Секция методов и средств экологического мониторинга водных

Секция методов и средств экологического мониторинга водных районов
Результаты обработки экспериментальных данных показали, что некоторые
отличия характеристик приемных каналов измерительной установки и помехи, создаваемые в условиях гидроакустического бассейна, практически не влияют на достоверность полученной информации о рассеянии волны разностной частоты на моделях
объемных рассеивателей.
ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА ОКЕАНА
С. С. Коновалова
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Применение параметрических антенн для построения гидроакустических
комплексов дистанционного измерения объемного рассеяния звука в океане целесообразно благодаря их высокой направленности, широкополосности, низкому уровню
бокового поля, постоянству характеристики направленности в широком диапазоне
частот, что необходимо для лоцирования рассеивающего объема с достаточной степенью точности, высокой помехоустойчивостью и возможности адаптации к изменяющимся условиям измерений.
Методика расчета энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем дистанционного зондирования неоднородностей в океане была
разработана на основе решения уравнения гидролокации [1]. Выражение для определения отношения сигнал/помеха в зависимости от различных параметров сигналов,
помех и характеристик рассеивающего объема при локации объемных рассеивателей
и неоднородностей позволяет путем расчета определить возможность использования
разработанной методики для определения дальности действия широкополосных параметрических гидролокаторов и вычисления частотных характеристик коэффициента обратного объемного рассеяния. Также может быть использовано при решении
задач построения адаптивных гидролокационных систем диагностики водной среды
в океане [2]:
2 πα с F 2 Р 01 Р 02 L D I ( B , y ) 2 α ор η ор c γ пр τ ,
(1)
δ=
2
β
x
3
γ
Δ
F
изл
Pпо e
⋅10
где Р01, Р02 - амплитуды первичных волн на поверхности преобразователей накачки;
⎛
⎞
⎜ α c = γ + 1 ⎟ - параметр нелинейности;
3 ⎟
⎜
4ρ 0 – 0 ⎠
⎝
a 2Ω
- длина области дифракции волны разностной частоты;
4c 0
Lз = 1/β; β - коэффициент затухания звука на разностной частоте;
F- - разностная частота; Ω = 2πF-;
LD =
y
I1 (B, y) =
exp(− z)dz
∫ d + yzB + i(z − y) ,
0
103
Известия ТРТУ
y=
L
x
; d= D ;
lз
lз
Экология 2002 – море и человек
B=
LDlз
;
l D1l D 2
l D1 , l D 2 = a 2 ω1, 2 / 2c 0 - длина зоны дифракции волн накачки; P01, P02 - амплитуды
давления волн накачки у поверхности антенны; со - скорость звука; а - апертура излучателя накачки; γ - нелинейный параметр (для воды принимается равным 7,1); ρо равновесная плотность; αор - коэффициент объемной реверберации; ηор - коэффициент взаимной направленности для объемной реверберации; γпр., γизл. - коэффициент
осевой концентрации для приемной и излучающей антенн; τ - длительность излучаемого импульса; Рпо - уровень шумовой помехи; β - коэффициент затухания для волны
разностной частоты.
Используя данные по объемному рассеянию в различных районах Мирового
океана, с помощью разработанной методики можно определить потенциальные возможности параметрического комплекса, а именно: определить, в каких районах Мирового океана, при каких условиях и до каких глубин аппаратура позволит получить
результаты по объемному рассеянию, а в каких - не позволит, что потребует либо
использования других типов сигналов, других параметров приборов, либо разработки
более мощной техники.
Для решения этой задачи были использованы из литературных источников
экспериментальные значения коэффициентов объемного рассеяния звука, измеренные разными методами в разных районах Мирового океана в ночное и дневное время
суток. Значения коэффициентов объемного рассеяния на разных глубинах и разных
частотах в виде банка исходных данных использовались для вычисления отношения
сигнал/помеха на входе тракта обработки параметрического комплекса. Анализ результатов позволит оценить возможность использования аппаратуры для проведения
измерений в конкретных районах океана и решить задачу выбора оптимальных параметров.
Для расчетов использованы следующие основные характеристики параметрического комплекса: диапазон рабочих частот F_ = 5∼50 кГц, средняя частота накачки f0 = 165 кГц, характеристика направленности 2ϑ0,7 = 30 (в излучении), 2ϑ0,7 = 90
- 900 (в приеме), уровни давления на частотах накачки P1 = P2 = 2·105 Па·м, длительность зондирующего импульса τи = 1мс, уровень шумовой помехи Pпо = 0,01 Па.
С использованием данных о рассеянии звука в Восточной Атлантике, показанных на рис.1 и 3 для дневного (рис. 1) и ночного (рис. 3) времени суток, на частотах 20, 30, 40, 50 кГц (кривые 1, 2, 3, 4 соответственно) представлены результаты
расчета отношения сигнал/помеха в зависимости от глубин. Значения отношения
сигнал/помеха как для ночного времени суток (рис. 4), так и для дневного (рис. 2)
показывают, что энергетического потенциала гидролокатора при выбранных параметрах вполне достаточно для выполнения большинства измерений (на частотах 20,
30, 40 и 50 кГц). Максимальные отношения сигнал/помеха для ночного времени приходятся на глубину около 50 м (см. рис. 4). Очевидно, на этой глубине залегает звукорассеивающий слой, который днем опускается до глубины порядка 350 м (см. рис.
2).
Результаты расчетов, полученные по данным вертикальных профилей силы
объемного рассеяния звука в центральной части Индийского океана в дневное (рис.
5; где кривая 1 - 4 кГц, кривая 2 - 8 кГц, кривая 3 - 10 кГц) и ночное время суток
(рис.7; где кривая 1 - 4 кГц, кривая 2 - 5 кГц, кривая 3 - 8 кГц, кривая 4 - 10 кГц), показали, что возможности параметрического гидролокатора с характеристиками принятыми для расчета оказываются довольно ограничены для данного района Мирового океана. Они представлены на рис. 6 и 8 соответственно.
104
Секция методов и средств экологического мониторинга водных районов
Попытка увеличить отношение сигнал/помеха за счет увеличения длительности импульса до 100 мс (и соответственно уменьшения полосы пропускания приемного тракта), показала, что отношение сигнал/помеха для дневного времени суток
даже на самой «благополучной» частоте (10 кГц - кривая 3) едва превышает 2 (рис.6).
-80 -74 -68 -62 -56 -50
Mv,дБ
50
δ
40кГц 50кГц
45
-90
40
35
-180
3
25
5
-270
4
2
30
20
30кГц
15
-360
1
5
z,м
-450
Рис. 1. Вертикальные профили силы объемного рассеяния в Восточной Атлантике в дневное время суток
-80 -74 -68 -62
Mv,дБ
10 20кГц
-56 -50
50
100
150
200
250
300
350
400
450
z,м
Рис. 2. Отношение сигнал/помеха в зависимости от глубины до рассеивающего
объема в дневное время суток в районе
Восточной Атлантики
50
δ
45
-100
-200
40
35
30
25
2
1
4
-300
3
20
50кГц
15
-400
30кГц
10
20кГц
40кГц
5
5
z,м
-500
Рис. 3. Вертикальные профили силы
объемного рассеяния в Восточной Атлантике в ночное время суток
10
50
90
130
170
210
250
290
330
370
410
z,м
450
Рис. 4. Отношение сигнал/помеха в зависимости от глубины до рассеивающего объема в ночное время суток в районе
Восточной Атлантики
Для ночного времени суток увеличение длительности до 100 мс увеличит отношение сигнал/помеха для частот 8 - 10 кГц (кривые 3 и 4) до величин, достаточных для проведения исследований в ночное время (рис. 8).
Представленные результаты расчетов демонстрируют возможность использования параметрических гидролокационных систем и оптимизации их характеристик при измерениях объемного рассеяния звука в океане при различных параметрах
рассеивающего объема.
105
Известия ТРТУ
-90
Mv,дБ
Экология 2002 – море и человек
-80
-70
-60
δ
-50
-100
2,8
10кГц
2,4
-200
-300
2
1
3
z,м
-80
-70
-60
1,6
-400
1,2
-500
0,8
-600
0,4
-700
0
Рис. 5. Вертикальные профили силы
объемного рассеяния в центральной части Индийского океана в дневное время
суток
-90
Mv,дБ
2
-50
2
-175
8кГц
4кГц
100
200
300
400
500
z,м
Рис. 6. Отношение сигнал/помеха в зависимости от глубины до рассеивающего объема в дневное время суток в районе центральной части Индийского
океана
50
δ
40
10кГц
30
4
1
8кГц
-350
3
20
-525
5кГц
10
4кГц
z,м
-700
Рис. 7. Вертикальные профили силы
объемного рассеяния в центральной
части Индийского океана в ночное время суток
1.
2.
106
0
50
z,м
100
150
200
250
300
Рис. 8. Отношение сигнал/помеха в
зависимости от глубины до рассеивающего объема в ночное время суток в
районе центральной части Индийского
океана
ЛИТЕРАТУРА
Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. 354 с.
Коновалова С.С., Куценко Т.Н., Тимошенко В.И. Энергетические характеристики
параметрических гидролокационных систем для исследования неоднородностей
океана //Известия ТРТУ: Сборник докладов. Таганрог, 2001