Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Будет сделана попытка ~показать, каким образом все эти факторы учитываются в алгоритмах обработки сигналов гидролокационных систем. Ясно, что по мере расширения объема сведений обо всех этих факторах и увеличения быстродействия и универсальности устройств обработки сигналов. будут создаваться новые, все более совершенные алгоритмы.
6.2.1. Распространение звука в толще воды При разработке гидролокационных систем приходится учитывать средующие три основных явления, которые наблюдаются при распространении звука: расширение фронта, поглощение и волноводное распространение. Расширение фронта представляет собой чисто геометрическое ослабление звуковой волны, хотя за счет особенностей водной среды модель ослабления может быть. не такой, как для распространения в свободном пространстве. Поглощение акустической волны в воде может быть удивительно малым, особенно по сравнению со случаями распространения звука в атмосфере и электромагнитных волн в воде.
Тем не менее необходимо учитывать частотную зависимость поглощения, которая может играть важную роль. Кроме того, важно отметить, что, хотя в некоторых местах океан имеет очень большую глубину, в целом водный покров представляет собой довольно тонкий слой на поверхности Земли. Поэтому даже на сравнительно, небольших расстояниях от излучателя по горизонтали могут возникать явления, связанные с волноводным распространением акустических волн.
Для моделирования расширения фронта звуковой волны используется либо сферическая геометрия распространения в свободном пространстве, приводящая к ослаблению энергии сигнала по закону 1/г', либо горизонтально-слоистая геометрия с ослаблением, пропорциональным 1/г. На малых расстояниях от излучателя обычно более подходящей оказывается сферическая модель,. в остальных случаях лучше подходит цилиндрическая модель. Если на распространение звука существенное влияние оказывает дно (при распространении на мелководье), то, согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам, энергия гидроакустических волн будет уменьшаться по закону 1/г'1'. Основной вывод сводится к тому, что зависимость энергии волн от расстояния является алгебраической (не степенной); эту зависимость следует применять только в случае, когда расстояния малы и ослабление, обусловленное поглощением, еще несущественно. На больших расстояниях от источника акустических волн в воде, как правило, основную роль играют потери энергии за счет 372 Глава б Обработка сигналов в гидролокаиии '373 1~7 б 7г Ятлюта, л Лс р 6 2 Объемное поглощение с учетом процессов релаксации [1224 ° А — поглощение с учетом соединений бора:  — влияние Мд$04 иа поглощение;  — струк- турное поглощение; à — поглощение за счет сдвиговой вязкости.
5=35, Т=4'С, Р=ЗОО атм. поглощения, изменяющиеся с расстоянием по экспоненциальному закону. Для их иллюстрации на рис. 6.2 приведена частотная зависимость коэффициента поглощения звука в воде (~в дБ) на расстоянии 1 км. Видно, что на некоторых участках диапазона частот наблюдается квадратичная зависимость коэффициента поглощения а от частоты (пологие участки кривых на рис. 6.2 обусловлены явлениями релаксации,на частичках соли, растворенной в морской воде). Эта частотная зависимость а оказывает существенное влияние на некоторые характеристики устройств обработки сигналов гидролокационной системы. Чтобы получить высокое угловое разрешение и иметь возможность использовать широкополосные сигналы, в активных гидролокационных системах приходится переходить на высокие частоты. При приемлемых мощностях излучения максимально возможная частота сигнала определяется потерями за счет поглощения.
Как правило, активные гидролокационные системы работают ~~~ Ю 1 ~~~ Л7 ч 1Р Ъ. ью' ф IЮ 'ф /Ю Л7г 1~7',, 1Р4 ю з частотном диапазоне 2 — 40 кГц, причем наиболее распростраиненными являются частоты 3,5; 12 и 25 кГц, в расчете на которые -выпускается много оборудования. На более высоких частотах потери вследствие поглощения становятся слишком большими, например 10 дБ/км на частоте 50 кГц. (Правда, эхолоты измерения глубины для любителей-подводников работают на значительно более высоких частотах, например 200 кГц; поглощение в этом случае позволяет многим подводникам использовать один и тот же частотный диапазон, не создавая помех друг другу.) На более низких частотах потери на поглощение уменьшаются, но одновременно ухудшаются характеристики устройств обработки сигналов и более сложным становится процесс распространения.
Все эти факторы приводят к тому, что дальность действия большинства активных гпдролокационных систем ограничивается диапазоном 10 — 100 км. Пассивные гидролокационные системы работают в низкочастотном участке спектра только потому, что более высокочастотные составляющие сильно ослабляются за счет поглощения в толще воды. Низкочастотные сигналы могут распространяться на очень большие расстояния. Проведено много экспериментов, подтвердивших возможность распространения гидроакустических волн на большие расстояния [17]. Эта возможность обеспечивается двумя факторами: низким уровнем потерь на поглощение и слоистой структурой океана, за счет которой акустическая энергия распространяется по различным трассам и каналам.
Таким образом, именно низкий уровень поглощения в водной среде, с одной стороны, делает возможным создание пассивных гидролокаторов, а с другой — вызывает повышенный интерес,к низкочастотной части спектра акустических сигналов. Волноводное распространение акустической энергии является результатом того, что водные пространства и их внутренние слои имеют сравнительно небольшую толщину. Типичный батиметрический профиль океана без увеличения масштаба по вертикали приведен на рис. 6.3. Там же для удобства сопоста~вления показана зависимость длины волны от частоты сигнала в акустическом диапазоне. Глубина океана, начиная с относительно небольших значений порядка 100 м и меньше на континентальном шельфе, постепенно увеличивается и достигает обычно 4 — 5 км в бассейне океана. Видно, что на мелководье глубина сравнима с длиной волны низкочастотных колебаний.
На глубоководье она, как правило, намного больше длины волны, хотя слоистая структура океана, из-за которой скорость распространения звука оказывается зависящей от глубины погружения, вызывает рефракцию и деиствует как волно~вод. Вообще при изучении распространения акустических волн в водной среде в любом конкретном направлении длина волны является весьма важным фактором. Так, если размер акустического волновода в водной среде соизмерим с длиной 374 Глава б 375 Обработка сигналов в гидролокагЛии Воднач лаеерхносгль г З 4 б б 7 ~ )г (Волновое число~Глубина канала Осадочный слой (%00-2000м~с) волны, то в модели, используемой при обработке сигналов, в первом ~приближении нужно учесть только явления, сопровождающие передачу энергии сигнала через воду, такие, как дисперсия и существование различных типов собственных волн.
Проиллюстрируем несколькими примера~ми особенности распространения звука на мелководье и на большой глубине. Для 0 4 В 500 8 ювб00 ~4 д оНЛ7 700ки 8 ~ Глу т0,~ а ~- свм>4 т~ т0 т00пг Р(/Ю Рис. 6.3. Батиметрпческое сечение вдоль Сеогде Вана без увеличения масштаба по вертикали (из работы [18]). моделирования распространения на мелководье в работе Пекериса использовался волновод, в котором существенное влияние на собственные волны оказывает граница раздела вода †,морское дно. Эта модель изображена на рис.
6.4; обычно водный бассейн от- «1)) Ф Источник Водный слой [1ч'дб-)510м~с) Лриемнак Рис, 6.4. Модель акустического волновода для распространения звука на мелко- водье, ограниченного осадочным слоем 1прсд,готксна Г!еке1п.сотг). носится к мелководью, если его глубина в 10 раз меньше длины волны акустического колебания, но это деление не является строгим. Решение волнового уравнения Гельмгольца методом разделения переменных с граничными условиями на поверхности океана и морском дне выражается суммой собственных волн, перенося- щих акустическую энергию. На рис. 6.5 приведены графики зависимости волно~вого числа вдоль горизонтального направления от ,частоты и кривые дисперсии групповой скорости для нескольких собственных волн. Следовательно, при .излучении широкополосного импульсного сигнала, например при ударе или взрыве в воде, энергия будет распространяться следующим образом.
Излученная энергия селективно расфильтровывается на нормальные волны. Для каждого из типов волн первой принимается низкочастотная ,компонента (так называемая групповая волна), которая частично ,раопрострагняется в данном слое с максимальной скоростью; затем аринимаются высокочастотные компоненты (водная волна), рас- ~' Ж 77 б ~с Я Рис.
6.5. а лновые чарактеристики волновода Пскериса — графики зависимости нормированнои частоты от нормированного волнового числа для первы.. чстырек типов волн;  — зависимость групповой скорости от частогы для псрвык трек типов волн в волноводс Пексриса. 376 Обработка сигналов в гидролокации Глава б пространяющиеся ~в волноводе со скоростью, близкой к скорости звука в однородной воде; .последней принимается компонента на одной из средних частот, распространяющаяся с минимальной групповой скоростью. П~ри проведении любого эксперимента всегда приходится находить свертку возбуждающего колебания с импульсной характеристикой канала, чтобы рассчитать, как возбуждается каждый из типов волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
