СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ РЕВЕРБЕРАЦИОННОЙ ПОМЕХИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОГО ПРОТИВОГИДРОЛОКАЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ В ОГРАНИЧЕННОЙ АКВАТОРИИ
METHOD FOR REVERBERATION INTERFERENCE SUPPRESSING WHEN MEASURING ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF ACTIVE ANTI-SONAR COATING IN LIMITED WATERS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки эффективности звукопоглощающих конструкций средств акустической защиты в судостроении, например, при создании активных противогидролокационных покрытий, характеризующихся низкочастотным рабочим диапазоном.
Гидроакустические измерения акустических характеристик звукопоглощающих конструкций осуществляются в ограниченных акваториях - гидроакустических бассейнах или в озерных условиях. Результаты измерений сопровождаются погрешностью вследствие влияния реверберационной помехи, обусловленной отражением полезных сигналов от границ раздела сред - стенок бассейна или границ «вода-воздух», «вода-дно» в открытых водоемах.
Для подавления сигналов помехи используют акустические покрытия стенок гидроакустических бассейнов, выполненные в виде звукопоглощающих клиньев (Быховский Г.Е., Покровский В.А. Гидроакустические измерения. «Судостроение», 1971, стр. 85-87), недостатком которых является необходимость увеличения их размеров при измерениях на низких частотах. В низкочастотном рабочем диапазоне активных противогидролокационных покрытий габариты звукопоглощающих клиньев могут быть сопоставимы с размерами бассейна, что делает невозможным проведение гидроакустических измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ выделения полезного сигнала из смеси с помехой, обусловленной ложными отражениями, основанный на использовании направленного приема в условиях гидроакустического бассейна (Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. «Судостроение», 1968, стр. 132-144). Этот способ принят за прототип.
Сущность способа заключается в выделении полезного сигнала, отраженного от образца испытуемой звукопоглощающей конструкции, из смеси с сигналами помехи в результате формирования направленного приема при помощи дискретной антенны. Пространственная избирательность дискретной антенны, состоящей из отдельных ненаправленных приемных элементов, определяется ее апертурой и частотой принимаемого сигнала.
Необходимость автоматизации акустических измерений в широком частотном диапазоне требует применения зондирующих сигналов, частота которых изменяется в процессе измерения. При этом в низкочастотном диапазоне требуемая апертура антенны может превышать размеры гидроакустического бассейна.
Недостатком рассматриваемого способа является невозможность формирования направленного приема сигналов при измерениях акустических характеристик активных противогидролокационных покрытий в широком диапазоне частот, например, с использованием частотно-модулированных сигналов. Для применения направленного приема с использованием дискретной антенны необходимо обеспечить расстояние между отдельными приемными элементами порядка половины длины волны зондирующего колебания. В ряде случаев мгновенная частота частотно-модулированного сигнала не соответствует требуемому расстоянию между приемными элементами дискретной антенны. Это приводит к формированию добавочных максимумов диаграммы направленности, сопоставимых с основным максимумом. Возможно также возрастание уровней сигналов, принимаемых в направлении минимальных значений диаграммы направленности. Указанные причины ограничивают применение направленного приема для выделения широкополосного полезного сигнала из смеси с помехой в ограниченных акваториях и делают невозможным его использование в задачах автоматизации гидроакустических измерений.
Задачей изобретения является обеспечение пространственной фильтрации сложного сигнала, отраженного от испытуемой звукопоглощающей конструкции и принимаемого совместно с ложными отражениями, при помощи дискретной антенны.
Поставленная задача решается следующим образом. Способ подавления реверберационной помехи при измерениях акустических характеристик активного противогидролокационного покрытия в ограниченной акватории, включающий излучение сложного зондирующего сигнала, синхронный многоканальный прием отраженного сигнала и сигнала помехи, формирование направленного приема и регистрацию результирующего сигнала. В каждом приемном канале осуществляют сжатие принятого сигнала по частоте путем переменной задержки относительно опорного сигнала на заданной частоте, его полосовую фильтрацию в окрестности заданной частоты, а после формирования направленного приема восстанавливают исходный временной масштаб результирующего сигнала при помощи обратной переменной задержки и осуществляют его регистрацию.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами 1-8.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 1), содержит образец испытуемой звукопоглощающей конструкции 1, связанный через падающее акустическое поле с излучателем 2, вход которого соединен с выходом генератора сложных сигналов 3. Образец испытуемой звукопоглощающей конструкции 1 через отраженное акустическое поле связан с входами приемных элементов дискретной антенны 4, каждый из которых соединен с блоком частотного сжатия 5, соединенного через блок полосовых фильтров 6 с входом формирователя направленности 7. Выход формирователя направленности подключен к входу блока восстановления временного масштаба 8, выход которого соединен с входом регистратора 9. Управляющие входы блока частотного сжатия 5 и блока восстановления временного масштаба 8 соединены с выходом генератора сложных сигналов 3.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
Зондирующий акустический сигнал, полученный при помощи генератора сложного сигнала 3 и излучателя 2, отражается от поверхности образца звукопоглощающей конструкции 1 и, взаимодействуя с сигналами, отраженными от стенок гидроакустического бассейна, формирует суммарный отраженный сигнал. Прием суммарного отраженного сигнала осуществляется приемными элементами дискретной антенны 4. Суммарный сигнал на выходе каждого приемного элемента подвергается частотному сжатию в блоке частотного сжатия 5 путем преобразования его временного масштаба с использованием опорного сигнала и последующей полосовой фильтрации при помощи блока полосовых фильтров 6, полоса пропускания которых задается в окрестности сформированной дискретной спектральной составляющей. В блоке 7 осуществляется формирование направленного приема путем суммирования сигналов, снимаемых с выходов блока полосовых фильтров и изменения пространственной ориентации диаграммы направленности (при необходимости) путем введения компенсирующей задержки. Исходный временной масштаб отфильтрованного сигнала восстанавливается в блоке восстановления временного масштаба 8, после чего результирующий сигнал запоминается в регистраторе 9.
Для упрощения изложения в описываемом устройстве опущены известные процедуры управления частотным сжатием сигналов и восстановлением исходного временного масштаба, осуществляемые при помощи нерегулярной дискретизации сигналов, период которой изменяется в соответствии с частотой сложного зондирующего сигнала.
Использование предлагаемого способа показано на примере компьютерного моделирования работы устройства.
В результате моделирования формировался частотно-модулированный сигнал, спектр которого, представленный на фиг. 2, занимал конечную полосу частот | и использовался для оценки эффективности частотного сжатия.
Спектр сигнала, полученный в результате частотного сжатия представлен на фиг. 3. Результат частотного сжатия для сигналов, частота которых изменяется по линейному закону, приведен на фиг. 4, на которой обозначено: 10 - спектр сигнала, частота которого изменяется по линейному закону; 11 - спектр сжатого по частоте сигнала. Из представленных примеров следует, что сложные сигналы, формируемые путем частотной модуляции, трансформируются в тональные сигналы на заданной частоте. При этом наблюдается возрастание уровня результирующего сигнала. Эффективность частотного сжатия определяется качеством опорного сигнала, используемого для управления нерегулярной дискретизацией, критерием которого является величина его начальной задержки. В общем случае начальная задержка опорного сигнала, при которой обеспечивается минимальная полоса частот, занимаемая сигналом на заданной частоте, является неизвестной. В практических случаях требуемая задержка опорного сигнала определяется путем подбора. Оптимальное значение начальной задержки опорного сигнала соответствует максимальному уровню формируемой дискретной спектральной составляющей. В качестве примера поиска оптимального значения начальной задержки на фиг. 5 показана последовательность спектров сигнала на частотах двух дискретных спектральных составляющих, частоты которых изменяются по закону, близкому к линейному. Спектры получены при различных значениях начальной задержки опорного сигнала. В результате подбора значений начальной задержки опорного сигнала на представленной последовательности спектров в окрестности частот дискретных спектральных составляющих наблюдаются максимальные значения уровней дискретных составляющих при сужении полосы частот. Аналогичное преобразование спектров натурного полигармонического сигнала представлено на фиг. 6.
Частотное сжатие принимаемых сигналов обеспечивает подавление влияния искажений направленного приема, обусловленных широкой полосой
сложных сигналов, используемых при гидроакустических измерениях в условиях гидроакустических бассейнов. На фиг. 7. приведен пример планарной диаграммы направленности дискретной антенны в случае приема сигнала, частота которого модулирована по линейному закону. Искажения характеристик направленного приема наблюдаются, если расстояния между приемными элементами дискретной антенны превышают половину длины волны зондирующего сигнала, что соответствует низкочастотному диапазону измерений. Частотное сжатие принимаемых сигналов позволяет без существенных искажений реализовать направленный прием, планарная диаграмма направленности которого имеет традиционный вид (фиг. 8). При этом информация об акустических характеристиках исследуемого образца звукопоглощающей конструкции сосредоточена в амплитудной огибающей сформированной дискретной составляющей, для выделения которой осуществляется восстановление исходного временного масштаба сигнала полученного в результате применения направленного приема, и регистрация результирующего сигнала.
Сравнение диаграмм направленности дискретной антенны, полученных для сложного исходного сигнала и сигнала, полученного в результате операций по предлагаемому способу, показывает, что его основное преимущество перед способом-прототипом заключается в подавлении помехи, обусловленной ложными отражениями, за счет восстановления пространственной избирательности дискретной антенны.