Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы разработки и создания гидроакустических комплексов 10
1.1 Общие сведения 10
1.2 Система телеметрии и метод передачи информации для массивов акустических датчиков 16
1.3 Помехоустойчивость плоской антенны, состоящей из комбинированных приёмников 19
1.4 Использование комбинированных приёмников в линейных акустических массивах 24
1.5 Система телеметрии с низким энергопотреблением 32
1.6 Начальный анализ данных от вертикального массива DIFAR 34
1.7 Оценка направления прибытия акустической волны с использованием векторного приемника на звукопоглощающем цилиндре 41
1.8 Современные исследования в области применения векторных приемников 48
1.9 Подводные акустические приемные комбинированные системы
1.10 Донные приемные системы 54
1.11 Свободно дрейфующие комбинированные телеметрические системы... 55
ГЛАВА 2. Многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс. способ определения пеленга на шумящий объект на основе пассивной разностно-фазовой локации 63
2.1 Комбинированный приёмник 63
2.2 Принцип работы многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса 67
2.3 Устройство защиты 75
2.4 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 75
2.5 Коммутация 76
2.6 Формирователь диаграммы направленности 76
2.6.1 Помехоустойчивость комбинированного приемника 80
2.7 Макет системы передачи данных для многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса 82
2.7.1 Состав макета СПД 82
2.7.2 Принцип работы 82
2.7.3 АЦП 84
2.7.4 Конвертер интерфейсов 2.8 Эксперимент “Витязь 2009” 86
2.9 Способ определения пеленга на шумящий объект на основе пассивной разностно-фазовой локации 90
2.10 Применение современных средств связи и обработки информации в задачах акустических исследований подводных шумов и сигналов полученных с помощью комбинированных приемных систем 94
2.10.1 Одноплатная ЭВМ 95
2.10.2 Комбинированный приемник 97
2.10.3 Гидроакустический комплекс 99
2.10.4 Технические характеристики 101
2.10.5 Резервный канал передачи данных и устройство автоматического перезапуска системы 103
2.10.6 Заключение 105
2.11 Мобильные акустические комбинированные приемные системы на
основе автономных необитаемых подводных аппаратов 105 2.11.1 К вопросу о помехоустойчивости одиночного комбинированного приемника 107
2.11.2 Техника и методология комбинированных измерений 119
2.11.3 Современные приемные комбинированные системы, разработанные и созданные в лаборатории акустических шумов океана ТОИ ДВО РАН (краткий обзор) 122
2.12 Гидроакустический комбинированный интерферометр интенсивности 125
2.13 Исследование гидроакустического волнового поля посредством статического момента четвертого порядка 129
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальной апробации технических решений 134
3.1 Метод пеленгации акустических целей, использующий преобразование Гильберта и поворот системы координат 134
3.1.1 Введение 134
3.1.2 Данные 135
3.1.3 Математическая основа алгоритма 136
3.1.4 Вычисление фазы и аналитический сигнал 136
3.1.5 Бегущий сигнал 137
3.1.6 Методика вычисления 138
3.1.7 Выводы 143
3.2 Признаки, определяющие компенсацию встречных потоков энергии в
акустических полях океана 144
3.2.1 Введение 144
3.2.2 Результаты эксперимента 146
3.2.3 Выводы
- Использование комбинированных приёмников в линейных акустических массивах
- Принцип работы многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса
- Применение современных средств связи и обработки информации в задачах акустических исследований подводных шумов и сигналов полученных с помощью комбинированных приемных систем
- Вычисление фазы и аналитический сигнал
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Совершенствование техники измерения подводных акустических полей направлено на повышение информативности и точности исследуемых величин. Информативность и точность акустических измерений возможно повысить путём увеличения числа измерений акустических величин различной природы. Одновременное измерение четырех компонент акустического поля: акустического давления и трех ортогональных компонент колебательной скорости частиц среды или градиента давления дает новую возможность в создании акустической техники нового поколения и открывает новые возможности в исследовании акустических полей в океане. Приемник, измеряющий четыре компоненты акустического поля, называется комбинированным. Направление в подводной физической акустике, основанное на комбинированных измерениях, называется векторной акустикой.
Современные средства обработки и передачи информации позволяют создать на основе комбинированных акустических приёмников приёмные системы нового поколения, что позволяет исследовать акустические поля шумов и сигналов принципиально на новом техническом уровне. Если приёмные системы из гидрофонов способны измерять скалярные характеристики, то комбинированные приёмные системы переходят в область векторных характеристик акустического поля.
Создание современных цифровых акустических комбинированных систем является одной из главных задач современной подводной акустики, решение которой позволит продвинуться в исследовании векторных характеристик акустического поля. Основная проблема заключается в том, что акустические подводные исследования, основанные на измерениях акустического давления, технически проще комбинированных приемных систем. При переходе к комбинированным системам исследователь сталкивается с целым рядом проблем, для решения которых необходимы новые знания из области гидродинамики, колебательных процессов распределенных протяженных систем, псевдозвуковых помех и т.д. Необходимо отметить, что амплитуда смещения частиц в акустической волне средней интенсивности (~ 60 дБ отн. 1 мПа2/Гц) составляет в пределах 10-7- 10-8 см. Отсюда ясно, насколько сложно измерять величины такого порядка. Диссертационная работа посвящена разработке многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса, принцип действия которого основан на новейших достижениях фундаментальных исследований векторных характеристик акустического поля реального океана.
Объединение новейших технических средств подводной акустики с современными информационными технологиями позволяет создавать высокоэффективные адаптивные системы с использованием новейших теоретических и экспериментальных научных достижений современной подводной акустики.
Цель работы. Целью работы является проведение исследований векторных акустических полей и разработка на их основе гидроакустической исследовательской системы нового поколения, позволяющей измерять векторные характеристики сложных акустических полей, определять направление (пеленг) из одной точки на шумящий объект векторно-фазовым методом, а также передавать полученную информацию в режиме реального времени по сетям передачи данных, в том числе через сеть интернет.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
- разработан и создан макет 32-х канальной гидроакустической системы на основе
комбинированных приемников;
исследованы критерии явления компенсации встречных потоков энергии;
разработан и применен в реальных условиях алгоритм определения пеленга на подводный шумящий объект на основе векторно-фазовых характеристик гидроакустического поля;
разработаны и созданы электронные системы для оцифровки, обработки и передачи гидроакустической информации в режиме реального времени;
Научная новизна. В диссертационной работе получены новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
-
Разработан многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс, позволяющий исследовать векторные характеристики подводного окружающего шума и сигналов в инфра-и низкочастотном диапазонах от 10 до 1500 Гц, обеспечивая при этом динамический диапазон 96 дБ. Гидроакустический комплекс позволяет передавать полученную информацию в режиме реального времени по цифровым сетям передачи информации, в том числе, через сеть интернет;
-
Разработан помехоустойчивый разностно-фазовый метод определения пеленга в пассивном режиме на шумящий объект на основе векторно-фазовых характеристик подводного окружающего шума.
-
На основе натурного эксперимента определены признаки компенсации встречных потоков энергии, положенные в основу разработки комбинированных систем обнаружения.
Новизна данных результатов подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники, получением трёх патентов РФ на изобретение и полезную модель, опубликованием результатов натурных исследований в рецензируемых изданиях.
Научная и практическая значимость диссертации определяется разработкой современных акустических комбинированных систем и алгоритма, применение которых позволяет решать фундаментальные и прикладные задачи в гидроакустике. В частности, разработанный метод определения пеленга на шумящий объект является по существу макетом пассивно-активного радара, способным из одной точки измерения указать пеленг на цель с точностью до ±2 при соотношении сигнал/шум (S/N < 1). Представленный гидроакустический комплекс с резервным каналом передачи данных может осуществлять сбор информации о подводных шумах и сигналах в мелком и глубоком морях, а так же поможет наблюдать за подводной обстановкой в акватории. Применение различных алгоритмов обработки полученной информации позволяет проводить масштабные гидроакустические исследования в разных частях морей и океанов, при этом получая информацию в режиме реального времени на единый терминал.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации получены 3 патента РФ, опубликована 21 печатная работа. Изложенный в диссертации материал докладывался на международной 10-th Western Pacific Acoustics Conference (Пекин, 2009 г.), 56-й и 58-й международной молодежной научно-технической конференции “Молодежь-наука-инновации” МГУ им. адм. Г.И. Невельского (Владивосток, 2008 г., 2010 г.), III и IV конференции молодых ученых “Океанологические исследования” ТОИ ДВО РАН (Владивосток, 2008 г., 2009 г.).
Личный вклад автора. Автор работы принимал участие на всех этапах разработки гидроакустического комплекса, включая формулировку задачи, разработку технических решений, алгоритмов, непосредственное участие в натурном эксперименте и обработке полученной информации. Лично автором выполнялись разработка, изготовление и испытание электронных блоков. Основные технические решения, вошедшие в диссертацию, получены автором.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Разработанный и изготовленный макет многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса.
-
Способ определения пеленга и координат шумящего объекта на основе пассивной разностно-фазовой локации.
-
Методика определения критериев явления компенсации встречных потоков энергии шума и сигнала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы включает 68 наименований.
Использование комбинированных приёмников в линейных акустических массивах
В этой главе описаны основные задачи и возможности гидроакустических систем, методы обработки сигналов в гидролокационных системах, способы формирования диаграммы направленности, некоторые реализации гидроакустических систем, а также современное состояние проблемы создания гидроакустических комплексов.
Термин SONAR определяется Уиндером [1] как «метод или устройство для обнаружения, определения местоположения и установления физической природы объектов в море с помощью акустических волн, распространяющихся в водной среде». SONAR – это акроним английского словосочетания Sound Navigation and Ranging (измерение дальности и навигация с помощью акустических волн). Гидролокация получила практическое применение ещё в начале XX столетия, хотя упоминания об особенностях подводного распространения звука встречались значительно раньше [2].
В активной гидролокационной системе (ГЛС) излучаются звуковые колебания (волны), которые после отражения от цели попадают в приёмное устройство и используются для обнаружения и определения (оценки) координат цели (рис.1.1а). Эффективность ГЛС зависит от потерь интенсивности акустического сигнала в процессе распространения в морской среде, потерь при отражении от цели, а также от уровня аддитивных внутренних шумов в приёмном устройстве. Однако основным фактором, ограничивающим эффективность, является реверберация, возникающая при отражении излучаемого сигнала от поверхности моря, морского дна, биологических объектов в воде и от неоднородностей морской среды.
В пассивных гидролокационных системах обнаружение объектов и оценка их координат основаны на приёме и обработке акустических сигналов, излучаемых самой целью (рис.1.1б). Работа пассивных ГЛС лимитируется потерями на распространение и уровнем аддитивных шумов приёмника. Однако основным ограничивающим фактором для пассивных ГЛС является неточность знаний акустических излучений целей, а также обусловленная водной средой дисперсия («размывание») сигналов, излучаемых целью, во времени и по частоте.
Пассивная гидролокационная система. Только в последние 20-30 лет в гидроакустическую технику начала внедряться современная быстродействующая электронная вычислительная аппаратура. В результате наметился неуклонный переход от аналоговых методов обработки гидроакустических сигналов к цифровым, от систем с ручным управлением к автоматизированным системам на базе ЭВМ. Благодаря прогрессу в области систем связи появилась возможность передавать данные в режиме реального времени на неограниченные расстояния. Достижения в цифровой обработке гидроакустических сигналов зависят от наличия серийно выпускаемых быстродействующих микросхем и ЭВМ, а также от разработки алгоритмов, таких как известные в радиолокации алгоритмы обработки сложных сигналов, появления в гидроакустике цифровой фильтрации и алгоритмов быстрого преобразования Фурье, разработанных для статистического анализа временных рядов и речевых сигналов. Перечислим области применения гидроакустических систем: а) обнаружение косяков рыб б) картографирование морского дна в) навигационные задачи г) сейсмическое прогнозирование д) гидроакустическая океанография Указанные применения, в общем случае, требуют разработки специальных методов и устройств, а не просто переноса их из других областей техники, что обусловлено особенностями и существенной неопределённостью характеристик подводной среды распространения акустических волн.
В гидролокации скорость распространения звуковых волн есть зависящая от времени функция глубины и расстояния, причем отмечена существенная зависимость скорости от географического района и времени года. В результате наблюдаются сложные рефракционные явления при распространении волн, которые трудно предугадать, особенно когда волны взаимодействуют с поверхностью моря или дном.
Перемещения водных масс, волнение морской поверхности, движение носителей ГЛС и целей приводят к многообразию каналов дисперсии сигналов во времени, по частоте и в пространстве (по угловым координатам). Потери энергии при поглощении, зависящие от несущей частоты акустической волны, ограничивают максимальные дальности эффективной работы ГЛС до относительно малых величин по сравнению с тем, что можно было бы ожидать, если учитывать только потери при простейших, цилиндрической или сферической, функциях распространения;
Океан наполнен помеховыми акустическими источниками, в частности, шумами механизмов и машин при движении судов, гидродинамическими шумами, шумами ветровых волн, звуками биологических объектов и даже умышленными акустическими помехами.
Существуют стандартные методики приближённого оценивания характеристик гидролокационных систем. Соответствующие гидролокационные уравнения, приведённые в работе [2], являются основой предварительных расчётов характеристик систем, которые позднее могут быть уточнены путём более детального статистического анализа. В простейшем виде уравнения гидролокации записываются следующим образом: для активных ГЛС:
Эта величина показывает в какой степени антенна ослабляет изотропные шумы. Иными словами, отношение сигнал/шум SNR при активном методе гидролокации зависит от мощности излучаемого сигнала за вычетом потерь на распространение при двухстороннем прохождении сигнала (от цели и обратно) и изменений, вносимых целью (параметр – сила цели), и выражается в единицах мощности шумов на выходе направленной приемной антенны. В пассивной гидролокации величина SNR определяется мощностью сигнала, излучаемого целью за вычетом потерь на распространение при одностороннем прохождении сигнала (от цели к ГЛС) и выражается в единицах мощности шумов на выходе направленной приёмной антенны. В определенных условиях в активных ГЛС «шумы» на входе приемника будут обусловлены, главным образом, реверберацией, т. е. наложением большого количества сигналов, отраженных от мешающих объектов, находящихся в водной среде. В этом случае в формуле (1) уровень шумов (NL – DI) у приемника следует заменить на уровень ревербераций RL, который наблюдается на выходе приемной гидроакустической антенны.
Приведенные выше простые на первый взгляд уравнения гидролокации могут быть успешно использованы для оценки характеристик ГЛС только в том случае, когда каждый из входящих в формулы параметров будет определен достаточно точно и когда будет учтена, если это необходимо, возможная взаимозависимость параметров.
После упрощённой оценки номинального отношения SNR его следует сравнить с нужным значением SNR на входе приемника, обеспечивающим решение основных задач гидролокации (обнаружение, определение координат целей и т. п.). Указанное сравнение редко удается выполнить непосредственно, так как номинальная и требуемая величины SNR зависят от ряда параметров и характеристик цели, среды распространения акустических волн и самой ГЛС. В таблице 1 указаны некоторые взаимосвязи между параметрами, входящими в уравнения гидролокации. Удобной для описания временных и частотных «размываний» сигналов в процессе распространения в морской воде является функция рассеяния канала [3]. Временное «размывание» сигнала обусловлено, в основном, многолучeвостью распространения, при котором гидроакустические волны от акустического источника к приемнику приходят по многим путям: по прямому пути, при отражениях от поверхности моря и от дна, вследствие преломления, обусловленного изменением скорости распространения акустических волн с глубиной. Частотное «размывание» может быть вызвано перемещениями масс самой воды, как на поверхности, так и в толще, а также движением цели.
Принцип работы многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса
Из (1.40) следует, что при измерении окружающего подводного акустического шума мы встречаемся с исключительно малыми смещениями и колебательными скоростями частиц среды. Малым интенсивностям окружающего шума соответствует чрезвычайно малые смещения в акустической волне. В то же время гидродинамические движения среды (поверхностные волнения, внутренние волны и т.д.) и возможные перемещения элементов конструкций измерительных систем, вызванные гидродинамическими возмущениями, могут достигать нескольких метров. Отсюда следует, что проблема измерений заключается также в малости абсолютных значений измеряемых акустических величин.
При проведении натурных акустических исследований комбинированный приёмник должен быть помещен в заранее определенную точку измерения в океаническом волноводе. На рис. 1.16 показаны различные типы комбинированных систем, разработанных автором. Будем рассматривать приемные системы двух типов - донные и свободно дрейфующие. Донные системы связаны с дном океана, и их приемные модули могут располагаться непосредственно на дне или у дна (на расстоянии 1,5-3,0 м) либо в толще водного слоя (на расстоянии нескольких сотен метров от дна), поддерживаемые подводной плавучестью.
Донные приемные системы обычно использовались в прибрежной зоне на глубинах не более 300 м. Основной трудностью, с которой сталкиваются при конструировании донных систем, являются шумы обтекания, которые могут быть значительными, вызванные придонными течениями, а также приливно 53 отливными течениями. В прибрежной зоне обычно наблюдается интенсивное ближнее судоходство, связанное с рыболовными и транспортными судами, что также значительно осложняет исследование подводного окружающего шума. Разработанные нами свободно дрейфующие автономные телеметрические приемные системы связаны с поверхностью океана. Их движение вместе с окружающими водными массами позволяет настолько уменьшить шумы обтекания, что они уже не мешают звукоприему. Основной помехой звукоприему для приемных систем связанных с поверхностью океана является поверхностное волнение, которое оказывает (особенно при скорости ветра более чем 10 м/с) существенное силовое воздействие на кабельную линию, что вызывает ее вибрацию и рывки. Проблема подавления механического воздействия взволнованной поверхности на системы связанные с поверхностью весьма активно обсуждаются в научной литературе.
типы приемных комбинированных акустических систем: а) донные системы; в) автономные дрейфующие системы: 1 – измерительный модуль, 2 - донный якорь, 3 – кабель, 4 – плавучести, 5 – радиобуй, 6 – излучатель, 7 – груз, 8 – научное излучающее и приемное судно, 9 – научная береговая база 1.10 Донные приемные системы
Донная система, стоящая на дне, представляет собой металлическую ферму в виде треноги, к которой крепится комбинированный приемник. Придонные течения вызывают колебания элементов металлической конструкции и возникновение турбулентных течений вокруг элементов конструкции донной станции, которые являются источником вибраций и шумов низкой частоты. Вибрации в набегающем потоке воды элементов донной станции и шумы обтекания достигают комбинированного приемника и являются основной помехой звукоприему. Для изоляции комбинированного приемника от данной помехи в конструкции донной станции предусмотрены следующие элементы: внешний обтекатель, внутренний обтекатель и двухзвенная система подвески обтекателей.
Внешний обтекатель представляет собой цилиндр или эллипсоид вращения объемом от 1 м3 до 3 м3. Металлический каркас внешнего обтекателя обтянут мягкой ворсистой тканью или мелкоячеистой капроновой сеткой. Эллипсоидальный обтекатель крепится к треноге на резиновом лонже и вертлюге таким образом, чтобы большая ось эллипсоида была вертикальна. В нижней точке внешнего обтекателя крепится груз - около 5-Ю кг. Внешний обтекатель, подвешенный в одной верхней своей точке, представляет собой физический маятник, частота собственных колебаний которого в воде не превышает 0,1 Гц.
Основное назначение внешнего обтекателя: - полное гашение придонного движения жидкости (внутри обтекателя скорость течения жидкости должна быть равна нулю); - значительное гашение вибрации, передаваемое с корпуса станции к комбинированному приемнику; - в случае неровного дна ось треноги может отклониться от вертикали, в этом случае большая ось внешнего обтекателя под действие силы тяжести будет принимать вертикальное положение. Конструкция донной станции устроена таким образом, чтобы при отклонении оси треноги от вертикали до 300, ось внешнего обтекателя принимала вертикальное положение. Внутренний обтекатель представляет собой сферу или куб. Его каркас также обтянут мягкой ворсистой тканью. Внутри обтекателя на подвеске укрепляется комбинированный приемник. Каркас внутреннего обтекателя выполнен из сферопластика имеющего положительную плавучесть. Внутренний обтекатель вместе с комбинированным приемником должен иметь плавучесть очень близкую к нейтральной, т.е. или небольшую положительную, или небольшую отрицательную плавучесть. Плавучесть близкая к нейтральной позволяет выполнить подвеску для внутреннего обтекателя из элементов, упругость которых близка к нулю. Благодаря этому удается практически полностью изолировать внутренний обтекатель от колебаний и вибраций, и снизить инфразвуковые помехи на 10-20 дБ в области нескольких октав. Из данного описания донной системы следует, что донная комбинированная приемная система достаточно громоздкое и весьма сложное сооружение и требует для своей сборки, регулировки и постановки профессиональных сотрудников.
Применение современных средств связи и обработки информации в задачах акустических исследований подводных шумов и сигналов полученных с помощью комбинированных приемных систем
Комбинированный приемник представляет собой устройство, включеющее векторный приемник и гидрофон [37].
Скачок разности фаз происходит поочередно по одной из компонент колебательной скорости либо по Vx(t,a) либо по Vy(t,a\ минимум характеристики направленности которой лежит на прямой, соединяющей комбинированный приемник и лоцируемый объект. При этом максимум характеристики направленности второй компоненты совпадает с минимумом направленности первой компоненты.
После того как установлен сектор углов о± в котором происходит скачок разности фаз на 180, система координат х0у “качается” “электрическим” способом в угловом секторе а0±Аа для определения статистических характеристик: среднего значения а0 и его среднеквадратического отклонения 7 7. Определив углы ср\ и q 2 (рис. 2.11), а также зная расстояние d между приемниками, возможно определить местоположение шумящего объекта.
Алгоритм способа включает в себя следующую последовательность операций. Четырехкомпонентный узкополосный акустический сигнал p(tf0), Vx(t,f0), Vy(t,f0), Vz(t,f0), регистрируемый векторным приёмником и гидрофоном, преобразуется в цифровой код, который в вычислительном блоке преобразуется в аналитическую форму с использованием математического преобразования (например, преобразование Гильберта):
Вычисляется отношение мнимой и вещественной части аналитического сигнала для получения тангенса фазы: (pp(t) = arctg (Im P (t) / Re P(t)\ (px(t) = arctg (Im Vx(t, a) / Re Vx(t, a)), (РУ(І) = arctg (Im Vy(t,a) / Re Vy(t,a)\ (2.8) где: P (i) - акустическое давление, зависящее только от времени t; Vx(t,a), Vy(t,a) - ортогональные компоненты колебательной скорости, зависящие от времени t и азимутального угла поворота ; pp(t), (px(t,), (py(t,) - усредненные значения фазы акустического давления и колебательной скорости аналитического сигнала. Величина усреднения по времени зависит от скорости движения шумящего объекта.
Вывод о наличии шумящего объекта в данном направлении о следует из скачка разности фаз между акустическим давлением p(t) и компонентами колебательной скорости (рх=(рр - срх или (ру=(рр - (ру при переходе через а0 “электрического” поворота. Эксперимент проведен в центральной части Тихого океана. Источник находился на глубине около 60 м. Комбинированный приемник находился на глубине 150 м. Частота, на которой проводилось пассивное лоцирование объекта, равна 617 Гц. Полоса анализа AJ=3 Гц. Отношение сигнал/шум не более 3 dB.
Таким образом, заявляемый способ позволяет достичь заявляемый технический результат и обнаружить в пассивном режиме поверхностный или подводный объект по излучению им шумоподобного сигнала, а не по излучению им искусственно генерируемых гармонических колебаний. Переход от амплитудных характеристик к фазовым существенно увеличил помехозащищённость способа, поскольку разность фаз cpx(t,) и (py(t,) принимает только два значения 0 или 180 и переход от одного значения разности фаз к другому происходит скачком. В заявляемом способе направление на источник определяется только по скачку разности фаз между акустическим давлением и горизонтальными компонентами колебательной скорости, равному 180, в то время как в прототипе направление на источник определяется по максимуму амплитуды и изменению фазы. Кроме того, вместо набора из N гидрофонов (минимум 8 в прототипе) возможно использование одного практически точечного комбинированного приёмника, включающего векторный приёмник и гидрофон.
Сегодня обработка аналоговых сигналов с использованием цифровых преобразований все шире используется для решения множества прикладных задач в гидроакустике, связи, радиолокации, измерительной технике, медицине и других областях науки и техники, в которых прежде доминировали аналоговые системы. Преимущества цифровых систем обусловлены рядом факторов. Прежде всего, это фактор качества получаемого или передаваемого сигнала [60]. Аналоговые реализации, зачастую, не позволяют обеспечить высоких показателей качества передачи и воспроизведения сигнала, а переход на мировые стандарты ужесточает требования, предъявляемые к таким параметрам систем, как помехоустойчивость, точность, быстродействие.
При разработке гидроакустической системы основные усилия были направлены на то, чтобы использовать стандартные, надежные, проверенные временем решения. Это позволило сократить время на разработку и повысить надежность, а также уменьшить стоимость устройства. Применение современных, доступных широкому кругу потребителей, микросхем и технологий в радиоэлектронике позволили уменьшить габаритные размеры электронного контейнера и энергопотребление системы, что очень важно при использовании автономной системы.
Использование в подводном устройстве IBM совместимой ЭВМ позволяет использовать при программировании стандартные языки и библиотеки. Что позволило значительно сократить время на доводку программного обеспечения.
Hercules-EBX спроектирован специально для использования в транспортных, военных и аэрокосмических системах, где особенно важны высокая интеграция, защищенность и совместимость с источниками питания. Модули успешно прошли всестороннее тестирование в температурном диапазоне от –40С до +85С. Автокалибровка аналогового ввода-вывода позволяет обеспечивать точность работы системы при экстремальных перепадах температур. Для предотвращения сбоев при работе в условиях сильной вибрации ОЗУ интегрировано в плату. Встроенный преобразователь постоянного тока позволяет осуществлять прямое подключение как к системам питания с напряжением 12 и 24В, так и к обычным источникам питания с напряжением 5 В. На рис.2.13 показана фотография Hercules-EBX с жестким диском.
Как следует из схемы на рис. 2.14, комплектация этой ЭВМ эквивалентна обычной персональной IBM совместимой с процессором P3 и частотой 500 МГц. Отметим здесь лишь те особенности данной ЭВМ, которые важны для исследования подводных шумов и сигналов с помощью комбинированных систем.
Вычисление фазы и аналитический сигнал
Основной помехой, в особенности на низких частотах, при измерениях акустических величин в океаническом волноводе являются шумы обтекания (псевдозвук) и вибрации конструкций измерительной системы, передающиеся непосредственно на векторный приемник. В случае если измерительные системы движутся относительно потока окружающей жидкости, шумы обтекания при измерениях на низких частотах, как показывает эксперимент, могут достигать значительных величин. Приведем результаты натурных исследований. На рис. 2.19 (а,б) приведены инфразвуковые спектры шумов. Гидрофон РШП жестко прикреплен к каркасу 1 капсулы, в соответствии с приведенным на рисунке схематическим изображением. Гидрофон РНЧ, состоящий из двух гидроакустических головок, закреплен на векторном приемнике 2, имеющем среднюю плотность 1,6 Г/см3. Резонанс подвески векторного приемника на эластичных подвесках 3, в обтекателе 4, равен 1 Гц. Из сопоставления спектров видно, что на гидрофоне РНЧ наблюдается значительный подъем на частоте вблизи 1,5 Гц, объясняемый резонансом подвески. Инфразвуковые спектры на рис.4,в получены в случае, когда векторный приемник вместе с гидрофоном РНЧ имеет среднюю плотность 1 Г/см3 (нейтральная плавучесть) и в капсуле приемник 2 установлен внутри обтянутой парашютным шелком звукопрозрачной рамки 5, подвешенной на эластичных растяжках 3 к каркасу. Вследствие слабой упругости рамки 5 подвески (fрез 0,1 Гц) спектр шумов звукового давления РНЧ существенно ниже, чем РШП.
Следует отметить, что введение двухзвенной системы подвески нейтральной плавучести приводит к качественно новому результату. В варианте, изображенном на Рис. 2.19(а), жесткость крепления к каркасу капсулы приемника РШП существенно отличается от жесткости крепления приемника РНЧ, но это отличие практически не сказывается на уровне помех, за исключением частот, близких к резонансу подвески приемника РНЧ- Переход к двухзвенной подвеске нейтральной плавучести позволяет снизить инфразвуковые помехи на 10-20 дБ в область нескольких октав. На высоких частотах, где шумы обтекания не так существенны возможно проводить измерения при скорости носителя более чем 0,5 м/с. Важную роль играет обтекатель, в который помещен комбинированный приемник.
Для изготовления обтекателя следует использовать стеклопластик. Обтекатели из стеклопластика имеют более высокие акустические характеристики, чем металлические обтекатели. Это обусловлено тем, что плотность стеклопластика (1500-1600 кг/м3) значительно меньше, чем плотность стали (7800 кг/м3) или титана (4500 кг/м3). Модуль Юнга стеклопластика примерно в 10 раз меньше, чем стали, и в 5 раз меньше, чем титана, поэтому звукопрозрачность стеклопластика обеспечивается не только изгибными (антисимметричными относительно нейтральной плоскости пластины), но и продольными (симметричными) колебаниями, что повышает звукопрозрачность при нормальном падении звуковой волны, но создает ряд особенностей при наклонном падении. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости толщина стеклопластиковой оболочки должна быть больше, чем металлической. Однако, несмотря на это, общая звукопрозрачность стеклопластиковой оболочки оказывается выше, чем металлической. В результате уменьшаются искажения характеристик направленности антенн, вносимые обтекателем.
Для обтекателей антенн, работающих в звуковом диапазоне частот, максимально допустимая толщина обтекателя оказывается достаточной, чтобы выполнить его без ребер жесткости, что также положительно влияет на акустические характеристики.
Для обтекателей антенн; работающих на ультразвуковых частотах, толщина обтекателя должна быть меньше и стеклопластиковую обшивку необходимо подкреплять набором ребер жесткости. Обычно применяются ажурные (ферменные) ребра жесткости, причем одна из сторон фермы заформовывается в стеклопластик. Коэффициент механических потерь (мнимая часть модуля Юнга) у стеклопластика равен 0,02, в то время как у металлов эта величина составляет 10 -3-10-4. Поэтому стеклопластик демпфирует вибрации, распространяющиеся по оболочке, и обеспечивает лучшую помехозащищенность.
Для проведения фундаментальных исследований подводного окружающего шума, интерференционных и реверберационных полей в лаборатории акустических шумов океана ДВО РАН были созданы различные типы приемных комбинированных систем. Разработка техники, методологии подводных акустических исследований ведется с 1980 г.
Акустические комбинированные системы могут быть стационарными – это донные или находящиеся в водном слоем закрепленные за дно, а также автономные свободно дрейфующие многоканальные приемные системы. На
Многолетние фундаментальные исследования (ТОИ ДО РАН, 1979-2012 гг.) векторных свойств акустических полей подводного окружающего шума и сигнала указывают на возможность на основе обнаруженных свойств построить алгоритмы обнаружения слабошумящих целей в условиях мелкого и глубокого моря. Система может работать как в пассивном, так и в активном режимах. По своему принципу действия такие системы принципиально отличаются от существующих гидрофонных систем обнаружения и могут положить начало построению систем обнаружения нового поколения. Изложенные основные свойства векторных акустических полей шума и сигнала, которые могут быть положены в основу построения основных алгоритмов обнаружения и целеуказания как в мелком, так и в глубоком морях. Построение мобильных акустических систем на основе автономных необитаемых подводных аппаратах (АНПА) является возможным поскольку приемник имеет ограниченный объем (сфера радиусом 0,5 м), вес приемника на воздухе не более 10 кг. Рабочий диапазон частот включает как область инфразвука, так и область высоких частот от 1 Гц до 10 кГц. При низких собственных шумах современных подводных лодок мобильные системы обнаружения, в отличие от стационарных систем, могут не только обнаружить цель, двигаясь по определенной программе в заданном районе, но и сопровождать цель или двигаться самостоятельно в зону достоверного