Использование методов нелинейной акустики в современных гидролокационных технологиях

ваются по алгоритму прогнозирования отказов. Основной критерий алгоритма прогнозирования отказов это контроль изменения величины параметра во времени. Методами статистической математики оценивается время оставшегося работоспособного состояния и делается прогнозирование времени отказа ТЭЗа. Результаты анализа сообщаются оператору в виде рекомендаций на мониторе .

Рис. 2. Схема структурная электрическая устройств контроля

Наиболее сложным вопросом является метрологическое обеспечение регулировочных работ приемо-сдаточных и государственных испытаний. Использование в комплексах цифровой техники потребовало внедрения средств измерений нового поколения таких, как виртуальные стенды, анализаторы на базе ПК и другие.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы метрологии военной техники. - М.: Военное издательство, 1993.

2. Руководство по метрологическому и диагностическому обеспечению разрабатываемого радиотехнического вооружения ВМФ. - Санкт-Петербург, 1996.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ НЕЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ В СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ В. А. Воронин, С. П. Тарасов, В. И. Тимошенко

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Тенденции развития гидроакустики показывают, что использующиеся методы и средства гидроакустической локации постепенно достигают потенциально воз-

можных пределов. При самых широких возможностях цифровой техники, компьютерных технологий в плане обработки информации, ее хранения и принятия решений невозможно получить на выходе системы больше информации, чем заложено в гидроакустическом канале, представляющем собой совокупность излучающей и приемной антенн и среды распространения сигналов. Информативность гидроакустического канала можно увеличить путем использования новых типов сигналов, совершенствования методов излучения, более полного использования потенциала, заложенного в амплитудных, частотных и фазовых характеристиках.

Перспективным инструментом для решения ряда специфических задач гидроакустики представляются параметрические излучающие антенны, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии акустических волн при распространении. Применение параметрических антенн в гидроакустической аппаратуре позволяет за счет их широкополосности, высокой направленности, низкого уровня бокового поля существенно увеличить отношение сигнал/помеха в сложной помехо-

вой обстановке, повысить информативность и точность при обнаружении и определении координат подводных объектов, получить дополнительные признаки для распознавания.

Основным элементом параметрической антенны является антенна накачки, представляющая собой антенную решетку, состоящую из двух подрешеток из элементов с разными резонансными частотами. Подрешетки вставлены друг в друга так, что элементы располагаются в порядке чередования типов. На рис.1 представлена антенна накачки круг-Рис. 1. Антенная система параметрическо- лой формы параметрического про-

го локатора филографа. Вокруг антенной решет-

ки располагается приемная антенна

в форме кольца из цилиндрических элементов.

На рис. 2 представлены характеристики направленности антенны накачки на частотах накачки 130 и 150 кГц, а на рис. 3 - характеристика направленности параметрической антенны на разностных частотах 7, 12, 14, 20 кГц. Ширина характеристики направленности составляет 3° и практически постоянна на всех разностных частотах в диапазоне 7-20 кГц. Уровень бокового поля не превышает - 40 дБ. На рис. 4 приведена характеристика направленности приемной антенны параметрического профилографа.

Высокая направленность параметрических приборов при излучении низких, хорошо проникающих в грунт частот, позволяет добиться хорошего разрешения и за счет этого получить детальную информацию об изучаемом участке. В силу своей широкополосности параметрический профилограф способен адаптивно решать задачу профилирования донных отложений, позволяя выбрать оптимальную рабочую частоту в зависимости от вида и типа донного грунта. При этом «озвученный» объем на разных частотах будет одинаковым благодаря свойству постоянства характеристики направленности параметрической антенны в широком частотном диапазоне.

На основе уравнения гидролокации можно получить выражение для вычисления акустической мощности по каждой из частот накачки, необходимой для регистрации слоя донных осадков, залегающего на глубине И:

ш _ 2g • 103£ РПО • Н • 1р • ю^+^у/ь

а д •а/2Нсг • F2 •«• Ьв • I(Б,у)-4гП~ТГизлРс’

где £ - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на выход тракта обработки, которое обеспечивает регистрацию сигнала с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги; РПО - эффективное значение акустического давления помехи при стандартных условиях: / = 1 кГц, А/ = 1 Гц, уПР = 1; уПР - коэффициент концентрации приемной акустической антенны; д - общий коэффициент, учитывающий ослабление сигнала при отражении и прохождении; вгР - коэффициент затухания в грунте: I (Б, у) - интеграл, описывающий поведение сигнала разностной частоты [1].

Рис. 2. Характеристики направленности антенны накачки

7 кГц 12 кГц 14 кГц 20 кГц

Рис. 3. Характеристики направленности параметрической антенны

Это выражение позволяет рассчитать мощность по каждой из частот накачки, необходимую для стратификации донных осадков с учетом их характеристик, или определить отношение сигнал/помеха, которого можно достичь при разных параметрах зондирующего сигнала и акустических характеристик донных грунтов.

Уровень необходимой акустической мощности зависит от типа донных осадочных структур, от соотношения их акустических характеристик. На рис. 5 представлены частотные зависимости акустической мощности по частотам накачки, не-

обходимой для регистрации границы раздела двух типов грунтов, находящейся на глубине 5 м, для различных сочетаний донных осадков. Кривые 1 и 3 построены при разных коэффициентах отражения и одинаковых затуханиях в грунте, т.е. в предположении, что пятиметровый слой глинистых осадков с р=1420 кг/м3 и с=1512 м/с лежит над песчаными осадками с р=1560 кг/м3 и с=1552 м/с (кривая 1) и над крупно

зернистым песком с р=2030 кг/м3 и с=1836 м/с (кривая 3). Чем больше коэффициент отражения границы раздела двух типов грунтов, тем меньшая величина акустической мощности требуется для достижения одинаковых характеристик обнаружения. Кривая 2 построена для случая регистрации глубинных океанических донных структур, а именно - границы раз-

Рис. 4. Характеристика направленности приемной антенны

дела между морским илом с р=1370 кг/м3 и с=1507 м/с и песчано-глинистыми осадками с р=1580 кг/м3 и с=1578 м/с, залегающими на пятиметровой глубине от поверхности дна. Различие в акустических сопротивлениях системы донных слоев и изменение коэффициента затухания влияет на энергетические характеристики профилографа и несколько изменяет характер кривой. Расчетные соотношения позволяют оценить потенциальные возможности профилографа донных осадков.

На рис. 6 представлены частотные зависимости коэффициента распознавания при стратификации двухслойной донной структуры для различной толщины первого осадочного слоя. Расчеты выполнены для водоема с глубиной 50 м. Параметрическая излучающая антенна, работающая на частотах накачки в районе 150 кГц, излучала сигналы разностной частоты длительностью 1 мс в диапазоне от 3 до 30 кГц. Ширина характеристики направленности на уровне минус 3 дБ составила 2 град в диапазоне разностных частот. Для уровня акустической мощности 1000 Вт по каждому канала получены зависимости отношения сигнал/помеха при глубине слоя глинистых осадков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 м (кривые , 2, 3, 4, 5, 6, 7 соответственно).

У/а,Вг

104

103

101

ч\ \ \ ч

\\ \ V \ \ \ чЧ. \ — 171 іна-пасо

\ ч ч ч *4. иналест иміскруп ап.— 3

12 15 18 21 24 ^кГц

21 24 Р_,кГц

Рис. 5. Зависимость излучаемой мощности от частоты

Рис. 6. Зависимость коэффициента распознавания от частоты

Рост уровня сигнала параметрической антенны с частотой, с одной стороны, и уменьшение сигнала с другой приводит к тому, что на кривых наблюдается оптимум. С увеличением глубины проникновения оптимальная частота, при которой отношение сигнал/помеха имеет наибольшее значение, снижается.

Представленные зависимости позволяют определить оптимальные характеристики параметрического профилографа для разных типов донных осадочных

структур и оценить энергетический потенциал в зависимости от параметров зондирующего сигнала, помеховой обстановки и акустических свойств донного грунта.

Результаты акустических исследований структуры и характеристик морского дна с целью выбора места для строительства подводного морского сооружения в Черном море представлены на рис. 7 и рис. 8. Многократными параллельными галсами с помощью параметрического профилографа производилась эхосъемка верхней части донных осадочных структур. Исследования проводились на частоте 9 кГц при длительности импульсов 1 мс. Обработка и регистрация эхосигналов осуществлялась с помощью ЭВМ. На рис. 7 приведены примеры эхограмм достаточно твердого донного грунта, в состав которого входит песок и ракушечник. На эхограмме рис. 8 дно и придонные слои выглядят несколько иначе. Это типичная запись более мягких осадочных структур, имеющих в своем составе морской ил, глинистые осадки.

Рис. 7. Эхограмма участка дна Рис. 8. Эхограмма участка дна

Исследования с целью определения предельно возможных характеристик параметрического излучателя показали, что существенно повысить энергетический потенциал параметрического эхолота-профилографа можно только с помощью сложных, например, ЛЧМ-сигналов. Однако выявилось, что обычная практика увеличения энергии сигнала за счет существенного увеличения длительности при одновременном снижении амплитуд излучаемых сигналов для облегчения режима работы излучающей антенны и усилителей мощности в данном случае неприемлема. Это объясняется амплитудной характеристикой параметрической антенны, показывающей, что эффективность процесса нелинейного взаимодействия амплитудно-зависима. Давление сигнала разностной частоты пропорционально произведению уровней давления волн накачки, что не дает возможность сколько-либо значительно уменьшать акустическую мощность накачки. Поэтому интенсивность волн накачки должна быть высокой, насколько позволяет порог кавитации и предел прочности материала преобразователей.

Рис. 9. Эхограмма участка дна для ПГЛ Рис. 10. Эхограмма участка дна для

с ЛЧМ ПГЛ с ЛЧМ

Разработанная методика расчета энергетических характеристик параметрического эхолота-профилографа с ЛЧМ-сигналом и проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность и целесообразность использования ЛЧМ-сигналов в параметрическом профилографе. Это иллюстрируется эхограммами, представленными на рис. 9 и 10 . Рис. 9 показывает структуру верхнего слоя осадков в районе Голубой бухты Черного моря, а рис. 10 - в Геленджикской бухте.

Длительность зондирующего импульса сигнала разностной частоты составляла 2 мс. Начальная частота разностного сигнала равнялась 7 кГц, а девиация составляла 8 кГц. Как показывают исследования, эти параметры обеспечили разрешение по дистанции 15 см, что существенно для разрешения тонкой структуры верхнего слоя донных морских осадков и поиска объектов, находящихся в морском иле.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронин В.А., Тарасов С.П,. Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы.- Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ РАБОТУ КОНТУРА ПРОТИВОМИННЫХ ДЕЙСТВИЙ СОВРЕМЕННОГО ТРАЛЬЩИКА Н. Н. Борисенко, В. С. Вороненко, А. Г. Ишутко

ОАО «Таганрогский завод "Прибой"»

1. Контур противоминных действий (ПМД) современного тральщика представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих полный цикл противоминных действий - поиск, обнаружение и уничтожение мин. Структура контура ПМД приведена на рис. 1.

Наиболее важными компонентами контура ПМД, из состава подсистемы обнаружения, классификации и идентификации, содержащими гидроакустические средства обеспечения обнаружения, классификации и навигации, являются:

- средства поиска, классификации и навигации, размещаемые на корабле;

- средства поиска, классификации и навигации, размещаемые на самоходном подводном аппарате;

- средства поиска и навигации, размещаемые на буксируемом носителе.

2. Гидроакустические антенны, разрабатываемые для оснащения средств поиска, классификации и навигации, размещаемых на корабле, должны удовлетворять требованиям по наклонной дальности обнаружения донных Дк.д и якорных Дк.я объектов, величинам секторов одновременного фк.о и полного фк.п обзора , величине одновременно просматриваемых глубин Нк.оп, согласованности средств обнаружения и классификации по дальностям обнаружения и секторам обзора. На рис. 2 представлены геометрические параметры освещения подводной обстановки для средств поиска, размещаемых на корабле. На рис. 3 представлены геометрические параметры освещения подводной обстановки для средств классификации и навигации, размещаемых на корабле Очевидно, что для обеспечения согласованной работы средств, поиска, классификации и навигации, размещаемых на корабле, необходимо создание трех видов гидроакустических антенн:

- обеспечивающих поиск и обнаружение;

- обеспечивающих классификацию;