5.3.3. Направленность и модуляция в акустической локации

При построении АЛС необходимо учитывать, что Н проявляется только вдальней зоне излучения (или зоне Фраунгофера) при r  L_д. Характеристика Н датчиков АЛС D(r) опи­сывает отношение давлений p, развиваемых в этой зоне на одном и том же расстоянии l от центра датчика в направлении, определяемом произвольным радиус-век­тором r и некоторым фиксированным R₀:

D(r) = p(r)/p(R₀).

Амплитудная характеристика Н АЛС R(r) в функции аргумента  зависит от вол­нового размера излучателя d/ (рис. 5.37).

О параметрах Н УЗ можно говорить, если диаметр излучателя в несколько раз превышает его длину волны. Так, для частоты УЗ сигнала 60 кГц, когда  = 5,5 мм, Н создается излучателем диаметром не менее 20 мм.(Например, при d/ = 4 ширина диаграммы Н  = 30⁰).

Учитывая то, что Н пропорциональна частоте сигнала, а затухание пропорционально квадрату частоты, для УЗ локации в воздушной среде обычно используют частоты 30 ... 100 кГц.

При оценке Н в АЛС также как и других ЛИС используетсякоэффициент концентрации (направленного действия) - КНД. Он определяется как отношение интенсивности звука, создаваемой на расстоянии l > L_д в направлении главного максимума J_, к интенсивности гипотетического ненаправленного излучателя J с такой же излучаемой мощностью на том же расстоянии l: K_нд = J_/J. Для нахождения K_нд применяется расчетная формула:

где W - мощность излучателя, p(R₀) - амплитуда звукового давления в направлении R₀.

Это выражение упрощается, если для излучателя справедлива модель плоского поршня в жестком экране. Тогда при $ > ² ($ - площадь излучающей поверхности): K_нд = 4S/². Уровень добавочных максимумов по отношению к главному в этом случае, составляет  0,13.

В активных АЛС, приемник УЗ воспринимает сигнал, посланный собственным излучателем и отраженный от объекта. Чем выше Н излучателя, тем меньше размер «пятна озвучивания» на объекте (рис. 5.38). Этот параметр, характеризуемый диаметром d_пятна, увеличивается с расстоянием и даже при малых L превышает 2 d_изл. Так, при лоцировании плоского объекта на расстоянии 3 м на несущей частоте f = 30 кГц диаметр «пятна озвучивания» d_пятна составляет 4,7 см, а на f = 120 кГц - 2,5 см. Уровень сигнала, полученного приемником, зависит от отражательной способности и формы объекта, и в среднем, в 100 …1000 раз меньше излучаемого сигнала. Наилучшим для лоцирования был бы вогнутый сферический объект с таким радиусом кривизны, который был бы равен расстоянию от поверхности до приемника.

ВАЛС используют различные виды МК, выбор которой зависит от назначения системы и ее радиуса действия. Например, для акустических дальномеров, работающих в ближней зоне (до 1 м), обычно применяется непрерывная ЧМ или ФМ. В дальномерах же среднего радиуса действия (более 2 м) предпочтение отдается импульсному излучению на несущей частоте. Этот тип МК нашел особенно широкое применение в задачах звуковой локации и связи. Как уже отмечалось, ИМ позволяет строить энергетически эф­фективные многоканальные АЛС. При­мер уплотнения частотного канала и организации временной селекции при ИМ со скважностьюq = 100, был рассмотрен в разделе 5.1.2. Подобный подход позволяет разместить в одном частотном диапазоне несколько десятков каналов УЗ связи.

Спектр УЗ сигнала обычно строится в координатах «звуковое давление (или интенсивность) - частота». Для ИМ характерен сплошной спектр, для непрерывной модуляции - комбинированный, содержащий линии и сплошные участки. В целом, спектр ИМ сигнала шире, чем АМ или ЧМ, хотя в любом случае, большая часть энергии сигнала (основная площадь спектра) сосредоточена в области главных гармоник. В качестве примера на рис. 5.39 представлен спектр прямоугольного импульса (без несущей частоты) продолжительностью T  0,3 мс. Как видно из гра­фика основная мощность сигнала лежит в области до  2 кГц. Полоса пропускания приемника УЗ сигнала B, определяющая ширину его спектра, при ИМ выбирается из условия: B = f_г  1/10T, где f_г - верхняя граничная частота приемника. В целом ИМ на несущей частоте, обладает большей эффективностью, по сравнению с ИМ без несущей. Достоинством такой передачи является большая направленность излучения, обусловленная наличием высокочастотной составляющей, а также луч­шая помехозащищенность сигнала. В частности, разрешающая способность акустического дальномера достигает 0,1% от его диапазона измерения. При этом несущую частоту сигнала выбирают вдали от основных акустических частот. В ряде случаев, особенно в системах акустической связи нашли применение также и методы непрерывной МК. Использование в АЛС непрерывной МК приводит к уменьшению ширины спектра сигнала, и, следовательно, улучшению избирательности канала передачи информации и увеличению отношения сигнал/шум.