что, во-первых, рассеяние на сферах относительно доступно теоретическому изучению, а во-вторых, полученные результаты легко перенести на рассеяние звука реальными морскими объектами. Анализ рассеяния звука на сферах позволяет выяснить, как изменяется интенсивность рассеяния с частотой, так и ее зависимость от размеров и физических свойств морских объектов. Этими исследованиями установлено, например, что и несферические объекты с волновыми размерами, меньшими единицы, рассеивают звук так же, как и сфера, имеющая тот же объем и те же средние физические параметры, что и сами объекты. Эти представления основаны на физической сущности проблемы и не меняются ни со временем, ни с развитием техники. Основоположником теории рассеяния звука малыми сферами является известный английский ученый Дж.У. Рэлей. Отсюда следует и современное название для рассеяния звуковых волн объектами с малыми волновыми размерами – рэлеевское рассеяние. Само по себе рэлеевское рассеяние очень мало, но величина его очень быстро растет с увеличением волнового размера объекта пропорционально четвертой степени волнового размера. Сравнительно просто поддается изучению рассеяние сферой в другом крайнем случае, когда волновой размер сферы существенно больше единицы. Наибольшую сложность в изучении представляет рассеяние звука сферами с эквивалентным радиусом, близким единицы. Рассеяние звука объектами с волновыми размерами, много меньшими единицы, быстро нарастает с увеличением волнового размера, а при достижении соотношения d/λ > 3 (d – диаметр сферы) оно стабилизируется. Это означает, что при падении широкополосного сигнала на такие малые рассеиватели обратное рассеяние окажется более сильным для высокочастотных компонент сигнала. Следовательно, для получения сильного обратного рассеяния от небольших объектов локации следует применять высокочастотный сигнал. При достижении волнового размера d/λ > 3 рассеяние может быть оценено методами геометрической акустики по геометрическим законам отражения. Итак, предположим, что сфера акустически жесткая (идеально отражающая звук), внутрь которой волна не проникает. Пусть диаметр d сферы превышает намного длину λ падающей волны. Расположим сферу в дальней зоне падающего звукового поля так, чтобы все падающие на сферу лучи можно было считать параллельными. Это равносильно тому, что сферическую падающую волну мы подменяем плоской падающей волной. Вычислим мощность Ps, рассеянную сферой. Для этого сначала определим элементарную мощность рассеяния dPs, приходящуюся на кольцевую поверхность сферы, ограниченную приращением dθi, угла падения θi (рис. 5.2). Указанная кольцевая поверхность имеет длину πdsinθi, длину окружности диамет84

d dθi. Следовательно, площадь dS рассматриваемого 2 кольца рассчитывается по формуле [19]:

ра dsinθi и ширину –

d2 dS = π sinθi dθi . 2

(5.7)

Компонента площади dSП – перпендикулярная падающему по направлению θi лучу, будет определяться следующим выражением:

d2 dS П = π sinθi cosθi dθi . 2

(5.8)

Рис. 5.2. Геометрическое рассеяние звуковой волны на сфере большого волнового размера

Тогда мощность dPi, действующая на кольцевую поверхность dS, будет определяться следующим выражением:

dPi = I i dS П = I iπ

d2 sinθi cosθi dθi . 2

(5.9)

Действующая мощность рассеивается кольцом dS под углом θs=2θi в пределах элемента угла dθs = 2dθi. Рассеянную кольцом dS мощность dPs (на расстоянии r от сферы по направлению θs) можно представить в виде:

dPs = I s 2πr 2sinθ s dθ s = I s 2πr 2sin2θi d 2θi = I s 8πr 2sinθi cosθi dθi , (5.10) где Is – интенсивность рассеянной волны. Так как потерь энергии при рассеянии от акустически жесткой сферы нет, то dPi = dPs, соответственно: d2 I s = Ii . 16r 2 85

(5.11)

Согласно формуле (5.4), беря r = 1 для акустического поперечного сечения обратного жесткой сферы большого волнового размера, получим:

σ ms

d2 = . 16

(5.12)

Сила цели такой сферы будет определяться выражением: СЦ = 10lgσ ms

d2 d = 10lg = 20lg . 16 4

(5.13)

Акустическое поперечное рассеяние сферы определяется формулой:

σs =

Ps I = 4πr 2 s . Ii Ii

(5.14)

Из выражения (5.11) получим:

σs =π

d2 = 4πσ ms . 4

(5.15)

Функция обратного рассеяния φms жесткой сферы большого волнового размера будет описываться следующим выражением: 1 . (5.16) 4π Итак, можно утверждать, что акустическое поперечное сечение обратного рассеяния σms жесткой сферы большого волнового размера далеко неравно ее геометрическому поперечному сечению (площади большого круга), составляя всего лишь 1/4π его часть (приблизительно двенадцатую часть). Полное же акустическое поперечное сечение рассеяния жесткой сферы большого волнового размера равно площади большого круга сферы. Таким образом, эхосигнал от сферы большого волнового размера будет формироваться некоторой эффективной площадкой, перпендикулярной направлению облучения, размеры которой в 4π раз меньше площади наибольшего геометрического сечения сферы. Близкими по акустическим свойствам к жестким сферам являются металлические сферы. Металлические сферы большого волнового размера могут использоваться (и используются на практике) в качестве эталонных рассеивателей звука, акустическое поперечное сечение обратного рассеяния которых заранее известно. Подводные объекты сложных акустических свойств и произвольной геометрической формы (рыбы, косяки рыб, подводные лодки и др.) не позволяют теоретически вычислить акустическое поперечное сечение обрат-

ϕ ms =

86

ного рассеяния. Поэтому единственной возможностью узнать, каково это сечение, является постановка эксперимента с участием эталонного объекта (металлической сферы большого волнового размера) и исследуемого объекта. Сфера и объект помещаются в воду на фиксированные глубины (обычно подвешиваются на тонких прочных нитях), где облучаются зондирующими сигналами с соблюдением одинаковых прочих условий эксперимента (размещение относительно акустической оси антенны, мощность излучения, коэффициент усиления усилительного тракта, длительность зондирующего сигнала и др.). Экспериментальные данные по отражению звуковой волны конкретными объектами морского промысла будут рассмотрены ниже. 5.2. Рассеяние звуковых волн морским дном

5.2.1. Акустические свойства морского дна Под морским дном подразумевается слой жидких и твердых осадков, а также коренных пород, в которых происходит отражение, рассеяние, преломление, поглощение и распространение звуковых волн. Процессы отражения, рассеяния, поглощения звука морским дном определяются как волновым сопротивлением грунта, так и рельефом дна, и зависят еще от частоты волны и других технических характеристик эхолокатора. Рельеф является наиболее выразительной характеристикой морского дна. К крупномасштабным формам рельефа – мегарельефу относятся [19]: – шельф, или материковая отмель, по изобате 200 м, занимающая около 7% общей площади дна океана и имеющая ширину от сотен метров до 800 км при среднем уклоне 0,002; – материковый, или континентальный, склон и материковое (континентальное) подножие по изобате 3 – 4 км, занимающие около 40% площади и имеющие средние уклоны от 0,01 до 0,1; – ложе океана со средними глубинами 4 – 6 км, имеющее минимальные уклоны и занимающее около 50% площади. Кроме мегарельефа, в морфометрии различают еще: – макрорельеф – крупные элементы рельефа типа абиссальных равнин, подводных плато и хребтов; – мезорельеф – формы, отличающиеся меньшими размерами и глубиной расчленения (подводные холмы, горы); – микрорельеф – мелкие формы рельефа типа абразионных борозд на склонах гор, ямы, бугры и т.п., вплоть до волновой ряби на песке подводных береговых валов и пляжей. Наиболее разнообразен и сложен рельеф материковой отмели. Рельеф материкового склона характерен большими уклонами дна (2 – 25º и более), а у берегов вулканических и коралловых островов и у берегов, сложенных ко87

ренными породами, уклоны дна могут достигать 40 – 45°. На материковом склоне часто встречаются глубокие крутостенные каньоны, желоба и подводные хребты. Хотя ложе океана отличается преимущественно выровненным рельефом, оно осложнено крупными формами рельефа, среди которых котловины, валы, возвышенности, плато, подводные хребты, абиссальные равнины и холмы. Сложность рельефа дна характеризуется количественными показателями горизонтальной и вертикальной расчлененности. В качестве показателя горизонтальной расчлененности принимают, например, среднюю протяженность между соседними перегибами профиля дна. За показатель вертикальной расчлененности принимают среднюю высоту между смежными перегибами профиля дна. Рельеф морского дна, строго говоря, случаен, поэтому и расчлененность рельефа последнее время принято оценивать понятиями теории вероятности. А с точки зрения вероятностных законов наиболее обобщенной характеристикой рельефа является средняя глубина моря h , под которой понимается математическое ожидание M[h] глубины: 1 n h = M [h] = ∑ hi n i =1

(5.17)

Мерой отклонения конкретных глубин hi служит общепринятая числовая характеристика случайных величин – дисперсия D[h], или среднее квадратическое отклонение σh: 1 n σ h = D[h] = (hi − M [h]) 2 . ∑ n − 1 i =1

(5.18)

В гидрографии принято считать, что в первом приближении неровности дна описываются гауссовой функцией плотности вероятности, т.е. нормальным законом распределения: p( Δh ) =

1

σ h 2π

−

( M [h ]− h )2

σ h2

e

.

(5.19)

Следовательно, вероятность того, что высота Δh неровности не превысит заданного значения Δh0, определяется выражением: p( Δh < Δh0 ) =

1

σ h 2π

Δh0

∫

−

e

( M [h ]− h 2 )

σ h2

dh

.

(5.20)

0

В глубоководных районах океана большая часть дна покрыта рыхлыми донными отложениями, жидким илом, илистой глиной. На матери88

ковом склоне дно покрыто в основном песчаными илами, глиной, мелкозернистым песком. Мелководные районы и шельф отличаются твердыми крупнозернистыми грунтами с локальными неоднородностями внутри, размеры которых составляют единицы и доли метра. Скорость звука и плотность грунтов морского дна осадочного происхождения близки к скорости звука и плотности морской воды или не намного превышают значения для морской воды (табл. 5.1). Следовательно, волновое сопротивление осадочных грунтов морского дна будет отличаться от волнового сопротивления воды не существенно [19]. Таблица 5.1 Тип осадков Шельф: Крупный песок Мелкий песок Песчаная глина Глинистый песок Глина Абиссальная равнина: Глинистый песок Песчаная глина Глина Абиссальные холмы: Глинистый песок Песчаная глина Глина

ρ 2, кг/м3

C2, м/с

ρ 2 C2, кг/м2с

2030 1910 1580 1430 1420

1836 1711 1578 1535 1519

3,73 3,27 2,49 2,20 2,16

1380 1240 1260

1535 1521 1505

2,12 1,89 1,90

1410 1370 1420

1531 1507 1491

2,16 2,06 2,12

В коренных породах (гранит, базальт и др.) скорость звука и плотность значительно выше скорости звука и плотности морской воды. Соответственно волновое сопротивление коренных пород много больше волнового сопротивления воды. Например, у гранита ρ = 2800 кг/м3, С = 7150 м/с , a ρС = 20 · 106 кг/м2с. Коэффициент затухания звуковых волн в осадочных грунтах значительно больше коэффициента затухания в морской воде и также зависит от частоты волны. В диапазоне частот 20 – 100 кГц коэффициент затухания в осадочных породах составляет порядка 10 – 80 дБ/м. С повышением частоты коэффициент затухания возрастает. Столь большое затухание звука в осадочных породах объясняется неконсолидированностью частиц, составляющих грунт, и газонасыщенностью осадочных пород по причине разложения находящихся в них органических соединений. При падении звуковой волны на морское дно в общем случае происходит частичное ее отражение по законам геометрической акустики (зеркальное отражение); частичное рассеяние (диффузное отражение) в вод89

ное полупространство над дном; частичное проникновение внутрь грунта, сопровождаемое потерями на затухание в грунте; рассеяние на неоднородностях внутри грунта и выход этого рассеяния в водную среду (рис. 5.3). Таким образом, звуковое поле над дном представляет собой довольно сложное "нагромождение" зеркально отраженной, рассеянной и вышедшей из грунта компонент. В зависимости от рельефа дна и типа грунта в суммарном поле может преобладать та или иная компонента, но чаще всего исследователи связывают это результирующее звуковое поле с рассеянием падающей волны на неровностях дна.

Рис. 5.3. Отражение, рассеяние и поглощение звука дном моря

Исключительно важную роль в отражении звука неровной поверхностью дна играет соотношение между длиной звуковой волны и размерами неровностей его поверхности. Падающая волна отражается от каждой точки неровной поверхности по законам геометрической акустики – угол отражения равен углу падения. Отдельные отраженные волны, суммируясь в соответствии с принципом суперпозиции, образуют в точке сложения результирующее звуковое поле, характер которого (величина и пространственное распределение звукового давления, интенсивности) зависит прежде всего от разностей фаз элементарных отраженных волн, одновременно достигших рассматриваемой точки. Найдем набег фазы Δφ по лучу относительно некоторой средней плоскости (рис. 5.4) [19]:

Δϕ = 2Δhcosθi = 4π

Δh cosθi , λ

(5.21)

где Δh – высота неровности; k – волновое число; λ – длина волны; θi – угол падения. Набег фазы волны, обусловленный неровностями поверхности, в тео90

рии рассеяния принято называть параметром Рэлея и обозначать его Rel: Re l = 4π

Δh cosθi . λ

(5.22)

Очевидно, что при малых значениях Rel все отраженные лучи будут находиться приблизительно в одной фазе, т.е. в точке наблюдения будет синфазная суперпозиция, а отражение будет зеркальным, как от ровной поверхности. Практически синфазное сложение когерентных волн наблюдается при разностях хода, не превышающих четверти длины волны, или при разностях фаз, не превышающих π/2. Тогда, исходя из формулы (5.22), условием зеркального отражения будет:

Δh ≤

λ 8cosθi

.

(5.23)

Рис. 5.4. Определение набега фазы при распределении Рэлея

Если условие (5.23) не выполняется, то зеркального отражения в чистом виде наблюдаться не будет. Так или иначе, но звуковые волны будут расходиться от дна во все стороны, т.е. будет наблюдаться рассеяние падающей на дно волны. Если неровности имеют размеры, соизмеримые с длиной волны (имеются в виду и горизонтальные размеры), обильно и хаотически распределены по дну, то падающая волна будет равномерно рассеиваться во все стороны, будет наблюдаться чисто диффузное отражение. Когда неровности дна большие по отношению к длине волны и сами по себе довольно гладкие (типа холмов), то каждый участок этих гладких неровностей будет отражать падающую волну зеркально, но из-за произвольной ориентации отдельных неровностей поверхность дна будет иметь весьма сложную индикатриссу рассеяния – многолепестковую, т. е. с выраженными максимумами и минимумами в отдельных направлениях. В реальности поверхность морского дна вряд ли можно отнести однозначно к первому или второму из рассмотренных типов (по крайней мере, для ультразвукового диапазона частот, используемого в рыболокации и на91

вигации). Вероятнее всего, на облучаемой площади дна встретятся и крупные неровности с размерами, намного большими длины волны, осложненные мелкими неровностями, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Поэтому на локальное зеркальное отражение от крупных неровностей будет накладываться диффузное отражение (рассеяние) от мелких неровностей. В результате индикатрисса рассеяния таким дном также будет иметь сложную лепестковую форму, но в данном случае здесь более размытыми окажутся максимумы и менее выраженными – минимумы индикатриссы. Таким образом, оценивая эхосигнал от морского дна, следует принимать во внимание, что в формировании его могут участвовать как отраженная, так и рассеянная компоненты. Но процесс этот может осложниться "вмешательством" еще и вышедшей из грунта компоненты (рассеянной неоднородностями грунта или отраженной от его неоднородных слоев). В конкретных случаях каждая из этих компонент может оказать решающее влияние на формирование эхосигнала, но чаще всего (даже при низкочастотном излучении) формирование эхосигнала гидроакустики связывают с рассеянием на неровностях дна. Основными параметрами, характеризующими отражательную (рассеивающую) способность дна, являются коэффициент отражения r, эффективный коэффициент отражения rэ, коэффициент донного рассеяния rs и индикатрисса рассеяния Ds(θ). Коэффициентом отражения r называют отношение звукового давления зеркальной отраженной компоненты Pr от дна к звуковому давлению Pi падающей волны: Pr . (5.24) Pi Эффективным коэффициентом отражения rЭ называют отношение звукового давления Prs (в принятой на расстоянии 1 м от дна отраженной волны) к звуковому давлению Pi падающей волны: r=

rЭ =

Prs . Pi

(5.25)

Эффективный коэффициент отражения учитывает, таким образом, и отраженную, и рассеянную, и вышедшую из грунта компоненты. Он определяется экспериментально. Эффективный коэффициент отражения, выраженный в децибелах, называют потерями при отражении LЭ: Prs . (5.26) Pi Коэффициентом донного рассеяния rs называют отношение мощноLЭ = 20lgrЭ = 20lg

92

сти Ps, рассеянной единицей площади дна, к интенсивности Ii падающей волны: P rs = s , (5.27) Ii Ss где Ss – площадь морского дна, с которой в точку приема одновременно приходят рассеянные волны. Коэффициент донного рассеяния, выраженный в децибелах, называют силой донного рассеяния Ls:

Ls = 10lgrs = 10lg

Ps . Ii Ss

(5.28)

Индикатрисса донного рассеяния Ds(θ) (или диаграмма донного рассеяния) характеризует угловую зависимость коэффициента рассеяния при фиксированном направлении падающей волны:

Ds ( θ ) =

rs ( θ ) , rs ( θi )

(5.29)

где rs(θ) – коэффициент рассеяния по направлению θ; rs(θi) – коэффициент рассеяния по направлению θi зеркального отражения. Коэффициенты отражения и рассеяния могут быть различными в зависимости от направления на рассматриваемую точку звукового поля. Особый интерес представляет обратное направление (к антенне). Если бы морское дно было ровным (или неровности его были очень маленькими, Rel < π/2), то коэффициент отражения r по давлению от такого дна можно было бы вычислить как коэффициент отражения на границе раздела сред, удовлетворяющий условиям геометрической акустики: r=

cosθi − qcosθt , cosθi + qcosθt

(5.30)

где q – нормированное волновое сопротивление границы вода – грунт морского дна; θi, θt – углы падения и преломления соответственно. c Согласно второму закону отражения Декарта sinθt = 2 sinθi , где с1 и c1 с2 – скорости звука в воде и в грунте соответственно, поэтому ⎛c ⎞ cosθ t = 1 − ⎜⎜ 2 sinθi ⎟⎟ ⎝ c1 ⎠ Тогда коэффициент отражения

93

2

r=

⎛с ⎞ cosθi − q 1 − ⎜⎜ 2 sinθi ⎟⎟ ⎝ с1 ⎠

2

⎛c ⎞ cosθi + q 1 − ⎜⎜ 2 sinθi ⎟⎟ ⎝ c1 ⎠

2

.

(5.31)

При нормальном падении r=

1− q . 1+ q

(5.32)

С точки зрения геометрической акустики не существует какой-либо зависимости коэффициента отражения от частоты сигнала. Однако экспериментальные исследования показывают, что при нормальном падении прослеживается уменьшение коэффициента отражения с ростом частоты (на частотах до 20 кГц). На частотах более 20 кГц зависимость коэффициента отражения от частоты уменьшается. Это явление обусловлено тем, что на более высоких частотах (короткие длины волн) в любом случае дно следует считать насыщенным большими – по отношению к длине волны, неровностями (Rel > π/2), следовательно, главную роль будет играть рассеяние падающей волны на неровностях. На ультразвуковых частотах, применяемых в рыболокации и навигации, коэффициенты отражения и рассеяния для прогностических расчетов можно считать независящими от частоты. При наклонном падении волны на дно коэффициент отражения (рассеяния) зависит еще и от угла падения (скольжения). При выравненном рельефе дна прослеживается четкое уменьшение силы обратного рассеяния с увеличением угла падения волны, при изрезанном рельефе сила обратного рассеяния четкой угловой зависимости не имеет (по крайней мере, на частотах до 20 кГц). В гидроакустике считается, что коэффициент рассеяния звука дном моря в зависимости от угла падения θi подчиняется закону Ламберта:

rs = rПS cosθi cosθ r ,

(5.33)

где rПS – коэффициент обратного донного рассеяния при нормальном падении волны; θr – направления приема рассеянной волны 5.2.2. Эхосигналы от морского дна как случайные процессы 94

Схематично морское дно можно представить состоящим из неровностей, случайно нанесенных на некоторую среднюю плоскость. Предположим, что на дно вертикально падает пучок звуковых волн, излученный с движущегося судна (рис. 5.5). В зависимости от положения антенны относительно неровностей дна (от соотношения фаз отдельных рассеянных волн) амплитуда суммарного эхосигнала может принимать то или другое значение. Поскольку при движении судна положение антенны относительно неровностей меняется непрерывно, то непрерывно и случайным образом в силу случайного распределения неровностей дна будет изменяться, флуктуировать амплитуда эхосигнала.

Рис. 5.5. Флуктуации эхосигнала при движении судна

Будем считать, что эхосигнал от дна есть результат суперпозиции зеркально отраженной компоненты Pr = Pmr cos( wt + ψ r ) и рассеянной компоненты отдельными неровностями Ps = Pms cos(wt + ψ s (t )) , где ψr и ψs(t) – начальные фазы зеркальной и рассеянной компонент. Для максимального упрощения задачи положим, что на дне имеются две неровности (рис. 5.5). Тогда для эхосигнала от одной неровности получим P1 = Pm1cos( wt + ψ 1 (t )) , аналогично для второй поверхности P2 = Pm 2cos(wt + ψ 2 (t )) . В результате квадрат амплитуды результирующего сигнала будет равен:

Pm21,2 = Pm21 + Pm22 + 2 Pm1Pm 2cos[ψ 1 (t ) − ψ 2 (t )] .

(5.34)

Первые два слагаемых определяют постоянное значение амплитуды, третье слагаемое изменяется и определяет флуктуацию амплитуды относительно постоянного значения. В теории рассеяния доказывается, что если η1(х) и η2(х) – некоторые случайные функции, описывающие неровную поверхность дна, а расстояние между неровностями составляет Δх, то раз95

ность фаз будет [19]: 2π ( Δx) 2 2π 4πvΔx ψ 1 (t ) − ψ 2 (t ) = + t, [η1 ( x) − η 2 ( x)] + λh λ λh

(5.35)

где v – скорость судна; h – глубина моря; λ – длина волны. Первые два слагаемых в разности фаз дают некоторую постоянную составляющую, а третье зависит от скорости судна, расстояния между неровностями, длины волны, глубины моря и времени. Оно и будет определять флуктуации амплитуды. Так как зависимость этого слагаемого от времени линейна, то множитель при t в нем будет давать частоту fфл флуктуации: f фл =

2vΔx . λh

(5.36)

Таким образом, частота флуктуации прямо пропорциональна скорости судна и расстоянию между неровностями и обратно пропорциональна длине волны и глубине моря. На самом деле в зону облучения на дне попадает некоторое N-ое количество неровностей. Поэтому квадрат амплитуды эхосигнала будет: Pm2 (t )

N

=∑ n =1

2 Pmn

N

N

+ ∑∑ Pmi Pmj cos[ψ i (t ) − ψ j (t )] .

(5.37)

i =1 j =1

В этом выражении каждое слагаемое по-прежнему образовано двумя сигналами, поэтому рассуждения для случая двух неровностей применимы и здесь для каждого члена суммы. А это значит, что при наличии большого числа неровностей в зоне облучения квадрат огибающей эхосигнала будет содержать целый спектр частот, а сама огибающая будет флуктуировать не по гармоническому закону, как для случая двух неровностей, а хаотическим образом. Максимальная частота флюктуации определяется самым большим расстоянием между неровностями, которое само зависит от размеров эффективной отражающей площади дна. Если диаграмма направленности шире углового размера θэ отражающей области судна, то максимальная частота флуктуации будет: f флmax =

4v

λ

sinθ э .

(5.38)

Если диаграмма направленности антенны уже углового размера от96

4v

ражающей площади дна, то f флmax =

λ

sinθ 0.7 .

В первом случае спектр огибающей эхосигнала не зависит от ширины диаграммы направленности антенны и определяется рельефом дна, во втором случае этот спектр будет зависеть от ширины диаграммы. Экспериментальные исследования показывают, что плотность вероятности огибающей эхосигнала от дна в большинстве случаев подчинена обобщенному или простому распределению Рэлея. Эхосигналы от дна можно считать нормальными стационарными процессами, так как, проходя через узкополосные каскады усиления, они нормализуются, а с помощью ВАРУ стационаризируются. В таком случае донные эхосигналы можно принимать за эргодические случайные процессы, поскольку, согласно теореме А.Я. Хинчина, для условия эргодичности необходимо и достаточно, чтобы процесс был стационарным и подчинялся нормальному закону распределения. Свойства же эргодичности имеют важнейшее прикладное значение, заключающееся в возможности вычислять статистически характеристики процесса по одной лишь реализации его путем усреднения во времени, а не вычисления их на основе усреднения по множеству реализаций. Принимая эхосигналы от дна за эргодические случайные процессы, можно утверждать, что их математическое ожидание M[U] и дисперсия D[U] или среднеквадратическое отклонение б[U] будут постоянными, а автокорреляционная функция R(τ), характеризующая статистическую (вероятностную) связь процесса в различные моменты времени t1 и t2, будет зависеть только от разности этих моментов τ = t2 – t1: T

1 M [U ] = U (t ) = lim U (t ) dt ; T →∞ 2T ∫ −T T

2

1 D[U ] = σ [U ] = lim [U (t ) − M [U ]] dt ; T →∞ 2T ∫ −T 2

T

1 R (τ ) = lim U (t )U (t + τ ) dt , T →∞ 2T ∫ −T

(5.39)

где U (t ) – напряжение на выходе усилительного тракта (черта над символом означает усреднение по времени); Т – время усреднения. При τ = 0 автокорреляционная функция R(τ) имеет максимальное значение, а при τ → ∞ она равна нулю. В связи с тем, что при τ = 0 автокорреляционная функция равна своему максимуму R(τ), удобно пользоваться нормированной по максимуму автокорреляционной функцией, которую часто называют коэффициентом автокорреляции r(τ) = R(τ)/ R(0). Величина r(τ) изменяется от 1 при τ = 0 до 0 при τ → ∞ . Значение r(τ) опреде97

ляет "тесноту" статистической связи между двумя сечениями случайного процесса. Обычно считается, что коррелированность этих сечений наблюдается в пределах отрезка времени τ0, называемого радиусом автокорреляции (интервалом автокорреляции), который вычисляется из условия:

r (τ 0 ) = r (0 )e −1

(5.40)

Статистическая связь между двумя случайными процессами Ui(t) и Uj(t), например двумя эхосигналами, оценивается функцией взаимной корреляции Rij(τ): T

1 Rij (τ ) = U i (t )U j (t + τ ) = lim U i (t )U j (t + τ )dt . T →∞ 2T ∫ −T

(5.41)

В данном случае τ следует понимать как отставание по времени второго сигнала от первого. Модуль функции взаимной корреляции не превышает значения Rii (0 ) R jj (0 ) , поэтому коэффициент взаимной корреляции rij(τ) вычисляют по формуле: rij (τ ) =

Rij (τ ) Rii (0) R jj (0)

.

(5.42)

Численное значение коэффициента взаимной корреляции определяет тесноту статистической связи между двумя случайными процессами. Значения коэффициентов автокорреляции и взаимной корреляции определяются характером рельефа дна, параметрами антенны и скоростью судна. 5.2.3. Сила эхосигнала от морского дна Пусть на дно моря падает пучок звуковых волн, излученных вертикально антенной, обладающей акустической мощностью Pa, шириной диаграммы направленности θ0.7 и коэффициентом осевой концентрации K. Пусть глубина моря равна h, а дно характеризуется некоторым коэффициентом обратного донного рассеяния rs. Найдем интенсивность эхосигнала при непрерывном излучении, полагая, что прием осуществляется такой же антенной, как и излучающая, и антенны практически расположены в одной точке. При непрерывном излучении одновременно к приемной антенне будут приходить элементарные волны, рассеянные всеми площадками дна, попавшими в зону облучения. Если каждая элементарная площадка dS дна рассеивает в верхнее полупространство сферическую волну с мощностью Pas, то для элементар98

ной интенсивности dIs рассеянной волны получим формулу: dI s =

Pas 10−0,1βh . 2 2πh

(5.43)

Принимая во внимание закон энергетического сложения волн, считаем рассеянную мощность пропорциональной площади рассеивающего элемента дна и интенсивности падающей волны Pas = rs (θ ) I i ds , где rs(θ) – коэффициент обратного рассеяния по направлению θ, отсчитываемому от нормали к поверхности антенны. Если антенна имеет характеристику направленности D(θ), то для интенсивности падающей волны можно записать: Pa KD 2 (θ ) −0,1βh 10 Ii = . 4πh 2

(5.44)

Учитывая это, для элементарной интенсивности рассеянной волны получим: Pa Krs (θ ) D 4 (θ )10−0,2 βr ds dI s = . 8π 2 h 2

(5.45)

При вертикальном излучении элементарная площадка дна ds может быть определена из простых геометрических рассуждений (рис.5.6): h 2sinθ dθ dψ ds = . cos3θ

(5.46)

В этом случае для dIs имеем: Pa Krs (θ ) D 4 (θ )sinθ dθ dψ dI s = . (5.47) 8πh 2cos3θ Интегрируя это выражение по углу ψ от 0 до 2π и по углу θ от 0 до θ0,7/2, получим интенсивность эхосигнала при непрерывном вертикальном излучении: Iэ =

rs Pa Kη' −0,2 βh , 10 2πh 2

(5.48)

где η' – сомножитель, учитывающий влияние на силу эхосигнала направленных свойств приемной и излучающей антенн (0 < η' < 1).

99

Рис. 5.6. Элементарная отражающая площадка дна при нормальном облучении

Таким образом, при непрерывном излучении интенсивность эхосигнала от дна при вертикальной локации убывает обратно пропорционально квадрату глубины моря. При импульсном излучении интенсивность будет описываться следующим выражением: Iэ =

rsη' Pa10−0,2 βh . 8πh3

(5.49)

Следовательно, при импульсном излучении интенсивность донного эхосигнала убывает обратно пропорционально кубу глубины. Поэтому при импульсном излучении условия для получения сильных эхосигналов менее благоприятны, чем при непрерывном излучении.

Глава 6. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ 6.1. Классификация гидроакустических антенн

Гидроакустической антенной называют устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное излучение или прием звука в водной среде. Гидроакустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустических экранов, несущей конструкции и линий электрокоммуникаций. Гидроакустические антенны классифицируют по ряду признаков. По способу создания пространственной избирательности антенны подразделяют на интерференционные (непрерывные и дискретные), фокусирующие, рупорные и параметрические. Интерференционными называют антенны, поле излучения которых 100

формируется в результате интерференции акустических колебаний, вызванных в точке наблюдения различными участками колеблющейся активной поверхности антенны. Непрерывные – это антенны, нормальная составляющая колебательной скорости активной поверхности которых меняется непрерывно от точки к точке. К дискретным антеннам (или антенным решеткам) относят антенны, состоящие из отдельных преобразователей. Даже в тех случаях, когда преобразователи расположены почти вплотную (с минимальными зазорами), нормальная составляющая колебательной скорости на активной поверхности дискретной антенны претерпевает разрывы. Конструктивно непрерывную антенну можно выполнить и из дискретных преобразователей, если их излучающие поверхности соприкасаются с водой, например, через общую металлическую накладку. Параметры дискретных антенн при малых относительных расстояниях между центрами преобразователей можно рассчитывать по формулам, справедливым для непрерывных антенн. И непрерывные, и дискретные антенны подразделяют по геометрическим фигурам, которые образуют активные элементы, на линейные (антенны в виде отрезка, дуги, окружности и др.), поверхностные (плоская, цилиндрическая, сферическая, конформная и др.) и объемные. Фокусирующими называют антенны, пространственная избирательность которых образуется с помощью отражающих или преломляющих границ или сред, деформирующих фронт волны (например, из сферического в плоский). Фокусирующие антенны бывают зеркальными (рефлекторными) и линзовыми. Кроме того, фокусирующие антенны можно классифицировать по конфигурации рефлектора или линзы. Пространственно-избирательные свойства рупорных антенн, так же как и антенн рефлекторных, формируются с помощью отражающих поверхностей, однако в рупорной антенне не происходит деформации фронта волны, и роль отражающих стенок рупора сводится к концентрации акустической энергии в некотором пространственном угле. Направленность параметрических антенн создает интерференция колебаний разностной частоты, возникающей при нелинейном взаимодействии в воде акустических волн близких частот. По конструктивным особенностям антенны подразделяют на антенны с общим для всех преобразователей контуром герметизации и с раздельной герметизацией каждого преобразователя. Первые делят на антенны силовой и компенсированной конструкции. По типу конструкции антенны также подразделяют на антенны с собственной несущей конструкцией и антенны, устанавливаемые на носитель поэлементно или поблочно. По месту установки антенны делят на антенны корабельные (носовые, рубочные, килевые, бульбовые), береговые, донные, вертолетных станций, радиогидроакустических и гидроакустических буев и т. д. По способу обработки сигналов антенны подразделяют на антенны 101

аддитивные (компенсированные, некомпенсированные, имеющие амплитудно-фазовое распределение или не имеющие его и т. д.), мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптивные, антенны с синтезированной апертурой и др. Аддитивными называют приемные антенны, в которых до сумматора сигналы от отдельных элементов подвергаются только линейным операциям (фильтрации, изменению амплитуды и фазы или временной задержке), а напряжение на выходе сумматора детектируется и поступает на индикатор или какое-либо исполнительное устройство. В элементарных каналах мультипликативных антенн, кроме линейных, осуществляются и нелинейные операции (умножение, возведение в степень и др.), сумматор может быть не один, а напряжения с выходов сумматоров могут перемножаться друг с другом и затем поступать на индикатор. Самофокусирующиеся антенны имеют в отдельных каналах устройства изменения временных задержек, позволяющие автоматически настраивать антенну на максимум напряжения на выходе сумматора при размещении источника сигнала в произвольной точке пространства. Адаптивными называют антенны, имеющие автоматическое устройство, способное менять коэффициенты усиления каналов по амплитуде и временам задержки сигналов и обеспечивающее в условиях изменяющейся помехо-сигнальной ситуации максимизацию некоторого заранее заданного параметра (например, отношения сигнал/помеха (ОСП), точности пеленгования или др.). Антенны с синтезированной апертурой за время наблюдения перемещаются на некоторое расстояние, а обработка сигналов ведется таким образом, будто существует антенна, габариты которой определяются всеми положениями элементов реальной антенны за период наблюдения. Наиболее разработан синтез антенн известной конфигурации по заданной характеристике направленности (ХН) и антенн, обеспечивающих экстремум некоторого интегрального параметра (коэффициента концентрации, помехоустойчивости и т.д.). 6.2. Основные параметры гидроакустических антенн

6.2.1. Режим излучения В общем случае структурная схема тракта излучения имеет вид, изображенный на рис. 6.1 [8]. Электрическое напряжение с выхода задающего генератора (ЗГ) поступает на линию задержки (ЛЗ), с различных отводов ее подается на усилители мощности (УМ), а затем на преобразователи-излучатели (II) антенны.

102

Рис. 6.1. Структурная схема тракта излучения

Такое или подобное устройство обеспечивает подведение к излучателям антенны напряжений, которые в общем случае могут отличаться друг от друга по амплитуде и времени задержки. Нормальная составляющая колебательной скорости vq преобразователя с номером q определяется из системы уравнений [8]: vq =

UqN v zM + zqq + ∑ g zqg g =1 vq n

; q = 1,n ,

(6.1)

g ≠q

где Uq – напряжение, подводимое к преобразователю с номером q; N – коэффициент электромеханической трансформации; zM – механическое сопротивление преобразователя; zqq – собственное сопротивление излучения преобразователя с номером q; zqg – взаимное сопротивление излучения преобразователей с номерами q и g; п – общее число преобразователей в антенне. При выполнении условия независимости колебательных скоростей отдельных излучателей имеем: n

zM + zqq >> ∑

q =1 g ≠q

vg vq

zqg .

(6.2)

Из выражения (6.1) следует:

vq = U q N ( zM + zqq ) −1 ; q = 1,n .

(6.3)

Таким образом, при выполнении условия (6.2) нормальные составляющие колебательной скорости на поверхностях преобразователей пропорциональны подводимым к ним напряжениям. Условие независимости колебательных скоростей выполняется в случае, когда велико zM, т. е. при работе преобразователя на частоте, далекой от частоты механического ре103

зонанса, либо в случае, когда собственное сопротивление излучения преобразователя zqq значительно больше суммы взаимных сопротивлений с учетом коэффициентов vg/vq. Последнее условие, как правило, выполняется для антенны, состоящей из преобразователей со сравнительно большими волновыми размерами – более 0,5 – 0,7λ. При работе преобразователей (с волновыми размерами 0,5λ и меньше) вблизи или на частоте механического резонанса условие независимости колебательных скоростей обычно не выполняется и для определения vq необходимо решать систему уравнений (6.1). Давление, развиваемое антенной в дальнем поле (т. е. на расстоянии, большем 2L2/λ, где L – максимальный размер антенны) в направлении единичного радиуса-вектора u можно определить по формуле [8]: n

n

q =1

q =1

p (u ) = ∑ pq (u ) = ∑

vq p'q (u )

n

= v1 ∑ Aq p'q (u ) ,

(6.4)

q =1

где pq( u ) – давление, развиваемое излучателем с номером q, при заторможенных остальных преобразователях антенны; p'q( u ) – то же давление, отнесенное к колебательной скорости излучателя с номером q (т. е. p'q( u ) = pq( u ) vq); Aq = vq/v1 – коэффициент возбуждения. Коэффициент Аq в общем случае является величиной комплексной, поэтому вводится в рассмотрение: Aq = aqexp(iαq),

(6.5)

где aq – коэффициент амплитудного распределения; αq – коэффициент фазового распределения. Характеристикой направленности антенны D(u ) в режиме излучения называют зависимость отношения давлений, развиваемых ею в дальнем поле в текущем направлении u и некотором фиксированном направлении u 0 на одном и том же расстоянии от центра антенны [2, 8]: n

D(u ) =

∑ q =1 n

∑ q =1

n

Aq p'q (u )

Aq p'q (u 0 )

=

∑ Aq Dq (u )exp(−ik p q u )

q =1 n

∑ Aq Dq (u 0 )exp(−ik p q u 0 )

= R (u )eir ( u ) .

(6.6)

q =1

Модуль ХН R( u ) называют амплитудной ХН, фазу r( u ) – фазовой. В формуле (6.6) Dq( u ) – ХН элемента антенны с номером q, записанная относительно его центра, положение которого в пространстве определяет-

104

ся радиусом-вектором p q (рис. 6.2). Скалярное произведение векторов

p q u , равное разности хода лучей от начала координат и центра элемента с номером 0 до точки наблюдения, расположенной в дальнем поле, определяется как сумма произведений одноименных проекций: p q u = pqxux + pqyuy + pqzuz.

(6.7)

Антенну называют компенсированной в некотором направлении u 0 , если колебания от всех ее элементов складываются в точке наблюдения, расположенной в этом направлении, синфазно. Для обеспечения компенсации антенны в направлении u0 следует положить α q = −argp'q (u 0 ) . Характеристика направленности компенсированной в направлении u 0 антенны имеет вид [8]: n

n

D (u ) = (∑ aq | p'q (u 0 ) |) −1 ∑ aq | p'q (u ) | e q =1

i[arg p'q ( u ) −arg p'q ( u0 )

.

(6.8)

q =1

Рис. 6.2. Схема, показывающая разность хода лучей при излучении

При излучении немонохроматического сигнала, имеющего в точке приема в направлении u 0 спектральную плотность Fc(w), XH определяется выражением [2, 8]: w2

Rw (u ) = [ ∫ Fc ( w)d ( w)]

−1/2

w1

w2

[ ∫ Fc ( w)R 2 ( w,u )dw]1/2 ,

(6.9)

w1

где w1, w2 – нижняя и верхняя частоты излучаемого сигнала; R(w, u ) – значение амплитудной характеристики направленности антенны на частоте w в направлении u . 105

Акустическая мощность, излучаемая антенной, определяется выражением [8]: n n 1 n n 1 * P = ∑∑ vq vq zqg = A A* z 2 ∑∑ q g qg 2 q =1 g =1 2 | v1 | q =1 g =1

(6.10)

при zqg = rqg − ixqg =

1 vg

∫ pg dsq ,

(6.11)

sq

где pg – давление, развиваемое преобразователем с номером g на поверхности преобразователя с номером q; Zqg – комплексное взаимное сопротивление излучения преобразователей с номерами q и g; rqg – активное сопротивление излучения; xqg – реактивное сопротивление излучения; * – комплексное сопряжение соответствующей величины. Активное взаимное сопротивление излучения преобразователей антенны может быть определено и по формуле [8]:

rqg = [r 2 / ( ρc)] ∫ p'q ( u ) p'*g ( u )dΩ ,

(6.12)

Ω

где Ω – полный телесный угол; r – расстояние от центра антенны до точки наблюдения. Сопротивление излучения антенны относительно колебательной скорости первого ее элемента может быть записано в виде [8]: n

n

z = 2 P / | v1 |2 = ∑∑ Aq A*g zqg = rs − ixs ,

(6.13)

q =1 g =1

где rs и xs – активное и реактивное сопротивления излучения антенны. Коэффициентом концентрации антенны в направлении максимума ее характеристики направленности К( u 0 ) (осевым коэффициентом концентрации) называют отношение интенсивностей, создаваемых в этом направлении антенной и ненаправленным излучателем в дальнем поле на одном и том же расстоянии r, при излучении антенной и ненаправленным излучателем одинаковых активных мощностей. Коэффициент концентрации может быть определен по ХН антенны: K (u 0 ) = 4π [ ∫ R 2 (u )dΩ ]−1 , Ω

106

(6.14)

или по известным активному сопротивлению излучения rs и давлению, развиваемому антенной на расстоянии r в направлении u 0 , отнесенному к колебательной скорости первого элемента p'q ( u 0 ) [8]: n

2 ' 4πr | p (u 0 ) | 4πr 2 = K (u 0 ) = ρc ρc rs

∑

2

Aq p'q ( u 0

q =1 n n

∑∑

q =1 g =1

) .

(6.15)

Aq A*g rqg

Иногда вводят в рассмотрение коэффициент концентрации в некотором заданном направлении u 1 . Определяется K( u 1 ) в соответствии с соотношением:

K (u1 ) = K (u 0 ) R 2 (u1 ).

(6.16)

Электроакустическим коэффициентом полезного действия антенны называют отношение излучаемой активной акустической мощности к активной электрической мощности, подводимой к антенне. 6.2.2. Режим приема Структурная схема тракта приема изображена на рис.6.3. При падении звуковой волны от источника производительностью Q, расположенного вдали от антенны в направлении u , колебательные скорости поверхностей приемников vq определяются уравнениями [8]: vq (u ) =

Qpq (u ) v zM + zqq + ∑ g zqg g =1 vq n

; q = 1, n ,

(6.17)

g ≠q

где pq(u ) – давление, которое развивал бы в точке расположения источника производительностью Q преобразователь с номером q, если бы работал в режиме излучения, имея колебательную скорость, равную единице. Напряжение U'q, выделяемое на сопротивлении zi канала элемента с номером q, при внутреннем электрическом сопротивлении элемента Z0 определяют как произведение vq на коэффициент трансформации N и величину z0zi(z0 + zi)-1.

107

Рис. 6.3. Структурная схема тракта приема

При выполнении условия (6.2) система уравнений (6.17) распадается на ряд равенств: (6.18) vq( u ) = Qp'q(u )(zM+zqq)-1, откуда следует, что в случае независимости колебательные скорости преобразователей, а следовательно, и напряжения на их выходах пропорциональны силе, действующей со стороны поля на активные поверхности преобразователей, или давлениям, развиваемым ими в режиме излучения при работе с единичной колебательной скоростью в дальнем поле. Характеристикой направленности антенны в режиме приема называют отношение напряжений на выходе антенны при приходе сигнала от излучателя, расположенного в направлении u , и некотором выбранном направлении u 0 , обычно соответствующем максимуму сигнала [8]: n

n

D(u ) =

U (u ) = U (u 0 )

∑ AqU q' (u) q =1 n

∑ q =1

=

AqU q' (u 0 )

∑ Aqvq (u) q =1 n

∑ Aqvq (u 0 )

,

(6.19)

q =1

где Аq – отношение коэффициентов передачи в каналах с номерами q и 1, называемое (по аналогии с режимом излучения) коэффициентом возбуждения элемента с номером q. При выполнении неравенства (6.2) vq пропорционально p'q( u ), тогда n

D(u ) = [∑ q =1

Aq p'q (u 0 )]−1

n

∑ Aq p'q (u) .

(6.20)

q =1

В этом же виде можно записать характеристику направленности и при невыполнении условия независимости (6.2), но тогда коэффициент Aq определяется как произведение коэффициента передачи канала с номером q на величину n

( zM + zqq + ∑ vg vq−1 zqg ) −1 . q =1 g ≠q

108

Характеристика направленности приемной антенны в полосе частот w1, w2 при спектральной плотности сигнала в окрестности антенны Fc(w) определяется формулой [8]: w2

Rw (u ) = [ ∫

Fc ( w) M T2 ( w)dw]−1/2 [

w1

w2

∫ Fc (w)M T (w) R 2

2

( w,u )dw]1/2 ,

(6.21)

w1

где MT(w) – чувствительность приемного тракта, равная произведению чувствительности элемента антенны на коэффициент усиления тракта, т. е. отношению напряжения на выходе сумматора антенны к давлению в плоской волне, падающей на антенну с направления u 0 . Термин "характеристика направленности" обычно используется применительно к аддитивным приемным антеннам при расположении источника звука в дальнем поле, в случае же антенны с другой обработкой или при расположении источника звука в произвольной точке пространства говорят об "отклике" антенны. Помехоустойчивостью называют способность антенны в силу ее пространственной избирательности выделять сигнал на фоне помех. Помехоустойчивость k определяется отношением мощностей сигнала и помехи (PС и PП) на выходе сумматора антенны к мощностям сигнала и помехи (PС0 и PП0) на выходе ненаправленного приемника, находящегося в месте расположения антенны (когда она отсутствует). Помехоустойчивость антенны в дальнем анизотропном поле помех может определяться через пространственный спектр поля помех IП( u ) [2, 8]: k=

∫ I П (u )dΩ

PC PC 0 , = Ω : PП PП 0 ∫ I П (u ) R 2 (u )dΩ

(6.22)

Ω

C или пространственно-корреляционную функцию (ПКФ) сигналов Rqg П и помех Rqg : −1

⎡n n ⎤ ⎡n n ⎤ П * C к = ⎢∑∑ Aq A*g Rqg ⎥ × ⎢∑∑ Aq Ag Rqg ⎥ , ⎢⎣ q =1 g =1 ⎥⎦ ⎢⎣ q =1 g =1 ⎥⎦

(6.23)

где C Rqg = p'q (u 0 ) p'*g (u 0 );

П Rqg = ∫ I 'П (u ) p'q (u ) p'*g (u )dΩ ;

Ω

−1

I 'П (u )

⎡ ⎤ = ⎢ ∫ I П (u )dΩ ⎥ I П (u ) . ⎢⎣Ω ⎥⎦ 109

(6.24) (6.25)

В дальнем изотропном поле помех IП( u ) = 1 и, как следует из уравнений (6.22) и (6.14), помехоустойчивость равна величине коэффициента концентрации, а взаимно-корреляционная функция (ВКФ) помех на выходе элементов антенны с номерами q и gв в формуле (6.25) с точностью до постоянного сомножителя совпадает с активным взаимным сопротивлением излучения этих же элементов в формуле (6.12). Эффективность В приемного устройства в широком диапазоне частот при работе с типовым трактом режима обнаружения, в котором процесс с выхода сумматора подвергается квадратичному детектированию и затем усредняется во времени интегратором, определяется приращением напряжения на входе индикатора, вызванного появлением полезного сигнала, к корню квадратному из мощности флуктуации помех [8]: ⎡ w2

⎤ T −2 2 4 В= ⎢ FП ( w) M Т ( w)k dw⎥ 2π ⎢ w∫ ⎥⎦ ⎣ 1

−

1 2 w2

∫ FC (w)M Т (w)d (w), 2

(6.26)

w1

где k – помехоустойчивость антенны на частоте w; Т – время осреднения; FC(w) и FП(w) – спектральная плотность сигнала и помехи в окрестности антенны. Максимальная величина В наблюдается при МТ(w) = (w) FП−1 (w)k:

В=

1 ⎤2

⎡ w2

Т ⎢ ∫ FC2 ( w) FП−2 ( w)k 2 dw⎥ . 2π ⎢ w ⎥⎦ ⎣ 1

(6.27)

Требуемая чувствительность преобразователя приемной антенны определяется из условия превышения на выходе антенны в заданное число раз а напряжения от минимальных акустических помех (обычно шумов моря) над электрическими шумами первых каскадов предварительных усилителей. Исходя из предположения изотропности шумов моря и независимости электрических шумов усилителей необходимая величина чувствительности М определяется неравенством [2, 8]: M ≥а

UШ рП

K (u 0 ) , n

(6.28)

где п – число элементов антенны; UШ – напряжение электрических шумов, приведенное ко входу предварительного усилителя; pП – давление, создаваемое шумами моря. 110

6.3. Характеристики основных типов антенн, используемых в РПА

6.3.1. Дискретные эквидистантные решетки, состоящие из ненаправленных элементов, расположенных вдоль отрезка прямой

Характеристика направленности эквидистантной решетки, имеющей период d и состоящей из п ненаправленных элементов, при равномерном амплитудном распределении и компенсации в направлении α0 (угол а отсчитывается от плоскости, перпендикулярной линии расположения элементов и проходящей через центр решетки) описывается выражением [8]: D( z ) = sin nz / (nsin z ) ,

(6.29)

где z = (πd/λ) (sin α − sin α0). В частном случае п = 2, из формулы (6.29) следует: D (α ) = cos[(πd / λ )(sinα − sinα 0 )] .

(6.30)

Ширина ХН линейной эквидистантной решетки в основном зависит от волнового размера решетки l/λ=[d(n − 1)]/λ и угла компенсации практически не зависит при большом п от d/λ. Положение же в пространстве дополнительных максимумов ХН, равных основному, не зависит от числа элементов п и l/λ, но определяется отношением d/λ и углом компенсации α0 (mπ = z = πd(sinαm − sinα0)/λ, где m – номер максимума, равного единице). Первый боковой максимум ХН σ1 падает с ростом числа элементов п: так, σ1 = 0,33 при п = 3; σ1 = 0,27 при n = 4; σ1 = 0,22 при п = 6, при дальнейшем увеличении п σ1 остается практически постоянным. Ширина ХН линейной эквидистантной решетки, состоящей из п элементов, на уровне 0,707 меньше ширины характеристики непрерывной линии длиной l = (n − 1)d, но больше ширины ХН отрезка длиной nd. Величина α0,7 равна 2arcsin(0,25λ/d) при п = 2; 2arcsin(0,155λ/d) при п = 3 и 2arcsin(0,114λ/d) при n = 4. На рис. 6.4а показано изменение ХН линейной решетки, состоящей из четырех монополей, от d/λ (от 0,4 до 1,0) при α0 = 0, а на рис. 6.4б – при постоянном d/λ = 0,4 и разных углах α0. С ростом d/λ при постоянном п и α0 < π/2 сужение главного максимума ХН сопровождается появлением новых участков функции (пsinz)−1sinnz α = π/2 из "разрезов" плоскости вдоль направлений и α = − π/2. Если α0 = π/2, то при увеличении d/λ новые участки этой функции появляются только из "разреза" вдоль оси α = −π/2. В случае α0 = 0 новые единичные максимумы возникают при переходе d/λ через целое число 111

(d/λ = 1; 2 и т. д.), в случае α0 = π/2 – при переходе d/λ через число, кратное 0,5 (d/λ = 0,5; 1,0; 1,5 и т. д.). При фиксированных α0 и d/λ увеличение п приводит к сужению главного и равных ему единичных максимумов, при этом возрастает число боковых максимумов, меньших единицы. Из рис. 6.4 видно, что начиная с некоторого d/λ, зависящего от α0, появляется первый или минус первый максимум, равный единице. Условие их отсутствия имеет вид:

d/λ≤

n −1 1 , n 1+ | sinα 0 |

(6.31)

или при n >> 1 значение n ≥ l(1 + |sinα0|)/λ + 2.

Рис. 6.4. Характеристика направленности антенны, состоящей из 4-х монополей

Коэффициент концентрации линейной эквидистантной решетки в направлении α0 при равномерном амплитудном распределении определяется формулой [8]: 2⎡

−1

sinskd ⎤ , K (α 0 ) = n ⎢∑ es (n − s )cos( skdsinα 0 ) skd ⎥⎦ ⎣ s =0 n −1

(6.32)

где es = 1 при s = 0; es = 2 при s > 0; а при n >> 1 приближенным выражением: m2

K (α 0 ) = (2dn / λ )(∑η m ) −1 ,

(6.33)

m1

где ηm = 0,5 при |mλ/d + sin α0| = 1; ηm = 1 при |mλ/d + sin α0| < 1, а суммирование производится по всем m, для которых |mλ/d + sin α0| ≤ 1. 6.3.2. Дискретные плоские антенны 112

Характеристика направленности дискретной плоской антенны, состоящей из одинаковых элементов, определяется по теореме умножения, если известна направленность отдельного элемента. Взаимное сопротивление излучения плоских элементов в плоском бесконечном жестком экране определяется выражением [8]: zqg = (ρ cSЭ2 / λ 2 )

π − i∞ 2π 2

∫ ∫R 0

2

(θ,ϕ)expik[( xq − xg )sin θ cosϕ +

(6.34)

0

+ ( yq − y g )sin θ sin θ ]sin θdθd ϕ, где SЭ = |∫A(x,y)e−ik(xsinθcosφ + ysinθcosφ)dS| – эффективная площадь элемента; R(θ,φ) – характеристика направленности элемента; A(x,y) – амплитудно-фазовое распределение по поверхности элемента; xq, yq и xg, yg – координаты центров элементов с номерами q и g. В частном случае круглых поршней, имеющих радиусы r и разнесенных на расстояние lqg при А(х, у) = 1, имеем [8]:

Γ (m + n + 0,5) ⎛⎜ r ⎞⎟ zqg = 2 ρcπr 2 ∑∑ π 1/2 m!n! ⎜⎝ lqg ⎟⎠ m =0 n =0 ∞

∞

m+ n

J m+1 (kr ) J n+1 (kr )hm+ n (klqg ) , (6.35)

где Γ(х) – гамма-функция; hm+п(y) – сферическая функция Ханкеля. Взаимное сопротивление излучения прямоугольников, имеющих размеры h и dП, причем h >> λ и прямоугольники расположены так, что центры их лежат на одной прямой, перпендикулярной к стороне h, при равномерном амплитудном распределении определяется выражением: 2

zqg

∞ 2 ρchd П2 ⎡ sin(0,5kd П t ) ⎤ cos(kd qg t ) = dt . λ ∫0 ⎢⎣ 0,5kd П t ⎥⎦ 1− t2

(6.36)

Сопротивление излучения элемента бесконечной периодической двумерной плоской антенны определяется формулой [8]: z=

ρcSЭ2 d xd y

∞

∞

∑ ∑

n =−∞ m =−∞

R 2 (α n , β m ) 1 − α n2 − β m2

,

6.37)

при этом αn = nλ/dx + sinθ0cosφ0; βn = nλ/dy+sinθ0cosφ0; S Э = ∫ A( x , y )dS , s

где R(αn,βn) – ХН элемента антенны; dx и dy – расстояние между центрами соседних элементов вдоль осей х и у, а углы θ0 и φ0 определяют направление компенсации. Предполагая, что сопротивление излучения каждого элемента конеч-

113

ной антенны равно сопротивлению излучения элемента аналогичной бесконечной антенны, можно записать для антенны, состоящей из N элементов, выражение [8]:

K (θ 0 ,ϕ0 ) =

4πd x d y N

λ2

R 2 (α 0 , β 0 ) . ∞ R 2 (α n , β m )

∞

∑ ∑

n = −∞ m =−∞

(6.38)

1 − α n2 − β m2

В случае отсутствия равных основному максимумов ХН антенны, состоящей из ненаправленных элементов, расположенных в реальных центрах, активное сопротивление излучения элемента и коэффициент концентрации антенны соответственно определяется выражением: [8]: rs =

ρcSЭ2 R 2 (θ 0 ) 4πs ; K (θ 0 ) = 2 cosθ 0 . d x d y cosθ 0 λ

(6.39)

Аналогичные формулы для одномерной антенны, состоящей из прямоугольных элементов, размер которых h вдоль направления оси у значительно больше λ, имеют вид [8]: z=

ρcSЭ2 d xh

∞

∑

n = −∞

R 2 (α n ) 1−α

2 n

; K (θ 0 ) =

4πd x hN

λ2

R 2 (α 0 ) , ∞ 1 R 2 (α n )

Re

∑η

n =−∞

n

(6.40)

1 − α n2

где ηn = 2 при |αn| = 1; ηn = 1 при |αn| < 1.

6.3.3. Круговые цилиндрические антенны Рассмотрим несколько различных вариантов построения круговых цилиндрических антенн. 1. Фазовое распределение отсутствует, амплитудное – равномерно, рабочий сектор антенны равен 360º. ХН такой антенны в предположении выполнения условий теоремы умножения равна произведению ХН образующей и направляющей, имеющей вид [8]: n

Rn ( θ,ϕ ) =

∑ Rq ( θ,ϕ ) e q =1 n

−ikRsinθcos( ϕ−ψ q )

∑ Rq ( π / 2,ψ q )e

−ikRcosψ q

q =1

где n – общее число элементов вдоль окружности; 114

,

(6.41)

ψq – координата элемента с номером q, отсчитываемая от оси х, лежащей в плоскости окружности; Rq(θ,φ) – значение ХН элемента с номером q в направлении θ, φ; R – радиус антенны. При расстоянии между соседними элементами вдоль окружности l, меньшем λ/2, ХН в плоскости θ = π/2 (т. е. в плоскости х0у) обычно не зависит от Rq(θ,φ) и имеет вид, практически совпадающий с окружностью. При l > λ/2 может появиться заметная неравномерность ХН в плоскости х0у, существенно зависящая от l/λ. 2. Фазовое распределение отсутствует, антенна работает ограниченным сектором высоты H с центральным углом 2ψ0. Давление, развиваемое в данном случае в дальнем поле дискретной антенной, элементы которой расположены в m дугах по 2s + 1 в каждой дуге при расстоянии между центрами дуг dz и угловом расстоянии между соседними элементами внутри одной дуги δ, определяется формулой ]8]: m

p (θ ,ϕ ) = p0 ∑

S

∑ Rqg (θ ,ϕ − gδ ) Aqg exp[−ik ( Rsinθ cos(ϕ − gδ ) + qd z cosθ )] (6.42

q =1 g = − S

) где R – радиус антенны; p0Rqg(θ,φ−gδ) – давление, развиваемое элементом антенны в дальнем поле на расстоянии r, когда ХН элемента с площадью S имеет вид полусферы: ikρcv0 S ikr e . 2πr 3. Фазовое распределение обеспечивает компенсацию антенны в направлении φ0, θ0. В. этом случае давление, создаваемое антенной в дальнем поле, может быть определено по формуле (6.42), если положить аргумент коэффициента Aqg, т. е. aqg равным k[Rsinθ0cos(φ0 − gδ) + qdzcosθ0]. Если элемент цилиндрической антенны может аппроксимироваться прямоугольным участком цилиндрической поверхности, имеющим высоту h, угловую ширину 2ψ', заключенным в бесконечный жесткий цилиндрический экран, то при компенсации в направлении θ0, φ0 = 0 [8]: p0 Rqg (θ ,ϕ − gδ ) = −

m

R (θ ,ϕ ) =

S

∑ ∑ aqg p''qg (θ ,ϕ − gδ )exp[ik ( Rsinθ0 cosgδ + qd z cosθ 0 )]exp(−ikdd z cosθ ) q =1 g = − S

m

S

∑∑

aqg p''qg (θ 0 q =1 g = − S

. (6.43)

− gδ )exp(ikRsinθ 0 cosgδ )

Когда амплитудное распределение aqg представим в виде aqag, формулы, определяющие ХН компенсированного сектора, можно записать в соответствии с теоремой умножения. Это будет произведение ХН ком115

пенсированного ряда элементов антенны вдоль направляющей и ХН линейной решетки ненаправленных элементов, расположенных в центрах рядов и имеющих амплитудное распределение aq. Увеличение расстояния между центрами соседних элементов приводит к увеличению «ореола» (широкого лепестка) ХН на углах φ > 80...90°, причем с ростом d/λ «ореол» увеличивается и смещается в сторону меньших φ. Амплитудное распределение в большей мере влияет на величину первых добавочных максимумов, чем на величину «ореола». Коэффициент концентрации цилиндрической антенны высотой Н >> λ, имеющей равномерное амплитудное (aq = 1) и линейное фазовое распределение вдоль образующей, может быть определен по формуле [8]:

K (θ 0 ) =

2π

2H

λ

n2

2π

n1

0

,

(6.44)

∑ηn ∫ Rн2 (θn ,ϕ )dϕ

где Rн(θn, φ) – ХН направляющей; ηn= 0,5 при cos2θn; ηn = 1 при cos2θn < 1; cosθn = nλ/dz + cosθ0; суммирование ведется по таким п, для которых выполняется условие |nλ/dz + cos θ0| ≤ 1 (dz – расстояние между центрами соседних рядов вдоль образующей). 6.3.4. Параметрические антенны В режиме излучения на параметрическую антенну, которая в простейшем случае имеет вид круглого поршня, подаются напряжения двух высоких частот f1 и f2. В результате нелинейного взаимодействия волн этих частот в среде образуются волны суммарных и разностных частот, а вдали от излучателя из-за большего затухания высоких частот наибольшей амплитудой будет обладать волна разностной частоты fр = f1 – f2. На частоте fр формируется ХН, значительно более острая, чем для этой же антенны в линейном режиме, и добавочные максимумы ХН имеют очень малую величину. Длину зоны взаимодействия lв можно определить как величину, обратную среднеарифметическому коэффициенту поглощения на частотах f1 и f2, а ширину ХН на уровне 0,7 определить по формуле [8]: 2θ0,7 ≈ 1,6(λр/lв)1/2,

(6.45)

где λр – длина волны на разностной частоте. Амплитудная ХН определяется так [8]: R (θ) = [l + (kрlв)2 sin4 (θ/2)]-1/2,

(6.46)

где kp – волновое число, соответствующее разностной частоте. В режиме приема параметрическая антенна формирует направлен116

ность следующим образом. На расстоянии L друг против друга устанавливают излучатель и приемник, излученная волна высокой частоты взаимодействует с волной сигнала, распространяющегося в среде. В результате нелинейного взаимодействия этих волн образуются колебания различных частот, откуда, выделяя в схеме обработки сигнал разностной частоты в случае L < lв, можно сформировать ХН вида [8]: D(θ) = [0,5kL(1 − cosθ)]−1sin [0,5 kL (1 − cosθ)].

(6.47)

В этом случае полная ширина ХН определяется формулой [8]: 2θ0,7 ≈ 1,88(λ/L)1/2.

(6.48)

Параметрические антенны целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется создать направленное излучение небольшой мощности, используя антенну малых размеров. В режиме приема использование параметрической антенны позволяет уменьшить массу антенны и ее стоимость.

Глава 7. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 7.1. Классификация и характеристики преобразователей

Излучение и прием акустических волн в гидроакустических приборах производится электроакустическими преобразователями, обладающими способностью преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Гидроакустический преобразователь представляет собой колебательную систему, предназначенную для излучения и приема акустических сигналов в водной среде. По назначению преобразователи делят на излучатели, приемники и обратимые преобразователи [8]. По принципу преобразования энергии различают пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электромагнитные, электростатические преобразователи. По структуре колебательной системы преобразователи делят на стержневые, пластинчатые, цилиндрические, сферические. По конструктивному исполнению преобразователи подразделяют на силовые и компенсированные. Стержневые системы содержат свободный электромеханически активный стержень (рис.7.1а) или стержень с одной (рис. 7.1б), двумя (рис.7.1в) накладками или с некоторым числом слоев из пассивного материала. В таких системах возбуждаются продольные колебания по оси стержня с определенным распределением амплитуд и упругих напряжений, причем колебания считают поршневыми. 117

Рис. 7.1. Типы гидроакустических преобразователей

Пластинчатые системы выполняют в виде прямоугольной (рис. 7.1г) или круглой (рис. 7.1д) пластин, колеблющихся по толщине, а также в виде пластин с опорой на две противоположные грани (рис. 7.1е) или на окружности (рис. 7.1ж), совершающих поперечные колебания изгиба. В цилиндрических системах, которые образуют кольца из активного материала, могут возбуждаться радиальные пульсирующие колебания (рис. 7.1з), осциллирующие (рис. 7.1и) и изгибные с четырьмя узлами по окружности (рис. 7.1к). Сферическая система представляет собой тонкую, однородную сферическую оболочку (рис. 7.1л), совершающую радиальные пульсирующие колебания. В силовых конструкциях (рис. 7.2а) забортное гидростатическое давление благодаря механической трансформации вызывает в активном элементе 2 одностороннее напряжение (сжатие), так как внутренний объем 3 корпуса 4 заполнен воздухом при нормальном атмосферном давлении [8]. В компенсированных конструкциях (рис. 7.2б) активный элемент испытывает равномерное всестороннее сжатие, равное забортному гидростатическому давлению, поскольку внутренний объем 3 заполнен газом или жидкостью при этом же давлении [8].

Рис. 7.2. Силовые и компенсированные конструкции

118

Преобразователи-излучатели оцениваются рядом качественных показателей работы, среди которых [8]: – акустическая мощность Ра – количество звуковой энергии, излучаемой преобразователем в единицу времени. Величину Ра, отнесенную к единице площади излучающей поверхности, называют удельной акустической мощностью – Ра.уд; – электроакустический КПД ηэ.а – отношение излучаемой акустической мощности к активной электрической мощности Рэ, потребляемой преобразователем от генератора возбуждения; – входное электрическое сопротивление Z – отношение приложенного напряжения Uк к силе тока I в цепи излучателя; – характеристика направленности – оценка пространственного распределения поля, представляющая собой отношение создаваемого излучателем звукового давления в дальнем поле к максимальному значению в зависимости от угловых координат точки наблюдения; – коэффициент осевой концентрации К0, – отношение интенсивности звука, создаваемой излучателем по направлению главного максимума в точке дальнего поля, к интенсивности ненаправленного излучателя с такой же излучаемой мощностью на том же расстоянии. Преобразователи-приемники характеризуются рядом показателей работы, среди которых [8]: – чувствительность М определяет напряжение холостого хода на выходе преобразователя, отнесенное к воздействующему на него звуковому давлению в неискаженном свободном поле плоской волны; – электрическое сопротивление Z устанавливает соотношение между напряжением, развиваемым на выходе приемника, и силой тока в его цепи; – характеристика направленности – нормированное по отношению к максимуму угловое распределение чувствительности приемника; – коэффициент концентрации К0 – отношение квадрата чувствительности в максимальном направлении к среднему квадрату чувствительности во всех направлениях (для обратимых преобразователей коэффициенты концентрации в режимах излучения и приема численно равны); – удельная чувствительность М уд = М / | Z i | (в данном выражении М – чувствительность холостого хода; |Zi| – модуль внутреннего (выходного) сопротивления приемника, характеризующей его помехоустойчивость к шумам электрических цепей. Все вышеперечисленные параметры преобразователей зависят от частоты. Наибольшее распространение в гидроакустической технике получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. 119

7.2. Магнитострикционный эффект

В некоторых ферромагнитных материалах (никель, кобальт, железо, пермаллои и др.) под воздействием магнитного поля возникают механические напряжения. В результате этого образцы указанных материалов могут претерпевать линейную и объемную деформации, а также деформацию кручения. В гидроакустике практический интерес представляет линейная продольная деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Это явление было описано в 1842 г. английским ученым Дж. П. Джоулем и называется прямым магнитострикционным эффектом, или эффектом Джоуля. Характер и степень деформации различны и зависят от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Относительная деформация Δl/l некоторых ферромагнитных стержней длиной l в зависимости от напряженности магнитного поля представлена на графике (рис. 7.3). Если стержень из ферромагнитного материала претерпевает деформацию сжатия (никель – Ni), то магнитострикцию называют отрицательной. При положительной магнитострикции под действием возрастающей напряженности магнитного поля ферромагнитный стержень удлиняется (пермаллои). Некоторые ферромагнитные образцы имеют переменный знак магнитострикции. К таким материалам могут быть отнесены железо (Fe) и кобальт литой (Со). Соответствующие им кривые на графике имеют экстремальные точки.

Рис. 7.3. График относительной деформации ферромагнитных стержней

Деформации любого образца ограничиваются пределом, называемым магнитострикционным насыщением. Величина деформации насыщения и напряжение магнитного поля, при котором наступает насыщение, неодинаковы у различных материалов. Так, например, магнитострикционное насыщение у никеля значительно больше по сравнению с кобальтом, и наступает оно при меньших значениях магнитной индукции. Экспериментально 120

доказано, что на магнитострикционные свойства эффективно влияет термическая обработка – в результате отжига величина магнитострикции повышается у всех материалов. Для никеля оптимальная температура отжига, максимально повышающая магнитострикцию, равна 850ºС. Установлено также, что с повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает и в точке Кюри исчезает совсем. Наряду с эффектом Джоуля ферромагнитным материалам присущ обратный магнитострикционный эффект, или эффект Виллари, сущность которого заключается в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. С молекулярно-кинетической точки зрения явление магнитострикции элементарно можно объяснить следующим образом. Кристаллографические оси множества малых однородных кристаллов ферромагнетика ориентированы в пространстве беспорядочно. Однако отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены. В магнитном отношении домены не нейтральны, так как ниже точки Кюри намагниченность возникает в них спонтанно (самопроизвольно). Магнитные моменты каждого домена имеют определенную ориентацию. Так, в никеле магнитные моменты доменов ориентируются по четырем диагоналям куба в восьми направлениях. Эти направления называют "направлениями легчайшего намагничивания". Если образец из ферромагнитного материала не намагничен, то благодаря беспорядочной ориентировке магнитных моментов доменов суммарный магнитный момент равен нулю. Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Большинство из них ориентируется в тех "направлениях легчайшего намагничивания", которые составляют наименьший угол с направлением внешнего поля. При дальнейшем увеличении напряженности поля магнитные моменты доменов ориентируются в сторону внешнего поля. В результате происходит деформация кристаллической решетки и размеры образца изменяются, что соответствует прямому магнитострикционному эффекту. Вполне очевидно, что при механическом воздействии на ферромагнетик кристаллическая решетка деформируется, в связи с чем меняется ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему полю. Это сопровождается изменением степени намагниченности предварительно намагниченного ферромагнетика, что соответствует обратному магнитострикционному эффекту. В гидроакустических приборах магнитострикционные преобразователи широко применялись в 60 – 70-х гг. Прямой магнитострикционный эффект положен в основу преобразователей-излучателей. На принципе обратного магнитострикционного эффекта действуют преобразователиприемники. Для изготовления преобразователей пригодны лишь те магнитострикционные материалы, которые имеют достаточно выраженный магни121

тострикционный эффект и обладают большой механической прочностью. К таким материалам прежде всего относятся никель и никелевые сплавы: пермаллои (Ni – 40% и Fe – 60%), инвар (Ni – 36% и Fe – 64%), монель (Ni – 68%, Cu – 28% и Fе, Si, Mn – 4%) и др.; керамики, называемые ферритами, в состав которых входят окиси цинка (ZnO), никеля (NiO) и железа (Fе2О3). Однако гидроакустические преобразователи изготовляются преимущественно из никеля, так как он антикоррозиен в морской воде и хорошо обрабатывается. Магнитострикция является четким эффектом, что означает постоянство знака деформации при изменении полярности магнитного поля. Если по соленоиду, внутри которого находится никелевый стержень, пропускать переменный ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Если такой стержневой преобразователь-излучатель предварительно подмагнитить, т. е. поляризовать, то под действием возбуждающего переменного поля преобразователь будет колебаться в такт с изменениями поля. На рис. 7.4 представлены характеристики неполяризованного (а) и поляризованного (б) преобразователей. Поляризованный вибратор (по сравнению с неполяризованным) позволяет получить большие деформации при одинаковых амплитудах переменного магнитного поля. Кроме того, в случае поляризации не обязательно менять знак возбуждающего поля, можно изменять только величину напряженности магнитного поля любой полярности.

Рис. 7.4. Характеристики неполяризованного и поляризованного преобразователей

Магнитострикционные приемники имеют такие же характеристики, как и излучатели. Нормальная работа принимающего преобразователя возможна только при условии его подмагничивания. В поисковых гидроакустических приборах поляризующее магнитное поле создается постоянными магнитами или введением специального источника постоянного тока, кото122

рый периодически может подключаться наблюдателем либо автоматически в момент посылки импульса. Кроме того, в преобразователяхприемниках используются магнитострикционные материалы с большой остаточной магнитной индукцией. К таким материалам относятся сплавы: пермендюр 2V (Fe – 49%, Co – 49% и V – 2%) и гиперко (Со – 34,5 − 35,5%, Сr – 0,4 − 0,5% и Fе – остальное). Для повышения эффективности действия излучателя и приемника частоту внешнего возбуждения подбирают равной частоте собственных колебаний преобразователей. В этом случае преобразователи работают в условиях резонанса, характеризуемого максимальной амплитудой вынужденных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он сделан. Для нахождения этой зависимости воспользуемся уравнениями интерференции. Допустим, что к стержню длиной l, помещенному в воду, с торца периодически прикладывается возбуждающая сила, которая создает продольные упругие колебания. В результате отражения волн от противоположной торцовой поверхности создается стоячая волна. Изменяя частоту внешних возбуждений, доводим ее до резонансной, при которой мощность излучений в воду максимальна. Это происходит тогда, когда в плоскости отражения находится пучность давления, что соответствует условию kх = пπ. После подстановки в это равенство значений k = w/c и х = 1 получаем формулу для собственной частоты стержня [4]: n E . (7.1) 2l ρ Обычно в практике используется основная гармоника n = 1. Преобразователи гидроакустических приборов из целого куска металла не делаются, так как в них происходят большие потери энергии на магнитный гистерезис и вихревые токи. Поэтому пакеты вибраторов набираются из тонких пластин (0,1 мм) отожженного никеля, потому что при отжиге не только повышается магнитострикционный эффект, но и снижаются потери на гистерезис. Кроме того, оксидный слой является хорошим изолятором. В гидроакустических приборах наиболее часто применяются полосовые (стержневые) и кольцевые преобразователи. В полосовых преобразователях пакеты набираются из прямоугольных, чаще всего никелевых пластин с вырезами (рис. 7.5). На каждый стержень пакета укладывается обмотка. Соседние обмотки согласуются так, чтобы магнитные силовые линии, создаваемые в них током, суммировались. Количество стержней в преобразователях может быть различным. При наличии в пакете более двух стержней ширина крайних делается в два раза меньше средних, такак через них проходят магнитные потоки, составляющие половину потока в любом среднем стержне. Выступы в средней, нейтральной, части пакета (или по краям) служат для крепления его в корпус вибратора. Верхняя неf =

123

рабочая поверхность пакета обычно заглушается резиновой прокладкой. Пакет полосового преобразователя можно рассматривать как комбинацию упругих стержней, нагруженных дополнительными накладками. Собственная частота (основного тона) колебаний пакета в связи с этим будет несколько занижена по сравнению с собственной частотой свободного стержня и может быть приближенно определена по формуле [4]: f = 0,16

SE , h1 (mн + mc / 3)

(7.2)

где mн и mс – масса накладки и стержня, г; h1 – половина длины стержня, см; E – модуль упругости, дин/см2; S – площадь поперечного сечения стержня, см2.

Рис. 7.5. Структура полосовых преобразователей

Электрическая энергия, потребляемая излучателем, сначала превращается в механическую энергию колебания стержней, а затем механическая превращается в акустическую. Каждое из этих превращений связано с потерей энергии. Поэтому мощность электрического импульса Pэ, вырабатываемая генератором, расходуется на акустическое излучение Pa, а также на электрические Pn.э и механические Pn.м потери, т. е. Pэ = Pа + Pn.э + Pn.м.

(7.3)

Механические потери мощности обусловлены внутренним трением в материале преобразователя и в местах его крепления, а электрические – нагреванием обмотки при прохождении тока, магнитным гистерезисом и образованием вихревых токов. Объединенную мощность акустического излучения и механических потерь обычно называют механической мощностью Pм = Pа + Pn.м. Эффективность работы преобразователя оценивается электроакустическим коэффициентом полезного действия ηэ.а = Pa/Pэ. Величина ηэ.а включает в себя электромеханический и механи124

ко-акустический КПД. Соотношение между этими тремя КПД выражается равенством ηэ.а = ηэ.м + ηм.а. Значения ηэ.м = Pм/Pэ и ηм.а = Pа/Pм определяются экспериментально по резонансным кривым мощности. Электроакустический КПД магнитострикционных преобразователей находится в пределах ηэ.а = 30−50%. Каждый приемный преобразователь, представляющий собой резонансную колебательную систему, имеет определенную полосу пропускания частот Δf, которая равна разности частот точек резонансной кривой, соответствующих половинной мощности (по отношению к резонансной) [4]: Δf = fрез/Q,

(7.4)

где fрез – резонансная частота; Q – механическая добротность преобразователя. Из данного выражения видно, что острота резонансной кривой зависит от резонансной частоты и добротности преобразователя, являющейся функцией соотношения акустических сопротивлений пакета преобразователя и воды. Для получения меньшего искажения эхо-импульса полосу пропускания необходимо увеличивать, с целью же подавления помех – уменьшать. Чувствительность полосового одностороннего магнитострикционного преобразователя-приемника зависит от многих факторов, относящихся к качеству магнитострикционных материалов и конструкции преобразователя, а также от акустического сопротивления среды. Чувствительность повышается при увеличении числа витков на стержнях. Поэтому в преобразователях-приемниках иногда делают обмотки с большим числом витков, чем у излучателей, при этом используется провод меньшего сечения, так как токи в обмотках невелики. Пакет кольцевых преобразователей также набирается из тонких отожженных никелевых колец с отверстиями и представляет собой цилиндр с тороидальной обмоткой, проходящей через отверстия и внутреннюю полость пакета преобразователей (рис. 7.6).

а)

125

б)

Рис. 7.6. Структура кольцевых преобразователей

При прохождении тока по обмотке силовые линии замыкаются по окружностям колец. В результате пакет совершает радиальные колебания, создавая цилиндрические волны. Для того чтобы направить акустические колебания в сторону дна моря, пакет 1 устанавливается в пустотелом отражателе 2, имеющем форму усеченного конуса с углом раствора около 45°. Распространение волн к оси цилиндра исключается, так как внутренняя полость заглушается звуконепроницаемой прокладкой. Цилиндрический пакет вместе с отражателем устанавливается вертикально в танке 3, который приваривается к днищу 4 и заполняется пресной водой. Для глубоководных эхолотов с кольцевыми вибраторами корпус судна под отражателем вырезается и приваривается тонкая мембрана, имеющая больший коэффициент прохождения. К недостаткам магнитострикционных преобразователей относятся: – ограничение верхней предельной частоты (практически – fпред = 60 кГц); – малый электроакустический КПД, который к тому же уменьшается с увеличением частоты; – низкая чувствительность приемника; – сравнительно сильная зависимость собственной частоты от температуры (с увеличением температуры частота уменьшается); – необходимость подмагничивать преобразователь при излучении больших мощностей и при приеме. 7.3. Пьезоэлектрический эффект

В 1880 г. Пьером и Марией Кюри было открыто физическое явление, сущность которого состоит в том, что при деформации сжатия или растяжения (в определенных направлениях) на поверхности некоторых кристаллов появляются электрические заряды, величина которых пропорциональна степени деформации, а их полярность зависит от знака деформации. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Если такой же кристалл поместить в электрическое поле, то он будет претерпевать деформацию или механическое напряжение. Величина и знак деформации соответственно зависят от напряженности электрического поля и его полярности, создавая обратный пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект присущ кристаллам кварца (SiO2), сегнетовой соли (NaKС4H4O6 · 4Н2O, кристаллы которой выращиваются искусственным путем), дигидрофосфата аммония (NH4H2PО4), кристаллы выращиваются искусственным путем), керамике титаната бария (ВаТiO4), которая получается путем обжига при температуре 1400˚С смеси порошков двуокиси титаната (ТiO2) и углекислого бария (ВаСО3) и др. Общим для всех пьезоэлектриков является наличие одной или не126

скольких полярных (электрических) осей. Под полярной осью в кристаллографии понимается линия с неравноценными концами, проходящая через противоположные неравнозначные ребра кристалла. Неравноценность концов полярной оси обуславливается тем, что при развороте кристалла на 180° вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, его очертания и расположение граней до поворота не повторяются. Рассмотрим пьезоэффект кварца. Кристалл имеет три электрические оси X1, Х2, Х3 (рис. 7.7а). Неравнозначность его ребер следует из того, что у одного из двух противоположных ребер имеются маленькие грани a и b. Ось Z кристалла называется оптической. Через точку пересечения взаимно перпендикулярных осей X1 и Z проведем нормальную ось Y, которая называется механической. Вырежем из кристалла прямоугольную пластинку так, чтобы ее грани были перпендикулярны трем указанным осям, причем грань, нормальная с осью X1 должна быть наибольшей (рис. 7.7б). Пластинки, вырезанные таким образом, называются пластинками X-среза или среза Кюри. Приложим к граням, нормальным к оси X, внешнее давление рх. В результате прямого пьезоэффекта на гранях появляются электрические заряды, что соответствует прямому продольному пьезоэффекту, так как направление давления совпадает с электрической осью. Величина зарядов qx, приходящихся на единицу поверхности, пропорциональна давлению [2]: qx = dxpx,

(7.5)

где dx – коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем.

а)

б)

Рис. 7.7. Структура кристалла кварца

Общее количество электрических зарядов Qx, возникающих на всей поверхности грани, определяется формулой: Qx = qxbl = dxpxbl = dxFx, 127

(7.6)

где b и l – соответственно ширина и длина пластинки; Fx – механическая сила, приложенная к грани bl. Если давить на пластинку в направлении оси Y, то на поверхности грани bl также появляются электрические заряды, знак которых противоположен по сравнению с продольным пьезоэффектом. Это так называемый прямой поперечный пьезоэффект (направление внешнего усилия перпендикулярно к оси X). Количество электрических зарядов qx, отнесенных к единице площади bl, пропорционально давлению рy− qx = − dxpy. Общее число зарядов, возникающих на поверхности bl при поперечном пьезоэффекте, определяется по формуле [2]: 1 Qx = −dxpybl = −dx Fy, h

(7.7)

где h – толщина пластинки; Fy – механическая сила, приложенная к грани bl. Знак минус в формуле свидетельствует о том, что при одинаковых деформациях, создаваемых силами Fx и Fy, знаки электрических зарядов на поверхностях пластин противоположны. Из сравнения формул (7.6) и (7.7) становится очевидным, что поперечный пьезоэффект (в отличие от продольного) зависит от соотношения длины и толщины пластинки. Для выражения прямых – продольного и поперечного пьезоэффектов через разность потенциалов U воспользуемся известными физическими соотношениями [2]: Q=

4π Q ESε h, и U = Eh, или U = Sε 4π

(7.8)

где Q – количество электрических зарядов; E – напряженность электрического поля; ε – диэлектрическая проницаемость; h– расстояние между пластинками (толщина пластины); S – площадь пластины (грани). Подставляя значения Qx из формул (7.6), (7.7) в выражение (7.8), получаем: – для продольного пьезоэффекта: U = 4π

dx

ε

hpx ;

(7.9)

– для поперечного пьезоэффекта: U = 4π

dx

ε

hp y .

128

(7.10)

Для исследования обратного пьезоэффекта кварца ту же пластинку Хсреза поместим в электрическое поле так, чтобы ось Х совпадала с направлением электрического поля. Под воздействием электрического поля пластинка деформируется по направлению Х и У. Относительная деформация пластинки в направлении оси X, соответствующая обратному продольному пьезоэффекту, зависит от напряженности электрического поля Еx, [2], т. е.

Δh h

= d x Ex .

(7.11)

Отсюда абсолютная величина изменения толщины пластинки выражается равенством Δh = dxU. Относительная деформация в поперечном направлении (по оси Y) так же пропорциональна напряженности электрического поля Еx:

Δl l а абсолютная равенством:

величина

= d x Ex ,

изменения

длины

1 Δl = −dxExl = dx U. h

(7.12) пластины

выражается

(7.13)

Из этой формулы видно, что степень деформации в направлении оси Y (при обратном поперечном пьезоэффекте) находится в прямой зависимости от отношения длины пластинки к ее толщине. Наряду с линейным пьезоэлектрическим эффектом для некоторых кристаллов (например, сегнетовой соли), характерна квадратичная (электрострикционная) связь между механическим напряжением и электрической поляризацией в определенном диапазоне температур. Верхнее и нижнее значения температуры называются точками Кюри (для сегнетовой соли они равны 24 и −18°С). Указанный эффект присущ сегнетоэлектрикам, для которых характерна спонтанная поляризация (для сегнетовой соли в диапазоне между верхней и нижней точками Кюри), создающая внутреннее электрическое поле с достаточно высокой электрической напряженностью. За пределами указанного температурного диапазона зависимость между электрическими и механическими величинами линейная. В пределах сегнетоэлектрической фазы линейная связь между механическими и электрическими величинами может быть получена в результате наложения переменного возникающего электрического поля (при прямом эффекте) или приложенного электрического поля (при обратном эффекте) на высокое постоянное электрическое поле спонтанной поляризации. 129

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают и кристаллы титаната бария при температуре ниже 120°С (120°С – точка Кюри титаната бария). При температуре t > 120°С титанат бария имеет кубическую структуру (рис. 7.8), не обладает спонтанной поляризацией и не является сегнетоэлектриком. При t ≤ 120°С структура становится тетрагональной а элементарная ячейка кристаллической решетки, имевшая кубическую форму, принимает форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. В процессе этой деформации ион титана оказывается не в центре ячейки, а в одном из двух устойчивых положений. Этим двум возможным позициям (А и В на рис. 7.8) соответствует спонтанная поляризация противоположных знаков. Под действием переменного электрического поля ион титана может переместиться с позиции А в позицию В и наоборот. При температуре 4°С происходит второй фазовый переход, при котором структура из тетрагональной превращается в орторомбическую. На основе кристаллического титаната бария была создана керамика титаната бария, представляющая собой смесь керамического и поликристаллического материалов с первоначально хаотическим расположением монокристаллов. Подвергая поликристаллический титанат бария воздействию внешнего постоянного электрического поля при температурах, лежащих в области точки Кюри, можно изменить направление спонтанной поляризации в отдельных монокристаллах, ориентировав спонтанную поляризацию в них по направлению внешнего приложенного поля. При сравнительно длительном воздействии на керамику постоянного электрического поля в ней после снятия поля сохраняется остаточная поляризация, вследствие чего керамика становится в известной степени подобной однодоменному монокристаллу и, в частности, приобретает свойства пьезоэлектрического вещества.

Рис. 7.8. Структура кристалла титаната бария: 1 – барий, 2 – кислород, 3 – титан

Описанный технологический процесс называется поляризацией керамики, а керамика, подвергнутая такой обработке, называется поляризованной. Наложение незначительного переменного сигнала на большое 130

поляризующее поле позволяет получить линейную зависимость между деформацией и напряженностью поля. Пьезокерамика титаната бария без специальных добавок обладает невысокой остаточной поляризацией, температурной нестабильностью физических свойств, низким значением верхнего предела температуры (70−80°С). Добавление 3 или 4% титаната свинца позволяет получить гораздо более постоянную остаточную поляризацию. Если обычную керамику из титаната бария можно деполяризовать отрицательным полем напряженностью 5000 В/см, то при добавлении 4% титаната свинца происходит лишь незначительное снижение остаточной поляризации даже при больших отрицательных полях порядка 15000 В/см. При добавлении 0,75% углекислого кобальта к керамике состава ВаТiO3 + СаТiO3 получается материал с весьма малыми диэлектрическими потерями. Введение в состав керамики титаната бария примесей из веществ, принадлежащих к классу сегнетоэлектриков, приводит к образованию твердых растворов с качественно новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов-добавок. Такими добавками могут быть титанаты свинца, стронция, циркония. Твердые растворы на основе титаната и цирконата свинца получили наименование составов ЦТС. Они характеризуются высокими пьезоэлектрическими свойствами, малыми диэлектрическими потерями, температурной и временной стабильностью. Разработаны также пьезоэлектрические составы, не содержащие титана, которые по своим упругим и пьезоэлектрическим свойствам пригодны для создания преобразователей. К таким материалам относится, например, твердый раствор на основе метаниобата свинца (PbNb2O6). При изготовлении пьезокерамики входящие в нее материалы предварительно тонко измельчают и смешивают в надлежащем количественном соотношении. Из полученной массы прессуют заготовки для пьезоэлементов той или иной формы и обжигают их при 1350 − 1450°С. После обжига участки поверхности заготовки, предназначенные для нанесения электродов, покрывают слоем серебра. Технология изготовления пьезокерамики такова, что позволяет производить поляризацию пьезокерамики в любом направлении и получать образцы самых разнообразных форм и размеров. Наиболее широко используются преобразователи пластинчатой, стержневой и цилиндрической форм. Собственная частота любого пьезоэлектрика определяется отношением скорости в кристалле (керамике) к удвоенному значению размера пластины, в направлении которого совершаются упругие колебания [2]: fh =

ch c и fl = l . 2h 2l

(7.14)

Анализ различных пьезоэлектрических преобразователей можно про131

водить на основе прямого решения волнового уравнения с привлечением граничных (механических и электрических) условий. Однако часто более удобным оказывается использование метода эквивалентных схем, при котором как электрические, так и механические параметры преобразователя представляются в виде электрических эквивалентов. Метод эквивалентных схем имеет определенные преимущества по сравнению с непосредственным решением волнового уравнения, которые заключаются в возможности привлечения эффективных методов теории электрических цепей, а также в том, что частично задача решается уже на этапе ее постановки. Однако в каждой конкретной задаче необходимо выяснить, совпадают ли ее граничные условия с теми условиями, которые использовались при первоначальном выводе эквивалентной схемы. Применение метода эквивалентных схем может дать такие же точные результаты, как и непосредственное решение волнового уравнения. Для этого элементы эквивалентной схемы следовало бы рассматривать как параметры соответствующих электрических длинных линий, что позволяет учитывать более высокие моды колебаний. Если при таком подходе исходные условия задачи для обоих методов совпадают, то эквивалентная схема может рассматриваться как точное представление электромеханического преобразователя. Эквивалентные схемы пьезоэлектрических преобразователей различных типов могут быть построены с использованием уравнения движения упругого пьезоэлемента и соответствующих уравнений пьезоэффекта. Граничные условия уравнений для двух активных, или нагруженных, поверхностей преобразователя и уравнение пьезоэффекта после интегрирования позволяют получить систему из трех уравнений, описывающих протекающие в преобразователе процессы с помощью трех зависимых и трех независимых переменных. Построенная на основе этих уравнений эквивалентная схема имеет одну пару электрических и две пары «механических» клемм. После введения идеального электромеханического трансформатора полученные уравнения сопоставляют с уравнениями, описывающими процессы, протекающие в эквивалентной электрической схеме, причем параметры найденных уравнений имеют смысл параметров схемы, т. е. импеданса, проводимости и т. д. Следует заметить, что более сложные двухмерные или трехмерные задачи с дополнительными граничными условиями, связанными с наличием у преобразователя большого количества механически нагруженных поверхностей, в принципе могут решаться тем же методом, если для каждой дополнительной активной поверхности преобразователя ввести в рассмотрение дополнительное уравнение, две переменные и две клеммы. Ненагруженный пьезоэлектрический резонатор имеет большое значение не только как инструмент для исследования физических свойств пьезоэлектрических материалов, но и как элемент электрических схем, который используется в частотно-селективных цепях и в цепях, управ132

ляющих частотой. Эквивалентную схему такого резонатора можно получить, накоротко замыкая все пары механических клемм и проводя соответствующие тригонометрические преобразования. Ненагруженный пьезоэлектрический резонатор является двухполюсником, обычно он используется в ограниченной области частот вблизи одного из его резонансов. Поэтому его можно представить эквивалентной схемой с сосредоточенными постоянными, показанной на рис.7.9, в которой не очень строго учитываются также механические потери путем включения сопротивления R = l/(wcQ), где Q – механическая добротность. В этом случае приходится рассматривать три пары характерных частот, в отличие от одной пары частот последовательного и параллельного резонанса, имеющей место без учета механических потерь. Появление шести характеристических частот легко объяснить, используя векторную диаграмму полной проводимости, построенную на основе приближенной эквивалентной схемы пьезоэлектрического резонатора (рис. 7.9), дополненной проводимостью Rдиэл, которая учитывает диэлектрические потери [2].

Рис. 7.9. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора

Векторная диаграмма полной проводимости показана на рис. 7.10. При учете диэлектрических потерь в виде активной проводимости пьезоэлектрического материала конец вектора полной проводимости при возрастании частоты движется по вертикальной линии, исключая область вблизи механического резонанса, где он описывает так называемый круг динамической проводимости (рис. 7.10). Максимум активной проводимости наблюдается в точке механического резонанса fs, в то время как частота параллельного резонанса fp соответствует точке, расположенной вблизи минимума активной проводимости, в которой полная проводимость имеет такой же фазовый угол, как и в точке, соответствующей частоте fs. Максимум и минимум полной проводимости (Ym и Yn) наблюдаются соответственно в точках fm и fn. Проводимость имеет емкостной характер в большей части диапазона частот, за исключением области между частотами резонанса fr и антирезонанса fa, где она имеет индуктивный 133

характер. Таким образом, частоты резонанса fr и антирезонанса fa имеют принципиально важное значение и характеризуют свойства электромеханических двухполюсников различного типа.

Рис. 7.10. Векторная диаграмма проводимости пьезоэлектриков

Выражение YΣ(w) для полной проводимости (без Rдиэл) получим непосредственно из электрической схемы (рис. 7.9): YΣ(w) = ReYΣ + ImYΣ;

Re YΣ =

w 2C 2 R ; (1 − w2 LC ) 2 + w2C 2 R 2

C − w2 LC 2 − 2 w2 LCC0 + C0 + w4 L2C 2C0 + w2C 2C0 R 2 w, Im YΣ = (1 − w2 LC ) 2 + w2C 2 R 2

(7.15)

где С – электрический аналог механической гибкости преобразователя; L – электрический аналог массы преобразователя; С0 – электрическая емкость преобразователя. С помощью диаграммы полной проводимости и эквивалентной схемы ненагруженного пьезоэлектрического резонатора могут быть определны его основные характеристические параметры: – частота динамического (последовательного) резонанса вычисляется для электрического контура (рис. 7.11), состоящего из элементов механической ветви (без сопротивления R) [2]:

2πf s =

134

1 ; ( LC )1/2

(7.16)

Рис. 7.11. Эквивалентная схема для вычисления частоты динамического резонанса пьезоэлектриков

– частота параллельного резонанса fp вычисляется для контура (рис. 7.12), в котором отсутствует сопротивление R [2]: 1/2

⎧ 1 ⎡ C ⎤⎫ 2πf p = ⎨ ⎢1 + ⎥ ⎬ ; ⎩ LC ⎣ C0 ⎦ ⎭

(7.17)

Рис. 7.12. Эквивалентная схема для вычисления частоты парллельного резонанса пьезоэлектриков

– частота резонанса fr и частота антирезонанса fa определяются из условия ImYΣ = 0; – частота максимальной проводимости fm и частота минимальной проводимости fn находятся из условия д|YΣ|/дf = 0; – механическая добротность определяется по формуле [2]: Q = 2πfsL/R = (2πfsCR)−1;

(7.18)

– отношение емкостей механической и электрической ветвей определяется выражением: C/C0 = (fp2 − fs2)/fs2.

(7.19)

Важными параметрами преобразователя являются тангенс угла диэлектрических потерь [2] 1 tgδ = , (7.20) wC0 Rдиэл и коэффициент электромеханической связи К, квадрат которого К2 равен той части полной электрической энергии, приложенной к преобразователю на нулевой частоте, которая накапливается в виде механической энергии. Коэффициент электромеханической связи К зависит от диэлектрических, пьезоэлектрических и механических параметров материала. Он может быть вычислен по известным частотам резонанса fr и антирезонанса fa: 135

fa − fr 4 K2 = 2 . (7.21) fr π 1− K 2 Если потери отсутствуют (R = 0), то fn = fr = fs и fn = fa = fp; эти частоты соответствуют минимуму и максимуму проводимости, при этом K2 = (fp2 − fs2)/fp2. Если потери малы, то можно использовать частоты fm и fn вместо частот fs и fp, непосредственное измерение которых затруднено. Критерием качества приемного преобразователя (гидрофона) является отношение K2/tgδ. Этот параметр оказывается наибольшим у пьезокерамики, особенно ЦТС, и у кварца. Для преобразователей, работающих в режиме излучения, также важны значения К2 и tgδ. Кроме того, желательно иметь устройство с малым импедансом, чтобы работать с низким напряжением, но этому условию кварц не удовлетворяет, поскольку у него весьма высокое внутреннее сопротивление. Наиболее подходящими материалами для изготовления излучателей являются керамики состава ЦТС и на основе титаната бария. Пьезоэлектрическая керамика в настоящее время широко используется как материал для изготовления акустических излучателей. Применявшиеся для этих целей ранее кристаллы в значительной мере оттеснены на второй план из-за ряда присущих им недостатков, таких как низкая механическая прочность, сравнительно малый коэффициент пьезоэлектрической связи (следовательно, узкая полоса рабочих частот), малая диэлектрическая проницаемость (высокое сопротивление) и малая стабильность по отношению к внешним воздействиям (температура, давление, влажность). Кристаллы, которые по некоторым свойствам успешно конкурируют с пьезокерамикой, по другим свойствам, как правило, не могут соперничать с ней. Например, кварц превосходит керамику по прочности на разрыв и стабильности по отношению к внешним воздействиям, однако его диэлектрическая проницаемость недопустимо мала для использования в низкочастотных преобразователях, коэффициент пьезоэлектрической связи также весьма низок, поэтому преобразователи из кварца имеют весьма узкую полосу частот. Сегнетова соль, характеризующаяся сильной пьезоэлектрической связью и высокой диэлектрической проницаемостью, не обладает достаточной твердостью и легко распадается при повышении температуры или увеличении влажности. Излучаемая преобразователем мощность ограничивается следующими факторами, обусловленными свойствами пьезоэлектрической керамики [2]: 1) недостаточной динамической прочностью керамики; 2) уменьшением КПД за счет внутренних диэлектрических потерь; 3) уменьшением КПД за счет внутренних механических потерь; 4) деполяризацией керамики, обусловленной электрическим полем; 5) деполяризацией керамики вследствие повышения температуры. Ограничение мощности преобразователей, используемых в гидроакустике, обусловленное недостаточной динамической прочностью керамики на растяжение, часто удается существенно уменьшить путем применения 136

постоянного напряжения, допустимое значение которого зависит от состава пьезокерамики и ориентации напряжения. Амплитуда электрического поля, при которой происходит деполяризация керамики, соответствует настолько большим диэлектрическим потерям и, следовательно, настолько малому КПД, что, как правило, непосредственно учитывать фактор 4 нет необходимости. Таким образом, на практике мощность ограничивается факторами 2, 3 и 5 с учетом их взаимосвязи или механической прочностью (фактор 1).

Глава 8. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ГИДРОЛОКАЦИИ 8.1. Уравнения пассивной и активной гидролокации

Как известно, большинство явлений и особенностей, присущих распространяющимся под водой звукам (колебаниям), оказывает непосредственное влияние на расчет параметров и работу при эксплуатации РПА. Эти разнообразные процессы могут быть достаточно логично объединены количественно в небольшие группы, называемые акустическими параметрами, которые в свою очередь могут быть связаны уравнениями гидролокации. Такие уравнения устанавливают связь между явлениями в среде, объекте локации и аппаратуры. Они относятся к числу тех инструментов, которыми могут пользоваться инженеры в процессе эксплуатации при необходимости сравнения технических характеристик аппаратуры или определения параметров среды и лоцируемого объекта. В основу уравнений гидролокации положено обеспечение равенства или определенного заданного соотношения между полезной частью акустического поля в точке приема (сигнала) и элементами поля, затрудняющими выделение и распознавание сигнала (помехи или фона). Полезный сигнал всегда флуктуирует и принимается на фоне помех. Главная цель при проектировании РПА – поиск средств, увеличивающих ее чувствительность к полезному сигналу, или, другими словами, увеличивающих соотношение сигнал/помеха. Выполнение решения поставленной задачи перед РПА оказывается возможным практически с того момента, когда уровень полезного сигнала станет превышать уровень маскирующей его помехи или будет равным ему, т. е. аппаратура начинает решать свою задачу, когда уровень сигнала равен уровню маскирующей помехи. Это равенство и называется основным уравнением гидролокации. Термин маскирующая помеха означает, что с сигналом взаимодейст137

вует не весь шумовой фон, а только та его составляющая, которая лежит в частотной полосе сигнала. Следует отметить, что это равенство выполняется только в какой-то определенный момент времени в процессе приближения объекта локации к гидроакустическому приемнику или удаление от него. На более близких дистанциях уровень сигнала, приходящего от объекта, превышает уровень маскирующей помехи, а при больших расстояниях наблюдается обратное соотношение. При разработке же РПА за основу берется именно событие равенства сигнала и уровня маскирующей помехи, поскольку в этот момент аппаратура начинает практически решать поставленную перед ней задачу. В практическом применении основное уравнение гидролокации аналитически записывается следующим образом [1, 7, 11]: Ic=δ2Iп ,

(8.1)

где Ic – интенсивность сигнала в точке приема; Iп – интенсивность акустических помех в точке приема; δ – коэффициент распознавания. Удобнее использовать уравнения, в которых параметры среды, лоцируемого объекта и самой аппаратуры выражаются в логарифмических единицах (децибелах). Эти уравнения очень просты при инженерных расчетах параметров гидролокаторов, так как для их решения необходим самый простой математический аппарат, состоящий из операций сложения и вычитания, но в то же время они требуют от инженеров понимание физических процессов, происходящих в среде, объекте локации и самой аппаратуре, знание взаимосвязей этих процессов, а также взаимозависимостей всех величин, входящих в уравнения. Для вывода уравнений гидролокации необходимо раскрыть основное неравенство через параметры гидролокации, определяемые характеристиками аппаратуры, среды и объектов локации. При работе РПА активного действия в режиме эхопеленгования источник звуковых колебаний через преобразователь, выполняющий одновременно и функции приемника звука, создает в водой среде акустические колебания, которые характеризуются некоторой интенсивностью на определенном стандартном расстоянии от преобразователя (в отечественной практике это стандартное расстояние принимается равным 1м). Эта интенсивность, выраженная в децибелах относительно некоторого стандартного уровня на 1м от преобразователя, называется уровнем источника УИ. При достижении звуковой волной объекта локации (если ось ХН источника направлена на объект) ее уровень уменьшается из-за существующих потерь в среде при передаче на величину потерь на распространение ПР, становясь равным УИ − ПР. Лоцируемый объект отражает или рассеивает пришедший уровень сигнала на величину СЦ, называемую силой цели, в направлении источника звука. Тогда на 138

расстоянии 1м от акустического центра объекта локации в направлении источника звука общий уровень сигнала будет равен УИ − ПР + СЦ. При распространении энергии обратно к источнику, выполняющему функции приемника, уровень звука вновь ослабляется из-за потерь в среде при обратной передаче, становясь равным УИ − 2ПР + СЦ. Эта величина представляет собой уровень эхосигнала у приемного преобразователя. Для упрощения полагают, что помехой являются изотропные шумы моря, обозначая ее УП (уровень собственных помех). В данном случае уровень помехи будет уменьшен благодаря направленности приемного преобразователя, и относительный уровень шума непосредственно на выходе антенны определится как УП − ПН (ПН – показатель направленности антенны в режиме приема). Так как ось акустической антенны направлена на объект, коэффициент ее направленности не влияет на уровень эхосигнала. Следовательно, непосредственно на выходе антенны соотношение сигнал/помеха будет иметь вид [7, 11]: УИ − 2ПР + СЦ − (УП − ПН).

(8.2)

Любой процесс обнаружения включает в себя понятие порога обнаружения ПО, который, будучи превышен, вызывает регистрацию объекта поиска, т.е. ПО характеризует некоторый вероятностный критерий обнаружения. Когда соотношение сигнал/помеха меньше порога обнаружения, принимается решение, что интересующий нас объект отсутствует. Минимальное соотношение этих величин, при которых объект считается обнаруженным, принимается обычно при их равенстве [7, 11]: УИ − 2ПР + СЦ − (УП − ПН) = ПО.

(8.3)

Несколько более удобной формой записи этого уравнения является следующая [7, 11]: УИ − 2ПР + СЦ = УП − ПН + ПО.

(8.4)

В этом уравнении параметры, относящиеся к уровню эхосигнала, находятся в левой части, а параметры уровня маскирующей помехи – в правой части. В некоторых случаях разделение ПН и ПО практически оказывается невозможным. Тогда более удобен непосредственный учет их совместного воздействия, т.е. ПН − ПО, определяющий соотношение сигнал/помеха, создаваемое с помощью всего приемного тракта, включающего антенну, индикаторные устройства и оператора. В тех случаях, когда определяющей помехой является реверберация, а не шум моря, уравнение (8.4) необходимо видоизменить, поскольку параметром ПН, определяемым для изотропного поля помех, пользоваться 139

нельзя вследствие неизотропного характера реверберационной помехи. В этом случае параметр УП − ПН заменяется уровнем реверберации УР, измеренного на выходе акустического приемника, и тогда уравнение активной гидролокационной аппаратуры примет вид [7, 11]: УИ − 2ПР + СЦ = УР + ПО.

(8.5)

Полученные выражения (8.4) и (8.5) называют уравнениями активной гидролокации, используемой в режиме эхопеленгования. При работе пассивной гидроакустической аппаратуры, когда сам объект является источником сигнала, благодаря чему он и обнаруживается, параметр уровня источника УИ относится к уровню создаваемого объектом звука на стандартном расстоянии 1м от него. Параметры силы цели и уровня реверберации в этом случае отсутствуют, а величина потерь значительно меньше за счет одностороннего распространения. Тогда уравнение для аппаратуры пассивного действия приобретает следующий вид [7, 11]: УИ − ПР = УП − ПН + ПО.

(8.6)

В полученных уравнениях имеются параметры, определяемые аппаратурой УИ, ПН, ПО (к ним может быть отнесен и уровень шумов аппаратуры, обозначаемый также через УП, так как он идентичен уровню помех среды), ПР, УП и объектами локации СЦ, УИ (для пассивных систем). На практике оказывается удобным иногда присваивать именования для отдельных комбинаций параметров, так как существующие методы измерения величин ряда этих комбинаций в судовых гидролокаторах используются для проверки работоспособности систем. Выражение УИ − 2ПР + СЦ называется уровнем эхосигнала и представляет собой интенсивность эхосигнала, измеренную в воде у акустического приемника; УП − ПН + ПО – уровнем маскирующего шума (помехи), или минимальным обнаруживаемым уровнем эхосигнала; УР + ПО – уровнем маскирующей реверберации; УИ − 2ПР + СЦ − (УП − ПН+ ПО) – уровнем превышения эхосигнала. Иногда применяются и другие сочетания этих параметров. Параметры, входящие в уравнение гидролокации, кроме параметра порога обнаружения ПО, представляют собой выраженные в децибелах уровни, отнесенные к эталонной интенсивности плоской волны. В отечественной практике в качестве эталонного уровня принимается давление 2 · 10-5 Па (в иностранной литературе по гидроакустике обычно в качестве эталонного используется давление 1мкПа). Если все эти параметры определяются параметрами аппаратуры, среды и объектов локации, то параметр порога обнаружения представляет собой результирующий продукт только проектанта РПА или оператора. Естественно, что от правильно обоснованного его выбора разработчиком РПА в сильной степени зависят энергетические параметры аппаратуры и, как следствие, ее тактические возможности и массогабаритные данные. 140

8.2. Расчет основных параметров уравнения дальности

8.2.1. Порог обнаружения Отношение сигнал/помеха при заданной вероятности обнаружения сигнала называется порогом обнаружения и относится к входу системы ″приемник – индикатор – оператор″. Для процесса обнаружения требуется наименьшее отношение сигнал/помеха, которое предъявляет к РПА наиболее жесткие требования Определение "порог обнаружения" включает в себя два наиболее важных аспекта процесса выделения сигнала на фоне помех. При выводе выражений для порога обнаружения используется метод, заключающийся в том, что решение о наличии или отсутствии цели рассматривается как конечный результат, который должен быть увязан с соотношением сигнал/помеха на входе системы обнаружения. При определении величины порога обнаружения для конкретной РПА необходимо прежде всего установить вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги для условий, в которых будет использоваться эта аппаратура. Вероятность того, что в случае присутствия сигнала принято правильное решение "сигнал есть", называется вероятностью правильного обнаружения Pп.o. Вероятность того, что в случае отсутствия сигнала принимается неверное решение "сигнал есть", называется вероятностью ложной тревоги Рл.т.. Порог обнаружения зависит от этих двух независимых друг от друга вероятностей. В отечественной литературе по гидроакустике порог обнаружения выражается через коэффициент распознавания следующим выражением [11]: ПО = 20lgδ.

(8.7)

Отсюда следует, что расчет технических параметров РПА необходимо начинать с определения коэффициента распознания и с учетом вероятностных характеристик обнаружения. Обычно вероятностные характеристики обнаружения Рп.о. и Рл.т. задаются техническим заданием на разработку новой РПА или выбираются самим разработчиком, исходя из тактического назначения аппаратуры и четкого понимания решаемых ею задач. Так как гидроакустическая РПА работает в пространственновременной области и имеет конечное множественно ячеек обзора, вероятная оценка обнаружения полезного сигнала на фоне помех должна производиться с учетом многоальтернативности ситуаций. На практике принято, что задаваемая вероятность ложной тревоги Рл.т определяет вероятность возникновения ложных тревог за один цикл излучения – приема по всей гидролокационной системе. 141

Тогда вероятность ложной тревоги в элементарной ячейке определяется выражением [11]: Рл.т.яч. = Рл.т./m,

(8.8)

где m – число ячеек или альтернатив. Для классического случая построения РПА число альтернатив определяется формулой [11]: m = mrmαmβmƒ,

(8.9)

где mr = 2r/ctвыб. – число альтернатив по дистанции; mα = α/20г – число альтернатив по пеленгу; mβ = β/20в – число альтернатив по углу места; mƒ = Δƒτ – число альтернатив по частоте в случае реализации отдельных частотных каналов в системе обработки; r – дистанция до лоцируемого объекта; tвыб. – время между выборками эхосигналов в одном пространственном канале; α и β – ширина сектора сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях; 20г и 20в – ширина ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях; ∆ƒ – полоса пропускания приемного тракта; τ – длительность зондирующего импульса. При аналоговой системе обработки эхосигналов tвыб. = τ. При использовании устройств цифровой обработки mr равно количеству соответствующих выборок в одном пространственном направлении на входе этих устройств. Число альтернатив по пеленгу mα обычно соответствует количеству пространственных каналов. Для однолучевых гидролокаторов и эхолотов mα = 1. Число альтернатив по углу места mβ учитывается в гидролокаторах, сканирующих в вертикальной плоскости, во всех остальных случаях mβ = 1. Число альтернатив по частоте mƒ учитывается при частотной обработке эхосигналов, во всех остальных случаях mƒ = 1. В РПА для оценки отношения сигнал/помеха принимается модель обнаружения, справедливая в широком классе условий подводного наблюдения, – прием простых флуктуирующих сигналов на фоне помех с нормальным распределением. В этом случае при линейном детектировании, когда амплитуда эхосигнала флуктуирует по рэлеевскому закону, а сигнал имеет синусоидальное заполнение, для вероятности правильного обнаружения справедливо соотношение [11]:

PП .О . = l ln PЛ .Т . ЯЧ . / (1+ q ) , (8.10) где q – отношение дисперсии флуктуации эхосигнала к дисперсии помехи можно представить выражением [11]: q = δ2 – 1, 142

(8.11)

где δ можно принять равным отношению средней амплитуды сигнала к средней амплитуде помехи. Данные рассуждения относятся к обнаружению по одиночной посылке зондирующего импульса. Но так как РПА позволяет производить обнаружение эхосигнала по правилу "один эхоконтакт за N посылок", вероятность правильного обнаружения будет соответствовать кумулятивной вероятности обнаружения [11], определяемой как Рк.о = Рп.о. = 1 − (1 − Р*п.о.)N,

(8.12)

где N – число циклов, за которые происходит хотя бы один эхоконтакт с объектом; Р∗п.о. – вероятность правильного обнаружения объекта в каждом цикле. При использовании кумулятивной вероятности обнаружения важно правильно выбрать параметр N, чтобы он согласовывался с тактикотехническими параметрами аппаратуры. В качестве примера рассчитаем ПО для комплекса, состоящего из гидролокатора, с одновременным сектором обзора 90°,и эхолота для обнаружения рыбы на больших глубинах, с использованием устройств цифровой обработки сигналов. Для гидролокатора в режиме секторного обзора точечные цели, находящиеся в средней части зоны поиска, просматриваются длительное время, поэтому в данном случае практических ограничений по N может и не быть. Но для целей, находящихся на крайних участках зоны поиска, время нахождения цели в просматриваемом объеме ограничено. Так, для диаграммы направленности 2θг = 6,5° и угле отклонения от курса судна 45° путем простых расчетов определим, что при скорости судна 15 уз и скорости цели 4 уз на дистанции 3000 м точечная цель будет находиться в лоцируемом объеме в течение времени, соответствующем 9 циклам зондирования, т.е. N = 9. Значения Рп.о. берутся из технического задания. В данном случае примем Рп.о.= 0,8, Рл.т. = 0,1. Для эхолота при ширине диаграммы направленности в диаметральной плоскости судна 2θ = 6,5°, глубине обнаружения r = 2000 м, при тех же Рп.о. и Рл.т. и скоростях судна и цели последняя находится в лоцируемом объеме в течение времени, соответствующем 8 циклам зондирования. Примем для гидролокатора и эхолота N = 8, тогда согласно формуле ∗ (8.12) величина Р п.о.= 0,184. При использовании устройств цифровой обработки сигналов число альтернатив по дистанции равно количеству соответствующих выборок в одном пространственном направлении на входе этих устройств, а число альтернатив по пеленгу – количеству пространственных каналов. Число альтернатив по дистанции зависит от технических решений и часто на практике принимается равным mr= 512, а число альтернатив по пеленгу для гидролокатора с учетом перекрытий диаграмм направленности mα =16. Для эхолота число альтернатив по пеленгу равно единице. Следовательно, 143

mґ = 8192, а mЭ = 512. Таким образом, Рл.т.яч. согласно формуле (8.8) составляет для гидролокатора Ргл.т.яч.= 1,22·10-5, для эхолота Рэл.т.яч.= 1,95·10-4. Для удобства расчетов применительно для нашего случая, преобразовав выражение (8.10) с учетом выражения (8.12) к виду [11]: q=

ln Рл .т . яч − 1, ln Рп∗.о

(8.13)

получим: для гидролокатора qг = 5,68, для эхолота qэ = 4,046. Затем согласно формуле (8.11) определяем для гидролокатора δг = 2,6, для эхолота δэ = 2,24. По выражению (8.7) определяем ПОг = 20lg2,6 = 8,3дБ, ПОэ = 20lg2,24 = 7дБ.

8.2.2. Уровень излучения и излучаемая акустическая мощность Уровень излучения излучателя связан с излучаемой им акустической мощностью и показателем направленности несложным соотношением. Пусть ненаправленный излучатель расположен в однородной непоглощающей среде и интенсивность звука, генерируемого излучателем и измеряемого на расстоянии r, равна Ir. Предположим, что r очень велико. Тогда интенсивность будет связана со среднеквадратичным значением давления pr в плоской волне, выраженным в паскалях, соотношением [7]: pr2 , Ir = ρc

(8.14)

где ρ – плотность среды, кг/м3; с – скорость звука, м/с. Подставив в последнее выражение ρ = 103кг/м3 и с = 1,5·103м/c, найдем: Ir = 0,666·10-6р2r.

(8.15)

Для ненаправленного излучателя такая интенсивность соответствует выходной мощности /7/, т. е. Рг = 4πr2Ir = 8,35·10-6р2rr2.

(8.16)

На расстоянии 1м мощность определяется выражением [7]: Р = 8,35·10-6р12,

(8.17)

где pl – среднеквадратичное значение давления на расстоянии 1м, Па. 144

Прологарифмировав обе части выражения для Р, с учетом того что величина 10lgp12 равна уровню излучения УИ относительно р1 = 1мкПа, получим: 10lgР = −170,8 + УИ.

(8.18)

С учетом показателя направленности излучателя ПНТ при излучении выражение для УИ приобретает вид: УИ = 170,8 + 10lgР + ПНТ.

(8.19)

Величина Р характеризует общую акустическую мощность, генерируемую излучателем. В электроакустических излучателях Р меньше электрической мощности РЭ, подводимой к излучателю. Отношение этих мощностей η, как указывалось ранее, представляет собой коэффициент полезного действия излучателя η = P/PЭ. Коэффициент полезного действия большинства гидроакустических излучателей лежит в пределах 20 – 70% и зависит от рабочей полосы частот; острорезонансные высокодобротные излучатели имеют более высокий КПД, чем широкополосные. Акустическая мощность, излучаемая корабельными гидролокаторами, охватывает диапазон от нескольких сотен ватт до десятков киловатт, а показатель направленности лежит в пределах 10 – 30дБ. Из этого следует, что уровень излучения активных корабельных гидролокаторов составляет от 210 до 240 дБ. Для достижения максимальной дальности действия активных гидролокаторов желательно генерировать возможно большую акустическую мощность, по крайней мере, такую, чтобы минимально-различимый эхосигнал наблюдался на фоне реверберации, а не шумов. Однако попытка добиться этого наталкивается на два специфических ограничения. Первое из них, связанное с кавитацией, является в основном свойством жидкой среды, в которую излучается акустическая мощность. Второе вызвано эффектом взаимодействия близкорасположенных излучающих элементов антенны. Ограничение мощности излучения, связанное с кавитацией. Опыт показывает, что при увеличении мощности, подводимой к гидроакустическому излучателю, на его лицевой поверхности и в непосредственной близости от нее начинают образовываться кавитационные пузырьки. Эти пузырьки свидетельствуют о разрывах сплошности воды, создаваемых отрицательными давлениями генерируемого акустического поля. Отрицательные давления вызывают разрыв жидкости, когда они превышают определенную величину, которую называют порогом кавитации. Порог кавитации Iк можно выразить через пиковое давление в атмосферах или через интенсивность плоской волны, измеряемую в ваттах на квадратный 145

метр. Поскольку 1 атм приблизительно равна 105 Па, соотношение между интенсивностью и давлением определится выражением [7]: Iк =

[(0,707) ⋅ 105 pк ]2 = 3,3 ⋅ 10 −2 pк , ρc

(8.20)

где pк – пиковое давление акустической волны, вызывающей кавитацию, Па; ρ = 103 кг/м3; с = 1,5·103 м/с. В соответствии с этим выражением порог кавитации, равный 1 Па, эквивалентен интенсивности плоской волны, составляющей 3,3·10-2 Вт/м2. Умножив порог кавитации на площадь излучающей поверхности в квадратных метрах, получаем максимальное значение выходной мощности в ваттах. Когда этот предел превышается, то возникают нежелательные явления: эрозия поверхности излучателя; потери акустической мощности на поглощение и рассеяние в области кавитационных пузырьков; искажение характеристики направленности излучателя и понижение акустического импеданса среды, в которой излучатель должен работать. Во всех этих случаях по достижении порога кавитации характеристики излучателя постепенно ухудшаются. Возникновение кавитации связывают с наличием в жидкости кавитационных ядер. В соответствии с этим предположением, впервые высказанным Блейком, этими ядрами являются микроскопические пузырьки воздуха в трещинах или пустотах небольших твердых частиц, взвешенных в жидкости. Ядра кавитации могут существовать в виде свободных воздушных пузырьков, окруженных оболочками из органических включений, препятствующих растворению воздуха в воде. В акустическом поле эти мельчайшие пузырьки образуют ядра, в которые диффундирует растворенный воздух под действием отрицательных полупериодов давления акустической волны. Когда отрицательные давления превышают порог кавитации, ядра под действием процесса, названного Блейком прямой диффузией, начинают увеличиваться в размерах за счет того, что внутрь пузырьков проникает больше воздуха, чем выходит из них наружу. Возникновение кавитации сопровождается несколькими интересными физическими и химическими явлениями, к которым относятся люминесценция и разрушение химических соединений. Порог кавитации жидкостей в значительной степени зависит от ряда разнообразных факторов, к которым относятся температура, содержание растворенного воздуха и характер давлений, воздействовавших ранее на жидкость. Порог кавитации излучателя можно поднять и соответственно увеличить излучаемую мощность путем: – использования более высокой частоты; – уменьшения длительности импульса; – увеличения глубины (гидростатического давления), на которой работает излучатель. 146

При длительности импульса менее 5 мс предел кавитации увеличивается. Это согласуется с предположением о том, что для возрастания ядер кавитации до размеров, при которых проявляются кавитационные эффекты, требуется конечный промежуток времени. Повышение порога кавитации с увеличением глубины связано с ростом гидростатического давления. Поскольку с увеличением глубины на каждые 10 м давление возрастает на 105 Па, порог кавитации (в паскалях) изменяется с глубиной (в метрах) следующим образом [7]:

h⎤ ⎡ pк (h) = 105 ⎢ pк (0) + ⎥ , 10 ⎦ ⎣

(8.21)

где pк(h) – порог кавитации на глубине h; pк(0) – порог кавитации у поверхности. Превышение порога кавитации над внешним гидростатическим давлением можно рассматривать как предел прочности жидкости на разрыв. Так как давление на глубине h равно 105(1+h/10), можно записать: pк (h) = 105 (1 +

h +T), 10

(8.22)

где T – предел прочности на разрыв, Па. Приближенное значение порога кавитации для гидроакустических излучателей, генерирующих длинные импульсы, определяется следующим образом [7]: 2

h⎤ h⎤ ⎡ ⎡ I к = 0,3v ⎢ pк (0) + ⎥ = 0,15⎢ pк (0) + ⎥ ⋅ 104 , 10 ⎦ 10 ⎦ ⎣ ⎣

(8.23)

если v = 0,5 и h выражена в метрах. Порог pк(0) приближается к 105 Па на низких частотах и увеличивается с частотой. Эффекты взаимодействия. Эффект взаимодействия в ближнем поле наблюдается при использовании больших антенн, состоящих из близкорасположенных резонансных излучающих элементов. Обнаружено, что при возбуждении такой антенны электрическим сигналом скорость движения отдельных ее элементов оказывается неодинаковой, а изменяется от элемента к элементу антенны по сложному закону. Эта неравномерность вызвана акустическим взаимодействием между элементами. Например, из двух элементов антенны один может действовать как поглотитель выходной акустической мощности другого. Работая таким образом, он, по существу, поглощает, а не излучает звук, что может привести к его разрушению. Эффекты взаимодействия, если их компенсация не предусмотрена при конструировании, снижают выходную мощность излучающей антенны и искажают ее характеристику направленности. Они особенно существенны в антеннах, предназначенных для излучения большой акустической мощности. 147

Самый простой способ борьбы с этим явлением состоит в увеличении расстояния между элементами антенны, хотя достигаемый при этом эффект дается ценой значительного уменьшения акустической эффективности и излучаемой мощности антенны, а также искажения ее характеристики направленности. Второй способ уменьшения взаимного сопротивления между элементами заключается в подключении параллельно или последовательно к каждому из них реактивного сопротивления, но эта мера эффективная только на одной частоте. Третий способ сводится к выбору таких размеров элементов антенны, при которых их собственное сопротивление оказывается значительно больше взаимного сопротивления между элементами, однако этот метод приводит к значительному повышению стоимости антенны. Наиболее эффективным способом получения одинаковой синфазной скорости движения является использование управляемых индивидуальных усилителей мощности для возбуждения каждого элемента антенны с требуемой амплитудой и фазой.

8.3. Дальность действия РПА

Расстояние, на котором вероятность правильного обнаружения сигнала Pп.o. равна установленному значению при соблюдении требования к вероятности ложных тревог Рл.т., называется дальностью действия. Различают следующие виды дальности действия РПА: – фактическая дальность; – ожидаемая дальность; – энергетическая дальность; – геометрическая дальность. Фактическая дальность – дальность, получаемая оператором при использовании РПА в реальной океанической среде. Ожидаемая дальность – расчетное значение дальности действия РПА для определенной модели океанической среды. Энергетическая дальность – дальность действия РПА в детерминированной однородной безграничной среде. Обычно значение энергетической дальности берется из паспорта станции (технического описания) для фиксированных значений Pп.o. и Рл.т. с целью последующего вычисления ожидаемой дальности действия РПА. Геометрическая дальность – дальность действия ГАС в слоистонеоднородной среде с учетом рефракции лучей. Следует отметить, что геометрическая дальность является частным случаем ожидаемой дальности действия РПА. 148

Пользуясь уравнением (3.25) траектории звукового луча, выведем формулы для расчета дальности действия гидролокатора при отрицательном и положительном значениях градиентов скорости. Пусть в точке И (yи, xи) на глубине hи находится источник излучения, из которого луч выходит под углом наклонения ϑи = 90° − θи (рис. 8.1а). Максимальное отклонение звукового луча по горизонту соответствует отрезку NM = Dmax на оси абсцисс и является стрелой сегмента [4]:

Dmax = ИN ⋅ tg

θи 2

= rsinθи tg

θи 2

=

си θи tg , gc 2

(8.24)

С учетом равенств r = сk/gc и ck = cи(sinθи). В случае gc > 0 дальность действия гидролокатора равна хорде D'max сектора (рис. 8.1б) [4]: ' Dmax = 2rcosθи =

2си ctgθи . gc

(8.25)

Очевидно, что в случае gc > 0 (при определенных углах θи) D'max > Dmax. Этим, а также повторным отражением эхосигнала от поверхности моря и большей вероятностью образования изотермического поверхностного слоя (при больших углах θи) объясняется тот факт, что зимой (gc > 0) дальность действия акустической станции практически увеличивается в 2−3 раза. Практический интерес для промысловиков представляет расчет глубины h проникновения луча в толщу воды при условии gc > 0 (рис. 8.1б). Как и дальность действия Dmax, величина h является стрелой сегмента и вычисляется по формуле [4]: ϑ ϑ с h = rcosθи tg и tgϑи tg и = и (secϑ − 1) . (8.26) 2 2 gc

а)

б)

Рис. 8.1. Схема распространения лучей в неоднородной водной среде

149

Применительно к гидролокаторам с наклоняющимся вибратором полученное выражение перепишем в следующем виде [4]: secϑи =

gc h + 1. cи

(8.27)

По этой формуле можно рассчитать установочный угол наклона излучателя, который обеспечивает желаемое углубление h звукового луча. Расчет величин D'max, Dmax и h возможен при условии, если известны скорость cи на горизонте вибратора, температурный градиент и угол наклона излучателя. Градиент скорости gc при отсутствии данных о распределении температуры воды по глубине рекомендуется рассчитывать для средних значений температурных градиентов: зимой − gt ≈ +0,01ºС/м; летом − gt ≈ −0,1°С/м. Наклон вибратора относительно вертикали фиксируется специальным указателем.

Глава 9. МОРСКИЕ ГИДРОБИОНТЫ КАК ОБЪЕКТЫ ПРОМЫСЛА

9.1. Акустические характеристики морских гидробионтов

9.1.1. Биологические характеристики морских гидробионтов Для создания эффективно и экономично работающих рыбопоисковых гидролокаторов важно всесторонне исследовать акустические характеристики тела морских гидробионтов: определить скорость звука в теле рыбы, волновое сопротивление и зависимость коэффициента отражения от частоты локационных сигналов. Первоначально рассмотрим биологические особенности рыбы и рыбных скоплений. Рыба. По образу жизни промысловые рыбы подразделяются на пелагическую и придонную (донную). Пелагическая рыба, большую часть жизни обитает в толще воды; придонная (донная) рыба, обитает в непосредственной близости от дна. Стая (косяк) − группировка рыб одного вида, близких по размерам и сходных по биологическому состоянию. Наиболее распространен стайный образ жизни у пелагических рыб, питающихся планктоном. Величина и плотность стаи зависит от составляющих ее особей. Мелкие рыбы обычно образуют более плотные стаи. Численность рыб, образующих 150

стаю, может колебаться в больших пределах. Так, например, стаи тресковых рыб состоят из нескольких десятков или сотен, а косяки сельди из многих тысяч особей. Скопление представляет собой объединение стай и разреженной рыбы во время нагула, нереста и зимовки. Его могут составлять экземпляры разных размеров и видов. Разреженное скопление − это такое скопление, в котором на рассеивающий элемент пространства в среднем приходится не более одной рыбы. Иначе говоря, почти каждая рыба регистрируется на эхограмме самописца РПА в виде отдельной записи. Предельная плотность скопления регистрируется как разреженное ρпр.= 1/ΔV, где ΔV − объем рассеиваемого элемента пространства в слое толщиной cτ/2 (величина ρпр. является параметром РПА, характеризующим пространственную разрешающую способность; с − скорость звука в воде, м/с; τ − длительность зондирующего импульса, с). Плотное скопление − это такое скопление, в котором в рассеивающий элемент пространства ∆V попадает не менее 10 рыб. Плотность скопления при этом ρс > 10. Смешанное скопление − скопление, плотность которого имеет промежуточное значение между плотностями разреженного и плотного скоплений: ρпр. ≤ ρс ≤ 10 Ихтиология рассматривает две скорости движения рыб: максимальную и крейсерскую. Максимальную скорость рыба может развить в течение краткого промежутка времени (не более 10 мин), уходя от опасности. Крейсерская скорость энергетически оптимальна, так как рыба способна выдерживать ее без усталости до 24 часов. Скорость движения рыбы в зависимости от размеров определим по формуле vр = 0,525 fxlpt -1/8, где lp – длина рыбы; t − время, с; fx – частота колебаний хвостового плавника, Гц. Максимальные частоты fx (по материалом киносъемки) для пелагической рыбы (хамсы, аберлины, королевской макрели, тунца, ставриды, скумбрии, сельди) − до 30 Гц. У донной рыбы (трески, пикши) fx не превышает 14 Гц. 9.1.2. Отражательная способность морских гидробионтов Японские исследователи Хасимото и Манива совместно с российским ученым Е.В. Шишковой в конце 50-х – начале 60-х гг. проводили исследования в области измерения скорости ультразвука в теле морских гидробионтов. Несмотря на различные методики измерения, были получены практически одинаковые результаты. Скорость звука в исследуемых образцах составила 1,52 · 103 – 1,66 · 103 м/с, волновое сопротивление 1,57 · 106 – 1,7 · 106 кг/(с · м2). В начале 60-х г. на Черном море Е.В. Шишкова проводила исследования отражательной способности рыбы [21]. При этом производилась оценка коэффициента отражения от одиночной рыбы и от рыбного кося151

ка. Коэффициент отражения от одиночной рыбы и от косяка определялся методом моделирования: эхосигнал от живой рыбы сопоставлялся с эхосигналом от ее точной модели, выполненной из материала с заведомо известным коэффициентом отражения. В целом следует отметить, что отражательную способность рыб (силу цели) находят экспериментальным путем, определяя величиной обратного рассеяния σ как условленную площадь, перпендикулярную распространению зондирующего сигнала и создающую рассеивание, подобное реальному объекту величин. Величина σ зависит от длительности и частоты зондирующего импульса, породы рыбы, ее массы и размеров, ракурса, а для стай − также от плотности распределения особей в пространстве и размеров скоплений. Экспериментально установлена зависимость сечения обратного рассеивания σ, длины звуковой волны λ, размера рыбы l: σ/λ2= 0,043(l/λ)1,91. При расчетах РПА принято оперировать не значениями σ, а радиусом эквивалентной сферы Rэ, связь между этим величинами выражается соотношением [10,12]: Rэ= σ / π = 0,117λ (l / λ )1,91 . Эквивалентный радиус R'э для плоской стаи (в предположении отсутствия взаимодействия отраженных парциальных полей между отдельными особями, формирующих стаю, и поглощения ими энергии) определяется из выражения R'э= Rэ п . Эквивалентный радиус R''э объемной стаи (с учетом взаимодействия полей от отдельных особей, составляющих стаю, и поглощения энергии), с некоторым приближением определяется из выражения R''э= 2(Rэ п ), где n − количество рыб, составляющих стаю, шт. (для n ≥ 10). R''э очень плотного объемного косяка приближается к R'э плоского косяка. Ниже приведены значения максимальной и крейсерской скоростей, отражательной способности придонной (табл. 9.1) и пелагической рыбы (табл. 9.2) в зависимости от ее длины. Таблица 9.1 Характеристика объекта промысла Длина рыбы, м 1/12 Макси(300) мальная, ч 1/6 (с) Скорость (600) движения 1 м / с (3600) рыбы, Крейуз 12 серская, ч (43200) (с) 24 (86400) 1 Радиус эквиКоли10 валентной чество сферы 100 рыб, шт. (на f = 30 500

В придонном слое (f0 = 12 Гц) 0.3 0.926/ 1.81 0.850/ 1.66 0.679/ 1.33 0.498/ 0.98 0.456/ 0.89 0.03

0.4 1.235/ 2.42 1.132/ 2.22 0.905/ 1.77 0.664/ 1.30 0.608/ 1.19 0.04

152

0.5 1.544/ 3.03 1.415/ 2.77 1.132/ 2.22 0.830/ 1.63 0.760/ 1.49 0.05

0.6 1.853/ 3.63 1.670/ 3.33 1.358/ 2.66 0.996/ 1.95 0.912/ 1.79 0.06

0.7 2.162/ 4.24 1.981/ 3.88 1.584/ 3.11 1.162/ 2.28 1.064/ 2.08 0.07

0.8 2.470/ 4.84 2.264/ 4.44 1.811/ 3.55 1.328/ 2.60 1.216/ 2.38 0.08

1.0 3.088/ 6.05 2.830/ 5.55 2.264/ 4.44 1.660/ 3.25 1.520/ 2.98 0.1

кГц), м

1000

153

Таблица 9.2

Характеристика объекта промысла Длина рыбы, м 11/12 Макси(300) мальная, 1/6 ч (с) Скорость (600) движения ры1 м / с (3600) бы, Крейсеруз 12 ская, (43200) ч (с) 24 (86400) 1 Радиус 10 эквивалент- Количество 100 ной сферы (на рыб,шт. 500 f=30 кГц), м 1000

В пелагиали (f0 = 30 Гц) 00.10 00.771/ 1.51 0.708/ 1.39 0.566/ 1.11 0.415/ 0.81 0.380/ 0.75 0.01 0.032 0.1 0.224 0.316

00.15 1.157/ 2.27 1.063/ 2.08 0.849/ 1.66 0.622/ 1.22 0.570/ 1.12 0.016 0.05 0.16 0.358 0.506

00.20 1.543/ 3.02 1.417/ 2.78 1.132/ 2.22 0.830/ 1.63 0.761/ 1.49 0.02 0.063 0.2 0.447 0.632

00.25 1.928/ 3.78 1.772/ 3.47 1.415/ 2.77 1.037/ 2.03 0.951/ 1.86 0.027 0.085 0.27 0.600 0.854

153

00.30 2.314/ 4.54 2.126/ 4.17 1.698/ 3.33 1.244/ 2.44 1.141/ 2.24 0.03 0.095 0.3 0.671 0.949

00.35 2.700/ 5.29 2.480/ 4.85 1.981/ 3.88 1.452/ 2.85 1.331/ 2.61 0.037 0.117 0.37 0.827 1.170

00.40 3.086/ 6.05 2.835/ 5.56 2.264/ 4.44 1.659/ 3.25 1.521/ 2.98 0.04 0.126 0.4 0.894 1.265

00.45 3.471/ 6.81 3.189/ 6.25 2.546/ 4.99 1.866/ 3.66 1.711/ 3.35 0.047 0.148 0.47 1.051 1.486

00.50 3.851/ 7.56 3.543/ 6.93 2.830/ 5.55 2.074/ 4.06 1.901/ 3.73 0.05 0.158 0.5 1.118 1.581

00.60 4.629/ 9.08 4.252/ 8.34 3.395/ 6.66 2.488/ 4.88 2.282/ 4.47 0.06 0.190 0.6 1.342 1.897

00.70 5.400/ 10.6 4.961/ 9.73 3.961/ 7.77 2.904/ 5.69 2.662/ 5.22 0.07 0.221 0.7 1.565 2.213

9.1.3. Сила цели рыб и рыбных скоплений Сила цели рыб характеризует отражательную способность объекта пеленгования, зависит от его конфигурации и свойств − поглощения, отражения и рассеяния акустический волн. Она необходима при расчетах энергетической дальности действия гидроакустической аппаратуры и измеряется в децибелах: СЦ = 10 lg I2/I1, где I1 и I2 − соответственно интенсивность волны, падающей на цель, и отраженной волны на единице дистанции от центра цели. Многочисленные данные о силе цели рыб различных пород были опубликованы Лавом для дорсального (вид сверху вниз на спину) и бокового (вид сбоку) ракурсов. Эхосигналы от пяти живых рыб, подвергнутых анестезии с целью обеспечения их неподвижности, измерялись в испытательном бассейне. В процессе эксперимента использовались сигналы восьми различных частот в диапазоне от 12 до 200 кГц; длина рыб лежала в пределах от 1,8 до 22,3 см. Обнаружена сильная зависимость отраженного сигнала от размера (длины) рыбы и очень слабая зависимость от частоты или длины волны. Сравнительный анализ этих результатов, полученных другими исследователями, позволяет сделать вывод, что для дорсального ракурса справедливо следующее равенство [7]: СЦ = 19,1 lg L − 0,9 lg f − 62,0,

(9.1)

где L − длина рыбы, см; f − частота, кГц. Приведенная формула справедлива для диапазона волновых размеров 0,7 < L/λ < 90; за пределами этого диапазона отдельная особь имеет силу цели, отличающуюся в среднем на 5 дБ от значения, рассчитанного по указанной формуле. В боковом ракурсе измеренные значения были в среднем на 1 дБ выше при L/λ = 1 и на 8 дБ выше при L/λ = 100, чем значения для дорсального ракурса. Дополнительные экспериментальные данные, относящиеся к частотному диапазону от 4 до 20 кГц, опубликованные в работе Мак-Картни и Стабза, позволяют прийти к подобным же выводам. Эти исследователи отмечают, что основным фактором, определяющим обратное рассеяние от рыбы, по крайней мере в пределах использованного для измерения частотного диапазона, является плавательный пузырь рыбы. В связи с тем что размеры, конфигурации и физические свойства объектов весьма разнообразны, расчет уровня интенсивности эхосигналов от них представляет значительные трудности, а порой оказывается невозможным. Поэтому все объекты пеленгования принято заменять эквивалентными по отражательной способности искусственными целями простейших форм, расположение которых на место пеленгуемого объекта создает в точке приема такой же по амплитуде сигнал, как и сам объект. Конструкцию ис154

кусственной цели, имитирующей реальный объект пеленгования, принято характеризовать радиусом эквивалентной сферы Rэ. Он определяется экспериментальным путем и зависит от несущей частоты и длительности зондирующего импульса, при которых производится измерения. На практике предварительно откалиброванную искусственную цель используют для проверки энергетической дальности РПА. Обычно имитацию объекта пеленгования с незначительной отражательной способностью (Rэ < 0,5 м) осуществляют с помощью сплошной (или пустотелой) сферы. При Rэ > 0,5 м используют уголковый отражатель. Проверка аппаратуры по искусственным целям более объективна по сравнению с проверкой по естественным целям и позволяет сделать правильное заключение об уровне поисковых качеств проверяемой аппаратуры. Проверка по искусственным целям освобождает испытателей от выхода судна в промысловый район, поиска объектов пеленгования и допускает проведение испытаний в непосредственной близости от места базирования. В процессе проектирования и проверки гидроакустической аппаратуры, работающей на частоте, отличной от той, при которой производилась калибровка искусственной цели, ее эквивалентный радиус с достаточной для инженерных расчетов точностью определяют из выражения Rэ = Rэ0 f p / f 0 , где f0 − частота (кГц), на которой определяется радиус эквивалентной цели (Rэ0, м); fp − рабочая частота аппаратуры, кГц. При расчетах и проверки РПА, предназначенной для поиска отдельных рыб и рыбных скоплений, в качестве эталона соответственно приняты искусственные цели с радиусами эквивалентной сферы Rэ = 0,1 м и Rэ = 2 м с проведением измерений на частоте 30 кГц.

9.2. Шумоизлучение морских гидробионтов

9.2.1. Основные параметры шумоизлучения морских гидробионтов В настоящее время для обнаружения большинства видов рыб, образующих крупные косяки, используются гидроакустические средства обнаружения в режиме эхопеленгования. Но стандартные методы обнаружения оказались неприемлемыми для некоторых ценных видов морских и океанических рыб к которым относятся тунцы и акулы, не образующие косяков. Интенсивность эхосигналов от таких одиночных, хотя и крупных рыб, не всегда достаточна для их обнаружения на необходимых дистан155

циях. Промысел ракообразных (краба и креветок) в настоящее время вообще не обеспечен эффективной поисковой техникой. К новым перспективным методам гидроакустического обнаружения относится пассивный акустический метод, с помощью которого можно обнаруживать и идентифицировать некоторые морские промысловые объекты по издаваемым ими характерным шумам, определять направления на шумоизлучающие объекты и их скопления, определять пространственное распределение объектов. Рыбопоисковый гидролокатор способен обнаруживать рыбный косяк при достаточной плотности рыбы на дистанциях порядка 1 мили, а рыбошумопеленгатор может обнаруживать шумоизлучающие рыбные скопления с расстояния в несколько миль. Следует отметить, что сильно разреженные рыбные скопления, наблюдаемые в период нереста, гидролокатор может и не обнаружить, а эхосигналы от подобных скоплений классифицируются как слабая объемная реверберация. Период нереста у некоторых видов рыб длится несколько месяцев и является периодом наибольшей звуковой активности. Таким образом, использование рыбошумопеленгатора позволит обнаруживать те рыбные скопления, которые недоступны для активного рыбопеленгатора, но имеют важное промысловое значение. Целесообразность использования пассивного метода обнаружения морских гидробионтов становится крайне актуальной в наше время в связи с уменьшением рыбных запасов мирового океана и, как следствие этого, уменьшением плотности косяков рыбы. Предпосылкой для научных исследований по морской биоакустике были многочисленные примеры использования рыбаками звуков рыб для их поиска и облова. Исследование звуковой активности морских гидробионтов представляет большой теоретический и практический интерес, например, для промысловой разведки (поиск рыбы определенного вида по специфическим шумам, оценка мощности рыбного скопления). В случае, когда шумы, издаваемые морскими гидробионтами, рассматриваются как помехи (например, работе гидроакустических станций), их изучение также имеет практическое значение. Биоакустическое поле морских гидробионтов может быть охарактеризовано следующими параметрами [13, 21]: – уровнем звукового давления и превышением над уровнем помех; – частотным составом шумов; – длительностью отдельных сигналов; – числом и длительностью входящих в сигнал импульсов; – частотой повторяемости сигналов; – изменением интенсивности по времени; – протяженностью района излучения шумового сигнала. В результате исследований шумоизлучения морских гидробионтов, проведенных в период 50-х – 90-х гг. [21], установлено, что все они изда156

ют различные звуки биологического происхождения. Звуковая активность рыб зависит от их состояния, характерна для периода нереста и проявляется только в естественных условиях. Кроме звуков биологического происхождения, рыбы создают значительные гидродинамические шумы, обусловленные движением косяка в водной среде. Самым мощным звукопроизводящим органом рыб является плавательный пузырь, при помощи которого они издают низкочастотные импульсные звуки, подобные постукиванию или барабанному бою [21]. Сигналы рыб, издающих барабанные звуки, различаются преимущественно по ритму и длительности. Имеется некоторое различие в интенсивности звуков различных видов рыб, хотя различие в спектре излучаемых частот невелико. Правда, имеется некоторое различие в спектре излучаемых частот, зависящее от формы и размера плавательного пузыря, когда рыбам большого размера соответствует спектр более низких частот. В зависимости от структуры плавательного пузыря (однокамерный или двухкамерный) и связанной с ним системы возбуждающих мышц разные виды рыб издают различные акустические сигналы [21]: – ритмичные монотонные ″постукивания″ (горбыли); – монотонные ″постукивания″ без явно выраженного ритма (лососевые); – ритмичные "барабанные трели" с чередующимися основными частотами в импульсах (морские караси и т.п.); – ритмичная "барабанная дробь" (зеленушки и т.п.). Были выявлены закономерности в изменении звуковой активности рыб от времени суток. Как правило, ″барабанные″ шумы рыб начинаются с захода солнца и достигают максимального уровня к 21–22 часам. К полуночи шум снижается, а к рассвету, как правило, прекращается. Значительная часть издаваемых рыбами биоакустических сигналов – импульсные звуки длительностью в несколько долей секунды, однако их возможно различать на слух. Сигналы длительностью 0,001 с воспринимаются как слабые потрескивания; длительностью 0,01 с – как отчетливые щелчки с различными оттенками в зависимости от частоты заполнения; в сигналах длительностью 0,1 с различается модуляция. Совокупность различных импульсных сигналов, исходящих из многочисленных источников, создает качественно новое звучание, существенно превосходящее уровень шумов моря, что является главным условием для пеленгования объектов промысла на больших расстояниях.

9.2.2. Характеристики шумоизлучения различных морских гидробионтов 157

Горбыль. Относится к числу наиболее активных в акустическом отношении рыб. Слаболокализованные скопления горбылей в период нереста создают акустические поля высокой интенсивности. Размеры шумовых зон зависят от численности и распределения шумоизлучающих рыб по акватории, практически охватывая несколько квадратных миль. Сигнал одиночного горбыля характеризуется определенной ритмичностью и состоит из нескольких импульсов – монотонных ″постукиваний″, число которых в сигнале может быть от 2 до 6. Интервалы между сигналами квазипостоянны и составляют 2,5 – 3 с. Спектр звуков горбыля составляет от 150 Гц до 600 Гц. Ритмичность звуков каждой конкретной особи сохраняется даже в том случае, когда одновременно "стучат" сотни горбылей. Продолжительность периода наибольшей активности горбылей составляет около 6 часов. Ласкирь (морской карась). Шумы ласкирей отличаются большей динамичностью и выразительностью. Одиночный сигнал представляет собой длинную низкочастотную ″барабанную трель″, в которой чередуются две основные частоты – 280 и 320 Гц. С заходом солнца обычно начинается "перекличка" ласкирей: раздается один сигнал, через некоторый интервал времени другой, который отличается от первого по интенсивности, несколько по тембру, иногда по ритму и длительности. Если у горбылей ″постукивания″ монотонны и довольно стандартны, то у ласкирей сильнее выражена индивидуальность особей. Поэтому можно легко отличить повторяющиеся сигналы от каждой из рыб. К 21 часу характер биошумов ласкирей меняется, ″переклички″ становятся частыми, сигналы одиночных особей сливаются. После полуночи интенсивность шумов снижается. Основные гармоники в спектре крупных ласкирей лежат в области 180 − 250 Гц. Продолжительность ″барабанной трели″ для особей различна: от 0,5 до 2,5 с. Длительность одного импульса в сигнале составляет от 10 до 20 мс при длительности интервалов между импульсами от 0,01 до 0,08 с. Зеленушки. С помощью плавательного пузыря зеленушки издают сигналы, подобные барабанной дроби из 5 – 6 импульсов. Интервалы между импульсами постоянны и в среднем составляют 0,08 с. Длительность импульсов в сигнале составляет 0,06 с. Интервалы между сигналами одной и той же рыбы постоянны и варьируют в пределах от 2 до 3 с. Уровень сигнала имеет порядок, аналогичный уровню ласкиря. Максимальная интенсивность шумов наблюдается от 21 до 22 часов, далее интенсивность шумов постепенно снижается. Тунец. Поведение тунцов имеет ряд характерных особенностей. Они не образуют плотных скоплений, в поисках пищи совершают длительные миграции и никогда не задерживаются на одном месте. Тунцы постоянно перемещаются с большой скоростью, совершая при этом вертикальные 158

миграции на глубинах более 200 м. Для районов скопления тунцов характерными подводными звуками являются короткие "стуки" – импульсы длительностью от 20 до 40 мс. По количеству слышимых в точке наблюдения "стуков" можно судить о численности тунцов в данном районе. Шумы, излучаемые различными видами тунцов, имеют различные частотные характеристики. Для большеглазых тунцов характерны высокочастотные ″стуки″ со спектром частот 4,5 – 7,2 кГц, у желтоперых тунцов спектр частот ниже – 3,6 – 5,7 кГц. Интенсивность звуковых сигналов тунцов от времени суток изменяется незначительно. Сардина. Звуки, производимые поверхностными косяками сардины, напоминают чириканье воробьев. Эти импульсные сигналы имеют длительность от 2 до 8 мс и спектр частот от 1,2 до 5 кГц с наиболее интенсивными составляющими 2−3,5 кГц. Акула. Особенно характерными для акул звуками являются сложно модулированные по частоте и амплитуде сигналы ″стрекотаний″ с щелчками взрывного типа. Сигналы прослушиваются в диапазоне 2 − 16 кГц и 2 − 6 кГц. В диапазоне 15 – 20 кГц взрывоподобные ″стрекотания″ прослушиваются в более четкой акустической окраске. Щелчки акул имеют относительно большую длительность – 50 мс и следуют один за другим с интервалом 0,4 – 2,6 с. Лосось. Все издаваемые лососями звуки можно разделить на регулярные и нерегулярные. Последние проявляются в период нереста в виде массовых, низкочастотных ″постукиваний″, издаваемых с помощью плавательного пузыря. Характерными сигналами, издаваемыми лососями, являются "постукивания", которые сильно различаются по частоте (350 – 2500 Гц) в зависимости от разновидности и размера особи. Кроме «постукиваний», наблюдаются и различные спонтанные звуки: потрескивание, высокочастотные щелчки, импульсы с металлическим призвуком, импульсы, подобные звукам от падающих капель, хруст, разнообразный скрежет и т.д. Алфеусы. К алфеусам относится большое количество креветок, обладающих мощной большой клешней, которая производит интенсивные щелчки. Когда натяжение закрывающих мускулов клешни становится достаточным, маленький палец выходит из своих зажимов-отростков и щелкает по большому пальцу. При этом небольшой бугорок маленького пальца входит в углубление на большом пальце и мгновенно вытесняет реактивную струйку воды, создавая гидродинамический удар. Колонии алфеусов заселяют подводную часть прибрежных скал с плотностью скоплений до 20 особей на 0,1 м2. Такое множество щелкающих рачков обычно создает устойчивый фоновый шум, наблюдаемый во всех теплых морях. Спектр шумов алфеусов наблюдается в полосе частот 100Гц – 30 кГц, с максимумом в полосе 16−30 кГц. Креветки. Креветки из семейства Penaeidae имеют стридуляционный аппарат, который состоит из ряда маленьких гребешков на боковых сто159

ронах головогруди в области жабр. Переднепоперечная кромка первого сегмента брюшка, задевая эти гребешки, создает импульсы типа скрежета. Среди звуков, издаваемых креветками, наиболее регулярными являются импульсные сигналы типа потрескиваний со спектром частот 0,4 − 16 кГц и наиболее интенсивными составляющими в диапазоне частот 0,8 – 16 кГц. Ночью интенсивность шумоизлучения креветок увеличивается на 10 дБ в диапазоне частот 2 − 16 кГц и на 20 дб в диапазоне частот 16 − 30 кГц. Крабы. Среди крабов имеется много видов с различными выступами, терками и прочими шероховатыми поверхностями, которые являются потенциальными механизмами для шумоизлучения. У многих крабов механизм скрежета расположен у основания двух ног в виде двух бугорков. Такие же бугорки имеются на панцире, и при определенном направлении движения конечностей краб издает звуки. Анализ звуков, производимых крабами, показывает, что их максимальная интенсивность наблюдается в областях скопления самцов. В местах скопления крабов прослушиваются взрывоподобные шумы широкого спектра частот, носящие регулярный характер. Уровень звукового давления таких "взрывных волн" резко возрастает, а затем быстро снижается до уровня фонового шума моря. Длительности и уровни звукового давления "взрывных волн" различны и достигают 6,5 с. Общий спектр частот составляет от 50 Гц до 10 кГц. Головоногие моллюски. Кальмары и осьминоги во время питания могут производить звуки, подобные скрежету металла, которые они издают своими клювами, похожими на клювы попугаев. Резкие скрежетания издаются при помощи терки – языкообразного органа, который действует аналогично напильнику, обтачивая раковины моллюсков или другой подобной добычи. Кроме того, при выталкивании воды в момент поступательного движения головоногие моллюски производят звуки, напоминающие хлопки. Двухстворчатые моллюски. В районе обитания устриц и мидий наблюдается повышенный уровень шумов – громкое ″скрежетание″. Оно особенно отчетливо прослушивается в пределах мелководья приливноотливной зоны. Зоопланктон. Зоопланктон издает характерные ″хрустоподобные звуки″ в полосе частот 800 – 5120 Гц с наиболее интенсивными компонентами на частотах 800 и 2030 Гц. Слой источников шума залегает на глубине от 20 до 70 метров от поверхности.

Глава 10. ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ ПОМЕХ

160

10.1. Общие положения

Гидроакустическое обнаружение сводится к принятию решения о наличии или отсутствии полезного сигнала (цели). Поскольку прием полезного сигнала происходит в присутствии помех, затрудняющих процесс принятия решения, задача обнаружения является статистической, а решение принимается с той или иной вероятностью, определяющей качество обнаружения. Реализация трактов гидроакустического обнаружения основывается на априорных сведениях о структуре (модели) полезного сигнала, о структуре (модели) помехи, а также на выбранных критериях. Исходя из вышесказанного, находят методы обработки сигналов, оптимальные с точки зрения выбранных критериев, и синтеза структур оптимальной обработки. Поскольку реализация оптимальных структур весьма сложна, отыскивают структуру квазиоптимальных устройств, показатели качества которых не сильно отличаются от оптимальных. Способность трактов обнаружения удовлетворять заданным критериям (показателям) качества называют помехоустойчивостью тракта. При решении задачи обнаружения тракт обработки гидроакустического сигнала предназначается для преобразования и представления решающему звену информации в виде, удобном для принятия одного из двух решений: наличие – 1 либо отсутствие − 0 полезного сигнала (двухальтернативная задача). Наиболее общее правило решения в этом случае должно быть построено так, чтобы в среднем потери были возможно меньшими. Аналитически это условие представляется в следующем виде [9]:

R = P0C00 ∫ f (u П )du + P0C01 z0

+ P1C10 ∫ f (uC / П )du + P1C11 z0

∫ f (uП )du +

z − z0

∫ f (uC / П )duΔmin ,

(10.1)

z − z0

где R – риск, или ожидаемая величина потерь; P1 и P0 − априорные вероятности наличия и отсутствия сигнала соответственно; С00, С01, С10, С11 − стоимость возможных вариантов принятия решения, где первая цифра подстрочного индекса означает выбранную гипотезу, а вторая – гипотезу, которая была правильной; z – пространство наблюдений; z – z0, z0 − пространство, где соответственно присутствует или отсутствует обнаруживаемый сигнал; f(uП), f(uC/П) − плотность распределения выходного эффекта при наличии помехи, сигнала/помехи. Критерий, аналитически выраженный формулой (10.1), известен как 161

критерий Байеса. Критерий Байеса приводит к критерию отношения правдоподобия [9]: да

λ (u )

> η, <

(10.2)

нет

эквивалентной формулой записи которого является: да

ln λ (u )

>

<

lnη .

(10.3)

нет

Вся процедура обработки, производимой согласно выражениям (10.2) и (10.3), сводится к вычислению λ(и), и распределение априорных вероятностей или стоимостей на нее влияния не оказывает. Современная теория оптимальных методов приема базируется на модели, суть которой состоит в том, что приемное устройство должно обеспечить вычисление (по входным и априорным данным) апостериорной вероятности наличия сигнала. На базе теории статистических решений эта модель оптимального обнаружителя должна включать в себя приемное устройство, обеспечивающее проверку гипотезы о наличии на входе смеси искомого сигнала с шумом относительно альтернативной гипотезы о наличии только шума путем вычисления отношения правдоподобия [9]:

fC / П [u (t , x)] , f П [u (t , x)]

λ (u ) =

(10.4)

где t − координата по времени; x − координата по пространству. Процедура обработки данных сводится к вычислению λ(и) и сравнению его с порогом испытания λ(и0), определяемым выбранным критерием принятия решения. Соответственно алгоритм оптимальной обработки будет определяться выражением [9]: n t0 ( xi )+T

uвых = ∑

∫

i =1 t0 ( xi )

∞

u (t , x) b(t , xi )dt .

(10.5)

Структура оптимального обнаружителя для этого случая с учетом алгоритма обработки, определяемого выражением (10.5), имеет вид, представленный на рис.10.1. Сложность нахождения структуры приемника b(t,х) в значительной мере определяется ядром системы уравнений (10.5). Когда сходны автокорреляционные функции сигнала и помехи, то специальная временная (частотная) обработка нецелесообразна, так как при этом

162

сохраняется лишь эффективность временного усреднения после нелинейного элемента приемного тракта. В этом случае основной инструмент решения задачи обнаружения поля сигнала в поле помех − пространственная обработка, под которой понимают способ получения оптимальной обработки в пространстве поля сигнала + помеха и амплитудно-фазовые преобразования сигнала. При построении современных приемных трактов РПА, как правило, корреляционные свойства сигнала и помехи задаются, и при их отличии имеется возможность выделения сигнала на фоне помехи при отсутствии пространственной обработки. Тогда из выражения (10.5), как частный случай, следует процедура одноканальной временной обработки: uвых =

t0 +T

∫ u (t )b(t )dt .

(10.6)

t0

Рис. 10.1. Структура оптимального обнаружителя

Структура оптимального одноканального гидроакустического обнаружителя при обнаружении гауссова стационарного шумового сигнала на фоне стационарной шумовой гауссовой помехи (случай шумопеленгования) определяется параметрами плотностей распределения процессов на входе тракта обработки и видом критерия принятия решения. Конечным звеном оптимального обнаружителя является пороговый каскад, в котором сравниваются величины логарифма отношения правдоподобия с установленной величиной порога lnλпор, которая выбирается исходя из реализуемого в обнаружителе статистического критерия обнаружения. Многоканальные гидроакустические обнаружители в качестве приемных антенн используют направленные многоэлементные системы, при этом приемная база гидрофонов ориентируется в направлении на цель или путем ее механического вращения, или введением в цепи гидрофонов соответствующих временных задержек. Протяженность базы и расстояние до источника сигнала обычно таковы, что фронт падающей волны в месте расположения приемной базы полагают плоским. Практически схемы обнаружителей по своей структуре являются некоторым прибли163

жением к нереализуемым оптимальным структурам и их называют субоптимальными. Нереализуемость оптимальных структур определяется трудностью удовлетворения одной структурой нескольких требований одновременно по решаемым задачам, видам сигналов и помех, а также невозможностью построения с помощью радиоэлектронных элементов моделей, соответствующих математическим условиям оптимизации.

Рис. 10.2. Структурная схема типового тракта обнаружения

Обобщенный приемный тракт обнаружения с пороговым устройством называют типовым трактом обнаружения (рис.10.2). Из данной схемы видно, что типовой тракт обнаружения включает преселектор (фильтр высоких частот), безынерционный квадратичный детектор, интегрирующее устройство (фильтр нижних частот) и пороговое устройство.

10.2. Вероятностные характеристики обнаружения сигналов РПА

10.2.1. Модели сигналов на входе РПА Тракт обработки гидроакустических сигналов, преобразуя их в электрические сигналы, обеспечивает на входе решающего звена присутствие напряжения, сравниваемого с порогом и0. По результатам сравнения выносится решение об обнаружении. Для построения вероятностных характеристик обнаружения (ВХО) необходимо знать (задать) законы распределения вероятностей процесса на входе решающего устройства при отсутствии или наличии помех. Эти предположения (задания) основаны на выбранных моделях сигнала и помехи, на способе их преобразования трактом обработки. Гидроакустические сигналы формируются объектами, информация о которых преобразуется с помощью гидроакустических средств. При этом средства пассивной гидролокации (шумопеленгаторы, ГАС разведки, звукометрические ГАС) обнаруживают и определяют свойства подводных объектов на основе приема и обработки акустических сигналов, излучаемых этими объектами. Средства активной гидролокации обнаруживают и определяют свойства подводных объектов на основе излучения гидроакустических сигналов в водную среду, а также 164

на приеме и обработке эхосигналов, которые возникают в результате отражения (или рассеяния) акустических волн от подводных объектов. Для описания сигналов и помех в гидролокации используются вероятностные модели, основанные на изучении динамических свойств объектов исследования, а в инженерной гидроакустике широко используется феноменологический подход, в котором построение вероятностной модели заключается, по существу, в расчете вероятностных характеристик сигналов по соответствующим характеристикам элементарных процессов. В большинстве случаев построение феноменологических моделей сигналов основано на интуиции исследователя, его опыте, при этом возможны три типа феноменологических моделей: канонические, конструктивные и параметрические [9]. Канонические модели сигналов основываются на представлении последних в виде суммы элементарных колебаний со случайными параметрами или интегрального преобразования элементарных колебаний, характеристики которых случайны. В первом случае говорят о дискретных канонических моделях, во втором – об интегральных канонических моделях. Конструктивные модели сигналов основаны на представлении последних в виде комбинации (в общем случае аддитивно-мультипликативной) некоторых элементарных случайных процессов. Параметрические модели сигналов основаны на представлении последних в виде детерминированных функций времени, зависящих от случайных параметров. Простейшей моделью гидроакустического сигнала является простое гармоническое колебание: x(t) = Asin(wt + φ),

(10.7)

где A, w, φ = const. Эта модель предполагает выполнение условия − ∞ < t < ∞, хотя реальные сигналы имеют начало и конец. Линейная система изменяет лишь амплитуду и фазу такого сигнала. Длительные квазимонохроматические сигналы, такие как дискретные составляющие в спектре шумоизлучения кораблей и судов, сигналы гидроакустической связи, могут быть представлены подобной моделью. Дискретной канонической моделью сложного сигнала является выражение вида: n

x(t ) = ∑ Akϕk (t ) ,

(10.8)

k =1

где Ak − некоррелированные случайные величины; φk− – неслучайные функции времени. Число слагаемых п в этой сумме может быть как конечным, так и бесконечным. Такие модели могут описывать гидроакустические сигналы, представляющие собой результат рассеяния волн на дискретных не165

однородностях водной среды и ее границ, а также при многолучевом распространении сигналов. Сложные детерминированные функции в гидроакустике часто рассматриваются как совокупности простых колебаний, задаваемых разложением в ряды Фурье для периодических и почти периодических функций. В этом случае величины Аk из выражения (10.8) определяются как ∞

Ak =

∫ x(t )ϕk (t )dt .

(10.9)

−∞

В качестве модели сложного сигнала с ограниченным спектром широко используется разложение Котельникова, которое имеет вид: x(t ) =

∞

∑ x(kΔt )sinwm (t − kΔt )[wm (t − kΔt )]−1 ,

(10.10)

k = −∞

где wm – максимальная частота сигнала; Δt = πwm−1. В качестве достаточно универсальной характеристики сигналов в гидролокации используется функция неопределенности. Она служит мерой ортогональности исходного и сдвинутого по времени и частоте сигналов. По определению нормированная функция неопределенности записывается в виде [5, 9]: 1 χ 0 (τ ,Ω ) = EC

∞

∫ uC (t − τ )uC (t )exp( jΩt )dt , *

(10.11)

−∞

где Ω=2πf − частотный сдвиг; τ − временной сдвиг; uC(t) − комплексная огибающая сигнала; u*C (t) − функция, комплексно-сопряженная с uC(t); EC − энергия комплексной огибающей uC(t) сигнала, которая определяется формулой: ∞

EC = ∫| uC (t ) |2 dt .

(10.12)

−∞

Функция неопределенности χ(τ,Ω) сигнала характеризует степень совпадения сигналов, один из которых сдвинут во времени на величину τ − множитель uC(t − τ), а другой, комплексно-сопряженный, сдвинут по частоте на величину Ω – множитель u*C (t)exp(jΩt). Она дает универсальное (на корреляционном уровне) описание сигнала в частотно-временной области и обладает рядом преимуществ перед временным и частотным описанием сигналов. Основные свойства функции неопределенности [5, 9]: 166

– объем "тела неопределенности" постоянен: ∞ ∞

∫ ∫| χ (Ω ,τ ) |

2

dΩdτ = 2π ;

(10.13)

−∞ −∞

– функция неопределенности выражается через спектральную плотность ∞

f C ( w) = ∫ uC (t )exp(− jwt )dt

(10.14)

−∞

комплексной огибающей сигнала uC(t): 1 χ (Ω ,t ) = 2πEC

∞

∫ fC (w) fC (w + Ω )exp( jwτ )dw ; *

(10.15)

−∞

– сечение функции χ(Ω,τ) плоскостью, перпендикулярной (Ω,τ) и проходящей через линию τ = 0, дает: 1 χ (Ω ,0) = EC

∞

1 | u t | − j Ω t dt = ( ) exp( ) C ∫ 2πEC −∞ 2

∞

∫ fC (w) fC (w + Ω )dw, *

(10.16)

−∞

что соответствует частотному спектру квадрата модуля комплексной огибающей сигнала или свертке ее комплексных спектров; – сечение функции χ(Ω,τ) плоскостью, перпендикулярной (Ω,τ) и проходящей через линию Ω = 0, дает: 1 χ (0,τ ) = EC

∞

∫ uC (t − τ

)u*C (t )d (t )

−∞

∞

1 = | f C ( w) |2 exp( jwτ )dw. ∫ 2πEC −∞

(10.17)

Функция χ(0,τ) соответствует так называемой функции автокорреляции сигнала или Фурье-преобразованию квадрата модуля спектра комплексной огибающей сигнала. Функция неопределенности впервые была введена в статистическую радиолокацию Вудвортом в виде [9]: ∞

1 Ω ⎞ *⎛ Ω⎞ ⎛ (10.18) f w f w χ 0 (t ,Ω ) = − + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟exp( jwt )dw . 2πEC −∫∞ ⎝ 2⎠ ⎝ 2⎠ Вследствие влияния эффекта К. Доплера отраженный от движущейся цели сигнал имеет частотное смещение, приводящее к необходимости многоканального построения приемного тракта гидролокатора для обеспечения высокой помехоустойчивости. Существуют определенные виды сигналов, которые "нечувствительны" к доплеровским частотным иска-

167

жениям. Такие зондирующие сигналы называют инвариантными по отношению к эффекту К. Доплера, и при их использовании отсутствуют различия между кривыми зависимости мгновенной частоты от времени для эхосигналов и опорных сигналов, сдвинутых во времени копиями излученных сигналов. Одним из таких сигналов является сигнал с равномерным амплитудным спектром, фазовый спектр которого удовлетворяет уравнению: φ[(1 − δv)w] − φ(w) + wt = 2πi, i = 0, 1, 2, 3, …,

(10.19)

где δv = 2vr/c (vr − радиальная скорость цели).

10.2.2. Модели помех на входе РПА Ранее в главе 4 мы рассматривали основные типы помех и выражения, которыми они описываются. Рассмотрим энергетические и спектральные характеристики суммарного поля помех. Спектр мощности (интенсивности) характеризует распределение мощности помехи по частоте и определяется величиной GI, Вт/(м2·Гц) [9]: GI (t ) =

dI . df

(10.20)

При этом интенсивность шума в полосе частот от f1 до f2 определяется как f2

I Δf = ∫ GI ( f )df ,

(10.21)

f1

где GI(f) − спектральная плотность интенсивности. Наряду со спектральной плотностью интенсивности оперируют также спектральной плотностью квадрата акустического давления: dp 2 (t ) . (10.22) Gp ( f ) = df Эти две характеристики общего уровня помех связаны соотношением:

I=

p2 . ρc

(10.23)

В инженерных расчетах широко используется следующая формула 168

для оценки уровня помех на выходе акустической антенны, имеющей коэффициент концентрации K [9]: p П ( f Э , Δf , K ) =

p П (1,1) Δf , f Эn / 2 K

(10.24)

I П (1,1)Δf , f Эn K

(10.25)

или в терминах интенсивности:

I П ( f Э ,Δf , K ) =

где fЭ − эквивалентная частота; рП(1,1), IП(1,1) − стандартное (приведенное) значение давления (интенсивности) помех в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц при ненаправленном приеме (Δf измеряется в Гц, fэ − в кГц). fЭ = n

(n − 1)( f 2 − f1 ) f 2n−1 f1n−1 , f 2n−1 − f1n−1

(10.26)

где n − показатель скорости спада спектра помех. Следует отметить, что выражения (10.24), (10.25) справедливы только для случая изотропной помехи. Аналитическое выражение ВХО полностью определяется видом распределения выходного эффекта, следующим из выбранной модели сигнала и помехи, отвечающим конкретным условиям применения гидроакустических средств. В гидролокационных обнаружителях наиболее часто распределение выходного эффекта описывается нормальным (гауссовым), рэлеевским и обобщенным рэлеевским законами.

10.3. Аналоговая обработка сигналов в РПА

10.3.1. Методы обработки аналоговых сигналов Для обнаружения полезной информации в принимаемом сигнале используются следующие методы аналоговой обработки гидроакустических сигналов [8]: – временная селекция – выделение сигнала только в заданные промежутки времени; – спектральный анализ – выявление особенностей спектра сигнала в широкой и узкой полосе; – корреляционный анализ – вероятностная обработка сигналов с вы169

явлением взаимосвязи между сигналами в различные моменты времени; – статистическая обработка − определение характера распределения амплитуд или фаз сигналов за определенный промежуток времени. Временная селекция широко используется в случае, когда точно известно время прихода полезного сигнала на вход гидроакустического средства. Спектральный анализ − определение амплитуд и частот или частотных участков колебаний, входящих в состав сложного сигнала. Основным элементом, с помощью которого выполняется спектральный анализ, является частотно-избирательный фильтр. Свойства такого фильтра оцениваются: – шириной полосы пропускания Δf на уровне 0,707 максимума; – крутизной спада характеристики, определяемой по отношению величины затухания (вне полосы пропускания при заданной расстройке) к средней полосе фильтра; – временем установления колебаний в полосе пропускания. Разрешающая способность анализатора (возможность по выявлению смежных составляющих с близкими частотами) характеризуется интервалом ΔF между частотами двух равных по амплитуде синусоидальных сигналов, разделяемых с провалом между пиками, равным 0,5 максимума. Разрешающая способность тем выше, чем меньше ΔF. Анализ может быть последовательным, когда параметры фильтра изменяются таким образом, что каждый участок исследуемого диапазона оценивается поочередно, и одновременным, когда сигнал поступает на параллельно включенные фильтры, охватывающие весь исследуемый частотный диапазон. Корреляционным анализом называется определение степени связи между случайными явлениями на основе вероятностного подхода к оценке происходящих процессов. Математической мерой связи процессов является взаимная корреляционная функция, характеризующая вероятностную связь значений процессов, разделенных интервалом времени. Корреляционный анализ заключается в экспериментальном определении зависимости корреляционных функций от изменения задержки во времени одного из параметров исследуемого процесса. Методы корреляционного анализа не могут дать дополнительной информации по сравнению со спектральным анализом, но в ряде случаев корреляционные методы позволяют ускорить или облегчить анализ. Если процессы являются независимыми, то нормированная взаимная корреляционная функция равна нулю. Однако равенство нулю нормированной взаимной корреляционной функции наблюдается при определенных условиях и для взаимосвязанных процессов. Нормированные корреляционная и взаимная корреляционная функции изменяются в пределах от +1 до −1. При линейной связи между процессами x(t) = ny(t), а r(τ) = ±1, где п − численный коэффициент. Корреляционная функция при значении τ = 0 равна среднему значе170

нию квадрата функции, т.е. характеризует мощность исследуемого процесса. Нормированная функция корреляции при τ = 0 равна единице. Корреляционные функции различных сигналов, используемых для анализа, характеризуются интервалом корреляции, т. е. таким временем задержки между явлениями, при котором они могут считаться независимыми. Функции нормированной корреляции периодических процессов периодичны, а их интервал корреляции равен бесконечности. Интервал корреляции обратно пропорционален ширине спектра сигнала. Для практики важны сигналы с наименьшим интервалом корреляции. Типовой корреляционный анализатор содержит два канала усиления фильтрации, блок переменной задержки времени в одном из каналов, блок умножения и интегрирования. В связи с трудностью выполнения операции умножения в современных корреляционных анализаторах распространена система оценки вероятности знакосовпадения исследуемых сигналов, предварительно ограниченных по амплитуде. Задержка времени в таких приборах может быть выполнена на элементах дискретной техники − регистрах сдвига, управляемых генератором тактовых импульсов, что существенно упрощает установку. В корреляторах этого вида определяется нормированная взаимная корреляционная функция. Представляют интерес корреляционные анализаторы, сочетающиеся с анализаторами взаимного спектра. Методы, используемые при статистическом анализе, подробно описаны выше при рассмотрении ВХО.

10.3.2. Методы регистрации и отображения аналоговых сигналов Практика гидроакустических исследований показывает, что необходимость передачи и фиксации неискаженного сигнала, т.е. всей информации, которую он содержит, возникает сравнительно редко. Значительно чаще необходимо регистрировать только некоторые параметры акустического сигнала (максимальную или усредненную амплитуду, частоту и т. д.). Часто вся необходимая информация содержится в огибающей высокочастотного акустического сигнала. Регистрация и последующее воспроизведение полного акустического сигнала может осуществляться методами магнитной и оптической записи. Это, как правило, сложный процесс, сопровождающийся заметными искажениями сигнала. Поэтому его стараются избегать, выделяя огибающую сигнала, его усредненную амплитуду или другие параметры, позволяющие характеризовать исследуемые процессы. Рассмотрим некоторые особенности детектирования типовых акустических сигналов. Амплитудная модуляция представляется выражением: A = A(t)sinwt, 171

(10.27)

где A(t) – функция временной зависимости амплитуды, часто называемая огибающей сигнала. Наиболее общим методом выявления огибающей сигнала является его детектирование и сглаживание полученных значений с помощью фильтров низкой частоты. Распространенной процедурой сглаживания является использование RC-цепей с соответствующим выбором их постоянных времени. При выборе параметров схемы необходимо удовлетворить два требования – сохранить высокое значение амплитуды сигнала и правильность передачи значений огибающей. Ток в цепи и распределение напряжений на линейном и нелинейном сопротивлениях (детекторе) при их последовательном соединении определяются графически по вольт-амперной характеристике (ВАХ) детектора. Кроме полезного модулирующего сигнала, в сигнале на выходе детектора присутствует ряд высоких частот, четные гармоники несущей частоты и основная частота. Для выделения низкочастотной составляющей нужно отфильтровать высокие частоты и постоянную составляющую. Последняя исключается последовательно включенной емкостью, а высшие частоты отфильтровываются с помощью звена из сопротивлений и емкостей, которые выбираются из условий [8]:

1 1 << R << , w0C ΩC

(10.28)

где w0 − частота несущей; Ω − угловая частота модуляции. Часто достаточно использовать обобщающую информацию о характере сигнала за известный промежуток времени. При этом наиболее широко используют две оценки − пиковое (максимальное) значение сигнала и его среднеквадратичное значение. Соответственно различают пиковое и среднеквадратичное детектирование. При пиковом детектировании фиксируется максимальное значение, которое сигнал достигает в рассматриваемом промежутке времени. Постоянная времени фильтра должна быть много больше рассматриваемого промежутка времени. Удержание максимального значения заряда емкости достигается увеличением RC, применением схем повторителей, фиксаторов уровней и схем отключения заряженной емкости. Среднеквадратичное детектирование осуществляет оценку процесса на основе выражения [8]: T

1 U = ∫ x 2 ( f ) dτ . T0 2

172

(10.29)

Это соответствует квадрированию и последующему усреднению сигнала. Для осуществления этой операции (при работе на линейный индикатор) используется схема с линейно-кусочной аппроксимацией характеристик диодов. В связи с необходимостью обеспечения большого динамического диапазона представляет интерес использование логарифмического самописца уровней, обеспечивающего динамический диапазон до 75 дБ в диапазоне частот 1−200000 Гц. Этот прибор обеспечивает регистрацию на ленте пикового, среднего или среднеквадратичного значения огибающей сигнала. Регистрирующий элемент самописца – перо механически связано с контактом входного потенциометра, а его электронная часть представляет самобалансирующуюся мостовую схему. Поэтому электрический сигнал в качестве выходного параметра в обычном самописце уровней отсутствует. Для того чтобы снимать напряжение, пропорциональное отклонению пера самописца, фирмы-изготовители самописцев используют дополнительный линейный потенциометр, средняя точка которого механически соединена с пером самописца. Выходное напряжение Uвых определяется формулой [8]:

U вых =

U 0 k lg U вх , R

(10.30)

где U0 – напряжение питания дополнительного потенциометра; R – сопротивление потенциометра; Uвх – входное напряжение сигнала; k – постоянный множитель. При выявлении информации только одного вида, например, амплитуды сигнала, представляет интерес ее сохранение на достаточно большой промежуток времени в аналоговой форме перед преобразованием в цифровую. Для этой цели используют схемы с большой постоянной времени разряда емкости, включая схемы с использованием интегрирующих каскадов с увеличенной постоянной разряда, путем отключения емкости после заряда как от источника, так и от нагрузки.

10.4. Цифровые методы обработки сигналов в РПА

10.4.1. Дискретизация и квантование непрерывных сигналов Дискретизацию сигнала можно представить как модуляцию последовательности единичных кратковременных импульсов S(t) непрерывной 173

функцией φ(t), в результате чего образуется дискретная функция x(t). Спектр этой функции: x( f ) =

∞

∞

∑ ∫ ϕ (t )Sne− j ( wt −w n)dt , n = −∞ 0

(10.31)

−∞

где Sn – коэффициент Фурье (разложения функции S(t) в ряд); 1/w0 – период повторения S(t). Реальная функция импульсной модуляции представляется рядом последовательных импульсов единичной амплитуды и продолжительности τ с периодом повторения Δt. Функцию импульсной последовательности можно разложить в ряд Фурье:

τ ∞ sin(nπτ / Δt ) S (t ) = . ∑ Δt n=−∞ nπτ / Δt

(10.32)

Спектр этой последовательности состоит из постоянной составляющей и линейчатой части, симметричной относительно этой составляющей, причем промежуток между соседними спектральными линиями равен 1/Δt, а амплитуда определяется отношением [sin(nπτ/Δt)]/[nπτ/Δt]. Так как значение τ/Δt достаточно мало, то амплитуда первых нескольких спектральных линий приближенно равна величине постоянной составляющей функции. Поскольку акустические аналоговые сигналы обладают свойством непрерывности и имеют конечную амплитуду, то скорость изменения их от одной временной точки до другой не может быть беспредельной, она подчиняется определенной закономерности. Представление непрерывного сигнала с помощью дискретных величин обычно основано на разложении функции f(t) в ряд Котельникова:

f (t ) =

∞

∑

k =−∞

f (k / 2 f В )

sinwВ (t − k / 2 f В ) , wВ (t − k / 2 f В )

(10.33)

где f(k/2fВ) – мгновенные значения функции, отсчитываемые через интервалы 1/fВ; k = 1, 2, ..., fВ – высшая граничная частота спектра исследуемой функции. Функция f(t), взятая в промежутке Т, определяется п дискретными значениями: n = T/Δt = 2fВT. Для функции f(x), непрерывной в том интервале времени T, где проводится ее дискретизация, при условии непрерывности первой и второй производных, на основе аппроксимации функции методом линейной интерполяции может быть получена зависимость частоты дискретных измерений п/Т (где п – общее число измерительных точек) от заданной по174

грешности аппроксимации Δ в следующем виде:

n = T

f " (t ) max , 8Δ

(10.34)

где f"(t)max – максимальное значение второй производной на рассматриваемом участке кривой. Сравнительная оценка аппроксимации рядом Котельникова и методом линейной интерполяции синусоидального и экспоненциального сигналов показала, что метод линейной интерполяции для сигналов экспоненциальной формы имеет существенные преимущества. Поэтому в тех случаях, когда имеется возможность оценить значение второй производной функции, подвергаемой дискретизации, целесообразно применение метода линейной интерполяции. Если же имеются сведения только о характере ожидаемого спектра, что бывает тогда, когда сигнал пропускают через полосовой фильтр, физически ограничивая высокие частоты, то в качестве исходных значений для дискретизации следует выбрать верхнюю граничную частоту фильтра. Применяются и другие оценки, позволяющие определить число выборок для непрерывных временных функций со случайными, но ограниченными параметрами. Кроме дискретизации сигналов во времени для ввода в ЭВМ, необходимо еще осуществить их квантование по уровню амплитуды, так как цифровые массивы могут содержать лишь ступенчатые значения. В результате квантования непрерывная по уровням реализация сигнала заменяется ступенчатой. Максимальная ошибка квантования уровня Δу составляет половину интервала квантования уровней Δk: |Δу|max = Δk/2.

(10.35)

В связи с тем что число интервалов квантования в современных аналого-цифровых преобразователях достаточно велико, ошибка квантования составляет не более долей процента от максимального значения сигнала, но относительное значение этой погрешности резко увеличивается при квантовании малых сигналов. Очевидно, квантование по уровню вызывает изменение вида функции, так как она становится ступенчатой, и необходимо, чтобы эти новые градации не исказили истинный характер сигнала. Следует учитывать неизбежные ошибки измерения, вызываемые неточностью определения промежутков между дискретными значениями и погрешностью в отсчете амплитуд. Чтобы погрешность измерений при дискретизации не сказывалась на ее результатах, используют избыточную информацию, которая позволяет приблизить значение восстанавливаемого по дискретным величинам сигнала к оригиналу. 175

При восстановлении цифрового сигнала в аналоговую форму кодированные цифровые значения могут рассматриваться как импульсы соответствующей амплитуды. Процесс восстановления импульсномодулированной функции равносилен действию фильтра нижних частот.

10.4.2. Оптимальная обработка гидроакустических сигналов Обработка гидроакустических сигналов выполняется с помощью изложенных выше методов – частотной и временной фильтрации, отыскания корреляционных и статистических связей, нелинейной обработкой информации и т. д. Существенной особенностью является то, что во многих случаях в приемных трактах используется несколько методов; это позволяет добиваться наилучших результатов для решения поставленных целей – выявления полезного сигнала или его классификации. Большинство приемных трактов представляют сложные комплексы аналоговых и цифроаналоговых устройств, предназначенных для решения этих целей, причем одним из наиболее существенных моментов является требование обработки в ограниченный промежуток времени. В современных приемных трактах гидроакустических средств все шире применяются приемы цифровой обработки информации, как более гибкие и многообразные, чем аналоговые. Успехи в развитии ЭВМ позволяют при этом использовать преимущества цифровой оперативной обработки гидроакустической информации на основе внедрения принципов обработки радиолокационных и радионавигационных сигналов. В связи со сложностью и противоречивостью требований, выдвигаемых практикой, важное значение приобретает рациональный выбор методов и аппаратуры для обработки сигналов. Оптимальная обработка может иметь только конкретный характер. В ряде случаев обработка рассчитана на специфические сигналы, например, частотно- или фазо-модулированные, или на борьбу с помехами известного вида (реверберационными). Значительную роль играют логические методы выбора и оценки информативности отдельных признаков, входящих в исходное признаковое пространство описания объектов. Существует ряд цифровых обнаружителей, хотя и не являющихся полностью оптимальными, но реализующих алгоритмы обнаружения, близкие к оптимальным. К ним относятся цифровые накопители позиций в виде многоканальной системы, когда в каждом канале находятся отдельные простые обнаружители и измерители, цифровые программные обнаружители, содержащие цифровые автоматы для обнаружения пачки эхосигналов, и накопители, подсчитывающие позиции элементов логики. 176

Таким образом, процесс оптимальной обработки гидроакустической информации разбивается на элементарные операции, поддающиеся математическому описанию, для каждой операции используются оптимальные устройства, а затем производится совместная оптимизация совокупности решающих устройств. Например, оптимизируется выделение огибающей сигнала на основе преобразования Гильберта или путем полиномиального сглаживания, оптимизируется фильтрация сигнала на основе применения согласованных фильтров, максимизирующих отношение сигнал/помеха на выходе. Но при любой форме сигналов согласованным фильтром может служить коррелятор. При обработке эхосигналов в приемном тракте РПА производится фильтрация сигналов. Оптимизация этой операции обеспечивает получение максимального отношения амплитуды каждого гидролокационного сигнала к среднеквадратичному значению помехи на входе детектора. Затем в устройствах последетекторной обработки осуществляется обнаружение эхосигнала. При этом оптимизируется условие минимального числа ошибок решений о наличии и отсутствии полезного сигнала. При определении координат обнаруженной цели по дальности и углу оптимальным является получение максимума приближения получаемых данных к истинному значению дальности до цели и пеленга на нее. Обнаружение траектории цели и сопровождение ее требует оптимальной оценки нескольких значений координат эхосигналов, сглаживания результатов разбросов и их экстраполяции.

Глава 11. СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЫБОПОИСКОВОЙ АППАРАТУРЫ ПРОМЫСЛОВОГО СУДНА 11.1. Состав РПА промыслового судна

Основное назначение РПА – поиск и обнаружение рыбных скоплений. Однако функции, выполняемые РПА, многообразнее и зависят от решаемых задач, связанных с особенностью промысловых районов, метеоусловий, орудий лова, типов судов и других факторов. По общим признакам решаемых задач РПА можно сгруппировать в отдельные подклассы [11,14,15]: эхолоты, гидролокаторы и гидроакустическую аппаратуру контроля параметров орудий лова. Основное назначение эхолотов – определение глубины и обнаружение одиночной рыбы и рыбных скоплений непосредственно под корпусом судна на заданных глубинах. 177

В задачу гидролокаторов входит поиск, обнаружение и классификация рыбных скоплений в стороне от судна на дистанциях, обеспечивающих возможность осуществления судном маневра для успешного наведения орудий лова на обнаруженное рыбное скопление. Существующая в настоящее время гидроакустическая аппаратура контроля параметров орудий лова позволяет измерять величину раскрыва трала, отстояние трала от грунта, поверхности моря (глубину хода трала), заход рыбы в трал (наполнение трала), прохождение рыбы мимо трала (потери), координаты отстояния трала относительно судна и температуру воды в районе трала. Эти параметры позволяют оперативно производить маневрирование тралом с целью выбора оптимального режима траления, точно знать время наполнения трала, а также своевременно предупреждать и исключать возможности зацепов, повреждений и потерь тралов. Созданная аппаратура имеет два типа связи между орудиями лова и судном: по кабелю и телеметрическому гидроакустическому каналу. В первом случае на трал устанавливается дополнительная антенна, которая через специальный кабель и переключатель включается в схему бортовой гидролокационной станции (чаще всего эхолота). Дополнительный вибратор закрепляется на нижней или верхней подборе трала зеркалом антенны вверх или вниз. Во втором случае аппаратура состоит из автономного измерительнопередающего устройства, которое устанавливается на трале, приемной антенны с широкой ДН, буксируемой за судном и связанной кабелем через лебедку с электронной аппаратурой на борту. Приборы обработки и индикации расположены непосредственно на борту судна. В последнее время с целью увеличения зоны гидроакустического зондирования акватории помимо традиционных подкильных антенн, размещаемых непосредственно в корпусе судна, применяют гидроакустическую РПА с буксируемыми антеннами. В этом случае антенны эхолота и гидролокатора размещаются в специальном носителе, буксируемом за судном с помощью кабель-троса на определенном заглублении. Заглубление буксируемых носителей достигает несколько сот метров. Информативная связь АС с электронной аппаратурой, находящейся на борту судна, осуществляется по кабель-тросу. Применение в РПА буксируемых антенн переменной глубины позволяет получить следующие преимущества перед антеннами, размещаемыми на корпусе судна: – появляется возможность работы РПА при различных гидрологических условиях, используя погружение АС под слой температурного скачка скорости звука вплоть до оси звукового канала; – уменьшается влияние помех от винта и других механизмов судна, а также от кильватерной струи; – при заглублении антенн происходит уменьшение влияния на них штормового моря (они находятся ниже аэрированного поверхностного 178

слоя), появляется возможность работы аппаратуры в любых погодных условиях; – можно повышать излучаемую акустическую мощность при заглублении АС за счет повышения внешнего гидростатического давления; – достигается стабилизация ультразвукового луча ДН антенн при волнении моря путем их заглубления в относительно спокойные слои без дополнительных специальных затрат для этих целей; – улучшаются условия обслуживания АС и их ремонта. Нужно отметить, что наряду со значительными преимуществами гидроакустической РПА с буксируемыми антеннами имеются и некоторые специфические особенности, усложняющие практическую реализацию этих устройств. В этом случае необходимо наличие специального носителя буксируемых антенн обтекаемой формы, обладающего заданными гидродинамическими свойствами, специального кабель-троса необходимой прочности, обеспечивающего минимальный шум при буксировке, наличие на судах дополнительного буксировочного подъемно-спускного оборудования и дополнительных площадей на палубе для размещения носителя и вспомогательных механизмов. Современное промысловое судно может иметь на своем вооружении РПА, представленную на рис. 11.1 [11]:

Рис. 11.1. Состав РПА промыслового судна: 1 – подкильный гидролокатор, 2 – подкильный эхолот, 3 – буксируемый гидролокатор, 4 – буксируемый эхолот, 5 – подводный прибор системы контроля параметров орудий лова, 6 – параван с приемной антенной системы контроля параметров орудий лова, 7 – дополнительная приемная антенна системы контроля параметров орудий лова

11.2. Характеристики эхолотов

Эхолоты относятся к числу основных приборов, входящих в состав навигационного оборудования судов. Эхолоты поднадзорны Регистру РФ и должны согласно его нормативам обеспечивать измерения глубин в диапазоне от 1,0 до 500 м. Погрешность не должна превышать ±0,5 м при глубинах от 1,0 до 20 м и 3 % на глубинах свыше 20 м. Для оснаще179

ния рыбопромысловых судов выпускается поисковая аппаратура, имеющая тракт навигационного режима работы, соответствующий всем требованиям Регистра РФ. Поэтому на судах, которые оснащены такой РПА, отдельные навигационные эхолоты не устанавливаются. Упрощенная структурная схема эхолота приведена на рис.11.2. Принцип действия эхолота заключается в следующем: формируемые генераторным устройством (ГУ) мощные электрические импульсы подаются на акустическую систему (АС), преобразуются в механические колебания и в виде акустических зондирующих импульсов излучаются в воду. Отраженные от грунта акустические сигналы принимаются АС, преобразуются в электрические, усиливаются в усилительном тракте (У) и поступают для регистрации в приборы воспроизведения информации (ПВИ). Измеряемая глубина (расстояние до грунта) определяется по промежутку времени (от момента излучения импульса до момента его приема) после отражения сигнала от дна. Коммутатор приема–передачи (КПП) выполняет функции переключения режимов приема–передачи.

Рис. 11.2. Упрощенная структурная схема эхолота

Рабочая частота, мощность и длительность зондирующих импульсов эхолота определяются пределами измеряемых им глубин. В общем случае чем на меньший диапазон глубин рассчитывается эхолот, тем выше его частота, меньше мощность и длительность импульсов. Необходимо отметить, что в эхолотах, предназначенных для измерения значительных глубин, например, до 6000 м, применяются две рабочие частоты: для измерения малых глубин – высокая, больших – низкая. Основным индикатором рыбопоисковых эхолотов является электромеханический самописец, а при дальности действия более 300 м применяется и индикатор электронный. В эхолотах, предел измеряемых глубин которых не превышает 500 м, самописец, генераторное и усилительное устройства, как правило, конструктивно объединяются в одном приборе. Для стабилизации характеристики направленности во время качки в состав аппаратуры эхолотов дополнительно может быть введена система стабилизации характеристики направленности. В связи с тем что скорость распространения звука в воде зависит от ее температуры и солености и колеблется от 1450 до 1550 м/с, возможно возникновение погрешности измерения глубины, которая может достигать 3%. Поэтому во всех эхолотах предусмотрено устройство корректи180

ровки показаний в зависимости от скорости распространения звука. Рыбопоисковые эхолоты являются основными средствами для поиска объектов промысла вблизи дна. В пелагиали эхолоты используются для уточнения координат распределений рыбных скоплений в вертикальной плоскости. Эхолоты, предназначенные для поиска объектов промысла на глубинах свыше 500 м, в большинстве случаев имеют антенны, формирующие две ХН: широкую – для локации объектов в пелагиали и узкую – в придонном слое. Эхолоты с дальностью действия не более 300 м считаются малогабаритными и предназначены для оснащения малотоннажных судов. Эхолоты с дальностью действия до 100 м обычно переносные – с автономным питанием и используются со шлюпок. Рыбопоисковые эхолоты отличаются от навигационных наличием устройств, способствующих повышению эффективности поиска. Это системы "Белая линия", "Серая линия", "Контурная линия", "Динамический диапазон", "Дно", ВАРУ. Их назначение и принцип действия рассматривается ниже. Система "Белая линия". Донным тралом облавливаются скопления рыбы, находящиеся у грунта в слое воды толщиной не более 3 м. Изображение придонных косяков рыбы на ленте самописца обычно сливается с записью грунта, различить их не всегда удается. Система "Белая линия" позволяет производить разделение эхосигналов от рыбы и дна. Усилитель системы срабатывает только от сигналов с амплитудой, большей, чем заданная. Если порог срабатывания установлен выше самого сильного эхосигнала от рыбы, но ниже сигнала от дна, усилитель автоматически отключается примерно на 0,01 с после приема донного эхосигнала. В результате этого на эхограмме появляется белый интервал, примыкающий непосредственно к записи донного сигнала. На эхограмме белые интервалы образуют "белую линию", которая воспроизводит контуры морского дна со следами эха от рыбы, различимыми над очертаниями дна. У этой системы, введенной в схемы практически всех рыбопоисковых эхолотов, имеется следующий недостаток: в зависимости от отражательной способности дна и глубины места необходима постоянная ручная регулировка срабатывания схемы. Этот недостаток может быть устранен путем введения схемы автоматического порога срабатывания. Вертикальные перемещения судна при волнении моря вызывают пропуски в записи линии дна, запись эхосигналов от рыбы искажается и распознавание их становится затруднительным. Такой недостаток частично устраняется введением в состав эхолота дополнительной системы "Серая линия". Система "Серая линия″. Отличается от системы "Белая линия" тем, что не полностью запирает входные цепи приемно-усилительного тракта, кратковременно снижая уровень переднего фронта эхосигнала от дна. При этом на ленте самописца регистрируется полоса – "серая линия". Ширина ее регулируется в зависимости от величины вертикального перемещения судна путем изменения длительности "запирания" усилителя. 181

В условиях вертикальных смещений судна колебания кромки серой линии, повторяющей очертания дна, практически не сказываются на качестве изображения. В этом случае эхограмма цели получается в виде более темной отметки над серой полосой. Система "Контурная линия". В простейших схемах запись грунта на ленте самописца производится в виде убывающих по интенсивности линий, начало которых определяет глубину места в момент прихода эхосигнала от дна. В ряде случаев поиск рыбы ведется в диапазоне глубин, при которых запись от дна занимает до одной трети ширины бумажной ленты, что увеличивает расход бумаги. Система "Контурная линия" обеспечивает запись рельефа дна в виде тонкой линии, что допускает повторное использование ленты самописца, а также существенно снижает количество угольной пыли, загрязняющей узлы самописца при использовании в нем электротермической бумаги. Система "Динамический диапазон". При обычной записи увеличение силы эхосигналов повышает степень потемнения бумаги самописца вплоть до насыщения. При этом оказывается невозможной классификация скоплений рыбы по плотности. Система "Динамический диапазон" уменьшает амплитуды эхосигналов, величины которых превышают порог насыщения бумаги. Сильные эхосигналы после достижения определенной величины регистрируются более светлыми отметками. Наличие такого режима позволяет оператору определять зону наибольшей плотности косяка – его ядро, что необходимо для повышения эффективности облова разреженных рыбных скоплений. Система "Дно". При поиске придонной рыбы часто пользуются электронным отметчиком (ЭО). Наибольшее распространение получили визуальные индикаторы с кадровой разверткой (с послесвечением и без него). На экране ЭО отображаются быстропротекающие процессы. Изображение эхосигнала вследствие инерции зрения просматривается в форме всплесков различной толщины, амплитуды и конфигурации. Яркость изображения эхо-импульса зависит от его амплитуды. С увеличением амплитуды эхосигнала на экране ЭО яркость изображения убывает, но малые по амплитуде эхосигналы изображаются на экране более ярко. Поэтому придонная рыба (при меньшей амплитуде эхосигнала) выделяется на фоне занимающего всю ширину экрана, не менее яркого, изображения морского дна. Однако поиск рыбы с помощью ЭО сопряжен с рядом неудобств. Необходимость постоянного наблюдения за экраном утомляет оператора. Для более успешного анализа эхосигналов придонной рыбы, изображаемых на экране ЭО, предпочтителен крупный масштаб. Но с увеличением масштаба поискового диапазона стабильность изображений грунта и придонной рыбы нарушается: при незначительном изменении глубины (даже из-за волнения) изображение перемещается по экрану, затрудняя тем самым наблюдения. Для стабилизации изображения эхосигналов на экране ЭО и увеличения времени наблюдения за его показаниями и разработана система "Дно". 182

Принцип ее действия заключается в следующем. Поступающие в приемный тракт эхосигналы от рыбы и грунта подаются в блок памяти. Здесь они записываются магнитофоном, а в период между посылками двух очередных зондирующих импульсов многократно воспроизводятся на экране ЭО в виде повторения одного и того же кадра. При этом генератор развертки ЭО для каждого последующего кадра запускается эхо-импульсом от грунта предыдущего кадра. К моменту приема очередных эхо-импульсов от рыбы и дна старая запись стирается и фиксируется новая, которая также с большой частотой повторения воспроизводится на экране. Благодаря послесвечению каждый эхосигнал наблюдается на экране ЭО длительное время, что позволяет анализировать его более внимательно. Изображение на экране получается стабильным – с привязкой эхосигнала от рыбы к отметке дна. Система ВАРУ (временная автоматическая регулировка усиления). Предназначена для получения равных по величине эхосигналов от одинаковых по отражательной способности объектов промысла, находящихся на различных расстояниях. Она позволяет объективно оценивать показания регистрирующих приборов и принимать правильное решение по облову обнаруженных объектов промысла. Эффект достигается с помощью уменьшения коэффициента усиления приемно-усилительного тракта во времени в соответствии с ослаблением распространяющейся акустической энергии за счет геометрического расширения фронта волны и поглощения.

11.3. Характеристики гидролокаторов

По способу обзора акватории гидролокаторы делятся на три группы: шагового, секторно-шагового, одновременного кругового обзора. 11.3.1. Гидролокатор шагового обзора Гидролокатор шагового обзора осуществляет обзор акватории дискретным (шаговым) перемещением одной относительно узкой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости при помощи электромеханического разворота АС в заданном секторе. Часто гидролокаторы этого типа по аналогии с лучом прожектора называют прожекторными, или однолучевыми. Как правило, в гидролокаторах шагового обзора имеются режимы автоматического и ручного разворота АС в горизонтальной и вертикальной плоскостях обзора. Направление на цель определяется обычно методом максимального сигнала по ориентации АС в зону максимального уровня эхосигнала. Упрощенная структурная схема гидролокатора шагового обзора при183

ведена на рис.11.3. Важно подчеркнуть, что АС в традиционных гидролокаторах выполняет две разнородные функции: преобразование энергии электрической в акустическую или обратно и формирование направленного излучения или приема сигналов. Поворотно-выдвижное устройство (ПВУ) по сигналам от блока управления (БУ) разворачивает АС в горизонтальной и вертикальной плоскостях. КПП выполняет функции переключения режимов излучения и приема. ГУ вырабатывает мощные электрические импульсы определенной формы и длительности для подачи их на АС в режиме излучения. Усилитель усиливает и обрабатывает принятые АС эхосигналы от цели для подачи их на ПВИ, которые в конечном итоге представляют оператору полученные данные о цели в форме, удобной для их анализа и принятия решения. БУ синхронизирует и управляет всей работой гидролокатора.

Рис. 11.3. Упрощенная структурная схема гидролокатора шагового обзора

Гидролокаторы шагового обзора имеют одну ДН и обеспечивают за один цикл излучение – прием обзор акватории в телесном угле, определяемом шириной ДН. Основными недостатками таких гидролокаторов является малая скорость обзора, особенно при работе на больших дистанциях, и наличие значительных непросмотренных участков при движении поискового судна с повышенной скоростью, а также отсутствие возможности одновременного наблюдения за несколькими целями без применения специальных средств обработки сигналов. 11.3.2. Гидролокатор секторно-шагового обзора Гидролокатор секторно-шагового обзора позволяет одновременно обследовать акваторию в определенном секторе с помощью быстросканирующей узкой ДН в приеме или излучении других манипуляций с ДН, осуществляемых электронными схемами, при неподвижной АС, а также дополнительно производить обследование более крупного заданного сектора в пределах углов ±180° путем электромеханического разворота АС. 184

Наклон антенны в вертикальной плоскости производится чаще всего электромеханическим способом. Существует несколько разновидностей построения секторных электронно-сканирующих гидролокаторов. Рассмотрим два наиболее характерных варианта построения указанных гидролокаторов. В первом варианте АС формирует ненаправленное излучение во всей горизонтальной плоскости (плоскости обзора) или в широком ее секторе, а в вертикальной плоскости формируется заданная ширина ДН. Прием эхосигналов осуществляется АС с узкой ДН, которая после окончания излучаемого импульса посылки с большой скоростью автоматически поворачивается (сканируется) в горизонтальной плоскости в пределах заданного сектора (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Схема обзора пространства акустической системой с зондированием в секторе обзора

Если, например, зондирующий импульс длительностью τ распространяется от АС в водной среде, занимая в какой-то произвольный момент времени пространство, ограниченное дугами (заштрихованная полоса), то любые объекты, находящиеся в данный момент в пределах указанной полосы, будут облучаться акустической энергией. Пусть в точке А находится какой-либо отражающий объект, узкая приемная ДН пересекает вышеуказанную заштрихованную полосу в точке А в момент прихода эхосигнала от этого объекта к АС. Тогда указанный эхосигнал будет принят и воспроизведен на индикаторе. Известно, что приемный луч непрерывно перемещается поперек заданного сектора с такой скоростью, что он последовательно перекрывает всю ширину сектора, прежде чем излученный импульс (занимающий по ширине заштрихованное пространство) переместится дальше от АС на свою полную длину в воде (т.е. в пределах промежутка времени, равного по длительности τ). Тогда могут быть приняты и воспроизведены эхосигналы от всех объектов, находящихся в воде в пределах сектора сканирования и в пределах дальности действия гидролокатора без каких-либо пропусков информации с этого сектора. Такое сканиро185

вание называется внутриимпульсным сканированием. В этом случае для зондирования требуемого пространства необходима большая мощность излучения (и соответственно мощное ГУ). Длина мертвой зоны lм.з = сτ/2 в рассматриваемом варианте. минимальная. В другом варианте посылка зондирующего импульса осуществляется с помощью электронного сканирования луча с узкой ДН. Этот вариант получил название последовательного зондирования (рис.11.5). В режиме приема в этом случае может быть одна узкая ДН, сканирующая с высокой скоростью в заданном секторе аналогично описанной выше, или статический веер приемных ДН, одновременно перекрывающий весь просматриваемый сектор. В данном типе гидролокатора существенно снижается необходимая мощность ГУ. Однако усложняется конструкция коммутирующих устройств и образуется значительная мертвая зона за счет большого числа т последовательных направлений излучения lм.з = сτт/2. Появляется также дополнительная погрешность в отсчете дальности до цели, так как прием начинается после окончания цикла излучения или после окончания излучения среднего (центрального) направления с целью деления погрешности по дистанции.

Рис. 11.5. Схема обзора пространства акустической системой с последовательным зондированием

Упрощенная структурная схема одной из разновидностей секторношагового гидролокатора представлена на рис. 11.6. В состав схемы, помимо известных блоков из гидролокатора шагового обзора, входят дополнительные блоки.

186

Рис. 11.6. Упрощенная структурная схема гидролокатора секторно-шагового обзора

Необходимая длительность импульсов посылки τ вырабатывается формирователем при поступлении сигналов запуска от самописца или электронного индикатора через БУ. Формирование ДН в излучении осуществляется с помощью фазосдвигающих цепей (ФСЦ). Высокочастотные сигналы коммутируются с помощью ключей коммутатора излучения (КИ), управляемых распределителем, и поступают на вход усилителей мощности (УМ). Выходы УМ через КПП подключаются к соответствующим элементам АС. Принимаемый АС эхосигнал через КПП поступает на входы предварительных усилителей (ПУ). Усиленные сигналы с ПУ подаются на линии задержки (ЛЗ) таких же типов, как и в генераторном тракте, с помощью которых осуществляется разделение каналов приема. С выходов ЛЗ сигналы поступают на основные усилители (ОУ), в которых происходит преобразование и усиление сигналов для обеспечения работы ПВИ, а затем через коммутатор приема (КП) сигналы подаются на ПВИ. Пеленг или курсовой угол определяются по номеру канала, в котором обнаружен эхосигнал, а дистанция – по шкале дальности.

11.3.3. Гидролокатор одновременного кругового обзора Гидролокатор одновременного кругового обзора осуществляет одновременное обследование всей акватории в пределах 360° без пропусков обычно при помощи цилиндрической АС. Он позволяет получить наименьшее время обзора и визуализирует, например, картину промысловой обстановки вокруг судна. Известные в настоящее время варианты построения гидролокаторов одновременного кругового обзора можно разделить по способу решения ими двух основных задач. 187

Первая задача предусматривает быстрое облучение окружающей акватории; вторая – быстрый обзор облученной акватории таким образом, чтобы отсутствовала возможность пропуска эхосигналов с какого-либо направления за один цикл. Для реализации одновременного облучения необходима большая энергетическая мощность. Существует три варианта гидролокаторов одновременного кругового обзора, различающихся трактами излучения: – излучаемый АС импульс распространяется в водной среде ненаправленно в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости – направленно в пределах заданного угла, что характерно для всех трех случаев. В этом случае для облучения акватории необходима самая большая мощность при минимальной мертвой зоне; – облучение осуществляется с помощью электрического сканирования луча с узкой ДН. В этом варианте существенно снижается мощность ГУ, однако усложняется конструкция коммутирующих устройств и образуется значительная мертвая зона за счет большого количества направлений излучений; – этот вариант является промежуточным между первым и вторым. В этом случае одновременно излучается несколько (чаще всего три) узких ДН, сдвинутых в горизонтальной плоскости относительно друга друга на определенный угол (120°), которые электрически сканируются с помощью коммутирующего устройства. Величина мертвой зоны по сравнению со вторым вариантом уменьшается (в три раза), но увеличивается мощность и соответственно габариты ГУ. Для решения второй задачи – быстрого просмотра окружающей акватории в секторе 360° без пропусков используется веер приемных статических ДН или быстрое сканирование (внутриимпульсное) одной приемной ДН со скоростью, обеспечивающей круговой обзор без пропусков. Для этого ДН должна осуществлять один полный оборот за время tск, которое меньше минимально возможной длительности эхосигнала с любого направления (tск < τ). Вращение ДН осуществляется с помощью электронного коммутатора с частотой сканирования, равной fск = 1/tск. Синхронно с вращением ДН в реальном масштабе времени производится и развертка на электронном индикаторе кругового обзора. Эхосигнал с каждого направления состоит из "выборок", получающихся за счет быстрого сканирования приемной ДН. Способ приема с помощью веера приемных статистических ДН предусматривает наличие в составе гидролокатора ЛЗ, каждая из которых формирует ДН. Соседние ДН, пересекаясь на уровне 0,7 (минус 3 дБ) по звуковому давлению, одновременно перекрывают сектор 360°. Для отображения обстановки на индикаторе кругового обзора в этом случае необходим электронный коммутатор, который должен подключать выход каждой статической ДН к электронному индикатору. Достижения микроэлектроники позволили реализовать наклон ДН в вертикальной плоскости электронным способом в пределах определенных углов. Данный метод 188

ведет к значительному увеличению количества каналов АС и станции в целом, т. е. N = тп, где т – количество каналов, необходимых для обзора в горизонтальной плоскости; п – количество поясов АС, обеспечивающих наклон ДН в вертикальной плоскости в пределах требуемого угла. Упрощенная структурная схема одного из вариантов гидролокатора одновременного кругового обзора представлена на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Упрощенная структурная схема гидролокатора одновременного кругового обзора

КП опрашивает каналы ПУ за время, равное длительности импульса посылки. Число каналов, опрашиваемых одновременно, зависит от выбора ширины ДН. В КП имеются ЛЗ, которые служат для компенсации сдвигов фаз, обусловленных кривизной дуги, образованной элементами цилиндрической АС, участвующими в формировании ДН. После КП сигналы усиливаются ОУ и поступают на индикатор кругового обзора (ИКО), как правило, со спиральной разверткой и яркостной отметкой сигнала. В приведенном примере излучение акустической энергии – ненаправленное, наклон ДН отсутствует.

11.4. Приборы контроля параметров орудий лова

Приборы контроля параметров орудий лова или, как их иногда называют, сетевые зонды, относятся к телеметрической аппаратуре и предназначены для получения данных об эксплуатационных параметрах орудий лова и о подводной ситуации в зоне их действия. С помощью таких приборов обеспечивается передача на судно информации о раскрытии трала, его наполнении, отстоянии от поверхности воды и грунта, температуре в слое траления. Эти сведения необходимы для прицельного лова – решения задачи наведения трала на объект, подлежащий облову, при его отстоянии до 3000 м от судна. При необходимости упрощения схемы построения и кон189

струкции сетевого зонда количество контролируемых параметров орудий лова может быть неполным. Так, например, аппаратура ИГЭК (измеритель глубины, эхолотный, кабельный) определяет только глубину хода трала или отстояние его от грунта, наличие рыбы в устье трала, под или над ним. В состав сетевого зонда входят бортовая аппаратура и аппаратура, устанавливаемая непосредственно на верхней или нижней подборе трала. Информация от аппаратуры, установленной на трале, может передаваться на борт судна по кабельному или гидроакустическому каналу связи. Сетевой зонд с кабельным каналом связи наиболее прост. Он представляет собой обычный эхолот с выносной антенной, укрепленной на трале в специальном обтекателе. Антенна подключается к бортовым приборам с помощью высокопрочного кабеля длиной до 5000 м. Если расстояние от горизонта хода трала до дна не выходит за пределы дальности действия эхолота, то антенна устанавливается на верхней подборе. В случаях траления при больших глубинах антенна крепится к нижней подборе – излучающей поверхностью вверх, и глубина хода трала определяется относительно поверхности моря. Антенна излучает зондирующие импульсы и принимает эхосигналы от различных объектов, находящихся под верхней подборой трала. Эхосигналы передаются по кабелю на судно и фиксируются самописцем. Для компенсации потерь в кабеле эхосигнал подвергается предварительному усилению. Наряду с определенными преимуществами – простотой реализации, возможностью передачи большого количества информации простыми средствами и высокой помехоустойчивостью, эти зонды имеют ряд эксплуатационных недостатков. Наличие кабеля большой длины и дополнительной лебедки к нему в сильной степени увеличивает габариты и массу изделия. Во избежание обрыва кабеля связи или его токоведущих жил требуется повышенное внимание обслуживающего персонала. Зонды с гидроакустическим каналом связи (рис. 11.8), как правило, являются автономными системами с собственными трактами излучения, передачи, приема и воспроизведения информации. Сбор информации в таких системах осуществляется измерительнопередающим устройством, закрепленным на верхней подборе трала 2. Принятая информация подвергается фазово-импульсному кодированию или частотной модуляции, передается по акустическому каналу связи на буксируемую или стационарно установленную на судне приемную антенну, а затем через приемно-усилительные устройства попадает на индикаторы. Рабочие частоты трактов сбора информации – 75−200 кГц, несущая частота телеметрической линии связи – 30−60 кГц. На рис. 11.8б показана эхограмма записи информации от сетевого зонда. Запись 1 нулевой отметки соответствует верхней подборе трала. Ниже, на расстоянии, равном вертикальному раскрытию трала, зафиксирована нижняя подбора 2. Если трал проходит через косяк рыбы, то улов 3 записывается на ленте между подборами трала, а необлавливаемая рыба 5 фиксируется ниже трала. Са190

мая нижняя отметка на эхограмме – морское дно 4.

Рис. 11.8. Зонды с гидроакустическим каналом связи

Основное достоинство данной аппаратуры заключается в простоте обслуживания, мобильности и возможности использования на судах любого тоннажа. Основные недостатки связаны с зависимостью дальности действия линии связи от гидрологических условий и акустических помех, а также с необходимостью применения автономных источников питания. Измерение температуры осуществляется с помощью терморезисторов. Данные о температуре передаются по кабелю или акустическому каналу связи. Температура воды в местах лова важна, так как каждый вид рыбы образует промысловые концентрации лишь при вполне определенных ее значениях. Измерение наполнения орудий лова производится дискретным методом, сущность его состоит в установлении момента, при котором происходит заполнение части или нескольких частей кутка трала рыбой. Датчики наполнения (обычно два-три) контактного типа устанавливаются на заданных расстояниях по длине кутка. Они срабатывают в момент заполнения трала (до места их установки) при определенном давлении, создаваемом рыбой, попавшей в трал. Связь датчиков наполнения с измерительнопередающим устройством осуществляется или с помощью кабеля, или гидроакустическим способом. В изменчивых промысловых условиях требуется быстро оценить и законсервировать информацию о большом количестве параллельно протекающих процессов, поэтому в качестве основных индикаторов сетевых зондов применяются многоперьевые самописцы. Порядок регистрации информации самописцем определяется специальным программным устройством. При фиксировании отдельных данных, например, степени заполнения кутка трала рыбой, более удобны цифровые и светосигнальные индикаторы.

191

11.5. Комплексирование аппаратуры

В последнее время при проектировании новой гидроакустической РПА большое внимание уделяется вопросу комплексирования аппаратуры – логическому и функциональному объединению в единое целое отдельных типов аппаратуры с различными задачами, режимами работы и методами обнаружения с целью повышения производительности поиска, улучшения эффективности процесса облова, максимальной унификации и надежности систем. Такие комплексы создаются не простым механическим объединением станций и приборов, а с учетом анализа решаемых задач данного типа носителя гидроакустической РПА, взаимодействия входящих в комплекс устройств, а также дублирования и взаимозаменяемости отдельных режимов работы или приборов. Наиболее типичным примером такого комплексирования РПА является гидроакустическая судовая аппаратура отображения промысловой ситуации лова. Она предназначена для обработки в реальном масштабе времени информации от гидроакустических и электронавигационных приборов, представления результатов обработки на экране дисплея в удобной для восприятия форме с обязательным отображением взаимного положения судна, орудий лова и обнаруженных скоплений рыбы; выдачи рекомендаций по наведению орудий лова на выбранное для облова рыбное скопление. Эта аппаратура, основой которой является ЭВМ или спецпроцессоры, дисплей и блок согласования с источниками информации (интерфейс), включает в свой состав или получает исходную информацию от гидролокатора, эхолота, аппаратуры контроля параметров орудий лова, доплеровского гидроакустического лага, гирокомпаса, гировертикали, спутниковой системы определения координат и других систем [11]. На рис. 11.9 представлена структурная схема данного комплекса.

Рис. 11.9. Структура гидроакустической судовой аппаратуры отображения промысловой ситуации лова

Вся получаемая информация обрабатывается по заранее заданным 192

алгоритмам и воспроизводится на дисплее в виде, удобном для анализа и принятия окончательного решения оператором. В зависимости от имеющегося на борту судна типа орудий лова (кошелькового невода или трала) аппаратура имеет следующие режимы представления информации. Для кошелькового лова: Относительное движение (ОД). Этот режим используется при поиске рыбных скоплений (косяков). В режиме ОД на экране дисплея отображается неподвижный символ судна, который размещается в нижней части на центральной линии экрана. Расстояние от символа судна до границ экрана (боковых и верхней) соответствует рабочему диапазону гидролокатора. Гидроакустическая информация от гидролокатора воспроизводится в проекции оси акустического луча на горизонтальную плоскость, с которой совмещена плоскость экрана дисплея. Истинное движение (ИД). Этот режим используется при поиске и в основном в фазе подготовки к облову обнаруженных рыбных скоплений. В режиме ИД на экране дисплея отображается символ судна, который перемещается по экрану в соответствии с его истинным перемещением в географических координатах и, следовательно, может занимать любое место на экране в зависимости от своей скорости и курса движения, и рыбные скопления. Кроме того, на экране высвечивается траектория движения судна за определенный промежуток времени, которая представляет собой линию, тянущуюся за символом судна. Автоматическое сопровождение цели (АСЦ). Этот режим используется в заключительной фазе лова: выход в точку постановки кошелькового невода и обмет выбранного косяка является частным случаем режима ИД, в котором происходит автоматическое сопровождение выбранного косяка. В режиме АСЦ управление поворотом и наклоном АС гидролокатора происходит с помощью ЭВМ, которая вырабатывает сигналы, управляющие ПВУ гидролокатора в соответствии с алгоритмами автоматического сопровождения цели. Для тралового лова: Вид сверху (ВСВ). Этот режим является основным при поиске рыбных скоплений. В режиме ВСВ на экране дисплея в проекции на горизонтальную плоскость отображается информация относительного положения судна, трала и рыбных скоплений, попавших в зону обзора гидролокатора. В этом режиме гидроакустическая информация, отображаемая на дисплее, поступает от гидролокатора. Вид сзади (ВСЗ). Этот режим используется в стадии прицельного траления для намеченного к облову косяка. В режиме ВСЗ на экране дисплея отображается информация относительного положения судна, трала и отмаркированных косяков в проекции на плоскость мидельшпангоута. В этом режиме гидроакустическая информация, отображаемая на дисплее, поступает от гидролокатора и аппаратуры контроля параметров трала. Вертикальный разрез (ВР). Этот режим используется для прицельно193

го траления при прямолинейном движении судна. В режиме ВР на экране дисплея отображается информация относительного положения судна, трала, косяков, попавших в зону обзора эхолота, и дна в проекции на диаметральную плоскость судна. В этом режиме гидроакустическая информация поступает от эхолота. Режим АСЦ здесь полностью соответствует аналогичному режиму при кошельковом лове. Информация, воспроизводимая на экране дисплея в виде специальных символов, векторов и цифровых значений, отображает данные, необходимые для осуществления лова рыбы. Основными из них являются: – скорости и направления движения судна и маркированных косяков с отображением их условного центра плотности; – отстояния относительно друг от друга судна, косяка и орудия лова; – координаты положения судна и рыбных скоплений; – рекомендованные курс и время для выхода судна на косяк; – траектория движения судна; – гидроакустическая информация системы контроля орудий лова и др. Кроме того, в этой аппаратуре имеется возможность заносить в электронную память информацию с большого массива площадей с последующим, через необходимый интервал времени, ее воспроизведением на экране дисплея.

Глава 12. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТРАКТОВ РПА 12.1. Тракт излучения

Тракт излучения (ТИ) рыбопоискового прибора обеспечивает формирование требуемого электрического сигнала, который в заданный момент времени преобразуется в акустический. Структурная схема тракта излучения РПА представлена на рис. 12.1 [11].

Рис. 12.1. Структурная схема тракта излучения

Устройство синхронизации (С), формирующее управляющее напряже194

ние, обеспечивает синхронную работу трактов излучения и приема и позволяет измерять основной параметр РПА – расстояние до пеленгуемого объекта. Блок управления колебаниями, чаще всего называемый модулятором (М), изменяет один из параметров незатухающих колебаний по закону передаваемого смыслового сигнала. Обычно он воздействует на задающий генератор (ЗГ), но может воздействовать на предварительный (буферный) каскад (БК) или непосредственно на усилитель мощности (УМ). Модулятор представляет собой ждущий мультивибратор с перестраиваемой длительностью импульсов, которые управляют оконечными каскадами ЗГ. ЗГ предназначен для формирования высокостабильных электрических колебаний в определенном диапазоне частот. Стабильность частоты ЗГ зависит от характера смыслового сигнала, т.е. метода, используемого для определения расстояния до объекта, и в современной РПА составляет порядка 10−3 – 10−6. Предварительный (буферный) каскад (БК) ставится в том случае, когда мощности с ЗГ недостаточно для раскачки УМ или когда необходимо развязать УМ и ЗГ. Такая необходимость возникает при получении от ТИ сигналов с высокой стабильностью по частоте излучения. Усилитель мощности (УМ) – это оконечный каскад, его нагрузкой является акустическая система (АС). В качестве УМ применяются генераторы с внешним возбуждением, имеющие своей нагрузкой колебательные резонансные контуры. Как правило, УМ работают в нелинейном режиме, в котором можно теоретически получить КПД, приближающийся к 100%. Различают три основных режима УМ: недонапряженный, критический и перенапряженный. Критический режим работы УМ наиболее выгодный, при этом от него отбирается наибольшая мощность. УМ трактов излучения РПА строятся по простым схемам: нагрузкой усилителя является одиночный контур, так как полоса частот электрического сигнала небольшая и определяется резонансной частотой АС. Коммутатор приемо-передачи (КПП) – это функциональный блок, обеспечивающий своевременное подключение АС к УМ. Кроме того, на КПП в РПА в отдельных случаях возлагаются обязанности сканирования и формирования ДН в пространстве. В случае, когда ТИ имеет несовмещенную антенну, она подключена постоянно к УМ. Акустическую систему (АС), преобразующую энергию электрических колебаний в акустические, с точки зрения проектирования ТИ, представляют как нагрузку с активным и реактивным сопротивлением, которую необходимо согласовывать с каскадами УМ. Блок БП-1 – стабилизированный низковольтный полупроводниковый источник питания. В современной РПА обычно БП-1 выдает напряжение 27 В. Собран он, как правило, по компенсационной схеме с последовательным 195

регулирующим транзистором и питает все низковольтные схемы ТИ. БП-2 – блок питания УМ. Состоит из выпрямителя и накопителя. Выпрямитель состоит из трансформатора и диодного моста. В качестве накопителя на выходе моста используются электролитические конденсаторы. Величина емкости С накопителя определяется максимальной длительностью импульса излучения и его мощностью. Допустимый спад вершины радиоимпульса на максимальной длительности импульса излучения принимается 30%. Величина С определяется по приближенной формуле [11]: C = 100I0τ/kE0,

(12.1)

где I0 – величина тока в импульсе, А; τ – длительность импульса, с; E0 – величина напряжения питания, В; k – допустимый спад вершины радиоимпульса, %. Мощность трансформатора Ртр определяется по формуле [11]: Pтр = 1,5Pп/Q,

(12.2)

где Рп – мощность, потребляемая УМ в импульсе; Q – скважность. Тракты излучения РПА подразделяются на одноканальные, многоканальные, с излучением сложных сигналов, с излучением, обеспечивающим компенсацию эффекта Доплера за счет собственной скорости судна, использующие эффекты нелинейной акустики. Одноканальные ТИ подразделяются на одночастотные и многочастотные. Одноканальные одночастотные ТИ использовались в основном в ранних разработках РПА. Отличительная особенность таких трактов – максимальная простота генераторного устройства и минимальные его габариты даже при высоком уровне мощности излучения. В последнее время РПА работает на нескольких (двух, трех) значительно отличающихся друг от друга частотах. Например, отечественный комплекс "Сарган" - 20 и 135 кГц, РПА фирмы "Furuno" – 28 и 200 кГц, 50 и 200 кГц и др. В этом случае ТИ содержит или не менее двух генераторов, работающих каждый на свой преобразователь и на своей частоте, или один автоматически переключаемый генератор для работы на одной из частот. С повышением требований к РПА принцип построения одноканальных ТИ не меняется, но построение принципиальных схем отдельных узлов могут быть различны в каждом индивидуальном случае. Наиболее характерными представителями РПА с одноканальными ТИ являются: из отечественных – комплексы "Прибой-101", "Кумжа", из зарубежных – типа SR и SRM фирмы "Koden», типа FNY, FUG, FE фирмы "Furuno", типа SS и SG фирмы "Wesmar" и др. Многоканальные ТИ входят в основном в состав сканирующих гидролокаторов, в последних разработках они включаются и в состав эхоло196

тов с электронной стабилизацией ДН. Такие ТИ, несмотря на значительные усложнения аппаратной части по сравнению с одноканальными, существенно улучшают тактико-технические характеристики РПА и повышают ее надежность, так как они состоят из нескольких однотипных взаимозаменяемых каналов. Функциональная схема многоканального ТИ отличается от одноканального (рис. 12.1) тем, что между ЗГ и УМ размещается сканирующее устройство, а количество УМ соответствует количеству "элементарных" преобразователей (каналов) многоэлементной АС. Для этой группы РПА наиболее характерными являются: из отечественных – гидролокаторы "Финвал", "Пикша", "Угорь", комплексы "Таймень". Из зарубежных – гидролокатор Atlas Fishing Sonar 950 и эхолот Atlas Fischfinder 791DS фирмы ″Krupp″, гидролокатор FSS-31C фирмы "Furuno" и др. Тракты излучения со сложными сигналами находят все большее применение в новых образцах РПА. Чаще всего используются следующие два способа: излучение ЧМ-сигнала и излучение двух близких частот. Первый способ используется для уменьшения реверберационных помех и увеличения дальности обнаружения объектов без ухудшения разрешающей способности. Второй способ позволяет повысить направленность излучения при уменьшении боковых лепестков ДН. Наиболее характерными представителями РПА, ТИ, которые работают в режиме сложного сигнала, являются: из отечественных – аппаратура СКОЛ (линейное изменение частоты канала связи), из зарубежных – гидролокатор Atlas Fishing Sonar 950 фирмы "Krupp" (с дискретным изменением частоты и одновременным изменением направления ДН). Система сканирования в режиме ЧМ-сигнала несколько усложняется, но применение цифровой техники позволяет успешно решать возникающие при этом трудности. Метод излучения двух близких частот целесообразно применять в системах, использующих эффект нелинейной акустики. В современной РПА все большее применение находят ТИ с автоматической компенсацией эффекта Доплера за счет собственной скорости судна в зависимости от направления излучения и курса судна. Данный способ излучения зондирующих импульсов, используемый в отечественном гидролокаторе "Таймень", позволяет сузить полосу пропускания приемных трактов, тем самым увеличить соотношение сигнал/помеха и, следовательно, дальность обнаружения РПА. Конструктивно обособленную часть ТИ, обеспечивающую формирование мощного электрического импульса, называют генераторным устройством (ГУ). Основными узлами ГУ являются УМ, сканирующие устройства или, как их часто в последнее время называют, диаграммно-формирующие устройства (ДФУ) и ЗГ. Рассмотрим подробней два последних элемента ГУ. Диаграммо-формирующие устройства (ДФУ) предназначены для формирования ДН в определенном направлении при наличии в ТИ фазированных 197

антенных решеток. В РПА используются аналоговые и цифро-аналоговые ДФУ. В обоих вариантах принят наиболее прогрессивный способ управления ДН по входам УМ, возбуждающих независимые каналы АС, в ДФУ число выходов совпадает с числом независимых входов АС или кратно определенному числу (для цилиндрических АС оно часто кратно числу 3). Задачей ДФУ является распределение фаз по элементам антенны таким образом, чтобы колебания складывались с одинаковой фазой не только в направлении θ = 0°, а и в заданных других направлениях, называемых направлениями компенсаций. По этим направлениям ориентируется максимум основного лепестка. Наиболее распространенными аналоговыми ДФУ являются следующие: – дискретный набор статических линий задержек (ЛЗ) с коммутируемыми отводами; – управляемые напряжением фазовращатели; – управляемые напряжением мультивибраторы, образующие ЛЗ. Первый из перечисленных вариантов представляет собой набор искусственных ЛЗ, например, из индуктивностей и емкостей. В каждый момент времени излучения отводы одной из ЛЗ через соответствующие УМ соединены с преобразователями антенны так, как показано на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Структурная схема диаграммо-формирующего устройства

Параметры элементов ЛЗ подбираются так, чтобы между соседними преобразователями антенны существовала одинаковая и вполне определенная задержка сигнала. Такое соединение существует во времени на протяжении длительности излучаемого импульса в заданном направлении, после чего система ключей (на рис. 12.2 она не показана) соединяет входы УМ с соответствующими выходами другой ЛЗ, в связи с чем формируется ДН нового направления излучения. Так в работу подключаются все ЛЗ необходимого набора. Поскольку в принципе пассивные ЛЗ созда198

ют задержку сигнала, независящую от частоты, данные устройства могут обеспечивать сканирование звукового луча, частота которого изменяется во времени по заданному закону, но практически это справедливо для относительно небольшой девиации частоты. Особенностью построения рассматриваемых ДФУ является то обстоятельство, что время задержки сигнала любого номера канала относительно предыдущего не должно превышать длительности периода рабочей частоты. Переход ДН из одного полусектора сканирования в другой происходит только тогда, когда зеркально изменяется порядок соединения преобразователей АС и отводов ЛЗ. В эксплуатации такие ДФУ (например, в отечественном гидролокаторе "Финвал") зарекомендовали себя с положительной стороны. Однако необходимо отметить технологические трудности при их изготовлении и регулировке – громоздкость, малую универсальность и низкий уровень унификации. Вариант ДФУ с управляемыми фазовращателями основан на использовании свойств варисторов или варикапов изменять свои параметры (сопротивление или емкость) в зависимости от протекающего через них управляющего тока или приложенного напряжения. Эти элементы включаются в схему фазовращателя. Количество таких фазовращателей соответствует числу независимых преобразователей АС. С выхода одного фазовращателя сигнал поступает на вход другого и т.д., а все вместе фазовращатели образуют схему, подобную описанной выше. Если одновременно на всех варисторах или варикапах изменять напряжение, то фазовый сдвиг между сигналами соседних отводов фазовращательной линии и, следовательно, между соседними преобразователями АС будет синхронно и в принципе одинаково изменяться. Выбор того или иного вида схемы зависит в основном от тех величин фазовых сдвигов, которые требуется обеспечить. Непременное требование к схеме фазовращателя в системе сканирования сложного сигнала – по возможности минимальная зависимость времени задержки фазовращателя от частоты и отсутствие в пределах одного фазовращателя статического фазового сдвига в 360°. Реализация данного варианта более компактна и позволяет вращать ДН плавно, а не скачками, как в предыдущем случае. Закон вращения ДН во времени теоретически реализуется любой. Существенными недостатками его являются очевидная нелинейность зависимости фазового сдвига на выходе любой из фазовращающих ячеек от управляющего напряжения и невысокая стабильность параметров при воздействии на аппаратуру перепадов температуры. Кроме того, время задержки одной фазовращающей ячейки сложным образом зависит от частоты сигнала. Поэтому использование данного варианта в аппаратуре со сложным сигналом возможно только при очень небольшом диапазоне изменения частоты или при применении сложной системы управления, корректирующей указанную нелинейность. Точность установки и поддержания фазовых соотношений на выходе 199

такой системы, как показывает опыт, невелика. Наиболее прогрессивным является вариант построения ДФУ с применением управляемых электронным способом мультивибраторов задержки. Каждый такой мультивибратор запускается импульсом удвоенной рабочей частоты и вырабатывает импульс, длительность которого задается величиной управляющего напряжения. Задний фронт импульса задержан относительно импульса запуска на величину принятой длительности. Триггер, запускаемый задним фронтом этого импульса, восстанавливает рабочую частоту. Когда такие мультивибраторы запускают последовательно друг друга, образуется ЛЗ, на выходах которой (на упомянутых триггерах) вырабатываются сигналы рабочей частоты, имеющие одинаковую задержку относительного друг друга, если управляющее напряжение на всех мультивибраторах одинаково. Далее эти сигналы возбуждают АС так же, как и в предыдущих вариантах. Время задержки любой ячейки описанной линии не зависит от частоты сигнала, поэтому нетрудно подобрать такую схему мультивибратора, у которой время задержки связано с управляющим напряжением линейной зависимостью. Таким образом, данная схема в принципе с высокой точностью может работать при любом законе частотной модуляции и любом законе сканирования рабочего сектора. Единственным недостатком является то, что при времени задержки, меньшем, чем время восстановления каждого мультивибратора, работа схемы становится неустойчивой. Задающие генераторы (ЗГ) предназначены для формирования высокостабильных колебаний ультразвуковой частоты. ЗГ ранних разработок РПА представляли собой генераторы, собранные обычно по схеме емкостной трехточки. Такие 3Г обладают довольно низкой стабильностью частоты. В дальнейшем их сменили кварцованные мультивибраторы, работающие на частоте, значительно выше рабочей частоты РПА, с последующим ее делением. Однако в таких ЗГ невозможно получить требуемую в современных разработках аппаратуры частотную модуляцию. Наиболее перспективными являются ЗГ с автоматической подстройкой частоты, которая задается двоичным кодом, поскольку традиционные схемы на одну (или две) фиксированную частоту никаких затруднений в реализации не представляют. Структурные схемы таких ЗГ, обеспечивающие высокую температурную стабильность, представлены на рис. 12.3 [11]. Схема ЗГ, приведенная на рис. 12.3а не позволяет иметь произвольный характер изменения частоты. Она применима только для ЗГ с линейно-изменяющейся частотой, так как делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) управляется также кодом. ЗГ, структурная схема которого представлена на рис. 12.3б, является наиболее удачным для получения сигнала с произвольным законом изменения частоты.

200

Рис. 12.3. Структурная схема задающего генератора

Особенности построения трактов излучения параметрических приборов. ТИ параметрических гидроакустических приборов имеют некоторые особенности по сравнению с традиционными, что связано с физическими закономерностями возникновения ВРЧ в параметрической аппаратуре (ПА). Частоты накачки в ПА обычно во много раз превышают частоты ВРЧ. Поэтому при конструировании параметрической РПА используют сравнительно высокочастотные ТИ. Сигналы накачки ПА генерируются в электронных блоках формирования сигналов, к которым предъявляются следующие требования [11]: – минимальные нелинейные искажения; – стабильность частоты ЗГ не ниже 10−6; – равномерность АЧХ в диапазоне перестройки; – обеспечение достаточной мощности в полосе частот при повышенной временной стабильности; – работа в импульсном режиме (или с модуляцией); – наличие режекторных фильтров, обеспечивающих подавление на 40–50 дБ сигнала с частотами ВРЧ, который мог бы образоваться в электронных трактах; – обеспечение условий согласования электронной схемы с преобразователями накачки; – сигналы накачки должны быть фазосвязанными. Для ПА в режиме самодетектирования эти требования обычно смягчаются. В параметрической РПА, в зависимости от ее назначения, формирование электрических сигналов накачки производится одноканальной или двухканальной схемой. В одноканальной схеме формирования сигналов накачки используются амплитудно-модулированные колебания (AMK), двухполосные сигналы с подавленной несущей (DSB) и биения колебаний двух генераторов. По одноканальной схеме формирования сигнала накачки работаети режим самодетектирования ПА. В двухканальных схемах формирования используются два отдельных моночастотных ГУ или один – моночастотный, а второй – генератор сложных сигналов (ЧМК, ЛЧМК и др.). 201

При создании ТИ мощного параметрического гидролокатора, когда требуется получить возможно больший уровень звукового давления на фиксированной разностной частоте (или в сравнительно узком диапазоне), целесообразно использовать двухканальный метод формирования и двухрезонансный преобразователь накачки (как, например, в ПГЛ-2, ПГЛ-5 и ПГЛ-5М). В широкополосных гидролокаторах чаще целесообразнее применять метод биений или двухполосной модуляции, а также режим самодетектирования. В низкочастотных ПА требуются специальные многочастотные методы синтеза сигнала накачки.

12.2. Тракт приема

12.2.1. Первичная обработка эхосигналов Аналоговые системы пространственно-временной обработки эхосигналов. Целью первичной обработки эхосигналов в РПА является обнаружение и разрешение объектов поиска как во времени, так и в пространстве. Так как эхосигнал всегда принимается на фоне шумов и помех, то эта задача решается на основе согласованной двумерной фильтрации. Сигнал, отраженный от объекта поиска, находящегося в дальней зоне, представляют в виде смеси сигнала s(t, α) и помехи n(t, α) [7]: x(t, α) = s(t, α) + n(t, α),

(12.3)

где t – текущее время; α – пространственный параметр. В этом случае, например, для линейной эквидистантной АС, двумерная фильтрация заключается в выполнении обработки входной реализации по алгоритму [8, 11]: y (t ,α k ) =

T / 2 M −1

* ∫ m∑=0 xm (τ ,α )sm (t − τ ,α k )dτ ,

(12.4)

−T / 2

где Т – интервал усреднения; m = 0, М−1 – номер элемента АС; М – число элементов дискретной АС; τ – время запаздывания прихода сигнала; αk – пространственный множитель определения направления прихода сигнала; знак * означает комплексное сопряжение. Алгоритм (12.4) фактически определяет двумерную свертку входной 202

реализации с точной копией излученного сигнала в направлении αk. В РПА используются сигналы, спектр которых Fc << f0 – несущей частоты. В этом случае двумерная фильтрация разделима на пространственную и временную. В современной РПА перспективным является использование многоэлементных АС с формированием многолучевой ДН. На рис. 12.4 приведена структурная схема реализации алгоритма (12.4) для многоканальных аналоговых систем обработки с обратимой АС.

Рис. 12.4. Структурная схема алгоритма фильтрации входного сигнала

Основное назначение блока ПУ – согласование входа приемного тракта с выходом преобразователей АС и компенсация затуханий в блоке ДФУ. На ПУ не возлагаются функции полной согласованной фильтрации, так как узкополосные аналоговые фильтры в многоканальных системах имеют значительный межканальный разброс амплитудных и фазочастотных характеристик. В связи с тем, что ПУ функционально стоят перед ДФУ, то их межканальная неидентичность ведет к значительному увеличению уровня бокового поля и расширению ДН. Поэтому ПУ практически имеют небольшой коэффициент усиления (К = 100–300) и достаточно широкополосны. Полоса пропускания ПУ в 5–10 раз превышает ширину спектра сигнала, что позволяет на практике добиться достаточно высокой идентичности ПУ в многоканальных системах. Блок ДФУ предназначен для формирования статического веера ДН с помощью задержки и суммирования: M −1

L(t ,θ k ) = (1 / M ) ∑ xm (t − mΔτ k ) ,

(12.5)

m =0

где θk – угол между нормалью к антенне и направлением формирования максимума ДН; Δτk = dsinθk/c – разность времени прихода сигнала на соседние элементы AC; d – расстояние между элементами. Структурная схема ДФУ, формирующего ДН в направлении θk, показана на рис. 12.5. ДФУ должно содержать (М−1) секций, время задержки каждой секции равно Δτk. С помощью такой схемы формируются две 203

симметричные ДН относительно нормали к АС. Изменяя величину задержки, можно сформировать ДН в различных направлениях. Однако на практике трудно точно подобрать межсекционную задержку, что приводит к ошибкам определения пеленга. Число элементов задержки определяется числом направлений ДН. Следовательно, ДФУ на пассивных ЛЗ не обладают универсальностью. Окончательная временная обработка эхосигнала выполняется блоком ОУ, на который возложены следующие задачи: квазиоптимальная фильтрация, согласованная по длительности с принимаемым сигналом, и стационаризация входного процесса. Фильтрация сигнала может быть выполнена как во временной области, так и в частотной. Во временной области используются автокорреляторы или взаимокорреляторы [7, 11]: T/2

yа (t ) =

∫ x (τ ) x(t − τ )dτ ; *

(12.6)

−T / 2

T/2

yв (t ) =

∫ x (τ )s(t − τ )dτ , *

(12.7)

−T / 2

а в частотной – фильтры [11]: Y(jw) = X(jw)H*(jw),

(12.8)

где X – спектр сигнала; H* – комплексно-сопряженная частотная характеристика фильтра.

Рис. 12.5. Структурная схема диаграммо-формирующего устройства

В аналоговых системах временной обработки в основном используются фильтры, полоса пропускания которых согласована с длительностью сигнала. Авто- и взаимокорреляционная обработка в РПА широкого применения не нашли из-за технической сложности их реализации и больших аппаратурных затрат по сравнению с частотной, которая, кроме того, эффективна при больших длительностях τи , а фильтрация согласно формулам (12.7) и (12.8) дает идентичные результаты. Квазиоптимальную фильтрацию смеси прямоугольного радиоимпульса длительностью τи и "белого" 204

шума можно выполнить с помощью резонансных контуров. Если полоса пропускания одиночного контура 2Δf = 0,4/τи, то соотношение сигнал/шум на выходе фильтра q = 0,9qопт, где qопт = (2E/N0)l/2 – соотношение сигнал/шум, достигаемое при использовании согласованного фильтра; Е – энергия сигнала; N0 – спектральная плотность шума. Для фильтра с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой (при 2Δf = 0,72/τи) соотношение сигнал/шум q = 0,94qопт. Поэтому в ОУ целесообразно использовать последовательное включение каскадов с одиночными резонансными контурами, что позволяет создать близкую к гауссовской по форме частотную характеристику при числе каскадов n ≥ 4. Обычно такая возможность имеется, так как общий коэффициент усиления распределен покаскадно. Теория оптимальной фильтрации базируется на предположении, что на вход системы воздействует стационарный случайный процесс. В гидролокации за счет реверберационной помехи принимаемая реализация всегда нестационарна. Для уменьшения влияния реверберации применяются устройства ВАРУ, с помощью которых по заданному закону, приближенно соответствующему процессу уменьшения реверберации во времени, изменяется коэффициент усиления ОУ. В аналоговых системах практически трудно построить адаптивную систему, учитывающую все законы изменения реверберации, и поэтому закон ВАРУ задается приближенно и постоянным. Закон ВАРУ в виде изменяющегося во времени напряжения поступает на ОУ и при перемножении с входным сигналом стационаризирует процесс во времени. Наилучшие результаты получаются при использовании в схемах ВАРУ умножителей. В ранее разработанной РПА для регулировки коэффициента усиления применялись управляемые делители на нелинейных элементах (комплексы "Прибой-101", "Сарган") или устройства с использованием широтноимпульсной модуляции (ШИМ) (гидролокатор "Угорь"). Следует отметить, что введение нелинейности в каскады ОУ ухудшает их параметры, а ШИМ вносит дополнительные шумы по сравнению с линейной обработкой. Аналоговые устройства цифровых систем первичной обработки и дискретизация сигналов. Так как в цифровых системах первичной обработки сигналов обязательным условием возможности дискретизации сигналов является ограничение спектра, которое может быть выполнено только аналоговыми фильтрами, то цифровой системе первичной обработки (СПО) всегда предшествует предварительная аналоговая обработка. На нее возлагаются следующие функции: ограничение спектра сигнала; усиление входного сигнала до уровня срабатывания аналогоцифрового преобразователя (АЦП) и стационаризация входного процесса с помощью ВАРУ. В принципе ВАРУ можно осуществлять и в цифровой части приемного тракта, но это требует большой разрядности АЦП и высоких скоростей обработки. Поэтому аналоговые предварительные усилители (АПУ) цифровых СПО отличаются от ПУ аналоговых СПО только операцией стационаризации, которая переносится из ОУ в блок АПУ, и увеличением коэффициента усиления. 205

Согласно теореме Котельникова сигнал с конечным спектром может быть представлен дискретными отсчетами, взятыми с частотой fg ≥ 2Fc, где Fс – верхняя частота спектра сигнала. Для сигналов конечной длительности, используемых на практике, строго говоря, теорема Котельникова неприменима, так как частотный спектр конечных во времени сигналов теоретически бесконечен. Если после фильтрации подавление верхних спектральных составляющих сигнала превышает минус 40–50 дБ, то такое ограничение спектра считается для практики достаточным. Для наиболее используемых в РПА прямоугольных радиоимпульсов, имеющих огибающую спектра вида sin(πt/τи)/(πt/τи), 95 % энергии сигнала сосредоточено в главном лепестке спектра, ограниченном по первым нулям в диапазоне частот Δw = 2π/τи . Если пренебречь потерями энергии сигнала вследствие ограничения за главным лепестком спектра, то становится возможным и на практике применение теоремы Котельникова с использованием следующих методов дискретизации: – дискретизации аналитического сигнала; – квадратурной дискретизации; – дискретизации второго порядка. Первые два вида дискретизации требуют существенного усложнения аналоговой части СПО за счет применения или преобразователя Гильберта, или комплексного демодулятора. Достоинством их является то, что становится возможной обработка сигнала по его комплексной огибающей и, как следствие – низкая частота дискретизации и быстродействие процессоров обработки. Технически наиболее просто реализовать дискретизацию второго порядка. Сигнал разделяется на два канала, в один из которых вводится задержка на некоторое время τ0. Далее осуществляется синхронная дискретизация в обоих каналах. В этом случае частота дискретизации довольно высока fд ≥ 2(f0 + Fc/2). Цифровые же способы обработки сигналов позволяют в дальнейшем снизить частоту отсчетов и привести ее, как и для способа квадратурной дискретизации, к 2Fc. Дискретизацию второго порядка узкополосных сигналов (f0 > 2Fc) можно выполнить одним АЦП, если в одноканальной системе выбирается равномерный шаг дискретизации с частотой fд = 4f0. В современной РПА даже в случае использования нелинейной гидроакустики принимаются сигналы на f0 ≤ 200 кГц. Равномерная дискретизация узкополосного сигнала с частотой fд = 4f0 сравнима с дискретизацией аналитического сигнала. Например, для тонального радиоимпульса:

⎧ A(t )cos(w0t + ϕ0 ) , s (t ) = ⎨ ⎩0, где A(t) – огибающая сигнала; φ0 – начальная фаза. 206

− τ и / 2 ≤ t ≤ τ и / 2, в других случаях

(12.9)

Выбор разрядности АЦП зависит не только от динамического диапазона входного сигнала, но и от способа цифровой обработки и формы представления чисел (с фиксированной или плавающей запятой). Цифровую обработку можно выполнять и при однобитовом представлении информации, т.е. при "жестком" ограничении сигнала. Но это ведет к ухудшению помехоустойчивости. Потери в помехоустойчивости становятся приемлемыми уже при представлении информации четырьмя битами, а обработку можно считать линейной. Однако при этом не учитывается динамический диапазон входного сигнала и точность выполнения арифметических операций в цифровых процессорах обработки сигнала. Если динамический диапазон сигнала на входе АЦП составляет 20 – 40 дБ, то достаточно семиразрядного АЦП без учета знака. С другой стороны, если операции фильтрации и лучеформирования выполняются нерекурсивными фильтрами, то эффекты усечения и округления дают среднеквадратичную ошибку порядка [11]:

σ = Qн2 / 12 ,

(12.10)

где Qн – величина шага квантования АЦП. Поэтому дополнительные шумы, вносимые арифметическими устройствами СПО, должны быть меньше уровня шумов, приведенных ко входу системы. В конечном счете разрядность АЦП в основном определяется условиями приема сигналов на фоне помех. Для РПА практическая разрядность АЦП равна 8–10 бит, что достаточно для получения малых шумов усечения и округления в цифровых СПО и вполне приемлемо при условии сжатия динамического диапазона входного сигнала за счет предварительной обработки в АПУ. Цифровые устройства временной обработки эхосигналов. В цифровых системах временная обработка (ВО) сигналов может быть выполнена как в частотной области, так и во временной. В частотной области фильтрация основывается на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ) входного сигнала, которое чаще всего выполняется с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Результат преобразования, т.е. спектр сигнала Х(k), умножается на комплексно-сопряженный сигналу коэффициент передачи системы: Y(k) = X(k)H*(k).

(12.11)

Алгоритмы БПФ детально проработаны и дают выигрыш по сравнению с ДПФ в объеме вычислительных и аппаратурных затрат. Число умножений, являющихся самой трудоемкой операцией, может быть доведено до Nlog2N вместо N2 при прямом ДПФ (N – длина преобразования). Однако известно, что эффективность БПФ начинает проявляться при N ≥ 26. В РПА при длительностях сигналов единицы миллисекунд и дискретизации по спектру число отсчетов N = 10–20. При такой длине преобразования использование алгоритма БПФ нецелесообразно. Поэтому в РПА в основном используется алго207

ритм свертки во времени, который в дискретной форме имеет вид: N −1

N −1

y (n) = (1 / N ) ∑ x(n − k )h(k ) = (1 / N ) ∑ x(k )h(n − k ) , k =0

(12.12)

k =0

где N – длина свертки; k = 0, N − 1; h(k) – отсчеты импульсной характеристики фильтра. Если h(k) – дискретное зеркальное отображение входного сигнала s(k), то согласно выражению (12.12) выполняется согласованная фильтрация. Выражение (12.12) описывает нерекурсивный фильтр или фильтр с импульсной характеристикой конечной длины (КИХ-фильтр). В общем виде полное разностное уравнение цифрового фильтра имеет вид: N −1

M −1

yn = ∑ ak xn−k − ∑ bk yn−k . k =0

(12.13)

k =1

В правой части выражения (12.13) первая сумма описывает КИХфильтр, а вторая – рекурсивный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр). Если в РПА ВО предшествует пространственной, то использование БИХ-фильтра не рекомендуется, так как фазовая характеристика таких фильтров не всегда линейна и может вносить значительные ошибки в систему формирования ДН. Тогда, считая в уравнении (12.13) все коэффициенты bk = 0, рассмотрим КИХ-фильтр в чистом виде. Импульсная характеристика КИХ-фильтра может содержать четное или нечетное число коэффициентов, которые могут быть расположены симметрично или асимметрично. Число и порядок расположения коэффициентов определяет частотные свойства фильтров. Для фильтрации узкополосных сигналов, представленных квадратурными отсчетами, наибольший интерес вызывают КИХ-фильтры с симметричной импульсной характеристикой, содержащих нечетное число членов и имеющих вид:

H ( w) =

( N −1)/2

∑ a(n)cos(wn),

(12.14)

n =0

где a(0) = h[(N−1)/2]; a(n) = 2h[(N−l)/2−n]; n = 0, (N − 1)/2; h(n) – отсчеты импульсной характеристики. Форма частотной характеристики для одной из возможных h(n) показана на рис.12.6.

208

Рис. 12.6. Частотная характеристика КИХ-фильтра

Частотная характеристика такого фильтра, как и любых дискретных систем, периодична с периодом 2π. Так как импульсная характеристика, представляющая собой коэффициенты ряда Фурье, ограничена конечным числом членов, то в частотной характеристике наблюдаются нежелательные пульсации как в полосе пропускания, так и вне ее, которые следует уменьшить, а прямоугольность АЧХ повысить путем модификации импульсной характеристики, т. е. представить ее в виде функций, известных как окна Хэмминга, Кайзера и др. Применение окон расширяет полосу пропускания фильтра относительно расчетной величины и требует увеличения длины свертки. Основным недостатком применения окон при аппаратурной реализации КИХ-фильтров является использование умножителей, причем все умножения в общем случае должны быть выполнены за период дискретизации. КИХ-фильтры при работе на низкой частоте отсчетов, когда небольшое изменение длины свертки приводит к существенному изменению полосы пропускания, не обладают хорошей адаптацией. БИХ-фильтры более универсальны. Менять их параметры можно изменением величины коэффициентов фильтра. Так, если в уравнении (12.13) принять все коэффициенты ak = 0 (за исключением a0), то разностное уравнение рекурсивного фильтра примет вид: N −1

yn = a0 xn − ∑ bk yn−k .

(12.15)

k =1

Достоинство таких рекурсивных фильтров еще и в том, что они (по сравнению с КИХ-фильтрами) при аппаратурной реализации требуют значительно меньшего объема памяти и вычислительных затрат. Цифровые устройства пространственной обработки эхосигналов. В цифровых устройствах пространственной обработки (ПО) эхосигналов, как и в аналоговых устройствах, применяются два метода формирования ДН: – метод задержки и суммирования; – метод фазирования. Метод задержки и суммирования реализуется несколькими способами. При "жестком" ограничении сигнала (однобитовое представление) за209

держка выполняется на регистрах сдвига. При многоразрядном представлении сигнала может быть два варианта: – дискретизация с частотой, кратной задержке Δτи, прихода сигнала на соседние элементы АС в направлении θk, а затем синхронное сложение; – дискретизация по верхней частоте спектра сигнала и интерполяция полученных значений для формирования ДН в направлении θk. Способ, основанный на "жестком" ограничении сигнала, носит название DIMUS и реализован в гидролокаторе Attas Sonar 950 и эхолоте Attas Fischfinder 791DS. Цифровым этот способ может быть назван условно, так как из цифровых схем используются только регистры сдвига с переменным тактированием, служащие в качестве управляемых ЛЗ. Ограничение же сигнала, суммирование и восстановление его амплитуды после суммирования выполняется аналоговыми устройствами. Но даже такое частичное применение цифровых схем позволяет создать довольно точную систему управляемой задержки и осуществить электронное сканирование ДН. Практика показывает, что потери в помехоустойчивости могут достигать 6 дБ, снижая дальность действия РПА. Поэтому, несмотря на простоту технической реализации системы DIMUS, предпочтительнее строить линейные системы, основанные на многоразрядном представлении входного сигнала. В РПА для создания сектора одновременного обзора пространства при цифровой обработке сигнала, как правило, формируется статический веер ДН с шагом Δθ. Очевидно, что прямым способом реализации метода задержки и суммирования было бы выполнение дискретизации сигнала в каждом канале АС с периодом Т = dsinΔθ/с. Эти значения заносятся в оперативную память (ОЗУ), а затем из нее считываются те отсчеты, которые необходимы для синхронного сложения согласно номерам ДН [11]: M −1

D(n , p) = (1 / M ) ∑ sm (nT − mpT ) ,

(12.16)

m =0

где p = 0, P − 1; P – число ХН в секторе обзора. Например, в гидролокаторе для сектора обзора 90° достаточно сформировать веер из 15 лучей с шагом Δθ = 6°, длительностью сигнала τ = 1мс с несущей частотой f0 = 20 кГц. Для эквидистантной АС, у которой d = λ0/2, имеем Т ≈ 2,6·10−6 с и fд = 380 кГц. При ширине спектра сигнала Fc = 1 кГц строить ДФУ на частоте отсчетов fд = 380 кГц нецелесообразно, так как требуется очень большой объем сверхскоростной памяти RAM = M2Pb (b – разрядность информации). Поэтому в РПА способ прямого синхронного сложения не нашел применения, а метод задержки и суммирования в цифровых системах ДФУ реализуется на интерполяционных фильтрах. Из интерполяционных полиномов Лагранжа при sin-ом входном сигнале можно исполь210

зовать полином первой степени. В этом случае алгоритм линейной интерполяции определяется так: sn(n) = s(n) − k[s(n) − s(n − 1)], (12.17) где s(п) и s(n − 1) – два соседних отсчета сигнала; k = Δτk/T – коэффициент интерполяции. Интерполированные значения, вычисленные в каждом канале антенного тракта и соответствующие направлению прихода сигнала θk, суммируются [11]: M −1

D(n , p) = (1 / M ) ∑{s (n ,m) − mk[ s (n ,m) − s (n − 1,m)]} = m =0

M −1

M −1

m =0

m =0

(12.18)

= (1 / M ) ∑ (1 − mk ) s (n ,m) + (1 / M ) ∑ mks(n − 1,m) , коэффициенты (1 − mk) и mk можно считать отсчетами импульсных характеристик двух КИХ-фильтров, через которые проходит сигнал. Результаты фильтрации суммируются с задержкой одного результата на такт, что говорит о возможности выполнения как временной, так и пространственной обработки на однотипных устройствах. Так как mk = md, sinθk/cT может по абсолютной величине превышать единицу, то, как и для случая синхронного суммирования, необходима дополнительная память при решении алгоритма (12.18), с помощью которой выполняется задержка на целое число mk. Структурная схема аппаратурной реализации алгоритма (12.18) приведена на рис.12.7 [11]. Интерполирующие устройства стоят в канале обработки сигнала от каждого элемента АС (после блока АПУ). В момент времени п на входе сумматора SM1 присутствуют sn-й и задержанный на период дискретизации sn−1-й отсчеты. Вычисленная разность умножается в умножителе на величину mk, т. е. на коэффициент интерполяции за вычетом целой части mΔτk/T. Результат умножения вычитается в сумматоре SM2 из sn-го отсчета и записывается в память RAM. Из RAM отсчеты считываются с задержкой на целую часть mk и поступают на сумматорнакопитель SM. Сумма интерполированных значений сигналов от всех М каналов АС дает отсчет сигнала в направлении θk.

Рис. 12.7. Структурная схема блока, реализующего алгоритм интерполяции

211

Такая реализация выгодна, если число формируемых ДН больше числа секций АС. Если же число ДН меньше числа секций (эхолот с электронной стабилизацией ДН), то интерполяционный фильтр целесообразно ставить в ДФУ. Для эхолота в этом случае требуется выполнить всего М умножений и (3М−1) сложений, т. е. вычислительные затраты минимальны. Однако алгоритм (12.18) имеет и недостатки. Во-первых, апроксимация прямой линией синусоидального сигнала, даже при четырех выборках за период, вносит амплитудную ошибку до 15%, причем величина ошибки зависит от начальной фазы. Во-вторых, прямое применение линейной интерполяции не позволяет использовать децимацию, и процессор ДФУ должен работать на высокой частоте отсчетов, что резко увеличивает требования к его быстродействию. Для узкополосных сигналов, используемых в РПА, предпочтительнее применять в цифровых ДФУ метод фазирования, хотя он имеет некоторые ограничения, связанные с конечной полосой пропускания фазируемой антенны. Частотная характеристика таких ДФУ имеет вид [11]:

H ( w) = sin[ Mdsinθ k ( w − w0 ) / 2c] / Msin[dsinθ k ( w − w0 ) / 2c].

(12.19)

Метод фазирования в цифровых ДФУ основывается на алгоритме [11]: M −1

D(n ,θ k ) = (1 / M ) ∑ s(n ,mα )e− jmα k ,

(12.20)

m =0

где α = 2πdsinθk/λ – разность фаз сигналов приходящих на соседние секции АС с направления θ; αk = 2πdsinθk/λ0 – фазирующий множитель для ДН в направлении θk. Используя запись аналитического сигнала при равномерной дискретизации второго порядка в виде [11]: s (n ,mα ) = s (n ,mα ) + j (1 / sinw) [ ρ (n ,m) s (n − 1, mα ) − s (n ,mα )cosw],

(12.21)

получим обобщенный алгоритм для цифрового ДФУ методом фазирования при равномерной дискретизации узкополосного сигнала [11]: ⎧M −1 D( n ,θ k ) = (1 / Msinw)⎨ ∑ [ s(n ,md )sin( w + mα k ) + ρ (n ,m) s (n − 1,mα )sinmα k ] + ⎩ m =0 ⎫ + j[ ρ (n ,m) s (n − 1, mα )cos(mα k ) − s (n ,mα )cos( w + mα k )] ⎬. ⎭ (12.22) Алгоритм (12.22) может быть минимизирован, если окончательная частота отсчетов, поступающих на ДФУ, при использовании децимации

212

будет fд = 4f0/(2l + 1), где l = 0, 1, 2, … Обычно априори известна форма огибающей сигнала, поступающего на ДФУ. Тогда за счет дополнительного интерполирующего звена можно выполнить операцию приведения соседних отсчетов сигнала к одной амплитуде, т.е. учесть ρ(n). Например, форма огибающей прямоугольного импульса на выходе согласованного фильтра практически треугольна. В этом случае приведение к одной амплитуде выполняется по следующему алгоритму:

s'n = ( sn − sn−2 ) / 2 .

(12.23)

Учитывая вышесказанное, окончательный алгоритм ДФУ для АС с d = λ0/2 может быть записан: M −1

Re[ D(n ,θ k )] = (1 / M ) ∑[ s' (n ,mα )cosmα k ± (−1)l s' (n − 1, mα )sinmα k ] (12.24) m =0

Знаки "плюс" и "минус" указывают на то, что одним ДФУ формируются отсчеты для двух направлений ±θk. Структурная схема цифрового ДФУ, реализующего алгоритм (12.24), приведена на рис. 12.8 [11].

Рис. 12.8. Структурная схема цифрового ДФУ

В данной структурной схеме формирователь синфазных отсчетов (блок ФСО) стоит в каждом канале антенного тракта, т. е. случай, когда число формируемых ДН больше числа каналов. Отсчеты sn-й и sn-1-й каждого m-го канала, пройдя через блок приведения амплитуд (PA), поступают на умножители, на вторые входы которых поступают коэффициенты cosтαk и sinтαk. Результаты умножения, суммируясь (или вычитаясь) в сумматорах (блоки SM1 и SМ2), затем поступают на соответствующие сумматоры-накопители (блоки SMN1 и SMN2), где и формируются отсчеты сигнала для направлений ±θk. Если в данный момент времени была вычислена синфазная составляющая сигнала обеих ДН, то в момент времени (n + 1) аналогично отсчетам сигнала после дискретизации с частотой 4f0/2l 213

+ 1 вычисляется квадратурная составляющая. В случае использования широкополосных сигналов возможно применение совмещенного фазовременного метода формирования ДН. Для этого АС из М секций разбивается на Р подрешеток из Q элементов каждая. Внутри подрешетки формирование ДН выполняется методом фазирования, а между подрешетками – методом задержки и суммирования [11]: P −1 Q −1

D(n ,θ k ) = (1 / M ) ∑∑ s (n − P ,qα )exp(− jqα k ) .

(12.25)

p =0 q =0

Общая полоса пропускания системы ДФУ по формуле (12.25) определяется одной подрешеткой. Одной из разновидностей метода фазирования является пространственно-корреляционный метод формирования ДН, основанный на преобразовании Фурье и формировании ДН в частотной области: M −1

D(k ,θ k ) = (1 / M ) ∑ X (k ,m)exp(− jmwпр ) ,

(12.26)

m =0

где wпр = (2πf0sinθk)/fд – относительная пространственная частота; Х(k, т) – спектр входного сигнала. При большом числе секций АС этот метод дает существенный выигрыш в части аппаратурных и вычислительных затрат. Все цифровые ДФУ, рассмотренные для линейных АС, могут быть применимы для плоских, цилиндрических и сферических АС.

12.2.2. Вторичная обработка эхосигналов Цифровые устройства селекции эхосигналов на фоне импульсных помех. Рассмотренные ранее устройства пространственной и временной (частотной) фильтрации, осуществляющие первичную обработку эхосигналов, обеспечивают при соответствующих отношениях сигнал/шум выделение эхосигналов на фоне белого шума или близкого к нему по параметрам. Однако в реальных условиях обнаружение эхосигналов затрудняется вследствие маскирующего воздействия импульсных, реверберационных и других неизотропных помех. Процедуры, обеспечивающие ослабление влияния этих видов помех путем сопоставления эхосигналов, получаемых за несколько последовательных циклов излучения–приема, в отличие от упомянутой выше фильтрации, называют вторичной обработкой. К вторичной обработке относят также определение параметров объек214

тов поиска (дальности, угловых положений, скорости, направления движения и т. п.). Одним из наиболее широко используемых методов борьбы с импульсными помехами является метод накопления эхосигналов, принимаемых за несколько последовательных циклов излучения–приема. Метод накопления используется с момента внедрения в РПА самопишущих регистраторов и электронных индикаторов с яркостной отметкой и длительным послесвечением люминофора ЭЛТ. В регистраторах эффект накопления проявляется в формировании на эхограммной бумаге упорядоченной линии – трассы отметок эхосигналов от цели при записи всех шумов и сигналов, принимаемых в течение нескольких последовательных циклов излучения–приема. Эта упорядоченность отметок эхосигналов позволяет оператору зрительно выделить последние на фоне расположенных случайным образом отметок помех даже при одинаковой степени почернения всех отметок, т.е. при равенстве амплитуд эхосигналов и помех. В электронных индикаторах с длительным послесвечением люминофора эффект накопления может проявляться за счет формирования трассы эхосигнала (при достаточно больших скоростях перемещения цели или судна) и поддержания высокой яркости отметки от цели (при неизменности ее положения на экране индикатора). Несмотря на улучшение в рассмотренных устройствах условий обнаружения эхосигналов, наличие на эхограммах регистраторов и экранах индикаторов отметок помех, сравнимых по степени почернения или яркости с отметками от объектов поиска, снижает наглядность представления информации и значительно повышает утомляемость оператора. Применение в РПА полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ) большой емкости позволило осуществить запоминание и хранение больших массивов данных, получаемых, по крайней мере, за два последовательных цикла излучения–приема. Возможность последующего многократного считывания запомненной информации допускает использование различных алгоритмов ее обработки, реализуемых цифровыми устройствами с жесткой структурой или программируемыми на основе микропроцессоров или микро-ЭВМ. Один из простых алгоритмов, реализующих метод накопления с использованием полупроводниковых ЗУ, описывается следующим выражением:

A(m) = ( A1 + A2 + ... + Am ) / m ,

(12.27)

где А(m) – амплитуда эхосигнала или помехи на выходе устройства после обработки по m посылкам; А1, А2, Am – амплитуды эхосигналов или помех, принятых в 1-м, во 2м и в m-м цикле приема–излучения. При совпадении временных положений эхосигналов, принимаемых в каждой из m посылок, величина А(m) будет представлять собой среднее 215

значение амплитуд этих эхосигналов. Величина амплитуды импульсной помехи, зафиксированной для определенной дистанции обнаружения только один раз за m посылок, в результате обработки по алгоритму (12.27) уменьшается в m раз. Вариант структурной схемы цифрового устройства, обеспечивающего выполнение алгоритма (12.27), представлен на рис. 12.9 [11].

Рис. 12.9. Структурная схема блока, реализующего алгоритм накопления

ОЗУ, необходимое для накопления информации в течение заданного количества циклов излучения–приема, представляет собой набор из отдельных ЗУ RAM1, RAM2 и т. д. Коды амплитуд эхосигналов поступают на входы ЗУ через мультиплексор MS, который обеспечивает в каждом цикле излучения–приема поступление и запись информации только в одно определенное ЗУ. В следующем цикле излучения – приема вследствие изменения состояния счетчика СТ, тактируемого импульсами запуска посылки, мультиплексор подключает для записи информации вход следующего по порядку ЗУ и т. д. При записи новой информации предыдущая аннулируется. Смена ЗУ осуществляется циклически, обеспечивая, таким образом, как непрерывное обновление информации, так и возможность непрерывного ее считывания. Выходы всех ЗУ подсоединены к сумматору SM, осуществляющему суммирование кодов эхосигналов, принятых в течение m предшествующих циклов излучения – приема. С выхода сумматора цифровой код, соответствующий сумме амплитуд входных сигналов за m циклов, подается на арифметическое устройство деления на m (D/Vm), осуществляющее выравнивание весов разрядов кодов эхосигналов до обработки и после нее. Связь с последующими устройствами осуществляется через буферное устройство, которое может быть выполнено в виде вентильных схем, буферного регистра или шинного формирователя. Схема управления обеспечивает синхронизацию работы устройства обработки и, в частности, временное 216

разделение процессов записи и считывания информации в ЗУ. Примерами устройств, использующих рассмотренный алгоритм обработки информации, могут служить устройство MS, разработанное фирмой "Simrad" как приставка к гидролокаторам, и гидролокатор Atlas Fishing Sonar 950 фирмы "Krupp". В гидролокаторах кругового и секторного обзоров, особенно при большом числе m, для реализации устройства обработки по схеме, приведенной на рис.12.9, требуется набор ЗУ с большой суммарной емкостью. Это усложняет организацию всей системы памяти и управление режимами ее работы, снижает надежность ее функционирования, удорожает стоимость аппаратуры. В этом случае более рационально применять устройства обработки с ЗУ, объем памяти которого обеспечивает запоминание информации, поступающей только за один цикл излучения–приема. В таких устройствах в каждом цикле излучения–приема осуществляется запоминание не вновь поступающей информации, а продукта ее предварительной обработки совместно с уже находящейся в ЗУ и обработанной в предыдущем цикле информацией. Кроме устройств, использующих метод накопления эхосигналов, для борьбы с импульсными помехами в РПА применяются также устройства, работающие на принципе совпадения пространственного или временного положения эхосигналов от одной и той же цели в двух последовательных циклах излучения–приема. Упрощенная структурная схема устройства такого типа, примененного в гидролокаторах FSS-32B и FSS-75B фирмы "Furuno", приведена на рис. 12.10 [11].

Рис. 12.10. Структурная схема блока, реализующего алгоритм подавления импульсных помех

Входные сигналы, прошедшие первичную обработку, поступают на компаратор, который выделяет сигналы с амплитудой, превышающей порог отсечки шумов, устанавливаемый переменным резистором R. Кроме того, в компараторе осуществляется преобразование выделенных сигналов в цифровую форму для их подачи в запоминающее устройство RAM. В следующем цикле приема (синхронно с приемом новой серии эхосигналов) осуществляется опрос запоминающих ячеек в той же последовательности, в которой производилась запись. При наличии в ячейке ЗУ ненулевого кода эхосигнала на выходе RAM вырабатывается сигнал, открывающий ключ на полевом транзисторе. Если на входе устройства 217

в данный момент присутствует эхосигнал, он подается через усилитель на индикатор. Если в предыдущем цикле в опрашиваемой ячейке ЗУ был записан нулевой код (сигнал отсутствовал), на выходе RAM вырабатывается сигнал, закрывающий ключ. Как в том, так и в другом случае сигнал отобразится на индикаторе только тогда, когда он будет присутствовать и в первом, и во втором циклах. Таким образом, обеспечивается подавление импульсных помех, распределенных случайным образом. В заключение следует отметить, что все рассмотренные устройства обработки эффективны только в том случае, если в течение всех требуемых для обработки циклов излучения–приема не происходит значительного изменения пространственного положения цели относительно судна. При больших скоростях судна или цели, чтобы не допустить пропусков полезных эхосигналов, должна обеспечиваться компенсация смещения цели. Такая компенсация возможна только при использовании специального вычислительного устройства с применением микропроцессоров. Устройства выделения эхосигналов на фоне непрерывной помехи. Во многих практических случаях необходимо обеспечивать выделение эхосигналов от целей на фоне непрерывной во времени помехи при сравнительно небольшом превышении амплитуды полезного сигнала уровня огибающей помехи. Помеха может представлять собой, например, поверхностную реверберацию при слежении за объектом на близких расстояниях, объемную реверберацию при поиске объектов на предельных дистанциях, шумы винта при работе в кормовых секторах обзора. Хотя в этом случае оператор РПА имеет возможность отличить на экране индикатора или на эхограмме регистратора полезный сигнал от помехи, при длительном наблюдении оператор сильно утомляется, и повышается вероятность пропуска эхосигнала от цели. Теоретически, если бы закон ВАРУ (или АРУ) точно компенсировал закон изменения огибающей помехи, оператор мог бы установить такой коэффициент усиления приемного тракта, чтобы напряжение помехи, поступающей на вход индикатора или регистратора, было несколько ниже их порога чувствительности. В этом случае оператор мог бы наблюдать только полезные эхосигналы даже при незначительном превышении ими уровня помехи без утомляющего воздействия отметок помех. Однако на практике такого соответствия добиться почти невозможно из-за неповторяющихся от цикла к циклу флуктуации огибающей помехи и изменения интенсивности помехи с течением времени. Кроме того, при небольших соотношениях сигнал/помеха яркость или контраст отметок сигнала на индикаторе или регистраторе были бы малы, что также ухудшило бы условия работы оператора при длительном наблюдении. Таким образом, желательно, сохраняя высокую яркость или контраст отметки эхосигнала, обеспечить устранение на экране индикатора или эхограмме отметок шумового фона. Наиболее просто эту задачу можно решить с 218

помощью пороговых устройств, в которых величина порога устанавливается вручную оператором. На выходе таких устройств сигнал появляется только в том случае, если его амплитуда превышает установленное значение порогового напряжения. Примером использования ручной установки порога может служить аналоговое устройство отсечки шумов, являющееся составной частью устройства обработки сигналов и состоящее из компаратора, источника опорного напряжения Е и переменного резистора R (рис. 12.10). В цифровых трактах обработки сигналов пороговые устройства можно реализовать, используя интегральные цифровые компараторы. В этом случае двоичный код входного сигнала сравнивается с двоичным кодом порогового напряжения, способ выработки которого зависит от типа органа управления установкой порога. При использовании переменного резистора (аналогично устройству на рис. 12.10) преобразование постоянного напряжения в двоичный код может осуществляться низкоскоростным АЦП, обслуживающим только это устройство, или быстродействующим мультиплексируемым АЦП, обеспечивающим в режиме разделения времени цифровое преобразование аналоговых величин и других устройств РПА. Установка величины порога может осуществляться коммутационными элементами, например трехпозиционным тумблером с фиксацией в нейтральном положении или двумя нефиксируемыми кнопками. С их помощью на один из входов реверсивного двоичного счетчика подаются тактовые импульсы, обеспечивая возрастание или убывание на его выходах величины кода. При отпускании кнопки или тумблера состояние счетчика и код величины порога фиксируются. Устройства с ручной установкой порога достигают максимальной эффективности при обеспечении в течение всего цикла приема постоянства амплитуды огибающей помехи на выходе тракта первичной обработки эхосигналов. В реальной аппаратуре, несмотря на действие устройства ВАРУ, амплитуда огибающей помехи за время от окончания излучения до окончания приема может изменяться в довольно широких пределах, особенно при одновременном воздействии нескольких видов помех. Это наиболее заметно при зондировании в кормовом секторе обзора, так как в результате воздействия ВАРУ постоянный уровень винтовых помех на выходе тракта первичной обработки изменяется в значительных пределах. В этом случае при установке порога, обеспечивающего отсечку помех с максимальной амплитудой, полезные сигналы, которые могли бы быть обнаружены на участках дистанции с более низким уровнем помех, отсекаются пороговым устройством. Снижение порогового уровня вызывает увеличение количества отметок помех на эхограмме или экране электронного индикатора. Более высокой эффективностью обладают устройства, осуществляющие автоматическую регулировку величины порогового уровня или общего коэффициента усиления приемного тракта таким образом, чтобы амплитуда 219

помехи оставалась меньше порогового уровня в течение всего цикла приема. С целью обеспечения индикации возможно более слабых эхосигналов разница между этими уровнями должна быть минимальна. Предпочтительным является вариант с регулировкой порога, так как в этом случае на выходе устройства обработки сохраняется соответствие амплитуды эхосигнала размеру цели, в то время как при регулировке коэффициента усиления требуется дополнительное устройство компенсации действия АРУ. В обоих случаях требуется устройство, обеспечивающее возможно более точное предсказание значений амплитуд огибающей помехи на выходе тракта первичной обработки эхосигналов для различных моментов времени, прошедших после окончания излучения. В качестве исходной величины для выработки наиболее вероятного в текущем цикле приема закона распределения амплитуд огибающей помехи в зависимости от времени, прошедшего с момента окончания излучения можно использовать среднее значение амплитуды помехи для каждой точки временной оси за несколько циклов излучения–приема. Для уменьшения влияния случайных выбросов амплитуды огибающей усреднение должно производиться за большой промежуток времени, соответствующий нескольким десяткам циклов излучения–приема, или в случае многолучевой РПА – по большому числу угловых положений приемной ДН. Закон распределения средних значений амплитуд огибающей помехи непрерывно меняется вследствие изменения гидрологических условий, состояния поверхности моря, рельефа дна, пространственной ориентации ДН, режима движения судна и других факторов. Это вызывает необходимость периодической корректировки вырабатываемого закона. Для хранения данных об амплитудных параметрах сигналов рассматриваемые устройства должны иметь в своем составе запоминающие устройства, объем памяти которых зависит от используемого алгоритма усреднения. Ранее отмечалось, что среднее значение амплитуды огибающей помехи используется только как исходная величина для выработки величины порога или текущего значения величины коэффициента усиления приемного тракта. Так как помеха является случайным процессом, амплитуда помехи в конкретный момент времени может быть больше и меньше выработанного среднего уровня. Как и величина среднего уровня, величины этих отклонений зависят от многих факторов. При использовании в качестве величины порога среднего уровня помехи выбросы помехи, превышающие этот порог, будут фиксироваться на индикаторе (регистраторе), и эффективность использования порогового устройства снизится. Для устранения этого явления величина порога Uп должна выбираться, исходя из следующего выражения [11]: Uп = kмA, где

(12.28)

kм – масштабный множитель (kм > 1), зависящий от статистических 220

параметров помехи; А – среднее значение амплитуды огибающей помехи. При аппаратурной реализации для оптимизации величины порога в конкретных промысловых условиях должна обеспечиваться возможность оперативного изменения величины kм. Устройства селекции донных эхосигналов. Практически все современные рыбопоисковые эхолоты имеют специальные устройства, обеспечивающие выделение эхосигналов от объектов, находящихся в непосредственной близости от морского дна. В применении к регистраторам такие устройства и соответствующие способы представления информации получили наименование "Белая линия", "Серая линия", "Контурная линия". Широкое распространение получили также устройства "Привязки к грунту", позволяющие воспроизводить на регистраторах и электронных индикаторах в крупном масштабе эхосигналы от рыб, находящихся в узком придонном слое. В состав многих рыбопоисковых эхолотов вводятся устройства измерения глубины под килем судна с ее индикацией на цифровом индикаторе. Перечисленные устройства освобождают оператора при необходимости получения информации о глубине моря от затрат времени на выполнение соответствующих операций со шкалами приборов эхолота и повышают точность отсчета глубин. При работе судна в промысловом районе с безопасными глубинами в этом случае возможно обеспечение навигационных задач без включения специального навигационного эхолота, что увеличивает его срок службы и снижает затраты электроэнергии. Основным и обязательным узлом рассмотренных устройств является селектор донных эхосигналов, позволяющий из всей последовательности принимаемых сигналов и помех выделить эхосигнал от границы раздела вода–морское дно. В качестве основного признака, позволяющего различать эхосигналы от дна и рыб, используется значительное превышение амплитуд донных эхосигналов над амплитудами эхосигналов от рыбных объектов, возникающих из-за существенной разницы в силе цели. Названный признак является единственным в аналоговых устройствах РПА, осуществляющих обработку сигналов в реальном масштабе времени. В этом случае селектор представляет собой пороговое устройство, выполненное в виде компаратора, уровень срабатывания которого устанавливается вручную оператором. Регулировка порога осуществляется таким образом, чтобы его величина превышала амплитуды эхосигналов от рыбных объектов, но была меньше амплитуд эхосигналов от дна с учетом их флуктуации. Необходимость выполнения указанной регулировки требует от оператора определенного практического навыка и периодической подстройки порога. К недостатку таких устройств следует также отнести подверженность воздействию импульсных помех и эхосигналов от рыбных косяков большой плотности. 221

Более надежную селекцию донных эхосигналов обеспечивают цифровые устройства, осуществляющие поиск и идентификацию донных эхосигналов с учетом информации, получаемой в течение нескольких последовательных циклов излучения–приема. В таких устройствах используются дополнительные признаки, присущие эхосигналам от дна: наличие донных эхосигналов в каждом цикле приема (при глубине дна, входящей в диапазон работы эхолота) и относительно малое изменение дистанции до дна в соседних циклах зондирования. Эти свойства позволяют повысить помехозащищенность селектора донных эхосигналов путем амплитудной селекции эхосигналов не во всем диапазоне работы эхолота, а только в узком участке (стробе) диапазона, охватывающем предполагаемое местоположение донного эхосигнала. Введение автоматического слежения центра строба за донным эхосигналом дополнительно улучшает помехозащищенность за счет возможности уменьшения величины строба.

12.3. Устройства отображения информации в РПА

Промежуточным звеном в системе РПА – оператор являются устройства отображения информации. Основное назначение таких устройств – воспроизведение в удобном для восприятия оператором виде информации, получаемой РПА при эхолокации, измерение параметров и координат обнаруженных объектов лова. Помимо этого они могут обеспечивать индикацию различных вспомогательных данных (параметры движения судна, режимы работы отдельных устройств РПА, параметры аппаратуры в режиме контроля и др.) и сигнализацию о наличии отклонений каких-либо параметров РПА или внешней среды от нормы. В современной РПА используются следующие типы устройств отображения информации:

Рис. 12.11. Внешние виды пультов управления и индикации гидролокатора "Таймень" и эхолота "Сарган-ЭМ"

– электромеханические регистраторы; 222

– одноцветные и многоцветные электронные индикаторы; – символьные (цифровые и буквенно-цифровые) индикаторы; – акустические (слуховые) индикаторы; – различные сигнализаторы. Более высокие технические параметры современных электронных устройств позволяют говорить о неперспективности используемых до настоящего времени в РПА проблесковых индикаторов глубины, стрелочных и различных электромеханических указателей и индикаторов. Устройства индикации и регистрации обычно объединяются с блоками управления РПА, образуя пульты управления и индикации (рис. 12.11) [11].

12.3.1. Электромеханические регистраторы К достоинству приборов данного типа относится возможность документирования гидроакустической информации и длительного хранения полученных эхограмм. В большинстве регистраторов РПА запись эхосигналов осуществляется на электротермической бумаге путем создания разности потенциалов между противоположными точками подложки и лицевой поверхности бумаги. Электрохимическая бумага в настоящее время используется редко в связи с необходимостью создания специальных условий для ее хранения. Значительное выделение при записи больших сигналов гаревой сажи, присущее электротермическим бумагам, достаточно эффективно устраняется посредством введения устройств автоматического ограничения тока прожига бумаги. Для облегчения отсчета на ленту автоматически наносятся координатная сетка, отметка времени, условные обозначения измерений по глубине [16]. Для осуществления временной развертки эхосигналов на бумаге регистратора может использоваться перемещение по прямолинейной или криволинейной траектории одного или нескольких пишущих электродов (перьев), последовательная коммутация большого числа (более 200) неподвижных перьев или вращение барабана с токопроводящей спиралью. Наиболее широкое распространение получили регистраторы с прямолинейным (в зоне записи) перемещением пера, закрепленного на бесконечном ремне, вращающемся с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения бумаги (рис. 12.12). На данном рисунке электротермическая бумага 19 протягивается с помощью валиков 18, 20, 21, а эхосигнал, усиленный усилителем, через токоведущую шину 4 поступает на перо 3, установленное на бесконечной

223

Рис. 12.12. Схема протяжки бумаги в электромеханическом регистраторе

ленте 7. Электродвигатель 11 через шестерни 9, 10, 12 – 17 приводит во вращение протяжной валик 20, прижимной валик 21 и сматывающий барабан 18, осуществляющие протяжку бумаги и через шестерни 9, 10 обеспечивает вращение ведущего шкива 8, на который насажена бесконечная лента с пером и магнитами 1, 5. Скорости движения пера и ленты зависят от устанавливаемого диапазона измеряемых глубин и определяются из условия получения между отметками эхо-импульсов расстояния 0,3 – 1,0 мм. Чем меньше диапазон измеряемой глубины, тем большими должны быть эти скорости, и наоборот. Стабильность работы электродвигателя поддерживается автоматическим центробежным регулятором. Масштаб записи определяется из условия использования всей ширины бумажной ленты для выбранного диапазона измерения глубин. Синхронизация работы регистратора, представленного на рис.12.12, осуществляются с помощью магнитов 1, 5 и магнитоуправляемых контактов 2, 6. Схематическая траектория движения пера отражена на рис.12.13. На данном рисунке 1 – перо; 2 – эхограммная бумага; 3, 4 – шкивы; 5 – бесконечная лента.

Рис. 12.13. Схема движения пера в электромеханическом регистраторе

Воспользовавшись рис. 12.13, можно показать период запуска зондирующих импульсов Тп для одноперьевой системы записи [11]: Тп = (2lш + πdш)tзап/l, 224

(12.29)

где lш – расстояние между осями шкивов; dш – диаметр шкивов; tзап – время движения пера по рабочему участку записи; l – длина рабочего участка записи. Время tзап определяется выражением: tзап = 2L/c,

(12.30)

где L – величина диапазона регистрации. Из рис. 12.13 и выражения (12.29) видно, что одноперьевым системам записи присущи большие потери времени на холостой пробег пера. Так как величина Тп ≈ 3tзап, потери времени могут быть значительно уменьшены при установке дополнительных перьев, располагаемых равномерно по длине ремня (например, трехперьевые системы записи в рыбопоисковых станциях "Прибой-101", "Сарган", "Лещ-Б"). Основные недостатки такой конструкции: сложность точной регулировки для каждого пера моментов запуска генератора посылок, неравномерный износ перьев, необходимость коммутации перьев при введении режима фазировки начала диапазона. Для синхронизации момента начала излучения зондирующего импульса используются механические, электрические или магнитные устройства. В первом случае кулачок, закрепленный на ремне, в процессе движения периодически замыкает механическую контактную группу; во втором – перо при подходе к началу участка записи кратковременно замыкает специальную цепь запуска; третий способ, получивший наибольшее распространение благодаря высокой стабильности и надежности, описан выше при рассмотрении схемы на рис. 12.12. Для фазирования начала диапазона (смещения момента начала излучения относительно момента прохождения пером начала записи) используются дополнительные механические, электрические или магнитоуправляемые контакты. Переключение диапазонов регистрации (изменение масштаба записи) для рассматриваемого типа регистратора может быть обеспечено при использовании многоступенчатого редуктора привода пера (самописцы комплекса "Прибой-101"), многоскоростного двигателя с коммутацией обмоток (гидролокатор "Сарган-Г", эхолот "Сарган-ЭМ") или с широтноимпульсной схемой управления скоростью вращения (эхолот "Пескарь", гидролокатор "Угорь"). Очевидно, что с увеличением числа диапазонов возрастает сложность этих устройств, в результате чего падает надежность и растет стоимость регистратора. Регистраторы с движущимся пером имеют также технические ограничения по максимальной скорости пера и, соответственно, по максимальному масштабу записи. Для них недостижима и реализация на одной линии записи участков с различными масштабами записи. В современных регистраторах для запоминания параметров эхосиг225

налов используются оперативные запоминающие устройства (ОЗУ). Применение ОЗУ позволяет устранить многие недостатки регистраторов с механическим приводом пера. В первую очередь становится возможным использовать простой механический привод, обеспечивающий на всех рабочих диапазонах постоянную по величине скорость вращения пера. С этой целью запись информации в ОЗУ осуществляется со скоростью обратно пропорциональной величине диапазона (при постоянстве на любом из диапазонов количества дискретных выборок Nд амплитуды эхосигналов), а считывание информации из ОЗУ для подачи на перо производится с постоянной скоростью независимо от диапазона. Для получения на малых диапазонах максимально достижимого количества эхо-контактов с объектом поиска скорость пера Vп необходимо выбирать возможно большей. С этой целью и для достижения кратности частот следования тактовых импульсов записи и считывания ОЗУ целесообразно пользоваться следующим соотношением [11]: Vп = 1c/2Lmin,

(12.31)

где Lmin – величина минимального диапазона регистрации из ряда заданных, для которого еще возможна техническая реализация в аналогичной конструкции без использования ОЗУ. Частоты следования тактовых импульсов записи fз и считывания fсч в этом случае определяются следующими выражениями: fз = Nдс/2L, fсч = Nдc/2Lmin.

(12.32)

Еще одним преимуществом регистраторов с ОЗУ является возможность введения практически плавной фазировки начала диапазона регистрации. Осуществляется это посредством задержки начала записи информации в ОЗУ на время tф = 2Lф/с, где Lф – значение дистанции до точки, соответствующей началу диапазона регистрации. Величина tф может формироваться независимо от значения установленного диапазона регистрации, а величины fз и fсч не зависят, в свою очередь, от tф и определяются из выражения (12.32). В устройствах формирования задержки для обеспечения стабильности и точности получения величины tф используется принцип подсчета импульсов со стабильной частотой следования, сравнения получаемого кода с кодом, соответствующим установленной величине Lф, и формирования импульса начала записи в момент равенства этих кодов. Большим преимуществом рассмотренной конструкции регистратора является возможность введения диапазонов регистрации, намного меньших достижимого в обычных регистраторах диапазона Lmin. Из выражений (12.32) видно, что это можно достигнуть путем соответствующего изменения частоты fз при постоянстве величины fсч. Например, для получения диапазона L = 0,1Lmin необходимо, чтобы fз = 10fсч. Использование при приеме эхосигналов с различных участков дистанции разных частот 226

fз, а в процессе прохождения пером участка записи (в режиме считывания информации из ОЗУ) различных комбинаций величин Nд и fсч, делает возможным разделение поля записи на участки с различными масштабами регистрации. Это позволяет производить одновременную регистрацию эхосигналов обзорного диапазона и придонного слоя, обзорного диапазона и расширенного участка этого диапазона и т. п. В сочетании с плавной фазировкой основного диапазона комбинированная запись способствует более оптимальному использованию поля записи бумаги. Использование ОЗУ позволяет ввести в регистраторы с движущимся пером режим панорамной записи эхосигналов многолучевого гидролокатора, применявшийся ранее только в регистраторах с гребенкой неподвижных перьев. Такой режим дает возможность документировать информацию, получаемую при движении судна из широкого, но ограниченного по глубине слоя, параллельного поверхности моря. Горизонтальная ширина этого слоя определяется наклонной дистанцией до него, а глубина его залегания, кроме того, еще и углами наклона ДН. В современных регистраторах также претерпели значительные изменения и устройства отсчета дистанции. Традиционные накладные шкалылинейки заменяются электронными устройствами, позволяющими записывать риски шкалы дистанций непосредственно на эхограммной бумаге. Принцип работы таких устройств основан на формировании высокостабильных по частоте следования серий коротких импульсов, количество которых в серии равно количеству рисок шкалы. Передний фронт первого импульса в каждой серии совмещается с моментом начала записи очередной строки эхограммы (нулевой отметкой). В результате при протяжке бумаги на эхограмме формируются штрихи, длина которых определяется количеством последовательных импульсных серий и скоростью протяжки бумаги. Для получения пробелов между шкалами формирование импульсных серий периодически прекращается. Запись рисок шкалы осуществляется одновременно с записью эхосигналов путем подачи на усилитель записи и, соответственно, на перо суммы импульсов шкалы и напряжений эхосигналов. Примером использования таких устройств служат регистраторы эхолота и гидролокатора комплекса "Таймень".

12.3.2. Одноцветные электронные индикаторы В современной РПА электронные индикаторы (ИЭ), в которых для отображения информации используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), получили большее распространение, чем электромеханические регистраторы сигналов. Это связано со следующими преимуществами ИЭ [11]: – возможностью получения максимально достижимой частоты сле227

дования зондирующих импульсов вследствие малой величины холостого хода электронного луча; – более широким, чем в регистраторах, динамическим диапазоном отображаемых эхосигналов; – совмещением на одном экране различных форм и способов отображения гидроакустической информации; – совмещением с изображением эхосигналов специальных меток, линий визиров, символов, формуляров целей и дополнительной буквенноцифровой информации; – оперативной заменой части или всей отображаемой информации другой; – возможностью оперативного изменения пространственной ориентации изображения. Так как основными задачами РПА являются нахождение координат цели и оценка ее размеров, способ отображения информации на экранах ЭЛТ должен обеспечивать определение этих параметров. Для определения дистанции до цели при формировании изображения на экране ЭЛТ применяется способ смещения отметки цели пропорционально времени запаздывания эхосигнала от цели. Основные типы разверток, используемых в индикаторах РПА, представлены на рис. 12.14.

Рис. 12.14. Типы разверток, используемых в РПА

Информация об амплитуде эхосигнала в одноцветных электронных индикаторах отображается путем отклонения электронного луча перпендикулярно линии развертки дальности (развертки типа А и L) или путем модуляции луча по яркости (развертки типа В и Р). Развертки типа A и L используются в РПА для отображения эхолотной информации, причем наибольшее распространение получили ИЭ с разверткой типа L. В таких индикаторах отклонение луча по оси амплитуд осуществляется путем подачи на отклоняющие системы ЭЛТ недетектированных эхосигналов. Высокочастотное заполнение отметок эхосигналов в этом случае улучшает восприятие оператором получаемого изображения. В ИЭ с разверткой типа А одностороннее отклонение луча по оси амплитуд (отклоняющее напряжение или ток пропорциональны амплитуде огибающей эхосигналов) позволяет увеличить в два раза динамический диапазон отображаемых 228

сигналов (такой способ развертки используется, например, в электронном индикаторе CI фирмы "Simrad"). Однако выходные каскады развертки таких ИЭ работают в более тяжелых режимах, что снижает их надежность. Объем отображаемой информации в рассмотренных ИЭ может быть существенно увеличен при использовании двух параллельных временных разверток (например, индикаторы эхолотов "Сарган-Э", "Таймень"). В этом случае одна половина экрана используется для отображения информации обзорного диапазона, а другая половина – для воспроизведения в более крупном масштабе эхосигналов с интересующего оператора участка обзорного диапазона, в частности, из придонного слоя. Развертки типа В и Р позволяют определить одновременно три параметра цели, что широко используется в гидролокаторах для отображения, помимо дальности и амплитуды эхосигналов от цели, угловых координат целей (азимут или угол места). Индикаторы с разверткой типа В в современной РПА не находят практического применения вследствие несоответствия положения индицируемых отметок целей на экране пространственному положению целей. От этого недостатка свободны индикаторы кругового обзора (ИКО), в которых используется развертка типа Р (в зарубежной РПА их называют индикаторами типа PPI –Plan Position Indicator). Развертка эхосигналов в этом случае осуществляется в полярной системе координат, в результате чего яркостные отметки целей располагаются на экране в точном соответствии с пространственным положением целей при наблюдении за ними с большой высоты (подобно изображению местности на географической карте). Аналогичный принцип формирования изображения используется и в индикаторах секторного обзора (ИСО). Изображения на экранах ИКО и ИСО обычно ориентируются относительно диаметральной плоскости судна, что обеспечивает удобство считывания по экрану индикатора курсового угла на цель. Способ технической реализации индикаторов с разверткой типа Р использовался в однолучевых гидролокаторах (например, "Сарган-Г", "Прибой-101") с механическим разворотом антенны в горизонтальной плоскости. В ИЭ таких гидролокаторов временная развертка эхосигналов в каждом цикле зондирования, независимо от углового положения антенны, начинается в центре экрана и со скоростью, пропорциональной скорости звука, смещается по радиусу к краю экрана (при неподвижной антенне). При вращении антенны устройство отклонения электронного луча обеспечивает разворот линии развертки синхронно с угловым перемещением антенны в горизонтальной плоскости. Для обеспечения одновременного наблюдения целей в возможно большем секторе обзора в таких индикаторах используется ЭЛТ с длительным послесвечением. В индикаторах с поворачивающейся линией развертки иногда используется дополнительный режим с амплитудной отметкой эхосигналов, позволяющий производить более де229

тальную классификацию целей (например, в гидролокаторе "Сарган-Г"). В гидролокаторах одновременного секторного или кругового обзора с электронным сканированием ДН используется другой способ получения отображения подводной обстановки на экране ИЭ в полярной системе координат. Развертка эхосигналов во времени при этом способе осуществляется по спирали, начало которой обычно располагается в центре экрана (гидролокаторы "Угорь" и др.). Устройство развертки электронного луча синхронизируется с устройством вращения приемных ДН (при цилиндрической антенне) или с коммутатором опроса каналов в РПА со статическим веером ДН. В этом случае достигается равенство угловых скоростей вращения электронного луча и ДН в пространстве. Для обеспечения измерения дистанции скорость увеличения диаметра спирали устанавливается пропорциональной скорости распространения звука в воде. Применение электронных запоминающих устройств (ЗУ) позволяет значительно улучшить технические характеристики и эргономические показатели электронных индикаторов РПА. В таких индикаторах поступающая из устройств обработки сигналов информация записывается предварительно в буферное ЗУ в темпе, определяемом скоростью распространения звука и (в индикаторах гидролокаторов) угловой скоростью вращения антенны или ДН. Одновременно с запоминанием (в режиме разделения времени) производится многократное за период зондирования в значительно более высоком темпе, чем при записи, считывание запомненной в текущем или предыдущем цикле зондирования информации (в зависимости от считываемого адреса и времени, прошедшего с момента излучения посылки). Возможно также поочередное использование для записи и считывания двух идентичных блоков памяти, что упрощает организацию режимов работы памяти, но увеличивает стоимость аппаратуры. Считываемые из ЗУ цифровые коды преобразуются в аналоговое напряжение, которое подается на устройство отклонения луча ЭЛТ. Считывание информации обычно производится в том же порядке, что и запись. В этом случае отображение информации производится с использованием уже рассмотренных принципов формирования изображения, но с более высокими скоростями временной развертки (эхолот и гидролокатор "Таймень"). Более высокая скорость считывания информации из ЗУ, по сравнению с записью, позволяет устранить основной недостаток ИЭ, функционирующих в реальном масштабе времени, – мелькание изображения из-за периодического изменения яркости элементов изображения от нуля до максимума. В результате значительно снижается утомляемость оператора и повышается надежность обнаружения цели. Это достигается при достаточно высокой частоте регенерации изображения. Минимальная частота, выше которой мелькание изображения не воспринимается оператором, называется критической частотой мелькания Значение этой частоты пропорционально логарифму яркости изображения и уменьшается при 230

использовании люминофоров с длительным послесвечением. В зависимости от этих факторов величина критической частоты мелькания может лежать в пределах от 20 до 60 Гц. Обычно стремятся использовать минимально возможное значение частоты регенерации изображения, так как в этом случае упрощаются устройства отклонения луча ЭЛТ и снижаются требования к быстродействию ЗУ. При выборе ЭЛТ с люминофором, обладающим большим временем послесвечения, необходимо согласовать значение частоты регенерации изображения с временем послесвечения таким образом, чтобы к моменту появления нового изображения яркость старого падала не более, чем на 20%. В противном случае происходит значительное снижение четкости изображения. В большинстве индикаторов РПА используются ЭЛТ с магнитным отклонением. Это объясняется тем что, в отличие от ЭЛТ с электрическим отклонением, они обеспечивают получение высокой яркости изображения (более 150 кд/м2), необходимой при эксплуатации индикаторов РПА в условиях большой освещенности (ходовая рубка судна в дневное время суток). Кроме того, ЭЛТ такого типа, при прочих равных условиях, на 30% короче ЭЛТ с электростатическим отклонением. Широкое распространение в современных индикаторах РПА получили растровые системы телевизионного типа. Применение растровых систем позволяет использовать унифицированные технические решения и узлы, что сокращает сроки разработки РПА и снижает ее стоимость. Следует отметить, что из двух основных типов растровых систем – аналоговой и цифровой – практическое применение в современной РПА вследствие более высокого качества изображения и лучшей совместимости с цифровыми устройствами обработки сигналов находит последний тип. При проектировании индикаторов для аппаратуры комплексного отображения гидроакустической и навигационной информации могут быть использованы системы с произвольным отклонением луча (векторные системы), обеспечивающие более высокое качество изображения. Однако, по сравнению с растровыми системами, они обладают высокой стоимостью и более низкой надежностью. Для обеспечения стабильности изображения и улучшения его качества при формировании развертывающих напряжений и сигналов управления током луча ЭЛТ используются методы и элементы цифровой техники с последующим преобразованием цифровых кодов в аналоговое напряжение (ЭЛТ является аналоговым устройством). Цифровые методы формирования изображения позволяют также упростить привязку к изображению эхосигналов изображения вспомогательных линий, меток и символов, предназначенных для измерения координат целей и повышения информативности и наглядности изображения. Совмещение изображений эхосигналов и дополнительной информации обычно осуществляется посредством неаддитивного смешивания исходных сигналов (отобра231

жается наиболее интенсивный сигнал, а не сумма сигналов). Использование для съема дистанции и угловых координат целей специальных линий и меток, высвечиваемых непосредственно на экране ЭЛТ, позволяет отказаться от гравированных шкал и значительно повысить точность отсчета этих параметров. Более высокая точность обеспечивается вследствие отсутствия параллакса и одинакового воздействия дестабилизирующих факторов (при единой системе синхронизации всех функциональных модулей индикатора) на все элементы изображения, включая специальные линии и метки. Значения координат цели при совмещении оператором маркировочных линий или меток с отметкой цели считываются в числовом виде с цифровых индикаторов, входящих в состав ИЭ, или непосредственно с экрана ЭЛТ. Преобразование информации о местоположении маркировочных линий и меток может производиться как аппаратурными, так и программными средствами. Для грубой оценки дистанции на экране ЭЛТ могут высвечиваться метки дальности в виде линий. В ИКО и ИСО по периметру экрана могут высвечиваться угловые метки. В индикаторах комплексного отображения гидроакустической и навигационной информации возникает необходимость воспроизведения на экране большого количества символов и буквенно-цифровых данных. Минимальный объем аппаратуры в этом случае реализуется при использовании специального дисплейного процессора на основе микроЭВМ или микропроцессорных комплексов.

12.3.3. Многоцветные электронные индикаторы В современной РПА электронные индикаторы на одноцветных ЭЛТ постепенно уступают место индикаторам с многоцветными ЭЛТ. Это объясняется более широкими возможностями цветового кодирования информации. Хотя одноцветная ЭЛТ по сравнению с эхограммной бумагой имеет значительно больший динамический диапазон амплитуд отображаемых эхосигналов (до 15 градаций яркости), в связи с физиологическими особенностями зрительного восприятия оператор может опознавать не более 4 одновременно представляемых градаций яркости. При цветовом кодировании информации оператор может различать 7–10 одновременно представляемых на экране цветовых градаций. Однако возможно использование и большего количества цветовых оттенков. Так, например, в процессе работы с изображением, в формировании которого использовалось 8 цветовых градаций, после общей оценки всего изображения оператор может сосредоточить внимание на каком-либо отдельном фрагменте изображения, сформированном элементами 2–3 цветов. В этом случае более детальную информацию о структуре объекта, 232

отображаемого этим фрагментом изображения, дает увеличение количества цветовых градаций, участвующих в его формировании. Это может быть достигнуто путем увеличения общего количества цветовых градаций всего изображения (обычно до 16). При использовании 16 цветовых градаций и шаге квантования амплитуды эхосигнала, равном 3 дБ, динамический диапазон эхо сигналов, отображаемых на этом индикаторе, достигает 45 дБ. В некоторых цветных индикаторах предусматривается, что относительно большое количество людей (8%) не может использовать информацию, передаваемую различными цветами (цветовая слепота). Так, например, в цветном индикаторе гидролокатора ″SpecTraScan 3000″ фирмы "С-ТЕСН" предусмотрен дополнительный режим кодирования информации 16 серыми тонами, хотя в основном режиме используется 8 цветовых градаций. Цветовое кодирование амплитуды, помимо увеличения динамического диапазона отображаемых сигналов, улучшает также классификационные возможности индикатора. Цветовой контраст между слабыми и сильными сигналами позволяет легко отличать эхосигналы придонной рыбы от изображения морского дна, определять местоположение наиболее плотной части рыбного косяка, оценивать структуру морском дна и видовой состав рыбных косяков, выделять эхосигналы рыбных объектов на фоне поверхностной реверберации и эхосигналов от звукорассеивающих слоев. В настоящее время не существует определенных рекомендаций по порядку распределения цветовых градаций в зависимости от амплитуды эхосигналов. Анализ изделий зарубежных фирм показывает, что наибольшее распространение получило распределение, повторяющее порядок расположения цветов при спектральном разложении дневного света (цвета радуги). При этом обычно красным цветом кодируются эхосигналы с максимальной амплитудой, а синим – эхосигналы с самым низким или нулевым уровнем. При применении большого количества цветовых градаций используются оттенки основных цветов, например темно- и светлоголубой или темно- и светло-зеленый. При выборе порядка распределения цветовых градаций следует учитывать, что разрешающая способность цветового зрения для различных цветов неодинакова. Лучше всего глаз различает мелкие детали изображения, окрашенные в зеленый цвет. Размер красных элементов изображения, сравнимых по различимости с зелеными элементами, в 4 – 5 раз крупнее. Различимость синих элементов изображения в 10 – 12 раз хуже, чем зеленых. С целью оптимизации восприятия информации конкретным оператором в индикаторах могут использоваться несколько вариантов распределения цветовых градаций (например, 5 вариантов в эхолоте CVS-881B фирмы "Koden"). Для правильной идентификации амплитуды эхосигнала на боковом поле экрана индицируется полоса (по желанию оператора ее изображение может отключаться), составленная из цветных отрезков, 233

расположенных в порядке, соответствующем принятому распределению цветовых градаций. Для отображения информации, отличающейся по форме от изображения эхосигналов (например, буквенно-цифровой или линий измерительных шкал и визиров) обычно используется дополнительный белый цвет. Использование белого цвета для символьной и графической информации предпочтительно потому, что этот цвет наиболее благоприятен при длительном наблюдении и обеспечивает более надежное считывание информации при удалении оператора от экрана индикатора. Последнее объясняется тем, что при использовании для этой цели других цветов мелкие элементы изображения символов и графической информации (совместно с мелкими элементами изображения эхосигналов) при наблюдении с большого расстояния могут по закону сложения цветов наблюдаться как пятна совершенно другого цвета. Многоцветные электронные индикаторы гидролокаторов и эхолотов в связи с особенностями обзора водной среды этих двух типов РПА отличаются друг от друга видом получаемого изображения. Изображение на цветных индикаторах гидролокаторов аналогично по геометрическому виду изображению на индикаторах типа PPI одноцветных индикаторов. На цветных индикаторах эхолотов геометрическая форма представления гидроакустической информации подобна геометрической форме изображения, получаемой на эхограммах регистраторов. Возможно и объединение на одном экране этих двух видов изображения. Так, например, в индикаторах гидролокаторов CS-30 и CS-50 фирмы "Furuno" имеется режим, при котором 1/5 часть экрана отводится для отображения информации, полученной за последние 64 цикла приема сопрягаемого эхолота. Различие в способах формирования рассмотренных двух видов изображения вызывает и разницу в их восприятии оператором. В индикаторах эхолотов при каждом новом цикле излучения–приема изменяется весьма малая часть всего изображения на экране. Медленное и одновременное смещение по экрану всех элементов изображения практически не вызывает утомления оператора. В индикаторах многолучевых гидролокаторов вследствие изменения при движении судна количества целей, их местоположения, интенсивности эхосигналов от них (в результате изменения дистанции и ракурса), а также характеристик и направления приема помех форма и цветовая гамма изображения на экране при каждом цикле излучения–приема могут изменяться по всей площади изображения. При непрерывном наблюдении это вызывает у оператора неприятные ощущения и служит причиной его быстрой утомляемости. В связи с этим при конструировании гидролокаторов с многоцветным индикатором необходимо уделять особое внимание возможностям резкого снижения количества отметок помех, отображаемых на экране индикатора, а также сглаживанию флуктуации амплитуды эхосигналов. С этой 234

целью в индикаторах гидролокаторов не всегда целесообразно применять для кодирования амплитуд эхосигналов большое количество цветов. В настоящее время для получения цветового изображения могут использоваться ЭЛТ типа "пенетрон" и масочные телевизионные кинескопы. ЭЛТ типа "пенетрон" позволяют получить высокую разрешающую способность, они малочувствительны к магнитному полю Земли, но требуют применения специальных цепей коммутации высокого напряжения, обладающих малой надежностью, и не позволяют получить более четырех цветов изображения. Возможность получения практически любого количества цветов, значительно более низкая стоимость, высокая степень унификации при использовании в различных изделиях определили преобладающее использование в многоцветных индикаторах РПА стандартных цветных кинескопов. При этом следует учитывать, что качественное сведение лучей обеспечивается только при стандартных частотах развертки, используемых в телевидении. Существует два способа получения телевизионной развертки. В стандартных телевизионных приемниках используется черезстрочный способ формирования телевизионного растра. Применение этого способа возможно и в индикаторах РПА. Однако в этом случае одиночные отметки эхосигналов, элементы символов или вспомогательные линии, параллельные направлению развертывания строк изображения, должны присутствовать в соседних строках обоих полукадров. В противном случае частота регенерации таких элементов изображения будет составлять 25 Гц, а при умеренных яркостях возможно появление мелькания этих элементов. Использование в индикаторах РПА построчной (прогрессивной) развертки позволяет избежать мелькания любых элементов изображения и, кроме того, значительно упрощает устройства формирования телевизионного растра и синхронизацию работы других функциональных модулей индикатора. К недостатку построчной развертки следует отнести меньшее количество строк, участвующих в формировании изображения, в результате чего сильнее видна дискретность структуры изображения. Многоцветные индикаторы РПА в зависимости от используемой элементной базы могут быть выполнены по различным структурным схемам. Но при любом варианте структурной схемы для получения немелькающего изображения в состав индикатора должно входить устройство регенерации изображения, основным узлом которого является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Информационная емкость Uм ОЗУ, предназначенного для хранения гидроакустической информации одного кадра изображения, определяется следующим выражением [11]: Uм = mnb, (12.33) где m – количество строк растра, участвующих в формировании изобра235

жения эхосигналов; п – количество элементов изображения в одной строке; b – разрядность цифрового кода амплитуды эхосигнала. Для формирования изображений буквенно-цифровых и графических символов, а также различных вспомогательных линий (меток шкалы, векторов, электронных визиров, линии курса судна и др.) в составе цветных индикаторов предусматриваются устройства регенерации вспомогательного изображения. Стабильность вспомогательного изображения обеспечивается путем поэлементной дискретизации всего телевизионного растра и привязки местоположения символов и вспомогательных линий к задаваемым горизонтальным и вертикальным адресам этих элементов растра. При формировании символов используются знакогенераторы, представляющие собой постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), в которых в определенной последовательности записаны коды всех применяемых символов. Информационная емкость Us ПЗУ знакогенератора должна быть не менее следующей величины [11]: Us = ksmsns,

(12.34)

где ks – количество используемых символов; ms – количество горизонтальных элементов растра, используемых при формировании символа; ns – количество вертикальных элементов растра, используемых при формировании символа. При отображении только цифровых символов обычно используется матрица 5×7 элементов, а при необходимости отображения букв и других специальных символов может использоваться матрица 7×9 элементов, обеспечивающая более надежную идентификацию символов. Считываемые в требуемой последовательности из знакогенератора коды символов заносятся с соответствующей адресацией в буферное ЗУ, обеспечивающее регенерацию изображения символов. Воспроизведение символов производится при одновременном совпадении вертикального и горизонтального адресов каждого индуцируемого элемента символа с адресами, формируемыми счетчиками горизонтальной и вертикальной разверток. Аналогичный принцип используется и при формировании других элементов вспомогательного изображения. Для наложения вспомогательного изображения на основное необходимо в моменты формирования элементов вспомогательного изображения блокировать подачу на преобразователь код–цвет индикатора кодов эхосигналов, хранящихся в ОЗУ устройства регенерации основного изображения, и обеспечить прохождение на этот преобразователь кода, соответствующего цвету формируемого в данный момент элемента вспомогательного изображения. В целях формирования признака вспомогательного изображения в кодах, предназначенных для подачи на преобразователь 236

код–цвет, может использоваться дополнительный двоичный разряд.

12.3.4. Звуковые индикаторы Практически все применяемые в РПА устройства отображения информации используют зрительный канал оператора. Однако звуковые индикаторы, являющиеся исторически первыми индикаторами гидроакустических устройств, по-видимому, еще долгое время будут использоваться в РПА. Объясняется это тем, что слуховой аппарат человека при использовании его в качестве обнаружителя и анализатора тональных сигналов приближается по своим возможностям к оптимальному детектору. Кроме того, возможности обнаружения и анализа гидроакустических сигналов значительно повышаются при одновременном использовании зрительного и слухового каналов оператора. Немаловажное значение имеет и возможность введения при поиске рыбных скоплений дежурного режима РПА. В этом случае исчезает необходимость непрерывного нахождения оператора в непосредственной близости от пультов управления и индикации, снижается его утомляемость вследствие переключения внимания на другие объекты, появляется возможность параллельного выполнения работ с другой аппаратурой, находящейся в ходовой рубке. В многолучевой РПА дежурный режим может обеспечиваться путем одновременного прослушивания эхосигналов, принимаемых из всего сектора обзора (гидролокатор Atlas Fishing Sonar 950), поочередного прослушивания каждого направления зондирования (гидролокатор "Таймень" и др.) или прослушивания эхосигналов с какого-либо фиксированного направления (гидролокаторы "Угорь" и др.). Каждый из этих способов имеет свои недостатки, которые необходимо учитывать при эксплуатации конкретной РПА. В первом случае значительно снижаются помехозащищенность приема и, как следствие, дальность обнаружения; во втором – возрастает время обзора всего сектора наблюдения и появляются мертвые зоны; в третьем – становится высокой вероятность пропуска имеющей промысловое значение цели. В гидролокаторах, использующих в дежурном режиме второй способ обзора, обычно предусматривается переключение в режим прослушивания с фиксированного направления, который предназначен для обеспечения возможности поддержания после обнаружения постоянного эхоконтакта с целью. Высокие характеристики слухового аппарата человека обеспечиваются его способностью одновременного анализа и сопоставления нескольких параметров звуковых сигналов. Из-за физиологических и психологических особенностей слуха человека существуют различия между 237

субъективными (воспринимаемыми оператором) и объективными (физическими) параметрами звуковых сигналов. К субъективным параметрам слышимого звука относятся громкость, высота тона и тембр. Каждый субъективный параметр в той или иной степени связан со следующими физическими параметрами: интенсивностью, частотой, формой спектра и длительностью звучания. При этом громкость наиболее сильно зависит от интенсивности звука, высота тона – от частоты, тембр – от спектра частот. Звук, воспринимаемый ухом оператора при работе со звуковым индикатором РПА, представляет собой смесь эхосигналов, шумов и реверберационной помехи. Выделение полезного эхосигнала при прослушивании обеспечивается, если хотя бы один из субъективных параметров звука, соответствующего эхосигналу, отличается определенным образом от этого же параметра шума или реверберации. Так, например, при совпадении частоты и спектра эхосигнала и реверберации (случай эхолокации малоподвижных разреженных рыбных скоплений) обнаружение эхосигнала на слух возможно, если его громкость превышает на определенную величину громкость звучания реверберации. В большинстве случаев звучание эхосигналов отличается от звучания реверберации и шума не только громкостью, но и высотой тона и тембром. Различие в высоте тона, возникающее вследствие проявления эффекта Доплера, является определяющим параметром при выделении слуховым трактом оператора полезных эхосигналов на фоне реверберационной помехи. Порог обнаружения на слух тональных эхосигналов на фоне шумов и реверберации, помимо других факторов, зависит и от длительности принимаемых импульсов. При длительности принимаемых сигналов менее 100 мс порог обнаружения тем выше, чем короче длительность. Для длительности 10 мс эхосигналы воспринимаются как неприятные для слуха резкие щелчки, утомляющие оператора, поэтому применение звуковой индикации в данном случае нецелесообразно. Соответственно практическое применение звуковые индикаторы находят только в гидролокаторах, имеющих для работы на максимальных дистанциях обнаружения большие длительности зондирующих импульсов. В устройствах преобразования частоты принимаемых эхосигналов в центральную частоту звуковой индикации fзв обычно предусматривается возможность плавной или дискретной перестройки высоты тона. Это обеспечивает возможность подбора наиболее оптимального для конкретного оператора звучания принимаемых эхосигналов. В качестве излучателей акустических колебаний в звуковых индикаторах используются встроенные в пульт управления и индикации (гидролокаторы "Прибой-101", "Сарган-Г2, "Угорь" и др.) или выносные (гидролокатор "Таймень") громкоговорители. Второй вариант предпочтительней, так как обеспечивает лучшее каче238

ство звучания и позволяет проектантам судов согласовывать акустические характеристики громкоговорителя и помещения, в котором размещается РПА. В некоторых гидролокаторах (например, FSS-32B и FSS-75B) предусматриваются оба варианта размещения громкоговорителей. Для обеспечения работы оператора в условиях значительных внешних шумов (например, в штормовую погоду) или устранения помех работе других членов экипажа может быть предусмотрено использование дополнительных головных телефонов (гидролокатор "Таймень").

Глава 13. ПОИСК ОБЪЕКТОВ МОРСКОГО ПРОМЫСЛА 13.1. Теоретические основы поиска объектов морского промысла

13.1.1. Общие положения теории поиска объектовморского промысла Поиск объектов морского промысла является процессом, исход которого зависит от многих случайных факторов. Даже если достоверно известно, что объекты промысла в районе поиска есть, то нет гарантий, что судно, ведущее поиск, выйдет на них, что объекты попадут в зону действия рыбопромысловой аппаратуры. А если объекты и будут встречаться на пути судна, то заранее неясно, будет получен гидроакустический контакт с ними или нет. Наконец, наличие контакта с объектом еще не означает, что произойдет его обнаружение, поскольку для обнаружения сигнал от цели должен быть опознан на фоне неизбежно присутствующих помех. Все вышеперечисленные явления случайны, поэтому и сам процесс поиска объектов промысла гидроакустическими средствами следует считать случайным процессом. Это, конечно, не означает, что, ведя поиск объектов промысла, рыболовецкое судно полностью находится во власти случая. Ведь известно, что существуют закономерности в протекании случайных событий, явлений, процессов, которые носят вероятностный характер и проявляются при многократном наблюдении. Задача как раз и заключается в том, чтобы эти закономерности установить и эффективно применять. Таким образом, ввиду случайности процесса поиска объект промысла может быть обнаружен с некоторой вероятностью PОБ – вероятностью обнаружения. Но для этого с достаточными вероятностями должны иметь место следующие события: – с вероятностью PП объект должен присутствовать в районе поиска; 239

– с вероятностью PВ (вероятность встречи) объект должен попасть в зону обнаружения рыболокатора; – с вероятностью PК (вероятность контакта) промысловый объект должен быть облучен зондирующим сигналом рыболокатора, а эхосигнал от него принят антенной; – с вероятностью PЭ эхосигнал должен быть выделен из фона помех и вынесено решение о присутствии полезного сигнала. Все эти события являются событиями независимыми. Поэтому, согласно теореме умножения вероятностей, вероятность обнаружения PОБ объекта, как вероятность совместного наступления независимых событий, равна произведению всех вышеперечисленных вероятностей [20]: PОБ = PП PВ PК PЭ .

(13.1)

Для облегчения расчетов исключим случаи недостоверного присутствия объектов промысла в районе поиска. В действительности промысел (в том числе и местный поиск) ведется в районах, где наличие объектов лова установлено промысловой разведкой, или по какой-либо другой информации они там имеются. Поэтому примем далее PП = 1. Учтем также, что с точки зрения организации поисковых действий мы не можем каклибо повлиять на вероятность PЭ выделения полезного сигнала из фона помех. В связи с этим будем считать далее, что и PЭ = 1. Таким образом, под вероятностью обнаружения будем понимать произведение вероятностей встречи и контакта с объектом [20]: PОБ = PВ PК .

(13.2)

Поэтому на промысле необходимо организовать поисковые действия таким образом, чтобы значения PВ и PК, следовательно, и PОБ были максимальными и оказались не меньше заданных значений. С точки зрения теории вероятностей поиск – это система, состоящая из наблюдателя (в нашем случае поискового судна) и объектов (косяков рыбы или других объектов лова). Тогда процесс поиска, как некоторая система наблюдатель – объект, сводится при этом к переходу системы из одного состояния в другое – от необнаружения к обнаружению [20]. Будущее состояние системы в одном случае может определяться ее настоящим состоянием и не зависеть от прошлого ее состояния. Другими словами, обнаружение объекта в будущем может не зависеть от того, был или не был обнаружен он ранее, но зависит от того, в каком состоянии – необнаружения или обнаружения находится система сейчас. В других же случаях будущее состояние системы наблюдатель–объект может зависеть не только от настоящего, но и от прошлого ее состояния, т. е. обнаружение объекта сейчас может зависеть от того, был ли он обнаружен в прошлом. Случайные процессы, исход которых определяется настоящим со240

стоянием системы наблюдатель–объект, не зависит от состояния в прошлом, называются случайными процессами марковского типа (в честь русского математика А.А. Маркова). Применительно к поиску объектов это определение случайного процесса можно сформулировать и иначе: если система наблюдатель – объект поиска в момент времени t находится в состоянии А, то в момент времени t + Δt вероятность любого состояния этой системы зависит только от ее состояния А в момент времени t, но не зависит от того, когда и как система пришла в это состояние А. При поиске переход системы наблюдатель – объект из одного состояния в другое (от необнаружения к обнаружению) может осуществляться в любые моменты времени. Это дает нам основание принять процесс поиска объектов промысла за процесс с непрерывно текущим временем. При осуществлении поиска все возможные состояния системы наблюдатель – объект можно перечислить, а переход от необнаружения к обнаружению происходит скачком. Это дает нам право считать процесс поиска объектов промысла процессом с дискретными состояниями. Итак, процесс поиска объектов морского промысла будем далее считать случайным процессом марковского типа с непрерывным временем и дискретными состояниями [20]. Важнейшим понятием в теории таких процессов является поток событий, или, применительно к поиску объектов промысла, поток обнаружений (в нашем случае событие – это и есть обнаружение). Потоком обнаружений называется последовательность однородных обнаружений, следующих одно за другим в случайные моменты времени, а под однородностью здесь понимается однородность комплекса условий поиска. Поток обнаружений (поток событий) обладает следующими свойствами: отсутствием последействия и ординарностью. Первое свойство означает, что число обнаружений, попадающих на данный отрезок времени, не зависит от того, сколько обнаружений приходится на другие, не перекрывающиеся отрезки времени; свойство ординарности означает, что вероятность попадания двух и более обнаружений на элементарный отрезок времени ничтожно мала по сравнению с вероятностью попадания на этот отрезок одного обнаружения. В реальных поисковых ситуациях поток обнаружений может обладать еще свойством стационарности или нестационарности. Свойство стационарности означает, что вероятность попадания того или иного обнаружения на отрезок времени t зависит от величины этого отрезка, но не зависит от его расположения на временной оси. Иначе это свойство называют еще свойством однородности потока обнаружения во времени. Свойство нестационарности (неоднородности потока обнаружений во времени) означает, что вероятность попадания того или иного обнаружения на отрезок времени t зависит как от величины этого отрезка, так и от его положения на временной оси. Поток обнаружений, обладающий свойствами отсутствия последейст241

вия, ординарности и стационарности, называется стационарным пуассоновским (в честь французского механика и математика С.Д. Пуассона). Обследование водного пространства при поиске может быть непрерывным или дискретным, что определяется конструктивными особенностями применяемых технических средств. Конструкция применяемых на промысле гидроакустических рыбопоисковых средств такова, что они, если говорить строго, позволяют вести лишь дискретное наблюдение. Но у одних из них дискретность исчисляется секундами (гидролокаторы одновременного секторного или кругового обзора), а у других – десятками секунд (гидролокаторы последовательного обзора). При небольшой дискретности обследования водного пространства можно принимать его за непрерывное обследование. Важнейшей характеристикой процесса поиска при непрерывном наблюдении является интенсивность потока обнаружений, или, короче, интенсивность поиска: γ – для стационарного и γ(t) – для нестационарного потоков обнаружений. Под интенсивностью поиска понимается среднее число обнаружений или математическое ожидание числа обнаружений в единицу времени. Для стационарного потока обнаружений интенсивность поиска – величина постоянная, для нестационарного (пуассоновского) потока обнаружений интенсивность поиска – величина, изменяющаяся с течением времени поиска. Если при поиске наблюдение дискретное, то важной характеристикой является элементарная вероятность p обнаружения объекта на заданной дистанции – вероятность обнаружения посредством одного мгновенного наблюдения (применительно к поиску объектов промысла рыболокатором – одного цикла обзора). Для стационарного потока обнаружений элементарная вероятность обнаружения – величина постоянная, не изменяющаяся от одного мгновенного наблюдения к другому. При нестационарном потоке обнаружений элементарная вероятность непостоянна, изменяется с каждым новым мгновенным наблюдением.

13.1.2. Вероятность обнаружения объекта Определим вероятность обнаружения объекта промысла. В работе [20] предлагается следующая формула для расчета вероятности m обнаружений объекта за период времени tП: Pm = (γtП)me-γtП / m!,

(13.3)

где γ – интенсивность поиска (математическое ожидание числа обнаружений за единицу времени). 242

Следует отметить, что для промысловых целей нет необходимости в многократном обнаружении косяка за время поиска. Для облова косяка достаточно обнаружить его всего один раз. Поэтому определим вероятность хотя бы одного обнаружения объекта в течение времени поиска tП. Будем исходить из того, что вероятность хотя бы одного обнаружения Pm≥1 равна разности между единицей и вероятностью Pm=0 ни одного обнаружения: Pm≥1 = 1 – Pm=0.

(13.4)

Из выражения (13.3) следует, что при m = 0 Pm=0 = e-γtП. Следовательно, Pm≥1 = 1 – e-γtП. В дальнейших расчетах будем использовать данную вероятность в качестве вероятности обнаружения PОБ(t). Таким образом [20], -γtП

PОБ(t) = 1 – e

.

(13.5)

В своих рассуждениях мы полагали, что поток обнаружений стационарен, т. е. интенсивность поиска γ = const, а среднее число обнаружений за время поиска равно γtП. Но если поток обнаружений не обладает свойством стационарности, т. е. интенсивность поиска γ(t) ≠ const, то среднее число обнаружений за время поиска следует вычислить как tП

∫ γ (t )dt , 0

а вероятность обнаружения по аналогии с формулой (13.5) найти из выражения: tП

PОБ(t) = 1–exp(– ∫ γ (t )dt ).

(13.6)

0

В теории поиска объектов среднеожидаемое число обнаружений за время поиска называют поисковым потенциалом. Тогда для стационарного потока обнаружений поисковый потенциал U будет: U = γtП.

(13.7)

Для нестационарного потока обнаружений поисковый потенциал определяется из выражения: tП

U(t) =

∫ γ (t )dt .

(13.8)

0

С введением понятия о поисковом потенциале преобразуем выражения для вероятностей обнаружения в следующем виде:

243

– при стационарном потоке обнаружений: PОБ(t) = 1 – e-U,

13.9)

– при нестационарном потоке обнаружений: PОБ(t) = 1 – e-U(t).

(13.10)

Выражения (13.5), (13.6), (13.8) – (13.10) являются фундаментальными в теории поиска объектов. На них базируются расчеты не только вероятности обнаружения, но и других величин, например, среднеожидаемого времени обнаружения объекта. При этом под вероятностью обнаружения в этих формулах не обязательно подразумевается вероятность самого исхода поиска. Под вероятностью обнаружения может подразумеваться также и вероятность встречи с объектом, и вероятность контакта с объектом. В каждом конкретном случае для вероятности обнаружения должен фигурировать только свой поисковый потенциал: потенциал встречи с объектом, потенциал контакта и т.д. Как следует из выражений (13.5), (13.6), (13.8) – (13.10), при вычислении вероятности обнаружения задача, по сути, сводится к нахождению либо интенсивности поиска, либо поискового потенциала. Далее рассмотрим более подробно основные составляющие выражения (13.2) – вероятность встречи с объектом и вероятность контакта.

13.1.3. Вероятность встречи с объектом Вероятностью встречи с объектом называется вероятность попадания объекта в зону обнаружения, т.е. в круг с радиусом, равным горизонтальной дальности действия рыбопромыслового гидролокатора. Прежде чем попытаться вычислить эту вероятность, следует обратить внимание на то, что поисковые работы на площади требуют перемещения судна – галсирования. При этом галсирование можно осуществлять по-разному. Можно хаотически галсировать по району поиска, случайным образом просматривать возможные места нахождения объектов, в результате чего одни места могут подвергаться многократному обследованию, другие – однократному, третьи могут оказаться необследованными вообще (рис. 13.1а). Но можно действовать и по-другому, планомерно, упорядоченно располагая поисковые галсы, так что постепенно будет обеспечено одноразовое обследование всех возможных мест нахождения объектов на заданной акватории (рис. 13.1б). 244

а)

б) Рис. 13.1. Виды поиска рыбных объектов

Поиск, при котором судно случайным образом галсирует по акватории, принято называть интенсивным. Поиск, при котором судно планомерно галсирует по акватории с целью одноразового просмотра возможных мест нахождения объектов, называется экстенсивным. Для вычисления вероятности встречи с объектом PВ(t) в соответствии с формулами (13.5) – (13.10) необходимо знать либо интенсивность поиска γ или γ(t), либо поисковый потенциал U или U(t). Определим первоначально вероятность встречи при интенсивном поиске. Найдем интенсивность данного вида поиска, полагая, что он ведется на акватории, площадь которой равна SП, и что объекты равномерно рассредоточены по всей площади SП. Изначально будем считать, что объекты неподвижны. С учетом того, что интенсивность поиска – это математическое ожидание числа обнаружений объектов за единицу времени (число встреч в рассматриваемом случае) и принимая во внимание, что зона обнаружения – это круг с радиусом, равным горизонтальной дальности D обнаружения объектов, найдем искомую интенсивность γВ встреч как отношение площади, просматриваемой за единицу времени и равной 2DVС, ко всей площади SП района поиска [20]: γВ = 2DVС/SП.

(13.11)

где D – горизонтальная дальность обнаружения объектов рыбопоисковым гидролокатором; VС – скорость судна. Из выражения (13.11) следует, что при интенсивном поиске интенсивность встречи остается постоянной, неизменной в течение всего времени поиска. В силу этого и согласно формуле (13.5), вероятность встречи при интенсивном поиске следует вычислять по формуле [20]: t

PВ(t) = 1–e-γВ П = 1–e-2DVсtп/SП. 245

(13.12)

Как видно из формулы (13.12), если γВ > 0, т.е. при наличии хотя бы малейшей вероятности встречи в течение элементарного промежутка времени, вероятность встречи при безграничном возрастании времени поиска будет сколь угодно близка к единице. Вычислим теперь вероятность встречи при экстенсивном поиске. В этом случае имеет место одноразовый просмотр возможных мест нахождения объектов за счет последовательного обследования района поиска от начала до конца. В таких условиях интенсивность встречи не остается постоянной, увеличиваясь с течением времени. Как и для интенсивного поиска, исходя из геометрических соображений, но исключая повторное обследование площадей, для интенсивности встречи γВ(t) экстенсивного поиска имеем [20]: γВ(t) = 2DVС/(SП – 2DVСtП).

(13.13)

где 2DVСtП – просмотренная к моменту времени tП площадь, которую необходимо исключить из общей площади во избежание повторного обследования. Выражение (13.13) можно преобразовать с учетом значения γВ из формулы (13.11): γВ(t) = γВ/(1 – γВtП).

(13.14)

Таким образом, при экстенсивном поиске, как видно из выражения (13.14), интенсивность встречи с течением времени увеличивается. Исходя из этого и согласно формуле (13.6) вероятность встречи при экстенсивном поиске следует вычислять по формуле [20]: tП

tП

PВ(t) = 1 – exp( –

γ dt

В ∫ γ (t )dt ) = 1 – exp( – ∫ 1 − γ ВtП ),

(13.15)

0

0

где tП – время поиска (при экстенсивном поиске за время tП весь район будет обследован). Произведя интегрирование, получим [20]: PВ(t) = γВtП.

(13.16)

Таким образом, в соответствии с выражением (13.16), при экстенсивном поиске вероятность встречи возрастает со временем пропорционально времени поиска, т.е. значительно быстрее, чем при интенсивном поиске. Следовательно, рассуждая относительно стратегии поиска, можно сделать вывод, что экстенсивный поиск предпочтительнее интенсивного. 13.1.4. Вероятность контакта с объектом 246

Как уже отмечалось выше, встреча с объектом в зоне обнаружения еще не означает, что объект и в самом деле будет обнаружен, поскольку необходимо еще, чтобы он не только попал под облучение зондирующими импульсами рыбопромыслового гидролокатора, но и чтобы от него был принят эхосигнал. Вероятность попадания объекта под облучение и приема эхосигнала будем называть вероятностью эхо-контакта или просто вероятностью контакта PК. Для расчета вероятности контакта применим базовые формулы (13.9) или (13.10), в которых под потенциалом обнаружения U или U(t) будем подразумевать теперь потенциал контактов UК – для стационарного потока контактов и UК(t) – для нестационарного потока контактов. Тогда для вероятности контакта с объектом имеем [20]: PК(t) = 1 – e-UК,

(13.17)

PОБ(t) = 1 – e-UК(t).

(13.18)

При этом под потенциалом контактов будем понимать математическое ожидание числа контактов с объектом поиска, попавшим в зону обнаружения рыбопоискового гидролокатора. Если предположить, что объекты в районе поиска распределены равномерно по площади, то из физических (геометрических) соображений за среднеожидаемое число контактов, т.е. за потенциал контактов, можем принять отношение площади SК, просматриваемой гидролокатором за цикл обзора (цикл обследования), к площади S0 возможного местоположения объекта поиска за отрезок времени, равный периоду обзора: UК = SК/S0.

(13.19)

Под циклом обзора Т0 подразумевается отрезок времени, необходимый для обследования заданного сектора обзора Q. Таким образом, расчет вероятности контакта сводится, по сути задачи, к вычислению площади SК, которую назовем площадью контактов, и площади S0, которую назовем площадью обзора [20]. Для учета подвижности объектов в задаче вычисления вероятности контакта посчитаем, что судно, производящее поиск, стоит на месте, а объект поиска, встретившийся в зоне обнаружения, движется относительно судна с относительной скоростью Vρ (рис. 13.2).

247

Рис. 13.2. Схема, поясняющая относительную скорость движения объекта

Причем наибольший интерес вызывает составляющая скорости V'ρ по направлению, противоположному курсу судна. Из рис. 13.2 видно, что V'ρ = VС + VКcosξ,

(13.20)

где ξ – разность курсов судна и объекта. Наихудшие условия для обнаружения объекта имеют место при сближении объекта и судна контр-курсами. В этом случае ξ = 0 и, следовательно, V'ρ = Vρmax = VС + VК.

(13.21)

Если обследование водного пространства рыбопромысловым гидролокатором ведется в секторе Q с биссектрисой в диаметральной плоскости судна при дальности обнаружения объектов D, то, как видно из рис. 13.3, площадь обзора S0 определяется следующим образом: S0 = B Vρmax T0,

(13.22)

где В – ширина полосы обзора (полосы, просматриваемой при заданной среднеожидаемой дальности обнаружения объектов и зависящей еще от величины сектора обзора).

Рис.13.3. Площадь обзора S0

248

В общем случае имеем: B = 2D sinQ/2.

(13.23)

Следует отметить, что при Q ≥ 180°, следует брать B = 2D. На практике расчеты B осложняются тем, что ширина полосы обзора зависит не только от дальности обнаружения и сектора обзора, но и от скорости судна, что можно выявить лишь при рассмотрении кинематики конкретного вида обзора водного пространства.

13.1.5. Критерии эффективности поиска объектов Задача теории поиска объектов заключается не только в количественном описании этого процесса, но и в разработке целесообразных способов поиска, оптимизации поисковых действий. Выбор оптимального способа поиска производится на основе показателей эффективности поисковых действий или, по-другому, критериев эффективности поиска. Все многообразие критериев эффективности можно разделить на две группы, содержащие соответственно производительные и вероятностные критерии. Среди производительных критериев поиска особый интерес представляет критерий, который принято называть теоретической производительностью поиска. Он представляет собой площадь, обследуемую за единицу времени. Теоретическая производительность WТ – это произведение эффективной ширины полосы обзора BЭФ на относительную скорость Vρ поиска: WТ = VρBЭФ.

(13.24)

Кроме теоретической производительности, к производительным критериям относят реальную, или эффективную, производительность WЭФ и относительную производительность ζ. Реальной производительностью называется произведение числа обнаруженных объектов NК на площадь района поиска SП, поделенное на произведение общей продолжительности поиска tП на среднее число объектов N0 в районе поиска: WЭФ = NКSП/(N0 tП).

(13.25)

Относительная производительность поиска определяется по формуле: ζ = WЭФ/WТ, 249

(13.26)

что позволяет оценить результаты поиска после его завершения и характеризует соответствие избранного способа поисковых действий прогнозу по предварительным расчетам. Чем больше значение ζ, (чем ближе оно к единице), тем, следовательно, лучше был способ действия при осуществлении поиска. Вероятностные критерии эффективности поиска имеют вероятностную основу и позволяют предсказывать ожидаемые результаты еще до его осуществления. К вероятностным критериям относятся следующие критерии: – вероятность обнаружения объекта PОБ(t) к заданному сроку; – среднеожидаемое число объектов MОБ(t), обнаруживаемых к заданному сроку; – среднеожидаемое время tОБ, необходимое для обнару объекта. Среднеожидаемое время обнаружения tОБ и вероятность обнаружения PОБ(t) к заданному сроку, по сути дела, являются различными сторонами одного критерия и неразрывно связаны между собой через интенсивность поиска: чем большее значение имеет интенсивность поиска, тем вероятнее к заданному сроку обнаружить объект, тем короче ожидаемое время, в течение которого возможность обнаружения будет реализована. Вероятность обнаружения объекта к заданному сроку в общем виде определяется по формулам (13.5), (13.6) или (13.9), (13.10). Расчет вероятности обнаружения сводится при этом к нахождению либо потенциала обнаружения, либо интенсивности поиска. Математическое ожидание числа объектов MОБ(t), обнаруживаемых к заданному сроку, можно определить, исходя из следующих соображений. Пусть на площади SП равномерно распределено N0 одинаковых объектов. Полагая, что поиск носит пуассоновский характер, и при условии, что вероятность обнаружения одного объекта равна РОБ(1), для математического ожидания MОБ(t) числа обнаруженных объектов за время поиска на основании известной теоремы теории вероятностей можно записать следующим образом [20]: MОБ(t) = N0 PОБ(t).

(13.27)

С учетом (13.5), (13.6), (13.9), (13.10) получим: – для стационарного потока обнаружений: -γtП

MОБ(t) = N0(1 – e

) = N0(1 – e-U),

(13.28)

– для нестационарного потока обнаружений: tП

MОБ(t) = N0(1 – exp( –

∫ γ (t )dt )) = N0 (1 – e 0

250

-U(t)

).

(13.28)

Если необходимо по заданной вероятности обнаружения PОБ(t) определить время поиска tП, то для стационарного потока обнаружений, например, согласно формуле (13.5) можно записать, предварительно прологарифмировав выражение, для интенсивного поиска [20]: tП = ln(1 – PОБ(t))/γ.

(13.29)

Для экстенсивного поиска по формуле (13.16) имеем [20]: tП = PОБ(t)/γ.

(13.30)

Таким образом, если интенсивность поиска γ = 0,1 ч-1, а заданная вероятность обнаружения PОБ(t) = 0,9, то при интенсивном поиске согласно формуле (13.29) потребуется время tП = 23 ч, а при экстенсивном поиске согласно формуле (13.30) потребуется время tП = 9 ч.

13.2. Планирование и производство поисковых работ

13.2.1. Технологии планирования поисковых галсов При планировании поисковых работ важное значение имеет представление об общей характеристике промыслового района: гидрографической, океанологической, гидрометеорологической, гидробиологической. Такая характеристика района предстоящего промысла обычно известна по результатам оперативной промысловой разведки или по опыту работы в этом районе других добывающих судов. Планирование сетки поисковых галсов базируется как на выводах теории поиска объектов, так и с учетом характерных особенностей района поиска и объектов лова. Следует отметить, что поиск малоподвижных и неуклоняющихся от обнаружения объектов, каковыми и являются объекты морского промысла, следует осуществлять упорядоченным галсированием по акватории с целью одноразового обследования возможных мест обитания объектов. Особой задачей здесь является выбор межгалсовых расстояний. Конкретная схема поисковых галсов зависит от предполагаемого или известного распределения объектов поиска по району промысла [20]. Если косяки распределены равномерно по площади и малоподвижны, то оптимальной будет прямолинейная равномерная сетка (рис. 13.4а). 251

Рис. 13.4а, б, в). Схемы поисковых галсов

Если есть информация о местах наиболее вероятного обитания косяков рыбы, то предпочтение следует отдать прямолинейной схеме галсов в виде расходящейся спирали из центра вероятного местоположения косяков (рис. 13.4б). Например, мигрирующие косяки рыбы, обычно равномерно распределенные по площади, придя на нерестовые банки, распределяются во время нереста по нормальному закону, а после нереста начинают нагул и вновь равномерно распределяются по всей площади, Если мигрирующие косяки рыбы, равномерно распределенные по площади, встречают на пути миграции естественные препятствия, то происходит уплотнение скопления косяков – распределение из равномерного трансформируется в так называемое угловое распределение. В этом случае поисковые галсы целесообразно располагать по приведенной схеме (рис. 13.4 в) или подобной ей. Так как объекты промысла в своей жизнедеятельности придерживаются определенных температур, то поисковые галсы целесообразно располагать перпендикулярно изотермам. Поисковые галсы следует стараться располагать так, чтобы они пересекали струи возможных течений, зоны свалов глубин, общее направление изобат. Разумеется, все эти рекомендации не всегда представляется возможность выполнить, так как нужно учитывать еще и текущую гидрометеообстановку. Например, при значительной килевой качке, когда ухудшаются условия регистрации рыбы рыбопромысловыми гидролокаторами горизонтального действия, поисковые галсы целесообразно располагать под углом 300 – 500 к направлению перемещения фронта волны [20]. При планировании поисковых галсов обязательно учитываются особенности распределения и поведения объектов промысла в разные периоды их жизненного цикла. Так, при работе на зимующих скоплениях особое внимание уделяют акватории с оптимальными температурами для данного вида промысловых объектов. В период нагула поисковые галсы следует намечать там, где более богатая кормовая база. Скопления донных рыб часто вытянуты вдоль изобат, поэтому поисковые галсы целесо252

образно располагать с расчетом пересечения ими изобат. В процессе местного поиска, который сопровождается, как правило, обловом обнаруженных объектов, все результаты рекомендуется наносить на поисковые (промысловые) планшеты. Такие рабочие планшеты, масштаб которых для прибрежных районов и небольших отдельных банок по средней параллели составляет 1:50000 – 1:100000, могут служить ценным материалом для дальнейшего ведения промысла. Рабочий планшет ведется вахтенными помощниками капитана. На рабочий планшет наносят сетку поисковых галсов, курсы тралений, уловы, глубины, места зацепов трала, обсервации, характер грунта, температуру воды и т.д., вплоть до гидроакустических условий обнаружения рыбы и ее характерных показаний на эхограммах регистраторов и экранах электронных индикаторов рыбопромысловых гидролокаторов.

13.2.2. Расчет межгалсовых расстояний Выбор межгалсовых расстояний важен как с точки зрения обнаружения объектов промысла в районе поиска, так и с точки зрения общих затрат времени на обследование района. Выбор величины межгалсового расстояния всегда является компромиссным решением между обеспечением высокой вероятности обнаружения объекта и общим временем, затраченным на поиск. Очевидно, что с целью одноразового обследования всех возможных мест обитания объектов промысла в районе поиска межгалсовые расстояния должны составлять эффективную ширину полосы обзора BЭФ, к которой добавляется горизонтальный размер объекта. Но при поиске, вообще говоря, нет какой-либо острой необходимости преследовать цель именно 100-процентного обнаружения объектов на заданной акватории, поскольку такая цель сопряжена обычно с неоправданно большими затратами времени и усилий. Следовательно, задача выбора межгалсовых расстояний может быть сформулирована и по-другому: необходимо выбрать такие межгалсовые расстояния, чтобы линии, ограничивающие эффективную ширину полосы обзора BЭФ, с заданной вероятностью пересекали фигуры, представляющие собой проекции на горизонтальную плоскость объектов промысла. Аналогичную задачу еще в XVIII веке удалось решить французскому естествоиспытателю Ж. Л. Бюффону (1707–1788), который определил вероятность пересечения системой параллельных линий отрезка прямой, расположенного наугад (случайно). В более обобщенном виде сто лет спустя эта задача была решена французским ученым О. Барбье (1805–1882), доказавшим, что вероятность Р пересечения одной из параллельных прямых плоской фигуры произвольной формы, наибольший размер которой не превышает расстояния ΔВ 253

между этими линиями (рис. 13.5), будет определяться выражением[20]: P=

П , πΔB

(13.31)

где П – периметр фигуры.

Рис. 13.5. К решению задачи Бюффона-Барбье

Из выражения (13.31) следует, что ΔB = П/(Pπ) .

(13.32)

Если плоская фигура – это круг радиуса R, то согласно формуле (13.32), с вероятностью 80% одна из параллельных прямых пересекает этот круг, когда расстояние между линиями равно 4,5R [20]. Применительно к задаче поиска объектов рыбопромысловым гидролокатором горизонтального действия это означает, что при расширении эффективной ширины полосы обзора на величину ΔB = 2,25dК, где dК – диаметр косяка, будет обеспечена 80% вероятность пересечения косяков полосой обзора гидролокатора [20]. С учетом формулы (13.32) для межгалсовых расстояний IГ для косяков, имеющих форму круга, можно записать: I Г = BЭФ + ΔB = BЭФ +

dК . P

(13.33)

В реальности движущиеся косяки рыбы имеют форму, близкую к эллипсоидальной. Если принять, что косяки имеют форму вытянутых эллипсов с большой полуосью a и малой полуосью b, то для межгалсовых расстояний можно получить: 1,5(a + b) − ab . (13.34) 2P Следует отметить, что при поиске объектов промысла недостаточно, I Г = BЭФ +

254

чтобы произошло лишь соприкосновение объекта с границей полосы обзора, так как это означало бы возможность обнаружения объектов на пределах дальности действия рыбопоискового гидролокатора. Сигналы от объекта были бы слабыми, и объект промыслового значения мог бы быть ошибочно принят за непромысловый, и пропущен. Опыт показывает, что надежное обнаружение косяков рыбы и достоверная оценка промыслового значения достигается в том случае, когда полоса обзора перекрывает значительную часть косяка, а не самый его край. Учитывая это обстоятельство и базируясь на решении задачи Бюффона-Барбье, можно рассчитать межгалсовые расстояния не только с учетом размеров косяка, но и с учетом интервала IП пересечения, который обычно выражают в долях приращения межгалсовых расстояний ΔB (рис. 13.6) [20].

Рис. 13.6. К решению задачи Бюффона-Барбье применительно к поиску объектов промысла рыбопоисковым гидролокатором

Однако формулы для расчета IП очень громоздки, поэтому обычно на практике берется интервал пересечения IП = 0,1ΔB. В этом случае при вероятности пересечения Р = 0,8 – 0,9 межгалсовое расстояние IГ рассчитывается по следующим формулам [20]: – для косяков, имеющих форму круга: I Г = BЭФ + (1,0 − 1,1) d ,

(13.35)

– для косяков, имеющих форму эллипса: I Г = BЭФ + (0,5 − 0,6) a.

(13.36)

13.2.3. Выполнение поисковых работ Спланировав поисковые галсы, задав межгалсовые расстояния, назначив скорость судна, выбрав скорость разворота угол наклона антенны, сектор обзора, диапазон работы в рыбопоисковом гидролокаторе, приступают к ведению поиска на требуемой акватории, включив режим 255

автоматического разворота антенны. Угол наклона антенны следует установить таким, чтобы обеспечивалось достаточное заглубление звукового луча, но вместе с этим чтобы не было сильных помех от поверхности и донной реверберации. В глубоком море в тихую погоду обычно достаточно угла наклона порядка 6–8º. В мелком море во избежание донной реверберации в штилевую погоду угол наклона антенны следует уменьшать до 2–3º, вплоть до горизонтального излучения. В штормовую погоду для снижения уровня поверхностной реверберации угол наклона необходимо увеличить до 10–12º. Некоторая неопределенность при ведении поиска возникает при выборе скорости разворота антенны w в плоскости обзора. С одной стороны эта скорость не должна превышать максимально допустимой, обеспечивающей приход требуемого числа последовательных эхосигналов от одного и того же объекта (обычно трех эхосигналов). С другой стороны, чем больше скорость разворота антенны, тем выше вероятность контакта, шире полоса обзора и больше производительность поиска. Например, у рыбопоискового гидролокатора "Сарган-ГМ" на диапазоне 2400 м при w = 1º/с можно наблюдать не менее трех идущих друг за другом эхосигналов от косяка и в связи с этим уверенно вынести решение о наличии косяка. При скорости разворота антенны w = 3º/с гарантированно можно наблюдать лишь один эхосигнал от удаленного косяка. Следовательно, по этому единственному эхосигналу пытаться вынести решение о том, произошло обнаружение или нет, будет очень сложно [20]. Естественно, предпочтительнее работать на скорости разворота, обеспечивающей приход не менее трех эхосигналов, но при этом снижается вероятность контакта и производительность поиска. Поиск объектов промысла начинается путем прослушивания сигналов через звуковой индикатор с заданием максимальной громкости в наушниках или в динамике. Эхосигналы прослушиваются всегда на фоне шумовых и реверберационных помех на фоне спадающего по уровню шипения. Если услышан один, второй звонкий щелчок на фоне помех, то к приходу третьего щелчка оператор обязан подготовить себя к взятию отсчета курсового угла на источник эхосигнала. Звуковая окраска эхосигналов несет в себе определенную информацию об объекте. Так, небольшие стайки рыб в толще воды дают короткое, нечеткое, трудно выделяемое на фоне реверберации эхо. Плотный косяк в толще воды образует четкое, звучащее с переливами, длительное эхо, отчетливо прослушиваемое на фоне помех. В мелком море, особенно при значительных углах наклона антенны, прослушивается эхо от дна, мешающее восприятию эха от косяков рыбы. Песчаное дно дает раскатистое эхо, неравномерное по силе звучания. Скалистое дно дает четкое, звонкое эхо. К экранирующим эхосигналам от дна оператор должен привыкнуть и постараться не обращать на них внимание, настраиваясь на эхосигналы от рыбы. Определив курсовой угол на косяк, следует лечь на курс сближения 256

с косяком, а рыбопоисковый гидролокатор перевести на ручное управление разворотом антенны, подрегулировав усиление для четкого изображения эхосигналов на экране электронного индикатора и эхограмме самописца. Разворачивая антенну вручную, необходимо все время поддерживать эхоконтакт с косяком. Сблизившись с косяком на дистанцию менее чем 600 м, следует на несколько градусов увеличить угол наклона антенны и перейти на меньший диапазон, чтобы увеличить частоту прихода эхосигналов и сбавить скорость судна. Подойдя к косяку метров на 300, необходимо остановить судно. Далее задача состоит в том, чтобы определить глубину погружения косяка, горизонтальную и вертикальную протяженность, промысловую значимость косяка, скорость и направление его перемещения. Глубина погружения косяка и его вертикальная протяженность определяются по углам наклона антенны и наклонной дистанции r до него, снимаемой со шкалы расстояний самописца. Углы наклона на верхнюю и нижнюю кромки косяка определяют следующим образом. Задают в гидролокаторе узкую диаграмму направленности и короткие зондирующие сигналы. Разворачивая антенну в плоскости обзора, нащупывают направление максимума эхосигнала. Остановив антенну на этом направлении, переходят на измерение углов наклона на верхнюю и нижнюю кромки косяка, наклоняя антенну сверху вниз. Отчеты по шкале углов наклона берутся в момент появления и в момент пропадания эхосигналов. За углы наклона берут средние значения по двум отсчетам появления и пропадания сигналов. Глубину погружения косяка вычисляют по формуле: h = rsinαВ,

(13.37)

где αВ – угол наклона на верхнюю кромку косяка. Вертикальную протяженность Δh косяка находят как разницу в глубинах погружения верхней и нижней кромок: Δh = r(sinαВ – sinαН),

(13.38)

где αН – угол наклона на нижнюю кромку косяка. Для определения горизонтальной протяженности ΔD┬ косяка поперек направления локации, наклоняя антенну, нащупывают направление максимума эхосигнала. Установив антенну по этому углу наклона, переходят на измерение курсовых углов на левую и правую кромки косяка. Разворачивая антенну сначала в одну сторону, а затем в другую, берут отсчет курсовых углов на моменты появления и пропадания эхосигналов. За курсовые углы на левую и правую кромки косяка берут средние значения по отсчетам в моменты появления и пропадания сигналов. Далее горизонтальную протяженность ΔD┬ находят по формуле: ΔD┬ = 2 r tg(Δq/2),

(13.39)

где ΔD┬ – угловая протяженность между левой и правой кромками косяка. Вычисления по формулам (13.37) – (13.39) удобно проводить по за257

ранее заготовленным таблицам. Горизонтальную протяженность ΔD определяют по направлению локации, измеряя на шкалах расстояний индикатора или самописца протяженность отметки косяка. Но здесь следует иметь в виду, что видимая протяженность косяка по направлению локации всегда будет завышенной по отношению к действительной протяженности из-за внутрикосячной реверберации. В результате эксплуатации рыбопромысловых гидролокаторов установлено, что действительная протяженность косяка по направлению локации, как правило, на 30 – 50% меньше видимой протяженности [20]. Промысловая значимость косяка при поиске оценивается по косвенным признакам, главным образом, по характеру звучания эха и по изображению отметок на экране электронного индикатора и эхограмме самописца. При прослушивании плотных косяков рыбы в наушниках ощущается четкое раскатистое эхо. На эхограмме самописца регистрируется четкий контрастный сигнал со значительной протяженностью по шкале расстояний (до 25 м и более). На экране электронного индикатора с амплитудной отметкой эхосигнал от плотного косяка имеет форму высокого и широкого всплеска с хорошим яркостным заполнением в центре. Если на расстоянии 200 – 300 м косяк имеет вертикальную протяженность порядка 30 м, а горизонтальную порядка 70 – 30 м, то в случае успешного облова такого косяка следует ожидать улова в несколько десятков тонн. Если на экране электронного индикатора передние кромки эхосигнала яркие, а в центре он затемнен или имеет слабую яркость, то это указывает на то, что рыба в косяке мелкая, а косяк имеет небольшую плотность. Скорость и направление перемещения косяка определяют при дрейфующем судне, находящемся на расстоянии 200 – 300 м от косяка, путем пеленгования левой и правой кромок косяка в различные моменты времени и фиксации расстояний до них в эти же моменты времени [20]. Вахтенный помощник (оператор рыбопромыслового гидролокатора) откладывает пеленги и соответствующие им расстояния на планшете, после чего уже не составляет труда определить курс перемещения косяка и скорость его перемещения. При поиске рыбы и принятии решения об облове обнаруженного косяка важное значение имеет реакция рыбы на шумовое поле, создаваемое судном. Если по сведениям с других промысловых судов или по опыту работы а данном районе промысла установлено, что рыба не реагирует каким-либо заметным образом на шум проходящего над ней судна, то для более точного определения параметров косяка есть смысл пройти над ним двумя пересекающимися галсами, производя наблюдение за эхосигналами рыбопромыслового гидролокатора вертикального поиска. В том же случае, когда установлено, что рыба в районе промысла пуглива и резко реагирует на шум судна (опускается на дно, рассеивается, круто меняет направление движения), не следует рисковать, пробуя произвести 258

измерение вертикальным трактом. На шумы судна реагируют, как правило, поверхностные или неглубоко находящиеся косяки рыбы. Косяки рыбы, погруженные на глубину более 30 – 100 м, обычно уже не реагируют на шумы проходящих судов.

259

ЛИТЕРАТУРА 1. Сташкевич А.П. Акустика моря. – Л.: Судостроение, 1966. – 356 с. 2. Клещеев А.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. – Л.: Судостроение, 1987. – 224 с. 3. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. – Л.: Судостроение, 1966. – 295 с. 4. Логинов К.В. Гидроакустические поисковые приборы. – М.: Транспорт, 1964. – 290 с. 5. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. – Л.: Судостроение, 1973.– 184 с. 6. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика.– Л.: Судостроение, 1978.– 280 с. 7. Роберт Дж.Урик. Основы гидроакустики.– Л.: Судостроение, 1970.– 448 с. 8. Справочник по гидроакустике.– Л.: Судостроение, 1988.– 552 с. 9. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике.– Л.: Судостроение, 1981.– 256 с. 10.Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота.– Л.: Судостроение, 1987.– 222 с. 11. Кобяков Ю.С., Кудравцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.: Судостроение, 1986.– 272 с. 12. Ермольчев В.А. Эхосчетные и эхоинтегрирующие системы для количественной оценки рыбных скоплений. – М.: Пищевая промышленность, 1979.– 193 с. 13. Непрошин А.Ю. Звукоиндикация и шумопеленгование рыб. – М.: Пищевая промышленность, 1979.– 160 с. 14. Павлов Г.Н. Промысловые гидроакустические приборы.– М.: Агропромиздат, 1987.–183 с. 15. Тикунов А.И. Рыбопоисковые и электронавигационные приборы.– М.: Агропромиздат, 1985.– 112 с. 16. Юданов К.И. Расшифровка эхограмм гидроакустических рыбопоисковых приборов.– М.: Пищевая промышленность, 1967.– 115 с. 17. Букатый В.М. Гидроакустические рыбопоисковые приборы. Курс лекций. В 3-х ч. – Калининград: Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, 1995.– ч. 1 – 87 с., ч. 2 – 93 с., ч. 3 – 85 с. 18. Букатый В.М. Стратегия и тактика местного гидроакустического поиска объектов морского промысла. – Калининград: Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, 1996.– 73 с. 19. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. – М.: Пищевая промышленность, 1977.– 162 с.

260