АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 5, с. 786-795
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.24
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЛУКТУАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ ОТ МОРСКИХ СУДОВ
© 2008 г. Д. В. Гужавина, Э. П. Гулин
Акустический институт им. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: bvp@akin.ru Поступила в редакцию 14.11.07 г.
Приводятся результаты экспериментального исследования флуктуаций амплитуды эхосигналов от морских судов и их кильватерных струй при вертикальном и горизонтальном облучении в широком диапазоне высоких звуковых и ультразвуковых частот. Анализируются зависимости коэффициентов вариации амплитуды эхосигналов от скорости движения морских судов, частоты излучения, длительности зондирующих импульсов и высоты волн на поверхности моря. Обсуждаются вероятностные характеристики эхосигналов от корпуса морских судов и от их кильватерных следов на разных глубинах.
PACS: 43.30.Vh, 43.30.Gv, 43.30.Ft
При отражении акустических сигналов диапазона высоких звуковых и ультразвуковых частот от движущихся морских судов наблюдаются достаточно интенсивные быстрые флуктуации амплитуды эхосигналов. Эти флуктуации оказывают существенное влияние на работу гидролокаторов, снижая их помехоустойчивость и затрудняя обнаружение морских объектов. Закономерности поведения статистических характеристик флуктуаций эхосигналов в значительной мере определяют выбор эффективных алгоритмов обнаружения, распознавания и оценки координат морских объектов в режиме активной гидролокации. Несмотря на важную роль флуктуаций эхосигналов при осуществлении подводного наблюдения, вопросы, связанные с исследованием статистических характеристик эхосигналов от морских судов (МС), в литературе практически не обсуждались. Имеющиеся данные об эхосигналах от МС [1-6] свидетельствуют о значительных флуктуациях силы цели надводных кораблей и их кильватерных струй в диапазоне ультразвуковых частот (20-30 кГц). Согласно данным, приведенным в [1, 2], изменения амплитуды в последовательности эхосигналов достигали 20-25 дБ, а в среднем составляли около 10 дБ. Однако основное внимание в этих работах было уделено исследованию зависимостей усредненных значений амплитуды эхосигналов и силы цели надводных кораблей от типа судна, курсового угла и скорости его движения, длительности излучаемых импульсов. Учет флуктуаций эхосигналов при разработке и оценке эффективности алгоритмов обработки информации в системах активной гидролокации производится обычно на основе
использования различных феноменологических вероятностных моделей эхосигналов [7, 8], которые не всегда адекватны реальным условиям.
Флуктуации эхосигналов от МС могут быть обусловлены многими причинами. При небольших скоростях движения МС и при их дрейфе флуктуации могут быть вызваны изменениями условий интерференции сигналов, отраженных от отдельных элементов корпуса движущегося судна, подверженного, кроме того, бортовой и килевой качке. При достаточно больших скоростях движения МС существенное влияние на флуктуации эхосигналов оказывает рассеяние пограничным слоем воздушных пузырьков и кильватерной струей. К флуктуациям эхосигналов приводят также интерференционные изменения уровня поля, связанные с перемещениями отражающего объекта в многолучевом канале, при наложении принимаемых сигналов, приходящих по разным лучам, рассеяние на взволнованной морской поверхности и на неоднородностях скорости звука при прямом и обратном распространении сигналов (от источника до МС и от МС до приемника). Вклад каждого из перечисленных факторов зависит от акустико-океанологических условий (состояния морской поверхности, типа волнения, особенностей рефракции звука, глубины моря и наклона дна в районе наблюдений, неоднородно-стей морской среды и дна), скорости движения морского судна, а также от условий излучения и наблюдения (частоты заполнения и длительности зондирующих импульсных сигналов, угловой ширины и ориентации основных лепестков характеристик направленности передающей и приемной антенн, уровня их боковых лепестков, расстояния
от лоцируемого судна до излучателя и приемной антенны при бистатической гидролокации или до приемно-излучающей антенны при моностатической гидролокации, глубины погружения излучателя и приемника). Целью настоящей работы является обсуждение результатов экспериментального исследования статистических характеристик эхосигналов от морских судов и их кильватерных струй в условиях ближней гидролокации, выявление доминирующих механизмов возникновения наблюдаемых флуктуаций при различных условиях подводного наблюдения в широком диапазоне частот (7-80 кГц).
Экспериментальные исследования проводились в прибрежном районе Черного моря при вертикальном (в днище) и горизонтальном (в борт) облучении морских судов периодическими последовательностями коротких тонально-импульсных сигналов. В экспериментах с вертикальным облучением приемно-излучающая система, состоявшая из набора магнитострикционных преобразователей с резонансными частотами 15, 30 и 80кГц, размещалась на глубинах Н = 30 и 60 м. Преобразователи с ориентированными вертикально вверх осями характеристик направленности имели эффективную ширину главных лепестков (по уровню 0.7) 25°, 20° и 12° соответственно на частотах 15, 30 и 80 кГц. В этом интервале частот эффективные размеры озвученной области на поверхности моря, обусловленные направленностью излучения, изменялись в пределах примерно от 6.5 м до 13 м при Н = 30 м и от 13 м до 26 м при Н = 60 м. Во время экспериментов они несколько превышали ширину лоцируемых судов или, по крайней мере, были сравнимы с ней, но, в то же время, всегда были меньше их длины. В ходе экспериментов излучались последовательности импульсных сигналов прямоугольной формы длительностью 0.5, 1 и 2 мс с периодом повторения 0.1 с. Проводилась регистрация сигналов, отраженных от днища проходившего над приемно-излучающей системой судна и от морской поверхности, а после прохода судна - от оставленного им кильватерного следа (слоя воздушных пузырьков) и от поверхности моря. При выбранных длительностях импульсов удалось надежно разделить по времени прихода сигналы, отраженные от корпуса судна и от морской поверхности, и исключить влияние рассеивающей поверхности моря на формирование эхосигналов от судна. Отраженные от днища судна сигналы в большинстве случаев были близки по форме и длительности к излученным сигналам. Иногда при длительности импульсов 0.5 мс наблюдались раздвоенные эхо-сигналы. В этих случаях размеры области, вырезаемой импульсом на отражающей поверхности, были заметно меньше эффективных размеров озвученной на поверхности моря области. При достаточно большой скорости движения судна
(более 15 уз) такое раздвоение может быть вызвано появлением пограничного слоя воздушных пузырьков, образующегося около корпуса судна.
В ходе экспериментов проводилась регистрация эхосигналов при пересечении судном озвученной области водной поверхности. Полученные зависимости амплитуды эхосигналов от времени прохода судна над акустической системой (так называемые "кривые прохода") носят нестационарный характер. Быстрые глубокие флуктуации амплитуды наблюдаются на фоне медленно изменяющегося среднего уровня, нарастающего со временем по мере вхождения носовой части лоцируемого судна в озвученную область и убывающего по мере выхода из нее кормовой части судна. Для обработки выбирался стационарный участок кривых прохода. Протяженность этого участка зависит от скорости движения судна и его продольного размера. В случае небольших скоростей движения МС при выбранной частоте следования зондирующих импульсов 10 Гц на обрабатываемых стационарных участках укладывалось от 80 до 200 эхосигналов. Специально принятые меры, направленные на увеличение точности прохода судна над акустической системой, позволили использовать при обработке несколько галсов МС с одними и теми же параметрами движения. При больших скоростях движения МС обработка проводилась по нескольким однотипным галсам, на которых средние значения амплитуд эхосигналов отличались не более, чем на 5%.
Интенсивность флуктуаций эхосигналов характеризовалась коэффициентом вариации амплитуды п = [(АЛ /лЛ) - 1]1/2, где через ЛЛ и А2 обозначены соответственно средний квадрат амплитуды и квадрат средней амплитуды в последовательности принимаемых эхосигналов. В экспериментах были задействованы МС различных типов. При проведении статистической обработки данных не ставилась задача исследовать зависимость флуктуаций эхосигналов от типа лоцируемых судов. Тем не менее отметим, что по результатам проведенных экспериментов в пределах наблюдавшегося разброса значений коэффициента вариации амплитуды (КВА) такая зависимость практически отсутствует. Основное внимание было уделено исследованию зависимости КВА от скорости движения МС и частоты излучения. Значения КВА эхосигналов на разных частотах при различной скорости движения МС приведены на рис. 1. Вертикальные отрезки на графиках характеризуют точность определения значений КВА. Их длина соответствует доверительному интервалу, в который с 95%-й вероятностью попадают значения КВА в предположении нормального закона распределения ошибок измерения. Из графиков на рис. 1 и из приведенной ниже таблицы следует, что КВА отраженных от днища
П
0.6
0.4 0.2
(а)
тхо хоо
15«Г
0
10
0.6
(б)
о го° X
0.4 • о хо х0« оХ. т:^
-¡•4*0 .ХоХ°* •х 1.о° ОуО СГ-L О
0.2 1 1 1 1
0 4 8 12 16 20
0.6 0.4 0.2
- (в)
ЪШ—fn-
0
8 12
V, уз
16
20
Рис. 1. Зависимости коэффициента вариации амплитуды эхосигналов п от скорости движения лоцируе-мых морских судов V при их вертикальном облучении (в днище) на различных частотах / импульсами разной длительности Т0: / = 15 кГц (а), 30 кГц (б), 80 кГц (в); Т0 = 0.5 мс (О), 1 мс (х), 2 мс (•).
MC сигналов в пределах точности измерений практически не зависят от скорости движения MC и частоты излучения во всем исследованном диапазоне скоростей (4-20 уз) и частот (15-80 кГц).
Это позволяет сделать заключение, что пограничный слой воздушных пузырьков, образующийся около корпуса движущегося с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.