Исследование и разработка математических моделей акустических сигналов и помех для гидроакустических тренажеров

чески ни экспериментально охватить всю информацию, которая необходима для

полного описания процессов, происходящих в таком потоке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Руденко О.В., Чиркин А.С. Теория нелинейного взаимодействия монохроматических и шумовых волн в слабодиспергирующих средах // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. Вып. 5(11). С.1903-1911.

2. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Проблемы теории нелинейной акустики. // Акуст. журнал. 1974. Т. ХХ. Вып. 3. С.449-457.

3. Гурбатов С.Н. Параметрическое взаимодействие и усиление случайных волн в недиспергирующей среде // Акуст. журнал. 1980. Т. XXVI. Вып. 4. С.551-559.

4. Гурбатов С.Н., Саичев А.И., Якушкин И.Г. Нелинейные волны и одномерная турбулентность в средах без дисперсии. // УФН. 1983. Т. 141. Вып.2. С. 221-255.

5. Колмаков И.А. Изменение частот акустических комбинационных волн в движущихся средах // Акуст. журнал. 1995. Т. 41. №2. С.341-343.

6. Есипов И.Б., Зименков С.В., Калачев А.И., Назаров В.Е. Зондирование океанического вихря направленным параметрическим излучением // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №1. С.173-176.

7. Наугольных К.А., Рыбак С.А., Скрынников Ю.И. О нелинейном взаимодействии акустических волн в неоднородном потоке жидкости // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №2. С.321-325.

8. Кириченко И.А., Старченко И.Б., Тимошенко В.И. Модель параметрической антенны с учетом нелинейного взаимодействия первичных волн в гидродинамическом потоке // VI сессия Российского акустического общества: Акустика на пороге 21 века. М., 1997. С.67-70.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

А.Н. Долгов

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ

Мировой опыт показывает, что наиболее эффективным средством профессиональной подготовки операторов-гидроакустиков является тренажерная подготовка. Реализация моделей рыбопоисковых приборов в гидроакустических и рыбопромысловых тренажерах осуществляется с помощью имитатора сигналов и помех, обеспечивающих формирование в устройствах отображения пультов управления соответствующей графической информации и звуковых сигналов [1,2]. Основным условием пригодности математических моделей для использования в имитаторах тренажеров является требование недопустимости формирования ложных навыков управления рыбопоисковой аппаратурой при распознавании гидроакустических сигналов. Это достигается путем разработки и применения математических моделей, обеспечивающих реалистичность имитируемых сигналов, адекватных условиям промысла [3].

Известные из научной литературы математические модели компонент гидроакустических сигналов чаще всего или сильно упрощены, или, наоборот, настолько сложны, что их реализация в реальном масштабе времени проблематична. Кроме этого, довольно большое количество компонент сигналов, поступающих на вход гидроакустических рыбопоисковых приборов, до настоящего времени не рассматривалось.

В данной статье приводятся математические модели компонент сигналов, принимаемых антеннами рыбопоисковых приборов - гидролокатором, эхолотом и траловым зондом. Все математические модели представлены в виде эффективных значений напряжений соответствующей компоненты на выходе антенны.

Эхо-сигнал от искусственной эталонной цели:

.Рм. Я

Я2 2

где ц а- чувствительность антенны в режиме приема; Р1м - эффективное значение

звукового давления в режиме излучения, приведенное к дистанции 1 м; Я э - радиус

эквивалентной сферы; р - коэффициент поглощения звука в воде; Я - расстояние от

антенны до эталонной цели.

Эхо-сигнал от одиночной рыбы:

тт .. 1м 1р і п-0,0001ря

и э1р - Ц а •д/т- '10

Я2 V 4п

где С7г - акустическое сечение обратного рассеяния одиночной рыбы, которое определяется в соответствии со следующим выражением

а1р = А. Ьвр - А,2-в,

где А и В - константы, зависящие от ракурса тела рыбы; ц - длина рыбы; А - длина

звуковой волны в воде.

Эхо-сигнал от рыбного скопления (косяка):

Р ап • V • р

-Мм ІР имп г

1р имп Кр 1 П-0,0001(Ж

иэк - ца • ^ ф ИШ1 р • 10-

эк а ЯМ 4п

"і

где Vимп — текущий импульсный объем; р р - средняя плотность рыб в воде.

Когерентная составляющая эхо-сигнала от донной поверхности:

Р к ф 2

иэдк = ца • • е- 2 • 10-0’0001рк,

эдк 1 а 2Я

где ко— коэффициент отражения звука от идеально плоской донной поверхности;

Ф - параметр Рэлея.

Реверберационная составляющая эхо-сигнала от донной поверхности:

10-0,0001РЯі

где Бі - площадь элемента поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в і -й момент времени; 5д - среднеквадратичный угол наклона неровностей донной поверхности; 0 м - угол между средней нормалью к рассеивающему элементу

донной поверхности и осью характеристики направленности.

Повторный эхо-сигнал от донной поверхности:

Р1м к2

1м_о • е-Ф • 10-0’0002рЯ

4Б

Эхо-сигнал от поверхности моря:

иэпм = Ца ' —-1М2 » Я2 ' д/8^ ' ЄХР

1§5В • 008 »• Яі V 8п

41“ 5

•10

-0,0001РЯі

В У

Upnc = rç-RM--JXlV^

где О - угол между вертикалью и осью характеристики направленности; § В - среднеквадратичный угол наклона неровностей поверхности моря, который может быть определен в соответствии со следующим выражением:

tg25в = 0,001 -(3 + 5,\2¥В) ,

где УВ - скорость ветра, м/с.

Реверберационный сигнал от неоднородностей водной среды (объемная реверберация):

иор = ^.|.СгХ10-0,00№А ,

где - коэффициент обратного рассеяния неоднородностей водной среды; с - скорость звука в воде; т - длительность зондирующего импульса; у - ширина эквивалентной идеальной характеристики направленности, выраженная в стерадианах (для плоских антенн с прямоугольной апертурой у = 5,5/ у, для плоских антенн с круговой апертурой гХ= 5,9/й, где у - коэффициент осевой концентрации антенны).

Реверберационный сигнал от приповерхностного слоя рассеивателей:

Р1м. г.. . ю-0,0001г.Я ,

где ёу. - значение параметра ё у (см. модель объемной реверберации) на 1 - ом горизонте; ДБ1 - площадь сечения части рассеивающего объема, центр которой находится на 1 -ом горизонте и в пределах которой значение параметра £у можно считать постоянным и равным ёу. .

Реверберационный сигнал от звукорассеивающего слоя:

= ^ • • , где ё у с - коэффициент обратного рассеяния единицы объема звукорассеивающего слоя; - объем участка звукорассеивающего слоя, попадающего в импульсный

объем на дистанции .

Реверберационный сигнал от кильватерной струи судна:

иКс = к-Яы^-ь„-10-0,0001|Ж

Я

где - сила обратного рассеяния одного метра кильватерной струи; - длина

участка кильватерной струи, попадающего в текущий момент времени в раствор характеристики направленности и ограниченного протяженностью импульсного объема.

Эхо-сигнал от нижней подборы трала:

U -u P • I mp .io-0-0001PR

инп M'a ґ1м ЛІ 8R3 ’

где - диаметр троса нижней подборы трала.

Эхо-сигнал от верхней подборы трала, оснащенной шаровыми поплавками (кухтылями):

где - радиус кухтыля; - количество кухтылей на верхней подборе.

Эхо-сигнал от траловой доски:

= ___________ • • - в

где - волновое число (к — 2п/X); - площадь траловой доски; - модуль

характеристики направленности поршня площадью в направлении , рассчитанной для удвоенной рабочей частоты; - угол между направлением зондирова-

ния и нормалью к поверхности траловой доски.

Эхо-сигнал от тралового груза-углубителя:

где - масса груза-углубителя; - плотность вещества груза-углубителя.

Эхо-сигнал от рыбы в кутке трала:

где - масса захваченной тралом рыбы; - плотность воды.

Импульсная помеха от зондирующего импульса гидролокатора другого судна при распространении без отражения от донной поверхности:

где - эффективное значение звукового давления в режиме излучения для антенны мешающего гидролокатора, приведенное к дистанции 1 м; - протяженность

трассы, проходимой зондирующим импульсом от антенны мешающего гидролокатора до антенны штатного рыбопоискового прибора; - уровень характеристики на-

правленности антенны штатного рыбопоискового прибора в режиме приема в направлении на антенну мешающего гидролокатора; Бш - уровень характеристики направленности антенны мешающего гидролокатора в режиме излучения в направлении на антенну штатного рыбопоискового прибора; кг - уровень амплитудночастотной характеристики приемного тракта штатного рыбопоискового прибора на рабочей частоте мешающего гидролокатора; р 2- коэффициент поглощения звука в воде на рабочей частоте мешающего гидролокатора.

Когерентная составляющая импульсной помехи от зондирующего импульса гидролокатора другого судна для случая переотражения от донной поверхности:

Р* К ф 2

и — Ц • 1м^ о •е 2 Б Б •к, •10- 0-00005р2(Я1+Я2),

мгк г^а ^ ^ пш им ?

Я-1 + ^2

где Я1 - протяженность участка трассы, проходимого отраженным от донной поверхности импульсом до антенны штатного рыбопоискового прибора; я2 - протяженность участка трассы, проходимого зондирующим импульсом от антенны мешающего гидролокатора до точки зеркального отражения на донной поверхности; Б - уровень характеристики направленности антенны штатного рыбопоискового прибора в режиме приема в направлении на точку зеркального отражения; Б - уровень характеристики направленности антенны мешающего гидролокатора в режиме излучения в направлении на точку зеркального отражения.

Некогерентная составляющая импульсной помехи от зондирующего импульса гидролокатора другого судна для случая переотражения от донной поверхности:

( + )• ЛІ р

где - угол между границей характеристики направленности приемной антенны и зеркальным направлением из точки встречи этой границы с донной поверхностью, выраженный в радианах; р - угол наклона антенны штатного гидролокатора. Акустические шумы собственного судна:

где - звуковое давление шумовой помехи, приведенное к стандартным условиям (частоте 1 кГц, полосе 1Гц, ненаправленному приему); -- резонансная частота

приемного тракта, кГц; - полоса пропускания приемного тракта, Гц; - коэффициент осевой концентрации антенны в режиме приема; - текущая скорость

судна; - скорость, на которой была измерена величина ; - уровень характеристики направленности моделируемой антенны в направлении на корму судна; -

уровень характеристики направленности в направлении на корму судна гидроакустической антенны или гидрофона, использованных при измерении параметра .

Представленные выше математические выражения для средних уровней эхо-сигналов получены для случая их приема по основному лепестку характеристики направленности. При построении моделей компонент результирующего сигнала, формируемых при приеме эхо-сигналов по боковым лепесткам характеристики направленности, в правые части соответствующих равенств добавляется множитель, определяемый как квадрат уровня соответствующего бокового лепестка.

Исходя из опыта разработки гидроакустических и рыбопромысловых тренажеров, для трех основных типов рыбопоисковых приборов (гидролокатора, эхолота и тралового зонда) в результирующий сигнал предлагается включить следующие компоненты моделей, приведенных в таблице.

_________________________________________________________________________Таблица

+

Тип рыбопоискового прибора Порядковый номер математического выражения для компоненты сигнала

Гидролокатор 1 - 7, 10 -13, 15 - 22

Эхолот 1 - 7, 10 -12, 19 - 22

Траловый зонд 1 - 14

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н.,. Сыротюк А.П Компьютерный гидроакустический

тренажер для рыбопоискового комплекса “Сарган-К” // Рыбное хозяйство. Сер. Актуальные научно-технические проблемы отрасли: Обзорная информация ВНИЭРХ. Вып.1. С.20-28.

2. Долгов А.Н.,. Кудрявцев Н.Н,. Сыротюк А.П Разработка имитатора сигналов для

рыбопоискового эхолота “Сарган” и создание на базе его гидроакустического тренажера // Рыбное хозяйство. Сер. Актуальные научно-технические проблемы отрасли: Обзорная информация ВНИЭРХ. Вып.1. С..30-34.

3. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н.,. Сыротюк А.П Гидроакустическая подсистема ком-

плексного рыбопромыслового тренажера // Труды У Междунар. конференции: Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. 6-9 июля 2002. С.Петербург, Россия. С.297-300.