CC BY
61
УДК 534.222
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОЛОКАЦИИ
© 2006 г. П.А. Стародубцев
Анализ становления отечественной гидроакустики позволяет проследить следующую тенденцию ее развития. Техническое совершенствование морских судов обеспечило устойчивое снижение уровня полей их шумоизлучения. Разработчики новых материалов для изготовления покрытий корпуса судов снизили их акустическую заметность. Стремление перейти в низкочастотный диапазон, как наиболее информативную область шумоизлучения, породило сложную практическую задачу производства и применения протяженных акустических антенн. Это, в свою очередь, привело к усложнению гидроакустических станций, увеличению весогабаритов и другим, неоправданным с точки зрения достигнутого эффекта, последствиям. Попытка разрешить сложившуюся ситуацию путем снижения частоты зондирующих сигналов при обнаружении объектов методами активной (включая и бистатическую) гидролокации также столкнулось с вышеуказанными трудностями. Решение задачи дальнего приема сигналов в этом случае ограничивается снижением волнового параметра реальных морских объектов. Научно-технические разработки, связанные с параметрическими методами излучения и приема низкочастотных акустических сигналов антеннами «малых волновых размеров», наметили определенный сдвиг в решении этой проблемы. Однако реализация достижений и разработок параметрических методов в вопросах приема сигналов «малых амплитуд» ограничивается определяющим фактором - низкой нелинейностью водной среды и ее зависимостью от условий применения: районом, глубиной погружения приемных и излучающих антенн, суточной и сезонной зависимостью основных параметров водной среды.
Опыт натурных исследований породил идею разработки нового гидроакустического метода обнаружения морских объектов, объединяющего преимущества и максимально сглаживающего принципиальные недостатки существующих классических методов: активной гидролокации, пассивного шумопеленгова-ния и нелинейной гидроакустики. Таким методом является метод, основанный на подсветке среды низкочастотными акустическими сигналами, получивший название «просветного» метода.
Сущность «просветного» метода заключается в облучении контролируемой среды низкочастотными
акустическими сигналами и формировании в среде установившегося акустического поля; многоканальном приеме сигналов на противоположной (относительно точки излучения) границе акватории; последующем измерении пространственных амплитудно-фазовых характеристик сигналов установившегося поля, а также искажений этих характеристик при изменении поля движущимся объектом. Технические или биологические объекты обнаруживаются и одновременно классифицируются по признакам комплексной информации, которая обеспечивается за счет многоканального измерения пространственно-временных и амплитудно-фазовых характеристик «просвет-ных» сигналов, а также признаков их изменения и параметрического преобразования полями объектов различной физической природы.
Применение активной низкочастотной подсветки контролируемой среды обеспечивает возможность обнаружения акустически «слабозаметных» объектов. Использование в методе низкочастотных «просвет-ных» сигналов делает его практически нечувствительным к мелкомасштабным изменениям гидроакустических характеристик морской среды. Характеристики шумоизлучения измеряются (выделяются) при спектральном анализе принимаемых «просветных» сигналов. При этом эффективно реализуется возможность параметрического приема волн «малых амплитуд». Низкочастотный «просветный» метод практически не зависит от отражающих характеристик объектов и в меньшей степени зависит от уровня сигналов их полей.
Теоретическими исследованиями модуляции одних звуковых волн другими при их совместном распространении или пересечении в жидкостях и газах обоснована нелинейность их взаимодействия и параметрического преобразования [1, 2]. Экспериментальными работами в модельных [2] и в натурных условиях [3, 4] подтверждена возможность практической реализации рассматриваемых процессов в просветных системах активно-пассивной гидролокации, акустической томографии и дальней звукоподводной связи [5]. Показано, что использование фазовой модуляции в гидроакустических системах обнаружения и связи более предпочтительно, так как относительно амплитудной она не только значительно информационно
емка [6], но и более помехоустойчива [7 - 9], что подтверждено результатами натурных экспериментальных исследований по обоснованию эффективности различных видов модуляции параметра нелинейности морской среды [10].
Рассмотрим один из примеров взаимодействия волн различных источников в проводящей морской среде.
Преобразование проведем для случая нелинейного взаимодействия трех волн: ю1 - высокочастотной волны подводного источника, промодулиро-ванной низкочастотной составляющей ^ в зоне формирования их суммарного акустического поля; ю2 - высокочастотной просветной волны (волны накачки, сформированной с условием ю1 = ю2). Будем считать, что суммарный сигнал от источника, поступающий в область взаимодействия с «просветной» волной, является амплитудно-модулированным и имеет вид
P(t) = A(t)sin( t + ф),
(1)
S(t)= S0 sin(Qt + .
(2)
P * (t ) = 0,5P 2 x
J0 (mp )cos2m 1J1 (mp )x x[cos (2ю1 -Q)t - cos (2ю1 +Q)t ] +
+J2 j2aj[cos(2ю1 -2Q)t + cos(2ю 1 + 2Q)t] +
+J3 ^ 2A)[cos(2™ 1 -3Q)t-
- cos
(2ю 1 + 3Q)t] +... .
(5)
где ю1 - центральная частота; ф - начальная фаза.
В случае использования в качестве источника звука шумовых сигналов, промодулированных низкочастотным звуком, характер огибающей А(/) будет определяться частотой низкочастотной модуляции. При этом огибающая А(/) по форме будет совпадать с модулирующей функцией £(/), которая описывается гармоническими колебаниями
Анализ выражения (5) показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа боковых составляющих, расположенных попарно симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ю (равной ю1+ю2), значения частот которых отличаются от 2ю на п-О, где п - любое целое число. Амплитуды п-х боковых составляющих будут определяться выражением
J„
2Am
P
0,5P2
(6)
Огибающую модулированного колебания при этом можно представить в виде
А (t) = A 0 + КамS (t) = A0 + Am sin(Qt + у), (3)
где Q - частота модуляции; А0 - амплитуда несущего колебания в отсутствие модуляции; К ам - коэффициент пропорциональности; Am - амплитуда изменения огибающей; у - начальная фаза огибающей. Отно-
Am
шение —— = m А является коэффициентом модуля-
A0
ции, причем А0 > А— и mA< 1.
Таким образом, мгновенное значение модулирующего колебания можно записать как
P (t ) = A (t) sin (ro1t + ф) = = A0 [l + mA sin(Qt + sin(ю 11 +ф). (4)
Опустив математические выкладки, запишем результирующее выражение [1, 2, 11]:
откуда следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного
2 А
колебания определяется величиной ™ . Причем при
малых значениях коэффициента т р спектр колебания
состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ю (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ю + О) и нижней (2ю - О).
Эксперимент по проверке эффективности практического использования закономерностей фазовой модуляции низкочастотных просветных сигналов низкочастотными излучениями случайными акустическими источниками проводился на шельфе Японского моря.
Условия проведения эксперимента заключались в следующем. В береговом клине Японского моря с глубинами от 200 м (в точке приема сигналов) до 1000 м (в точке излучения сигналов) была сформирована гидроакустическая барьерная линия протяженностью около 25 км, прозвучиваемая сигналами стабильной частоты 388 Гц. Судно (носитель подводного источника звука) маневрировало и пересекало барьерную линию (рис. 1, точки 1-3).
Промодулированные излучениями подводного источника и судна «просветные» сигналы принимались ненаправленными (одиночными) пространственно разнесенными приемниками. При обработке измерялся сигнал разности их фаз, который затем подвергался узкополосному спектральному анализу. Результаты эксперимента приведены на рис. 1.
Рис. 1. Результаты морского эксперимента по исследованию параметрического метода с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды
В заключение отметим следующее. Совместное распространение в нелинейной морской среде интенсивной высокочастотной звуковой волны с низкочастотной волной «малой амплитуды» сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием.
Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция.
Сформированные в результате преобразования волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты эффективно выделяются по признакам фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами натурного морского эксперимента.
Литература
1. Westervelt P.J. Parametric acoustic array // J. Acous. Soc. Amer. 1963. Vol. № 4. P. 532-537.
2. Зверев В.А, Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн //Акуст. журн. 2000. № 2. Т. 16. С. 245 - 251.
3. Мироненко М.В. Результаты теоретических и эксперимен-
тальных исследований пространственной амплитудно-фазовой структуры поля низкочастотной подсветки среды // Сб. статей. ТОВМИ Вып. 2. Владивосток, 1985. С. 26-31.
4. Мироненко М.В., Стародубцев П.А. Проблемы разработ-
ки метода низкочастотной томографии морской среды и нетрадиционные пути их решения // Сб. статей. ТОВМИ Вып. 21. Владивосток, С. 117-128.
5. Мироненко М.В., Минаев Д.Д. Закономерности парамет-
рического взаимодействия волн различной физической природы в морской среде и их реализации в разработках систем дальней звукоподводной связи // Сб. статей. ТОВМИ. Вып. 3. Владивосток, С. 82 - 87.
6. Пауэрс Дж., Лондри Дж., Уэйд Г. Восстановление изо-
бражений по фазовым и амплитудным голограммам: Акустическая голография: Пер. с англ. / Под ред.
B.Г. Прохорова. Л., 1975. С.132 -145.
7. Пестряков В.Б. Фазовое обнаружение. Фазовые радиотехнические системы. М., 1958. С. 308 -352.
8. Харкевич А.А. Влияние вида модуляции. Борьба с поме-
хами. М., 1965. С. 50 - 60.
9. Тихонов В. И. Различие сигналов со случайными амплитудой и фазой. Оптимальный прием сигналов. М., 1963.
C. 123 -140.
10. Мироненко М.В., Короченцев В.И., Сургаев И.Н. Способ приема упругой волны в морской среде (варианты): Патент на изобретение РФ № 2158029 от 20.11.2000.
11. Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция акустических волн при их взаимодействии в морской среде // Сб. статей ТОВМИ. Вып. 22. Владивосток, 2001. С. 82-88.
Тихоокеанский военно-морской институт
им. академика Г.И. Невельского, г. Владивосток 1 июля 2005 г.
