Метод низкочастотной гидроакустической томографии и измерительная система контроля морских акваторий

М.В. Мироненко, П.А. Стародубцев

МЕТОД НИЗКОЧАСТОТНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ МОРСКИХ АКВАТОРИЙ

В статье рассматриваются материалы теоретических исследований и практических разработок задачи широкомасштабного томографического мониторинга протяженных океанских акваторий, основанного на реализации закономерностей низкочастотного «просветного» метода.

Задача определения дистанции и ориентировочного значения глубины шумящего объекта решена в известном изобретении Роберта Дж. Урика под названием «глубоководная цепочка гидрофонных блоков» [1]. Глубоководная вертикальная антенна Роберта Дж. Урика представляет собой цепочку гидрофонных блоков, каждый из которых устанавливается на заданной глубине и контролируется датчиком. Блоки расположены так, что они принимают сигналы от шумящих объектов, охватывая конусом лучи, приходящие сверху и снизу. Принцип действия антенны по изобретению Роберта Дж. Урика заключается в следующем. Установленная на якоре вертикальная цепочка направленных приемных гидрофонных блоков обеспечивает полный (по дистанции и глубине) просмотр глубоководной (до 3000 м) акватории по ее внутренним (предельным) лучам скольжения, которые приходят в точку приема без отражений от дна и поверхности и обеспечивают за счет этого энергетический выигрыш от 5 до 20 дБ. Выбор горизонтов в таких комбинированных системах излучения и приема сигналов должны обеспечивать единственные для контролируемой акватории условия приходов сигналов по лучам и охватывать просмотр всей толщи контролируемой среды по трассе. При обнаружении подводных объектов детальный просмотр среды может охватывать только участки и горизонты их наиболее вероятного маневрирования. Ожидаемые траектории лучей (приходов сигналов от объектов) рассчитываются заранее с учетом измеренных параметров гидролого-акустических характеристик среды [2-4].

Применение в системе контроля дополнительной излучающей цепочки ненаправленных преобразователей позволяет обеспечивать максимально возможную засветку контролируемой среды. Практика многочисленных акустических исследований показывает, что таких блоков достаточно взять три и установить: на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше ПЗК, ниже ПЗК. При этом в системе контроля при определении дистанции и места объекта (определении точек пересечения верхних и нижних предельных лучей) используются закономерности усиления параметрического

преобразования сигналов близкой частоты нелинейными областями объектов и их полями различной физической природы (акустическими, гидродинамическими, электромагнитными).

Рассматриваемое техническое решение дальнего обнаружения и определения места морских объектов эффективно объединяет закономерности активно-пассивной и параметрической гидролокации. Система контроля протяженных морских акваторий в этом случае включает (рис. 1) следующие элементы: заякоренную глубоководную вертикальную антенну, состоящую из приемных блоков и радиобуя, которая может быть мобильно развернута в заданном районе моря; автономную излучающую систему, состоящую из ненаправленных излучающих блоков, которая также может быть мобильно установлена на якоре в заданном районе моря. Блоки излучающих и приемных антенн устанавливаются на горизонтах излучения и приема сигналов, обеспечивающих оптимальную акустическую подсветку всех горизонтов и участков вероятного расположения и маневрирования объектов на акватории, а также надежный прием прихода сигналов по верхним и нижним предельным лучам скольжения, которые определяются заранее по измеряемым гидролого-акустическим характеристикам контролируемой трассы.

В случае пересечения лучей (траектории сигналов) нелинейными областями объектов происходит усиление параметрического взаимодействия сигналов близкой частоты и формирование в них составляющих суммарной частоты, которые накладываются на исходные волны. Затем эти сигналы выделяются в приемном тракте и используются для определения места объекта (дистанции и глубины). Усиление параметрического преобразования отдельных просветных сигналов характерными составляющими полей шумоизлучения объектов используется как обобщенный признак объекта. В случае обнаружения биологических объектов (например, косяков рыб) могут быть эффективно использованы также резонансные рассеивающие свойства их воздушных пузырей, что определяется по модуляционным характеристикам просветных сигналов [5, 6].

Сущность параметрического преобразования просветных сигналов нелинейными областями объектов, а также характерными дискретными составляющими их акустических полей заключается в следующем [5]. Промодулированная низкочастотным гармоническим сигналом высокочастотная волна подсветки представляет фазомоду-лированную волну, давление в которой может быть определено по формуле:

Р(Х 9) = РПС0Б-^г

+ Дф0 С0Б

- / т \

Ь

V1 С0 ,

I - — С0

Ь

+ Я-

1 С

В этом выражении индекс фазовой модуляции:

Б1П

Дф = (У- 1 + С0Б 9) • РС№ПЬ 2р о(Со)3

я —(1 - С0Б 9) 1 „

Я —

1 С

Давление волн комбинационных частот имеет вид:

Б1П

Р(9 = (У-1 + 2С0Б9) • РпР^пЬ

Я 7^(1 - С0Б 9) 1 „

Я-^(1 - С0Б 9) 1 „

- С0Б 9) '

1 „

где РП, РС, Рк - давление сигналов подсветки (обнаруживаемого и комбинационного); wn,wc - частоты сигналов подсветки и обнаруживаемого;

Ь - протяженность пути взаимодействия сигналов (база параметрического приемника); 9 - угол взаимодействия между сигналами; У - параметр нелинейности среды, для морской воды равен 3,5 (для кильватерного следа и скоплений морских биологических организмов (МБО) он может достигать величин 10-15). В случае совпадения траекторий сигнала цели и сигнала подсветки (9 =0), что имеет место при разнесенном излучении, приеме сигналов и манев-

+

Синхронизация режимов излучения-приёма

Рисунок 1. Активно-пассивная система контроля морских акваторий

М.В. Мироненко, П.А. Стародубцев

Метод низкочастотной гидроакустической томографии...

рировании цели между излучателем и приемником, выражения для индекса фазовой модуляции и давления комбинационных волн могут быть представлены в следующем виде [5]:

Рк =

(у+1) • w1PnPcL

Дф0 =

(у+1) • w2PcL

4ро

Процесс взаимодействия волн с частотами w1 и w2 в нелинейной среде заключается в модуляции фазы одного колебания вторым, что может быть выражено индексом фазовой модуляции либо уровнем интенсивности сигналов, образовавшихся комбинационных частот (w1 + w2). При этом фазовая модуляция высокочастотной волны возникает из-за изменения скорости распространения ее фронта (изменения скорости колебания частиц среды) в поле низкочастотной волны. Давление параметрических комбинационных волн суммарной и разностной частот (Рк) в этом случае может быть выражено следующей аналитической зависимостью:

Рк =

(У + ^^Р^ 4ро(Со)3

где w1,w2,P1,P2 - частоты и давления исходных волн близкой частоты, р0 - плотность среды, с0 - скорость звука в среде. Разработанная просветная система контроля морских акваторий основана на реализации закономерностей нелинейной акустики и представляет собой многоканальную широкомасштабную параметрическую систему с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных сигналов близкой частоты, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути их совместного распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам возмущенной области среды.

Спектрограмма шумоизлучения технического объекта, обнаруженного томографической системой, представлена на рис. 2. Ввиду нетрадиционности построения рассматриваемой томографической системы измеряется и представляется также

1, мин.

2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Гц

Рисунок 2. Спектрограмма шумоизлучения технического объекта

нетрадиционно образ обнаруживаемых объектов, а именно: измеряются спектральные (или статистические) характеристики флуктуаций амплитуды и фазы просветных сигналов, обусловленные модуляцией, а также параметрическим преобразованием сигналов движущихся объектов и его полями различной физической природы.

Нетрадиционность метода и измерительной системы определяется большими протяженностя-ми обследуемых океанских акваторий и широкомас-штабностью измерительной системы. Эти факторы обуславливают изменение низкочастотных (десятки - сотни Гц) просветных сигналов и упрощение измерительной системы (до 2 излучателей и до 2-3 приемников), что, в свою очередь, позволяет измерять не геометрические образы объектов, а только характеристики их пространственно - развитых полей (акустических, гидродинамических, электромагнитных и других), которые в простран-

ственно - временном масштабе регистрируются на рекордерах и других носителях информации.

В заключение можно отметить следующее: разработанная томографическая система контроля морских акваторий представляет собой многоканальную широкомасштабную систему с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Приемная часть томографической системы контроля среды представляет собой приемную параметрическую антенну с низкочастотной накачкой.

Принцип компоновки и функционирования систем основан на использовании достижений нетрадиционного низкочастотного метода гидролокации на просвет, который включает: угловое или временное разрешение тонкой структуры многолучевого акустического поля, а также использование закономерностей параметрического преобразования просветных сигналов нелинейными областями объектов.

Список использованной литературы:

1. Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222.

2. М.В. Мироненко, П.А. Стародубцев, С.А. Бахарев. Проблемы разработки метода низкочастотной акустической томографии морской среды и нетрадиционные методы их решения. Сб. ТОВВМУ им. С.О. Макарова, В-к,1998.

3. В.Б. Митько, А.П. Евтютов, С.Г. Гущин. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - 200 с.

4. В.И. Телятников. Методы и устройства для определения местоположения источников звука // Зарубежная радиоэлектроника. - 1978. - №4. - С. 66-68.

5. В.А. Зверев, А.И. Калачев. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн // Акуст. ж. - 1970. - Т.16. - №2. - С. 245251.

6. С.А. Бахарев, М.В. Мироненко. Устройство для обнаружения и пеленгования инфразвуковых сигналов: Положительное решение ВНИИГПЭ на изобретение №1514 от 25.06.1992.