книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

нением геофизических исследований в море и удалением районов этих исследований возникла необходимость в навигационной аппа­ ратуре, не связанной с береговыми системами и не зависящей от времени суток или гидрометеорологических условий. Навигацион­ ные системы с использованием ИСЗ позволяют решить и эту проблему.

Рассмотрим некоторые системы, в которых в качестве опорных генераторов достаточно широко представлены атомные стандарты.

Американская спутниковая система «Транзит» широко исполь­ зовалась надводными кораблями и подводными лодками ВМФ США, исследовательскими и некоторыми другими судами при океаногра­ фических исследованиях, разведке прибрежных месторождений нефти, прокладке трансатлантического кабеля, при работах карто­ графической экспедиции в районе Северного полюса, подводных работах с использованием батискафа «Триест-2» и т. д. [124]. Для использования системы «Транзит» суда в зависимости от поставлен­ ных задач и требуемой точности определения места оснащают раз­ личными комплектами оборудования. Большинство устройств, вхо­ дящих в геофизический навигационный комплекс совместно с Navy Navigation Sattelite Sisteme (NNSS) применяется для счисления пути. Опорное место определяется с помощью NNSS. Каждый раз во время пролета ИСЗ системы «Транзит» приемник подвижного объекта (структурная схема которого приведена на рис. 4.12) авто­ матически опознает его и следит за сигналами спутника. Он при­ нимает навигационное сообщение и временные метки, передаваемые ИСЗ, измеряет доплеровский сдвиг по частоте принятого сигнала и передает эти данные на ЭЦВМ. ЭЦВМ вычисляет координаты места, которые используются для коррекции местоположения ко­ рабля. При этом приемник работает в автоматическом режиме, а ЭЦВМ — по заданной программе.

Наиболее важной характеристикой геофизической навигацион­ ной аппаратуры является то, что в программе ЭЦВМ используется метод статистической фильтрации и коррекции выходных сигналов от каждого из навигационных датчиков. Поэтому система является самооптимизирующейся. Благодаря самооптимизации отпадает необ­ ходимость проводить отдельные испытания для контроля точности и для калибровки аппаратуры. Калибровка выполняется после долговременной эксплуатации аппаратуры в нормальном рабочем цикле. Для этой цели используются долгие прогоны программ на высоких скоростях.

Каждый навигационный ИСЗ передает: 1) два стабильных радиосигнала на частотах 150 и 400 МГц; 2) навигационные сообще­ ния (эфемериды ИСЗ); 3) сигналы времени. Навигационное сообще­ ние и сигналы времени хранятся в памяти ИСЗ и обновляются приблизительно каждые 12 ч. Эфемериды точно описывают положе­ ние ИСЗ, передающего сообщения каждые две минуты, начиная с четной минуты. Навигационный приемник восстанавливает нави­ гационное сообщение и передает его на ЭЦВМ. С помощью времен­ ных меток приемник измеряет доплеровский сдвиг принятых сигна­ лов, обусловленный относительным смещением ИСЗ и приемника;

110

результаты также передаются на ЭЦВМ. Следовательно, ЭЦВМ получает данные о положении ИСЗ на орбите и результаты измере­ ний доплеровских смещений по частоте. Поскольку эти измерения однозначно характеризуют положение судна относительно орбиты ИСЗ, то ЭЦВМ может определить место судна.

Если судно во время сеанса связи с ИСЗ находится в движении, то это также влияет на величину доплеровского сдвига. Поэтому параметры движения судна в течение сеанса должны обязательно

вводиться в ЭЦВМ.

В США [53] разработана совмещенная система, в которую авто­ матически поступают данные от доплеровского гидролокатора и ги­ рокомпаса. Эта система обеспечивает непрерывную регистрацию

Рис. 4.13. Схема связей бортовой корабельной аппаратуры с ЭЦВМ.

положения судна и автоматическую коррекцию найденного положе­ ния по ИСЗ с точностью до 60 м. Система определяет сейсмические толчки, обеспечивает индикацию гравитационных сил, выдает сигнал магнетометров в месте толчка на магнитную ленту. Эти и другие функции системы реализуются ЭЦВМ (рис. 4.13). От гирокомпаса в ЭЦВМ поступают данные о курсе, а из ЭЦВМ в гирокомпас — юстировочные команды. От датчика вертикали в ЭЦВМ поступают дан­ ные о крене и дифференте, от измерителя скорости звука — данные

оскорости звука в воде, от доплеровского гидролокатора — данные

оскорости судна, от приемника — навигационные сигналы, приня­ тые со спутников. ЭЦВМ имеет программу, учитывающую комби­ нацию всех входных сигналов и обеспечивающую непрерывное полу­

чение точной информации о положении судна.

В программе предусмотрено отображение положения спутников на орбитах для прогнозирования возможности сеансов связи со всеми ИСЗ, входящими в навигационную систему. Процесс подготовки ЭЦВМ к сеансу заключается в следующем. Оператор последова­ тельно вводит в машину ряд данных: число, номер минуты в сутках по Гринвичу, приближенные значения широты и долготы, курс, скорость, высоту антенны над уровнем моря. Затем машина печатает введенные данные для проверки. Допускается изменение непра­ вильно введенных параметров.

112

После приема сигналов от ИСЗ приемоиндикатор автомати­ чески синхронизируется с приходящей временной меткой и начинает отсчет доплеровского сдвига частоты по запрограммированным интервалам. Значения, полученные при отсчетах по каждому из каналов на 400 и 150 МГц, одновременно с отработкой в ЭЦВМ могут выводиться для печати. Достоверность эфемерид ИСЗ проверяется многократной передачей их в течение сеанса. Окончательно вычислен­ ные и отпечатанные данные места содержат номер карты, день, значения широты и долготы, номер отсчета доплеровского сдвига. Поиск и слежение за сигналом ИСЗ осуществляются также с по­ мощью ЭЦВМ. Благодаря этому уменьшается возможность приема ложных сигналов и сужается диапазон частоты поиска, поскольку при потере сигнала происходит автоматический сдвиг частоты в нуж­ ном направлении. ЭЦВМ сортирует данные о параметрах орбиты

инакапливает значения отсчетов доплеровских сдвигов. Статистическая точность определения места подвижного объекта

спомощью указанной выше аппаратуры с использованием ЭЦВМ приблизительно равна 0,1 км. Такая точность обеспечивается при­ менением методов статистической обработки данных ЭЦВМ на основе фильтра Калмана: исходные данные, поступающие от судо­

вых навигационных средств, приборов и систем, анализируются с целью прогнозирования возникающих ошибок. В дальнейшем фактически измеренные данные сравниваются с предварительно вычисленными. Величина, пропорциональная разности, полученной при сравнении, используется для коррекции моделируемого зна­ чения ошибок.

Существуют системы с использованием атомных часов на спут­ никах. Такие системы позволяют судовой аппаратуре работать в дальномерном режиме и определять координаты объекта в любой момент времени.

Рассмотрим пример комплексной спутниковой системы навига­ ции в дальномерном режиме. Совместное использование радио­ навигационных и спутниковых систем дает возможность обеспечить высокоточной информацией неограниченное число потребителей на большой площади земной поверхности. Основная аппаратура си­ стемы — вычислительная машина, антенна с большим коэффициен­ том усиления и передатчик — обычно располагается на наземной станции. Эта же аппаратура используется для получения необхо­ димой информации по регулировке орбит спутников в целях улучше­ ния точности вычисления координат. Система может иметь два режима работы. Один из них активный, когда аппаратура подвиж­ ного объекта передает сигнал-запрос на наземную станцию через

тель получает информацию, передаваемую со спутника, и определяет свое положение. Потребитель при пассивном режиме работы не пере­ дает сигналов, и его местоположение неизвестно на наземной станции.

В активном режиме для вступления в связь потребитель посылает через спутник последовательность импульсов определенной длитель-

ности. По их получении наземная станция через спутник передает потребителю последовательность импульсов, которые являются цифро­ вым кодом постоянного адреса потребителя, а также дальномерные импульсы. Потребитель повторяет дальномерные импульсы и ре­ транслирует их через спутник обратно на наземную станцию. На наземной станции измеряется временной интервал между двумя повторениями спутником дальномерных импульсов. На основании этих данных выясняется расстояние от спутника, положение кото­ рого известно, до потребителя. Через несколько микросекунд после первого запроса такой же запрос передается с наземной станции через второй спутник, расположенный в другом месте. Положение подвижного объекта при использовании двух ИСЗ определяется как точка пересечения двух окружностей. Неоднозначность опре­ деления положения устраняется довольно легко, так как точки пересечения настолько удалены друг от друга, что принятие непра­ вильного решения практически исключено.

В пассивном режиме наземная станция в точно назначенное время передает с определенными интервалами код адресов объектов на каждый из двух спутников. После этого станция передает ши­ роту, долготу и высоту каждого из спутников. Затем она посылает импульсы раздельно на каждый из двух спутников так, чтобы эти импульсы принимались спутниками одновременно с точностью 0,1. На подвижном объекте измеряют временные задержки между прие­ мом двух импульсов и вычисляют разность расстояний до двух спутников.

Таким образом определяются гиперболические поверхности, имеющие в качестве фокусов геометрические места точек положения спутников. Линии пересечения этих поверхностей с земным геоидом с учетом высоты объекта над Землей позволяют найти положения спутников в данный момент времени.

Наряду с рассмотренными выше методами использования атом­ ных стандартов частоты в морской навигации в последнее время особую актуальность приобрела проблема возможности создания комплексных систем, предназначенных для воздушной навигации и управления воздушным движением, в том числе для предупрежде­ ния столкновения самолетов над морем [134]. Исследования пока­ зали, что наиболее перспективными являются системы, построенные по частотно-временному принципу с использованием высокоста­ бильных стандартов. Такие системы могут обеспечить надежное измерение дальности и позволяют определять местоположение практически неограниченного числа объектов. Эффективность частот­ но-временной системы зависит от правильности выбора стандарта и методов синхронизации. В качестве самолетных атомных храни­ телей времени и частоты могут быть рекомендованы приборы на газовой ячейке и атомно-лучевые трубки, промышленный выпуск которых достиг достаточно высокого уровня. При долговременной стабильности порядка 2 -10_ 11 доплеровский сдвиг частоты дает ошибку в 1,7 мкс за сутки, что соответствует ошибке по дальности 0,3 мили. Немаловажную роль в получении навигационной информа-

114

ции имеет и выбор метода синхронизации, которая должна осуще­ ствляться с точностью, определяемой требованиями, предъявляе­ мыми к системе. Так, для систем предупреждения столкновения самолетов синхронизация бортовых часов должна осуществляться в пределах 250 нс.

ГЛАВА 5

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ВДИАПАЗОНЕ СЛЫШИМЫХ ЧАСТОТ

§5.1. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Предметом акустических измерений является определение зву­ кового давления, колебательной скорости, интенсивности звука и других величин, характеризующих звуковое поле в различных средах (газообразных, жидких, твердых и т. д.). Объектами акусти­ ческих измерений являются источники, приемники и преобразова­ тели звука. Методы и цели акустических измерений неразрывно связаны с теорией звука. Можно утверждать, что акустические изме­ рения преследуют экспериментальное, а теория звука — теорети­ ческое изучение одних и тех же вопросов. Более того, при современ­ ном состоянии акустики невозможно провести разделение теорети­ ческого описания от экспериментального исследования.

Приведем пример, поясняющий это утверждение. Исследование излучения колеблющейся сферы в воде можно считать одной из фундаментальных задач гидроакустики. В результате решения волнового уравнения при заданных граничных условиях определя­ ется поле звуковых давлений в воде, создаваемое данным источником. Задача акустических измерений, решаемая параллельно, состоит в экспериментальном определении этого поля, т. е. измерении звуко­ вого давления в разных точках. Результаты измерений сравниваются с теоретическими данными. Совпадение данных в пределах допусти­ мых погрешностей служит одновременно и подтверждением теории на основе измерений и подтверждением экспериментального метода на основе теории.

Широкое введение электронных вычислительных машин, алго­ ритмов и программ служит свидетельством существенных изменений как в области акустических измерений, так и в области теории звука. Возможности акустических измерений расширяются бла­ годаря введению ЭЦВМ в измерительные схемы; теория звука обога­ щается идеями конструктивной математики и новыми методами вычислений. При этом взаимоотношение экспериментальной и тео­ ретической сторон изменяется: экспериментальные методы, напри­ мер экспериментальное программирование ЭЦВМ, вводятся в тео­ рию и, наоборот, вычислительные машины становятся необходимыми звеньями экспериментальных работ.

Электронно-вычислительная техника, применяемая в акусти­ ческих измерениях, преследует задачу как управления акусти­ ческими измерениями, так и обработку измерительных данных. При акустических измерениях используются и аналоговые, и цифро­ вые электронные вычислительные машины (компьютеры), а также

их комбинации.

В работах Бэккера, Хортона и Тротта [48] электронно-вычисли­ тельная техника была применена для определения характеристик направленности излучателей, относящихся к дальнему полю, по результатам измерения звуковых давлений (точнее, амплитуд if фаз звуковых давлений) на заданной поверхности, окружающей источ­ ник. Авторы производили измерения в большом количестве точек ближнего поля, а расчеты дальнего поля выполнялись на электронновычислительной машине.

Автоматическая установка для измерения акустической мощ­ ности и визуализации звуковых полей была создана М. Л. Варла­ мовым и его сотрудниками [48]. В ней было использовано сканиро­ вание характеристики направленности приемника звукового давле­ ния заданной зоны, соответствующей площади излучателя звука. Поскольку сканирование происходило с равномерной скоростью и с определенным шагом, интегрирование квадрата звукового давле­ ния по площади было равноценно интегрированию квадрата давле­ ния во времени. Для проведения подсчетов была использована аналоговая машина. В описываемой работе был подвергнут сканиро­ ванию излучатель площадью 0,75 м2; погрешность измерения соста­ вила около 1 дБ; время проведения одного цикла — 10—20 мин.

О. И. Гроссман, А. Е. Колесников и А. В. Прокофьева применили электронно-вычислительную технику для определения коэффициен­ тов звукоизоляции, отражения и поглощения образцов сложной формы [48]. Измерительный комплекс позволял осуществлять измерения величины и направления акустического потока по отно­ шению к поверхности образца. Поток, направляемый внутрь поверх­ ности образца, соответствовал падающему звуковому потоку. Поток, отраженный от поверхности образца, и поток, прошедший через нее, в сумме равны падающему потоку лишь в случае отсутствия

А. К- Новиковым и В. М. Стрелковой разработан аналого-цифро­ вой коррелятор для акустических измерений [83].

Группой авторов описана измерительная информационная система для акустических измерений, основанная на использовании электрон­ ной цифровой вычислительной машины [39]. Схема, предназначен­ ная для всесторонних измерений параметров акустических антенн, содержит излучающие и приемные тракты, усилительное устройство, комплекс аналоговых электронных устройств и ЭЦВМ, а также устройства для вывода и записи информации, получаемой при изме­ рениях. В схему входят автоматические подъемно-поворотные устрой­ ства для изменения и регистрации положения акустических антенн

116

и вспомогательных электроакустических систем. В измерительной информационной системе применяются тональные, тонально-импульс­ ные и шумовые сигналы, действующие в достаточно широком диа­ пазоне частот и мощностей.

Измерительный комплекс осуществляет автоматическое снятие частотных характеристик акустических антенн, причем обеспечи­ вается автоматическое изменение частоты излучения. Динамический диапазон приемных систем составляет 60 дБ. Имеются самописцы с аналоговым приводом и осуществляется выдача дискретных данных частот для ввода в цифровую вычислительную машину.

Измерения осуществляются по заранее составленной программе или же управляются с помощью ЭЦВМ. При этом обеспечивается или автоматическое функционирование подтемно-поворотных агре­ гатов, или их управление посредством ЭЦВМ. Измерительная инфор­ мационная система использует различную аппаратуру для памяти, аналоговую аппаратуру магнитной записи, а также различные устройства ввода и вывода информации. Кроме измерения частотных характеристик и характеристик направленности с помощью системы можно находить характеристики к. п. д., мощности акустического сопротивления. Исследования проводятся на системах антенн в ре­ жимах излучениях или приема. Производится также спектральный и корреляционный анализ. Обладая достаточной гибкостью, изме­ рительная информационная система позволяет изменять измери­ тельные задачи, менять свою структуру и варьировать ее для других измерительных целей.

В. Е. Бриккер, В. А. Земцов, М. М. Марьинский, А. В. Михайлов и М. П. Соболева [93] произвели машинные расчеты характеристик отражения от слоя с линейными изменяющимися упругими пара­ метрами. Решение проводилось на аналоговой вычислительной ма­ шине МПТ-9-3, причем для получения квадратов, произведений и корней квадратных использовались блоки нелинейности НБН-1. Данные расчетов представлялись в виде серии графиков. При этом коэффициенты отражения изменялись от 0,1 до 1, а фазы— от 0 до л. В качестве варьируемых параметров были перепад скорости по слою Ас0/с0, потери в слое т] и волновая толщина слоя 1/к0. Вели­ чина г] изменялась от 0,1 до 0,5, а период— от 0,2 до 0,8.

Процедура измерений бывает очень громоздкой и трудоемкой, а иногда ввиду ограниченности времени не достигает цели. В таких случаях экспериментальные действия выполняются расчетами, что оказывается возможным только при наличии быстродействующих ЭЦВМ. С другой стороны, в теории встречаются затруднения при решении многих конкретных задач излучения и распространения звука. В этих случаях экспериментальное определение величин звукового поля, хотя бы в нескольких точках, дает возможность найти теоретические зависимости и эмпирические формулы, построить вычислительные программы. Все это еще больше сближает теорию и эксперимент.

117

§ 5.2. ОСОБЕННОСТИ СФЕРИЧЕСКИХ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ

Рассмотрим звуковые поля, создаваемые сферическими источни- :ками, и сферические приемники звука.

Задачи приема звука во многом совпадают с задачами излучения. Пусть имеется некоторый приемник звука. Обозначим через ра звуковое давление на поверхности приемника, а через р3 звуковое давление на закрепленной поверхности приемника. Дальше через р х и р , будут обозначаться звуковые давления для падающей и рас­

скорости падающей волны, и что в результате этого создается давле­ ние р 2, обусловленное в действительности рассеянной волной (можно вместо рассеянной волны говорить также о дифрагированной волне).

Таким образом, рассеянное поле рассматривается как поле излученное. Поэтому в задаче приема встречаются соотношения, ■общие с теорией излучения.

Для рассмотрения акустического излучения сферы надо обратиться к волновому уравнению (2.1), полагая временную зависимость

рические функции Ганкеля первого рода. Решение представляет собой сумму «сферических гармоник», соответствующих различ­ ным порядковым числам т. Если т = 0, получается симметричная сферическая волна; при этом звуковое давление не зависит от напра­ вления. В случае т — 1 имеется сферическая гармоника первого порядка. Излучение имеет косинусоидальную характеристику напра­ вленности. При т = 2 имеется сферическая гармоника второго порядка и т. д.

Выражение (5.2) можно трактовать как представление сфери­ ческой волны через суперпозицию вкладов в излучение, даваемых источниками различных порядков: пульсирующей сферы (при т = 0),

118