Применение низкочастотного эхолота-профилографа с многоэлементной излучающей антенной и широкополосным ЛЧМ зондирующим сигналом для исследования морского дна

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Долотов С.А., Каевицер В.И., Смольянинов И.В. Точность определения угла прихода эхосигналов гидролокационным комплексом бокового обзора // Навигация и гидрография. 1996. № 3.

2. Долотов С.А., Каевицер В.И., Разманов В.М. Об одной особенности съемки релье-

//

журнал. 1997. Т.43. № 4.

3. Разманов В.М., Долотов С.А., Смольянинов И.В. Анализ деталей рельефа морского дна фазовым ГБО АГКПС-200 // Геология морей и океанов: XIII Международная

. . . 1999. .2.

4. Kraeutner P.H. Small Aperture Acoustic Imaging using Model Based Array Signal Processing Ph.d. thesis, Simon Fraser University, Burnaby, B.C. Canada. 1998.

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭХОЛОТА-ПРОФИЛОГРАФА С МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННОЙ И ШИРОКОПОЛОСНЫМ ЛЧМ ЗОНДИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ для ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКОГО ДНА

С.А. Долотов, В.И. Каевицер, В.М. Разманов, И.В. Смольянинов, А.В. Саворский

Низкочастотные эхолоты - профилографы находят широкое применение при исследовании морского дна, в том числе и в экологических целях. Они позволяют получать достаточно детальную информацию о структуре донных отложений и наличии различного рода объектов естественного и искусственного происхождения на поверхности дна и в верхних осадочных слоях.

При разработке низкочастотных эхолотов - профилографов приходится учитывать несколько взаимно противоречивых требований (эти требования справедливы и для многих других гидроакустических систем, но особенно сильно проявляются именно для профилографов): для более глубокого проникновения сигнала в грунт требуется использование как можно более низкой несущей частоты сигнала; но на низких частотах возникают проблемы с формированием узкой диаграммы направ, , увеличение длительности излучаемой посылки не позволяет достичь требуемого разрешения по дальности. Одним из способов решения возникающих проблем является применение широкополосного линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) зондирующего сигнала и многоэлементных антенн. Применение ЛЧМ зондирующего сигнала и оптимальной (корреляционной) обработки позволяет снять ограничение на длительность посылки, т.к. разрешение по дальности определяется полосой ЛЧМ

, . порядков повысить энергетические характеристики системы при сохранении требуемого разрешения по дальности, но требует построения когерентной схемы синтеза и обработки сигнала а также дополнительного исследования искажения спектра отраженного широкополосного сигнала. Применение многоэлементных низкочастотных антенн позволяет сформировать узкую диаграмму направленности для низкочастот-,

.

В ИРЭ РАН был разработан и прошел успешные морские испытания в 2003г. низкочастотный эхолот - профилограф диапазона 5 кГц с 8-ми элементной излучающей антенной и ЛЧМ зондирующим сигналом. Применение 8-ми элементной антенны позволило сузить ширину главного лепестка диаграммы направленности примерно в шесть раз по сравнению с шириной диаграммы одиночной антенны, применяв-

, 20 -не моря 100 - 200 м и глубине проникновения в грунт 20 - 30 м.

Ниже приводится расчет результирующей диаграммы направленности 8-ми элементной антенны а также исследуется искажение спектра широкополосного ЛЧМ сигнала по практическим данным, полученным в Северном Ледовитом океане.

Антенна низкочастотного эхолота-профилографа представляет из себя решетку 1,5м х 1,5м (1м х 1м по центрам антенн), состоящую из девяти идентичных антенн (рис.1). Центральная антенна используется в качестве приемной, остальные

- , . антенны в аналитическом виде не задана, известно, что ширина главного лепестка составляет ±30° по уровню 0,7 и боковые лепестки практически отсутствуют. Для оценки ширины главного лепестка получившейся восьмиэлементной антенны воспользуемся теоремами умножения и смещения [1]. Согласно теореме умножения, диаграмму направленности антенны, состоящей из нескольких идентичных элемен-, -мента и диаграммы направленности такой же составной антенны из точечных (нена-) .

антенны, в силу её очевидной симметрии, имеет одинаковый вид в плоскостях Х0г и У0г. Рассчитаем диаграмму направленности в одной из этих плоскостей.

Согласно теореме смещения, при расчете диаграммы направленности дискретной антенны можно смещать её элементы в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой производится расчет диаграммы. Таким образом, решетку из восьми антенн можно представить как линейную антенну из трех элементов с амплитудами излучения ЗА, 2А, ЗА, где А - амплитуда излучения отдельного элемента (диаграмма рассчитывается для плоскости Х0г, элементы смещаются вдоль оси 0У). Расчет диаграммы направленности получившейся трехэлементной антенны можно

, -стоянии Я, производимое тремя элементами, как:

Р =

А - ;

Я - расстояние от центра антенны и системы координат до точки наблюде-

;

к = 2л/Л , X = с/Я - длина волны;

d - расстояние между элементами;

9 - угол между осью 02 и направлением на точку наблюдения (в плоскости

хог).

Опуская временной множитель, воспользовавшись формулой ехр(гх) +

ехр(-1 х) = 2 соб(х), и нормируя на Ртах = (А/Я) (3 +2 +3 ), получаем для диаграммы

направленности в плоскости Х0г

Б

(2) : антенну с амплитудами 3А, 2А, 3А как комбинацию двух линейных антенн с ампли-

2А, 2А, 2А А, А

направленности линейной антенны из N элементов и теоремой сложения [1].

, -

,

Б

(2) (3) , . .

R > 2 L LA,

где L - наибольший линейный размер излучающей системы.

Диаграмму направленности в пространстве можно представить как произведение диаграмм в плоскостях XOZ и YOZ

D(0x,0y)=(1+3 cos( k d sin(0x)) (1+3 cos( k d sin(0y))/16

где 0x и 0y - углы между осью OZ и проекциями радиус -вектора на плоскости XOZ и YOZ соответственно. Переходя к привычным полярным координатам (0,ф), после несложных преобразований можно получить

D(0^) = ( 1 + 3 cos( k d sin(0) cos^)/ д/(1 - sin2 (0) sin2 (ф)) )*

sin^)/^/

На рис. 2 представлен вид D(0,ф) для некоторых фиксированных ф.

Как отмечалось ранее, диаграмма направленности одиночной антенны точно

, ,

вид

Do

где 0o=3O°. Тогда результирующую диаграмму направленности можно записать как

F

На рис.3 представлено трехмерное изображение результирующей диаграммы направленности, полученное с помощью пакета MathCAD.

Рис.1. Расположение антенн низкочастотного эхолота-профилографа

Сделаем численные оценки для сечения диаграммы плоскостью Х0г (или У02), положив с = 1500 м/с, d = 0,5 м, / = 5000 Гц. Получим ширину главного лепестка < ±5° по уровню 0,7. Первый нуль диаграммы получаем при 0 = ±11°. Кроме

того, в пределы главного лепестка одиночной антенны (±30° по уровню 0,7) попадает второй максимум (0 = ±17°), второй нуль (0 = ±25°) и третий максимум (0 = ±36°).

0.8

(в,0}

КгС “

°Н)04 0.2

° 0 0.2 0.4 0.6 0.3 1 1.2 1.4 1.6

0

Рис.2. Диаграмма направленности Б(0,ф) в зависимости от полярного угла 0 для фиксированных значений угла ф=0, л/8, л/4

О.!

0.6

0.4

0.2

-0.

Рис.3. Результирующая диаграмма направленности Р(0,ф) 8-ми элементной антенны

,

конфигурации, представленной на рис. 1, позволяет сузить ширину главного лепестка диаграммы направленности примерно в шесть раз; при этом образуются дополнительные локальные максимумы в пределах главного лепестка исходной диаграммы направленности одиночной антенны. Проведенная оценка диаграммы направленности справедлива на расстояниях Я > 7 - 15 м (из формулы (4), при Ь = 1 - 1,5 м).

Корреляционная обработка ЛЧМ сигнала неявно предполагает, что форма отраженного от различных слоев осадочных пород сигнала (или его спектр) не изменяется и совпадает с зондирующим. Очевидно, однако, что при отражении от морского грунта следует ожидать изменения спектра широкополосного сигнала и это должно приводить к уменьшению разрешения. Поэтому исследование характера изменений формы отраженных эхо-сигналов является актуальной задачей для повышения эффективности использования акустических профилографов со сложными сиг.

С этой целью были проанализированы результаты профилирования морского , . 4.

Анализ данных заключался в исследовании изменения спектра отраженного сигнала в зависимости от глубины Н проникновения в морской грунт. Спектральный анализ проводился на последовательных интервалах времени (увеличения времени задержки) с перекрытием. В качестве опорного значения для положения начального интервала выбиралось время отражения от поверхности дна (Н=0), причем начальный интервал спектрального анализа смещался в сторону меньших задержек (Н<0) на . , -следовательный набор спектров, начиная с отражения от придонных областей до практически полного исчезновения отраженного сигнала и привязанный относительно поверхности дна. Для уменьшения дисперсии этот набор спектров усреднялся по нескольким строкам данных, соответствующим однотипным грунтам. С целью уменьшения влияния помех, вычисленные спектры приводились к спектру на выходе , -нала. Базовый интервал спектрального анализа Т соответствовал длительности зондируемого импульса и составлял 512 отсчетов (что по глубине соответствует примерно Ш=12 м), разрешение по частоте при этом составляет примерно 57 Гц. Перекрытие интервалов спектрального оценивания составляло половину периода оценки. Середина первого интервала спектрального оценивания отстояла от линии дна по времени задержки на Т (по глубине на Ш = -12 м), все последующие смещались на Т/2 ( Н/2 = 6 ) .

с. 4 , -

стически плотным коренным морским грунтам, и представляющий относительно узкую однородную область по глубине с быстро спадающей интенсивностью отраженного сигнала. На рис. 5 приведено последовательное изменение спектров отраженного сигнала для этого фрагмента, причем для наглядности вместе со спектром модельного ЛЧМ сигнала. Для каждого номера спектра на этом рисунке указана глубина отражения (как середина интервала спектрального оценивания). Глубина связана с номером спектра п соотношением Н = -12 + (п - 1)*6 (м).

НМ 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 N

.4. ( ),

производился анализ искажений спектра отраженного ЛЧМ сигнала

Из приведенных данных можно отметить основные закономерности изменения спектра отраженного сигнала. Так первое отражение регистрируется в придонном слое на верхних частотах спектра (спектр 1, Н = - 12 м). По мере увеличения глубины (ниже поверхности дна по профилограмме) спектр расширяется в сторону , -

вать (спектры 3,4), а при дальнейшем увеличении глубины и оставшаяся низкочас-

( 5,6). -

ности достигается в низкочастотной части спектра. Для мощных придонных отло-, . 6, -.

некотором диапазоне глубин высокочастотной части спектра и проявляются в появлении спектра типа 2 между спектрами типа 3 и 4 на рис. 5. При этом преобладание низкочастотной части в этом диапазоне глубин для этого типа грунтов менее значительно. Происходит выравнивание формы спектра и только потом уменьшение высокочастотной части, и затухание низкочастотной. Эта особенность, по-видимому, связана со слоистой структурой осадков и слабым поглощением в отдельных слоях. От,

асимметрии спектра отраженного сигнала можно определить коэффициент частотной зависимости затухания в пределах полосы сигнала.

, -рами, связанными со сложной структурой донных осадков [3]. Отражение в придонных областях на высоких частотах может быть связано с отражением от мелких взвешенных частиц ила, эффективный размер которых увеличивается с глубиной и соответственно может вызывать отражение на более низких частотах, что и определяет изменение формы отраженного сигнала. Такой резонансный механизм отражения может усложнить интерпретацию изменения спектра, как результат только частотного затухания вследствие поглощения. Как случайно-неоднородная среда осадки также вызывают и размытие спектра сигнала, что действительно наблюдается при более детальном анализе формы спектра в области крыльев. Наличие отдельных слоев со слабым затуханием в донном грунте может вызывать переотражения, что на профилограммах может быть интерпретировано как появление несуществующих слоев на кратных дальностях.

Рис.5. Спектры отраженного сигнала и спектр модельного

.6. ,

- (5 ) 8-

элементной антенной

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение. 1988.

2. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Советское радио. 1971.

3. Хэмптон Л. Акустика морских осадков. - М.: Мир, 1977.

НОВЫЕ ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОРУДИЙ ЛОВА И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Е.Н. Гаврилов

Многолетний интенсивный промысел рыб донных пород, отсутствие на многих промысловых судах наиболее информативных приборов контроля орудий лова, отсутствие описаний грунтов в районах промысла часто приводят к порывам и даже потерей орудий лова в результате их зацепов о неровности морского дна. Так по материалам, представленным в работе [1 ] наибольший процент мусора на морском дне вдоль Европейского побережья (более 70 процентов) составляют пластиковые предметы (сумки, бутылки) и остатки орудий лова.

Как показали результаты испытаний и опытной эксплуатации наиболее эффективными для поиска рыбных скоплений и сохранения орудий лова на донном промысле являются новые приборы, называемые траловыми гидролокаторами. Они представляют полную информацию промысловикам не только о распределении рыбных скоплений в придонном слое, но и о неровностях донной поверхности и её структуре. К таким приборам относится модель FS900/925MKII (модернизированный вариант FS20/25), разработанный фирмой Kongsberg Simrad Mesotech ltd., Канада, модели TCS700E,TCS770 фирмы Westmar, США и модели Imagenex TS331, TS333 фирмы Furuno, Япония. Функциональные возможности этих приборов контроля орудий лова во многом одинаковы, а технические параметры отличаются незначительно. Поэтому рассмотрим устройство одного из них на примере прибора FS900/925MKII [2].

Этот траловый гидролокатор с кабельным каналом связи состоит из подвод, , , цветного изображения и блока питания. Конструктивно подводный блок рассчитан на глубину погружения до 1800 метров и имеет модуль сканирования в вертикальной плоскости, работающего на частоте 330 кГц, модуль сканирования в горизонтальной

90 , , -

гружения и наполнения трала рыбой [2].