АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 6, с. 817-826
АКУСТИКА ОКЕАНА, ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.322:534.8
ОЦЕНКА ДАЛЬНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА СИГНАЛА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ НА БАЗЕ ПРИЕМНИКА ПОТОКА АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
© 2007 г. В. А. Гордиенко, Н. В. Краснописцев*, А. В. Наседкин*, В. Н. Некрасов*
Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 119992 ГСП-2, Москва, Ленинские горы E-mail: vgord@list.ru *ФГУП ВНИИ Физико-технических и радиотехнических измерений П/о Менделеево, Солнечногорский р-н, Московская обл. Поступила в редакцию 21.06.06 г.
Рассматриваются особенности формирования потока акустической мощности векторным приемником сигнала на фоне шума океана, обсуждаются информативные параметры зарегистрированных сигналов, которые определяют заданную статистически обеспеченную регистрацию слабых сигналов на фоне шумов океана. Используя уравнение гидролокации и установленные ранее фундаментальные связи между уровнями сигналов, регистрируемых приемником давления и векторным приемником для поля сигнала и поля шумов, обсуждаются полученные значения предельно возможных оценочных значений выигрыша в дальности обнаружения источника сигнала при регистрации потока акустической мощности в зависимости от величины анизотропии поля шумов в данном районе.
PACS: 43.30.Wi
Последние десятилетия характеризуются значительным интересом к исследованию статистических особенностей векторно-фазовой структуры акустических полей, как в общенаучном, так и в практическом плане. Это связано, прежде всего, с попытками обеспечить увеличение дальности действия малогабаритных гидроакустических систем при приеме слабых сигналов [1]. В данном контексте - слабый сигнал, это, как правило, сигнал, уровень которого по звуковому давлению сравним или ниже уровня фоновых шумов акватории.
Сегодня приемные системы, часто называемые комбинированными приемными системами (КПС), которые измеряют в некоторых заданных точках среды одновременно скалярную характеристику акустического поля (акустическое давление) и векторную (обычно проекции градиента звукового давления или колебательной скорости на два или три взаимно ортогональных направления в пространстве), используются как в нашей стране [2, 3], так и за рубежом [4].
Вариант КПС для измерения перечисленных параметров в области пространства, малой по сравнению с длиной волны (практически в точке), обычно называют комбинированным приемником (КП) или комбинированным приемным модулем (КПМ).
Хорошо известно [5], что дальность действия гидроакустических систем зависит как от их кон-
структивных особенностей и используемых алгоритмов обработки акустической информации, так в значительной степени от гидрофизических условий океана и характера помехи. Однако гидрофизические и, соответственно, акустические условия океана имеют большую пространственную и временную изменчивость, что делает эффективность гидроакустических систем и дальность их действия неустойчивыми. Поэтому оценке реальных возможностей приемных систем обычно предшествует экспериментальное изучение условий распространения сигналов на акватории предполагаемого использования той или иной гидроакустической приемной системы, выявления всевозможных аномалий распространения, влияния рельефа дна и т.п., часто называемое калибровкой района.
При использовании КПМ для выделения сигнала от цели на фоне сигнала от относительно стационарного локализованного источника (в частности, судна-постановщика приемной системы) обычно хорошо работают аддитивные алгоритмы. Например, за счет формирования кардиоиды в диаграмме направленности путем взвешенного суммирования сигналов, снимаемых с выходов скалярного и векторных каналов КПМ, с минимумом, направленным на источник помехи, удается ослабить влияние локализованного источника на 20.. .30 дБ [6]. В остальных случаях основной выигрыш наблюдается, как правило, при
прямом измерении потока акустической энергии 1 Гг
(мощности) ЖКг = - Р (t) УХ^Ж в направлении г ^0
на источник сигнала цели, что позволяет ослабить в определенных пределах влияние фоновых шумов акватории [1, 6]. Однако вопрос о факторах, определяющих численное значение этих пределов, и в конечном итоге - дальность обнаружения такими приемными системами, пока остается открытым.
При оценке дальности обнаружения источника сигнала гидроакустической системой обычно исходят из уже ставших классическими уравнений гидролокации, учитывающих вклады основных механизмов, которые могут каким-либо образом повлиять на уровни регистрируемого сигнала и в конечном итоге на соотношение сигнал/помеха на выходе приемной системы.
Очевидно, что для выполнения задачи обнаружения необходимо знать величину отношения сигнал/помеха, зависящую от вида решаемой задачи и заданных вероятностей обнаружения цели и ложных тревог. Если предположить, что сигнал медленно увеличивается при неизмененной помехе, то решение задачи, поставленной перед приемной системой, окажется возможным практически с того момента, когда уровень сигнала превысит некоторый порог обнаружения (ПО) по отношению к уровню маскирующей его помехи. Для этого обычно устанавливается связь между вероятностью правильного обнаружения, вероятностью ложной тревоги, статистической обеспеченностью и отношением сигнал/помеха на выходе приемной системы. Примеры таких параметрических зависимостей для пассивной системы, приведены в работе Ю.М. Сухаревского [5].
В этой же работе [5] предпринята одна из серьезных попыток подставить в уравнения гидролокации технические параметры гидроакустической системы на базе приемников звукового давления. Основная цель анализа решения таких уравнений состоит в выявлении параметров, которые оптимальным образом позволяют уменьшить чувствительность гидроакустической системы к мешающему фону, или, другими словами, увеличить вероятность правильного обнаружения.
В данной работе мы остановимся на рассмотрении проблемы дальности обнаружения комбинированным приемным модулем, регистрирующим проекции вектора потока акустической мощности на два (плоский случай) или три взаимно ортогональных направления в пространстве.
Под приемником потока акустической мощности в дальнейшем будем понимать акустическую приемную систему, включающую комбинированный приемный модуль малых волновых размеров, состоящий из приемника акустического давления (ПД) и трех- или двухкомпонентного век-
торного приемника (ВП), и систему обработки данных, позволяющую на выходе приемной системы определять проекции потока акустической мощности (ПАМ) на заданные, обычно взаимно ортогональные направления в пространстве.
В основе обсуждаемых подходов лежат особенности формирования потока акустической мощности сигнала на фоне шумов океана, отличающие такую приемную систему от стандартной на базе ненаправленных гидрофонов, и определяющие заданную статистически обеспеченную дальность регистрации слабых сигналов на фоне шумов океана по потоку акустической мощности, что можно считать дальнейшим развитием работ [5, 7].
Основываясь на развитых в работе [5] представлениях, уравнение дальности для пассивной локации можно записать следующим образом:
101в (Р0/) +1018 г4 + [Аг - 1018 (Р2о Р/Пр)]-
(1)
- гр0/п х 10-3+ 1018к0 + 1018 (103тА/)1/2 + А = б
Здесь Р20_^ - квадрат спектральной плотности шумового сигнала цели; г - расстояние (дальность) до
цели в м; [Аг (дБ) - 1018 Р0 ] - отношение в дБ аномалии распространения А на расстоянии г к уровню помехи на частоте /; Р20р - квадрат звукового давления помехи на частоте 1 кГц; в0 - коэффициент, а п - показатель при частоте для закона километрического затухания в дБ/км; к0 - коэффициент помехоустойчивости (или коэффициент
концентрации) приемной системы; 1018 (103 тА/)1/2 -эффект интегрирования; А/ - относительная полоса частот; т - время интегрирования; А = Аа + + А£ + А; - суммарная поправка, учитывающая эквивалентное изменение отношения сигнал/помеха за счет эффекта адаптации системы (Аа), трассового (многоциклового) накопления (АД информации о наличии сигнала и неконтролируемых потерь (А;) в дБ; б - требуемая величина отношения сигнал/помеха на выходе для реализации заданных характеристик обнаружения сигнала - вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги в дБ; / - частота в кГц.
Легко показать, что это уравнение может быть применено и к приемной системе, регистрирующей поток акустической мощности. Действительно, ранее нами как теоретически, так и экспериментально [1, 3, 6] уже было установлено наличие фундаментальных связей (т.е. практически не зависящих от гидрофизических параметров среды) между уровнями сигналов, регистрируемых приемником давления и векторным приемником для удаленного локализованного источника. В частности, если горизонтальная ось канала ВП (условно X) совпадает с направлением прихо-
да сигнала, то с точностью не хуже 0.5 дБ, независимо от характера стратификации среды и наличия импедансного дна, в дальнем поле источника
2
1т2,г Ч Р (/, Г)
должны выполняться условия: У х (/, г) = —
(Р с )2
р2
И Wrx = р- .
Р с
При произвольной ориентации в горизонтальной плоскости осей X и Y ВП
2
тг2/г \ P (f, r) 2
VA f, r) = v J ' 2 cos Ф;
(Р с )2
V2 (f, r ) = P-(fr sin2 ф. j (рс)2
Исключение, возможно, составляет пока единичный известный нам случай трассы с двумерной стратификацией в Тихом океане [8], для которой при отклонении направления распространения сигнала от оси ВП более чем на 60°, эти соотношения могут нарушаться. Здесь, как обычно, P(f, r) - звуковое давление. Что касается компоненты Vz, то аналогичная связь чаще всего не выполняется. Однако для систем дальнего обнаружения, использующих преимущественно информацию с горизонтальных каналов векторного приемника, это не является принципиальным.
Таким образом, уровни выходных сигналов с любого горизонтального канала КПМ для поля сигнала локализованного источника могут быть приведены к уровням эквивалентного звукового давления в плоской звуковой волне путем домно-жения их на соответствующий множитель (волновое сопротивление среды) так, что для любого удаленного источника, переобозначив WR —► —«- pcWR,
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.