АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.26
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ВОЗБУЖДЕНИЮ И ПРИЕМУ КОГЕРЕНТНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В МЕЛКОВОДНОМ РАЙОНЕ МОРСКОГО ШЕЛЬФА
© 2011 г. А. В. Гринюк, В. Н. Кравченко, А. Т. Трофимов, О. И. Трусова, А. А. Хилько*, А. И. Малеханов*, В. В. Коваленко*, А. И. Хилько*
ФГУП НИИ "Атолл" * Институт прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 22.09.2010 г.
Экспериментально исследуются возможности формирования когерентных высокочастотных сигналов для подводного акустического наблюдения в мелководных шельфовых зонах океана с неровным дном. Апробированы методы согласованного со средой возбуждения и приема сложномодули-рованных импульсов с помощью вертикальных и горизонтальных решеток. Показано, что согласованная со средой пространственная, частотная и временная фильтрация позволяет ослабить реверберационные помехи на 40 и более дБ.
Ключевые слова: гидроакустика, локация, волновод, излучение, импульс, антенная решетка.
ВВЕДЕНИЕ
Методы и средства акустического наблюдения неоднородностей с помощью высокочастотных гидроакустических (ВЧ ГА) сигналов являются эффективным инструментом при решении практических задач, связанных с освоением ресурсов шельфовых зон океана. Точность оценки параметров наблюдаемых объектов на относительно небольших дистанциях, достигаемая при использовании когерентных ВЧ ГА полей, ограничивается не только аддитивными шумами океана и ре-верберационными помехами, но и ослаблением когерентности ГА сигналов [1—5]. В этой связи, важно разработать методы и средства возбуждения и приема согласованных с гидроакустическим волноводом высококогерентных ВЧ ГА полей. Оптимальные пространственно-частотные характеристики излучающих и приемных элементов системы наблюдения и параметры решающих статистик могут быть определены с помощью имитационной системы, которая включает в себя модели формирования сигналов и помех для конкретных условий наблюдения. Параметры имитационной системы должны адаптивно подстраиваться к текущим изменениям характеристик волновода, шумов и помех [4—13]. Для согласованной с волноводом фокусировки когерентного ВЧ поля в точку наблюдения в мелком море необходимо использовать информацию о строении волновода. Так, при низкочастотном ГА наблюдении в мелком море используются мало-модовые импульсные сигналы [8, 9]. Такие высо-
кокогерентные сигналы формируются с помощью оптимально фазированных согласованных с волноводом вертикальных излучающих и приемных решеток [8, 13—17]. В задаче наблюдения малоразмерных неоднородностей мелкого моря с помощью когерентных ВЧ ГА акустических полей также необходимо использовать метод селективного возбуждения и приема волноводных структур [4—6]. При небольших дистанциях наблюдения эффективным может оказаться селективное возбуждение и прием импульсных сигналов, соответствующих чисто водным, а также отраженным от поверхности акустическим пучкам. Как и в случае использования маломодовых низкочастотных импульсов, при высокочастотном зондировании мелкого моря можно оптимизировать структуру зондирующих сигналов, минимизируя излучение вдоль лучевых структур, падающих на дно или на рассеивающую взволнованную поверхность [4—6, 16, 17]. При этом оптимальный набор апертурных распределений будет зависеть от положения неоднородности в области наблюдения. Ослабление когерентности ВЧ ГА поля ограничивает эффективность пространственной и частотной фильтрации, что затрудняет наблюдение малоразмерных объектов. Как показывают измерения и теоретический анализ, на когерентность ВЧ ГА полей в океане существенное влияние оказывают эффекты рассеяния на случайно распределенных неоднородностях океана, что, прежде всего, проявляется в возникновении ре-верберационных помех. К основным типам неод-
нородностей, вызывающих возникновение реверберации, относятся ветровое волнение, объемные неоднородности толщи океана, а также шероховатости дна [1, 4—6, 10, 18, 19].
В настоящей работе обсуждаются результаты экспериментальных исследований согласованного со средой возбуждения и приема высококогерентных ВЧ ГА полей в мелководном районе морского шельфа с неровным дном. Измерения осуществлялись с использованием моностатической схемы наблюдения. Зондирующие ВЧ ГА импульсы возбуждались излучающей решеткой. Регистрация акустических сигналов осуществлялась вертикальной и горизонтальной приемными решетками [20, 21].
УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ
НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Экспериментальные исследования особенностей возбуждения и приема сфокусированных ВЧ согласованных со средой акустических импульсов проводились в мелководной акватории с глубинами 5—20 метров в условиях летней гидрологии с прогретым приповерхностным слоем глубиной порядка 0.5 м. На рис. 1 показана схема расположение двух излучающих решеток и двух приемных решеток, а также структура дна в районе измерений. В экспериментах использовались две решетки из 16 излучателей (ИР1В и ИР1Г, на рис. 1а), работающие в диапазоне от 6 до 12 кГц (далее, диапазон ВЧ1), и из 8 излучателей (ИР2Г и ИР2В, на рис. 1а), работающих в диапазоне от 3 до 6 кГц (диапазон ВЧ2). Размеры излучающих решеток ИР1В и ИР1Г составляли по 4 м каждая. В каждой из них было по 8 излучателей с расстояниями между излучателями 0.5 м. Размеры излучающих решеток ИР2В и ИР2Г составляли по 1 м каждая. В каждой из них было по 8 излучателей с расстояниями между излучателями 0.125 м. По-
скольку частотный интервал излучаемых и принимаемых сигналов был достаточно широким, волновые размеры решеток и расстояний между элементами зависели от частоты сигналов. Излучающими решетками возбуждались ЛЧМ импульсы, фазоманипулированные импульсные сигналы, а также модулированные пачки импульсов. Прием осуществлялся двумя 36-элементны-ми решетками длиной по 3 м каждая с гидрофонами, расположенными на расстоянии 0.083 м друг от друга. Приемные решетки располагались вертикально (по оси г) и горизонтально, вдоль оси х (соответственно, ПРВ и ПРГ, на рис. 1а). Глубина водного слоя в месте постановки излучающих и приемных решеток была ровна 5 м.
При возбуждении зондирующих ВЧ ГА импульсных сигналов протяженными решетками в сложнопостроенном ГА волноводе формировались пучки, характеристики которых оценивалась с помощью измерительного гидрофона (ИГ, на рис. 1а). Измерительный гидрофон располагался на дистанции порядка 40 м в направлении оси у на глубине 2.5 м. При измерениях осуществлялось сканирование гидрофона по глубине. Измерения направленности акустического излучения в горизонтальной плоскости осуществлялись с помощью неподвижного приемного гидрофона и электронного сканирования диаграммой направленности излучающей системы. Измерения диаграммы направленности приемных антенн проводились с помощью тестового излучателя (ТИ, на рис. 1а), спускаемого с катера. Излучение осуществлялось из 5 разнесенных в пространстве точек на линии, параллельной оси х и удаленной на расстоянии порядка 40 м от приемной системы. В качестве тестовых сигналов использовались тональный сигнал длительности 100 мс и тональный непрерывный сигнал. Тестовые сигналы излучались на двух несущих частотах /1 = 9 кГц и
/2 = 4.5 кГц, соответствующих центральными частотам излучающих решеток ИР1В, ИР1Г и решеток ИР2Г, ИР2В. Формирование излучаемых и принимаемых пучков в условиях эксперимента определялось в существенной степени особенностями распространения ГА сигналов в районе измерений, обусловленными влиянием сложного рельефа дна, а также совокупностью пространственно локализованных неоднородностей дна и присутствующих в районе проведения измерений подводных инженерных конструкций (их расположение обозначено на рис. 1б буквой В). Измерения осуществлялись на фоне интенсивных помех судоходства, а также реверберационного фона, возникающего, прежде всего, за счет рассеяния поля на взволнованной морской поверхности и случайно распределенных неровностях дна.
СЕЛЕКТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЗОНДИРУЮЩИХ ВЧ ГА ПУЧКОВ
Для формирования согласованных с волноводом ВЧ акустических пучков в условиях измерений использовались четыре широкополосные излучающие решетки в двух частотных диапазонах. Для каждого частотного диапазона применялась одна вертикальная и одна горизонтальная решетки, причем горизонтальные решетки были ориентированы в направлении к области расположения тестовых излучателя и гидрофона. Эта зона (далее, область наблюдения) располагалась вблизи оси у, на удалениях от 10 до 200 м. При этом фокусировка зондирующих ГА пучков в пределах области наблюдения осуществлялась в режиме бегущей волны. Структура формируемых пучков обуславливалась, прежде всего, волновыми размерами решеток. Для ВЧ2 диапазона она составляла 8 длин волн для частоты 3 кГц. Поскольку излучение такой решеткой осуществлялось в широком диапазоне, для верхней частоты диапазона 6 кГц, решетка была редко заполненной, так как излучатели располагались друг от друга на расстоянии в длину волны. Такая конструкция решетки приводила к уширению пучка и формированию достаточно интенсивных боковых лепестков для высокочастотной части спектра излучаемых широкополосных импульсов. Форма принимаемых под разными углами импульсов из-за указанных конструктивных особенностей искажалась, что, в целом, проявлялось и в искажении импульсного отклика согласованного фильтра при сжатии сложномодулированных импульсных сигналов. Более полные характеристики излучающей широкополосной решетки указанной конструкции могут быть получены в виде частотно-угловой передаточной функции. При этом формируемые решеткой зондирующие импульсы будут иметь различную форму в зависимости от угла наблюде-
ния, что необходимо учитывать при сжатии импульса согласованным фильтром. Аналогичные эффекты при формировании зондирующих пучков проявлялись и при измерениях с решеткой, излучающей в диапазоне ВЧ1, у которой, кроме того, на концах решетки имелись конструктивные элементы в виде металлических пластин размером порядка длины волны. Это вызывало дополнительные искажения при формировании гидроакустических пучков. Структура формируемых ГА пучко
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.