Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ условий работы гидролокационных систем
1.1. Условия работы 9
1.1.1. Шумы и помехи 9
1.1.2. Гидроакустические характеристики морской среды 15
1.2. Влияние условий работы на показатели гидролокационных систем 21
ГЛАВА 2. Модели входных воздействий шумовых помех на гидролокатор подводного аппарата 27
2.1. Модель поля шума обтекания 27
2.2. Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на рабочей поверхности антенны 30
2.3. Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на выходах элементов плоской антенны 34
2.4. Корреляция турбулентных помех на выходах элементов 37
2.5. Корреляция помех ближнего поля на выходах пространственных каналов антенны 39
2.6. Результаты расчета взаимной корреляции турбулентных помех
на выходах каналов 43
2.7. Модель шума движителя на рабочей поверхности антенны 46
2.7.1. Пространственно-временная корреляционная функция шума движителя на рабочей поверхности антенны 48
2.7.2. Корреляция помех, возникших в результате рассеяния шума подводного аппарата границами среды 54
2.8. Результаты расчета взаимной корреляции рассеянных помех в каналах 60
ГЛАВА 3. Модели входных воздействий отраженных границами среды сигналов и реверберации 69
3 1 Пространственно-временная корреляционная функция полезных сигналов на выходах пространственных каналов антенны.. 69
3.1.1. Пассивный режим 69
3.1.2. Результаты расчета отраженных сигналов в пассивном режиме 75
3.1.3. Активный режим 86
3.1.4. Результаты расчета отраженных сигналов в активном режиме 94
3.2. Пространственно-временная корреляция реверберационных-помех на выходах пространственных каналов антенны 108
3.2.1. Поверхностная и донная реверберация 108
3.2.2. Объемная реверберация 110
3.2.3. Результаты расчета реверберационных помех 112
ГЛАВА 4. Ошибки угломерных систем, вызванные помехами . 126
4.1. Типовые структуры устройств для оценки угловых координат ... 126
4.2. Ошибки смещения вугломерном устройстве 129
4.2.1. Пассивный режим 130
4.3.1. Активный режим 131
4.3. Расчет и анализ ошибок смещения 133
4.3.1. Пассивный режим 133
4.3.2. Активный режим 140
Заключение 147
Список использованной литературы 149
- Влияние условий работы на показатели гидролокационных систем
- Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на выходах элементов плоской антенны
- Результаты расчета отраженных сигналов в пассивном режиме
- Типовые структуры устройств для оценки угловых координат
Введение к работе
Выполнение подводными аппаратами различного назначения поставленных задач в морской среде, как правило, происходит с использованием гидроакустической информации о окружающей среде и объектах в ней. Обследование среды и обработка информации о среде производится гидроакустическими системами, которые могут работать в активном и пассивном режимах. Работа гидроакустических информационных систем, или гидролокаторов, происходит в условиях воздействия акустических помех. Помехи создаются различными источниками, вследствие чего обладают различными свойствами.
В общем случае состав помех: ходовые помехи, обусловленные движением подводного аппарата и не связанные с излучаемым сигналом, ревербера-ционные помехи, обусловленные рассеянием зондирующего сигнала неодно-родностями и границами среды, шум окружающей морской среды, шум технических средств, работающих в районе действия подводного аппарата [5,7,9,13,15,23,30,33,36]. К помехам можно отнести и воздействия отраженных и рассеянных границами среды акустических волн полезных сигналов, поскольку направления их прихода к антенне гидролокатора отличаются от истинного направления на объект поиска и наблюдения.
Подводный аппарат в процессе работы маневрирует в морской среде, при этом изменяется расстояние до границ среды и ориентация аппарата и антенны в пространстве. Это движение приводит к изменению параметров помех.
Действие помех искажает информацию о положении объекта поиска, в том числе оценки угловых координат объекта [5,9,11,12,13,31,36]. Искажающее действие помех вследствие различной их коррелированности в пространственных каналах антенны изменяется при изменении энергетических соотношений компонент помех друг с другом и с полезным сигналом. Искажение информации приводит к пропускам (необнаружению) полезного сигнала, ошибкам в определении координат и элементов движения объектов поиска и нарушениям в работе подводного аппарата.
при использовании и разработке гидролокаторов подводных аппаратов обычно решается задача определения ошибок методами расчета или имитационного моделирования. Для прогнозирования ошибок необходимо знать их связь с условиями применения гидролокатора подводного аппарата. В научно- технической литературе подробно исследованы и описаны случайные флуктуационные ошибки угломерных систем, чаще всего при статистической независимости помех в каналах антенны, оцениваемые через отношение сигнал/помеха [9,11,13,15].
Действие коррелированных помех приводит не только к флуктуационным ошибкам, но и к ошибкам смещения оценки координаты относительно истинной величины, применительно к подводным аппаратам которые исследованы недостаточно. Поэтому исследование спектральных и корреляционных характеристик помех в зависимости от условий работы гидролокатора и определение на этой основе ошибок смещения угловых координат является актуальным.
Цель работы: определение ошибок смещения угловых координат объектов гидролокатором подводного аппарата и зависимости ошибок от условий работы. К условиям относятся положение и ориентация антенны подводного аппарата в слое воды, направленные свойства антенны, акустические свойства морской воды и границ среды.
Цель достигается решением следующих частных задач:
1.Построение математических моделей для расчета пространственной корреляции составляющих помех на выходах каналов антенны.
2.0пределенин численных значений пространственной корреляции поме-ховых воздействий на выходах каналов антенны и её изменения в зависимости от условий работы.
З,Опре деление численных значений ошибок смещения оценок угловых координат и их зависимости от условий работы.
Работа состоит из четырех глав, введения и заключения. В главе 1 рассмотрены условия работы гидролокационных систем и существующие в на-
учно-технической литературе представления об источниках ошибок угломерных систем и помехах, вызывающих ошибки. Установлено, что основное внимание уделяется случайным флуктуационньш ошибкам, тогда как смещение оценок практически не рассматривается [9,11,13,15,36]. Эти обстоятельства послужили основанием для формулировки задач диссертационной работы. В последующих главах рассматриваются различные составляющие помех, действующих на антенну подводного аппарата.
Влияние условий работы на показатели гидролокационных систем
Многочисленные исследования показаны [7,23,33]: основными источниками вибраций на судах могут быть следующие: судовые двигатели дизеля, паротурбинные и газотурбинные установки, насосы и регулирующая арматура, компрессоры и электрические машины.
Шумовая составляющая помех от работы механизмов при удалении от них антенны уменьшается прямо пропорционально расстоянию R от механизма до антенны. Вибрационная помеха убывает прямо пропорционально
Помехи от винта: гребной винт - наиболее мощный источник шума. Возникающие при определенной частоте вращения гребного винта кавитацион-ные явления на его лопастях сопровождаются интенсивным шумоизлучени-ем. Шум винта обладает непрерывным спектром от низких звуковых до ультразвуковых [23,33]. Среднеквадратичное значение кавитационного шума винта возрастает с увеличением скорости носителя и пропорционально третьей- четвертой степени.
Гидродинамические шумы: основная составляющая этого шума вызвана столкновением потока воды с обтекателем гидролокатора или стой частью обшивки корпуса, которая расположена ближе всего к преобразователю [20,37,38,39,40,41] . Кроме того, при определенных условиях на поверхности обтекателя или близлежащих корпусных конструкциях могут возникнуть ка-витационные явления [33].
При установке локационной системы в носовой части подводного аппарата источниками основных помех, как и на кораблях, являются движители и обтекание носовой части потоком воды. Однако передача шума от источников к антенне отличается вследствие конструктивных отличий кораблей и аппаратов. Кроме того, в литературе почти не рассматривается пространственная корреляция помех на выходах элементов и каналов антенны.
Шум движителя дифрагирует на корпусе аппарата и воздействует на рабочую поверхность антенны, находящуюся в области акустической тени корпуса. Второй путь передачи шума: отражение и рассеяние шума неровными границами среды и прием дальнего поля направленной антенной. В первом случае требуется построить модель для определения корреляции шума на поверхности антенны и учесть преобразование ближнего поля антенной.
Во втором случае требуется построить модель рассеяния шума границами среды и учесть прием рассеянного шума направленными каналами антенны.
Шум обтекания, в дальнейшем именуемый турбулентным шумом и соответствующая этому шуму турбулентная помеха на выходе антенны, длительное время исследовалась многими авторами [7,19,28,33,39,40,41...], но окончательной модели помех, соответствующей условиям подводного аппарата, пока не получено (или не опубликовано). Как показано в [32,38], типовая носовая антенна подводного аппарата находится в ламинарной области пограничного слоя и не подвержена непосредственному действию турбулентных пульсаций давления и касательного напряжения, существующих в турбулентном пограничном слое и описанных в монографии [19]. В таком случае область интенсивных пульсаций в переходной области и начальной части турбулентного погничного слоя находится на корпусе сзади антенны и близко от неё (по сравнению с диаметром корпуса) [32,37,38,39]. Механизм генерирования шума этой областью рассматривается в упомянутых работах и позволяет предположить в данной работе модель расположения источников турбулентно шума в виде окружности или кольца источников излучения. Мощность источников не представляется возможным достоверно определить. Для решения задачи о пространственной структуре поля турбулентного шума на поверхности антенны такая модель достаточна.
В качестве источников шума, заполняющих выделенную область, на основании работ [19,28,37,38,39], можно принять монополи или касательные диполи, между полями которых в данной конфигурации не может быть существенной разницы. Преобразования антенной поля шума в помеху на выходе известны [6,28] и в дальнейшем используются при построении моделей и выводе расчетных соотношений для пространственной корреляции. Реверберационные помехи: Различают 3 типа реверберационных помех [9,12,22,33] Объемную, обусловленную рассеянием на неоднородностях морской среды. Неоднородностями являются микроорганизмы, рыбы, температурные неоднородности и т.д. Поверхностную, вызываемую рассеянием на воздушных пузырьках поверхностного слоя. Донную, вызываемую рассеянием звука дном моря. Для количественного описания свойств реверберации необходимо ввести понятие силы обратного рассеяния единичного объема или единичной поверхности: Sv,Ss( дб)[33]. Она представляет собой выраженное в децибелах отношение приведенной к расстоянию 1м интенсивности звука, рассеиваемого единичной поверхностью или единичным объемом, к интенсивности падающей плоской волны:
Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на выходах элементов плоской антенны
Таким образом, рассмотрение различных составляющих угловых ошибок АУС показывает, что основными компонентами угловых ошибок, зависящими от условий работы подводного аппарата, являются: флуктуационный, амплитудный, угловой шумы, а так же, ошибки, вызванные нестабильностью и движением носителя,
В таблице с шумами и помехами связаны только флуктуационные ошибки, обладающие в следящих измерителях при условии статистически независимых помех в каналах пеленгатора. В действительности многие виды помех не могут считаться независимыми и такие помехи действуют подобно сигналу, т.е. несут информацию об угловом положении некоторого эквивалентного помехам источника. При различии координат пеленгуемого объекта и кажущегося объекта, созданного помехой, возникают ошибки смещения.
Ошибки смещения - систематические ошибки, вызванные действием помех и не изменяющиеся при сохранении энергетических соотношений сигналов и помех и координат. Подвижный носитель локационной системы изменяет свое положение ориентацию в пространстве, в результате чего изменяется расстояние до объекта локации и свойства помех. В результате ошибка смещения изменяется во времени. Изменения ошибки смещения, очевидно определяются изменениями условий наблюдения.
В научно- технической литературе ошибкам смещения, вызванным коррелированными помехами, не уделено заметного внимания. При этом нужно учесть, что практическое значение этих ошибок достаточно велико, что особенно проявляется при пеленговании в вертикальной плоскости вблизи границ раздела водной среды, т.е поверхности и дна моря.
Настоящая работа имеет целью изучение ошибок смещения пеленгаторов локационных систем, установленных на подводном аппарате и получение расчетных соотношений, позволяющих прогнозировать, шибки смещения. Для решения задачи необходимо предварительно определить пространственных корреляционные характеристики всех помех, действующих на пеленгагор и влияние на эти характеристики положения и ориентации подводного аппарата и характеристик направленности антенного устройства локатора.
В дальнейшем рассматриваются модели сигналов и помех и применительно к моделям находятся корреляционные свойства помех на выходах каналов антенны. На основании этих данных находятся оцени ошибки смещения в ряде сигнально - помеховых ситуаций для типовой схемы пеленгатора. При обтекании антенны локационной системы подводного аппарата вследствие турбулентного движения жидкости в пограничном слое возникает шум обтекания, действующий на рабочую поверхность антенны. Антенны обычно располагаются в носовой части под звукопрозрачным обтекателем. Пограничный слой обтекателя на поверхности ламинарный [32,38,39], если обтекатель не слишком длинный. Переход ламинарного течения в турбулентное происходит в окрестности минимума гидродинамического давления [32]. В области перехода наблюдается нестационарное течение, в котором зародившиеся вихри в пограничном слое растут, распространяясь вниз по течению, пока не сольются в сплошной турбинный слой.
По современным представлениям [37,38,39,40] область перехода и начальный участок турбулентного пограничного слоя, расположенные близко к носовой антенне, являются наиболее мощными источниками шума. Строгое представление о механизме излучения шума пока не установилось, поэтому воспользуемся известными представлениями.
Прямое непосредственное излучение шума связывается с объемными (монопольными), касательными дипольными, нормальными дипольными и квадрупольными источниками, из которых наиболее эффективными могут быть дипольные и монопольные (только в области перехода) источники [19,28,37,38].
Дипольные источники могут быть представлены как комбинация моно-полей, поэтому возможно моделирование источников монополями и описание при помощи функции Грина.
Для оценки точности измерения угловых координат необходимо знание нормированной пространственно- временной корреляционной функции (ПВКФ) шумов на поверхности элементов антенны, мощности шумов и мощности сигналов. Учитывая изменение соотношения мощностей сигнала и помехи, можно ограничиться при выполнении оценок заданием диапазона соотношений сигнал/помеха. Для определения пространственной структуры поля шума достаточно задать расположение излучателей на носовой части относительно антенны и соотношение их мощностей. При обтекании осе-симметричного корпуса подводного аппарата при нулевом угле атаки и тонком пограничном слое можно считать, что источники равной интенсивности заполняют линии поперечных сечений поверхности корпуса. Несимметричное к оси обтекания можно учесть неравномерностью объемной скорости источников вдоль линий. Излученный шум дифрагирует на носовой части и достигает антенны с некоторым коэффициентом передачи от точки источника к точке антенны.
Расположение источников шума обтекания Корпус подводного аппарата часто имеет форму, близкую к цилиндрической, поэтому для построения математической модели образования шума обтекания будем считать, что корпус имеет форму кругового цилиндра, на торце которого расположена антенна. Акустические свойства корпуса, представляющего собой неоднородную оболочку, могут быть различными, но для определения пространственной структуры поля шума на антенне, создаваемого источниками, близкими к торцу, свойства корпуса, излучающего краем, относительно безразлично. Поэтому, исключая переизлучение шума корпусом, принимаем модель поверхности корпуса и антенны поглощающими звук.
Результаты расчета отраженных сигналов в пассивном режиме
Взаимная корреляционная функция помех на выходах элементов определена соотношениями (2.15),(2.16). Задержка х должна быть введена во все элементы канала и в дополнение к задержкам, формирующим направление пространственного канала. Чувствительность элементов ар\ аЗи заданы при формировании комплексной характеристики направленности каналов t и и.
В системе используем метод фазовой пеленгации, для чего из элементов сформулированной решетки (рис.2.П.), создаем 3 подрешетки, соответствуют каналам 1,2,3. Пара каналов 1 и 2 для пеленгации в горизонтальной плоскости, пара каналов 2 и 3 в вертикальной плоскости. Конфигурации и амплитудно-фазовое распределение элементов показаны на рис.2 Л1.
Каждая подрешетка имеет свой фазовой центр, в общем координаты фазового центра вычисляются по формуле (2,22). В данном случае фазовые центры подрешеток являются серединами центральных элементов, так как АФР и места элементов подрешетки симметрично этого элемента. Расположения, и расстояние между фазовыми центрами представлены на рис.2.12.
Каналы обладают одинаковыми амплитудными и фазовыми диаграммами направленности. На рис.2.13; 2.15 приведены ДН в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Как видно, в главных плоскостях (6=90 и р=0), амплитудная диаграмма имеет основный лепесток с шириной на уровне 0,707 порядка: 18-20 и добавочные лепестки с уровнями меньше чем 5% по сравнению с основным. ность антенны, находящейся в зоне тени корпуса; рассеяние шума движителя границами среды и прием рассеянного шума в соответствии с характеристикой направленности. Шум движителя генерируется в кольцевой области пространства, где движутся лопасти, источники этого шума отрывающиеся вихри и захлопывающиеся каверны. Действие источников, связанных с каждой лопастью движителя, можно считать статистически независимым и распределение интенсивности источников по окружностям траекторий точек лопастей равномерным. В качестве модели источника принимаем равномерно заполненную малыми источниками нулевого порядка цилиндрическую кольцевую область, излучающими статистически независимо, Шум источников попадает в носовую часть аппарата, находящуюся в зоне тени, в виде краевой волны дифракции на кормовой части корпуса. Зона тени образована конусом лучей, соединяющих действительный источник шума и крайнюю наружную точку корпуса аппарата. Внутри конуса распространяются краевые волны, источник которых из точки наблюдения виден как яркая кромка на цилиндрической части корпуса в непосредственной близости к области перехода цилиндра в кормовой конус.
Шум в освещенной зоне распространяется беспрепятственно до поверхности и дна моря, которые рассеивают шум в разных направлениях, в том числе и в сторону антенны, находящейся в дальней зоне излучения рассеянного шума. Сама рассеивающая область находится достаточно далеко от антенны, чтобы считать, что пространственная избирательность антенны описывается характеристикой направленности. В этом случае нет необходимости вычислять структуру поля на рабочей поверхности антенны. Достаточно воспользоваться характеристиками антенны в дальнем поле.
Таким образом, задача определения взаимных корреляционных функций шума на выходах пространственных каналов разделяется на две. Первая аналогична задаче о поле носовых источников. Вторая- задача о корреляции помех, вызванных рассеянным границами шумом движителя. Рассмотрим эти задачи отдельно. В виду сложности решения задачи дифракции на реальном корпусе аппарата упростим конфигурацию так, чтобы воспользоваться имеющимися теоретическими решениями для получения приближенного решения задачи о поле на антенне. Заменим профилированную носовую часть цилиндрической и сохраним место антенны (рис.2Л9).
Дифракционная волна, бегущая из кормовой части, будет падающей волной на переднем торце цилиндрической модели корпуса. От кромки этого торца распространяется в плоскости антенны новая, вторичная краевая волна А (рис.2.19).
Для нахождения кормовой дифракционной волны воспользуемся известным решением задачи об излучении точечного источника, находящегося на поверхности поглощающего цилиндра [7,34]. В этом случае мы пренебрегаем волнами в оболочке корпуса, что допустимо в виду быстрого затухания упругих волн корпусных конструкциях подводных аппаратов. Кажущиеся источники кормовой волны поместим на линии пересечения цилиндрической поверхности корпуса и кормового конуса, учтя относительную малость длины конуса по сравнению с длиной цилиндрической части.
Типовые структуры устройств для оценки угловых координат
Расчет выполняется для тех же каналов, что описаны в разделе 2.8; исходные параметры следующие: -Звуковое давление источника: Ро — 1000 Па -Коэффициент поглощения (дБ/км): 5,0 -Глубина погружения приемника (м): 100 -Расстояние между источником и приемником (м): 2000,0 -Частота излучения (гц): 20500 -При скоростях ветра: 3 м/с; 7 м/с; 10 м/с -Глубины погружения (м): 50; 100; 200; 400; 600 По результатам вычислений построены соответствующие графики, которые отражают зависимости следующих характеристики рассеянного поверхностью сигнала: -Мощности (К) рассеянных сигнала поверхностью на выходе каналов - действительных и мнимых коэффициентов корреляции Rl2,Sl2 И Ro,Si3 между каналами 1,2 и 1,3 соответственно. - Соответствующих разностей фаз: уп, у із и модулей коэффициентов кор реляции сигнала: рІ2, різ между каналами 1,2 и 1,3 соответственно, которые рассчитываются по формулам (2.50) от различных параметров: - Угла дифферента Д - Угла крена; Кр - Скорости ветра Vb - Глубины погружения источника -Азимутных углов источника фи Построены графики сопоставления значений между углами 63; (р3 зеркальной точки отражения и расчетными значениями кажущего источника в вертикальной и горизонтальной плоскостях (0Р; q p) , на рис.3.21 до рис.3.25 отражены сопоставления между значениями углов 93; Ф3 зеркальных точек и расчетными значениями углов 0Р; фр кажущих источников при различных условиях.
Мощность рассеянного поверхностью шума (рис.3.13) практический не зависит от скорости ветра в широком диапазоне глубин погружения источника, когда угол азимута источника равен 10. Модули коэффициентов корреляции проявляют слабую тенденцию к уменьшению с ростом скорости ветра, но остаются высоким: р12 в пределах от 0,97 до 1 и рІЗ в пределах от 0,82 до 0,94 (рис.3.14), что видимо обусловлено влиянием довольно узких амплитудных характеристик направленности антенны.
Фазовые сдвиги у 12 и у13 так же слабо меняются при изменении скорости ветра и отличаются от соответствующих значений для зеркального отражения (рис.3.15. иЗ.16.) в сторону существенного уменьшения, что является следствием попадания в характеристику направленности протяженного пятна рассеивающей поверхности. Интенсивность принятых рассеянных сигналов определяется " весом" характеристики направленности данного направления и угловой зависимостью коэффициента обратного рассеяния. Таким образом, рассеянный шумовой сигнал соответствует кажущемуся источнику шума. Координаты которого не совпадают с зеркальным и меняются в зависимости от скорости ветра, глубины и азимута источника (рис.3.21.до рис.3.25.).
Характер зависимостей меняется при нахождении источника на направлениях бокового поля, т.е фи 20. Корреляция падает до 0,9 вследствие приема широкой зоны рассеяния.
При изменении дифферента происходит сильное изменение мощности рассеянного шумового сигнала, имеющее максимум при прохождении осью примерно зеркального направления 93 (рис.3.4.), если скорость ветра небольшая (3м/с) и рассеянные волны группируются около зеркального направления.
Если же зеркальное направление соответствует боковому полю антенны, то общая мощность значительно уменьшается (рис.3.18) и зависимость сглаживается, хотя прием главным максимумом заметен при положительных углах дифферента.
Корреляция во всех случаях остается высокой, выше 0,9, что объясняется небольшим размером базы антенны (меньше Л/2) и нахождением источника в диаметральной плоскости подводного аппарата (рис.3.5).
Фазовый сдвиг ввиду симметрии области рассеяния относительно оси антенны в горизонтальной паре каналов равен нулю с точностью до ошибки вычисления, составляющей порядка 10"13(рис.3.6). Фазовый сдвиг в вертикальной паре каналов монотонно изменяется, в общем соответствуя характеру изменения у13 при зеркальном отражении, но с некоторым снижением модуля у 13 (рис.3.7). Угловые координаты соответствуют кажущемуся источнику. Если фит О, то в горизонтальной паре каналов разность фаз несколько меньше, чем в случае зеркального отражения и монотонно изменяется с изменением угла дифферента, соответствуя занижение значениям угловой координаты фи относительно истинной, т.е источник "расщепляется" по азимуту.
Изменение у 13 происходят в том же диапазоне, что в случае фи=0 , но зависимость несколько иная, фазовый сдвиг не соответствует 93.
Изменения угла крена в пределах 10 практически не изменяют мощность рассеянного шума, модули коэффициентов корреляции р12 и р13 остаются очень высокими, более 0,98, хотя и не равны единице (рис.3.8.;3.9.;3.10.).
Фазовый сдвиг в вертикальной паре каналов практически не изменяется (рис.3.12.), тогда как в горизонтальной паре изменяется линейно в небольших пределах до 2...4 градусов (3.11), что означает "расщепление" излучателя на два и в горизонтальной плоскости,
В результате получено, что крен и дифферент изменяют информативные параметры у 12 и у13 различным образом в зависимости от расположения источника шума и состояния поверхности. Корреляция рассеянного шума, принятого каналами антенны с базой около Л/2 остается всегда высокой.
![Оценка деформации и скорости смещения миокарда у больных ишемической болезнью сердца [Электронный ресурс]](/i/i/4389/192416.png "Оценка деформации и скорости смещения миокарда у больных ишемической болезнью сердца [Электронный ресурс] Варданян Анна Артаковна")
