Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ результатов исследований процессов нелиениного взаимодействия акустических волн и особенностей работы параметрических антенн в океанических волноводах... 11
1.1 Вопросы нелинейного взаимодействия акустических волн параметрических излучателей звука 11
1.2 Методы расчета акустических полей и особенности работы параметрических антенн в океанических волноводах 18
1.3 Выводы 27
2. Исследование нелинейного взаимодействия звука в условиях волноводного распространения в мелком море 28
2.1. Теоретический анализ параметрического излучения звука в регулярных волноводах 28
2.2 Исследование структуры акустического поля параметрического излучателя в изоскоростном регулярном волноводе 34
2.3 Основные результаты выводы 79
3. Экспериментальное исследование поля параметрической гидроакустической антенны при распространении сигнала в мелком море 82
3.1 Методика экспериментальных исследований распределения акустического поля параметрической антенны в мелководных районах моря 82
3.2 Аппаратура для проведения экспериментальных измерений вертикального распределения звукового давления 89
3.3. Результаты проверки комплекса в натурных условиях 93
3.4 Результаты экспериментальных исследований 95
3.5 Выводы 113
4. Разработка структуры параметрического гидролокационного комплекса для обнаружения подводных объектов в мелком море 114
4.1 Принципы построения параметрического гидролокационного комплекса для обнаружения подводных объектов в мелком море 114
4.2 Выработка рекомендаций по оптимальной конструкции параметрической излучающей антенны 115
4.3 Параметрический гидролокационный комплекс для обнаружения подводных объектов в мелком море 118
4.4 Выводы 125
Заключение 126
Литература
- Методы расчета акустических полей и особенности работы параметрических антенн в океанических волноводах
- Исследование структуры акустического поля параметрического излучателя в изоскоростном регулярном волноводе
- Аппаратура для проведения экспериментальных измерений вертикального распределения звукового давления
- Выработка рекомендаций по оптимальной конструкции параметрической излучающей антенны
Введение к работе
Среди множества вопросов распространения звука в море большое внимание уделяется распространению на мелководье. Важность проблемы заключается в том, что большинство задач гидроакустики и гидролокации приходится решать именно в таких условиях.
При дистанциях много превышающих глубину места проявляются волноводные явления. Для этого процесса характерны как сложность теории, так и трудности математического описания акустических характеристик среды, заключенной между границами. В мелком море звук распространяется путем многократных отражений от поверхности и дна.
Характер волноводного распространения довольно сложен. Он определяется не только свойствами граничных поверхностей и геометрической конфигурацией волновода, но и способом возбуждения акустических колебаний.
Очевидно, высоконаправленный излучатель, обеспечивающий малые углы скольжения падающих на границы волн, является более предпочтительным для возбуждения низких номеров нормальных мод в волноводе, что способствует наименьшему ослаблению звуковой энергии при распространении. Высокая направленность гидроакустических антенн может быть обеспечена на сравнительно высоких частотах, что ограничивает дальность действия гидролокационных систем. Излучение же низких частот предполагает, что излучатель будет либо слабонаправленным, либо иметь размеры, ставящие под вопрос возможность использования таких антенн в реальных условиях эксплуатации.
Перспективной представляется идея использования в качестве источника гидроакустических сигналов параметрических акустических антенн, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии волн при распространении.
Применение параметрических антенн для работы на мелководье позволит за счет их высокой направленности, низкого уровня бокового поля, малогабаритное, широкополосности добиться наиболее однородного озвучивания по глубине толщи звукового канала и обеспечит селективное возбуждение мод в волноводе.
Для научного обоснования возможности использования параметрических антенн для формирования заданной структуры акустического поля в волноводе и разработки принципов построения гидроакустических систем обнаружения подводных объектов в мелком море требуется проведение исследований направленных на создание методик расчета акустического поля с учетом направленных свойств параметрической антенны и ее пространственной ориентации, разработку моделей параметрических антенн в среде с границами и экспериментальную оценку результатов.
Цель работы
Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование в рамках модового подхода селективного возбуждения мод в плоскослоистых волноводах; получение аналитических оценок усредненных характеристик звукового поля на основе упрощенных моделей мелководных волноводов; численные расчеты для реальных акустических трасс.
Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения, рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сравнением с известными результатами.
Научная новизна работы 1. Разработана методика для расчета поля параметрического излучателя, позволяющая определить условия (заглубление и ориентацию источника накачки) селективного возбуждения мод в волноводе.
2. Теоретически исследованы условия возбуждения низших мод волны разностной частоты в мелком море.
Практическая значимость полученных в работе результатов.
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований структуры акустического поля параметрического излучателя
6 (ПИ) в условиях волноводного распространения звука могут быть использованы для прогнозирования характеристик параметрических гидроакустических средств при работе ПИ в морских звуковых каналах, в том числе при определении условий (заглубления и пространственной ориентации источника накачки) селективного возбуждения мод в мелком море. Они позволяют, в частности, интерпретировать экспериментальные данные по параметрическому излучению в акустических волноводах. Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета акустического поля параметрического излучателя в волноводе с учетом направленных свойств и частотного диапазона, заглубления антенны накачки и ее ориентации относительно поверхности и морского дна.
2. Результаты теоретических исследований условий возбуждения низших мод в звуковом канале мелкого моря, в условиях, когда необходимо учитывать нелинейное взаимодействие отраженных от границ волн накачки и когда взаимодействием волн накачки можно пренебречь в зависимости от пространственной ориентации антенны накачки.
Результаты экспериментальных исследований вертикального распределения звукового давления сигнала разностной частоты параметрической антенны по глубине волновода в мелком море.
Принципы построения гидроакустических параметрических средств обнаружения в мелком море в условиях волноводного распространения акустических сигналов.
Содержание диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, заключения и четырех основных глав. В работе приводится список литературы из 97 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы и научная новизна работы, сформулирована цель и основные положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.
В главе 1 проведен анализ результатов исследований процессов нелинейного взаимодействия акустических волн и особенностей работы параметрических антенн в океанических волноводах. Рассмотрены основные методы расчета акустических полей и вопросы нелинейного взаимодействия акустических волн параметрических излучателей звука.
В главе 2 представлены результаты теоретического изучения вопроса о влиянии отражающих границ волновода на формирование поля параметрических излучателей звука.
В п. 2.1 сформулирована математическая постановка задачи о возбуждении волновода параметрическим излучателем с высоконаправленным пучком накачки с учетом наличия в области нелинейного взаимодействия отражающих границ.
В п.2.2 анализируется параметрическая генерация звука в регулярных изоскоростных волноводах. В теоретических исследованиях модель мелкого моря представлена волноводом с акустически мягкими границами и волноводом с акустически жестким дном.
Рассмотрены особенности формирования вертикального распределения звукового давления для случая нормированного масштаба акустического поля при различных значениях параметра kh (где k-волновое число волны разностной частоты, h - глубина волновода). Смысл такого нормирования определяется возможностью перехода от метрических характеристик пространственного масштаба к характеристикам, нормированным в волновых соотношениях. Это позволяет провести анализ полученных результатов теоретических исследований по предложенной модели для прогнозирования вертикальной структуры акустического поля, при сохранении нормированных значений, для широкого диапазона частот накачки, разностной частоты и пространственных масштабов акустического волновода.
Расчеты проводились для широкой полосы частот и в частности для 500 Гц когда глубина волновода становится соизмеримой с длиной волны разностной частоты.
Рассмотрены три случая формирования поля ПИ в волноводе:
Горизонтальная ориентация излучателя, когда пучок накачки практически не испытывает отражения от границ волновода. Точка касания акустическим пучком границ волновода х » 13 (где 13 - длина зоны затухания волн накачки параметрической антенны). Такая геометрия задачи практически всегда может быть обеспечена в реальных морских условиях, когда ширина характеристики направленности излучающей антенны накачки не превышает единиц градусов.
При небольших углах наклона антенны соизмеримых с шириной характеристики направленности, когда переотражением пучка накачки от границ волновода можно пренебречь, и считать, что волны накачки существенно затухнут, нелинейное взаимодействие отраженных волн, также как в предыдущем случае, можно не учитывать. Такая постановка задачи позволяет моделировать волноводное распространение при небольших изменениях угла наклона излучающей антенны накачки, которые возможны, например, при качке судна. Точка касания акустическим пучком границы волновода дальше ближней зоны антенны накачки. Поэтому взаимодействие отраженных волн не влияет на формирование акустического поля.
При углах наклона излучателя больших, чем ширина характеристики направленности, необходимо учитывать влияние многократных переотражений сигнала разностной частоты и взаимодействие отраженных волн накачки. В работе проведены исследования особенностей волноводного распространения в зависимости от наклона ПИ в сторону поверхности или дна с учетом нелинейного взаимодействия отраженных волн накачки.
Построены зависимости распределения звукового давления для горизонтально ориентированного излучателя и углах наклона близких к нулю для двух характерных случаев акустических границ при моделировании условий мелкого моря. Рассмотрены случаи, когда дно представлено как акустически мягкая граница и акустически жесткая. При этом предполагалось три случая заглубления излучающей антенны: вблизи поверхности, в середине акустического волновода и вблизи дна.
Представлены результаты исследований распределения звукового давления по глубине, которые показали возможность возбуждения в акустическом волноводе в условиях мелкого моря мод в широкой полосе частот при соответствующем наклоне акустической оси параметрической излучающей антенны. Показано, что возбуждение мод зависит от направленных свойств параметрического излучения, волны разностной частоты, частотного диапазона параметрической гидроакустической системы. В главе 3 разработана методика экспериментальных исследований и измерений вертикального распределения звукового давления.
Приведены результаты экспериментальных исследований вертикальных распределений звукового давления при различных углах наклона преобразователя накачки параметрической излучающей антенны, различных значениях волны разностной частоты для различных точек по трассе распространения акустических волн.
В результате обработки принятых сигналов звукового давления волны разностной частоты построены вертикальные распределения звукового давления. На основании полученных результатов показано, что эффективность возбуждения мод зависит от частотного диапазона параметрической гидроакустической системы, величины приведенных уровней волн накачки и волны разностной частоты,
В главе 4 изложены основные принципы построения параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море. Выработаны рекомендации по оптимизации конструкции параметрической излучающей антенны. Приведена структура параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море.
В заключении сформулированы основные результаты исследований.
Разработанные в диссертации методики, алгоритмы, полученные научные и практические результаты внедрены в организации в/ч 30895, Акустический институт им. Н.Н. Андреева, ГНЦ "Южморгеология".
По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, среди которых статьи и доклады на конференциях.
Результаты диссертации были апробированы на следующих научно технических конференциях: пятидесятая студенческая научная конференция, Таганрог, ТРТУ, 2003г.; VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика радиоэлектроника и системы управления" ТРТУ, Таганрог 2004г.;
51-ая научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, ТРТУ, Таганрог, 2005г.; - Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2005г.;
52-ая научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, ТРТУ, Таганрог, 2006г.; - Нелинейная гидроакустика. Труды научной конференции. Ростов-на-Дону 2006. - Вторая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2006г.; - XVIII сессия Российского акустического общества, г. Москва, 2006г.;
Методы расчета акустических полей и особенности работы параметрических антенн в океанических волноводах
В настоящий период гидроакустические средства связи, локации, управления и мониторинга активно используются в процессе изучения и освоения вод Мирового океана. Повышение эффективности работы гидроакустических средств требует создания реалистических моделей расчета звукового поля в океанической среде, которые позволяют более точно предсказывать измеряемые характеристики излучения. Хорошо известно [2,13,14,27,43], что океаническая среда носит случайный характер, обусловленный турбулентностью [28], внутренними волнами [29, 30], тонкоструктурными образованиями [31], поверхностными волнами [32, 33], неровностями дна [34, 35] и др. Существующие модели расчета звукового поля в рамках детерминированных океанических волноводов с регулярными изменениями параметров, хотя и позволяют получить удовлетворительное согласие теоретических результатов и экспериментальных данных, но не описывают многих характеристик излучения, регистрируемых в реальной ситуации. В частности, в рамках детерминированных моделей не удается описать наблюдаемые в экспериментах амплитудно-фазовые флуктуации поля, ослабление звукового сигнала, изменение пространственного распределения поля, снижение когерентности принимаемых сигналов и т.д. Поэтому одним из актуальных направлений современной акустики океана является развитие статистических моделей звукового поля, позволяющих учитывать, наряду с регулярными изменениями, случайную изменчивость параметров морской среды.
Проблема расчета волновых полей в случайно-нерегулярных средах является объектом активных исследований, как теоретиков, так и экспериментаторов на протяжении нескольких десятков лет [36]. Среди фундаментальных работ в этом направлении следует отметить работы [36-40], в которых систематически изложены вопросы теории рассеяния для нестратифицировашюй среды с изотропными неоднородностями, а также теории рассеяния на шероховатых поверхностях в свободном полупространстве. Однако, известное своеобразие океанической среды, обусловленное наличием подводного звукового канала (ПЗК) и специфическими спектрами случайных нерегулярностей, существенно усложняет теоретический анализ рассеяния звукового поля.
Как известно [2,14,27,43], процесс распространения звукового поля частоты f в океанических ПЗК описывается уравнением Гельмгольца: {A + k2n2(R)}p(R) = 0, где А - оператор Лапласа, R = (7,z) - трехмерный вектор, с вертикальной компонентой z и горизонтальной компонентой 7, к = 2ж//сд - волновое число, n(R) = co/c(i?) - показатель преломления среды, p(R)=p(R)exp{ i2iift} -звуковой потенциал. Лишь для горизонтально-однородной среды распространения уравнение Гельмгольца допускает точное решение, которое может быть получено методом разделения переменных.
Поскольку реальная океаническая среда не является однородной в горизонтальном направлении, а характеризуется как регулярными, так и случайными изменениями, то для решения этой задачи необходимо использовать приближенные методы. В литературе [14, 42, 43] можно найти обзоры методов, наиболее часто применяемых в современной океанической акустике для исследования звукового поля в нерегулярных океанических ПЗК. Остановимся подробнее на трех основных подходах к расчету звукового поля.
Лучевой метод широко используется при исследовании звукового поля в океанических ПЗК как в рамках детерминированных, так и статистических моделей. Уравнения лучевой теории получаются из уравнения Гельмгольца подстановкой [13, 14,43]: p(7,z) = A(r,z)exp{ikS(7,z)}. В низших порядках по параметру 1/к такая подстановка приводит к уравнению эйконала и уравнению переноса для функций: A{7,z) и S(7,z). К настоящему моменту в океанической акустике наиболее полное исследование особенностей распространения звукового поля в случайно-нерегулярных ПЗК проведено в рамках именно лучевого подхода. Здесь следует отметить работы Кравцова, Орлова [44, 45], Швачко [46-48], в которых рассмотрено влияние случайных неоднородностей водного слоя ПЗК на распространение звука, а также работы Лысанова [49-51], посвященные рассеянию звука неровными границами океанической среды. Подробное исследование влияния внутренних волн на распространение звуковых волн в рамках лучевого подхода и сопоставление теории с имеющимися экспериментальными данными приведено в книге под редакцией Флатте [52].
Говоря о лучевом описании звукового поля в случайно нерегулярных океанических ПЗК, следует заметить ряд недостатков значительно усложняющих его применение. Во-первых необходимость учета каустик. Во-вторых в настоящее время еще не решен вопрос об условиях применимости этого подхода в при наличии регулярной рефракции и анизотропных неоднородностей. Один из видимых путей решения этой проблемы - использование концепции френелевских объемов, развит в работах [42, 44]. В-третьих, поскольку лучевое описание справедливо лишь для достаточно высоких звуковых частот, его применение для низкочастотного диапазона 100 Гц оказывается крайне затруднительным.
Исследование структуры акустического поля параметрического излучателя в изоскоростном регулярном волноводе
Ряд существенных особенностей структуры поля ПИ в волноводе по сравнению со случаем безграничного пространства может быть продемонстрирован на примере простой модели изоскоростного плоского волновода с отражающими границами. С точки зрения физики нелинейного взаимодействия акустических волн, в таком волноводе характерными являются наличие специфической модовой структуры поля, геометрической дисперсии, появление фазовых сдвигов при отражении звуковых волн от границ, влияние акустических характеристик отражающих границ. Проявляя все эти важные для теории нелинейных взаимодействий особенности, плоский волновод в то же время служит простейшей моделью реального мелкого моря. В процессе подготовки к экспериментальным исследованиям было установлено, что в натурных условиях мелкого моря дно, по своим, акустическим характеристикам близко к акустически мягкой границе. В теоретических исследованиях модель мелкого моря может быть представлена волноводом с акустически мягкими границами и волноводом с акустически жестким дном. Низшей модой распространяющейся в волноводе с акустически мягкими границами и акустически мягкой и жесткой границами является первая мода, она обладает наименьшим затуханием и дает наиболее однородное по глубине озвучивание толщи канала. Пространственные распределения амплитуды звукового давления первой моды в поперечной плоскости носит монотонный характер с достаточно очерченными границами и практически отсутствием явно выраженного бокового поля. При этом минимум амплитуды давления отмечается вблизи границ волновода.
Для волновода глубины Н с двумя акустически мягкими границами собственные функции, например, имеют вид [62]: y/m(z) = (2/Н)и2sin(crm), ат=ттІН, где ат - вертикальное волновое число m-й моды. Дальнейший анализ процесса формирования поля ПИ в волноводе на основе исследования интеграла (2.7) удобно проводить последовательно для трех характерных случаев:
1) При горизонтальной ориентации излучателя пучок накачки практически не испытывает отражения от границ волновода (рис.2.2). Точка касания акустическим пучком границы волновода х » /3 (где 13 - длина зоны затухания волн накачки параметрической антенны). Такая геометрия задачи практически всегда может быть обеспечена в реальных морских условиях, когда ширина характеристики направленности излучающей антенны накачки не превышает единиц градусов.
При небольших углах наклона антенны соизмеримых с шириной характеристики направленности, переотражением пучка накачки от границ волновода можно пренебречь, и считать, что волны накачки существенно затухнут, нелинейное взаимодействие отраженных волн, также как в предыдущем случае, можно не учитывать (рис. 2.3).
Такая постановка задачи позволяет моделировать волноводное распространение при небольших изменениях угла наклона излучающей антенны накачки, которые возможны, например, при качке судна. Точка касания акустическим пучком границы волновода дальше ближней зоны антенны накачки. Поэтому взаимодействие отраженных волн не влияет на формирование акустического поля.
3) При углах наклона излучателя больших, чем ширина характеристики направленности, необходимо учитывать влияние многократных переотражений сигнала разностной частоты и взаимодействие отраженных волн накачки. Следует отметить, что в ранее проводимых исследованиях [62, 63] было установлено, что низшие моды возбуждаются при расположении антенны в центре волновода для горизонтальной ориентации ПИ. Однако в реальных условиях такое размещение антенны практически может оказаться не реализуемым. Таким образом, можно провести исследования особенностей волноводного распространения в зависимости от наклона ПИ в сторону поверхности или дна с учетом нелинейного взаимодействия отраженных волн накачки.
Аппаратура для проведения экспериментальных измерений вертикального распределения звукового давления
В настоящей главе приводятся результаты экспериментальных исследований вертикального распределения звукового давления волны разностной частоты параметрической гидроакустической системы в мелком море на протяженных трассах.
Рассмотрим методику экспериментальных исследований характеристик параметрической антенны в условиях мелкого моря. Целью экспериментальных исследований являлось исследование закономерностей формирования акустического поля в мелком море, возможности селективного возбуждения мод параметрическим излучателем и возможности обнаружения объектов на больших расстояниях, при условиях волноводного распространения звука.
Основные исследовательские работы, связанные с экспериментальными исследованиями, были направлены на получение информации о возможности эффективного возбуждения низших мод в мелком море с помощью направленного параметрического излучения.
Экспериментальные исследования проводились в бухте Андреева Таганрогского залива и в акватории Таганрогского залива Азовского моря. Места проведения экспериментальных исследований представляли собой районы с плоским ровным дном и глубинами порядка 2-3 метра. Корабельное обеспечение было представлено поисково-спасательным кораблем и весельной шлюпкой.
Было использовано следующее техническое обеспечение и оборудование: параметрическая гидроакустическая система, включающая в своем составе формирователь сигналов накачки, блок усилителей мощности, согласованных с излучающей антенной накачки, блок предварительных усилителей, блок аналогово-цифровой обработки принятых сигналов, излучающую антенну накачки, низкочастотную приемную кольцевую антенну, система акустических приемников, включающая в свой состав измерительные гидрофоны типа 1П5Г и ГИ-9, приемную шестиканальную линейную антенну, состоящую из цилиндрических приемных гидрофонов, измеритель скорости звука МИСЗ-НЕЛАКС, аппаратура для аналоговой и аналого-цифровой обработки и анализа принятых сигналов, включающая в себя блок полосовых фильтров, блок АЦП Е-440, ЭВМ, блок источника бесперебойного питания, обеспечивающий подавление помех береговой и бортовой сетей питания и автономную работу технического оборудования от аккумуляторов, поворотно-выдвижное устройство, обеспечивающее крепление на борту судна и береговых конструкциях и заглубление антенны, а также возможность изменения положения излучающей антенны накачки по горизонту в пределах 360 и по углу в секторе от +10 до -90 относительно поверхности водной акватории, штанга для крепления системы акустических приемников, эхолот видео-плоттер ПЭВ-К, система спутниковой навигации GPS, стандартные средства измерения, включающие в своем составе осциллограф С1-93, селективный вольтметр В6-2 и другие приборы, цель - уголковый отражатель (радиус эквивалентной сферы 2 м) - 2 шт., дополнительные средства измерения и контроля режимов работы отдельных блоков параметрической гидроакустической системы, в состав которой входил электронный осциллограф DSO 2100.
На рис. 3.1 приведена обобщенная структурная схема измерительной установки, которая использовалась при измерении сигналов от цели по трассе распространения сигналов [74, 91, 92]. Здесь 1 - приемно-формирующий блок; 2 - полосовой фильтр; 3 - АЦП Е-440; 4 - цифровой осциллограф DSO 2100; 5 - согласующее устройство предварительного усилителя с приемно-формирующим блоком; 6 — осциллограф С1-93; 7 — усилитель мощности; 8 - широкополосный приемный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления; 9, 10 - ЭВМ; 11 - согласующее устройство приемника с предварительным усилителем; 12 - коммутатор; 13 — антенна накачки; 14 - кольцевая приемная антенна; 15-420 - измерительные гидрофоны. На борту судна размещалось поворотно-выдвижное устройство с антенной накачки 13 и приемной кольцевой антенной 14. Кроме того, на борту судна крепилась выносная штанга с вертикальной приемной антенной 15-49.
Работа установки заключается в следующем. С использованием панели управления, реализованной в программной части приемно-формирующего блока 1, выбирается тип сигнала и его параметры. Сформированные, согласно заданным параметрам, сигналы накачки поступают на входы усилителя мощности 7 и далее к антенне накачки параметрического излучателя 13. Осциллограф 4 служит для контроля электрических параметров сигналов.
Сигналы поступают на приемные антенны 14, 15-20 и через коммутатор 12 подаются с выбранного приемника через согласующее устройство 11 на вход широкополосного приемного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8. С выхода усилителя 8 сигналы подаются через согласующее устройство предварительного усилителя с приемно-формирующим блоком 5 на приемную часть блока 1 для визуализации эхосигнала от цели в виде электронной отметки на мониторе ЭВМ 10.
Выработка рекомендаций по оптимальной конструкции параметрической излучающей антенны
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют сформулировать основные принципы построения гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море с использованием параметрических антенн.
Для того чтобы сформировать распространяющееся с наименьшими потерями акустическое поле, т.е. низшие моды колебаний, нужно иметь соответствующий источник излучения с определенными характеристиками. Исследования показали, что с помощью высоконаправлешюго излучателя можно селективно возбуждать определенные моды в волноводе. Таким излучателем является параметрический источник низкочастотных колебаний. Основные принципы построения гидролокационного комплекса можно сформулировать в виде следующих требований:
1) гидролокатор должен обладать высокой направленностью;
2) электронное сканирование луча позволит осуществлять обзор пространства в горизонтальной плоскости, которое позволит осуществлять более точное наведение акустического луча параметрической излучающей антенны на подводные объекты, находящиеся на обследуемой трассе и повысит эффективность их обнаружения;
3) поскольку эффективность возбуждения мод зависит от угла наклона оси ПИ, необходимо обеспечить возможность изменения положения характеристики направленности относительно поверхности и дна (это же необходимо для стабилизации луча в заданном положении при качке судна);
4) выявленная зависимость вертикальной структуры акустического поля от частоты сигнала, предполагает необходимым обеспечение широкополосное системы с возможностью оперативного регулирования частоты. Для возбуждения первой моды необходимо чтобы kh было порядка несколько десятков;
5) для формирования большого числа режимов работы параметрической излучающей антенны необходимо использовать формирователь сигналов накачки на основе ЭВМ.
Проведенные экспериментальные исследования закономерностей формирования акустического поля в мелком море, возможности селективного возбуждения мод параметрическим излучателем и возможности обнаружения объектов на больших расстояниях, при условиях волноводного распространения звука позволяют сформулировать основные требования к параметрическим излучающим системам и выработать рекомендации по конструкции параметрической излучающей антенны.
Основной особенностью решения задачи по созданию системы подводного наблюдения является предложение по использованию в качестве излучающей системы параметрической излучающей антенны. Применение параметрического излучения для селективного возбуждения мод низких номеров позволяет практически исключить влияние бокового ПОЛЯ излучения, что связано с особенностями нелинейного взаимодействия акустических волн и формирования параметрической излучающей антенны. Поле параметрического излучателя практически не содержит явно выраженных боковых лепестков и характеризуется наличием основного лепестка, явно выраженного на фоне практически равномерного бокового поля излучения.
Результаты экспериментальных исследований продемонстрировали возможность применения параметрической излучающей антенны для обнаружения подводных объектов в условиях мелкого моря [74, 91, 92].
Для повышения дальности действия параметрической излучающей антенны необходимо: провести снижение частот накачки и увеличить длительность излучаемых импульсов, что позволит снизить влияние затухания звука в мелководных районах на энергетические характеристики излучателя; использовать при излучении сложные многокомпонентные сигналы и ЛЧМ-сигналы, что при оптимальной обработке принятых эхосигналов дополнительно позволит существенно повысить разрешающую способность по дистанции.
Формирования большого числа режимов работы параметрической излучающей антенны приводит к необходимости построения формирователя сигналов накачки на основе ЭВМ.
Для обеспечения наиболее эффективного нелинейного взаимодействия и формирования параметрической излучающей антенны необходимо двухчастотное излучение, что приводит к необходимости применения двухканального преобразователя накачки параметрической излучающей антенны. При использовании двухканальной схемы формирования каждый из сигналов должен излучаться отдельной системой преобразователей. Оптимальной конструкцией такого излучателя является мозаичная конструкция преобразователя накачки. Отдельные элементы мозаичного преобразователя должны располагаться таким образом, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие акустических волн. Для формирования заданной диаграммы направленности активные элементы преобразователя накачки должны располагаться в определенном порядке по поверхности преобразователя.
