CC BY
65
чески ни экспериментально охватить всю информацию, которая необходима для
полного описания процессов, происходящих в таком потоке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Руденко О.В., Чиркин А.С. Теория нелинейного взаимодействия монохроматических и шумовых волн в слабодиспергирующих средах // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. Вып. 5(11). С.1903-1911.
2. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Проблемы теории нелинейной акустики. // Акуст. журнал. 1974. Т. ХХ. Вып. 3. С.449-457.
3. Гурбатов С.Н. Параметрическое взаимодействие и усиление случайных волн в недиспергирующей среде // Акуст. журнал. 1980. Т. XXVI. Вып. 4. С.551-559.
4. Гурбатов С.Н., Саичев А.И., Якушкин И.Г. Нелинейные волны и одномерная турбулентность в средах без дисперсии. // УФН. 1983. Т. 141. Вып.2. С. 221-255.
5. Колмаков И.А. Изменение частот акустических комбинационных волн в движущихся средах // Акуст. журнал. 1995. Т. 41. №2. С.341-343.
6. Есипов И.Б., Зименков С.В., Калачев А.И., Назаров В.Е. Зондирование океанического вихря направленным параметрическим излучением // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №1. С.173-176.
7. Наугольных К.А., Рыбак С.А., Скрынников Ю.И. О нелинейном взаимодействии акустических волн в неоднородном потоке жидкости // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №2. С.321-325.
8. Кириченко И.А., Старченко И.Б., Тимошенко В.И. Модель параметрической антенны с учетом нелинейного взаимодействия первичных волн в гидродинамическом потоке // VI сессия Российского акустического общества: Акустика на пороге 21 века. М., 1997. С.67-70.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.
А.Н. Долгов
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ
Мировой опыт показывает, что наиболее эффективным средством профессиональной подготовки операторов-гидроакустиков является тренажерная подготовка. Реализация моделей рыбопоисковых приборов в гидроакустических и рыбопромысловых тренажерах осуществляется с помощью имитатора сигналов и помех, обеспечивающих формирование в устройствах отображения пультов управления соответствующей графической информации и звуковых сигналов [1,2]. Основным условием пригодности математических моделей для использования в имитаторах тренажеров является требование недопустимости формирования ложных навыков управления рыбопоисковой аппаратурой при распознавании гидроакустических сигналов. Это достигается путем разработки и применения математических моделей, обеспечивающих реалистичность имитируемых сигналов, адекватных условиям промысла [3].
Известные из научной литературы математические модели компонент гидроакустических сигналов чаще всего или сильно упрощены, или, наоборот, настолько сложны, что их реализация в реальном масштабе времени проблематична. Кроме этого, довольно большое количество компонент сигналов, поступающих на вход гидроакустических рыбопоисковых приборов, до настоящего времени не рассматривалось.
В данной статье приводятся математические модели компонент сигналов, принимаемых антеннами рыбопоисковых приборов - гидролокатором, эхолотом и траловым зондом. Все математические модели представлены в виде эффективных значений напряжений соответствующей компоненты на выходе антенны.
Эхо-сигнал от искусственной эталонной цели:
.Рм. Я
Я2 2
где ц а- чувствительность антенны в режиме приема; Р1м - эффективное значение
звукового давления в режиме излучения, приведенное к дистанции 1 м; Я э - радиус
эквивалентной сферы; р - коэффициент поглощения звука в воде; Я - расстояние от
антенны до эталонной цели.
Эхо-сигнал от одиночной рыбы:
тт .. 1м 1р і п-0,0001ря
и э1р - Ц а •д/т- '10
Я2 V 4п
где С7г - акустическое сечение обратного рассеяния одиночной рыбы, которое определяется в соответствии со следующим выражением
а1р = А. Ьвр - А,2-в,
где А и В - константы, зависящие от ракурса тела рыбы; ц - длина рыбы; А - длина
звуковой волны в воде.
Эхо-сигнал от рыбного скопления (косяка):
Р ап • V • р
-Мм ІР имп г
1р имп Кр 1 П-0,0001(Ж
иэк - ца • ^ ф ИШ1 р • 10-
эк а ЯМ 4п
"і
где Vимп — текущий импульсный объем; р р - средняя плотность рыб в воде.
Когерентная составляющая эхо-сигнала от донной поверхности:
Р к ф 2
иэдк = ца • • е- 2 • 10-0’0001рк,
эдк 1 а 2Я
где ко— коэффициент отражения звука от идеально плоской донной поверхности;
Ф - параметр Рэлея.
Реверберационная составляющая эхо-сигнала от донной поверхности:
10-0,0001РЯі
где Бі - площадь элемента поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в і -й момент времени; 5д - среднеквадратичный угол наклона неровностей донной поверхности; 0 м - угол между средней нормалью к рассеивающему элементу
донной поверхности и осью характеристики направленности.
Повторный эхо-сигнал от донной поверхности:
Р1м к2
1м_о • е-Ф • 10-0’0002рЯ
4Б
Эхо-сигнал от поверхности моря:
иэпм = Ца ' —-1М2 » Я2 ' д/8^ ' ЄХР
1§5В • 008 »• Яі V 8п
41“ 5
•10
-0,0001РЯі
В У
Upnc = rç-RM--JXlV^
где О - угол между вертикалью и осью характеристики направленности; § В - среднеквадратичный угол наклона неровностей поверхности моря, который может быть определен в соответствии со следующим выражением:
tg25в = 0,001 -(3 + 5,\2¥В) ,
где УВ - скорость ветра, м/с.
Реверберационный сигнал от неоднородностей водной среды (объемная реверберация):
иор = ^.|.СгХ10-0,00№А ,
где - коэффициент обратного рассеяния неоднородностей водной среды; с - скорость звука в воде; т - длительность зондирующего импульса; у - ширина эквивалентной идеальной характеристики направленности, выраженная в стерадианах (для плоских антенн с прямоугольной апертурой у = 5,5/ у, для плоских антенн с круговой апертурой гХ= 5,9/й, где у - коэффициент осевой концентрации антенны).
Реверберационный сигнал от приповерхностного слоя рассеивателей:
Р1м. г.. . ю-0,0001г.Я ,
где ёу. - значение параметра ё у (см. модель объемной реверберации) на 1 - ом горизонте; ДБ1 - площадь сечения части рассеивающего объема, центр которой находится на 1 -ом горизонте и в пределах которой значение параметра £у можно считать постоянным и равным ёу. .
Реверберационный сигнал от звукорассеивающего слоя:
= ^ • • , где ё у с - коэффициент обратного рассеяния единицы объема звукорассеивающего слоя; - объем участка звукорассеивающего слоя, попадающего в импульсный
объем на дистанции .
Реверберационный сигнал от кильватерной струи судна:
иКс = к-Яы^-ь„-10-0,0001|Ж
Я
где - сила обратного рассеяния одного метра кильватерной струи; - длина
участка кильватерной струи, попадающего в текущий момент времени в раствор характеристики направленности и ограниченного протяженностью импульсного объема.
Эхо-сигнал от нижней подборы трала:
U -u P • I mp .io-0-0001PR
инп M'a ґ1м ЛІ 8R3 ’
где - диаметр троса нижней подборы трала.
Эхо-сигнал от верхней подборы трала, оснащенной шаровыми поплавками (кухтылями):
где - радиус кухтыля; - количество кухтылей на верхней подборе.
Эхо-сигнал от траловой доски:
= ___________ • • - в
где - волновое число (к — 2п/X); - площадь траловой доски; - модуль
характеристики направленности поршня площадью в направлении , рассчитанной для удвоенной рабочей частоты; - угол между направлением зондирова-
ния и нормалью к поверхности траловой доски.
Эхо-сигнал от тралового груза-углубителя:
где - масса груза-углубителя; - плотность вещества груза-углубителя.
Эхо-сигнал от рыбы в кутке трала:
где - масса захваченной тралом рыбы; - плотность воды.
Импульсная помеха от зондирующего импульса гидролокатора другого судна при распространении без отражения от донной поверхности:
где - эффективное значение звукового давления в режиме излучения для антенны мешающего гидролокатора, приведенное к дистанции 1 м; - протяженность
трассы, проходимой зондирующим импульсом от антенны мешающего гидролокатора до антенны штатного рыбопоискового прибора; - уровень характеристики на-
правленности антенны штатного рыбопоискового прибора в режиме приема в направлении на антенну мешающего гидролокатора; Бш - уровень характеристики направленности антенны мешающего гидролокатора в режиме излучения в направлении на антенну штатного рыбопоискового прибора; кг - уровень амплитудночастотной характеристики приемного тракта штатного рыбопоискового прибора на рабочей частоте мешающего гидролокатора; р 2- коэффициент поглощения звука в воде на рабочей частоте мешающего гидролокатора.
Когерентная составляющая импульсной помехи от зондирующего импульса гидролокатора другого судна для случая переотражения от донной поверхности:
Р* К ф 2
и — Ц • 1м^ о •е 2 Б Б •к, •10- 0-00005р2(Я1+Я2),
мгк г^а ^ ^ пш им ?
Я-1 + ^2
где Я1 - протяженность участка трассы, проходимого отраженным от донной поверхности импульсом до антенны штатного рыбопоискового прибора; я2 - протяженность участка трассы, проходимого зондирующим импульсом от антенны мешающего гидролокатора до точки зеркального отражения на донной поверхности; Б - уровень характеристики направленности антенны штатного рыбопоискового прибора в режиме приема в направлении на точку зеркального отражения; Б - уровень характеристики направленности антенны мешающего гидролокатора в режиме излучения в направлении на точку зеркального отражения.
Некогерентная составляющая импульсной помехи от зондирующего импульса гидролокатора другого судна для случая переотражения от донной поверхности:
( + )• ЛІ р
где - угол между границей характеристики направленности приемной антенны и зеркальным направлением из точки встречи этой границы с донной поверхностью, выраженный в радианах; р - угол наклона антенны штатного гидролокатора. Акустические шумы собственного судна:
где - звуковое давление шумовой помехи, приведенное к стандартным условиям (частоте 1 кГц, полосе 1Гц, ненаправленному приему); -- резонансная частота
приемного тракта, кГц; - полоса пропускания приемного тракта, Гц; - коэффициент осевой концентрации антенны в режиме приема; - текущая скорость
судна; - скорость, на которой была измерена величина ; - уровень характеристики направленности моделируемой антенны в направлении на корму судна; -
уровень характеристики направленности в направлении на корму судна гидроакустической антенны или гидрофона, использованных при измерении параметра .
Представленные выше математические выражения для средних уровней эхо-сигналов получены для случая их приема по основному лепестку характеристики направленности. При построении моделей компонент результирующего сигнала, формируемых при приеме эхо-сигналов по боковым лепесткам характеристики направленности, в правые части соответствующих равенств добавляется множитель, определяемый как квадрат уровня соответствующего бокового лепестка.
Исходя из опыта разработки гидроакустических и рыбопромысловых тренажеров, для трех основных типов рыбопоисковых приборов (гидролокатора, эхолота и тралового зонда) в результирующий сигнал предлагается включить следующие компоненты моделей, приведенных в таблице.
_________________________________________________________________________Таблица
+
Тип рыбопоискового прибора Порядковый номер математического выражения для компоненты сигнала
Гидролокатор 1 - 7, 10 -13, 15 - 22
Эхолот 1 - 7, 10 -12, 19 - 22
Траловый зонд 1 - 14
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н.,. Сыротюк А.П Компьютерный гидроакустический
тренажер для рыбопоискового комплекса “Сарган-К” // Рыбное хозяйство. Сер. Актуальные научно-технические проблемы отрасли: Обзорная информация ВНИЭРХ. Вып.1. С.20-28.
2. Долгов А.Н.,. Кудрявцев Н.Н,. Сыротюк А.П Разработка имитатора сигналов для
рыбопоискового эхолота “Сарган” и создание на базе его гидроакустического тренажера // Рыбное хозяйство. Сер. Актуальные научно-технические проблемы отрасли: Обзорная информация ВНИЭРХ. Вып.1. С..30-34.
3. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н.,. Сыротюк А.П Гидроакустическая подсистема ком-
плексного рыбопромыслового тренажера // Труды У Междунар. конференции: Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. 6-9 июля 2002. С.Петербург, Россия. С.297-300.
