Билет 14

1) ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ

акуст. колебания, воздействующие на приемные антенны гидроакуст. уст-в, не связанные с полезным сигналом, а также его маскирующие и искажающие (например, реверберационные помехи) Частотный спектр ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОМЕХ перекрывает весь диапазон используемых в гидроакустике сигналов, вследствие чего ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ являются осн. фактором, ограничивающим дальность действия гидроакуст. средств. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ делятся на шумы моря, шумы носителей и организованные. Шумы моря обусловлены взаимодействием океана и атмосферы, разрушением и подвижками лед. покрова, жизнедеятельностью мор. фауны, тектонич. деятельностью земной коры, техн. и тепловыми (на ВЧ) шумами. Шумы носителей определяются шумами, создаваемыми движителями, вибрациями суд. механизмов и констр. и гидродинам. шумами, связанными с обтеканием. Шумы, создаваемые винтами и вибрациями механизмов, имеют выраженные дискретные составляющие, частоты которых кратны числу оборотов механизмов. Организованные ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ создаются специально разл. гидроакуст. ср-ми (стационарными, суд., самоходными и дрейфующими) в диапазоне частот используемых сигналов для снижения вероятности и дальности обнаружения.

2) Направленное действие преобразователей

Направленностью называется свойство преобразователя распределять в пространстве излучаемую акустическую энергию. Направленное излучение плоского излучателя создается следующим образом:

Если рассмотреть две точки А и В, расположенные симметрично относительно центра излучающей поверхности, то они, как и все остальные точки, расположенные на излучающей поверхности, колеблются синхронно и синфазно.

В удаленную точку приема С, расположенную на оси, перпендикулярной излучающей поверхности, акустические лучи, исходящие из точек А и В, приходят в одинаковой фазе, т. к. они проходят одинаковое расстояние АС = ВС (разность хода лучей равна нулю). Поэтому амплитуды колебаний, приходящих в точку С от точек А и В, складываются (результирующая амплитуда акустического давления максимальна).

При отклонении точки приема на угол “α” в любую сторону от нормали к излучающей поверхности (например, в точку D), расстояние AD не равно расстоянию BD. В этом случае лучи от точек А и В приходят в точку D с некоторой разностью хода. Фазы принимаемых колебаний неодинаковы и зависят от разности хода лучей. Поэтому результирующая амплитуда колебаний в точке D будет меньше, чем в точке С.

С увеличением угла отклонения от нормали разность хода колебаний, исходящих от точек А и В, будет увеличиваться, и при некотором угле α₀ достигнет половины длины волны λ/2. Тогда колебания будут приходить в точку приема в противофазе, и интенсивность суммарных колебаний будет равна нулю.

Таким образом, основная энергия акустических колебаний излучается в направлении нормали к излучающей поверхности в пределах конуса с раствором 2α₀. Если длина и ширина излучающей поверхности неодинаковы, то сечение конуса направленности будет представлять не окружность, а эллипс.

При отклонении от нормали на угол, больший, чем α₀, сдвиг колебаний по фазе продолжает увеличиваться, и когда разность хода лучей достигнет величины λ, колебания вновь совпадут по фазе и возникнет второй (боковой) максимум.

Направленное излучение возможно только в том случае, если ширина излучающей поверхности будет больше, чем длина волны λ. Поэтому для получения требуемого угла направленности при приемлемых размерах излучающей поверхности необходимо использовать колебания с длиной волны 5 – 7,5 см, т. е. с рабочей частотой 20 – 30 кГц.

Выбор угла направленности производится с таким расчетом, чтобы при бортовой и килевой качке отражающие объекты не выходили из зоны облучения.

Диаграмма направленности приемной антенны имеет почти такую же форму, как и диаграмма направленности излучающей антенны.

3) Механическое сканирование антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется при помощи специальных приспособлений. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и помехозащищенности.

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в рыбопоисковых гидроакустических средствах, имеющих в своем составе параметрические приемные антенны (ППА).

Известно устройство для обнаружения низкочастотных (НЧ) гидроакустических сигналов, содержащее последовательно электрически соединенные задающий генератор широкополосного сигнала, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, выполняющий роль излучателя накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который подключен к электронному блоку обработки сигналов, включающему в себя: полосовой фильтр, соединенный с несколькими идентичными каналами, состоящими из корреляторов, полосовых фильтров и устройств с регулируемой временной задержкой, выходы каналов соединены с сумматором /Патент США N 3882444, МКИ G 01 S 9/66, 1975/.

К недостаткам данного устройства относятся:

1. Низкое соотношение сигнал/помеха (с/п) из-за использования ненаправленного гидрофона в качестве приемного элемента ППА.

2. Сложность схемы обработки сигналов в связи с использованием широкополосного сигнала накачки для обеспечения электронного сканирования характеристики направленности (ХН) антенны.

3. Значительный уровень прямого сигнала накачки, являющегося, с другой стороны, собственной помехой ППА.

4. Невозможность обнаружения сигналов в низком звуковом диапазоне (НЗД) частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторных фильтров и фазового детектора.

Известно устройство для обнаружения НЧ гидроакустических сигналов, содержащее последовательно электрически соединенные генератор случайной последовательности ВЧ импульсов, усилитель мощности и излучатель ВЧ сигнала накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который, в свою очередь, последовательно электрически соединен с процессором, включающим в себя набор узкополосных режекторных фильтров и блок сравнения сигналов, принимаемых гидрофоном, с задержанными по времени реализациями излученного ВЧ сигнала накачки

В

последнее время для обзора пространства используется электронное сканирование луча

диаграммы направленности антенны. Ряд приложений этой задачи, относящихся реализации

функции охраны объектов со стороны водной акватории, на сегодня являются весьма

актуальными.

Следует отметить, что имеющиеся на сегодня подобные системы, производимые как за

рубежом, так и в нашей стране, имеют существенные ограничения по ряду параметров, к

которым следует отнести в первую очередь дальность действия и помехоустойчивость.

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

67

В ОАО «НИИП» был разработан гидролокатор для охраны объектов со стороны водной

акватории, в котором реализована возможность использования в качестве зондирующего

сигнала не только короткой тональной посылки и ЛЧМ сигнала, традиционно применяемых в

гидролокаторах производства ОАО «НИИП», но также и новых типов сложных сигналов.

В настоящее время в ОАО «НИИП» продолжается активная разработка отечественных

гидролокаторов высокого пространственного разрешения на основе новых типов сложных

сигналов. Проведенные в сезон 2009-2010 годов натурные эксперименты с разработанными

макетами различных типов гидролокаторов показали, что применение в них новых типов

сложных сигналов позволило существенно улучшить их технические характеристики

гидролокаторов при решении различных задач, к которым относятся гидролокаторы для

обследования толщи воды, гидроакустические системы навигации (ГАНС) и акустическая

связь.

Данные работы являются началом большого комплекса работ, проводимых в ОАО

«НИИП», целью которых является разработка принципиально новых отечественных

гидролокаторов, имеющих высокое пространственное разрешение, высокую

помехоустойчивость и способных адаптироваться к параметрам среды распространения

сигнала.

Для повышения разрешающей способности и сокращения мертвой зоны аппаратуры выбирается более короткий импульс. С уменьшением импульса с -соответствующим расширением по­лосы пропускания увеличивается пороговая мощность, прием­ного тракта, но уменьшается дальность действия'прибора. По мере повышения длительности излучаемых импульсов заметно возрастает четкость регистрации отдельных рыб и разрежен­ных скоплений на фоне помех. При длительности импульсов 2—3 мс эхо, например, от одиночных рыб фиксируется на эхо-грамме достаточно длинными штрихами и легко выделяется на фоне помех, при длительности 0,5—1 мс труднее выделять полезные сигналы при наличии значительных импульсных по­мех. В связи с этим в рыболокационной аппаратуре, особенно горизонтального действия, обычно предусматриваются импульсы посылки как короткой, так и большой длительности. В рыболо-каторах вертикального действия длительность зондирующих импульсов обычно находится в пределах от 0,5 до 3—5 мс. В аппаратуре горизонтально-вертикального действия диапазон изменения длительности более широк: обычно от 0,5—1 до 20;— 30 мс. В некоторых станциях для увеличения дистанции обна­ружения достаточно плотных скоплений применяются импульсы с длительностью до 100 мс.

Ширина характеристики н а пр а в ленно ст и. Она значительно влияет на некоторые параметры гидролокаторов и эхолотов. Узкие характеристики направленности обеспечи­вают концентрацию энергии в небольшой зоне, что позволяет увеличивать дальность действия при меньшей излучаемой мощ­ности. Узкие характеристики позволяют более надежно опреде­лять границы скопления рыб, обнаруживать промысловые объ­екты вблизи грунта или на свалах глубин, увеличивать разре­шающую способность по направлению, уменьшать влияние реверберации. В то же время они затрудняют определение глу­бины, поиск и удержание эхо-контакта с обнаруженными объ­ектами при волнении на море. Сужение диаграммы требует также увеличения линейных размеров вибраторов. На судах получили распространение, различные системы стабилизации, которые значительно уменьшают влияние качки. В гидроаку­стических приборах применяется несколько характеристик на­правленности. Ширина характеристики направленности выби­рается в зависимости от условий плавания и промысла.

Частота следования импульсов. Она влияет на скорость и надежность получения информации¹ об объектах. С повышением частоты посылок эта информация становится бо­лее полной, что позволяет без ошибок расшифровывать записи, более точно определять параметры обнаруженных объектов промысла, определять структуру и рельеф дна, уменьшать влия­ние помех. В приборах частота посылок меняется в зависимо­сти от диапазона измерений.

Приемные устройства гидроакустической аппаратуры харак­теризуются коэффициентом усиления, полосой пропускания ча­стот, чувствительностью приемника и др.

Билет 15

1)ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ГИДРОЛОКАЦИИ

Такие уравнения устанавливают связь между явлениями в среде, объекте локации и аппаратуры. Они относятся к числу тех инструментов, которыми могут пользоваться инженеры в процессе эксплуатации при необходимости сравнения технических характеристик аппаратуры или определения параметров среды и лоцируемого объекта. В основу уравнений гидролокации положено обеспечение равенства или определенного заданного соотношения между полезной частью акустического поля в точке приема (сигнала) и элементами поля, затрудняющими выделение и распознавание сигнала (помехи или фона). Полезный сигнал всегда флуктуирует и принимается на фоне помех. Главная цель при проектировании РПА – поиск средств, увеличивающих ее чувствительность к полезному сигналу, или, другими словами, увеличивающих соотношение сигнал/помеха. Выполнение решения поставленной задачи перед РПА оказывается возможным практически с того момента, когда уровень полезного сигнала станет превышать уровень маскирующей его помехи или будет равным ему, т. е. аппаратура начинает решать свою задачу, когда уровень сигнала равен уровню маскирующей помехи. Это равенство и называется основным уравнением гидролокации. Термин маскирующая помеха означает, что с сигналом взаимодействует не весь шумовой фон, а только та его составляющая, которая лежит в частотной полосе сигнала. Следует отметить, что это равенство выполняется только в какой-то определенный момент времени в процессе приближения объекта локации к гидроакустическому приемнику или удаление от него. На более близких дистанциях уровень сигнала, приходящего от объекта, превышает уровень маскирующей помехи, а при больших расстояниях наблюдается обратное соотношение. При разработке же РПА за основу берется именно событие равенства сигнала и уровня маскирующей помехи, поскольку в этот момент аппаратура начинает практически решать поставленную перед ней задачу. В практическом применении основное уравнение гидролокации аналитически записывается следующим образом :

Ic=δ2Iп ,

где Ic – интенсивность сигнала в точке приема;

Iп – интенсивность акустических помех в точке приема;

δ – коэффициент распознавания.

СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЫБОПОИСКОВОЙ АППАРАТУРЫ ПРОМЫСЛОВОГО СУДНА

Однако функции, выполняемые РПА, многообразнее и зависят от решаемых задач, связанных с особенностью промысловых районов, метеоусловий, орудий лова, типов судов и других факторов. По общим признакам решаемых задач РПА можно сгруппировать в отдельные подклассы : эхолоты, гидролокаторы и гидроакустическую аппаратуру контроля параметров орудий лова. Основное назначение эхолотов – определение глубины и обнаружение одиночной рыбы и рыбных скоплений непосредственно под корпусом судна на заданных глубинах. В задачу гидролокаторов входит поиск, обнаружение и классификация рыбных скоплений в стороне от судна на дистанциях, обеспечивающих возможность осуществления судном маневра для успешного наведения орудий лова на обнаруженное рыбное скопление. Гидроакустическая аппаратура контроля параметров орудий лова позволяет измерять величину раскрыва трала, отстояние трала от грунта, поверхности моря (глубину хода трала), заход рыбы в трал (наполнение трала), прохождение рыбы мимо трала (потери), координаты отстояния трала относительно судна и температуру воды в районе трала. Эти параметры позволяют оперативно производить маневрирование тралом с целью выбора оптимального режима траления, точно знать время наполнения трала, а также своевременно предупреждать и исключать возможности зацепов, повреждений и потерь тралов. Созданная аппаратура имеет два типа связи между орудиями лова и судном: по кабелю и телеметрическому гидроакустическому каналу.

2) При активной Г. используется отражённый или рассеянный объектом сигнал, поэтому в активной локации создаётся мощное направленное излучение импульсов акустических с заполнением несущей частотой. При этом направление на объект определяется аналогично пассивному методу, а расстояние R до объекта по времени t, прошедшему от излучения импульса до прихода эхо-сигнала:   , где с - скорость звука в воде. Наряду с разрешающей способностью по расстоянию, осн. характеристикой гидролокаторов является дальность обнаружения, зависящая от мощности излучаемого звука, уровня акустич. помех и условий распространения звука в водной среде. Выбор частоты заполнения зависит от назначения гидролокатора. Для дальнего обнаружения на расстояниях в десятки км и более используют НЧ порядка единиц кГц, к-рые слабо поглощаются в морской воде; однако при этом необходимо применение приёмно-излучающих антенн очень больших размеров. Высокочастотные гидролокаторы более компактны, однако дальность их действия не превышает неск. км. Напр., для рыбопоиска используют обычно частоты от десятков до сотен кГц. Длительность импульсов t также меняется в широких пределах; она определяет разрешающую способность по расстоянию  . Иногда применяется квазинепрерывный сигнал с частотномодулир. заполнением для определения расстояния; используются и др. более сложные сигналы, напр. шумовые с последующей корреляц. обработкой. Осн. помехами в активной Г. являются собств. шумы океана и реверберация, обусловленная рассеянием звука поверхностью дном и толщей воды. Для выделения сигнала на фоне помех используют разл. методы, в частности метод накопления, основанный на том, что сигнал, отражённый от объекта, складывается по давлению, как регулярный, а шумовой - по интенсивности. Увеличение мощности излучения улучшает отношение сигнал/шум, однако реверберац. помеха при этом не меняется, её можно уменьшить, укорачивая длительность посылки или сужая диаграмму направленности системы, но в последнем случае увеличивается время, необходимое на просмотр сигналов с разл. направлений.

Дальность действия гидролокаторов часто ограничивается неблагоприятными условиями распространения звука. В зависимости от типа систем, условий распространения, характеристик лоцируемого объекта дальность действия гидролокаторов меняется от неск. сотен м до неск. сотен км.

погрешности гидролокаторов

Основным недостатком всех типов эхолотов является большой угол диаграммы направленности излучателя, приводящий к осреднению величины отметки. Кроме этого, специально прове­денные исследования выявили следующие величины ошибок из­мерений: из-за колебания напряжения в сети питания —до ±25 см, из-за плотности воды<— от +20 до —50 см. Такие пог­решности не всегда могут обеспечить требуемую точность изме­рений при обследовании сооружений, но поскольку они приемле­мы при изысканиях, при оценке размывов грунта вблизи сооружения, то такие приборы должны входить в комплект сна­ряжения водолазных станций.