Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде Советский патент 1993 года по МПК G01S7/54 

Недостатком наиболее близкого решения является малая достоверность определения характерных размеров неоднородностей. Этот недостаток обусловлен многолучевостью распространения сигнала в среде, взаимодействием распространяющегося сигнала с дном и поверхностью водного слоя. Кроме того, к снижению достоверности определения характерных раЫерой неоднородностей приводит то, что на искомую информацию о флюктуациях поля давления и1 его рассеяния иа случайных неоднородноетях накладываются флюктуации, обусловленные взаимным дрейфом излучателя и приемной системы.

Цель изобретения - повышение достоверности определения характерных размеров неоднородностей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения характерных размеров неоднородностей в водной среде, включающем излучение тонального звукового сигнала в одной точке среды и прием сигнала, прошедшего через среду, в другой точке, измерение звукового давления и флюктуации скорости звука в точке приема и расчет характерных размеров неоднородностей, дополнительно измеряют одновременно со звуковым давлением амплитуды двух взаимно ортогональных проекций колебательной скорости на горизонтальную плоскость и разности фаз между ними и звуковым давлением, а характерный размер неоднородностей рассчитывают по формуле

а. 2 г/((р

где - дисперсия относительных флюктуации скорости звука,

дисперсия направления переноса энергии звуковой волны,

р arctg{ p2(t)Vx2(t)cos(P х) (t)xVy2(t)cos(P у). P(t), Vx(t), Vy(t) - измеренные значения звукового давления и проекций колебательной скорости на взаимно ортогональные в горизонтальной плоскости направления X и Y, cosfP Vi) - косинус разности фаз между давлением и компонентом колебательной скорости Vi(,Y), символ означает усреднение за время т , которое больше периода колебаний в волне, г- горизонтальное расстояние между точками излучения и приема.

Функция углового распределения W(p) лучей при распространении в случайно неоднородных средах является гауссовой относительно своего среднего значения,а именно

W(p)

1

ехп Р 4Dr

И П Dr

Коэффициент D играет роль коэффициента диффузии лучей и выражается соотношением

D

(1)

В таком случае дисперсию угла можно найти по формуле

00

0«) JVw(p)(2)

пл

- 00

На основании выражений (1) и (2) получаем для характерных размеров неоднородности:

а -.

Дисперсия угла р может быть определена по значениям звукового давления и колебательной скорости частиц в воде. Среднее значение произведения давления P(t) и вектора колебательной скорости дает вектор, совпадающий с направлением переноса энергии волной, а для удаленного источника - с направлением распространения луча.

Следовательно, если мы располагаем возможностью измерения проекции колебательной скорости на два горизонтальных ортогональных направления (условно X и Y), то мгновенное значение угла р может быть определено как арктангенс отношения проекций полученных двух значений векторов, усредненных за время, кратное периоду:

{/p(t)Vx(t)dt - ---- (з)

р arctg

f }p(t)Vy(t)dt

Интегралы в (3) могут быть выражены через амплитудные и разностно-фазовые характеристики поля давления и поля колебательной скорости:

|}P(t)Vi(t)dt

л

. (t)(t)dt x

х cos(P.Vi),° (4)

где (Р, Vi) - разность фаз между P(t) и Vi(t), измеренная за время Т.

Учитывая, что флюктуации акустических параметров сигнала под действием неоднородностей происходит весьма медленно (с частотой 10 Гц и ниже), а несущая частота излучаемого сигнала выбирается равной десяткам и сотням герц, без потери общности

выражения правую часть в формуле (4) можно переписать в виде

Т / P(t)Vi(t)dt - PVi cos(P, Vi), 1 о

где Р и Vi - соответственно амплитуды поля звукового давления и 1-ой проекции колебательной скорости.

Соответственно, для среднего значения (f, входящего в выражение для углового распределения W( f), имеем:

arctg

Р Ух cos (Р , Ух) PVycos(P Vy)

После этого дисперсия угла р может быть вычислена стандартным образом.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Опускают на заданную глубину излучатель тонального сигнала частотой f. Учитывая, что затухание звука в воде возрастает с повышением частоты, целесообразно выбирать частоту f в диапазоне от 50 Гц до 1 кГц. Ниже 50 Гц часто возникают трудности, связанные с увеличением уровня шумов гидродинамического происхождения при регистрации сигнала. На расстоя2 я а2

-Ч- размещают приемную

НИИ Г

систему.. Характерный размер неоднородно- стей а в океане находится в пределах от нескольких метров до сотен метров. Дисперсия р будет тем больше, чем больше

расстояние г, поэтому приемную систему и излучатель следует разнести на большое расстояние. Для океана при его характерных значениях а оно составляет десятки километров.

Глубину погружения приемной системы и излучателя выбирают такой, чтобы величина /г2 была бы по возможности наибольшей. Этому условию, как правило, отвечают глубины непосредственно под термоклином, т.е. от 20 до 100...150 м, где 10 ...10 . Наиболее вероятные значения на глубинах 1 км и более равны .... Акустическая часть приемной системы включает в себя размещенные

в непосредственной близости друг от друга (или в одном корпусе) гидрофон и векторный приемник, внутри которого может быть вмонтирован компас для компенсации не- больших нестабильностей пространственной ориентации каналов векторного приемника.

Для повышения отношения сигнал/помеха принимаемые сигналы пропускаются

через узкополосный фильтр, настроенный на частоту f, задается интервал времени г, кратный периоду Т 1/f, организуются выборки из измеренных значений сигналов и разностей фаз между Р, Vx и Vy, усредненных за время г , и затем определяются значения p(i).

Направление на источник звука не зависит от наличия флюктуации амплитуды и фа- зы распространяющегося сигнала.

Следовательно, предлагаемый способ автоматически исключает влияние многолучево- сти и взаимных интерференционных эффектов в вертикальной плоскости, повышает достоверность определения характерных размеров неоднородностей,

Если считать, что точность определения относительных изменений с учетом показания компаса составляет 0,5,„1°, то для ха- рактерных для океана значений

получаем верхний предел размеров неоднородностей в зависимости от расстояния г:

а 4 10 Y

В проведенных экспериментах в океане

по оценке характерных размеров неоднородностей расстояние между точками излучения и приема составляло 35 км, а характерный размер неоднородностей был близок к 15 м.

Выполняя быстрое преобразование Фурье над величиной флюктуации пеленга, можно косвенно производить классификзцию причин возникновения таких флюктуации.

Например, наличие в спектре р (т.) частот порядка Гц свидетельствует, как правило, о взаимодействии с взволнова иной поверхностью, частоты порядка ЮЯ-КГ4 Гц характерны для рассеяния на неоднородностях, вызванных короткопери- одными внутренними волнами.

Формула изобретения Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде, включающий излучение тонального звукового сигнала в одной точке среды и прием сигнала, прошедшего через среду, в другой точке, измерение звукового давления и флюктуации скорости звука в точке приема и расчет характерных размеров неоднородностей, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения характерных размеров неоднородностей, дополнительно измеряют одновременно со звуковым давлением амплитуды двух взаимно ортогональных про- екций колебательной скорости на горизонтальную плоскость и разности фаз между ними и звуковым давлением, а характерный размер неоднородностей рассчитывают по формуле

a /z2 -j-,

где f - дисперсия относительных флюктуации скорости звука;

j(p -дисперсия направления переноса энергии звуковой волной;

Ф arctq{ p2(t)Vx2(t)cos(P / P4t)xVy2(t)xCps(P ГУу) P(t), Vx(t), W(t) - измеренные значения звукового давления и проекций колебательной скорости на взаимно ортогональные в горизонтальной плоскости направления X и Y;

cos(P Vi) - косинус разности фаз между давлением Р и компонентом колебательной скорости Vi (i X.Y);

символ - усреднение за время т , которое больше периода колебаний в волне;

г - горизонтальное расстояние между точками излучения и приема.