АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 5, с. 774-785
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.322:534.8
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ, РЕГИСТРИРУЮЩИХ ПОТОК АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
© 2008 г. В. А. Гордиенко, Е. Л. Гордиенко*, Н. В. Краснописцев**, В. Н. Некрасов**
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет
119992 Москва, Ленинские горы Тел.: (495) 939-2969; Факс (495) 932-8820, E-mail: vgord@list.ru *Российский государственный аграрный университет (РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева),
Москва, ул. Тимирязевская, 49 **ФГУП ВНИИ Физико-технических и радиотехнических измерений 141570 n/о Менделеево, Солнечногорский р-н, Московская обл. Поступила в редакцию 29.05.2007 г.
На основании анализа экспериментальных данных и модельных представлений обсуждаются возможности малогабаритных гидроакустических приемных систем на базе векторных приемников, регистрирующих поток акустической мощности (ПАМ) при обнаружении слабых сигналов на фоне шумов океана. Показано, что переход на измерение ПАМ позволяет регистрировать уровни сигнала не менее чем на 10-20 дБ ниже (в зависимости от сигнально-помеховой ситуации акватории), чем приемник звукового давления. С целью расширения классов гидроакустических приемных систем, для которых можно корректно сравнивать их потенциальные возможности, предлагается скорректировать понятие помехоустойчивости, введя для ее более полной характеристики два уточняющих раздельных понятия - шум и помеха.
PACS: 43.30.Wi
ВВЕДЕНИЕ
Создание нового поколения средств измерений - актуальнейшая перспективная задача, стоящая перед современной гидроакустикой.
Один из достаточно очевидных путей развития акустических средств, в плане повышения эффективности акустических систем, связан с дальнейшим усовершенствованием алгоритмов обработки сигналов, наиболее полно учитывающих информацию о поле, снимаемую с приемников звукового давления (гидрофонов). Однако существуют серьезные опасения, что с помощью этих методов весьма не просто (или даже невозможно) будет решать задачи выделения на заданных расстояниях источников современных слабых сигналов при относительно небольших возможных размерах самой гидроакустической приемной системы. Следует отметить, что сегодня известные методы, основанные на использовании информации, регистрируемой приемниками давления, достигли предельных возможностей.
Однако есть и другой путь (не исключающий первый), основанный на увеличении объема акустической информации о поле при заданных пространственно-временных объемах выборок за счет более полного извлечения информации из каждой точки поля. При попытках сохранить от-
носительно небольшие габариты приемных систем увеличение объема информации о волновых полях может быть обеспечено за счет использования так называемых "векторно-фазовых методов" - одновременной со скалярным звуковым давлением регистрации в тех же точках пространства векторных характеристик акустического поля - амплитуды и фазы колебательной скорости V частиц среды или градиента акустического давления йР/йг в волне [1-3].
Относительно медленное внедрение векторно-фазовых методов в практику гидроакустических измерений связано с недостаточно надежной количественной оценкой возможностей этих методов при решении практических задач в различных физических условиях. Имевшиеся данные были достаточно разрознены, а статистика воспроизводимости результатов по полю шумов практически не набиралась. Поэтому при, казалось бы, очевидных подходах к реализации этих методов, вопрос об их потенциальных возможностях для выделения сигналов слабых детерминированных источников на фоне шумов океана, особенно при измерениях вектора потока акустической мощности, до сих пор остается открытым.
Под векторным приемником (ВП) мы понимаем двух- или трехкомпонентный вариант приемника акустических сигналов малых волновых раз-
меров, регистрирующим с заданной точностью "мгновенные" значения проекции вектора градиента звукового давления или колебательной скорости (КС) на два или три взаимно ортогональных направления в пространстве. Если имеется возможность дополнительно измерять в той же точке пространства акустическое давление, то реализуемое приемное устройство называют комбинированным приемником (КП), если оба типа приемников совмещены в одном корпусе и имеют единый фазовый центр, или комбинированным приемным модулем (КПМ) в противном случае. Под комбинированной приемной системой (КПС) обычно обобщенно понимают приемную систему любых размеров, включающую помимо приемников акустического давления приемники его производных, в том числе и протяженные антенны на базе ПД и ВП.
Как показал проведенный нами анализ использования таких систем в различных сигналь-но-помеховых ситуациях, конструктивные различия между КП и КПМ чаще всего не сказываются на конечной их помехоустойчивости. Поэтому без ограничения общности в дальнейшем мы будем говорить о КПМ. Тем не менее, укажем, что в поле гидродинамических помех уровень такой помехи на выходе регистратора потока акустической мощности на базе КП и КПМ, как правило, оказывается различным, особенно если речь идет о гидродинамических шумах обтекания [1, 4].
В последнее время также часто стал использоваться не вполне корректный, но, тем не менее, вошедший в употребление термин - приемник потока акустической мощности, обозначающий, что для регистрации сигнала используется акустический измерительный комплекс, объединяющий КП или КПМ малых волновых размеров и систему (алгоритм) обработки данных, позволяющую на выходе такого комплекса получать значения проекций потока акустической мощности (ПАМ) на заданные, обычно взаимно ортогональные, направления в пространстве.
Проекция потока акустической мощности (энергии) на заданное направление г в пространстве в полосе частотного анализа А/ (со средней частотой /), определяется как усредненное за время т, кратное или существенно большее периода Т = 1//, значение проекции на это направление вектора Умова 1(0 = Р(г) • У(г).
т т
= т 11г( г) йг = т |р (г) Уг( г) йг, (1)
где Р(г) и Уг(г) - соответственно мгновенные значения акустического давления и проекции КС частиц среды на направление г в пространстве.
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРИЕМНИКОВ И ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЕЕ ОЦЕНКИ
Помехоустойчивость, как известно, является мерой способности системы противостоять вредному влиянию помех. Анализ смысла, который вкладывают в термин "помехоустойчивость", весьма различен. В гидроакустике под помехоустойчивостью приемной системы чаще всего понимают частное от деления отношения регистрируемых приемной системой мощностей сигнала и5 и помехи ин на ее выходе и интенсивностей сигнала 15 помехи ¡н в поле в отсутствие приемной системы:
р = и ^
Фактически, согласно установившимся традициям, под помехой понимаются неустранимые флуктуации шумов, так что выигрыш в помехоустойчивости любой акустической системы, находящейся в поле шумов, определяется как отношение значений неустранимых флуктуаций шумов на ее выходе, т.е. дисперсии аи (которую считают помехой) выходного сигнала и приемной системы, к дисперсии аР на выходе приемной системы, состоящей из точечного ненаправленного приемника давления. Величина дисперсии
определяется как обычно: а = и2) - (и)2.
При регистрации скалярных величин (например, давления) в поле изотропных шумов уровня
2
Рм на входе каналов измерительной системы и аддитивной обработке сигналов, помеха (дисперсия) на выходе аои1, как известно, определяется однозначно коэффициентом концентрации приемной системы К:
К =
2
уровень шума на входе, Рм уровень шума на выходе, Р0
2
дисперсия на входе, аР дисперсия на выходе, а0и
(2)
В силу наличия связи (2) помехоустойчивость антенн на базе ненаправленных гидрофонов обычно выражают через коэффициент концентрации в поле изотропной помехи.
В большинстве работ, в которых производились теоретические оценки помехоустойчивости КПМ при измерениях потока акустической мощ-
0
0
ности, правильно указывалось, что сравнение потенциальных возможностей отдельно взятых одиночных ПД и КПМ не вполне корректно, хотя бы потому, что отдельный канал ВП эквивалентен двум идеальным (т.е. преобразующим акустический сигнал в электрический без амплитудно-фазовых искажений в отсутствие каких-либо собственных тепловых и прочих шумов) ПД [5, 6], а трехкомпонентный ВП - минимум 4 (или даже 6) ПД, разнесенным на расстояние, существенно меньшее длины волны.
Вместе с тем, при анализе помехоустойчивости, как правило, рассматриваются только комбинации сигналов, регистрируемых ПД и лишь одним каналом ВП, причем в основе рассмотрения лежит только сравнение флуктуаций. Далее обычно утверждается, что применение двух- или трехкомпонентного ВП ничего не меняет: с его помощью можно лишь повернуть диаграмму направленности, но она останется косинусной, как у однокомпонентного, и произведение на Р снова даст то же самое, но с возможностью обеспечить круговой или сферический обзор [6]. При этом возможности пространственной фильтрации сигналов за счет использования более чем одного канала ВП, а также векторный характер потока акустической мощности, вносящий существенные различия в физику формирования поля сигнала и помехи на выходе канала давления и канала проекции потока акустической мощности, игнорируются. Экспериментальные же данные, подтверждающие или отрицающие данные утверждения, в доступной литературе практически отсутствуют.
Поэтому часто считается, что максимальный теоретический выигрыш обеспечивает аддитивное взвешенное суммирование сигналов с выходов каналов ПД и ВП по алгоритму
стрируемых взаимно ортогональными каналами ВП по алгоритму:
и вых = (Р + а о р сУ)
(3)
У = У(ф, $, г) = р с {[ Ух (г) ео8 ф + + Уу( г) 8ш ф] 8ш $ + Уг (г) ео8 $}.
(4)
При а0 =1 в выражении (3) формируется кардиоида с максимумом в направлении углов ф и $.
Что касается обсуждения возможностей выделения сигналов с помощью КПМ за счет перехода на измерение потока акустической мощности, то основная ошибка оценок заключается в не совсем правильном использовании
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.