Относительные гидроакустические единицы

В технической акустике принято оценивать интенсивности и давления не в абсолютных единицах, а в относительных - децибелах. Децибел имеет достаточно длинную историю применения для выражения акустических величин и является очень удобной еди­ницей при оперировании с большими приращениями переменных. Кроме того, децибел позволяет заменить перемножение величин сложением их децибельных эквивалентов, что часто упрощает расчеты.

Измеряемые в децибелах величины называются уровнями. Логарифмическая шкала децибел для интенсивностей и давле­ний строится по следующему закону: NдБ = 10 lg I / Iо = 20 lg P / Po, где Iо и Po – соответственно эталонные значения интенсивности и давления, относительно которых определяется уровень. Очевидно, что уровень эталонного значения равен нулю, поэтому само эталонное значение часто называют нулевым уровнем. Если какая-либо величина имеет положительный уровень, это означает, что значение этой величина больше эталонного, если уровень отрицательный – меньше эталонного. В децибелах могут быть выражены и другие физические параметры, такие как чувствительность приемника, напряжение, коэффициент отражения, рассеяния и т.д.

Например: V_дБ = 20 lg V / V₀,

где V_дБ – чувствительность приемника в дБ;

V - чувствительность приемника в Па;

V₀ - эталонное значение чувствительности (нулевой уровень).

Если логарифмическая шкала основывается на системе нату­ральных логарифмов, то вместо децибела единицей измерений уровней является Непер (нп). Между непером децибелом имеются следующее соотношение: 1 нп = 8,68 дБ.

Во всех случаях, когда та или иная величина выражена в относительных единицах, должен быть оговорен нулевой уровень, т.е. какое значение данной вели­чины выбрано за эталонное.

В России за нулевой уровень принят порог слышимости на частоте 1000 Гц, что составляет по давлению, по интенсивности: Iо = 10^-12 Вт/м². В США за нулевой уровень принято значение 1 мкПа или 10^-5 дин/см².

Пример1. Величина измеренного акустического давления сос­тавляет 0,1 Па. Тогда ее уровень относительно эталонного значения p₀ = 2·10^-5 Па составляет:

N = 20 lg p / p₀ = = 20 lg (0,1/0,00002) = 74 дБ

Пример 2. Пусть уровень звукового давления составляет 100 дБ относительно

1 мкПа (10^-6Па). Тогда абсолютное значение давления равно:

= 0.1 Па.

Пример 3. Пусть уровень звукового давления составляет N₁ = 60 дБ относительно p₀ =2·10^-5 Па. Необходимо вычислить уровень N₂ относительно 1 мкПа. Эта задача решается следующим образом N₂ = N₁ + 26 Дб. Второе слагаемое представляет собой уровень первого эталона относительно второго: 20lg = 26 Дб.

1.3. Тактические характеристики современных ГАС НК

В активных гидроакустических средствах - гидролокацион­ных станциях (ГЛС), трактах и каналах гидроакустических комплексов (ГАК) используется принцип излучения акустиче­ской энергии в водную среду с последующим анализом акусти­ческих сигналов, прошедших через водную среду и отразив­шихся от цели. Методы и устройства обработки сигналов в активных гидроакустических системах имеют много общего с радиолокационными системами и системами радиосвязи, поэтому можно пользоваться соответственно единым математиче­ским аппаратом с учетом влияния морской среды, определяю­щей основную специфику ГАС.

На развитие гидролокаторов военного назначения основное влияние оказывают тенденции совершенствования тактико-тех­нических элементов и способов боевого применения подводных лодок. В годы первой и начале второй мировых войн ПЛ в основ­ном находились в надводном положении и погружались лишь на ограниченное время. Атомные ПЛ, имея большие скорости, снизили эффектив­ность противолодочных кораблей, несмотря на усовершенство­вание их ГАС и возросшие дальности поражения их оружия. Появление атомных ПЛ с крылатыми ракетами принци­пиально изменило организацию наблюдения за подводной обстановкой при охране крупных надводных кораблей или сое­динений. Значительно возросли требования к скорости, обзора подводного пространства, для решения этой задачи использу­ются ГАС. Под скоростью обзора понимают площадь океанской среды, просматриваемую в единицу времени. Она равна произве­дению скорости движения корабля на ширину полосы обзора ГАС, которая равна примерно двум дальностям действия ГАС. Одним из путей увеличения скорости обзора является примене­ние высокоскоростных носителей ГАС с опускаемыми антен­нами, таких, как корабли на подводных крыльях, воздушной по­душке, экранопланы, а также вертолеты. Эти носители исполь­зуют ГАС в тактической форме «спринт» и «дрейф», где «спринт» — переход из одной точки наблюдения в другую с большой скоростью, а «дрейф» - непосредственный поиск под­водных целей с помощью ГАС, имеющей опускаемую антенну. За счет больших скоростей «спринта» общая скорость обзора окружающего пространства существенно повышается.

В техническом отношении увеличение скорости обзора про­странства достигается специальными методами формирования и управления ХН при излучении и приеме. Поскольку увеличе­ние скорости обзора ведет к соответствующему снижению даль­ности действия, на современных противолодочных кораблях могут устанавливаться две ГАС, одна из которых позволяет до­стичь большой скорости обзора, а другая - большой дальности, необходимой для обеспечения целеуказания противолодочному оружию. В большинстве современных ГАС эта задача решается в одной ГАС наличием тракта кругового обзора и тракта сопровождения (прицельного пеленгования).

ГАС должна удовлетворять многим противоречивым требо­ваниям, важнейшими из которых являются обеспечение задан­ной дальности действия, скорости обзора, секторов обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях, разрешающих способностей по измеряемым координатам, точности измерения координат и т. д. Кроме того, должны обеспечиваться соответст­вующие классификационные возможности, т. е. выделение приз­наков, по которым могло бы осуществляться распознавание об­наруженных объектов.

Дальность действия ГАС как основной тактический параметр зависит от многих факторов, таких, как акустические свойства цели, технические параметры ГАС, условия распространения акустических сигналов в реальных средах. Последний фактор, например, может приводить к вариациям дальности действия в 2 - 6 раз, а его учет состоит в грамотном использовании ГАС, применении подкильных, буксируемых, опускаемых антенн, оп­тимальном сопряжении ГАС с реальными гидроакустическими условиями. Дальность действия большинства активных гидро­акустических систем ограничивается диапазоном 10 -100 км.

Скорость обзора окружающего пространства определяется временем, в течение которого осуществляется анализ всех эле­ментов разрешения, их число в ГЛС может достигать несколь­ких тысяч. В ГЛС шагового обзора осмотр окружающего прост­ранства осуществляется путем последовательного облучения — приема узкого сектора, равного ширине ХН на уровне 0,7 по давлению. Время осмотра каждого направления при импульс­ном излучении и дальности действия r_max равно r_max /с, а время осмотра заданного сектора соответственно определя­ется выражением , существенно большим при значительных дальностях действия ГЛС и малых углах пово­рота ХН. Так, например, при ширине ХН =10° ГЛС с дальностью действия 10 км осматривает весь сектор в 360° за время, равное 8 мин. Если учесть, что реальные скорости взаимного перемещения НК и ПЛ составляют несколько десят­ков узлов, то между двумя последовательными облучениями одной и той же цели могут происходить взаимные перемещения, равные дальности действия ГЛС, т. е. вообще возможен пропуск цели. Рис. 1.1. Схема ГЛС шагового обзора с плоской наклонно-поворотной антенной

1-антенна; 2 - усилитель мощности; 3 - приемный тракт; 4 - блок управления ХН; 5 - устройство управления работой тракта излучения, приема и индикаторными устрой­ствами; 6,7,8 -индикаторы глубины, дистан­ции, слуховой соответственно.

Эти ограничения, однако, вполне приемлемы для ГЛС прицельного пеленгования, т. е. работающих в узком секторе, поскольку они обеспечивают сопровождение обнаруженной цели для выработки целеуказания оружию и получения классификацион­ной информации. Достоинствами таких ГЛС, структура которых схематично показана на рис. 1.1, являются одноканальность (простота) устройства, рациональное использование энергии, небольшие масса, габариты, стоимость.

Существенное увеличение скорости обзора достигается в ГАС КО (кругового обзора), где весь заданный сектор облу­чается одновременно либо быстро сканирующей ХН, а прием осуществляется вращающейся с большой скоростью ХН, либо веером статически сформированных ХН, перекрывающим весь заданный сектор. В современных ГЛС, где надо обеспечить бы­стрый обзор окружающего пространства при одновременном сопровождении нескольких целей, используются тракты КО и несколько трактов прицельного пеленгования для сопровожде­ния целей.

Такая схема ГЛС представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема ГЛС кругового обзора с цилиндрической антенной.

1 - антенна; 2,3,4 - устройство фор­мирования ХН; 5 - усилитель мощно­сти; 6 - приемное устройство тракта кругового обзора; 7 - приемное устрой­ство тракта сопровождения; 8 - уст­ройство управления; 9,10,11 -индика­торы дистанции, глубины и слуховой.

При всенаправленном излучении основным недостатком яв­ляется низкий коэффициент использования излучаемой энергии, поскольку коэффициенты концентрации при излучении невелики, а мощность, подводимая к антенне, ограничивается кавитационной прочностью морской воды, особенно малой для антенн, на­ходящихся вблизи поверхности, например подкильных антенн ГЛС НК.

При направленном последовательном облучении окружаю­щего пространства, т. е. облучении медленно сканирующей ХН, энергетический потенциал ГЛС существенно повышается, од­нако оказываются взаимосвязанными скорость сканирования и длительность эквивалентного отраженного импульса от цели:

(1.4)

где п - скорость сканирования ХН, об/мин;

Облучение заданного сектора требует в таких ГЛС вре­мени t_изл = , которое определяет мертвую зону, т. е. не просматриваемую зону. Время излучения при узкой ХН и не­обходимость иметь достаточно длительный эхо-сигнал может достигать десятка секунд, что соответствует мертвым зонам до 5-8 км и более. Устранение этого недостатка может осущест­вляться чередованием циклов направленного и ненаправленного излучения.

При приеме быстровращающейся ХН скорость ее вращения должна быть такой, чтобы один оборот ХН осуществлялся за время, не менее длительности излученного сигнала. При этом вращающаяся ХН с каждого направления воспринимает эхо-сигнал в течение малого времени, соответствующего нахожде­нию цели в растворе ХН. Это время существенно меньше дли­тельности излучаемого импульса, что приводит к большим энер­гетическим потерям, так как в данном случае

, (1.5)

где t_изл - длительность излученного импульса.

Укорочение принимаемого импульса требует соответствен­ного расширения полосы пропускания приемного тракта, что ве­дет к дальнейшему ухудшению отношения сигнал/помеха. Хотя этот метод имеет преимущество с точки зрения простоты кон­струкции, в современных ГЛС не является перспективным. При осмотре пространства веером статически сформирован­ных ХН обеспечиваются лучшие энергетические соотношения, если ширина каждой ХН достаточно мала. В таких ГЛС число приемно-усилительных каналов равно числу формируемых ХН и в каждом канале происходит накопление энергии отраженных сигналов. Время существования сигнала в каждом приемном канале равно длительности эхо-сигнала, формируемого отра­жающим объектом, поэтому оно существенно больше, чем при приеме быстровращающейся ХН. Обзор окружающего простран­ства осуществляется путем поочередного опроса всех простран­ственных каналов. Несмотря на существенный недостаток - необходимость многоканальности приемно-усилительного тракта, особенно если используются достаточно узкие ХН, дан­ный метод приема наиболее широко используется в современ­ных ГЛС. Это обусловлено, с одной стороны, широким разви­тием методов микроминиатюризации, а с другой - большими преимуществами в обнаружении целей по сравнению с ГЛС, использующими быстровращающуюся ХН.

При ограниченных секторах обзора, например при поиске рыбы в носовых секторах, поиске мин и т. д., могут использо­ваться способы обзора, сочетающие преимущества различных методов облучения и приема. В таких ГЛС узкий сектор обзора может облучаться одновременно, а прием осущест­вляться либо веером статически сформированных ХН, либо сканирующей ХН.

Сектор обзора в горизонтальной плоскости определяется наиболее вероятными курсовыми углами появления цели и воз­можностями, обеспечиваемыми местом установки антенны. Для ГЛС, устанавливаемых в носовой оконечности НК или ПЛ, как правило, затеняется кормовой сектор порядка 60 - 80°, который просматривается дополнительной антенной, располагаемой в кормовой части носителя. В вертикальной плоскости сектор обзора должен обеспечивать прием с наиболее вероятных на­правлений прихода эхо-сигнала. Для ГЛС НК, предназначен­ных для поиска и обнаружения подводных лодок, диапазон вер­тикальных углов, в который укладываются направления прихода сигналов в реальных гидроакустических условиях, не очень ве­лик - он составляет ±15-20° от горизонтального направления. Такие небольшие углы сканирования по вертикали легко осуще­ствимы с помощью плоских неподвижных антенн. Это обусло­вило широкое распространение на НК ГЛС с цилиндрическими антеннами, которые позволяют реализовать малые углы скани­рования в вертикальной плоскости и любые углы в горизонталь­ной. На ПЛ, где сектор вертикальных углов прихода сигналов весьма велик, предпочтение необходимо отдавать сферическим антеннам.

Для НК часто бывает необходимым обеспечить наблюдение за объектами, лежащими на дне, или использовать донные отражения для засветки зоны тени. Это требует обеспечения сектора сканирования в вертикальной плоскости от нескольких градусов вверх до нескольких десятков градусов вниз, что сни­жает мертвую зону, определяемую геометрическими соотноше­ниями, смысл которых ясен из рис. 1.3. Сканирование в таких ГЛС осуществляется поворотом антенны в вертикальной плоскости, что характерно для ГЛС прицельного пеленгования, ми­ноискателей, рыболокаторов и т. д.

Рис. 1.3. Мертвая зона ГЛС.

МЗ₀, МЗ₁ М3₂ - мертвая зона, определяемая длительностью излу­чения и геометрическими соображе­ниями соответственно.

Разрешающие способности соответствуют тем координатам, которые измеряются ГЛС данного типа. По угловым координа­там разрешающие способности определяются шириной соответ­ствующей ХН, которая ограничена волновыми размерами антенны. При тех сравнительно низких рабочих частотах совре­менных ГЛС и размерах антенн, ограниченных габаритами но­сителя, разрешающая способность может составлять единицы градусов. По дистанции разрешающие способности определя­ются длительностью и видом модуляции излучаемых сигналов, а также методом обработки информации в приемных трактах ГЛС. По скорости разрешение соответствует минимальному доплеровскому смещению частоты эхо-сигнала, фиксируемому при приеме набором узкополосных фильтров.

Точность измерения координат целей определяется возмож­ностями оценки пеленга, дистанции, скорости и т. д., т. е. нали­чием ошибок измерения, обусловленных диапазоном чувстви­тельности устройства по измеряемым координатам, а также случайными ошибками измерений.

Тактические параметры обусловлены такими техническими параметрами, как рабочая частота, характеристики излучаемых сигналов, характеристики тракта обработки. Для получения вы­сокого углового разрешения и обеспечения возможности исполь­зования широкополосных сигналов в ГЛС применяются сравни­тельно высокие рабочие частоты, причем верхний предел этих частот ограничивается большими величинами затухания акусти­ческого сигнала. Диапазон рабочих частот современных ГЛС лежит в пределах примерно 2-40 кГц, причем, например, в ВМС США наиболее распространенными являются частоты 3, 5; 12 и 25 кГц, в расчете на которые выпускается большое ко­личество оборудования. Хотя на более высоких частотах зату­хание очень велико, они находят применение в любительской гидролокационной аппаратуре (до 200 кГц), а также в аппара­туре поиска малоразмерных целей, где основное преимуще­ство - высокая разрешающая способность по дальности и углу оказывается более ценным, чем большие дальности действия.

В простейшем случае сигнал представляет собой ограничен­ное во времени гармоническое колебание. Длительность сигнала может составлять от долей миллисекунды до 1-2 с, а центральная частота от нескольких сотен герц до десятков кило­герц в зависимости от назначения системы. Сигналы в виде стробированных гармонических импульсов, полярность которых модулируется в соответствии с алгоритмом синтеза сигналов, имеют при достаточной длительности широ­кую полосу частот. Часто для модуляции используется псевдо­случайная или псевдослучайная шумовая последовательность.

Такие сигналы обладают функциями неопределенности, доста­точно узкими по частотной и временной осям. Сигналы, модули­рованные по частоте, обеспечивают разрешение по дальности при длинных посылках (линейно-частотно-модулированный сигнал), если используются соответствующие виды обработки, например дисперсионная фильтрация. Сигналы с гиперболиче­ской частотной модуляцией являются инвариантными к эффекту Доплера. Могут также использоваться и другие виды модуля­ции, например по закону гиперболического косинуса, со ступен­чатым изменением частоты при помощи программируемого синтезатора частоты и т. д. Во всех случаях наиболее важные параметры сигналов - ширина полосы и скорость изменения частоты, хотя для сигналов с простым гармоническим заполне­нием некоторое значение имеет также форма огибающей излу­чаемого импульса.

Приемно-усилительный тракт характеризуют основным па­раметром - коэффициентом помехоустойчивости, который рас­смотрен далее. Он зависит от многих параметров приемно-усилительного тракта, в первую очередь полосы пропускания, времени интегрирования, способа обработки информации. Из наиболее широко распространенных типов ГЛС, устанав­ливаемых на НК, можно указать на гидролокаторы с цилин­дрическими акустическими антеннами, имеющими тракты кру­гового обзора и сопровождения. В таких ГЛС, как правило, используется направленное последовательное облучение в задан­ном секторе и прием веером статически сформированных ХН. Принципы построения таких гидролокаторов достаточно под­робно изложены в [21]. В рыболокации находят применение ГЛС с внутриимпульсным сканированием, в которых заданный сектор облучается од­новременно, а прием осуществляется быстросканирующей ХН, имеющей ширину порядка 1°.

Помимо ГЛС с импульсным излучением широкое распрост­ранение имеют гидролокаторы с непрерывным излучением и ча­стотной модуляцией сигнала. Основным достоинством таких ГЛС является уменьшенное влияние реверберационной помехи, обеспечение непрерывности поступления информации, возмож­ности реализовать несколько большее время накопления, чем при импульсном излучении. Необходимость использования ши­рокополосных антенн, а также возникающие большие потери при распространении, вызванные поглощением на высоких ча­стотах, существенно ограничивают применение ГЛС подобного типа. Наибольшее распространение они получили в любитель­ской гидролокации, а также в аппаратуре подводных пловцов, водолазов.

В океанологии широкое распространение получили гидроло­каторы бокового обзора, имеющие очень высокое разрешение в плоскости, перпендикулярной направлению движения корабля, и широкую ХН в плоскости, параллельной курсу ко­рабля, а также специальные эхолоты для донного профилиро­вания, позволяющие получать раздельные отражения от различ­ных по плотности слоев дна за счет различных частот излучае­мого сигнала.

ГЛС для поиска малоразмерных целей имеют ряд особенностей. Малоразмерными объектами, представляющими интерес для подводной акустики, являются движущиеся и неподвижные предметы в водной среде, а также расположенные на дне, гео­метрические размеры которых не превышают нескольких метров. Естественно, что сила цели этих объектов существенно меньше, чем, например, кораблей и судов даже при использовании высо­ких частот, что значительно сокращает дальность их обнару­жения. Принципиальное различие между обычными ГЛС и, например, ГЛС для поиска донных мин состоит в том, что в первом случае решается задача, где находится некоторый объект, а во втором - что собой представляет обнаруженный объект, т. е. выявить его на фоне донных отражений. Вторая задача ближе стоит к распознаванию объектов.

Для повышения эффективности систем поиска и обнаруже­ния малоразмерных объектов могут использоваться различные методы, направленные на повышение разрешающей способности по угловым координатам, дальности и доплеровской частоте. Отражение информации, получаемой с помощью высокоразре­шающих систем, осуществляется, как правило, по всем элемен­там разрешения, например, в двумерном изображении, что поз­воляет говорить о визуализации объекта наблюдения, хотя изо­бражения, получаемые акустическими методами, значительно уступают по качеству привычным оптическим. Основная при­чина указанного различия заключается в применении более длинноволновых сигналов в акустических системах по сравне­нию с оптическими. Именно поэтому используемые в ГАС апер­туры приемных антенн имеют значительно меньшие волновые размеры, чем в оптических системах. Повышение же разрешаю­щей способности, необходимой для визуализации объекта, мо­жет достигаться применением специальных методов обработки информации. Для построения изображений могут использоваться фокуси­рующие диаграммоформирующие и голографические системы. Эти системы основаны на воспроизведении акустического поля, формируемого отражающим объектом с учетом его изменений в процессе распространения. Основную трудность представляет синтез алгоритма обработки сигналов, производящего обратное преобразование, компенсирующее изменение поля в процессе распространения. В дальней зоне и зоне Френеля сущность об­работки сводится к преобразованию Фурье данных, снимаемых с антенной решетки, умножению полученной функции на функ­цию, обратную характеристике канала распространения, вы­полнению обратного преобразования Фурье, что в результате дает изображение цели.

При выполнении этих операций над принимаемым сигналом предельное поперечное разрешение в изображении определяется относительными размерами апертуры, выраженными в длинах волн, т. е. минимальное расстояние между изображениями двух точечных объектов, при котором они наблюдаются раздельно, равно , где R расстояние до объекта, D - диаметр апер­туры. Однако даже такое разрешение в ряде случаев прихо­дится ухудшать, поскольку подавление дополнительных макси­мумов (чрезвычайно важное в таких системах) введением, например, амплитудного распределения, ведет к расширению основного лепестка ХН. В ряде случаев, напротив, можно допу­стить высокий уровень дополнительных максимумов (если они не сканируют по цели параллельно с основным максимумом), выигрывая в направленности основного лепестка и добиваясь «сверхразрешения», т. е. разрешения лучшего, чем позволяют физически реализуемые системы без специальной обработки.

В ГЛС используется не только разрешение по угловой ко­ординате, но и по дистанции. Более сложные системы могут иметь разрешение и по большему числу параметров, включая разрешение по доплеровской частоте. Визуализация объекта в многомерном пространстве, конечно, возможна лишь с исполь­зованием машинных методов. Двумерные и даже трехмерные изображения весьма эффективны при анализе их человеком-оператором.

Визуализация объектов возможна в обычных гидролока­ционных системах, если, например, облучение дна моря происхо­дит под малыми углами наклона острой ХН, как показано на рис. 1.4. Если поверхность облучаемого участка имеет одинако­вый коэффициент отражения, то отраженные сигналы создают на экране примерно равномерный фон. Если на дне находится предмет, выступающий над его поверхностью, то отражение от него поступает на вход приемника несколько раньше, чем от дна. На экране индикатора образуется яркостная отметка, кото­рая еще более подчеркивается темным ореолом, возникающим в результате отсутствия отражений от участка дна в области акустической тени. В гидролокаторах с секторным сканирова­нием, обычно имеющих индикатор кругового обзора, формиру­ется таким образом яркостное изображение объекта, а теневые участки помогают установить форму объекта. Изображение мо­жет формироваться как однолучевой сканирующей ХН, так и многолучевой ХН. В гидролокаторах бокового обзора в каждый момент времени на экране индикатора в прямоугольной системе координат.

Рис. 1.4. Схема гидролокационной системы обнаружения малых объектов

1 - участок распространения в воде; 2 - отражение от дна; 3 - отражение от объекта;

4 - зона «тени».

В гидролокаторах бокового обзора в каждый момент времени на экране индикатора в прямоугольной системе координат образуется одна строка развёртки по дальности, а ХН перпендикулярна к курсу судна-носителя.

1.4. Технические характеристики современных ГАС НК

Группа технических характеристик (параметров) включает параметры, обеспечивающие достижение соответствующих тактических характеристик. К ним, в первую очередь, относятся рабочая частота, акустическая мощность или давление, развиваемое на оси излучателя, длительность и форма излучаемого сигнала, полоса пропускания, коэффициент распознавания (пороговый коэффициент), чувствительность и направленные свойства акустической антенны и другие. Вполне естественно, что возможность выполнения поставленных задач определяется также и обстоятельствами чисто внешними, к кото­рым следует отнести условия распространения акустической энергии и акустические свойства целей.

Оптимальная рабочая частота. Значение дальности действия гидроакустических приборов определяется величинами, зависящими от частоты. Так, например, от частоты зависят: уровень помех; полоса пропускания частот приемного тракта, обусловленная эффектом Доплера; коэффициент концентрации, влияющий как на уровень помех, так и па уровень сигнала; коэффициент затухания звука и т. д. Повышение частоты, с одной стороны, способствует увеличению даль­ности действия благодаря, например, снижению уровня помех; с другой стороны, приводит к увеличению затухания звука и тем самым влияет в сторону уменьшения дальности действия. Следова­тельно, существует частота оптимальная, при которой может быть достигнута заданная дальность действия гидро­акустического прибора наименьшей ценой, т. е. наименьшей излучаемой мощностью в случае связи и эхолокации или наи­меньшей мощностью источника шумового сигнала в случае шумопеленгования.

Определение оптимальной частоты для различных типовых случаев основано на анализе частотно-зависимых параметров уравнения гидролокации. Поскольку дальность эхолокатора определяется уравнением:

или (1.6)

где J_э - интенсивность эхосигнала; J_п – интенсивность помех; или p_э - давление эхосигнала; p_п - давление помех; коэффициент распознавания.

Для сферического объекта (или для сферического эквивалента)

(1.7)

где А — фактор аномалии, в ряде случаев зависящий от частоты; в данном анализе можно считать, что А от частоты не зависит.

В большинстве практических приложений для частотной зависимости затухания с частотой в диапазоне 60 Гц - 60кГц используют выражение:

(1.8)

Для шумовой помехи при спаде спектральной плотности мощности 6 дБ/октава можно использовать выражение:

(1.9)

Коэффициент распознавания в случае гидролокации, как будет показано далее, определяется как:

, (1.10)

где - полосу пропускания приемного тракта; T_с – длительность сигнала; -пороговоеотношение сигнал/помеха на индикаторе.

В свою очередь, полосу пропускания приемного тракта, обусловленную эффектом Доплера, можно представить в виде:

, (1.11)

где V_max - максимальнаяскорость цели, с - скорость звука в морской воде.

Таким образом, в случае гидролокации зависящими от частоты величинами являются (если считать, что сила цели от частоты не зависит, в случае необходимости учесть эту зависи­мость нетрудно). Если при проектировании гидролокатора задается постоянная площадь (размеры) приемной и передающей систем то, например, для плоской прямоугольной антенны коэффициент концентрации описывается формулой:

(1.12)

Если площадь излучающей и приёмной антенны остаётся постоянной, то это означает, что с изменением частоты не удерживается постоянной величина , определяющая раствор ХН (где L – размер приёмно-излучающей системы). После подстановки в исходную формулу всех перечисленных частотно-зависимых параметров, можно привести её к виду Y(f) = B и в соответствии с поставленной задачей отыскания оптимальной частоты исследовать функцию Y(f) на максимум и минимум, выполнив операцию:

(1.13)

Для рассматриваемого примера значение оптимальной частоты определяется выражением:

(1.14)

Таким образом найдена частота, при которой функция Y (f) имеет максимум. Легко убедиться, что максимуму функции Y (f) соответствует минимум излучаемой мощности при прочих заданных величинах, т. е., например, при r = const, S = const, R_э = const. Этот результат можно интерпретировать и так, что оп­тимальная частота соответствует достижению максимума дальности действия r при прочих заданных величинах, входящих в приведённые формулы.

Сказанное иллюстрируется на рис. 1.5 графиками, рассчитанными по приведённым формулам. Из них видно, что чем больше заданная дальность действия, тем ниже оптимальная частота. Графики показывают, что при отклонении от оптимальной частоты для достижения заданной дальности требуется большая мощность, чем мощность, затрачиваемая для достижения той же дальности при оптимальной частоте.

Например, для достижения дальности действия гидролокатора 2 км на оптимальной частоте f_oпт = 25 кГц потребовалась бы в неко­торых условиях акустическая мощность 60 Вт, а если рабочая ча­стота будет ниже оптимальной, например на 15 кГц, то для обеспе­чения той же дальности надо увеличить мощность приблизительно в три раза. Проведенный анализ оптимальной частоты дает представление о подходе к обоснованию рабочей частоты. В каждом конкрет­ном случае вместо формулы (1.14) может быть получена формула с другими коэффициентами.

Рис. 1.5. Иллюстрация оптимальной частоты для случая гидролокации

Акустическая мощность или давление, развиваемое на оси излучателя ограничивается ря­дом факторов. Во-первых, для питания гидроакустических станций на судне может быть выделена только определенная мощность; во-вторых, не всякая большая мощность может быть излучена электро­акустическим преобразователем, так как это ограничивает кавита­ция, возникающая на поверхности излучателя и вблизи от него. Когда излучается такая мощность, при которой амплитуда полуволны разрежения равна или превышает силы сцеп­ления молекул воды, то происходит разрыв жидкости и образую­щиеся при этом вблизи излучателя пузырьки газа поглощают мощ­ность. Дальнейшее увеличение мощности излучателя не ведет к по­вышению интенсивности акустического поля. Акустическая энергия превращается в тепло, поглощаясь и рассеиваясь пузырьками.

Если излучатель помещен вблизи поверхности моря, то амп­литуду акустического давления, при которой произойдет разрыв жидкости, приблизительно можно считать равной одной атмосфере,

т. е.

Р_m = 1 кГ/см² = 10⁶ дин/см². (1.15)

Для интенсивности будем иметь:

. (1.16)

Приведенный расчет дает лишь ориентировочное значение ве­личины удельной мощности, при которой возникает кавитация, поскольку в нем не учитывались силы молекулярного сцепления жидкости. Очевидно, что чем больше глубина погружения из­лучателя, тем больше мощность, излучаемая с 1 см² (удельная мощ­ность). Будем называть предельную мощность, снимаемую с 1 см² рабочей поверхности излучателя, при превышении которой насту­пает сильно развитая кавитация и когда дальнейшее увеличение мощности, подводимой к излучателю, не ведет к повышению интен­сивности акустического поля, предельной удельной мощностью q. Исследованиями показано, что уменьшение длительности излу­чения (длительности посылки) повышает предельную удельную мощность. С повышением частоты растет удельная мощность, при которой возникает кавитация, а также растет и предельная удельная мощ­ность.

Таким образом, общую акустическую мощность Р_a можно опре­делить как

Р_a = qS, (1.17)

где q - предельная удельная мощность, лимитируемая кавитацией; S- площадь рабочей (активной) поверхности излучателя.

Одной из основных характеристик излучателя является давление, создаваемое излучателем на его акустической оси и приведенное к расстоянию 1 метр от его эффективного центра. Это давление называется приведенным акустическим давлением и рассчитывается по формуле:

, Па (1.18)

В реальных ГАС НК давление на оси излучателя может достигать сотен тысяч паскалей.

Длительность, ширина спектра и форма излучаемого сигнала определяются тактическими требованиями разрешения целей по дальности и скорости. Различают простые и сложные сигналы. Критерием сложности сигнала служит его база - произведение ширины спектра сигнала на длительность В_с = . Для простого (тонального) сигнала база близка к единице, при этом соотношение между шириной спектра сигнала и его длительностью имеет вид . Сложность сигнала может быть увеличена за счет внутриимпульсной модуляции. Наиболее часто используются сигналы с линейной частотной модуляцией или сигналы с гиперболической модуляцией. При согласованной обработке сложных сигналов возникает эффект их сжатия, в результате которого длительность сигнала на выходе согласованного фильтра уменьшается пропорционально базе сигнала; во столько же раз по сравнению с тональным сигналом той же длительности повышается и разрешающая способность по дальности. Другим достоинством сложных сигналов является их более высокая помехоустойчивость по отношению к реверберационной помехе при обнаружении малоподвижных объектов. В свою очередь, тональные сигналы при прочих равных условиях обеспечивают наиболее высокое разрешение по скорости. Кроме того, в условиях сильной реверберации они, как правило, обладают более высокой помехоустойчивостью при обнаружении высокоскоростных целей.

Полоса пропускания приёмного тракта должна обеспечить прием основной части спектра сигнала с учётом эффекта Доплера и влияния нестабильности частоты передающего устройства. Ширина полосы пропусканияприёмного тракта рассчитывается по формуле:

, (1.19)

где - доплеровское уширение спектра сигнала; - уширение полосы пропускания тракта за счет нестабильности частоты генератора.

Чувствительность и направленные свойства акустической антенны определяют основные тактические характеристики ГАС, обеспечивая пространственную избирательность и приём полезных сигналов на фоне помех. Направленные свойства антенн являются основным крите­рием их применения для определения угловых координат под­водных объектов. Эти свойства проявляются, как известно, в дальнем поле, т. е. на расстоянии r>2D/ , где D - макси­мальный размер коррелированной области излучающей (прини­мающей) поверхности; - рабочая длина волны. К числу наиболее важных параметров акустических антенн относятся чувствительность, электроакустический коэффициент полезного действия, частотная характеристика, полоса пропу­скания, параметры ХН, коэффициент концентрации.

Чувствительность преобразователя определяется как вели­чина напряжения, возникающего на его выходе при воздействии плоской волны с единичным звуковым давлением, и обычно выражается в мкВ/Па. Часто чувствительность выражают в децибелах относительно эталонного значения, равного 1 В при воздействии акустического давления в 1 мкПа и записывают в децибелах относительно 1 В/мкПа. Например, если чувстви­тельность равна 60 дБ относительно 1 В, то это означает, что на разомкнутом выходе преобразователя возникает напряжение с эффективным значением 10^-3 В при помещении этого преобра­зователя в поле плоской звуковой волны с эффективным зна­чением давления 1 мкПа. Если единичным давлением является другая величина, например 0,1 Па, то должно быть указано, относительно какого уровня выражается чувствительность в децибелах.

Чувствительность антенны выше, чем отдельного преобразо­вателя, поскольку соединение элементов обеспечивает более высокое напряжение (при последовательном соединении) или более сильный ток (при параллельном соединении). Поскольку тракты обработки акустических сигналов выделяют сигнал на фоне помехи при их определенном соотношении, существуют предельные значения чувствительности, увеличение которой практически не ведет к увеличению отношения сигнал/помеха. Так, если суммарное напряжение на выходе ГАС под воздей­ствием акустической u_п.а и электрической u_п.э помех составляет:

(1.20)

то достаточно чувствительности антенны, обеспечивающей на­пряжение акустических помех примерно в три раза выше элек­трических. Тогда при расчете отношения сигнал/помеха можно пренебрегать электрическими помехами, а принимать в расчет лишь акустические. Наибольшие акустические помехи имеют место в обтекате­лях ГАС надводных кораблей на больших скоростях хода, наи­меньшие - на входе антенн стационарных ГАС, установленных на больших глубинах в районах моря со стабильными парамет­рами.

В режиме излучения эффективность антенн оценивается величиной акустического давления, развиваемого антенной на расстоянии 1 м на оси ХН, при подаче единичного значения тока в антенну. Эта величина также может выражаться в деци­белах относительно единицы давления, например, 1 мкПа на расстоянии 1 м при токе в антенне, равном 1 А, и записывается как «дБ относительно 1 мкПа/А». В практике инженерных рас­четов широкое распространение получила такая техническая характеристика излучающей антенны, как величина давления, развиваемая реальной антенной на расстоянии 1 м, о которой сказано выше. Акустические антенны характеризуются электроакустиче­ским коэффициентом полезного действия, который показывает, какая доля электрической мощности, подводимой к антенне, преобразуется в акустическую, т. е. . Величина для антенны в целом может быть на 30—40 % ниже, чем для отдельного преобразователя. Это объясняется поте­рями в экранах, взаимным влиянием преобразователей в ан­тенне и т. д.

Частотная характеристика антенны должна обеспечить не­искаженный прием сигналов, анализ которых осуществляется данным типом ГАС. Поскольку активные гидролокационные системы работают в диапазоне примерно 2-40 кГц (отдельные образцы гидролокаторов для обнаружения малоразмерных це­лей могут иметь рабочие частоты в сотни килогерц), антенны должны обеспечить излучение и прием отраженного сигнала в полосе его частот на соответствующей несущей частоте. С этой точки зрения требуемая полоса частот обратно пропорциональна длительности сигнала при монохроматическом заполнении или обратно пропорциональна величине временного интервала кор­реляции заполнения. Кроме того, доплеровское смещение час­тоты отраженного сигнала даже при компенсации эффекта Доплера за счет корабля-носителя ГАС составляет значитель­ную величину. При указанных выше частотах ГЛС величина доплеровского смещения при обнаружении быстро перемещающихся объектов может достигать единиц килогерц. С другой стороны, излучающие антенны для обеспечения достаточно высокого коэффици­ента полезного действия имеют резонансные частотные харак­теристики, где полоса пропускания на уровне - 3 дБ прибли­женно соответствует отношению резонансной частоты к доброт­ности механической системы:

(1.21)

Используемые на практике антенны имеют величину доб­ротности примерно 5-10, т. е. равномерную частотную харак­теристику в необходимой полосе реализовать весьма сложно, так же, как и обеспечить неискаженное излучение широкополос­ных сигналов. Это основная причина применения в гидролока­ции раздельных для излучения и приема антенн, поскольку в приемном режиме пьезокерамические преобразователи, напри­мер, имеют равномерную частотную характеристику практи­чески от долей герц до десятков килогерц. Резонанс антенны, как правило, лежит вне полосы принимаемых частот. Особенно ценными являются такие свойства пьезокерамических преобра­зователей для шумопеленгаторных ГАС, в которых прини­маются широкополосная компонента шума кораблей в диапа­зоне 100 - 10000 Гц, обладающая сплошным спектром, и дис­кретные узкополосные составляющие на более низких частотах для извлечения информации о местоположении и типе обнару­женного объекта.

Обычно ДН строится в полярной или прямоугольной системах ко­ординат, как показано на рис. 1.6, откуда можно определить основные параметры, характеризующие направленность АА: остроту направлен­ного действия, остроту максимума, число, направления и величину дополнительных максимумов, число и направления добавочных макси­мумов. Важными параметрами, определяе­мыми ДН, являются также коэффициент концентрации, коэффициент усиления АА, коэффициент помехоустойчивости, эффек­тивная площадь апертуры АА, коэффици­ент использования площади апертуры.

Острота направленного действия (ОНД) определяется углом, охватыва­ющим основной максимум ДН. При этом чем меньше , тем выше ОНД. Этот угол определяется либо из графического пред­ставления ДН между направлениями ми­нимальных значений основного лепестка ДН, либо из ее аналитического описания для конкретной АА.

С ОНД непосредственно связана разрешающая способность АА по направлению, под которой понимают угол , в его пределах осуществ­ляется разрешение целей по угловой координате, т. е. их раздельное ото­бражение соответствующим индикатором. Этот угол определяют в боль­шинстве практических случаев между направлением максимума ДН и на­правлением на объект пеленгования, при котором Rp() =0,707 или R_I () =0,5.

Рис. 1.6. Пространственная ДН антенны и ее сечение в системах координат:

а - полярной; б - прямоугольной

1 - основной максимум ХН; 2 - дополнительные максимумы; - угол, характеризующий остроту направленного действия; - угол, характеризую­щий остроту максимума; - угол, характеризующий ширину первого допол­нительного максимума; А — значение ХН по направлению .

Острота максимума (ОМ) определяется углом основного лепест­ка ДН, в пределах которого пеленгующая система нечувствительна к из­менению фиксируемой физической величины. Этот параметр определяет точность пеленгования в соответствующей плоскости. Значение зави­сит от формы ДН в области основного максимума, метода пеленгования и типа индикации. Углу соответствует некоторое относительное изме­нение интенсивности v_I= или давления Vp= . Соотно­шения между величинами v_I и V_p можно найти, пользуясь нормирован­ными значениями ДН по интенсивности и давлению в направлении .

Коэффициент концентрации (КК) характеризует абсолютное значе­ние интенсивности (мощности) в дополнение к используемой на практи­ке нормированной ДН, определяющей только относительное изменение интенсивности (мощности) в зависимости от направления излучения (приема). КК в режиме излучения и приема для одной и той же АА рав­ны между собой. Если рассматривается КК в направлении главного ле­пестка ДН, то говорят об осевом коэффициенте концентрации, под которым понимают отношение интенсивности поля, создаваемого на­правленной АА в направлении главного лепестка ДН на некотором расстоянии, к значению интенсивности поля, создаваемого ненаправлен­ной (изотропной) антенной на том же расстоянии в предположении, что излучаемые акустические мощности обеих АА одинаковы:

(1.22)

КК по направлению любого другого лепестка ДН связан с осевым КК соотношением:

(1.23)

В приемном режиме для условий изотропности акустического поля КК определяется отношением мощности сигнала на выходе ненаправлен­ной АА к мощности сигнала на выходе направленной АА в направлении максимума главного лепестка ДН. Если на вход приемной АА действует изотропная помеха дальнего поля, то электрическая мощность помехи на выходе направленной АА ослабляется в раз по сравнению с ненаправленной.

Дополнительные максимумы определяют уровень бокового излуче­ния и уровень помехи при приеме. Их величина, направления и число за­висят от размеров и формы АА.

Добавочные максимумы - это дополнительные максимумы, по ам­плитуде равные основному. Наличие добавочных максимумов приводит к неоднозначности пеленгования и характерно лишь для дискретных АА. Их число и направления определяются размерами АА и расстояниями между ее элементами.

Коэффициент усиления АА характеризует отношение акустической мощности P 'а, излучаемой АА в единичном телесном угле в заданном на­правлении к электрической мощности Р_э, подводимой к АА, приходя­щейся на единицу телесного угла. Он связан с КК величиной электро­акустического КПД, т. е. учитывает потери в АА:

(1.24)

Аналогичным образом определяется коэффициент усиления АА в режи­ме приема. Коэффициент усиления, как и КК, зависит от направления компенсации.

Коэффициент помехоустойчивости для приемной АА определяет выигрыш в отношении сигнал/помеха по интенсивности или по мощно­сти на выходе направленной АА относительно отношения сигнал/помеха по интенсивности или по мощности на ее входе для заданной полосы частот:

Q_АА=(s/N)вых/(s/N)вх (1.25)

Коэффициент помехоустойчивости, в отличие от КК, зависит не только от свойств АА, но и от свойств поля помех. Только в частном случае, для изотропных помех дальнего поля, имеет место соотношение .

Коэффициент использования площади апертуры характеризует эф­фективность АА с переменным распределением поля по ее апертуре АА и определяется как отношение эффективной площади апертуры к реаль­ной площади антенны:

Под апертурой АА понимают наибольшую плоскую поверхность, образованную проекцией поверхности АА, на плоскость, соприкасаю­щуюся с данной антенной. Для плоских АА их поверхности являются и их апертурой. Для апертурных АА (зеркальных и рупорных) апертурой является площадь раскрыва, т. е. некоторая плоская поверхность, через которую проходит акустическая энергия и где задается распределение амплитуды и фазы поля, что позволяет найти ДН антенны. Для такой антенны справедливо соотношение: где - максимальный КК для АА с площадью, определяемой её геометрическими размерами.

Коэффициент распознавания представляет собой минимальное отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта (на выходе антенны), при котором обеспечивается заданная вероятность правильного обнаружения сигнала.

Порог обнаружения представляет собой минимальное отношение сигнал/помеха на выходе приемного тракта (на индикаторе), соответствующее заданной вероятности правильного обнаружения. Порог обнаружения связан с коэффициентом распознавания соотношением:

, (1.26)

где - коэффициент помехоустойчивости тракта обработки, показывающий, во сколько раз отношение сигнал/помеха на выходе тракта больше, чем на его входе.

В системах активной локации, при когерентной временной обработке сигналов, коэффициент помехоустойчивости тракта обработки приближенно рассчитывается по формуле , где полоса частот приёмного тракта по высокой частоте до детектора; Т – время усреднения сигнала, равное длительности импульса. При некогерентной временной обработке (как, например, системах пассивной локации) для расчета коэффициента помехоустойчивости тракта обработки можно использовать выражение .

Перечисленные технические характеристики определяют соответствующие массогабаритные и стоимостные характеристики современных ГАС НК, однако эта связь описывается эмпирическими зависимостями на основе анализа зависимого изменения этих характеристик в течение определённого периода времени.