АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.26
ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ НАБЛЮДЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МЕЛКОМ МОРЕ С НЕРОВНЫМ ДНОМ В ПРИСУТСТВИИ СИЛЬНОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ
© 2011 г. А. В. Гринюк, В. Н. Кравченко, А. Т. Трофимов, О. И. Трусова, М. М. Тихомиров, 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 Тел.: (831) 436-8490; Факс: (831) 436-6086 E-mail: A.khil@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 22.09.10 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований высокочастотного подводного акустического наблюдения малоразмерного объекта в шельфовой зоне океана, основанного на возбуждении и приеме вертикальными и горизонтальными решетками сложномодулированных импульсов в присутствии сильных реверберационных помех. При реконструкции параметров наблюдаемых объектов за счет согласованной со средой пространственной, временной и доплеровской фильтрации достигнуто ослабление реверберационных помех на 35—40 дБ.
Ключевые слова: акустическое наблюдение, когерентность, решетки гидроакустических излучателей, импульсы, согласованная фильтрация, траекторное накопление.
При гидроакустическом наблюдении малоразмерных пространственно локализованных неодно-родностей на относительно небольших дистанциях при повышенных требованиях к пространственному разрешению используются высокочастотные гидроакустические (ВЧ ГА) сигналы [1—10]. Точность ВЧ ГА наблюдения в океанических волноводах существенно ограничивается как шумами океана, так и реверберационными помехами, возникающими из-за рассеяния на случайно распределенных неоднородностях океанической толщи, поверхности и дна [7—14]. Эффективность ВЧ ГА наблюдения повышается при использовании высококогерентных согласованных с ГА волноводом сигналов [12—16]. Методы согласования с ГА волноводом зондирующих и принимаемых сигналов для системы ВЧ ГА наблюдения, а также результаты экспериментов по излучению и приему такого рода ВЧ ГА сигналов в мелководном ГА волноводе исследовались экспериментально [17]. В настоящей работе обсуждаются результаты экспериментов по использованию селективного возбуждения и приема водных пучков при высокочастотной акустической томографии малоразмерных неоднородностей океана для случая, когда использовалось импульсное зондирование, а вертикальные излучающие и вертикальные и горизонтальные приемные решетки располагались в одной точке (моностатическая томографическая проекция). Для реализации метода
согласованного со средой ВЧ ГА наблюдения использовались апертурные множители для излучающей и приемной антенных решеток, которые позволяли максимизировать уровень рассеянного неоднородностью сигнала при одновременном ослаблении реверберационных помех и аддитивных шумов моря. Это позволило максимально увеличить отношение сигнала к шуму в пространственной области рефракционного волновода, в которой располагалась наблюдаемая неоднородность в виде металлического баллона цилиндрической формы [15-17].
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. В экспериментах использовались две решетки из 16 излучателей, работающие в диапазоне от 6 до 12 кГц, и из 8 излучателей, работающих в диапазоне от 3 до 6 кГц (более детальное описание конструкции излучающих и приемных решеток представлено в работе [17]). Излучающими решетками возбуждались импульсы с линейной частотной модуляцией, фазоманипулированные импульсные сигналы, а также модулированные пачки импульсов. Прием осуществлялся двумя 37-элементными решетками гидрофонов, расположенными верти-
кально и горизонтально. При возбуждении зондирующих ВЧ ГА импульсных сигналов протяженными решетками в ГА волноводе формировались пучки. Структура излучаемых и принимаемых пучков в условиях эксперимента определялась в существенной степени особенностями распространения ГА сигналов в районе измерений, обусловленными влиянием сложного рельефа дна, а также совокупностью пространственно локализованных неодно-родностей дна и присутствующих в районе проведения измерений подводных инженерных конструкций [15—17]. Измерения осуществлялись на фоне интенсивных помех судоходства, а также реверберации, возникающей, прежде всего, за счет рассеяния поля на взволнованной морской поверхности и случайно распределенных неровностях дна.
Фокусировка зондирующих ГА пучков в пределах области наблюдения осуществлялась в режиме бегущей волны. Структура формируемых пучков обуславливалась, прежде всего, волновыми размерами решеток. 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 наблюдения, что необходимо учитывать при сжатии импульса согласованным фильтром. Аналогичные эффекты при формировании зондирующих пучков проявлялись и при измерениях с решеткой, излучающей в других частотных диапазонах. Структура формируемых ГА пучков в существенной мере зависела и от структуры гидроакустического волновода в районе измерений. В частности, это проявилось в асимметрии угловой диаграммы, возникновении дополнительных боковых максимумов, а также в зависящих от угла наблюдения искажениях формы измеряемых импульсов, что в основном обусловливалось неровностями рельефа дна. Потери при распространении импульсных сигналов в существенной степени определялись расположением акустической трассы, сложной интерференционной структурой поля, поглощением звука дном и эффектами многократного рассеяния. Интегральный уровень излучения
для относительно более низкочастотных решеток составлял величину порядка 50 Па на удалении 50 метров и существенно превышал уровень аддитивных шумов. Аналогичные измерения осуществлялись и для излучающих решеток второго типа с частотным диапазоном в районе 9 кГц, уровень излучения которых оказался в пять раз меньше уровня низкочастотной решетки. При этом для решетки в этом частотном диапазоне удалось сформировать направленный импульс с угловой шириной 10° и уровнем боковых лепестков порядка —12 дБ.
Перед проведением экспериментов по ВЧ ГА наблюдению осуществлялась калибровка коэффициентов передачи приемных гидрофонов и последующее выравнивание уровней их сигналов. Для этого использовался наблюдаемый при проведении эксперимента аддитивный шум. Коэффициенты передачи приемников определялись по энергии шума на каждом приемнике, исходя из предположения, что частотный спектр шума на всех гидрофонах одинаковый [16, 17]. При наблюдении неоднородностей нерабочие или поврежденные гидрофоны не использовались, а сигналы остальных приводились к общему уровню путем нормировки на их коэффициенты передачи. Сформированная в условиях проведения экспериментов ширина угловой диаграммы направленности приемных решеток составила величину порядка 7—10°. Как показал анализ пространственно-временного распределения принимаемых сигналов для горизонтальной и вертикальной антенных решеток, лучевая структура сигналов сохранялась на всем интервале задержек, соответствующих длительности импульса. Менялась только интенсивность таких структур. По окончании импульса по всем угловым направлениям формировалась мощная реверберационная помеха. Из анализа сигналов вертикальной приемной решетки следовало, что основной шум приходил с направления 90°, т.е. с водного горизонта. Интенсивность сигнала с направления ~85° резко спадала по окончании импульса и не имела реверберационного "хвоста". Аналогичные результаты были получены и для частоты 9 кГц. Пространственная избирательность различных типов зондирующих сигналов при приеме антенными решетками оценивалась путем измерений коэффициентов корреляции между сигналами с разных угловых каналов вертикальной и горизонтальной антенны. Анализ измеренных при усреднении 75 временных реализаций значений элементов матриц коэффициентов корреляции для горизонтальной и вертикальной антенных решеток показал, что структура распространяющихся в волноводе импульсов с разных направлений слабо коррелированна. При этом пространственные направления распространения сигнала оказались практически независимыми, а отстройка от реверберационных помех из соседних каналов имела высокую эффективность.
Как следует из результатов измерений, излучаемые решеткой зондирующие ГА сигналы в условиях рассматриваемого эксперимента обладают достаточно высокой пространственной и временной когерентностью. Это подтверждается высокой эффективностью пространственной и частотной фильтрации, значения которой близки к теоретическому прогнозу. Однако по мере распространения в случайно неоднородной морской среде когерентность ГА сигналов уменьшается, что приводит к ухудшению точности и дальности наблюдения ГА систем. В обсуждаемых экспериментах из-за неровности рельефа морского дна в районе измерений, а также из-за рассеяния на случайных неоднородностях и многочисленных локализованных неровностях дна формируется сложная случайно-неоднородная пространственно-временная структура сигнала в виде совокупности имеющих различную природу волновых компонент с существенно отличающимися когерентными свойства
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.