Способ измерения характеристики направленности гидроакустической антенны в условиях распространения многолучевого сигнала

Изобретение относится к области гидроакустики и может найти применение при измерении параметров характеристик направленности линейных и плоских компенсированных гидроакустических антенн больших волновых размеров, входящих в состав приемных трактов береговых стационарных систем подводного наблюдения и устанавливаемых в зоне прибрежного шельфа в условиях распространения многолучевого сигнала. В соответствии с предложенным способом для измерения характеристики направленности в натурных условиях предлагается определить зависимость распределения скорости звука от глубины в месте установки гидроакустической антенны. По полученным данным, с учетом рельефа дна между заданными точками излучения и приема звука определяют лучевую структуру акустического сигнала и характеристику направленности гидроакустической антенны применительно к данной лучевой структуре. Учет влияния слоистой неоднородности морской среды на распространение звука позволяет ввести поправочные коэффициенты и привести измеренную характеристику направленности исследуемой гидроакустической антенны больших волновых размеров к характеристике направленности этой же антенны в поле плоской волны, распространяющейся в однородной изотропной среде. Достигаемым техническим результатом изобретения является устранение искажений характеристики направленности гидроакустической антенны. 2 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может найти применение при измерении параметров характеристик направленности линейных и плоских компенсированных гидроакустических антенн больших волновых размеров, входящих в состав приемных трактов береговых стационарных систем подводного наблюдения и устанавливаемых в зоне прибрежного шельфа в условиях распространения многолучевого сигнала.

По определению характеристикой направленности называется нормированная угловая зависимость отклика, определенная на выходе пространственного канала приемного тракта, на воздействие плоской звуковой волны, распространяющейся в однородной изотропной среде. Характеристика направленности гидроакустической антенны определяется расчетным или экспериментальным путем и является штатным параметром гидроакустической антенны, определяющим свойства приемного тракта гидроакустической станции. Слоисто-неоднородная морская среда, в которой работают гидроакустические антенны береговых станций, существенно искажает характеристику направленности, измеренную в реальных условиях, ее пересчет к условиям распространения плоской волны, распространяющейся в однородной изотропной среде, позволяет сделать заключение о ее правильном формировании в штатном тракте станции.

Известен способ измерения характеристики направленности гидроакустических антенн в однородной изотропной среде (Г.Е.Быховский, В.А.Покровский "Гидроакустические измерения". - Ленинград: Судостроение, 1971, с.118-121). Реализация упомянутого способа относительно проста, не требует применения громоздкой аппаратуры и сложных математических алгоритмов, что несомненно следует отнести к достоинствам указанного способа. Фактором, ограничивающим область применения рассматриваемого способа, является необходимость наличия водоема достаточных размеров, позволяющего расположить корреспонденты - источник звуковых колебаний и приемную гидроакустическую антенну - так, чтобы излучение звука осуществлялось из зоны дальнего поля гидроакустической антенны. При излучении звука из зоны дальнего поля гидроакустической антенны падающая на антенну звуковая волна, строго говоря, не является плоской, однако появляющиеся в этом случае систематические погрешности, обусловленные сферическим фронтом падающей на антенну звуковой волны, незначительны.

В том случае, когда волновые размеры гидроакустической антенны велики и размеры водоема не позволяют осуществить излучение звука из зоны дальнего поля гидроакустической антенны, задача измерения характеристики направленности в однородной изотропной среде решается путем излучения звука из зоны ближнего поля с дальнейшим пересчетом результатов измерений к условиям излучения звука из зоны дальнего поля гидроакустической антенны (Подводная акустика, т.2, под ред. Л.М.Бреховских. - М.: Мир, 1970, с.29-44).

Задача измерения характеристики направленности в ближнем поле гидроакустической антенны относится к интегральным задачам акустики, ее решение требует интегрирования измеряемых параметров звукового поля - звукового давления и его градиента - по замкнутой поверхности, охватывающей гидроакустическую антенну, причем чем выше частота измерительного сигнала, тем больше точек на интегрируемой поверхности следует обрабатывать. Таким образом, реализация способа измерения характеристики направленности в ближнем поле гидроакустической антенны требует, с одной стороны, относительно сложной механической конструкции, позволяющей осуществлять измерение параметров звукового поля в различных точках замкнутой поверхности, а, с другой стороны, использования ЭВМ с большим объемом оперативной памяти, осуществляющей интегрирование по заданному алгоритму.

Все перечисленное позволяет сделать следующий вывод - рассмотренные способы измерения характеристики направленности применимы при измерении гидроакустических антенн относительно небольших геометрических размеров в условиях небольших естественных водоемов и опытных гидроакустических бассейнов, позволяющих реализовать однородную изотропную среду, и не пригодны для измерения характеристик направленности линейных и плоских компенсированных гидроакустических антенн больших геометрических и волновых размеров.

По технической сущности и количеству общих признаков наиболее близким к предлагаемому способу является способ дальнего поля (A.M.Тюрин, А.П.Сташкевич, Э.С.Таранов "Основы гидроакустики". - Ленинград: Судостроение, 1966, с.191-216). Этот способ применительно к испытаниям приемных гидроакустических антенн больших волновых размеров береговых стационарных систем подводного наблюдения, устанавливаемых в зоне прибрежного шельфа, включает в себя следующее:

- излучение акустического сигнала из дальней зоны гидроакустической антенны;

- прием акустического сигнала и его преобразование из акустической формы в электрическую форму;

- временную задержку электрического сигнала на выходе каждого элементарного канала гидроакустической антенны;

- суммирование задержанных сигналов по всем элементарным каналам;

- сканирование сформированной характеристики направленности в исследуемом секторе обзора путем изменения временных задержек по всем элементарным каналам с одновременным измерением суммарного напряжения на выходе сформированного пространственного канала для каждого направления;

- нормирование суммарных напряжений на выходе сформированного пространственного канала к максимальному значению измеренного суммарного напряжения и построение по полученным данным характеристики направленности гидроакустической антенны.

Особенность приемных гидроакустических антенн больших волновых размеров береговых стационарных систем подводного наблюдения, устанавливаемых в зоне прибрежного шельфа, заключается в формировании зоны дальнего поля на расстоянии нескольких километров от антенны. Формирование зоны дальнего поля на большом расстоянии от испытуемой гидроакустической антенны происходит в слоисто-неоднородной морской среде, наличие которой существенно искажает регистрируемую в этих условиях характеристику направленности, что и является основным недостатком способа-прототипа.

Техническим результатом использования предложенного способа является устранение искажений характеристики направленности рассматриваемой антенны, обусловленных распространением акустического сигнала в слоисто-неоднородной среде.

Для обеспечения указанного технического результата в способ измерения характеристики направленности гидроакустической антенны, имеющей большие волновые размеры и выполненной многоканальной, включающий излучение акустического сигнала из зоны дальнего поля гидроакустической антенны, прием акустического сигнала и преобразование его из акустического в электрический, временную задержку электрического сигнала на выходе каждого элементарного канала гидроакустической антенны, суммирование задержанных сигналов во всех элементарных каналах, сканирование сформированной характеристики направленности в исследуемом секторе обзора путем изменения временных задержек во всех элементарных каналах с одновременным измерением суммарного напряжения на выходе сформированного пространственного канала для каждого направления, нормирование суммарных напряжений на выходе сформированного пространственного канала к максимальному значению измеренного суммарного напряжения, введены новые признаки, а именно: при приеме многолучевого сигнала измеряют зависимость скорости звука от глубины в месте установки гидроакустической антенны и по полученным данным, с учетом взаимного расположения гидроакустической антенны и точки излучения, а также рельефа дна вдоль трассы распространения звуковых лучей, рассчитывают лучевую структуру акустического сигнала в месте расположения гидроакустической антенны, по расчетной лучевой структуре акустического сигнала рассчитывают нормированные к максимальному значению значения напряжений b_n на выходе сформированного пространственного канала при приеме всей совокупности приходящих на гидроакустическую антенну лучей для всех направлений сканирования пространственного канала, рассчитывают нормированные к максимальному значению значения напряжений a_n на выходе пространственного канала при приеме однолучевого сигнала, имеющего плоский волновой фронт и распространяющегося в однородной среде, для всех направлений сканирования пространственного канала, определяют поправочные коэффициенты как отношение a_n/b_n для одних и тех же азимутальных направлений, а характеристику направленности гидроакустической антенны определяют как результат умножения нормированных напряжений на выходе ее пространственного канала, измеренных при приеме многолучевого сигнала для всех направлений сканирования на поправочные коэффициенты.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 приведена структурная схема измерения характеристики направленности предлагаемым способом, на фиг.2 - расчетные характеристики направленности для случая измерения характеристики направленности линейной гидроакустической антенны больших волновых размеров.

Предложенный способ имеет следующую последовательность операций.

Перед выполнением измерений с помощью штатного измерителя скорости звука 4 (фиг.1) берегового поста обработки информации в месте расположения плоской (или линейной) гидроакустической антенны 3 береговой стационарной системы подводного наблюдения проводится измерение вертикального разреза скорости звука. Измеренные значения скорости звука и соответствующие им глубины заносятся в память персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ) 7.

Надводный корабль 1 с излучающим трактом на борту устанавливается в зоне дальнего поля гидроакустической антенны на заданном расстоянии от нее. Излучатель 2 излучающего тракта создает в слоисто-неоднородной морской среде звуковые колебания, принимаемые гидроакустической антенной 3. Береговая стационарная система подводного наблюдения берегового поста обработки информации с помощью предварительных усилителей 5, подсоединенных к выходам элементов антенны 3 и системы 6, формирующей характеристику направленности канала точного пеленгования, сканирует характеристику направленности в горизонтальной плоскости, одновременно регистрируя акустический сигнал, принимаемый гидроакустической антенной.

Персональная электронно-вычислительная машина 7 в соответствии с заданным программным обеспечением рассчитывает лучевую структуру распространения звука, учитывающую взаимное расположение надводного корабля и гидроакустической антенны, характер рельефа дна вдоль трассы распространения звуковых лучей, а также измеренные значения зависимости скорости звука от глубины. Затем выполняется расчет поправочных коэффициентов и корректируется измеренная характеристика направленности, которая отображается на мониторе ПЭВМ 7 и может быть выведена в графическом виде на принтер 8.

Расчет поправочных коэффициентов проводится по следующему алгоритму. В результате расчетов лучевой структуры распространения звука определяется количество звуковых лучей, падающих на поверхность гидроакустической антенны, и углы их падения (А.П.Сташкевич "Акустика моря". - Ленинград, Судостроение, 1966, с.210-220). Кроме того, в соответствии со следующими формулами определяется уровень σ_c сигнала на выходе линейной части произвольного пространственного канала в полосе частот от ω₁ до ω₂ (Я.С.Карлик, В.В.Семенов "Об измерении диаграммы направленности антенны в условиях многолучевого сигнала". - Вопросы кораблестроения, сер. СГ. 1978, вып.25, с.32-37), а также зависимость нормированного отклика на выходе линейного пространственного канала на воздействие плоской звуковой волны.

где µ(ω) - чувствительность приемных преобразователей гидроакустической антенны;

n - количество звуковых лучей, принимаемых гидроакустической антенной;

ω₁, ω₂ - нижняя и верхняя циклические частоты излучаемого звука;

F_i(ω), F_j(ω) - спектральные плотности энергии i-го и j-го звуковых лучей;

R(ω,θ_k,α_k,α_i), R(ω,θ_k,α_k,α_j), R(ω,α_k,α_i), R(ω,α_k,α_j) - уровни характеристики направленности гидроакустической антенны в направлениях прихода i-го и j-го звуковых лучей;

α_k, θ_k - направление компенсации гидроакустической антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно;

α_i, α_j - углы падения i-го и j-го звуковых лучей на гидроакустическую антенну в вертикальной плоскости;

ψ(ω, α_i, α_j) - функция, учитывающая время распространения сигнала по i-ому и j-ому звуковым лучам.

Уровни характеристики направленности гидроакустической антенны в направлениях прихода i-го и j-го звуковых лучей, а также функция, учитывающая время распространения сигнала по i-му и j-му звуковым лучам определяются по формулам

где N - количество приемных преобразователей в горизонтальном ряду гидроакустической антенны;

М - количество приемных преобразователей в вертикальном ряду гидроакустической антенны;

l, d - расстояния между соседними преобразователями в горизонтальном и вертикальном рядах гидроакустической антенны соответственно;

с - скорость звука в морской среде;

θ_u - азимутальный угол между перпендикуляром к апертуре гидроакустической антенны и направлением на источник сигнала;

t_i, t_j - расчетное время распространения i-ого и j-ого звуковых лучей от источника до гидроакустической антенны;

ρ_i, ρ_j - количество полных внутренних отражений, которые претерпевают i-ый и j-ый звуковые лучи при распространении;

n_i, n_j - количество отражений от поверхности моря, которые претерпевают i-ый и j-ый звуковые лучи при распространении.

Сопоставляя уровни рассчитанных откликов, определяют поправочные коэффициенты, устанавливающие связь между реакциями гидроакустической антенны на воздействие многолучевого сигнала в слоисто-неоднородной среде и сигнала в поле плоской звуковой волны.

Поправочный коэффициент для заданного азимутального направления на источник звука определяется как отношение нормированного отклика, рассчитанного в поле плоской звуковой волны, к нормированному отклику, рассчитанному для того же азимутального направления при воздействии многолучевого сигнала. При проведении расчетов азимутальный угол Δθ_u или Δθ_k (угловой шаг между двумя соседними точками) определяется необходимой точностью воспроизведения искомой характеристики направленности.

Для определения характеристики направленности в поле плоской звуковой волны необходимо произвести коррекцию результатов измерения зависимости нормированного отклика на линейном выходе пространственного канала, полученной в реальных условиях воздействия многолучевого сигнала, с помощью рассчитанных поправочных коэффициентов, т.е. результаты измерений умножить на рассчитанные поправочные коэффициенты.

В качестве примера на фиг.2 представлены рассчитанные по вышеприведенным формулам характеристики направленности линейной гидроакустической антенны с параметрами: N=120; /=0,84 м, при расположении источника сигнала на угле 9_u=60° относительно нормали к апертуре антенны.

Расчеты выполнялись для однолучевого сигнала в поле плоской волны, приходящей в горизонтальной плоскости (кривая 1), и для многолучевых сигналов различной пространственной структуры (кривые 2 и 3) при α_k=0° в полосе частот от 200 до 1500 Гц.

Спектральная плотность каждого из лучей в рассматриваемой полосе частот предполагалась постоянной. Лучевые структуры сигналов получены экспериментально в условиях летней гидрологии для глубокого моря (кривая 2 на фиг.2) и для шельфовой зоны океана (аналогичная зависимость представлена кривой 3 на фиг.2). В соответствии с фиг.2 поправочные коэффициенты кривой 3 для фиксированных углов θ_u или θ_k можно записать в следующем виде: k₁=а₁/b₁; k₂=a₂/b₂; … k_n=a_n/b_n.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерение характеристики направленности низкочастотных гидроакустических антенн с большими волновыми размерами в реальных условиях их эксплуатации. В этих условиях формирование плоского фронта звуковой волны для облучения гидроакустической антенны в измерительных целях или использование временной фильтрации в импульсном режиме для выделения на выходе пространственного канала заданного звукового луча из всей совокупности звуковых лучей, воздействующих на антенну, без привлечения сложных сигналов со специальными алгоритмами обработки, практически невозможно.

Указанный способ обеспечивает измерение характеристик направленности упомянутых выше приемных гидроакустических антенн в низком звуковом диапазоне частот с учетом лучевой структуры приходящего сигнала, формируемого границами дна и поверхности, а также зависимостью скорости звука от глубины в шельфовой зоне океана в районе установки приемной антенны гидроакустической системы наблюдения.

Способ измерения характеристики направленности гидроакустической антенны, имеющей большие волновые размеры и выполненной многоканальной, заключающийся в том, что гидроакустическая антенна входит в состав приемных трактов стационарных систем подводного наблюдения, устанавливаемых в зоне прибрежного шельфа, а надводный корабль с излучающим трактом на борту устанавливают в дальней зоне гидроакустической антенны на заданном расстоянии от нее, при этом излучатель излучающего тракта излучает акустический сигнал, создавая в слоисто-неоднородной морской среде звуковые колебания многолучевой структуры, принимаемые гидроакустической антенной, отличающийся тем, что при приеме многолучевого сигнала гидроакустической антенной измеряют зависимость скорости звука от глубины в месте установки гидроакустической антенны и по полученным данным с учетом взаимного расположения гидроакустической антенны и точки излучения излучателя, а также рельефа дна вдоль трассы распространения звуковых лучей, определяют лучевую структуру акустического сигнала в месте расположения гидроакустической антенны, по которой определяют нормированные к максимальному значению значения напряжений b_n на выходе сформированного пространственного канала при приеме всей совокупности приходящих на гидроакустическую антенну лучей многолучевого сигнала для всех направлений сканирования пространственного канала, определяют нормированные к максимальному значению значения напряжений a_n на выходе пространственного канала при приеме однолучевого сигнала, имеющего плоский волновой фронт и распространяющегося в однородной среде, для всех направлений сканирования пространственного канала, определяют поправочные коэффициенты как отношение а_n/b_n для одних и тех же азимутальных направлений, а характеристику направленности гидроакустической антенны определяют как результат умножения нормированных напряжений на выходе ее пространственного канала, измеренных при приеме многолучевого сигнала для всех направлений сканирования, на соответствующие поправочные коэффициенты.