Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Кроме того, необходимо учесть поглощение компонент более высокой частоты, при~водящее к относительному увеличению отклика на более низких частотах, особенно для рефракционных трасс распространения. Что касается обработки сигналов, то из п~риведенного примера должно быть ясно, что распространение звука на мелководье по многим многолучевы~м частотно-зависимым трассам является довольно сложнысм процессом. Если даже законны распространения известны, особенно за счет перехода в частотную область и использования спектрографического анализа, любая действующая гидролокационная система должна обеспечивать точное выявление эффектов распространения путем соответствующего выбора сигнала передатчика и обработки сигналов в приемнике.
Распространение акустических волн на глубоководье в значительной степени определяется распределением скорости распространения звука по глубине. Несколько типичных глубинных профилей скорости и трасс распространения для различных широт и времен года приведены на рис.
6.6. Много глубинных профилей скорости можно найти в соответствующих атласах ~19~. Зависимость скорости распространения акустической волны от температуры и давления воды является причиной того, что профили скорости имеют, как правило, два относительных минимума. Хотя разработано несколько очень сложных методов расчета трасс распростра~нения акустических волн, на основании простого анализа закона Снеллиуса можно заключить, что акустические волны за счет рефракции отклоняются в направлении этих минимумов, так что между каждым из двух слоев воды с минимальными акустическими скоростями и водной поверхностью образуются волноводы (или каналы) акустической энергии. Один из них является подводным звуковым ка~налом (ПЗК), иногда называемым каналом СОФАР (ЯОЕАК), а другой — прпповерхностным волноводным каналом. ПЗК постоянно возникает в мировых океанах, обычно на,глубине -1 км, хотя на высоких широтах не исключено его появление и у поверхности.
Э~нюргия акустических волн, попадающая в этот канал, может распространяться на очень большие расстояния, особенно на низких частотах, для которых потери, обусловленные поглощением, незначительны. Это явление имеет большое значение для пассивных гидролокационных систем, поэтому многочисленные исследования, а также многие системы обработки сигналов тесно связанны с рассмотренным ~видом распространения акустической волны ~17, 20 — 221.
с, м/с ' 1500 Г540 с,мыс ~500 ~540 г0 ип дна с,м1с !500 040 Рис. 6.6. Примеры глубинных профилей скорости распространения акустической волны на различных широтах и некоторые возможные трассы распространения. Большое влияние рефракционных эффектов в ПЗК на распрост~ранение звука иллюстрируется на рис.
6.7, где изображены некоторые лучевые трассы звука, характерные для средних широт, при различных глубинах погружения передатчика. Во-первых, бросается в глаза искривление лучей в направлении минимума скорости звука в акустическом канале, т. е. его оси, поэтому энергия непрерывно направляется обратно к этой оси. Во-вторых, когда передатчик смещается от оси, все лучи фокусируются, или собираются, в разнесенные через 60 — 70 км узлы концентрации, ~называемые зонами конвергенции или дальними зонами акустической освещенности.
В-третьих, могут возникнуть новые трассы распространения, если имеют место отражения от дна (трассы 378 Глава б 379 Обработка сигналов в гидролокации Расстояние, лм 10 г0 Л~ 40 50 б0 ~ /М ~30 40 Расстояние, л м 10 Л7 30 40 50 б0 ~ /00 М00 ,ф ~~~ЛО 400 -бб ъ Я -бб ~ ~-100 ~~ сь ' -1~0 Рис. 6.8, 0 0 Ю .Ю 54 73 90 /Об ЮК /44 /БГ 100 1ЯУ Расстояние, нм 900м 0 /б 9б 54 Ю 90 10д Ыб 144 IЫ /00 /И Расстояние, нм лл50м 0 /б Зб 54 7л 90 100 /Ло /44 /бЗ /бб 100 Расстояние, ем 3000м 0 /б,Ю 54 73 90 /0Ю 1'б 144 /03 100 ЮЮ Расстояние, и я Рис.
6.7. Диаграммы лучевых трасс в океане при четырех различных глубинах погружения передатчиков (взято из книги «Рг1пс1р!ез о1 1.)пг)его.а1ег Яоппс1 1ог Епа1пеегз», Ьу ~1г1с)с, Мсбгач~-Н1!1, 1967, с разрешения издательства). а — время распространения звука в воде на большие расстояния. А — вторая трасса с отражением от дна; Б — первая трасса с отражением от дна; В— прямая трасса; à — трассы с рефракцией в придоином слое; Д вЂ” прямые трассы (ил~ос многолучевостьк б — ослабление звука низкой частоты на больших глубинах. А — трассы с рефракцией в приданном слое; Б — потери на прямой трассе;  — первая трасса с отражением от дна; à — расширение фронта н поглощение; Д вЂ” усиленно в зоне конвергенции прямой волны. с отражение~и от дна) или рефракционные искривления лучей вблизи дна.
Все эти эффекты представлены на рис. 6.8 для случая взрывного сигнала на мелководье. Из общей ст)руктуры трасс ьидно, что между передатчиком и приемником возможно много- лучевое распростра~нение, а из кривых зависимости потерь на трассе от расстояния можно найти соотношение между энергиями, принятыми по разным трассам. Хотя изменения геометрии системы передатчик — приемник, профиля акустического канала, а также характеристик, донного слоя и оказывают некоторое влияние на общую карти~ну многолучевого распространения, в целом характер распространения сигнала на глубоководье остается неизменным. Второй важный минимум скорости звука, наблюдается очень близко от водной поверхности. Он и~меет з~начительно худшую стабильность, так как подвержен сильному влиянию местного климата, и проявляется в дневное время. Сильная за~висимость скорости звука от климата и времени дня объясняется тем, что 381 380 Глава б Обработка сигналов в гидролокаиии они влияют на температуру водной поверх~ности, за счет которой и образуется канал.
Для активных гидролокационных систем, работающих вблизи поверхности, такой канал может играть очень важную роль, так как из-за него может созда~ваться область затенения, в которой излученная энергия вследствие рефракции направляется обратно к поверхности. В результате, если даже погруженные цели находятся на небольших расстояниях, они могут не быть обнаружены из-за того, что канал препятствует проникновению акустической волны на заметную глубину. С другой стороны, если такой канал создается в обширной области океана, появляется возможность распространения э~вука на очень большие расстояния вдоль водной поверхности.
Многолучевое распространение акустических волн относится к числу наиболее важных факторов воздействия окружающей среды, учитываемых при обработке сигналов в гидролокационной системе. Именно поэтому большое внимание всегда уделялось физике распространения и созданию моделей обработки сигналов, которые полностью соответствовали бы особенностям распространения акустических волн в воде. 6.2.2 Шум Присутствие шума в конечном счете ограничивает возможности любой системы обработки гидролокационных сигналов даже при ~наличии очень качественной информации об окружающей водной среде, которую можно использовать для прогнозирования характеристик распространения акустических волн.
В общем случае шумы делятся на внешние, собственные и реверберационные. Внешний шум является фоновым, как правило аддитивным и образуется многочисленными посторонними источниками акустической энергии, не представляющими интереса для оператора гидролокатора. Его можно наблюдать в пассивном режиме без излучения энергии. Собственный шум представляет собой .шум ближней зоны, поступающий в гидролокационную систему при движении судна.
Он может состоять пз машинных, кавитационных или струйных шумов, возбуждаемых двигательной устано~вкой и гидродинамическими силами. Реверберацио~нный шум создается в активной системе за счет ложных отражателей, или целей. Чтобы наблюдать реверберационный шум, нужно излучить энергию, поэтому характеристики этого шума сильно зависят от вида излучаемого колебания. При описании внешнего шума основное внимание уделяется пространственной и временной зависимостям этого шума. Хотя при измерениях в различные ~времена года и в разных географических районах наблюдаются заметные .ва~риации шумов, в целом характер зависимостей для различных источников шумов изучен уже достаточно хорошо.
Для описания частотной зависимости /го аоздейсщл~еее пра (по шкале Бороргта) 8 '" + Преобладают шумь. тпурбулвнтнвсти давления я/рямбвяяя океанский транспорт ;в -."I -2Р ~рг (оз Ь'стота, Г4' кО акустических шумов часто используется обобщенный график Венца [23], изображенный на рис. 6.9. В диапазоне 1 — 10 Гц внешний шум часто обусловлен турбулентностью в океане и сейсмической активностью океанического дна. В диапазоне 10 — 300 Гц основными источниками шума являются корабли, причем за последние годы в связи с возросшей интенсивностью судоходства ~~ гоо ф - йО Ъ ф ~~ ~0 Ъ ~~ го ~э Прерьбвистые ялеввяенме яр/веря Земрвтряееяяя я еермем Биологические источники ~ — — — брвб/в ~ — Ж~лЖг~ иноустриальные источники — рб"борской лед — -- -ьПринятые обозначения Гранииы преобладающего шума / Влияние ветра нашум от пузырьков и брызг 'ЫЬдлияние ветра на нитотспипбнубо компоненту на мелководье — — сильные осадки --- Гильный шум от транспорта :.:06ь нный шумот п~ранспорта но мела оводье = — Обычный тиум от трансплппа на глубоководье- - -7епловои шум — — - ОМаясрорма спектра шума от земле/трясений и взрывов " -" Заест аполяиия - реыреяя я брегегь — — ~ Эртрекбпьб даол пов~Р'лестн~~.сволн ~р го ввзб з//дение ~~пЯ~нОРвоз.
(Поверхностное врб бопеку (1ейсмический рон) — порвано у ~ ~еб~зкдение Рнс. 6.9. Спектр внешнего шума в океане [23]. 383: :382 Обработка сигналов в гидролокации Глава б средний уровень шума,на таких частотах воз~рос. Форма спектра в этом, диапазоне очень сильно за~висит от близости к судоходным .линиям и может соответствовать тональным сигналам, так как основная часть шумов возбуждается вращающимися частями дви.гательных установок. В качестве примера отметим, что в любой момент времени в Северной Атлантике одновременно находится приблизительно две-три тысячи судов. На частотах выше 300 Гц важную роль начинают играть воздействие ветра и поверхностные волнения, поэтому шум в данном диапазоне подвержен влиянию погоды. Наконец, на высоких частотах (порядка 100 кГц), расположенных за пределами частотного диапазона большинства (хотя и не всех) гидролокационных систем, преобладает тепловой шум молекул воды.
Что касается пространственной зависимости внешнего шума, т. е. его,направленности, то в открытой печати этот вопрос под-. робно не освещается. Однако принято считать, что на низких частотах максимум интенсивности ориентирован по горизонтали, так как основными источниками шума ~в этом диапазоне являются корабли, находящиеся на большом удалении. На более высоких частотах максимум интенсивности шума направлен по вертикали, поскольку сам шум является .результатом воздействия погодных факторов на водную поверхность ~24 — 261.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
