АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 3, с. 377-386
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.231
СИЛА ЦЕЛИ В ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ
© 2015 г. А. И. Хилько*, ***, И. П. Смирнов*, А. И. Машошин**, А. В. Шафранюк**, А. А. Хилько***
*Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 Тел. +7(831) 436-84-90; факс: +7(831) 436-60-86 Е-таИ: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru **ОАО "Концерн"ЦНИИ "Электроприбор" 197046Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская 30 ***Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Н. Новгород, пр. Гагарина 23 Поступила в редакцию 23.05.2014 г.
Анализируется структура силы цели в океанических волноводах. Обсуждается роль силы цели как одного из ключевых параметров для проектирования и оценки эффективности перспективных систем подводного наблюдения.
Ключевые слова: дифракция, волновод, лучи, моды, сила цели, акустическое поле. БОТ: 10.7868/80320791915020069
ВВЕДЕНИЕ
Мультистатическое гидроакустическое (ГА) наблюдение пространственно локализованных неод-нородностей осуществляется совокупностью распределенных в протяженном районе океана излучающих и приемных систем [1—8]. В этом случае сигнал каждой парциальной проекции определяется бистатической силой цели (БСЦ), характеризующей величину рассеянного (дифрагированного) телом поля в волноводе [9, 10]. Из-за многоволнового распространения суммарный сигнал в волноводе имеет сложную интерференционную структуру, что затрудняет наблюдение. Ослабление такого рода помех может состоять в измерении каждой парциальной волноводной компоненты дифрагированного поля отдельно и последующего их накопления, например некогерентного сложения [5—8]. Разделение дифрагированных сигналов отдельных парциальных компонент осуществляется пространственно-частотной фильтрацией, что предполагает использование сложномодулиро-ванных узкополосных импульсов и протяженных излучающих и приемных решеток [1, 2, 8, 11, 12]. Дополнительными в общем числе являются волно-водные компоненты, перевозбуждаемые сложно-построенными телами, например набором бликовых областей на поверхности тела сложной формы, либо компоненты, формируемые при возбуждении собственных форм упругих колебаний тела [7, 8, 13]. В настоящей работе исследуется структура си-
лы цели в волноводе для различных частотных интервалов и тел различного строения.
СТРУКТУРА БСЦ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ГА-НАБЛЮДЕНИИ
В высокочастотном (ВЧ) случае, когда объект можно считать имеющим достаточно большие волновые размеры и относительно гладкую поверхность, структура БСЦ может быть проанализирована с использованием геометроптического ВЧ-приближения дифракции ГА-поля в рефракционном плоскослоистом волноводе. В отличие от случая однородной среды, когда задача дифракции в первом приближении сводится к рассеянию сферических волн на криволинейной поверхности [13], в рефракционном волноводе для расчета дифрагированного криволинейной поверхностью поля необходимо также решить и задачу нацеливания, т.е. задачу поиска эффективно отражающих областей (бликов) на криволинейной поверхности. Кроме того, необходимо рассчитать интенсивность падающего в такую точку и переизлученного из нее в точку наблюдения поля [14—16]. В рефракционном волноводе для находящихся в областях связанности источника, тела и приемника [17, 18] рассеянное телом поле является суммой парциальных с индексами (п, т) лучевых компонент. Такие компоненты соединят источник и приемник, и соответствующие им Ь точек бликов Т на поверхности тела. Для всех суммируемых лучевых
7
377
В(ю, еи,)
N М Ь
Я
т\П,т,1 / (Г) (Г) ч
(еп,1, ет./, Ю) =
Р(г, ю) = ^ЖРо^Ц Ап,т,1 О*, Г1):
п=1 т=1 1 =1
Х Лп,т,1 (Уп,т,1,
гк )В8 (ю, е
)ВП (ю. -е п,т,/) Х 1 „п,т,1< (Г) (Г) \ / ■ п / (Г) \ ,
Х 2квя (еп/,ет,1, ю)ехр(-гю(?п,т,/(г5, Гт) +
„(Г)
Б(ю, -еи,)
Рис. 1. Формирование бликовых областей для различных мультистатических проекций в рефракционном волноводе.
компонент (8ТЯ) (рис. 1) в точках бликов нормаль к поверхности должна совпадать с биссектрисой угла между направлениями падающей и отраженной квазисферических волн, распространяющихся вдоль соответствующих лучей. Для поиска совокупности точек бликов необходимо, используя априорную информацию о параметрах рефракционной среды, а также о положении и форме тела, применить итерационный метод [14—16]. Коэффициент отражения в каждой бликующей точке тела определяется кривизнами поверхности и падающих, и отраженных волновых фронтов, углом их падения и акустическими характеристиками тела в точках блика [7, 8, 19]. Для расчета сил цели рассмотрим практически важный случай (рис. 1), когда акустическая подсветка тела осуществляется расположенной в точке г5 излучающей антенной S с диаграммой направленности Б5(еп), а наблюдение выполняется расположенной в точке гЯ приемной антенной Я с диаграммой БЯ(ет), которые позволяют за счет селекции отдельных волноводных компонент ослабить эффекты интерференционных вариаций. В лучевом представлении для спектральной амплитуды давления рассеянного телом ГА-поля имеем [19]
+ ?п,т,1 (гп,т,1, ГДЗ))),
где ю = 2я/, / — частота, Ж — мощность источника подсветки, р0 и с0 — соответственно плотность и скорость невозмущенного волновода в области
расположения источника. Л,(г5, г^) =
= р 1 (г5;гп,."1,1)\^п,т,1 | ^п,т,1 (Г3;г(пГт,1) и (г5. ) —
соответственно амплитуды и фазы отдельных лучевых компонент соединяющих источник и точку блика (аналогичные обозначения используются и для лучевых компонент поля вторичных источников). В определении амплитуды учитываются геометрические фокусировки лучевых компонент Fn^J [19] и их затухание \¥„т1\ в толще жидкости и при отражениях от границ волновода,
приэтом р (г5; г^) — горизонтальное расстояние между рассматриваемыми точками. Величина ¿п,т,(г5; гЩ) — время распространения звука по соответствующему лучу. N и М — числа лучей, соединяющих фазовые центры источника и приемника
с точками Гт положения бликовых областей на
поверхности тела, ееГ) — направления лучей от источника и приемника в совокупность точек Т. Для определения значений амплитуд и времен распространения лучевых компонент необходимо рассчитывать лучевые траектории в рефракционном волноводе численными методами [19]. Величина ЯВЦ'1 (еп], е 1], ю) определяет бистатический эквивалентный радиус (БЭР) цели [3]:
О (Г)
1\т{Т) -.2 „(Т) (1, (Г) п( (Т))-1 2, (Г) п (Т)\ К(Г) I Л/( п,т,1/ + 11 п,т,1\ ^п,т,1 \Тп,1) + кп,т,1 Тп,!1 + лп,т,!\
(2)
(Т)
где — полная (гауссова) кривизна тела в точках (бликов) Т, в которых внешняя нормаль к поверхности равна
(Г) *п,т,1
(Г) ие(Г)
п,1 г ет,1
(Г) ,е(Г)
п,1 "" ет,1
(3)
1кЩГ1,1 — кривизна нормального сечения поверхности плоскостью лучей; — кривизна нормального сечения ортогональной плоскостью; Н—
средняя кривизна фронтов падающей и отраженной сферических волн; п т^ — косинус угла паде-
(Г)
ния волны; — комплексный коэффициент отражения поля от поверхности цели, который определяется моделью тела и ограничивает возможные модели только телами с произвольным распределением локальных поверхностных импедансов. Если же тела являются упругими, для определения коэффициента отражения необходимо учитывать упругие колебания поверхности тела как целого,
г
г
либо колебания его конструктивного элемента с определенными строением тела граничными условиями.
Для применимости геометроптической модели дифракции акустического поля в рефракционном волноводе (ВЧ-модель) необходимо выполнение
условия Хт < Ьт * ^(Щ)(0) * 1/(2С,)(0), где Ьт—
Л, (Т) ч(0) Л, (Т) ч(0)
линейный размер тела, (к)) ( к^) - главные кривизны поверхности в точках бликов, а Хт— длина волны в точке Т рефракционного волновода. Например, для тела в виде сферы с радиусом 10 м ВЧ-модель может обеспечивать приемлемую точность оценок для частот ГА-поля выше 1.5 кГц.
Величина БСЦ известным образом определяется через БЭР [9]. В рамках модели (2) она зависит, в целом, от формы тела и распределения локальных акустических импедансов на его поверхности. Для различных положений тела в рефракционном волноводе точки бликов Т на поверхности тела будут располагаться в разных местах поверхности тела. Это приводит к существенным отличиям формирования рассеянного телом поля в океаническом волноводе по сравнению со случаем свободного пространства, либо случая малых расстояний, когда волноводные эффекты не сильно сказываются. Например, в волноводе при вариациях дистанции в случае неизменного ракурсе наблюдения БСЦ, в отличие от такой же ситуации в свободном пространстве, будет существенно меняться, что связано с существенной изменчивости ГА-поля в рефракционном волноводе.
Для оценки величины БСЦ точек бликов и амплитуд рассеянных компонент тел произвольной формы в рефракционных волноводах используются оптимизированные итерационные методы [2023]. Подробное изложение таких методов ограничивается размерами настоящей статьи. Для иллюстрации основных закономерностей формирования БСЦ учтем, что для тел координатной формы задача становится физически более наглядной, поскольку можно получить относительно простые аналитические выражения для положения точек бликов, а также амплитуд рассеянных волновод-ных компонент [7, 8]. В качестве относительно простого примера рассмотрим в рамках настоящей статьи случай, когда тело имеет форму эллипсоида, для которого точка каждого блика находится по формуле (суммирование по индексу I для тела такой формы не требуется) [19]:
г(Г) (п(Г) ) = (Л-1 (а 2(пот) 1 +
+ Ь\пТт) у ] + С 2(п(Т)) * к), (4)
,(Т) _ I 2, (ТК2 ,2. (ТК2 2. (ТК2 ап,т = Vа (Пп,т)х + Ь (Пп,т)у + С (nn,m)z,
где а, Ь, с — полуоси эллипсоида, (1, к) — орты внутренней декартовой системы координат с цен-
тром в центральной точке эллипсоида, направлен-
(Т)
ные по его главным осям. Гауссова кривизна К т и средняя кривизна нП) эллипсоида в точке с нормалью пПТ), которые используются при вычислении амплитуд и фаз рассеянных волноводных компонент по формуле (1), определяются следующими выражениями:
(Т) / а (Т) 2 Ь (Т) 2 С (Т) 2\2
Кп,т ~ (" (пп,т)х + (пп,т)у + ~ (пп,т)^ I , (5)
\Ьс ас аЬ !
НПТ) = '-Г [(Ь"2+с -2 ) +
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.