СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ФОНЕ ПОЛЯ ПОМЕХ Советский патент 2006 года по МПК G01S15/66 

1. ВВЕДЕНИЕ

Повышение дальности действия гидроакустических станций на подводных лодках и надводных кораблях в значительной мере ограничивается маскирующим воздействием шумов, развиваемых кораблем-носителем. Такого рода шумы, воздействуя на приемные элементы гидроакустической антенны, существенно снижают возможности выделения полезного сигнала, ограничивая тем самым дальность действия всей станции. На больших скоростях хода корабля-носителя превалирующее влияние оказывают шумы гидродинамического происхождения, связанные с воздействием пульсационного давления турбулентного пограничного слоя непосредственно на упругую оболочку обтекателя гидроакустической антенны. На средних скоростях хода в значительной мере сказывается шум, генерируемый упругой оболочкой обтекателя, возбуждаемой вибрациями машин и механизмов корабля, передаваемыми по корабельному набору. Дополнительно на надводном корабле или на подводной лодке при малых глубинах погружения и высоких скоростях хода возникают участки кавитационных разрывов жидкости, также создающие шум, воздействующий через упругую оболочку на приемную антенну. Все эти источники шумов имеют то общее свойство, что они расположены непосредственно вблизи поверхности обтекателя. Соответственно излучение обтекателя несет на себе специфические особенности, вытекающие из характера возмущающих сил. Эти шумы мы в дальнейшем будем называть шумами ближнего поля. Помимо шумов ближнего поля существуют такие источники шумов, как шумы гребных винтов, шумы волнующейся морской поверхности, биологические шумы различного происхождения и т.д.; эту группу шумов можно назвать шумами дальнего поля. По отношению к приемной антенне источники шумов ближнего поля расположены в неволновой зоне и в области френелевой дифракции приемной антенны; шумы дальнего поля - в области дифракции Фраунгофера. Что касается полезного сигнала (шум цели), то он всегда находится в области дифракции Фраунгофера, т.е. в дальнем поле приемной антенны.

Задача выделения полезного сигнала среди шума помимо радиотехнического приемного тракта решается также приемной гидроакустической антенной, имеющей вполне определенные размеры, большие по сравнению с длиной волны. До настоящего времени практически использовались дискретные антенны различных конфигураций, приемные элементы которых реагировали непосредственно на давление, создаваемое как источниками сигналов, так и источниками шумов.

Как известно, избирательные свойства приемных антенн, т.е. возможности их в смысле выделения сигналов, основывались на явлении формирования острой диаграммы направленности с малыми добавочными максимумами, подавляющей интенсивность источников помех, находящихся за пределами основного лепестка. Поскольку формирование диаграммы происходит только в области дифракции Фраунгофера, постольку эти принципы селекции помехи не могут быть перенесены на шумы ближнего поля.

Очевидно, что для того чтобы эффективно отстраиваться от источников помех, в частности шумов ближнего поля, необходимо найти тот физический параметр, который оказывается различным для поля полезного сигнала и поля источников шума; зная такой параметр можно соответственно сформулировать способ селекции полезного сигнала.

Настоящая заявка указывает такой способ, при котором регистрируются мгновенные значения поля давлений и колебательных скоростей для дальних и ближних источников.

2. ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА

а) Физические предпосылки

Плотность звуковой энергии представляется выражением

Эффект на выходе (например, детектора) приемного элемента, воспринимающего давление, пропорционален плотности энергии, которая является скалярной величиной.

Плотность потока энергии , т.е. определяется произведением давления на вектор колебательной скорости и является, естественно, величиной векторной.

Для величин Е и справедливо уравнение неразрывности или при этом соответственно можно записать

Здесь N_p - плотность мощности акустического поля, N_pv - плотность потока энергии.

Если в качестве приемного элемента совместно используются датчики давления и колебательной скорости с последующим перемножением эффектов, т.е. регистрируется величина N_pv, причем последний воспринимает только одну составляющую скорости (например, по координате Z), то очевидно,

Тогда эффект на выходе квадратора для приемника давления I_p=α_pN_p и соответственно для приемника, воспринимающего давление - скорость, имеем

Составляя их отношение, получаем

Эффективность способа приема информации зависит от соотношения N_p и как для поля сигнала, так и для поля помехи.

В случае плоской синфазной волны, описывающей поле полезного сигнала, имеется только одна составляющая скорости и поэтому мощность N_p=-N_pv. Заметим, что и в случае осесимметричных волн от уединенного источника сигнала (сферические, цилиндрические) поскольку не существует тангенциальных составляющих скорости, также будет всегда N_p=-N_pv

Однако в случае совокупности шумящих источников, вообще говоря, должны присутствовать все три составляющие потока энергии. Относительные величины отдельных составляющих могут варьироваться в зависимости от положения точки поля. В том случае, когда точка наблюдения находится вблизи упругой поверхности, совершающей изгибные колебания, то можно ожидать значительных вкладов в общую величину мощности, связанных с тангенциальными потоками энергии.

Конкретное исследование колебаний упругой поверхности показывает, что вблизи поверхности образуется поде помех, в котором присутствуют касательные составляющие скорости, связанные с распределением неоднородных волн, и в связи с этим

Таким образом, для квадратичной величины на выходе приемника давления и величины нормального потока энергии должно всегда выполняться условие Конкретная величина отношения зависит как от точки наблюдения, так и от конфигурации поверхности, излучающей поле помех.

Анализ условия показывает, что если полезный сигнал приходит в виде плоской волны (и даже в виде сферической и цилиндрической волн), то при использовании приема колебаний элементом типа давление-скорость не должны терять информацию по сигналу по сравнению с приемом только давления. В случае поля помех использование приемного элемента давление-скорость позволяет получить выигрыш по отношению к приемнику, воспринимающему только давление; величина выигрыша зависит от относительного соотношения касательных и нормальной составляющих колебательной скорости.

Заметим, что нормальная составляющая скорости определяет поле излучения (активная часть импеданса), а касательные составляющие определяют неволновую часть поля (реактивная часть импеданса).

Очевидно, что приемник давления реагирует на обе части импеданса, в то время как приемник давление-скорость воспринимает только ту часть поля, которая определяется активной частью импеданса.

Проиллюстрируем возможности способа на примере излучающей упругой поверхности.

Можно показать, что отношение сигнал/шум, воспринимаемое гидрофоном, реагирующем на давление, в какой-либо точке поля на конечном расстоянии от колеблющейся плоскости определяется выражением

Здесь приняты следующие обозначения:

Ф_с - мощность в точке приема источника сигнала;

Ф_пσ - спектральная плотность случайных сил, возмущающих пластину (σ - площадь корреляции сил);

Д - цилиндрическая жесткость;

к_s - волновое число изгиба в пластине;

ρ_s - поверхностная плотность пластины;

ρ - плотность воды;

- волновое число в воде;

ξ - расстояние от пластины.

Оценивая это выражение, получаем

и

Здесь и - коэффициент затухания в пластине.

Очевидно, что выражение (α) определяет величину, пропорциональную нормальному потоку энергии . Величина, определяемая (β), пропорциональна тангенциальным потокам энергии . Поскольку датчик давление-скорость реагирует только на нормальный поток энергии (на однородную часть поля), то эффект на его выходе будет определяться только выражением (α). Следовательно, эффективность датчика давления-скорость по сравнению с датчиком давления можно определить величиной

Численная величина β для случая стальной изотропной пластины толщиной 0,5 см на частоте 1 кГц и расстоянии n=10 см равна 3·10² (для среднеквадратичных значений эта величина примерно равна 25 дБ). Разумеется, что численные оценки, полученные для бесконечной плоскости, возбуждаемой случайными силами, могут изменить свою величину в зависимости от конструктивных особенностей обтекателя и антенны и способов их расположения.

б) Описание способа

На фиг.1 представлены примеры построения приемных трактов для реализации предлагаемого способа выделения полезного сигнала, в которых приняты следующие обозначения.

1. Источники помехи.

2. Приемник колебательной скорости (фиг.1а); приемник градиента давлений (ускорений) фиг.1б.

3. Приемник давления.

4. Интегратор, позволяющий определять по градиенту давлений (ускорений) колебательную скорость.

5. Усилители с фильтрами.

6. Перемножающее устройство.

7. Интегратор (осредняющее устройство).

8. Индикатор.

В качестве 6, 7, 8 может быть использован коррелятор.

В варианте (схема 1а) используются приемники давления и колебательной скорости. В варианте (схема 1б) используется приемник давления и приемник вибраций, непосредственно воспринимающий колебания поверхности обтекателя антенны.

Предлагаемая схема в варианте 1а работает следующим образом. Акустические возмущения (полезный сигнал и шум) воспринимаются приемником давления и приемником колебательной скорости (оба приемника, строго говоря, должны быть размещены в одной точке поля) усиливаются в раздельных каналах в полосе частот Δω, перемножаются, осредняются за время Т и выходной эффект регистрируется на индикаторе. В случае вари анта 1б при использовании приемника градиента давлений (или ускорений) в соответствии со схемой 1б в этот канал включается дополнительный интегратор, позволяющий получить колебательную скорость на его выходе.

Результаты, полученные в лабораторных условиях при экспериментах с металлическим листом, возбуждаемым случайной силой, а также при натурных экспериментах на ПЛ проектов 613 и 611 показали, что оптимальный выигрыш в величине сигнал/шум составляет примерно 20 дБ, что согласуется с приведенным выше выражением для

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для ограничения маскирующего воздействия шумов, развиваемых кораблем-носителем, в частности шумов гидродинамического происхождения, на приемные элементы гидроакустической антенны. Способ выделения акустического сигнала на фоне поля помех основан на корреляции шумового излучения корабля, принимаемого по каналу давления, с последующим осреднением выходного сигнала по времени. Технический результат - повышение отношения сигнал/помеха. Это достигается за счет того, что прием сигнала и помехи производят одновременно по каналу давлений и каналу колебательных скоростей. 2 ил.

Способ выделения акустического сигнала на фоне поля помех, основанный на корреляции шумового излучения корабля, принимаемого по каналу давления, с последующим определением выходного сигнала по времени, отличающийся тем, что, с целью повышения отношения сигнал/помеха, прием сигнала и помехи производят одновременно по каналу давлений и по каналу колебательных скоростей.