Способ оценки уровня шумов удаленного судоходства в мелком море

 

Использование: гидроакустические измерения. Сущность изобретения: способ оценки уровня шумов удаленного судоходства в мелком море основан на всенаправленном приеме динамических ветровых шумов акватории и шумов удаленного судоходства в заданной углубленной точке приема в акватории с помощью ненаправленного гидрофона и преобразовании принятого суммарного акустического шума в энергетический спектр. Одновременно с всенаправленным приемом акустических шумов осуществляют их направленный прием в заданной заглубленной точке приема в акватории раздельно от ее дна и поверхности с помощью двух направленных приемников. Принятые акустические шумы преобразуют в энергетические спектры и формируют энергетическую сумма шумов от дна и поверхности акватории, которую вычитают из энергетического спектра шума при всенаправленном приеме. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям, а более конкретно к гидроакустическим измерениям шумности движущихся объектов, в частности косяков рыб.

Измерение подводного шума движущихся объектов, особенно косяков рыб, затруднено из-за помех от динамических шумов моря и шумов удаленного судоходства. При измерениях возникает задача выделить шумы судоходства на фоне помех от шумов моря.

Известен способ определения шумов удаленного судоходства, основанные на выделении дискретных составляющих (Dyar I. Statisties of Distant Shipping Nouse. IASA, 1983, 53, p. 564-570).

Однако этот способ не обладает всепогодностью и не позволяет оценить сплошную часть спектра удаленного судоходства.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки шумов удаленного судоходства, включающий выполнение измерений в мелком море суммарного шума с помощью всенаправленного приемника при малой бальности и, следовательно, при малых уровнях динамических шумов моря. (Урик Р.Д. Основы гидроакустики. М. 1978, с. 344).

Этот способ, включающий всенаправленный прием и преобразования акустических шумов в энергетический спектр, также не обладает всепогодностью, и его результаты можно использовать только для частных оценок.

Задачей изобретения является обеспечение возможности всепогодной оценки шумов удаленного судоходства, осуществляемой в реальном масштабе времени, т. е. одновременно с поступлением информации.

Для этого способ оценки уровня шумов удаленного судоходства в мелком море, основанный на всенаправленном приеме динамических ветровых шумов акватории и шумов удаленного судоходства в заданной заглубленной точке приема в акватории с помощью ненаправленного гидрофона и преобразовании принятого суммарного акустического шума в энергетический спектр, дополнен следующими новыми операциями: одновременно с всенаправленным приемом акустических шумов осуществляют их направленный прием в заданной заглубленной точке приема в акватории раздельно от ее дна и поверхности с помощью двух направленных приемников; принятые акустические шумы преобразуют в энергетические спектры; формируют энергетическую сумму шумов от дна и поверхности акватории, которую вычитают из энергетического спектра шума при всенаправленном приеме.

В качестве двух направленных приемников могут быть использованы приемники с кардиоидной характеристикой направленности, ориентированные соответственно на дно и поверхность акватории.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 структурная схема устройства управления.

В качестве примера приведена процедура выделения шумов удаленного судоходства из их смеси с динамическими (ветровыми) шумами моря.

Прием акустических колебаний осуществлен с помощью всенаправленного приемника и еще двух всенаправленных приемников, расположенных на расстоянии d друг от друга, на которых сформированы две кардиоидные характеристики направленности, одна из которых ориентирована к поверхности моря (верхняя полусфера акватории), а другая ко дну (нижняя полусфера акватории), т.е. образованы два приемника с кардиоидными характеристиками направленности. В данном случае каждый приемник с кардиоидной характеристикой направленности образован последовательным встречным соединением всенаправленных приемников при включении в цепь одного из них задержки τ ≈ где k волновое число. Всенаправленные приемники имели одинаковую чувствительность γ_г(f), а приемники с кардиоидной характеристикой чувствительность γ_кар(f) ≈2kdγ_г(f).

Энергетический спектр на выходе тракта приема сигнала в верхней полусфере G_в.п(f) и нижней полусфере G_н.п(f) имеет вид соответственно G_в.п(f)=G_ш.м.в.п(f)γ_кар²(f)+ +G_суд(f)γ_кар²(f)R²_в.п(Θ), G_н.п(f)=G_ш.м.н.п(f) γ_кар²(f)+ +G_суд(f) γ_кар²(f)R²_н.п(Θ), где G_ш.м.в.п, G_ш.м.н.п энергетический спектр акустического динамического шума моря, принимаемый в верхней и нижней полусферах акватории соответственно;
G_суд(f) энергетический спектр шумов судоходства;
R(Θ) кардиоидная характеристика направленности, принимая Θ=0 для направления на поверхность для верхней полусферы R_в.п(Θ)=0,5(1+cosΘ ) и для нижней полусферы, соответственно, R_н.п(Θ)=0,5(1- cosΘ).

В предположении, что шумы удаленного судоходства распределяются равновероятно относительно угла Θ=90^о, для средних значений можно принять
R_cр²( Θ=90^о)=0,25, тогда сумма
G_Σ (f)=G_в.п(f)+G_н.п(f) может быть представлена в виде
G_Σ (f)=G_ш.м(f) γ_кар²(f)+0,5G_суд(f) γ_кар²(f), если приближенно применять, что энергетический спектр шума при всенаправленном приеме
G_ш.м(f)=G_ш.м.в.п(f)+G_ш.м.н.п(f).

С другой стороны, суммарный энергетический спектр на выходе приемного тракта одиночного всенаправленного приемника (гидрофона)
G_г(f)=G_ш.м(f) γ_г²(f)+G_суд(f) γ_г²(f).

Тогда G_суд(f) 2
или
G_суд(f) G_г(f)-
В соответствии с этим алгоритмом измерены энергетические спектры на выходе тракта гидрофона G_г(f) и трактов, формирующих две кардиоидные характеристики направленности G_в.п(f) и G_н.п(f), проведено суммирование этих энергетических спектров, а энергетический спектр шумов удаленного судоходства определен как разность энергетического спектра на выходе тракта гидрофона и суммы спектров на выходах трактов кардиоидных приемников.

Полученный спектр шумов удаленного судоходства свободен от динамических шумов моря, которые, в свою очередь, могут быть определены как
G_ш.м(f) G_Σ(f) G_г(f)
Cуммарная погрешность определения энергетического спектра шумов удаленного судоходства не превышает 22%
Устройство, реализующее способ (фиг.1), содержит параллельно-последовательно соединенные всенаправленный приемник (сферический гидрофон) 1, первый 2 и второй 3 кардиоидные приемники, первый 4, второй 5 и третий 6 блоки усиления и фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, спектроанализатор 8, блок 9 памяти γ_г(f) и γ_кар(f), вычислитель 10, систему 11 отображения информации (СОИ), а также содержит блок 12 управления, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами АЦП 7, спектроанализатора 8, блока 9 памяти, вычислителя 10 и СОИ 11.

Блок 12 управления устройством (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор 13 тактовых сигналов, первую 14, вторую 16, третью 16, четвертую 17 линии задержек, выходы которых соединены соответственно с блоками 7, 8, 9, 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

Гидрофон 1 осуществляет всенаправленный прием акустических сигналов и преобразует их в электрические сигналы X_г(t).

Первый кардиоидный приемник 2 ведет прием акустических сигналов в нижней полусфере, а второй кардиоидный приемник 3 в верхней полусфере. Приемники преобразуют их в электрические сигналы Х_н.п.(t), X_в.п(t). Эти сигналы после усиления и фильтрации в блоках 4, 5 и 6 поступают на АЦП 7, который преобразует их в последовательности Х_г(n), Х_в.п(n), Х_н.п(n). В спектроанализаторе 8 из этих последовательностей формируются подпоследовательности длиной r отсчетов Х_г,r(n), Х_в.п,r(n), Х_н.п,r(n), причем для вычисления энергетических спектров используется К подпоследовательностей. Для каждой из подпоследовательностей рассчитывают коэффициент БПФ Х_г,r(K), Х_в.п,r(K), Х_н.п.r(K) по формулам
X_г,r(K)X_г,r(n)·W(n)e
X_в.п,r(K)X_в.п,r(n)·W(n)e
X_н.п,r(K)X_н.п,r(n)·W(n)e где W(n) соответствующее окно.

Далее находятся периодограммы
I_г,r(f_k) X_г,r(K)
I_в.п,r(f_k) X_в.п,r(K)
I_н.п,r(f_k) X_н.п,r(K) где f_k= частоты дискретного преобразования Фуpье (ДПФ);
VW²(n) энергия окна.

Оценки спектральных плотностей находят по формулам
(f_k) I_г,r(f_k)
(f_k) I_в.п,r(f_k)
G_н.п(f_k) I_н.п,r(f_k)
Вычислитель 10 производит расчет по формуле
G_суд(f) 2
Данные об энергетическом спектре G_суд(f) отображаются на индикаторах СОИ.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ШУМОВ УДАЛЕННОГО СУДОХОДСТВА В МЕЛКОМ МОРЕ, основанный на всенаправленном приеме динамических ветровых шумов акватории и шумов удаленного судоходства в заданной заглубленной точке приема в акватории с помощью ненаправленного гидрофона и преобразовании принятого суммарного акустического шума в энергетический спектр, отличающийся тем, что одновременно с всенаправленным приемом акустических шумов осуществляют их направленный прием а заданной заглубленной точке приема в акватории раздельно от ее дна и поверхности с помощью двух направленных приемников, принятые акустические шумы преобразуют в энергетические спектры и формируют энергетическую сумму шумов от дна и поверхности акватории, которую вычитают из энергетического спектра шума при всенаправленном приеме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве двух направленных приемников используют приемники с кардиоидной характеристикой направленности, ориентированные соответственно на дно и поверхность акватории.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2