6.2. Характеристики распространения гидролокационных сигналов

Характеристики распространения акустических волн в водной среде играют решающую роль при проектировании гидролокационных систем. Описание гидроакустического канала усложняется возможностью многолучевого распространения, за счет которого могут существовать самые разнообразные виды волн и трассы передачи энергии от точки к точке. Кроме того, всегда присутствует несколько факторов, искажающих сигналы, в том числе шумы. Таким образом, сама водная среда накладывает ряд серьезных ограничений на платформы и устройства, используемые для передачи и приема акустических сигналов. Все эти ограничения были и по-прежнему остаются предметом многочисленных исследований. Основным стимулом развития этих исследований было использование гидролокаторов в военных целях, однако важную роль сыграли и такие области применения, как океанография, поиски месторождений нефти, навигация, изучение прибрежной зоны.

При изложении материала ставилась задача дать краткое описание только тех эффектов, которые учитываются и при построении моделей распространения, и при разработке методов анализа сигналов. В процессе изложения будут рассмотрены наиболее важные модели распространения акустических сигналов,

окружающий шум и шум реверберации, влияние границ сред вода — дно и вода — воздух на сигналы, когерентность и флуктуации, сигналов, а также некоторые ограничения, накладываемые на платформы и устройства. 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 гидролокациошшх 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 либо горизонтально-слоистая геометрия с ослаблением, пропорциональным 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 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

Рис. 6.2. (см. скан) Объемное поглощение с учетом процессов релаксации [122]. А — поглощение с учетом соединений бора; Б — влияние на поглощение; В — структурное поглощение; Г—поглощение за счет сдвиговой вязкости. 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

в частотном диапазоне причем наиболее распространенными 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 на частоте 50 кГц. (Правда, эхолоты измерения тлубины 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 гидролокационных 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 сопоставления 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 действует как волновод. Вообще при изучении распространения акустических волн в водной среде в любом конкретном направлении длина волны является весьма важным факторам. Так, если размер акустического волновода в водной среде соизмерим с длиной

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 примерами особенности распространения звука на мелководье и на большой глубине.

Рис. 6.3. Батиметрическое сечение вдоль George Bank без увеличения масштаба по вертикали (из работы [18]).

Для 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 относится к мелководью, если его глубина в 10 раз меньше длины волны акустического колебания, но это деление не является строгим.

Рис. 6.4. Модель акустического волновода для распространения звука на мелководье, ограниченного осадочным слоем (предложена Пекерпсом).

Решение волнового уравнения Гельмгольца методом разделения переменных с граничными условиями на поверхности океана и морском дне выражается суммой собственных волн,

переносящих акустическую энергию. На рис. 6.5 приведены графики зависимости волнового 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 распространяется в данном слое с максимальной скоростью; затем принимаются высокочастотные компоненты (водная волна),

Рис. 6.5. (см. скан) а — волновые характеристики волновода Пекериса — графики зависимости нормированной частоты от нормированного волнового числа для первых четырех типов волн: б — зависимость групповой скорости от частоты для первых трех типов волн в волноводе Пексриса.

распространяющиеся в волноводе со скоростью, близкой к скорости звука в однородной воде; последней принимается компонента на одной из средних частот, распространяющаяся с минимальной групповой скоростью. При проведении любого эксперимента всегда приходится находить свертку возбуждающего колебания с импульсной характеристикой канала, чтобы рассчитать, как возбуждается каждый из типов волн. Кроме того, необходимо учесть поглощение компонент более высокой частоты, приводящее к относительному увеличению отклика на более низких частотах, особенно для рефракционных трасс распространения. Что касается обработки сигналов, то из приведенного примера должно быть ясно, что распространение звука на мелководье по многим многолучевым частотнозависимым трассам является довольно сложным процессом. Если даже законы 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 распространения 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 каналом (ПЗК), иногда называемым каналом СОФАР (SOFAR), а другой — приповерхностным волноводным каналом. ПЗК постоянно возникает в мировых океанах, обычно на глубине км, хотя на высоких широтах не исключено его появление и у поверхности. Энергия 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 связаны с рассмотренным видом распространения акустической волны [17, 20—22].

Рис. 6.6. (см. скан) Примеры глубинных профилей скорости распространения акустической волны на различных широтах и некоторые возможные трассы распространения.

Большое влияние рефракционных эффектов в ПЗК на распространение 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

(кликните для просмотра скана)

Рис. 6.8. 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; Г — трассы с рефракцией в придоином слое; Д - прямые трассы (плюс многолучевость). б - ослабление звука низкой частоты на больших глубинах. А — трассы с рефракцией в придонном слое; Б — потерн на прямой трассе; В — первая трасса с отражением от дна; Г — расширение фронта и поглощение; Д - усиление в зоне конвергенции прямой волны.

с отражением, от дна) или рефракционные искривления лучей вблизи дна. Все эти эффекты представлены на рис. 6.8 для случая взрывного сигнала на мелководье. Из общей структуры трасс ьидно, что между передатчиком и приемником возможно многолучевое распространение, 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 картину многолучевого распространения, в целом характер распространения сигнала на глубоководье остается неизменным.

Второй важный минимум скорости звука наблюдается очень близко от водной поверхности. Он имеет значительно худшую стабильность, так как подвержен сильному влиянию местного климата, и проявляется в дневное время. Сильная зависимость скорости звука от климата и времени дня объясняется тем, что

они влияют на температуру водной поверхности, 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 создаваться 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 звука 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.