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

характеристиками направленности, накладываются, прием отсут­ ствует. Только в узких секторах АВС и BDF (заштрихованы на рисунке) рабочий сигнал может быть воспринят. Фон помех, дей­ ствующих из широкого сектора, не оказывает влияния на измерения. При нестационарности фазы помех узкий сектор направленности будет деформироваться и точность измерений будет уменьшаться.

Для осуществления сканирования рамки должны периодически поворачиваться так, чтобы узкий сектор пробегал угол поиска источника. Такое сканирование может быть выполнено и электри­ ческим путем, с помощью известных методов электрического упра­ вления направленностью антенны. Электрическое сканирование обеспечивает большую быстроту поиска. При сканировании постоянно действующие источники помех фиксируются и их можно отличить от источников непостоянных или подвижных. После выделения рабочего сигнала приемником из узкого сектора он поступает на измерительные и анализирующие устройства, выбор которых зависит от поставленной задачи.

При измерении электромагнитных помех береговых источников с установлением пеленга производится определение уровня и спек­ трального состава излучения. Схемы для измерений, а также вхо­ дящие в них приборы, являются стандартными.

Обратимся к измерению помех в виде электромагнитных излу­ чений, создаваемых береговыми источниками. В этом случае изме­ рительный комплекс содержит такие приборы, как измерительные усилители низкой частоты, электронные вольтметры (которые по­ казывают пиковые, средние и эффективные значения напряжений), частотомеры, спектрометры и спектрографы звуковых частот, само­ писцы, регистраторы уровней, осциллографы и т. д. Целью измерений является определение уровня напряженности магнитного поля, выражаемой или в амперах на метр, или в децибелах по отношению к избранному уровню сравнения, в качестве которого может быть взят уровень 0 дБ 1 мкА/м. Другая цель измерений — запись сигнала на магнитную ленту с помощью магнитофона для последу­ ющей измерительной обработки в лабораторных условиях. Если соответствующие возможности созданы и в морских условиях,

записываются с помощью регистратора уровней. Такая запись осу­ ществляется как в аналоговой, так и цифровой форме.

Остановимся на специфическом для проблемы измерения бере­ говых помех вопросе об отделении помех случайных от системати­ ческих. Пусть на линии горизонта или на берегу имеются некоторый неподвижный источник помех А, закономерно движущийся источник помех В и серия случайных некоррелированных ни в пространстве, ни во времени источников помех С. Для разделения воспринимаемых помех необходимо дополнить измерительный комплекс аналоговой и цифровой электронными вычислительными машинами. Каждый

из источников Л, В, С должен давать излучение, которое отличается от излучения другого источника по некоторым признакам. Первый

40

этап программы состоит в определении этих признаков. Второй этап заключается в выделении на основе повторяемости и корреля­ ционных связей сигнала фиксированного источника, в выявлении закономерности перемещения подвижного источника, в отделении сигналов случайных источников. Последние могут быть исключены посредством корреляционного метода, и наоборот, тем же путем они могут быть выделены, а сигналы от регулярных источников исклю­ чены. Все операции должны быть заложены в программу ЭЦВМ. Аналоговые ЭВМ применяются для подготовки кодовых (цифровых) данных, характеризующих излучение каждого из упомянутых видов источников, и выдают угловые координаты и дру­ гие данные. Измерители же уровней, анализа­ торы и другие приборы играют роль входных устройств, поставляющих входные сигналы для аналоговой ЭВМ. Эти приборы могут быть сами цифровыми, т. е. для указанной цели могут быть использованы цифровые вольтметры, цифровые спектрометры, отдельные запоминающие устрой­ ства, регистраторы событий, магнитные записы­ вающие системы и т. д.

На рис. 2.4 представлена структурная схема измерительного комплекса для исследования по­ мех. Построение программы ЭЦВМ во многом соответствует процедуре автоматического распоз­ навания сигналов. Этот вопрос уже был затронут в § 1.4, где было показано, что задача обнару­ жения и пеленгования сигнала на фоне помех относится к проблеме автоматического распоз­ навания образов. Иллюстрацией этого положе­ ния может служить измерение низкочастотных электромагнитных помех от разного вида источ­ ников. Задача распознавания в самом общем случае состоит в выделении из некоторого сло­ варя А ъ А 2, А3, . . ., Аг такого слова Ak, ко­

торое. может служить эталоном для некоторого распознаваемого

что при распознавании слова Bt остальные слова можно рассматри­ вать как помехи, потому что они ошибочно могут быть приняты за эталонное слово Ak. Отсюда вытекает естественное обобщение прин­

гие за помехи. Сопоставление со словарем означает распознавание и сигнала, и помех. Разумеется, в ряде задач сигналы и помехи меняются местами. Например, собственный шум судна является помехой при измерениях, производимых на его борту, и сигналом, если задача касается обнаружения судна в море.

Обратимся теперь к методам измерения атмосферных помех, для чего также применяется остронаправленный приемник.

41

Как известно, атмосферные радиопомехи — в основном грозового происхождения (в этом случае они называются атмосфериками). Частотно-амплитудный спектр атмосферных помех занимает широкий диапазон частот вплоть до УКВ; однако наиболее важной является низкочастотная часть, приходящаяся на звуковой диапазон, рас­ смотрением которого мы и ограничимся.

Осциллограммы атмосферных помех в звуковом диапазоне имеют весьма разнообразный характер. Можно выделить класс тональных атмосфериков, характеризующихся наличием периодической части колебаний. Наблюдаются также и апериодические, и шумовые сиг­ налы. Этим видам атмосфериков присущи различные частотно­ амплитудные спектры.

Однако определенным типам атмосфериков не присущи какиелибо неизменные типы спектров. Поэтому атмосферики следует анализировать методом конструктивного анализа, производя их сегментацию. Анализ и распознавание классов атмосфериков в прин­ ципе близки к анализу и классификации акустических образов, а именно некоторых звуков речи. Наличие периодической компоненты в тональных атмосфериках сближает их с гласными звуками; импульс­ ные атмосферики похожи на смычные, или фрикативные, фонемы и т. д. [81 ].

Для измерения атмосферных радиопомех могут служить те же самые измерительные комплексы, которые применяются для изме­ рения шумов. Приемник из узкого сектора применяется ввиду напра­ вленности излучения атмосферных помех: источником служат гро­ зовые очаги. К приемникам подключаются приборы — измеритель­ ные усилители, регистраторы уровней, спектрометры, анализаторы, осциллографы и т. д. Наиболее важным является измерительный комплекс, в состав которого входят некоторые из упомянутых при­

При измерении атмосфериков с борта судна измерительный ком­ плекс должен содержать также моторно-исполнительную часть, осуществляющую в соответствии с программой обзор горизонта, стабилизацию при волнении путем пуска гироскопических устройств и другие операции. При отсутствии на судне условий для работы полного измерительного комплекса осуществляется многоканальная запись атмосфериков с целью последующей обработки в лаборатории. Для такой записи применяется система разнесенных остронапра­ вленных приемников или же просто рамочных антенн. В каждом канале имеется преобразователь аналог — код, например в виде цифрового милливольтметра. Кодовый, соответствующий цифро­ вому выходной сигнал вводится в удобной форме в запоминающее устройство или регистратор событий или записывается на ленте.

При измерениях на море представляет интерес прием электро­ магнитных помех под водой. Методика такого приема не отличается от описанной выше. Изменяется только конструкция приемного устройства. Скрещенные катушки приемника заключают в водоне­

42

проницаемый кожух и опускают на нужную глубину. Катушки соединяются с остальной частью схемы через экранированный уплот­ ненный многожильный кабель. Для восполнения потерь в кабеле монтируются предварительные усилители.

Большое значение для осуществления измерений под водой имеют также автономные погружаемые устройства, куда могут быть введены усилительные и фильтрующие блоки, построенные на интегральных схемах.

§ 2.4. СПЕКТРОСКОПИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Обращаясь к вопросам спектрального анализа, рассмотрим при менение частотного анализатора в реальном времени и оптико волоконного анализатора.

Анализатор в реальном времени [69], структурная схема которого приведена на рис. 2.5, содержит входной усилитель, набор третьоктавных фильтров, детекторы, электронно-лучевую трубку, экран

Синхроимпульсы

Рис. 2.5. Структурная схема анализатора в реальном времени.

который используется для визуализации спектра, аналого-цифро­ вой преобразователь. Анализатор позволяет не только наблюдать частотно-амплитудный спектр, но и отсчитывать цифры, измеряющие уровни сигналов в любом из фильтрующих каналов.

Приемная рамка подключается на вход приемника (или на вход предварительного усилителя) и сигнал разбивается 38 третьоктавными фильтрами, соединенными в параллель. Октава, на протяже­ нии которой частота изменяется в два раза, перекрывается полосами пропускания трех соседних (третьоктавных) фильтров. Частотный диапазон охватывает частоты от 22,5 Гц до 20 кГц. Каждый фильтр подключен к детектору среднеквадратичных значений, который в свою очередь подключен к интегратору. Предусмотрено переклю­ чение, позволяющее изменять постоянную времени интеграторов.

43

Выработка цифр (для информации об уровне сигнала или для ввода в ЭЦВМ) производится также при сравнении напряжения на конденсаторе с аналоговым сигналом, снимаемым с анализатора. Однако схема усложняется: требуются некоторые цифровые и ло­ гические устройства; соответствующие блоки показаны на рис. 2.8. Для цифровой индикации используется двоичная система счисления, причем логический нуль соответствует электрическому напряже­ нию О В, а логическая единица 5 В; однако практически за логиче­ ский нуль принимается напряжение в пределах от 0 до 0,4 В, а за логическую единицу — в пределах от 2,4 до 5 В.

Скорость спада напряжения равна скорости продвижения элек-

тронного луча по экрану: исходный уровень в 50 дБ снижается на 0,2 дБ за время перемещения электронного луча на расстояние 0,2 дБ по шкале.

Задающий генератор на 7,5 МГц синхронизирует работу всего устройства. Развертка на экране производится по вертикали, аналогоцифровое преобразование происходит синхронно с разверткой. Компаратор при этом сравнивает напряжение на конденсаторе с уров­ нем сигнала в канале. Возникновение строба совпадает во времени с появлением цифры. Для того чтобы цифра появилась в окошке в десятичной системе, в схеме перед цифровым индикатором стоит двоично-десятичный преобразователь.

Сигналы от анализатора в цифровой форме могут накапливаться на магнитной ленте, на перфорационных лентах, в блоках памяти ЭЦВМ и т. д. Перфоратор, предназначенный для бумажной ленты, может передавать 75 знаков в секунду. Для считывания информации со всех 38 каналов анализатора требуется 3 с.

Схема обработки данных, содержащая анализатор и ЭЦВМ, по­ казана на рис. 2.9. Анализатор вырабатывает слова длиной 16 двоич­ ных единиц (бит); каждое слово выражает сигнал в фильтрующем канале. Для выражения спектра нужно около 40 таких слов. Эти слова непосредственно передаются в память ЭЦВМ. Два слова могут составить одно сдвоенное слово для ввода в память и, таким образом, полный спектр укладывается в 20 словах вычислительной машины. При максимально достижимой частоте передачи кодов (порядка 20 кГц) время, необходимое для построения всего спектра, составляет

45

от 0,5 до 3 с. Это время может быть сокращено путем использования подпрограмм для достижения более высокой плотности записи. Применяется транслятор программы, который экономит не только место в ячейках памяти ЭЦВМ, но и время работы [69].

В качестве примера использования описываемой установки рас­ смотрим измерение уровня электромагнитного шума в судовых отсеках, например в машинном отделении. Пусть задача заключается в определении общего электромагнитного шума во всем помещении. Рамочные приемники размещаются в ряде точек. С помощью муль-

Рис. 2.9. Схема обработки данных анализатора.

типлексной системы сигналы подаются на вход анализатора, сопряженного с ЭЦВМ. ЭЦВМ получает от анализатора спектр за 0,5 с. Вычисление уровня воспринимаемого шума в децибелах выполняется

по формуле

12

1 = lOlg—lOJ'flOdt,Ц- f

*2 *1 f

где интегрирование производится по текущему времени; J' — мгно­

венный уровень воспринимаемого шума; 7— оценка среднего уровня электромагнитного шума за промежуток времени от Ц до t2.

Обратимся теперь к применению оптико-волоконного анализатора в спектроскопии низкочастотных электромагнитных излучений. Оптико-волоконный анализатор, называемый сцептроном [89, 91,

46

136], состоит из набора оптических волокон-световодов. Каждое волокно представляет собой механический узкополосный фильтр, или резонатор. Собственные частоты волокон зависят от модуля Юнга, а также плотности, длины волокна и его поперечного сече­ ния, определяющих момент инерции. Одиночные волокна обычно имеют стеклянный сердечник (из флинта) и стеклянную оболочку (из крона). Чаще всего применяются световоды, спрессованные из мелких волокон и имеющие прямоугольное поперечное сечение: такие волокна меньше подвержены паразитным колебаниям.

Рис. 2.10. Схема, поясняющая принцип действия оптико-воло­ конного анализатора.

Ширина полосы пропускания волокна (или его добротность) зависит от способа заделки его конца и имеет разброс в пределах 10— 20%. Добротность зависит от частоты. Для частоты около 1000 Гц она обычно равна 200 (так что ширина полосы пропускания по­ рядка 5 Гц); для более низких частот добротность ниже, для более высоких — выше. Нетрудно осуществить настройку волокон в диапа­ зоне собственных частот, соответствующих диапазону 100—3000 Гц. Для расширения диапазона в сторону более низких частот (вплоть до инфразвуковых) требуется специальный монтаж волокон, а для расширения диапазона в сторону более высоких частот (вплоть до ультразвуковых) необходима более точная установка элементов сцептрона [1].

Рассмотрим подробнее конструкцию сцептрона и принцип его работы (рис. 2.10). Параллельный пучок света, идущий от каллиматора К (S — источник света), попадает на систему волокон-свето­ водов. Волокна укреплены на держателе Я так, что их длинный свободный конец обращен к источнику света. Длинный конец волокна подвергается колебанию при колебаниях держателя Я на собствен­ ной частоте этого волокна. Держатель приводится в колебание по-' средством электромеханического преобразователя Т, в качестве которого применяется электродинамическая система, подобная подвижной системе электродинамического громкоговорителя, или биморфный пьезоэлемент.

47

Короткие концы волокон направлены в сторону фотоэлектрон­ ной мозаики М. Затем следует многоканальный усилитель А, выходы которого дают аналоговые сигналы, и преобразователь аналог—код С.

Принцип работы сцептрона заключается в следующем. Оптиче­ ская часть, к которой относятся источник света, каллиматор и све­ товоды, служит для получения оптического изображения некоторой прямоугольной матрицы. Элементами матрицы являются торцы концов волноводов, дающие светлые блики. Фотоэлектронная мо­ заика предназначена для того, чтобы колебания яркости бликов преобразовать в электрические токи, которые затем усиливаются в многоканальном усилителе. Элементами фотоэлектронной мозаики

$д_

Рис. 2.11. Схема, поясняющая принцип модуляции света колеблющимся волокном.

служат фотодиоды; каждый фотодиод приписан к одному волокнусветоводу или к некоторой группе волокон-световодов.

Акустическая часть сцептрона состоит из приемного микрофона Р или прибора, воспроизводящего звукозапись, электромеханического преобразователя Т, держателя Н и волокон. Если под действием сигнала какое-нибудь волокно начнет колебаться, световой поток через него будет модулироваться на собственной частоте колебания волокна. Глубина модуляции зависит от амплитуды колебательной скорости подвижного конца волокна. Благодаря этому амплитуда выходного сигнала также будет зависеть от амплитуды колебатель­ ной скорости. Выходной сигнал — сигнал от фотодиода — прохо­ дит через детектор и усилитель данного канала; его напряжение зависит от интенсивности соответствующей спектральной компоненты. Детектор употребляется для того, чтобы исключить постоянную слагающую фототока.

В целом устройство осуществляет двойное преобразование: сначала акустический сигнал преобразуется с помощью сцептрона

воптическое изображение, а потом это изображение преобразуется

вэлектрическое и дает матрицу аналоговых выходных сигналов.

На рис. 2.11 изображено волокно-световод, правый конец кото­ рого является подвижным. Световой поток Ф0 падает перпендику­ лярно торцу подвижного конца. При колебаниях волокна свет будет падать под углом а к его оси и потому световой поток, равный Ф0 соза, будет изменяться по закону косинуса. Периодические движения волокна дают модуляцию светового потока с частотой собственных колебаний. Для того чтобы не получилось удвоения частоты, волокна ориентированы под некоторым углом к пучку

48

света так, чтобы за полупериод колебания угол изменялся монотонно. Легко видеть, что при симметричном положении волокна по отно­ шению к падающему лучу получится удвоение частоты: одному периоду механических колебаний будут соответствовать два периода колебаний светового потока.

Обращаясь к оконечному блоку С, представим его более подробно

(рис. 2.12).

Аналоговый сигнал из каждого канала подается на компаратор /С0 и на табло Тб. Дополнительные функции выполняют коммутатор, позволяющий подключать любые секции табло к любым каналам, и мультиплексер, подключающий поочередно каналы к компара­ тору. Здесь, как и для табло, может быть осуществлено ручное под-

Рис. 2.12. Оконечный блок.

А — многоканальный усилитиль; П t и П 2 — синхронные переклю ­ чатели для выборки каналов, формирующих сегмент; Ко — ком­ паратор; М Ц В — многоканальный цифровой вольтметр; Тб — таб­ ло; П В — печатный выход.

ключение каналов; может быть осуществлена и автоматическая выборка.

Компаратор является входным устройством для аналого-цифро­ вого преобразователя, используемого в качестве многоканального цифрового вольтметра МЦ В, дополняющего табло Тб, и для выра­ ботки цифровых данных, вводимых в ЭЦВМ. Эта часть оптико­ волоконного анализатора не отличается от соответствующей части схемы частотного анализатора в реальном времени, описан­ ной выше.

Частотный анализатор в реальном времени уже получил внедре­ ние в практику, это — третьоктавный анализатор типа 3347 фирмы Брюль и Кьер, состоящий из анализатора типа 2130 и управляющего индикационного прибора типа 4710. Установка сопрягается с вы­ числительной машиной типа 7501 или перфоратором ленты типа 6301.

Оптико-волоконный анализатор может быть отнесен к новым измерительным устройствам. В настоящее время описана только экспериментальная его разработка. Однако сцептрон обладает рядом особенностей, которые делают весьма перспективным его применение. Прежде всего, это — матричный анализатор, дающий двухмерное спектральное представление. Сцептрон позволяет получать трехмер­ ные сонограммы, где координатами могут быть частота—частота— амплитуда (частоты лежат в разных диапазонах). Возможно также