Метод спектрометрии временных задержек в натурных гидроакустических измерениях

Исследование параметров гидроакустических трактов представляет собой исключительно сложную задачу. Это обусловлено рядом особенностей, характерных для распространения акустических волн в водной среде.

Самая характерная особенность гидроакустического распространенияэто многолучёвость [1,2,3]- Это свойство имеет место практически в любой среде, хотя причины его могут быть различны. В малых акваториях, бассейнах многолучёвость порождается донными и поверхностными отражениями, а также всевозможными неоднородностями, неизбежно существующими в водной среде [1,4]. Даже в специализированных бассейнах заглушающие покрытия имеют коэффициент отражения в районе -20 дБ на частоте 10 кГц. Сигналы более низких частот отражаются еще эффективнее [5].

В больших объемах, например, в океанической среде также неизбежна многолучёвость. Законы распространения звуковых волн в океане весьма сложны и многообразны. Океан представляет собой слоисто-неоднородную среду, стратифицированную вертикально, т. е. в первом приближении он состоит из горизонтально-однородных слоев воды, скорость звука в которых меняется от слоя к слою[3]. В большинстве случаев условия распространения создают на определенной глубине подводный звуковой канал, который подобно волноводу концентрирует распространяющуюся в нем акустическую энергию [1].

В арктических районах Мирового океана звук распространяется путем многократных отражений от нижней поверхности льда, к которой лучи возвращаются вследствие положительной рефракции. Комбинация положительной рефракции лучей с отражением вниз от неровной поверхности льда создает под ледовым покровом ряд уникальных эффектов. Такой особенностью является аналогия распространения звука с прохождением сигнала через полосовой фильтр, а также частотная и временная дисперсия сигнала [3].

В слоисто-неоднородном океане в зависимости от характера изменения скорости звука с глубиной могут наблюдаться зоны тени, а также конвергенция и дивергенция лучей [2].

Распространение звука в океане осложняется наличием неровных границ — поверхности и дна, которые отражают и рассеивают падающую на них акустическую энергию. На характер распространения звука в океане влияют и биологические факторы, а именно наличие и состояние биомассы [6]. Так, эффективность рассеяния звука зависит от того, насколько плотность и сжимаемость рассеивателей отличаются от соответствующих свойств окружающей среды и от того в каком соотношении находятся размеры рассеивателей и длина акустической волны. Неоднородности, содержащиеся в водной среде и на ее границах, вызывают не только рассеяние, но и реверберацию звука (объемную, донную и поверхностную) [7].

Еще одна характерная особенность водной среды — это нестационарность и временная изменчивость. Акустические поля зависят от флуктуа-ций показателя преломления звука в океане, обусловленных в основном температурными неоднородностями. В связи с тем, что скорость звука возрастает с увеличением температуры воды, солености и давления, она значительно меняется в зависимости от времени года, времени суток, глубины, географического положения, близости рек и тающего льда. Более того, горизонтальное движение водных масс под действием ветра при условии, что скорость звука изменяется с глубиной, может заметно влиять на характер распространения звука [2,3]. Аналогичный эффект вызывают и сдвиговые течения между водными слоями [8].

Прием слабых сигналов в океане затруднен наличием окружающего шумового фона, который складывается из шумов ветрового волнения, сейсмического шума и т. д. [9].

Даже краткое перечисление факторов, сильно влияющих на распространение звука под водой, показывает сложности теоретического описания этого процесса и необходимость разработки эффективных методов экспериментального исследования гидроакустических трактов с целью получения не только новых знаний о гидросфере, но и использования этих исследований в прикладных областях науки.

Актуальность решаемой проблемы.

Задача измерения временных и частотных характеристик акустических каналов распространения имеет очень широкий диапазон применений, таких как мониторинг скоростей течения в акваториях, исследование рефракционных свойств океанической или морской среды, измерения частотно-пространственных характеристик гидроакустических антенн и отдельных преобразователей, определение дистанций до отражающих поверхностей, позиционирование подводных объектов и многое другое. Поскольку эти задачи относятся к разным областям человеческой деятельности, решаются они совершенно разными методами и несовместимыми техническими средствами. Например, измерения пространственно-частотных характеристик антенн выполняются на специально оборудованных полигонах с применением чрезвычайно дорогих устройств механического перемещения излучателей. В основном для этих измерений используется тонально-импульсный метод, низкая помехозащищенность которого снижает качество результатов.

В современных экономических условиях снижение требований' к условиям измерений при одновременном увеличении их точности и достоверности является назревшей проблемой. В исследовательских задачах, таких как мониторинг скоростей течений, определение рельефа и свойств дна, получение рефракционной картины распространения лучей в океане очень важно иметь единый программно-аппаратный комплекс, позволяющий решать любую из этих задач. Это позволяет экономить не только материальные затраты, но и людские ресурсы и освобождает исследователей от необходимости сопровождать свои работы большим количеством разнородной техники и обслуживающего персонала.

Предлагаемый метод обладает универсальностью, поскольку позволяет решать все перечисленные и многие другие задачи практически одними и теми же аппаратными и обработочными средствами. Такой подход позволяет удешевить измерения за счет упрощения условий их проведения. Так, поскольку определение углового положения протяженных антенн относительно излучателя и измерения их чувствительности производятся на одной и той же аппаратной и программной базе, отпадает необходимость в дорогостоящих высокоточных поворотных устройствах [10,11,12]. Такие измерения можно проводить практически в любой акватории и при наличии акустического шума.

Гидроакустические измерения могут классифицироваться по нескольким параметрам:

— типу измерения (активные, пассивные);

— типу применяемого сигнала (дельта-импульс, тон, радиоимпульс, полигармонический сигнал, шум, псевдошум, ЧМ сигнал);

— типу преобразователей (точечные, одноэлементные направленные, многоэлементные);

— принципу действия преобразователей (пневматический, искровой, пьезоэлектрический, электромеханический, электродинамический, электромагнитный, магнитострикционный, пьезоэлектрический и т. д.);

— способу обработки принятого сигнала;

— способу учёта параметров постановки (принудительная фиксация корреспондентов относительно друг друга, измерение взаимных положений корреспондентов).

В дальнейшем пойдёт речь об активных методах измерений с. использованием тонально-импульсного, шумового и ЧМ сигналов, поскольку дельта-импульсный сигнал слишком чувствителен к шумам, а тональный и полигармонический сигналы не позволяют за счёт временной селекции подавить мешающие отражения от границ раздела сред. Радиоимпульс позволяет это сделать за счёт выделения в принятом сигнале узкого временного окна, в которое попадает полезный сигнал и не попадают отражённые [13]. Для снижения времени установления выходного сигнала возможно подавление переходного процесса в излучателе, как, например, предложили Пикетт [14, 15] или Джиангреко [16, 17]. Простота аппаратной реализации долгое время делала этот метод единственно пригодным для работы в условиях реверберации. К недостаткам его следует отнести низкое отношение Сигнал/Шум, связанное с малой длительностью сигнала, а также его узкополосность, не позволяющую получить информацию о частотных характеристиках тракта за время одной посылки. Метод ТИ требует значительного времени для проведения измерений АФЧХ на всех рабочих частотах, поскольку после каждого импульса необходимо выдерживать ревербе-рационную паузу. Кроме того, для таких работ как измерение параметров преобразователей приходилось использовать чрезвычайно дорогостоящие и громоздкие постановочные средства для взаимной фиксации корреспондентов.

В последнее время наблюдается тенденция использования широкополосных сигналов вместо импульсных [18 — 20]. Сначала превалировали псевдошумовые сигналы (ввиду простоты аппаратной реализации генераторов) и корреляционная обработка, но в последнее время их вытесняют частотно-модулированные сигналы. Это объясняется не только существенно лучшим пик-фактором последних (а, следовательно и соотношением С/Ш), но и другими их преимуществами (возможностью окрашивания спектра при неизменной амплитуде сигнала, значительно меньшей чувствительностью к нестационарности условий измерения, нелинейностям тракта и т. д. [18,21]).

Кроме того, получаемая в этом случае точность определения задержек/дистанций многократно превышает точности других методов и делает возможным проведение измерений, при которых вместо принудительного взаимного позиционирования корреспондентов их взаимное положение определяется акустическими средствами.

Одним из наиболее перспективных методов исследования гидроакустических трактов с использованием ЧМ-сигнала является метод Спектрометрии Временных Задержек СВЗ [22, 23]. Его возможности по измерению АФЧХ акустических трактов получили оценку только в последние годы [24 — 30], т. е. одновременно с работами автора. Оценки точности СВЗ производились [31], но только применительно к измерению задержек распространения.

Исследуемый и развиваемый в данной работе метод СВЗ является, как показывает опыт, эффективным средством активного зондирования среды с многоканальным распространением. Он базируется на понятии ЭнергоВременной Зависимости.

Понятие Энерго-Временной Зависимости (Energy Time Curve — ETC) появилось впервые в работе Хейзера в 1967 г. [22, 23]. Взамен привычного представления об импульсной передаточной функции системы — скалярной функции, являющейся откликом системы на воздействие дельта — импульса появилось понятие ЭВЗ — комплексной функции, отражающей временные соотношения в системе. В некоторых работах [32, 33] вводится понятие аналитического временного отклика, по сути дела той же самой ЭВЗ, но с более корректным названием. Хейзер считал, что наличие действительной и мнимой частей в ЭВЗ и присущая каждому отсчетному моменту фаза дают представление о соотношении кинетической и потенциальной энергий в системе и их переходе одна в другую. Именно поэтому функция и получила такое название. Более поздние авторы доказали акаузаЛьность этой функции (впрочем, она видна невооруженным глазом). Мнимая часть функции имеет «предвестник», предшествующий появлению «прихода», т. е. моменту появления импульсного отклика. Это отражается на форме модуля функции ЭВЗ, которая чаще всего и используется в СВЗ как очень удачный заменитель импульсной передаточной функции. «Приходы» ЭВЗ имеют не абсолютно крутой передний фронт, как следовало бы ожидать. при воздействии дельта — импульса. В нашем варианте это ничуть не нарушает временных соотношений в системе, а энергия части импульса, сосредоточенная под этим фронтом, является пренебрежимо малой (1−2%). Более того, отрицательная задержка, появляющаяся в результатах измерений, как это показано в [34], не противоречит принципу причинности.

Одним из самых серьезных трудов в области СВЗ является публикация Бьерна и Педерсона [35, 36] в 1983 г. Они впервые указали на акаузаль-ность ETC, хотя в отличие от последующих авторов [37, 38, 39] не придали этому особого значения. Но это указание открыло широкое поле поисков физического смысла ETC для молодых физиков. Бьерн и Педерсон [35] сформулировали некоторые общефизические, и даже философские подходы к пониманию метода, такие как связь между частотой, временем, временной задержкой и частотной модуляцией: «Если частотная характеристика инвариантной во времени системы измеряется как функция времени, характеристика частотной задержки преобразуется в функцию частотной модуляции» Бьерн и Педерсон рассмотрели такой важный вопрос, как возможность получения частотной характеристики системы и требуемые для этого параметры тестирующего сигнала и канала обработки. Они совершенно справедливо отметили необходимость делать скорость развертки сигнала адекватной изрезанности амплитудочастотной характеристики системы и тем самым открыли поток изысканий в области адиабатичности и неадиабатичности приближения характеристик.

После опубликования этих основополагающих статей, объясняющих физическую содержательность вновь введенного понятия ЭВЗ, началось быстрое практическое освоение СВЗ-технологии фирмами Bruel & Kjaer и Crown International, налажен серийный выпуск СВЗ-измерительных систем. Фирма Bruel & Kjaer, по описанию в статье Педерсона, предложила систему СВЗ-измерений, состоящую из стандартных блоков, выпускаемых фирмой.

С 1986 г. на рынке победила, по-видимому, Crown International (отделение 'Techron'), выпустившая СВЗ-процессоры TEF, имеющие достаточно широкое практическое применение.

Последующие работы, посвященные СВЗ, имеют одну общую черту — в каждой из них содержится развернутое переизложение принципа осуществления СВЗ-измерений. По основному направлению работы можно, разделить на две группы. Авторы первой группы доносят до нас свое математическое осмысление сути процессов в СВЗ-анализаторе, авторы второй группы предлагают варианты практического воплощения в основном на базе цифровых устройств.

Так в работах J. Vanderkooy [33, 37], а также [39, 40] описаны. методы измерения частотной передаточной функции и показано, что СВЗ есть естественное усиление таких методов. Описаны математические действия для получения частотной передаточной функции, проиллюстрировано влияние скорости свипа и ширины окна фильтрации. Демодулированный свип обычно записывается в память компьютера и подлежит последующей обработке [41]. Описана возможность получения комбинации откликов, приходящих по разным каналам распространения за счет расширения полосы фильтра — процедура необходимая в «обзорном» режиме, назначением которой является потребность осмысления всего набора откликов каналов и отделение мешающих каналов от тех, которые являются предметом исследования или контроля.

В работе A. Duncan [32] показано, что комплексная аналитическая функция столь же жестко связана со своей вещественной частью, как твердое тело со своей тенью. Рассматривается «аналитический импульс» — комплексная функция, вещественная часть которого есть обычная 5-функция Дирака. Этот импульс используется для вычисления ЭВЗ, что вообще говоря крайне неудобно в практических применениях, т.к. формирование высококачественного 5-импульса является технически сложной задачей.

Работа R. Greiner, J. Wania, G. Noejvich [39] посвящена опять-таки математическому анализу СВЗ-метода. Обсуждаются процессы, протекающие в TEF — анализаторе, промоделированные с помощью обучающей программы. Вводится понятие асимметричного окна фильтрации демодулиро-ванного сигнала, суживающего импульсный отклик.

В статье P. D’Antonio, J. Konnet [38] описана цифровая аппаратура, реализующая метод СВЗ-измерений. Приведены примеры ее применений. Существенно более ценным является материал статьи [33] J. Vanderkooy, S. Lipshitz, где обсуждаются два основных свойства ЭВЗ-функции: ее акау-зальная структура и влияние различных факторов на ее точное вычисление, особенно влияние сглаживающего окна. Обсуждению смысла ЭВЗ уделяется большое внимание в работах [39, 41, 42, 43, 44], вводится понятие годографа ЭВЗ.

Ранние СВЗ-системы были чисто аналоговыми и конечным результатом измерений служили выходные сигналы прямого и квадратурного каналов обработки, и только в 1987 г. в работе [45], а затем в [46] было предложено использовать для пост-обработки данных компьютер. Без машинной обработки вся настройка системы состояла в выборе времени задержки и частоты среза фильтра нижних частот. Только с использованием компьютерной постобработки стало возможным применение СВЗ для решения широкого круга задач [47 — 53].

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию метода спектрометрии временных задержек (СВЗ) в приложении к решению, задач гидроакустического зондирования. Обоснована возможность использования СВЗ для измерения временных и частотных характеристик гидроакустических трактов при многоканальном распространении сигналов. Разработан аппаратный комплекс и программно-математические средства обработки для обеспечения широкого класса измерений такого рода. Для разных применений разработаны методологические подходы к проведению измерений. Проведен ряд исследований физических характеристик гидроакустических трактов методом СВЗ.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы — создание на основе модифицированного метода спектрометрии временных задержек теории и аппаратных средств проведения гидроакустических измерений, таких как:

— прецизионное измерение задержек распространения акустических сигналов (а также углов прихода на систему приёмников) — анализ свойств дна акватории и структуры акустических полей на протяжённых трассах;

— измерение АФЧХ одиночных преобразователей и антенн в условиях эксплуатации;

— анализ распределения плотности слоисто — неоднородных сред.

Для выполнения этого должны быть решены следующие задачи:

— разработка метода повышения точности измерения дистанций/задержек;

— разработка метода измерения амплитудно-фазочастотных характеристик гидроакустических трактов распространения, оценка его погрешностей, связанных с основными влияющими факторами;

— создание аппаратных средств реализации этого метода;

— экспериментальное исследование пофакторного влияния окружающей обстановки на точность измерений в натурных условиях.

Научная новизна.

Разработан модифицированный метод спектрометрии временных задержек (СВЗ), отличительной особенностью которого является то, что за счет применения линейно-частотно-модулированных сигналов при однократной посылке сигнала можно получить полную картину временных соотношений в многоканальной системе распространения, а также амплиту-до-фазо-частотной характеристики выбранного тракта во всей полосе частот излучаемого сигнала. Одновременно при этом с высокой точностью измеряется время распространения между источником и приемником сигнала по исследуемому тракту. В отличие от использующихся другими исследователями двухгетеродинной схемы, в данном устройстве применялась одногетеродинная схема с восстановлением комплексно сопряжённой компоненты с помощью преобразования Гильберта. Это решило ряд проблем, связанных с неидентичностью каналов гетеродинирования.

Исследовано понятие и содержание Энерго-Временной Зависимости (ЭВЗ) — комплексного аналога огибающей импульсной передаточной характеристики тракта, получаемой в результате СВЗ-обработки сигнала. Проведены исследования методов и средств реализации СВЗ-измерений, в частности — параметров сигналов и обработки для получения наиболее полной и-достоверной информации о свойствах каналов распространения. Впервые проведены теоретические и модельные расчеты характеристик генераторов тестовых сигналов с точки зрения влияния их на конечный результат измерений.

Проведен пофакторный анализ методической погрешности измерений СВЗ-методом. Результаты теоретических оценок сопоставлены с экспериментальными метрологическими исследованиями. Эксперименты метрологического содержания проводились как в лабораторных (бассейновых) условиях, так и в натурных.

Проведены исследования принципиально новых подходов к мониторингу акваторий, основанных на регистрации амплитудо-частотных характеристик каналов распространения на протяженных трассах, показана их закономерная связь с картиной гидрофизических полей. Таким образом, предложен новый многообещающий подход к мониторингу водных бассейнов на основе измерения их частотных характеристик и экспериментально показана его высокая эффективность. Высокая помехозащищенность метода позволяет получать картины приходов — импульсные характеристики каналов распространения в условиях, где традиционными способами сигналы практически не регистрируются. Так, использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают переотражения в зону тени.

Предложен и исследован метод анализа распределения плотности в эмульсионной среде со стохастическим распределением плотности тонких слоев средствами акустического зондирования с применением СВЗ-обработки.

Проведен теоретический анализ возможностей и результативности измерений АФЧХ протяженных антенн методом СВЗ. Показана и подтверждена экспериментально высокая эффективность предлагаемого метода, связанная с повышенной достоверностью измерений, отсутствием необходимости в дорогостоящем специализированном оборудовании.

Практическая ценность.

Разрабатываемые методологические и теоретические проблемы нашли применение для решения ряда практических задач. Создана и применяется на практике методика измерения АФЧХ пространственных гидроакустических антенн с одновременным позиционированием антенны относительно излучателя. Неоднократно, по разработанной методике, проводились измерения положения и частотных свойств одиночных подводных акустических приемников в условиях моря. Метод парциальных измерений по методике СВЗ даёт существенный выигрыш в отношении уменьшения требований к геометрии постановки.

На базе СВЗ-метрии и ее аппаратных воплощений создана уникальная система измерения верхних и межфазных уровней нефти и нефтепродуктов «Слой», выпускаемая малыми сериями и находящая применение в нефтяной, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности [54, 55, 56].

Применение исследуемого метода позволило провести ряд исследовательских экспериментов, в частности, исследование отражающих свойств акватории, результаты которого хорошо коррелируют с географической картой дна. Успешен также эксперимент по определению структуры акустических полей водной среды методом СВЗ на протяженной трассе. Найдена определенная связь со структурой гидрофизических полей. Практический интерес представляют экспериментальные исследования угло-временной структуры акустического поля в зоне тени.

Краткое содержание работы.

Работа посвящена исследованию метода СВЗ и измерению временных и частотных характеристик гидроакустических каналов в многоканальных системах распространения.

В первой главе исследуются общие подходы к созданию метода спектрометрии временных задержек. Приведен краткий обзор факторов, воздействующих на результаты гидроакустической локации. Даже краткое перечисление факторов, влияющих на распространение звука, показывает необходимость разработки эффективных методов исследования гидроакустических трактов.

В главе производится обоснование применимости метода СВЗ для определения передаточных функций каналов распространения сигнала. Излучаемый сигнал с линейно-частотной модуляцией (JI4M) в точке приема подвергается преобразованию, в результате которого возникает комплексная двумерная функция — Энерго-временная зависимость (ЭВЗ), модуль которой воспроизводит в частотной области огибающую импульсной передаточной функции тракта распространения. В главе приводится последовательность преобразований, приводящая к получению ЭВЗ. Каждый из максимумов в составе ЭВЗ представляет собой импульсную передаточную функцию одного из каналов распространения. По нему, с помощью обратного преобразования Фурье, может быть восстановлена амплитудо-фазочастотная характеристика (АФЧХ) данного канала. Далее в главе приводится оценка методической погрешности СВЗ, а также оценка энергетического выигрыша при СВЗ — измерениях. Представлено доказательство того, что энергетический выигрыш при использовании СВЗ — обработки соответствует соотношению ширины полос исходного сигнала и полосе частотного представления модуля ЭВЗ после преобразования, что' составляет обычно 2−3 порядка.

Во второй главе рассматривается структура комплекса аппаратных и. программных средств для проведения исследований методом СВЗ. В первой части приводится обоснование состава аппаратных средств для решения разнородных задач гидроакустических измерений и приводится структура базового комплекта аппаратных средств. Затем производится анализ основных требований к параметрам сигналов и режимам работы аппаратуры, таким как начальная и конечная частоты сигнала, длительность сигнала, длительность паузы между посылками, крутизна или скорость изменения сигнала, частотная зависимость амплитуды сигнала, частотная зависимость фазового приращения, время задержки опорного генератора измерительной системы относительно ведущего, частота среза ФНЧ системы обработки, коэффициент усиления тракта обработки.

Производится подробное обоснование выбора и расчета каждого из этих параметров. В следующих подразделах' главы описывается структура и принципы функционирования основных блоков СВЗ — комплекса: генератора J14M — сигналов, блока обработки, блока синхронизации, а также контроллера автоматического управления работой всех блоков. В. главе рассматривается применение процедур коррекции амплитудочастотной и фазочастотной характеристик формируемых сигналов с целью компенсации искажений, вызываемых преобразователем. Описывается процесс измерений на базе СВЗ, и сравнительный анализ корреляционной обработки. В главе анализируются особенности построения генераторов зондирующих сигналов, в частности приводится модельное исследование соотношения разрядности выходного цифроаналогового преобразователя генератора и разрядности используемой матрицы значений гармонической функции.

В главе также рассмотрен метод СВЗ на базе сигналов с ЭЧМ. Разработаны подходы к построению генераторов ЭЧМ-сигналов.

Третья глава посвящена оценке погрешностей при измерениях в гидроакустических трактах методом СВЗ. В первой части определяется набор факторов, влияющих на точность измерений, затем описывается эксперимент по выявлению воздействия влияющих факторов на точность измерений. Приводятся теоретические оценки влияния отражений от границы среды и выбора временного окна на точность измерения АЧХ гидроакустического тракта, а также погрешность измерения АЧХ гидроакустического тракта вследствие шумов гидросферы. Экспериментальное исследование пофакторного влияния на точность измерений показало результаты, весьма близкие к теоретическим оценкам. Эксперимент проводился в натурных условиях с двумя гидрофонами с неизвестными характеристиками. Полученные разностные амплитудочастотные характеристики гидрофонов затем оценивались на установке, являющейся Государственным эталоном. По методике эталонных измерений АЧХ может измеряться только в отдельных точках. Все они лежат в зоне доверительного интервала натурных измерений, что подтверждает достоверность результатов.

Двухпозиционный метрологический эксперимент имел целью оценку чувствительности одиночных приемников в условиях эксплуатации. В ходе последнего характеристики чувствительности каждого из группы глубоководных приёмников измерялись с использованием дрейфующего подводного преобразователя, пространственное положение которого относительно первых определялось в ходе эксперимента акустическими средствами. Связь между передающим и приёмным комплектами аппаратуры, а также их синхронизация осуществлялись по радиоканалу. Выявлено влияние элементов подвески подводных приёмников на их пространственно-частотные характеристики. Описана методика коррекции влияния дрейфа судна на результаты измерений.

Четвертая глава посвящена практическим аспектам применения предлагаемого метода. Здесь приведены результаты как модельных, так и натурных экспериментов, проведенных в последние годы. Исследованы математические модели поля распределенных рассеивателей и влияние подвижности рассеивающего слоя на АЧХ канала распространения.

Анализ отражающих свойств дна акватории производился на акватории Ладожского озера в районе пятой площадки полигона НИИ «Морфиз-прибор». Плоская вертикальная антенная решётка вращалась вокруг вертикальной оси, принимая отражённые от дна акустические сигналы вертикального цилиндрического излучателя. Суммарный сигнал антенны регистрировался по СВЗ-методике, после чего рассчитывались зависимости его интенсивности от вертикального и горизонтального положения корреспондентов. В результате была построена карта распределения коэффициента рассеяния от разных участков донной поверхности, хорошо совпавшая с результатами предварительных геофизических изысканий.

Сравнительный анализ методом СВЗ структуры акустических и гидрофизических полей водной среды проводился на стационарной трассе Ка-цивели — м. Меганом (100 км). Мощные низкочастотные излучатели «Ин-за» (100 и 300 Гц) лежали на дне в районе Кацивели, а линейная приёмная система была установлена на дне в районе м. Меганом. Комплекты передающих и приёмных устройств располагались на концах трассы, и их синхронизация проводилась по коммутируемой телефонной линии.

На приёмной стороне была выделена группа лучей, положение которых отслеживалось в течение многих часов. Поскольку сложные условия распространения и узкая полоса тракта не позволили получить полного разделения лучей, было предложено в качестве измеряемого параметра, регистрировать медленные изменения суммарной частотной характеристики канала по всем лучам одновременно. Интерференционная картина оказалась весьма стабильной от измерения к измерению, а её дологопериодные изменения существенно коррелировали с разрезом скорости звука, сделанным с судна обеспечения в одной критической точке — месте резкого изменения глубины по трассе распространения.

Исследование угловременной структуры акустического поля в зоне тени проводилось в Индийском океане в ходе океанической экспедиции. Одно из судов несло мощный излучатель («Агат»), другое — вертикальную шланговую гибкую антенну («Мозаика»). Регистрировались углы прихода слабых вторичных сигналов подсветки, поскольку прямые сигналы в зоне тени отсутствуют настолько, что тонально-импульсные методы не способны уловить ничего, кроме собственных шумов.

Зарегистрированные сигналы позволили рассчитать зависимость интенсивности принятых сигналов от угла фазирования приёмной антенны и задержки распространения. Полученные результаты хорошо согласуются с предсказанными, в соответствии с лучевой теорией распространения для данного распределения скорости звука по глубине.

Исследование распределения плотности в структурированной жидкости с помощью СВЗ Разработана концепция измерений распределения плотностей по высоте столба нефтеводяной смеси в резервуарах сепарации нефти. Описаны математические модели распределения и результаты измерений независимым способом (путем пробоотбора).

Пятая глава описывает общий предлагаемый подход к задаче обмера акустических антенн на сложном сигнале в натурных условиях. Приводятся условия и результаты натурного эксперимента по измерению частотных характеристик направленности протяжённой плоской антенны. Предлагаются новые аппаратные и вычислительные решения, касающиеся многих аспектов натурных измерений. Предлагается единый, общий подход к натурным (и бассейновым) измерениям протяжённых антенн и единичных преобразователей, а также средства его реализации.

Личный творческий вклад автора:

Разработка теоретических основ измерения амплитудо-фазочастотных характеристик гидроакустических трактов модифицированным методом СВЗ, включая анализ энергетического выигрыша при использовании СВЗобработки, а также исследование методической погрешности, связанной с основными влияющими факторами. Разработка требований к аппаратной реализации метода, характеристикам генератора зондирующих сигналов и параметрам зондирующих сигналов и средств обработки.

Разработка метода формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции, а также средств их аппаратной реализации.

Теоретическое обоснование метода измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн, базирующегося на СВЗ, руководство экспериментами и обработка результатов.

Математическое моделирование, характеризующее влияние на результаты эхолокации методом СВЗ разных типов рассеивателей.

Участие в экспериментах по исследованию методики градуировки приемников в натурных условиях и анализу погрешностей, по исследованию отражающих свойств акватории, по сравнительному анализу посредством СВЗ-метода структуры акустических и гидрофизических полей водной среды, по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по определению границ разделов плотностей в сложной структурированной жидкости.

Апробация результатов работы.

Задачи диссертационной работы и результаты исследований представлялись на конференциях, форумах и выставках:

Научно-техническая конференция «Формирование сложных сигналов» ВНТО PC им. А. С. Попова, Москва, 1988гII Всесоюзная научно-техническая конференции «Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов». Харьков, 1989гконференция «Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических измерений. Севастополь, 1989гконференция ПМГИ 92 «Проблемы метрологии гидрофизических измерений». Москва 1992гVI Всероссийская научно-техническая конференция «Радиоприем и обработка сигналов». Н. Новгород, 1993гIX международное координационное совещание «Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана». С. -Петербург, 1994гV-th WESTPRAK Conference, Proceedings, Seoul, 1995грегиональная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения физических величин» 1996 г., Нижний Новгородрегиональная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения физических величин» 1996 г., Нижний Новгородмеждународная конференция «Конверсия, приборостроение, рынок» 1997 г., СуздальInternational Innovation Exposition «Eureka» March, 10−11, 1998, Brussels, Belgium (золотая медаль) — Всероссийский семинар «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» Н. Новгород, 1998гВсероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов» — Москва, ноябрь 1998гIV Всероссийская научно-техническая конференция. Н. Новгород, 1999 г, Межреспубликанская конференция «Анализ сигналов и спектров в радиоизмерениях» .

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Обоснование применимости модифицированного метода Спектрометрии Временных Задержек для измерения амплитудои фазо-частотных передаточных функций гидроакустических трактов, оценка энергетического выигрыша, методической пофакторной погрешности. Теоретическое обоснование СВЗ-метода измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн.

2. Анализ требований к аппаратной реализации метода, параметрам зондирующих сигналов и средств генерации и обработки, обеспечивающих минимальные погрешности при измерениях.

3. Метод формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции и аппаратной его реализации.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований: по градуировке приемников в натурных условиях, по изучению отражающих свойств дна акватории, по сравнительному анализу структуры акустических и гидрофизических полей стационарной трассы, по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по определению распределения плотности в сложной структурированной жидкости, по измерению частотных и пространственных характеристик протяженной гидроакустической антенны.

Основные результаты работы:

1. Разработан модифицированный метод СВЗ измерений отличающийся тем, что количество каналов гетеродинирования уменьшено с двух до одного, а для получения комплексной энерговременной зависимости используется преобразование Гильберта. Созданные для этого метода аппаратные средства отличаются функциональной простотой и экономичностью и предъявляют минимальные требования к вычислительным устройствам вторичной обработки информации.

2. Проведен анализ особенностей предлагаемого метода:

— доказано, что модуль ЭВЗ идентичен огибающей импульсной функции тракта;

— обоснована величина достигаемого выигрыша по помехозащищённости и точности измерения дистанций (2−3 порядка по сравнению с ТИ);

— доказана возможность использования метода для измерения характеристик преобразователей и протяжённых антенн в условиях реверберации и рассчитаны соответствующие методические погрешности;

— обоснованы требования к параметрам применяемых сигналов и средствам их генерации и обработки.

3. Изготовлен ряд вариантов аппаратно-программных комплексов СВЗ и получен сертификат (точность 1мм) на устройство измерения уровней раздела сред, запущенное в малую серию. Построен и оснащён СВЗ-средствами и средствами позиционирования малый опытовый бассейн (сертифицирован на точность 0.3 мм).

3. Разработан метод СВЗ-обработки с применением ЭЧМ-сигнала. Метод позволяет сохранить когерентность приема и излучения при взаимном равномерном движении излучателя и приемника.

4. Произведено теоретическое и экспериментальное сравнение влияния шумов гидросферы на результаты измерений методом СВЗ и тонально импульсным. Метод СВЗ дает безусловный выигрыш по величине погрешности, который увеличивается по мере уменьшения соотношения сигнал/шум. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теорией. Экспериментальные проверочные исследования воспроизводимости измерений АЧХ в натурных условиях дали усредненную разностную АЧХ, совпадающую с эталонными бассейновыми (на Госэталоне ГМЦГИ ВНИИФ-ТРИ) измерениями в пределах доверительного интервала, что доказывает высокую точность метода СВЗ. Среднеквадратичное отклонение для этой характеристики, снятой с применением СВЗ в реальных условиях, не превышает 0,2 дБ, для тонально-импульсного метода в тех же условиях — не менее 1 дБ.

5. Разработана и реализована схема и технология двухпозиционного эксперимента по определению расположения и частотных характеристик чувствительности трактов подводных автономных приемников. Экспериментально показано, что применение свипов с противоположной по знаку крутизной позволяет избежать ошибок позиционирования движущегося источника звука и производить измерения «на ходу». Разработанная методика измерений во время галсов корабля позволяет точно определять положение судна в системе баз и управлять с берега его наведением. Параллельно проведенные измерения тонально-импульсным методом и методом СВЗ доказывают с одной стороны достоверность СВЗ-измерений (хорошее наложение результатов), с другой стороны — очевидные преимущества СВЗ, заключающиеся в более высокой точности в существенно более широком частотном диапазоне измерений, а также в возможности одновременного позиционирования.

6. Проведен эксперимент по оценке методом СВЗ отражающих свойств акватории (донных пород). Полученная в результате эхолокации картина распределения интенсивности отражений (акустический портрет акватории) хорошо накладывается на карту донных пород, полученную независимым путем.

Регистрация амплитудно-частотных характеристик каналов распространения на протяженной трассе показывает их закономерную связь с картиной гидрофизических полей. Таким образом, предложен новый многообещающий подход к мониторингу водных бассейнов на основе измерения их частотных характеристик и экспериментально показана его высокая эффективность.

7. Высокая помехозащищенность метода позволяет получать картины приходов' - импульсные характеристики каналов распространения в условиях, где традиционными способами сигналы практически не регцстриру-ются. Так использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают пёреотражения в зону тени.

8. Разработан и экспериментально подтвержден способ измерения распределения плотностей в структурированной разнородной жидкости.

9. Разработана теория и методология измерений АЧХ протяженной антенны при наличии мешающих отражений. Теоретически и экспериментально показано, что модифицированный метод СВЗ позволяет проводить достоверные измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн в условиях эксплуатации. За одно СВЗ-измерение получаются значения тональной чувствительности антенны во всем диапазоне частот тестового сигнала. Экспериментальные исследования позволяют утверждать, что метод СВЗ успешно преодолевает три основные проблемы, вынуждающие к построению специализированных, калиброванных и чрезвычайно дорогих измерительных полигонов. Это проблема селекции отраженных от границ сред лучей, большого уровня шумов в зоне измерений и флуктуаций окружающей среды, а также необходимости очень точного фиксирования заданных углов и дистанций.

Заключение

.