Применение параметрических гидроакустических методов для контроля заиленных объектов при проведении экологического мониторинга на мелководье

Рассмотренный пример показывает, что кепстральная обработка сигналов позволяет получать высокое разрушение при ограниченных апертурах приемных антенн. При корреляционном методе пеленгования база приемной антенны будет значительно больше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Митько В. Б., Евтютов А. П., Гущин С. Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения- Л.: Судостроение, 1982.

2. Зуфрин А. М. Адаптивные методы измерения текущих координат источников сигналов // Труды 3-й школы-семинара по гидроакустике, 1972.

3. Бросалин А. В., Борисов С. А. Применение кепстрального анализа для разрешения эхо-сигналов // Сб. тезисов докл. III ВНК студентов и аспирантов " Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления".Таганрог, 1996.

4. Бросалин А. В. Исследование параметрических антенн при наличии границ раздела и методы повышения разрешающей способности параметрических профи-лографов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Таганрог. ТРТУ, 1998.

ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА МЕЛКОВОДЬЕ

А. Г. Ишутко, Т. Н. Куценко, С. П. Тарасов

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Решение задач экологического мониторинга морского дна мелководных районов с целью поиска объектов техногенного происхождения, представляющих потенциальную опасность при повреждении или разрушении, а также контроля за их состоянием для предотвращения загрязнения окружающей среды, является одной из главных составляющих системы экозащиты Земли.

Одними из наиболее эффективных методов подводного поиска считаются гидроакустические методы. Проблема обнаружения лежащих на морском дне и под слоем донного грунта объектов, таких, как нефте- и газопроводы, кабели, контейнеры различного вида с опасными для окружающей среды веществами, оказывается чрезвычайно сложной. Поиск указанных целей с помощью гидроакустических средств всегда сопровождается большим количеством ложных тревог, вызванных отражениями от неровностей и неоднородностей морского дна и придонных слоев, камней и пр. Эхо-сигналы от заиленного объекта, как правило, наблюдаются на фоне сильных отражений от морского дна, которые в ряде случаев полностью маскируют полезный сигнал. Обнаружение объектов в грунте всегда связано с большими потерями акустической энергии за счет затухания звука в донных структурах и отражения от границы раздела вода - грунт. Задача усложняется еще и тем, что помимо значительного уровня помех в виде отражений от дна и донной реверберации, существенный вклад в снижение вероятности правильного обнаружения вносит объемная реверберация в грунте.

В настоящей работе рассматривается возможность обнаружения заиленных объектов с помощью параметрического гидролокатора в различной помеховой обстановке, в том числе учитывается влияние на отношение сигнал/помеха объемной реверберации в грунте.

Основой для расчета энергетических характеристик параметрического гидролокатора является уравнение гидролокации [1]:

рс =8-рП ,

где Рс - акустическое давление эхо-сигнала в точке приема; 8 - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе тракта обработки, которое обеспечивает регистрацию сигнала с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги; Рп - акустическое давление помех.

Для определения уровня звукового давления эхо-сигнала, зависящего от излучаемой мощности, коэффициента концентрации антенны, отражающей способности цели, законов распространения сигнала до цели и обратно, следует учесть потери энергии на отражение от дна, прохождение в грунт и обратно и затухание в грунте. Таким образом, уровень звукового давления эхо-сигнала в точке приема определяется по формуле

р = Р_ (X) • К э • д 10 -0,05Рх-0.1Ргр.Х1

С 2х - ,

где д = К12-К21; К12 - коэффициент прохождения из воды в грунт; К21 - коэффициент прохождения из грунта в воду; х1 - расстояние от грунта до цели; ИЭ - эквивалентный радиус цели; х - расстояние до границы раздела; р - коэффициент затухания в воде;

Р гр - коэффициент затухания в грунте; Р_(х) - давление волны разностной частоты,

которое вычисляется по выражению

р (X) = р0!р02^V /(_ЕЕЫ_йу,

8с4р„ехр^/ЬЗ) + 1(у - гз) + угзВ

где ё=Ьв /1з , В=Ьв 1з /Ы 1б2 .

На приемную антенну гидролокатора воздействует суммарная помеха, состоящая из шумовой помехи Ршп, донной реверберации Рдр и объемного рассеяния в грунте Рор. Если считать помехи некоррелированными, то в результате энергетического сложения суммарная помеха определяется

4

Рп = )/ Ршп + Рдр + Рор

Уровень акустического давления шумовой помехи на рабочей частоте в полосе приемного тракта рассчитывается по формуле [1]

Рпо ГлГ

p =:

шп -г-, - I

F H Y пр

где F- рабочая частота; Af - полоса пропускания приемно-усилительного тракта; Yпр - коэффициент концентрации приемной антенны; Рпо - эффективное значение

акустического давления помехи при стандартных условиях: f = 1 кГц; Af = 1Гц; Y пр =1-

Уровень давления донной реверберационной помехи равен [2]

P_(x) /ад.р • sine •т • с • Пд.р

р =

др 2 -Ю0^-^ X • Уизл

где ^др - коэффициент взаимной направленности для донной реверберации; Кдр-

коэффициент рассеяния для донной реверберации; т - длительность импульса; с -скорость распространения звука в среде (в нашем случае в грунте); уизл - коэффициент осевой концентрации излучающей антенны; х - расстояние до приемника.

Для уровня давления объемной реверберации в грунте получено выражение

р =_ Р_(х) • д ¡2 -аорл0.р -х-с

°-Р- ,п0,05Рх+0,13,,-х^ у

10 К К изл

где ао.р - коэффициент объемного рассеяния в грунте; ^ - коэффициент взаимной

направленности для объемной реверберации в грунте.

После подстановки в уравнение гидролокации всех входящих величин, преобразований и решения относительно коэффициента распознавания 8 получено выражение для определения отношения сигнал/помеха при обнаружении заиленных объектов с помощью параметрического гидролокатора:

рдх)^ • д

5 =-

2( + 0>,05>, +0,1РФХ1 | Р2(х)0! 2ао.р • По.р • Т • с , Рп2о-1С6 , Р-2(х) ад.р • Т •с • П • 8Ш6 2(Х+ х1)10 ^ • Уизл + Р2-Т • Упр + 4 •10вхх х • Уизл

Полученное выражение учитывает потери при отражении от донной поверхности, затухание в грунте, а также влияние шумовой помехи, донной реверберации и объемной реверберации в грунте.

Некоторые результаты расчетов по полученному выражению представлены на рис. 1 и 2.

Особенностью аппаратуры поиска заиленных объектов является ограничение диапазона рабочих частот: сверху - ростом коэффициента затухания в грунте с частотой, снизу - явлениями дифракции, а также необходимостью существенного увеличения габаритов, веса, мощностей аппаратуры с понижением частоты.

В качестве примера приведены результаты расчетов отношения сигнал/помеха в зависимости от глубины обнаружения объекта с И э = 0,2 м в грунте

типа глины с помощью параметрического гидролокатора, работающего в диапазоне разностных частот 3 - 10 кГц с частотами накачки 100 кГц. Акустическая мощность по каждой из частот накачки составляет 3000 Вт, длительность зондирующего импульса 1 мс, ширина характеристики направленности в режиме излучения 20 Размеры излучающей и приемной антенн одинаковы и составляют 0,45 м в диаметре.

На рис.1 представлена зависимость отношения сигнал/помеха от глубины обнаружения объекта в грунте на частотах 3, 4, 5, 6, 8, 10 кГц. Уровень шумовой помехи составляет Рпо =0,01 Па, коэффициент донной реверберации а = 10-3, уровень объемной реверберации в грунте считается настолько малым, что ее влияние не учитывается. Чем больше величина заглубления объекта в донных осадках, тем на более низких частотах удается получить заданное отношение сигнал/помеха. При малых заглублениях наибольшее отношение сигнал/помеха достигается на тех частотах, на которых выше эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию волн разностной частоты, т. е. выше уровень звукового давления. При больших заглублениях объекта в грунте сильнее сказывается затухание звука. Это приводит к тому, что одинаковых характеристик обнаружения можно достичь на разных частотах, например при толщине донного грунта 5 м одинаковые отношения сигнал/помеха 8 =9 можно получить на частотах 5 и 10 кГц. При заглублениях в грунте на 9 м одинаковое значение отношения сигнал/помеха равное 3 будет на частотах 4 и

8 кГц. Очевидно, с целью увеличения разрешающей способности, выгоднее использовать более высокие частоты.

На рис.2 представлены аналогичные зависимости, но с учетом объемной реверберации в грунте (коэффициент объемного рассеяния в грунте равен а ор = 10-4).

Значения отношения сигнал/помеха существенно снизились. Особенно это заметно для небольших заглублений объектов в грунт и более высоких частот, т.е. для случаев, при которых величина отношения сигнал/помеха была особенно велика.

Рис. 1. Зависимость отношения сигнал/помеха от глубины залегания объекта для различных разностных частот без учета объемной реверберации в грунте

Рис. 2. Зависимость отношения сигнал/помеха от глубины залегания объекта для различных разностных частот с учетом шумовой помехи, объемной реверберации в грунте и донной реверберации

Таким образом, учет объемной реверберации в грунте позволяет более адекватно оценить вероятность обнаружения заиленного объекта и определить необходимые параметры аппаратуры и сигнала для эффективного решения проблемы эколо-

гического мониторинга морского дна с целью поиска объектов в мелководных районах.

1. Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. 354 с.

2. Тарасов С.П. Нелинейное взаимодействие акустических волн в задачах гидролокации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Таганрог: ТРТУ, 1998.

КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ КАК ИНФОРМАТИВНЫЙ ПАРАМЕТР ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

С. П. Тарасов, А. Н. Куценко, Ю. В. Белоус

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Одними из основных методов экологического мониторинга водных акваторий являются гидроакустические исследования, в результате которых определяется состояние водной среды, а также характер донных осадков, что позволяет в целом оценить экологическое состояние исследуемой водной акватории. Донные отложения способны накапливать в себе различные вещества, в частности тяжелые металлы, пестициды, попадающие в водные бассейны в составе сточных и грунтовых вод, а также другими путями. Вещества, попадающие в донные отложения в результате деятельности человека, изменяют структуру осадков, их химический состав и физические свойства. Эти изменения, в принципе, могут быть определены с помощью гидроакустических средств.

Наиболее информативным параметром в исследовании донных структур является коэффициент отражения, который зависит от физических свойств исследуемой системы. Эта зависимость используется при классификации подводных объектов, исследуемых гидроакустическими средствами.

В общем случае коэффициент отражения является комплексной величиной, т.е. может быть представлен в виде двух сомножителей - модуля и фазы [1, 2]. Особенности распространения волн в контактирующих средах учитываются, соответственно, на основе анализа обоих членов.

Как показано в литературе [1], для границ раздела вода - донные осадки справедлива формула Френеля [2]:

где т = р2/Рх - отношение плотностей контактирующих сред; п = с^С2 - отношение скоростей звука в этих средах (показатель преломления); 9 - угол падения волны.

Основным элементом в выражении (1), учитывающим процессы, связанные с затуханием волн в средах, является величина п = с^С2 . Если в первой среде - воде

не учитывать поглощение и дисперсию скорости звука, то при наличии этих эффектов во второй среде (грунте) показатель преломления п будет иметь вид

ЛИТЕРАТУРА

V =

В случае учета только поглощения выражение (2) примет вид [1, 2]

п = п0(1 +1 - а),