Использование гидролокатора бокового обзора со сложным сигналом для решения задач прикладной гидроакустики

тельного элемента является универсальной и находит применение в модернизируемых акустических датчиках ДХС-514, обеспечивающих измерение акустических сигналов на уровне малых, до 5 МПа, статических давлений, измерение быстропеременных давлений на уровнях до 75, 100, 150 МПа в широкой (до 20 Кгц) полосе частот. В зависимости от величины статического давления рабочей среды нормируемые значения коэффициента преобразования секции, воспринимающей полезный (переменную силу) и паразитный (вибрационный) сигналы, принимают значения, которые представлены в табл. 2.

Датчики быстропеременного и акустического давления на основе разработанной конструкции обладают преимуществом по чувствительности более чем в четыре раза по сравнению с аналогами ДХС-514 и ЛХ-511.

Таблица 2

Рабочее давление Рст, МПа 5 75 100 150

Нормируемое значение коэффициента преобразования КП 2200^2400 1800^2000 1600^1750 1100^1200

Авторы выражают благодарность В.И. Бутову за помощь в работе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Дунаевский В.П. Исследование путей совершенствования пьезокерамических чувствительных элементов виброизмерительных датчиков // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2002. Москва. С. 237.

2. Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокрое Е.А., Панич А.Е. Высокотемпературные пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений малых и сверхмалых уровней // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2000. Москва. С.277.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА СО СЛОЖНЫМ СИГНАЛОМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОАКУСТИКИ

В. А. Воронин, С. П. Тарасов

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Обеспечение решения широкого круга оборонных и хозяйственных задач, обеспечение безопасности судоходства, решения задач поиска и мониторинга инженерных сооружений, таких как коллекторы очистных сооружений, сваи причальных сооружений и их остатки, затопленные плавсредства и отходы промышленных предприятий, связаны с созданием современных гидролокационных средств для получения информации о рельефе дна и объектах на поверхности дна. Наиболее перспек-

тивным гидроакустическим средством при исследовании фарватеров, прокладке и контроле трубопроводов и кабелей, строительстве и контроле состояния подводных сооружений, поиске и классификации других подводных объектов, мониторинге подводной обстановки в неизвестных водах являются гидролокаторы бокового обзора. Технические разработки гидролокаторов бокового обзора ведущих институтов и фирм как у нас в стране, так и за рубежом успешно применяются для указанных выше целей. Реальные потребности инженерно-геологических и других организаций заставили разработать гидроакустические комплексы, включающие в свою структуру системы сбора, передачи и регистрации информации, калибровки и диагностики, навигационного обеспечения и вычислительных систем, учитывающих движение судна, перекрытие галсов и ведущие постпроцессинговую обработку сигналов. По сравнению с другими гидроакустическими средствами, например с многолучевыми локаторами, гидролокатор бокового обзора обеспечивает угловое разрешение на уровне десятых долей градуса (в многолучевом локаторе разрешение единицы градусов при приемлемом количестве каналов обработки сигналов) при более простой и надежной конструкции с меньшими массогабаритными параметрами, энергопотреблением, стоимостью [1,2]. В настоящей работе рассмотрены результаты разработки комплекса гидролокатора бокового обзора с возможностями, описанными выше.

Для повышения разрешающей способности по дистанции в гидролокаторах уменьшают длительность импульса, что приводит к уменьшению дальности действия за счет уменьшения соотношения сигнал/шум при увеличении полосы приемного тракта. Применение в гидролокаторах бокового обзора широкополосных сигналов позволяет, с одной стороны, повысить соотношение сигнал/шум при оптимальной обработке, а с другой - увеличить дальность действия за счет увеличения энергии сигнала. При этом разрешающая способность по дистанции определяется шириной полосы излучаемого сигнала, а дальность действия увеличивается пропорционально увеличению длительности импульса. В таком гидролокаторе бокового обзора полоса просматриваемого участка дна увеличивается в 1,5 - 2 раза, увеличивается помехозащищенность благодаря использованию зондирующего сигнала с линейночастотной модуляцией.

Традиционно энергию излучаемого сигнала повышают удлинением излучаемого импульса, что приводит к увеличению соотношения сигнал/помеха на выходе приемной системы при оптимальной обработке сигналов. Это позволяет либо повысить дальность лоцирования, либо снизить мощность излучаемых сигналов.

В основе разработки методик расчета энергетических характеристик гидроакустических систем лежит уравнение гидролокации в виде

3с = 52 • 3 п,

где 3с,3п - интенсивности сигнала и помехи в точке приема;

5 - коэффициент распознавания.

Коэффициент распознавания показывает, каким должно быть отношение сигнал/помеха в точке приема, чтобы сигнал был принят с соответствующей вероятностью. Такая постановка задачи локации требует, чтобы коэффициент распознавания был, по крайней мере, больше единицы. При этом на выходе приемной системы для узкополосных сигналов отношение сигнал/шум определяется соотношением

к5=л14ТТ 5,

где к5 - коэффициент, характеризующий то необходимое отношение напряжения

сигнала к напряжению помехи на входе регистратора, которое обеспечивает прием сигнала с заданной вероятностью и характеризует степень надежности приема;

А/ - полоса пропускания приемного тракта;

Т - время усреднения для локации берется равным длительности импульса.

При оптимальной обработке узкополосных сигналов, например импульсных

с тональным заполнением, произведение • Т близко к 1, поэтому соотношение

сигнал/шум на выходе приемного тракта незначительно отличается от такого же соотношения на входе системы.

Иное дело при использовании широкополосных сигналов с последующей их оптимальной обработкой согласованным с сигналом фильтром.

Важным свойством согласованного фильтра является то, что среди всех линейных фильтров согласованный фильтр обеспечивает на выходе наивысшее отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичному значению шума в случае, если шум является гауссовым с равномерным спектром [3].

Найдем это максимальное значение

где я - максимальное значение амплитуды сигнала;

макс

- среднеквадратичное значение шума на выходе фильтра;

Е - энергия сигнала;

Ы0 - спектральная плотность мощности шума.

Если огибающая сигнала на входе фильтра постоянна в течение длительности импульса, то мощность сигнала на входе равна

=Е/Т,

где Т - длительность сигнала.

Тогда отношение мощности сигнала к мощности шума на входе равно

= Е К ТМ0А ’

где Кп - мощность шума на входе фильтра;

АГ - энергетическая полоса частот сигнала и согласованного с ним фильтра. Таким образом, согласованный фильтр улучшает соотношение сигнал/шум по мощности в А2ГТ раз. То есть

Чем больше база сигнала 2АГТ , тем значительнее увеличение отношения сигнал/шум на выходе фильтра по отношению ко входу.

Следует отметить, что сигнал на выходе согласованного фильтра представляет собой автокорреляционную функцию входного сигнала, которая сосредоточена в более коротком интервале времени, чем длительность сигнала. Это приводит к увеличению разрешающей способности системы локации по дистанции.

Приведем это соотношение к обозначениям, принятым в локации. Соотношение сигнал/шум на входе системы обозначим 52 , а на выходе фильтра к5. Тогда соотношение между этими величинами будет

к8 = 82  2А/1.

Прием отраженных сигналов обычно ведется на направленную приемную антенну, которая является пространственным фильтром. Тогда в изотропном по пространству поле помех отношение сигнал/помеха на выходе антенны увеличивается в упр раз, где упр - коэффициент осевой концентрации приемной антенны, который

является мерой ее помехоустойчивости по отношению к внешним шумам. В результате этого последнее выражение можно записать в виде

к5=82  2ЛАГупр.

Используя это соотношение в уравнении гидролокации, можно показать, что соотношение сигнал шум на выходе согласованного фильтра существенно возрастает, а разрешающая способность по дистанции определяется полосой зондирующего сигнала.

Нами был разработан гидролокатор бокового обзора с широкополосным сигналом в виде импульса с линейной частотной модуляцией. Гидролокатор бокового обзора состоит из блока формирования и обработки сигналов, включающего в себя многофункциональную ЭВМ с программами формирования электронных узлов в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), блока управления приемными трактами и обработки результатов измерений и электронного блока с узлами формирования сигналов, приема отраженных сигналов и преобразования их в цифровую форму, усилителя мощности и антенны правого и левого бортов. Частоты, на которых работает гидролокатор бокового обзора, составляют 200 и 260 кГц. Длительность импульса может изменяться от 30 мкс до 7 мс. Девиация частоты составляет 16 и 32 кГц. На рис. 1 показана диаграмма направленности антенны локатора на частоте 260 кГц в вертикальной плоскости, а на рис. 2 - в горизонтальной. Как видно из рисунков, ширина характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости составляет 1,5 градуса и эта величина определяет разрешение локатора по углу, а в вертикальной плоскости ширина характеристики направленности составляет 42 градуса. Эта величина определяет полосу обзора локатора. Минимальное разрешение по дистанции составляет 2 см и зависит от длительности импульса при работе тональным сигналом или от девиации частоты при работе ЛЧМ сигналом с последующим его сжатием.

Разработанный гидролокатор бокового обзора использовался для проведения эхосъемок дна и инженерных сооружений в Черном море в 2003 году в районе Геленджика в Голубой бухте.

гП

Рис. 1. Характеристика направленности антенны ГБО в вертикальной плоскости

Рис. 2. Характеристика направленности антенны ГБО в горизонтальной плоскости

На рис. 3 приведена эхограмма участка дна Голубой бухты, на которой виден в нижней части фрагмент корпуса затонувшего судна. Запись сделана на частоте 260 кГц с длительностью импульса 7 мс и девиацией частоты 32 кГц. На рис. 4 приведена эхограмма участка дна Черного моря в районе Геленджика, сделанная при тех же условиях, на которой видна часть трубы городского коллектора, вымытая из грунта течениями.

Рис. 3. Эхограмма участка дна с затоп- Рис. 4. Эхограмма участка дна с вымыленным корпусом судна тым коллектором

Приведенные эхограммы показывают высокую разрешающую способность гидролокатора бокового обзора по угловым координатам и по дистанции и  озволяяют судить о возможности его использования для экологического мониторинга водоемов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Воронин В.А., Ходотов А.В., Скнаря А.В., Тарасов С.П., Трусилов В.Т. Использование гидролокатора бокового обзора со сложным сигналом для экологического мониторинга дна и инженерных подводных сооружений // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Экология 2004 - море и человек». Материалы Третьей Всероссийской конференции с международным участием. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. №5(40). С. 80 - 82.

3. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Сов. радио, 1969. - 232 с.