2. Литвинчук Л. А., Мишура Т. П. Оптимальный алгоритм сверхрэлеевского разрешения когерентных сигналов по времени задержки // Известия ГУАП. Аэрокосмическое приборостроение. 2011. № 2. С. 31—37.
3. Монаков А. А. Согласованный фильтр Меллина // Радиолокация, навигация, связь: Труды XIII междунар. науч.-техн. конф. Воронеж. 2007. Т. 3. С. 1741—1749.
4. Монаков А. А., Антохин Е. А., Филиппов А. А. Потенциальная точность радиолокационного пеленгования протяженной наземной цели системами самонаведения в режиме обзора // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды X всерос. науч.-практ. конф. Т. 2. Вооружение и военная техника. СПб.: Астерион. 2007. С. 206—211.
Дата принятия 25.02.2015 г.
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.6
Использование сигналов с распределенной по частоте мощностью для лабораторной градуировки гидроакустического приемника
А. Е. ИСАЕВ, И. В. ЧЕРНИКОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических
и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: isaev@vniiftri.ru
Показано, что тонально-импульсный, линейно-частотно-модулированный и шумовой сигналы гармонично дополняют друг друга, что делает актуальным их использование на всех уровнях поверочной схемы. Приведены результаты измерительных экспериментов, на основе которых обоснована перспективность разработки процедуры градуировки при излучении акустического шума по методу скользящего комплексного взвешенного усреднения.
Кпючевые слова: гидрофон, градуировка, лабораторный бассейн, реверберационное поле.
It is shown that the tone-pulse linearly frequency modulated and noise signals supplement each other and that makes them worth to be used at all levels of the verification scheme. The results of measurement experiments are presented. Based on these results the perspectivity of development of the calibration procedure during acoustic noise radiation according to the sliding complex weighted averaging method are presented.
Key words: laboratory water tank, hydrophone calibration, noise signal, linearly frequency modulated signal, reverberation field.
Большая продолжительность измерительного эксперимента — один из основных недостатков градуировки с использованием временной селекции тонального импульса. Измерения тонально-импульсным методом частотных зависимостей и характеристик направленности с мелким шагом по частоте занимают от нескольких суток до недель, что вынуждает надолго останавливать другие метрологические работы в лабораторном бассейне и повышает стоимость градуировки. По причине затухания звука в бассейне ревер-берационная пауза, разделяющая излучение импульсов во времени, по длительности превышает полезный сигнал более чем в триста раз (1000 против 3 мс). Продолжительный измерительный эксперимент нарушает один из основных принципов в метрологии — единство условий измерений (климатических условий, помеховых случайных внешних факторов и т. п.), что неизбежно приводит к увеличению погрешно-
сти. Попытки применить сигналы с распределенной по частоте мощностью, чтобы в широком диапазоне частот быстро выполнить градуировку гидроакустического приемника с требуемой детализацией частотной характеристики чувствительности, должного успеха не имели [1].
Первые практические результаты были получены с использованием линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Метод спектрометрии временных задержек (СВЗ) был разработан в лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института США в 1967 г. Измерения этим методом в реверберационном поле ЛЧМ-сигнала близки к измерениям тонально-импульсным методом, поскольку основаны на выделении прямой волны излучателя. Различие состоит в том, что в случае тонально-импульсного метода для выделения прямой волны используют временную селекцию, а в методе СВЗ — частотную [2].
Точность измерений по полю при излучении ЛЧМ-сигна-ла удалось существенно повысить, использовав метод скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) [3], при котором не выделяется сигнал прямой волны, а подавляются искажения частотной характеристики приемника, вызванные отраженными сигналами. Метод, не уступая в точности тонально-импульсному, позволил продлить частотный диапазон градуировки гидрофона по полю в бассейне с минимальным размером 6 м на 11 третьоктав вниз от частоты 3 кГц [4] и оценить чувствительность гидроакустического приемника как к скалярной (по давлению), так и к векторной (градиент звукового давления) величине поля прямой звуковой волны [5]. С использованием ЛЧМ-сигналов была проведена комплексная градуировка гидрофона методом взаимности, получены амплитудно- и фазочастотная характеристики чувствительности, исключена неоднозначность фазовых углов, исследовано смещение акустического центра [6].
Возможность получать непрерывные частотные характеристики открыла новые пути исследований акустических свойств элементов конструкции носителя гидрофона и их влияния на частотные характеристики морского гидроакустического приемника, позволила расчетным методом определять чувствительность и характеристики направленности приемника подводного шума в третьоктавных полосах частот по подробным частотным характеристикам [3, 7, 8].
Изложенное выше в сочетании с такими преимуществами метода СКВУ, как возможность обработки компактного фрагмента частотной зависимости, отсутствие ограничений на способ ее измерений и форму используемого тестового сигнала, свидетельствует о перспективности градуировки на основе этого метода при излучении акустического шумового сигнала.
Измерения с использованием метода СКВУ. Если в бассейне ВНИИФТРИ излучать акустический сигнал продолжительное время, то звуковое поле, которое можно считать относительно свободным, будет существовать лишь короткий отрезок времени (не более 4 мс) до прихода первого отражения. В дальнейшем на протяжении примерно 500 мс (время реверберации бассейна) будет формироваться ре-верберационное поле. При длительности ЛЧМ-сигнала около 1с измерения выполняют в условиях, когда поле находится в двух, примерно равных по продолжительности, состояниях: формирования и существования.
Эксперименты с излучением ЛЧМ-сигналов показали, что искомую зависимость (частотную характеристику по полю) можно выделить одинаково эффективно как в переходном, так и в стационарном состояниях поля. В силу особенностей сигналов с частотной модуляцией реверберационное поле ЛЧМ-сигнала в точке приема имеет два информативных признака, полезных для выделения сигнала прямой волны: первый — разное время прихода прямой и отраженных волн, второй — разные мгновенные частоты этих волн. Метод СВЗ основан на использовании второго информационного признака, а метод СКВУ — первого. Именно поэтому метод СКВУ не зависит от вида излучаемого сигнала и формируемого им в лабораторном бассейне реверберационного звукового поля. Успешные результаты измерительных экспериментов в нестационарном реверберационном поле звуковой ЛЧМ-
волны дают все основания полагать, что с помощью метода СКВУ можно измерить чувствительность приемника по полю при излучении в отражающем бассейне акустического шума.
При соизмеримом (с учетом реверберационной паузы) времени измерений с помощью ЛЧМ-сигнала можно получить частотную зависимость в широком диапазоне частот, тогда как тонально-импульсный метод дает всего лишь одну точку на частотной зависимости. Очевидно, что информативность измерений с использованием другого вида сигналов с распределенной по частоте мощностью (например, шумового) также неизмеримо выше, чем в случае тонального импульса.
На данные, полученные с применением ЛЧМ-сигнала, влияют переходные процессы в излучателе, приемнике, при-емно-измерительном тракте, при этом погрешность измерений возрастает для резонансных преобразователей. Результат измерений в значительной степени зависит от параметров ЛЧМ-сигнала, что вынуждает использовать априорную информацию о поведении измеряемой частотной зависимости. Для получения такой информации нередко требуются предварительные эксперименты, например, измерения на ЛЧМ-сигнале с очень малой скоростью изменения частоты. Акустическое поле в точке приема сигнала — нестационарное реверберационное, поскольку мгновенные частоты прямого и отраженного ЛЧМ-сигналов постоянно изменяются и никогда не совпадают. Различие этих частот является тем полезным свойством, благодаря которому прямой ЛЧМ-сигнал удается выделить на фоне отражений в методе СВЗ.
Нестационарное влияние отражений. Линейное изменение во времени мгновенной частоты прямого сигнала и ее отличие от мгновенных частот отраженных ЛЧМ-сигналов обусловливают нестационарность искажений экспериментальной частотной зависимости по мере прихода новых отражений в точку приема. На рис. 1 показаны частотные зависимости выходного напряжения пары излучатель — приемник, измеренные в диапазоне 243—335 кГц в ревербе-рационном поле ЛЧМ- (1) и шумового (2) сигналов; А, В, С — начало излучения, приход первого и второго отражений при измерениях на ЛЧМ-сигнале. В частотном интервале А — В зависимость свободна от отражений, в интервале В — С ис-
Рис. 1. Частотные зависимости выходного напряжения пары излучатель — приемник по полю ЛЧМ- (1) и шумового (2) сигналов: А — начало приема сигнала; В, С — моменты прихода первого и второго отражений, соответственно
г, дБ
0-2-4-6-8-
•Т /
о°°7 1 2 3
оА /
>
243
263
283
303
323
I кГц
Рис. 2. Частотные зависимости передаточного импеданса 2 (относительного максимального значения) пары излучатель — приемник по полю ЛЧМ (1) и шумового (2) сигналов, тональных импульсов (3)
кажена только одним (первым) отражением, а на частоте С добавляется искажение от второго отражения. С увеличением времени (частоты ЛЧМ-сигнала) все больше отражений искажают экспериментальную зависимость.
Влияние этой нестационарности отражений на результат обработки методом СКВУ показано на рис. 2, где в децибелах относительно максимального значения приведены частотные зависимости передаточного импеданса пары излучатель — приемник по полю, полученные при излучении ЛЧМ- (1) и шумового (2) сигналов
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.