5. Выбор и обоснование составляющих результирующего сигнала

Основным назначением эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К является поиск и регистрация промысловых рыбных объектов на мелководье. Кроме того, он может также использоваться для поиска и регистрации на мелководье других подводных объектов как искусственных, так и естественного происхождения.

Как показывает опыт /6/ рыбы промысловых размеров встречаются на мелководье либо поодиночке (рассеянные скопления), либо в виде небольших стаек. В этом случае вводить отдельную акустическую модель для рыбной стаи нецелесообразно, достаточно использовать акустическую модель только одиночной рыбы.

Наиболее часто встречающимися объектами естественного происхождения являются камни и валуны различных размеров. Характерными подводными объектами искусственного происхождения являются подводные трубопроводы.

Эхосигналы от большинства подводных объектов регистрируются в ГБО на фоне донной реверберации, которая для данного типа аппаратуры является полезным сигналом, так как на ее фоне формируются тени от объектов, позволяющие повысить классификационные возможности аппаратуры.

Уровень объемной реверберация значительно ниже уровня донной реверберации, но она может регистрироваться в зоне свободной воды.

Для высокочастотных ГБО с подкильным размещением антенн (или на забортном устройстве) поверхностная реверберация от границы раздела вода-воздух обычно не наблюдается. Это, по-видимому, можно объяснить малыми углами скольжения акустических лучей, а также тем, что при штилевой погоде акустические лучи претерпевают только зеркальное отражение в сторону от антенны, а при волнении моря площади бликующих точек волнового профиля (участка поверхности с нормалью близкой к направлению акустического луча) незначительны.

Так как в эхолоте-видеоплоттере ПЭВ-К используется относительно высокая рабочая частота 290 кГц, а максимальная рекомендуемая для ПЭВ-К скорость судна не должна превышать 6 уз, то при моделировании результирующего сигнала, принимаемого гидроакустическими антеннами комплекса ПЭВ-К, можно в соответствии с результатами анализа, изложенными в работе /1/, пренебречь всеми шумовыми составляющими результирующего сигнала – акустическими шумами судна, внешними акустическими шумами водоема и электрическими шумами антенны и приемного тракта.

Исходя из вышеизложенного и анализа возможных видов составляющих результирующего сигнала, приведенном в работе /1/, в разрабатываемом имитаторе ГБО следует моделировать следующие составляющие результирующего сигнала:

1) реверберационный эхосигнал от донной поверхности;

2) эхосигнал от одиночной рыбы;

3) эхосигнал от камня, лежащего на дне;

4) эхосигнал от трубопровода, лежащего на дне;

5) объемную реверберацию;

6) зондирующий импульс.

6. Модель реверберационного эхосигнала от донной поверхности

При наклонном падении звуковых волн на донную поверхность отражения в обратном направлении или реверберация возникают при наличии случайно расположенных неровностей донной поверхности (при идеально ровной поверхности возможно отражение только в зеркальном направлении).

Для квадрата эффективного значения акустического давления реверберационного сигнала от донной поверхности, используя зависимости приведенные в /1, 5, 7, 8/, можно записать

, (12)

где - эффективное значение звукового давления в режиме излучения, приведенное к дистанции 1 м, с учетом уровня ХН антенны в направлении на рассеивающий элемент донной поверхности;

- коэффициент отражения от идеально плоского раздела вода-донная поверхность;

- площадь участка донной поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в -ый момент времени;

- среднеквадратичный угол наклона неровностей донной поверхности;

- угол между средней нормалью к рассеивающему участку донной поверхности и осью парциального акустического луча характеристики направленности антенны;

- характеристика направленности (ХН) антенны по давлению;

- угол между осью ХН и направлением лоцирования;

- дистанция до точки встречи парциального акустического луча с донной поверхностью.

П р и м е ч а н и е. При расчете результирующего сигнала на выходе антенны в соответствии с выражением (6) член в выражении (12) следует исключить.

Величина давления определяется параметрами тракта формирования зондирующих импульсов и гидроакустической антенны.

Величина определяется как типом грунта, так и степенью механического воздействия на его поверхность подводными обитателями, течениями, орудиями лова, проходящими судами и другими движущимися объектами.

Величина коэффициента отражения зависит от типа грунта /9/ и может быть принята равной 0,1 для ила, 0,3 для песка и 0,6 для скалистого грунта.

Площадь элементарного участка ограничивается шириной характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости и шириной, используемой при расчете массива выборок , парциального акустического луча в вертикальной плоскости или же протяженностью проекции длины импульсного объема на донную поверхность. При этом для упрощения модели кривизну волнового фронта целесообразно не учитывать.

Ширина рассеивающего участка донной поверхности в плоскости параллельной диаметральной плоскости судна определяется при условии нахождения нормали к поверхности участка в вертикальной плоскости, совпадающей с осью парциального луча, следующим простым выражением

, (13)

где - дистанция до рассеивающего участка;

- ширина характеристики направленности антенны ГБО в горизонтальной плоскости.

Выражение (13) при узких ХН антенны в вертикальной плоскости обеспечивает достаточную для моделирования степень точности и при небольших отклонениях нормали от вышеуказанной вертикальной плоскости.

Выражения для расчета протяженности проекции длины импульсного объема на донную поверхность могут быть получены из рассмотрения ситуаций представленных на рисунке 1 (дно имеет уклон в сторону антенны) и рисунке 2 (дно имеет уклон в сторону от антенны). Для наглядности изображения величина угла на рисунках представлена значительно большей реальной.

Рисунок 1

Отрезки ОВ и ОС равны и соответствуют дистанции от антенны до рассеивающего участка донной поверхности для парциального акустического луча составляющего с вертикалью угол . Отрезок CD в рассматриваемом случае равен (где - длительность зондирующего импульса), то есть протяженности импульсного объема по направлению распространения звуковой волны. Вектор V совпадает с вертикалью, а вектор N является проекцией нормали к донной поверхности на плоскость сканирования. Отрезок BD соответствует длине рассеивающего участка донной поверхности.

Рисунок 2

Используя известные тригонометрические зависимости для ситуации, приведенной на рисунке 1, можно получить следующее выражение

. (14)

Для ситуации на рисунке 2, может быть получено следующее выражение

. (15)

Очевидно, что для расчета величины в любой из рассмотренных ситуаций можно использовать только одно из выражений (14) и (15), присваивая соответствующие знаки для угла .

При малых значениях угла и ширины парциального акустического луча в вертикальной плоскости протяженность рассеивающего участка по направлению распространения звуковой волны в пределах парциального акустического луча может принимать значения меньшие по величине, чем рассчитанные в соответствии с выражениями (14) и (15) значения длин . Используя те же рисунки 1 и 2 и подразумевая, что угол на них соответствует ширине парциального акустического луча в вертикальной плоскости, в соответствии с теоремой синусов для треугольников можно получить для ситуации, изображенной на рисунке 1, следующее выражение

, (16)

а для ситуации, изображенной на рисунке 2, выражение

. (17)

Так же, как и при расчете величины , можно использовать только одно из выражений (16) и (17), присваивая соответствующие знаки для угла .

При расчете квадрата акустического давления в соответствии с выражением (12) величина площади должна определяться из следующих выражений

, если , (18)

, если . (19)