Введение к работе
Актуальность проблемы. Одно из направлений в океанологических исследованиях – создание новых технических средств освоения океана. К таким средствам можно отнести антенны с большими апертурами и многопозиционными антенными устройствами. Увеличение апертуры приемной антенны позволяет увеличить дальность действия и направленность гидроакустического средства, и как следствие улучшить качество исследований. Но при увеличении апертуры приемной антенны увеличивается и её зона Френеля.
Зона Френеля излучающей системы, как показали теоретические и экспериментальные исследования, за счет переотражений излученного сигнала от поверхности моря и дна, а также за счет рефракционных явлений может увеличиться многократно. Даже для точечного источника сигнала, зона Френеля (интерференционная зона) в морском волноводе может составлять десятки и сотни километров. Фронт волны принимаемого сигнала в таких условиях можно считать плоским по апертуре приемной антенны только с определенной степенью условности.
Следует отметить, что шумы дальнего судоходства, биошумы, шумы техногенного происхождения и др. по статистическим характеристикам схожи с источниками полезного сигнала. В этих условиях отличительным признаком между помехой дальнего поля и сигналом может быть кривизна фронта волны, степень кривизны которой определяется размерами зоны Френеля.
Помехи ближнего поля могут также находиться в зоне Френеля акустической приемной антенны. К таким помехам следует отнести виброакустическую и гидродинамическую помеху, которые носят распределенный в пространстве характер и не могут быть подавленны традиционно за счет направленных свойств антенны. Поэтому задачей оптимальной обработки является подавление и компенсация помех, источники которых расположены, в том числе и в зоне Френеля.
Освоение мирового океана, не возможно без создания подводных объектов, в том числе движущихся. Огромный опыт эксплуатации движущихся подводных объектов (ПО) накоплен в военно-морском флоте при плавании подводных лодок (ПЛ). Анализ столкновений ПЛ, находящихся в подводном положении, показал, что при малых расстояниях между ПЛ и морской целью они находятся в зонах Френеля излучающих корпусов кораблей и антенных систем обнаружителей, что приводит к не обнаружению друг друга и как следствие к столкновениям ПЛ с морскими целями. Столкновение английской и французской атомных подводных лодок 4 февраля 2009г. в Атлантическом океане, а также ряд столкновений американских подводных лодок, к примеру с японским учебным судном, которое погибло в результате столкновения при всплытии ПЛ в феврале 2001 году подтверждает, что данная проблема не решена и в иностранных государствах стран НАТО. Эта проблема кроме всего прочего имеет и экологический оттенок, в связи с наличием на борту подводных лодок ядерных реакторов и ядерного вооружения; имеется вероятность столкновений ПО с танкерами и судами, имеющими на борту экологически опасные грузы. Поэтому актуальность работы обусловлена не только обеспечением качества океанологических исследований и безопасности плавания ПО, но и необходимостью обеспечения экологической безопасности морей и океанов.
В связи с этим возникла необходимость разработки методов обработки сигналов и помех, находящихся в зоне Френеля излучающих и приемных систем, поскольку методы обработки сигналов обоснованные применительно к условиям формирования поля сигнала и помех в дальней зоне (Фраунгофера) по апертуре развернутой антенной решетки, как показала практика, зачастую не позволяют решать задачи обнаружения и пеленгования целей в реальных условиях морского волновода.
Цель работы. Обосновать методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем в интересах повышения помехоустойчивости и пространственной разрешающей способности ГАС.
Задачи исследований.
- анализ результатов экспериментальных исследований физических явлений, возникающих при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;
- разработка физической модели возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии НЧ и ВЧ сигналов в водной среде;
- обоснование возможности повышения помехоустойчивости ГАС и сужения характеристики направленности (ХН) при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;
- обоснование метода гетеродинной обработки гидроакустических сигналов;
- обоснование метода освещения надводной обстановки с погруженного ПО при наличии слоя скачка;
- обоснование метода обнаружения морских целей в условиях мелкого моря при развитой структуре интерференционного акустического поля.
- обоснование возможности компенсации и подавления, распределенных в пространстве помех, расположенных в ближней зоне.
- разработка предложений по использованию методов обработки гидроакустических сигналов для обеспечения безопасности плавания ПО.
Методы исследований.
Основными методами для решения поставленных задач явились экспериментальные и теоретические методы с использованием численного и имитационного моделирования. Работа базируется на обширном экспериментальном материале, полученном начиная с 1985г. при проведении натурных морских экспериментальных исследований и морских экспедиций.
Научная новизна.
1. Обоснована физическая модель возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии ВЧ и НЧ сигналов в водной среде.
2. Разработан метод гетеродинной обработки сигнала в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.
3. Обоснована возможность поиска кривизны фронта волны широкополосного сигнала при пассивном лоцировании акустического поля.
4. Предложен метод освещения надводной обстановки с погруженного ПО в условиях наличия слоя скачка при использовании реверберационной приемной параметрической антенны (РППА).
5. Обоснована возможность повышения помехоустойчивости ГАС при излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от акустической антенны ГАС.
6. Разработан метод освещения обстановки в условиях мелкого моря по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля с использованием принципов адаптивной фильтрации.
7. Обоснована возможность адаптивной компенсации виброакустической помехи ГАС, на основе использования амплитудной модуляции при формировании эталона распределенной виброакустической помехи, формируемой в зоне Френеля.
Разработанные в работе методы имеют подтверждения новизны в виде авторских свидетельств на изобретения, патентов на полезные модели и программу для ЭВМ.
Практическая значимость работы
Работа показывает пути модернизации ГАС с целью решения задач обнаружения целей в зоне Френеля. Разработанные предложения целесообразно использовать при обеспечении безопасности плавания ПО в сложных гидроакустических условиях включающих в себя: наличие слоя скачка; повышенной гидродинамической помехи; наличии затененных секторов обзора ГАС; развитой структуры интерференционного акустического поля, характерной для условий мелкого моря и т.п.
Апробация работы. Основные результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы, обсуждались на: межведомственном координационном научно-техническом совете по нелинейной акустике (1987г.); межведомственном научно-техническом семинаре в научно-исследовательском институте радиоэлектронного вооружения ВМФ (1989г.); VII Дальневосточной научно-технической конференции по судовой радиоэлектронике (1994 г.); Российской гидроакустической конференции, Владивосток, ТОВВМУ (1996г.); 6-й Всероссийской акустической конференции (с международным участием), Владивосток ДВГТУ (1998); Всесоюзных и Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях ТОВМИ им. С,О. Макарова (1988-2008г.г.); Межвузовской НТК, посвященной 100-летию со дня рождения Тюлина В.Н. (1992г.); сборах руководящего состава РТС ТОФ (1987,1990,2001,2007г.г.), Научно-техническом совете в/ч 90720 (1987,1989,1991-1994,2001г.г.); НТС в ТОИ ДВО РАН (1995,2009 г.г.); 6-й международной НТК Проблемы открытого образования, ДВГТУ (2007г.); 2-й международной НТК Проблемы транспорта Дальнего Востока, ДВМА (1997); 11-й и 19-й сессиях АКИН; НТС в комитете по гидрофизике РАН, НИЦ РЭВ ВМФ, Военно-морской академии (2008г); 3 Всероссийская НТК «Технические проблемы освоения мирового океана» (Институт проблем морских технологий ДВО РАН 2009г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ из них по перечню ВАК (июль 2008г.) рекомендованных для докторских диссертаций опубликовано 8 статей; две монографии; два авторских свидетельства на ИЗО; одно авторское свидетельство на полезную модель; два Патента на полезную модель; одно авторское свидетельство на программу для ЭВМ, зарегистрированную в Гос. реестре; одно положительное решение на выдачу Патента РФ; часть материалов диссертации вошли в учебник «Гидроакустические измерения», допущенный в качестве Учебника для военно-морских учебных заведений Главнокомандующим ВМФ РФ.
Материалы диссертации внедрены в 24 НИР, где в 10 НИР автор был научным руководителем.
Личный вклад автора: 77 статей, в том числе статьи, рекомендованные ВАК, а также заявки на изобретения по теме диссертации написаны лично автором, из них 25 статей без соавторов.
В публикациях автору принадлежит постановка задачи, выбор методов анализа и интерпретации экспериментальных результатов, теоретическое обоснование физических моделей возникновения амплитудной модуляции при излучении ВЧ сигнала в водную среду. Автор разрабатывал и принимал участие в изготовлении макетов ГАС, трактов обработки и анализа, им предложены и обоснованы выносимые на защиту технические решения. Автор, будучи руководителем испытательной группы в морских экспедициях, и научным руководителем НИР, разрабатывал методики проведения экспериментальных исследований и принимал в них непосредственное участие. Научные положения, вошедшие в диссертацию, получены лично автором.
Обоснованность и достоверность научных разработок и полученных результатов диссертации подтверждается результатами физического и имитационного моделирования механизмов взаимодействия сигналов хорошо апробированного математического аппарата, техническими решениями, защищенными авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, полезные модели и программы на ЭВМ, а также протоколами межведомственных комиссий и межведомственных рабочих групп по результатам натурных морских экспериментов и двух морских экспедиций.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод гетеродинной обработки сигнала в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.
2. Физическая модель возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом модуляции при рассеянии ВЧ сигнала на колеблющейся поверхности, расположенной в зоне Френеля.
3. Метод компенсации виброакустической помехи ГАС, на основе использования амплитудной модуляции при формировании эталона распределенной виброакустической помехи, формируемой в зоне Френеля.
4. Метод освещения надводной и подводной обстановки при использовании приемной антенны реверберационного типа.
5. Метод освещения надводной и подводной обстановки по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 149 источников, приложения. Диссертационная работа изложена на 269 страницах, включая 133 рисунка.
