2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................5
1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ РАССЕЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ОКЕАНЕ И ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН В НЕОДНОРОДНОЙ
СРЕДЕ..........................................................11
1.1. Анализ вопросов исследования объемного рассеяния звука
в океане...................................................11
1.2. Особенности работы параметрических антенн в неоднородной среде и приповерхностном слое океана, насыщенном
воздушными пузырьками......................................28
1.3. Выводы....................................................38
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЛОКАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОКЕАНА....................................40
2.1. Вывод выражений для расчета энергетических характеристик параметрического гидролокатора при локации объемного
рассеяния..................................................40
2.2. Расчетная оценка метода акустического зондирования неоднородностей океана с помощью параметрических гидролокационных систем........................................49
2.3. Определение коэффициента обратного объемного рассеяния
по результатам измерения рассеянного сигнала...............62
2.4. Исследование частотных зависимостей коэффициента обратного объемного рассеяния по результатам
экспериментальных измерений рассеяния в океане............ 66
2.5. Исследование возможности использования параметрических гидроакустических антенн в составе гидроакустических комплексов для исследования объемного рассеяния звука в различных районах Мирового океана............................ 73
2.6. Выводы....................................................83
3
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН И ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
АНТЕНН В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ОКЕАНА.....................85
3.1. Влияние особенностей приповерхностного слоя океана на характеристики параметрических антенн...................85
3.2. Разработка модели и исследование характеристик параметрической антенны в приповерхностном слое
моря....................................:.................98
3.3. Исследование характеристик параметрических антенн в среде с изменяющимся нелинейным параметром вдоль направления распространения взаимодействующих волн.................118
3.4. Выводы.................................................131
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАССЕЯНИЯ ЗВУКА В НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН.....................................134
4.1. Методика и особенности проведения лабораторных экспериментальных исследований объемного рассеяния.... 134
4.2. Экспериментальные исследования обратного объемного рассеяния на моделях рассеивателей в лабораторных
условиях.................................................141
4.3. Результаты обработки реализаций эхо-сигналов от моделей рассеивателей при облучении параметрическими источниками
звука....................................................157
5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗВУКОРАССЕИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ОКЕАНА И ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА................................................167
5.1. Адаптивная гидроакустическая параметрическая система для измерения характеристик объемного рассеяния и мониторинга стратификации морской среды.....................167
4
5.2. Разработка параметрического комплекса для прямого контактного измерения ВРСЗ в приповерхностном слое на частотах работы гидроакустических средств............. 171
5.3. Комплекс дистанционного измерения вертикального распределения скорости звука в приповерхностном слое...175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................180
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................184
ПРИЛОЖЕНИЯ
202
ВВЕДЕНИЕ
5
Одной из наиболее актуальных задач акустики океана является проблема изучения распространения и рассеяния звука в неоднородной морской среде.
Морская вода, содержащая пузырьки, твердые взвеси, фазовые включения биологического происхождения - зоо и фитопланктон, продукты распада биологических систем, а также рыбу и другие морские организмы различного размера является особо сложной средой. Такие неоднородности морской среды приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости звука, появлению дополнительной нелинейности среды, а так же к изменению целого ряда других акустических характеристик, важных для проведения исследований и измерений в акустике океана.
В обозначенных проблемах особый интерес представляет разработка методов решения обратных задач, с применением акустических методов, которые зачастую являются единственными методами исследований структуры неоднородных сред.
Так, рассеяние океаническим объемом создает предпосылки разработки дистанционных измерителей скорости звука в океане.
Большой интерес представляет изучение местоположения и поведения источников объемного рассеяния, обусловленных планктоном и живыми организмами.
Не менее важна задача регистрации дистанционным методом газовых пузырьков в воде или пелены пузырьков, появление которых обусловлено техногенными процессами или катастрофами. Например: утечка газа вследствие аварий на газопроводах, участки которых проложены по дну морей, рек, озер и других водоемов.
Поскольку рассеиватели в океане имеют различную природу, они обладают и различными свойствами в отношении рассеяния акустических волн. В частности, сила обратного объемного рассеяния зависит от частоты
зондирующего сигнала. Таким образом, для данного рассеивающего объема существует частота, или диапазон частот, в котором можно получить наилучшие результаты с точки зрения отношения сигнал/помеха. С другой стороны, на данной частоте одни рассеивающие области, могут выглядеть более контрастными по сравнению с другими. Поэтому, необходимо решать задачу выбора оптимальных параметров системы, причем - оперативно, что может быть достигнуто либо путем использования сверхширокополосных сигналов, либо созданием адаптивной гидролокационной системы.
Если большое количество работ гидролокации посвящено исследованиям того, как уменьшать влияние реверберации, чтобы получить максимальное отношение сигнал/помеха, то направленность данной работы состоит в том, чтобы определить каким образом получить наилучшие характеристики при регистрации самого объемного рассеяния, т.е. с точки зрения гидролокации, работа посвящена исследованиям помех.
Одной из наименее изученных и наиболее важных проблем является проблема работы гидроакустических средств в приповерхностном слое. Вследствие ветрового волнения и процессов, связанных с жизнедеятельностью живых организмов, этот слой оказывается насыщенным воздушными пузырьками. В настоящее время существует достаточно неоднозначная информация о распределении пузырьков по размерам, их концентрации в зависимости от поверхностного волнения, силы ветра и других факторов, влияющих на это распределениях в различных районах океана и на разных глубинах. Очевидно, с глубиной концентрация пузырьков уменьшается. Уменьшается с глубиной и значение нелинейного параметра, что подтверждено экспериментальными результатами. При решении задач подводного поиска, исследования и диагностики океана местом расположения гидроакустических антенн является приповерхностный слой. Поэтому, большой научный и практический интерес представляет вопрос влияния особенностей приповерхностного слоя, в частности, изменяющегося
7
параметра нелинейности на процесс распространения и нелинейного взаимодействия акустических волн.
В последнее время наметился новый подъем в развитии акустических методов диагностики в связи с применением акустической диагностики к биологическим объектам, а также в технологических процессах. Традиционные линейные методы акустической диагностики микронеоднородных сред оказываются во многом противоречивыми, в связи с чем, возникает необходимость разработки других, новых, более современных методов. Таковыми оказались, прежде всего, нелинейные методы.
Наряду с другими гидроакустическими средствами, гидроакустические системы, использующие эффект нелинейного взаимодействия волн, так называемые параметрические системы, позволят поднять науку об океане на качественно более высокий уровень. Эффективность применения параметрических антенн обусловлена особенностями, присущими только этому классу приборов. Это - широкополосность, высокая направленность, одинаковая во всем частотном диапазоне, малогабаритность при излучении низких частот, низкий уровень бокового поля.
Таким образом, целью работы является: разработка методов расчета характеристик гидролокационных параметрических средств изучения объемного рассеяния звука в океане, анализ работы параметрических антенн в приповерхностном слое моря в условиях изменяющегося нелинейного параметра, построение параметрических гидроакустических систем для диагностики структуры морской среды.
Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сравнением с известными результатами. Физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию.
Научная и практическая значимость работы состоит в разработке методик расчета энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем при локации объемного рассеяния, методик расчета характеристик параметрических антенн в среде с неравномерно распределенным нелинейным параметром, расширении представлений о физических явлениях, наблюдаемых при распространении взаимодействующих волн в приповерхностном пузырьковом слое океана, а так же в выработке рекомендаций по созданию параметрических гидролокационных систем мониторинга стратификации морской среды.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Методика расчета характеристик гидроакустических параметрических локационных систем, предназначенных для исследований обратного объемного рассеяния звука в океане.
2. Результаты расчетной оценки характеристик параметрических гидролокационных систем, предназначенных для исследования объемного рассеяния по экспериментальным данным, полученным в различных районах Мирового океана.
3. Модель параметрической антенны в приповерхностном слое океана, характеризующемся высокими значениями и резкими градиентами нелинейного параметра.
4. Методика расчета поля параметрической антенны в приповерхностном пузырьковом слое океана с изменяющейся нелинейностью.
5. Принципы построения гидроакустических параметрических средств мониторинга стратификации морской среды и комплексов измерения вертикального распределения скорости звука в приповерхностном слое океана.
Разработанные в диссертации методики, алгоритмы, полученные научные и практические результаты внедрены в организации НИЦ РЭВ ВЧ 30895.
По результатам исследований опубликовано 26 научных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами и заключения. В работе приводится список литературы из 184 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы, показана научная и практическая значимость проводимых исследований.
В первой главе проведен обзор литературных источников по вопросам исследования объемного рассеяния акустических волн в океане, а также рассмотрены особенности работы параметрических антенн в неоднородной среде и поверхностном слое океана, насыщенном воздушными пузырьками. По результатам обзора сделаны выводы и поставлены задачи исследований.
Во второй главе приводятся результаты исследований параметрических гидролокационных систем для локации неоднородностей океана. На основе уравнения гидролокации получено выражение для расчета энергетических характеристик параметрического гидролокатора при локации объемного рассеяния. Выполнены расчеты, демонстрирующие потенциальные возможности метода акустического зондирования океана с помощью акустических гидролокационных систем. Разработана методика определения коэффициента обратного объемного рассеяния по результатам измерения рассеянного сигнала. Проведены исследования частотных зависимостей коэффициента обратного объемного рассеяния по результатам экспериментальных измерений в океане. Расчетным путем оценена возможность использования параметрических антенн в составе гидроакустических комплексов для исследования объемного рассеяния звука в различных районах Мирового океана.
В третьей главе представлены результаты исследований нелинейного взаимодействия волн и характеристик параметрических антенн в приповерхностном слое океана. Рассмотрено влияние особенностей приповерхностного слоя океана на характеристики параметрических антенн.
Разработана модель и исследованы характеристики параметрической антенны в приповерхностном слое моря с изменяющимся нелинейным параметром вдоль направления распространения взаимодействующих волн.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований рассеяния звука с использованием параметрических антенн. Рассмотрена методика и особенности проведения лабораторных экспериментальных исследований. Проведены эксперименты по рассеянию на моделях рассеивателей и воздушных пузырьках в условиях гидроакустического бассейна при облучении параметрическим источником звука.
В пятой главе представлены результаты разработки структуры параметрических гидроакустических систем исследования океана и измерения вертикального распределения скорости звука. Рассмотрена структура адаптивной гидроакустической системы для измерения характеристик объемного рассеяния и мониторинга стратификации морской среды. Приведена структура параметрического комплекса для контактного измерения ВРСЗ в приповерхностном слое на частотах работы гидроакустических средств. Анализируется возможность создания комплекса дистанционного измерения ВРСЗ в приповерхностном слое океана.
В заключении сформулированы основные результаты исследований.
1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ РАССЕЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ОКЕАНЕ И ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН
В НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ
1.1. Анализ вопросов исследования объемного рассеяния звука в океане
В общем случае под рассеянием звука подразумевается возникновение вторичных звуковых полей в результате дифракции звука на неоднородностях среды или на неровных и неоднородных границах раздела сред. При этом рассеяние может быть обусловлено как неоднородностью плотности, так и неоднородностью поля скорости звука. Для жидкостей флуктуации скорости звука на порядок превышают флуктуации плотности, поэтому в гидроакустике обычно можно пренебрегать флуктуациями плотности сравнительно с флуктуациями скорости звука [1].
Традиционно рассеяние звука в океане принято делить на три категории: объемное, донное и поверхностное. При этом к объем ному рассеянию относят как рассеяние во все стороны от рассеивающего объема (в том числе и в обратном, или локационном направлении), так и рассеяние в прямом направлении, где оно проявляется в виде флуктуаций прямого поля. Рассеяние по направлениям, отличным от прямого, характеризуется коэффициентом объемного рассеяния, а суммарное поле в прямом направлении характеризуется коэффициентом вариации, который выражает соотношение когерентной составляющей поля, обусловленной прямой волной, и случайной составляющей, вызванной рассеянием звука на неоднородностях среды.
К рассеянию звука поверхностью океана относят рассеяние звука по любым направлениям, обусловленное как рассеянием на неровной границе раздела вода-воздух, так и рассеянием на относительно тонком слое воздушных пузырьков, образованных вблизи поверхности ветровым волнением или содержащихся в плавающих у поверхности водорослях. Рассеяние по направлениям, отличным от направления зеркального отражения,
характеризуется коэффициентом рассеяния звука поверхностью (или приповерхностным слоем). Поле в зеркальном направлении характеризуется коэффициентом вариации, который выражает соотношение когерентного зеркально отраженного и рассеянного компонентов, а также коэффициентом отражения.
К рассеянию звука дном океана относят рассеяние на неровностях и неоднородностях границ раздела вода-грунт и донных слоев грунта, а также на неоднородностях грунта дна. Количественным выражением рассеивающих свойств, служит коэффициент рассеяния звука дном океана. Следует отметить, что в отличие от объемного и поверхностного рассеяния донные рассеиватели не претерпевают временной изменчивости, поэтому сигнал, отраженный дном в зеркальном направлении, не флуктуирует, если корреспондирующие точки неподвижны относительно дна.
Рассеяние волн может происходить на случайных, либо регулярных (периодически расположенных) неоднородностях и неровностях.
Эти два случая отличаются друг от друга. При рассеянии плоской волны на случайных структурах образуются сферические расходящиеся волны, вторичным источником которых является рассеивающий объем или рассеивающий участок границы раздела двух сред. При рассеянии же плоской волны на регулярных структурах результатом рассеяния являются плоские волны, т.е. рассеяние на регулярных структурах в этом смысле эквивалентно отражению от плоскости.
Рассеяние характеризуется коэффициентом объемного рассеяния т который определяется как отношение акустической мощности рассеянной объемом V в единицу телесного угла в заданном направлении, к интенсивности //, падающей на этот объем волны, и величине объема
Коэффициент рассеяния измеряется всегда в дальней зоне. При этом предполагается, что число рассеивателей, от которых сигналы одновременно
13
приходят в точку приема, достаточно велико; с другой стороны можно считать их расположенными в одной точке по сравнению с расстояниями от излучателя и приемника до них, и под одинаковыми направлениями, как на излучатель, так и на приемник.
Следующим допущением является предположение об отсутствии многократного рассеяния. Вообще говоря, прилегающие участки подвергаются в какой-то степени воздействию волн, рассеянных озвученным участком. Если такой эффект заметен, то интенсивность рассеянного сигнала не будет прямо пропорциональна объему (площади) рассеивающего участка. Однако все экспериментальные данные, полученные в океане, свидетельствуют о линейной зависимости интенсивности сигнала от объема (площади) рассеивающего участка.
В широком смысле слова понятие "рассеяние" включает в себя как рассеяние от случайных, так и от регулярных рассеивателей в: любых направлениях. Однако традиционно принято использовать понятие рассеяния в более узком смысле. Рассеянием называются дифракционные эффекты на случайных неоднородностях или неровностях, при этом подразумевается рассеяние в обратном или локационном направлении, так как это направление, во-первых, является наиболее интересным, вызывая одну из наиболее серьезных помех при гидролокации - реверберацию, а во-вторых, - наиболее изученным, так как при измерениях можно использовать одно судно и часто - даже один преобразователь, работающий попеременно то на излучение, то на прием. Рассеяние в прямом направлении на случайных неоднородностях называется флуктуациями.
Если неоднородности много меньше длины волны (ка«1, где к = 2я/Л, а а - радиус неоднородности), то рассеянное поле изотропно, т.е. индикатрисса рассеяния представляет собой сферу, а частотная зависимость ту соответствует четвертой степени частоты (так называемое рэлеевское рассеяние). Если неоднородности много больше длины волны (ка»1\ то индикатрисса рассеяния имеет значительный максимум в направлении распространения первичной
волны (0 - 180°), при этом в прямом направлении рассеяние будет расти с увеличением размера неоднородностей.
Объемные рассеиватели в океане можно разбить на две категории -неоднородности самой водной среды, обусловленные флуктуациями температуры, и дискретные неоднородности, в основном, морские животные, водоросли, пузырьки.
Размеры температурных неоднородностей в океане лежат в весьма широком диапазоне от долей сантиметров до километров. Флуктуации скорости звука, обусловленные неоднородностями в океане, на порядок больше, чем флуктуации плотности, но даже и они весьма невелики: порядка 10‘2% в верхних слоях и КГЧ - на больших глубинах [2]. При этом в верхнем перемешанном слое максимальный размер неоднородностей не превышает нескольких метров, а крупные неоднородности с более слабыми перепадами скорости звука находятся на больших глубинах.
Такие слабые флуктуации скорости звука обуславливают очень низкие значения коэффициента объемного рассеяния /я*. Зарегистрировать сигналы, рассеянные температурными неоднородностями в обратном направлении бывает очень сложно на фоне собственных шумов океана. Обычно их можно наблюдать в области сильных температурных градиентов, где турбулентное движение водных масс приводит к появлению максимальных флуктуаций температуры, а следовательно, и скорости звука.
Поле, рассеянное в водах океана дискретными рассеивателями, создается в основном препятствиями или элементами препятствий с акустическими свойствами, сильно отличающимися от акустических свойств воды. Основными рассеивателями в звукорассеивающих слоях являются газонаполненные полости, упругие и жесткие элементы в теле рачков и рыб. На их границе упругие свойства среды, величины плотности р и скорости звука с изменяются скачком. Это делает картину рассеяния существенно отличной от рассеяния на слабых флуктуациях показателя преломления.
Так появилась “пузырная” теория, которая основывалась на том, что газовая полость в воде является акустическим резонатором, сильно рассеивающим звук, когда его собственная частота совпадает или близка к частоте падающей на него акустической волны. При этом эффективность рассеяния газовыми полостями в. воде такова, что для получения наблюдающегося эффекта достаточно, чтобы в 1000 м3 воды находилась примерно одна рыбка, имеющая плавательный пузырь. Такие же количественные данные о населенности ЗРС были получены и в результате обловов с помощью тралов.
Существование частотной зависимости рассеяния, а также совпадение резонансной частоты, вычисленной по размерам плавательных пузырей выловленных рыб, с максимумом частотной зависимости рассеянных сигналов также подтверждало правильность “пузырной” гипотезы.
Кроме того, известно, что резонансная частота газового пузыря в воде зависит не только от его размера, но и от глубины на которой он находится. А именно, чем больше глубина, тем выше резонансная частота. Измерения показали, что когда рассеиватели перемещаются (или, как говорят биологи, мигрируют) вверх, то их резонансная частота понижается. Так, например, в Атлантическом океане в дневное время на глубине 500-700 м обычно находится слой, максимум рассеяния которого приходится примерно на частоту 5 кГц. После захода солнца этот слой поднимается к поверхности и располагается выше глубины 150-200м. При этом частота, на которой находится максимум рассеяния, смещается в сторону низких частот и составляет примерно 3,5 кГц. Этот эффект также подтверждает “пузырную” гипотезу [3,4].
Исследования ЗРС, проведенные в течение последних трех десятилетий по всему Мировому океану, а также лабораторные исследования позволили достаточно хорошо изучить природу рассеяния в этих слоях, измерить абсолютные значения, а также частотные зависимости и распределения по глубине коэффициента рассеяния. На частотах 20-30 кГц, рассеяние в ЗРС обусловлено существованием в них пузырных рыб. На более высоких частотах,
вдали от резонансных частот газовых пузырей, основную роль в рассеянии, по-видимому, играют нерезонансные рассеиватели: скелеты рыб, панцири рачков, хитиновые пластины кальмаров и пр.
ЗРС, как правило, имеют слоистую структуру, причем каждый слой обычно содержит свою фауну. Общая толщина слоев может достигать сотен метров. Утром и вечером большинство животных, образующих звукорассеивающие слои, мигрируют по вертикали. Вечером они поднимаются к поверхности для питания, так как в более теплых поверхностных водах интенсивнее проходят пищеварительные процессы, а в условиях слабой ночной освещенности уменьшается вероятность быть съеденными более крупными животными. Перед восходом солнца они опускаются на глубины, оптимальные для их существования. Слой воды от поверхности до 200-300 м в дневное время практически не содержит рассеивающих животных, за исключением некоторого количества их, лежащих на слое скачка плотности температуры.
Несмотря на то, что такие слои существуют практически по всему Мировому океану (кроме полярных областей), наблюдается разница в величинах коэффициента рассеяния между районами. Так, например, слабая интенсивность рассеяния наблюдается в Саргассовом море и, наоборот, исключительно высокие коэффициенты рассеяния были получены вблизи островов Зеленого Мыса, который известен как один из наиболее продуктивных рыболовных районов.
Хотя большая часть ЗРС мигрирует, встречаются также и не мигрирующие слои. В частности, недалеко от берегов Португалии они были обнаружены на необычно больших глубинах - 1500-2000 м; максимум рассеяния у этих слоев был вблизи частоты 10 кГц [5].
Объемное рассеяние в океане является причиной возникновения объемной реверберации, которая часто является основной помехой в гидролокации. Под реверберацией принято понимать воздействие рассеянных в обратном направлении сигналов на гидролокационные приборы. От реверберационной помехи очень трудно избавиться, так как увеличение мощности излученной посылки вызывает такое же увеличение
реверберационного сигнала. Основной вклад в объемную реверберацию в океане вносят ЗРС. Ее роль становится главной, когда распространяющиеся лучи не касаются поверхности и дна. В этом случае весь реверберационный сигнал обусловлен только объемным рассеянием. При наличии мощных ЗРС уровень реверберации может быть таким высоким, что он будет превышать полезный сигнал от цели, не позволяя производить локацию нужного объекта. Уровень объемной реверберации может зависеть от времени суток, что обусловлено вертикальной миграцией ЗРС. Действительно, если реверберационный сигнал приходит из зоны конвергенции, расположенной вблизи поверхности, то в ночное время уровень реверберации будет заметно возрастать из-за миграции рассеивающего слоя к поверхности. Такой эффект неоднократно наблюдался в океане.
Первые исследования реверберации как случайного процесса были выполнены Ю.М. Сухаревским. В одной из его работ [6], опубликованной в 1947 г., сделаны заключения о характере флюктуаций огибающей реверберации и указаны некоторые особенности рассеяния звука, которые позволяют в известном приближении рассматривать реверберационный процесс как сумму большого числа элементарных рассеянных сигналов.
Начиная с 1955г., в Акустическом институте АН СССР были поставлены теоретические и экспериментальные исследования статистических свойств реверберации, направленные на изучение ее распределений вероятностей, корреляционных характеристик и энергетических спектров при различных видах модуляции излучаемых сигналов. Некоторые результаты этих исследований, выполненных в основном до 1960 г., изложены в работах [7-12].
В это же время появился ряд работ зарубежных авторов, посвященных исследованию реверберации примерно в тех же аспектах. Так, в работе [13] содержатся данные о распределении огибающей реверберации и ее корреляционных характеристиках при излучении прямоугольных импульсов с синусоидальным заполнением и приведены результаты анализа частотного состава реверберационных сигналов. Некоторые сведения об энергетических
спектрах реверберации содержатся в [14]. Статьи [15, 16], а так же частично [17,18] посвящены исследованию реверберации при непрерывном излучении.
В работах [14, 17 - 21], на основе статистической трактовки процесса гидролокационного обнаружения дан анализ некоторых свойств реверберации при излучении сигналов с различными видами амплитудной и частотной модуляции и предложены общие пути уменьшения влияния реверберационных помех при гидролокации. В этом отношении интересна статья [20], где для анализа свойств реверберации применены диаграммы неопределенности, теория которых развита в некоторых работах по радиолокации (например, [22]).
Изучению статистических характеристик реверберации, основанному на представлении этого процесса в виде суммы случайных возмущений, посвящены работы [23,24].
Энергетический подход к изучению свойств реверберационных сигналов позволяет определить их среднюю интенсивность в зависимости от времени и таких характеристик излучаемых сигналов, акустических антенн и морской среды, как: излучаемая мощность; длительность и форма сигнала;
направленность излучающей и приемной антенн; поглощение звука; рассеивающие свойства морской среды.
Энергетическая теория реверберации достаточно полно изложена в работах [13, 25-32] и целом ряде других; однако она является приближенной. Эта теория не учитывает особенностей распространения звука, связанных с его рефракцией в морской среде, а именно средняя скорость распространения звука по глубине остается постоянной. Рассеивающие свойства морской среды в горизонтальной плоскости предполагаются статистически однородными, не учитывается вторичное рассеяние.
Границы применимости энергетической теории определяются условием:
/»<?*,, (2) где / -текущее время, 5зф - эффективная длительность излучаемых сигналов.
Это означает, что теория описывает так называемую дальнюю реверберацию, либо она справедлива при небольших длительностях сигналов.
Для средней интенсивности реверберации характерны следующие общие закономерности:
- средняя интенсивность пропорциональна излучаемой акустической
мощности, эффективной длительности сигнала и коэффициенту, зависящему от направленности акустических антенн;
- средняя интенсивность падает с увеличением поглощения звука в море;
- для убывания средней интенсивности во времени характерен степенной
закон с показателями 2, 3 и 4 соответственно для реверберации, обусловленной рассеянием на неоднородностях, расположенных в безграничной среде, в слое и на границе раздела двух сред.
Для проверки теоретических законов спада средней интенсивности реверберации в зависимости от времени были проведены многочисленные эксперименты.
В работах [13,31] обсуждаются зависимости уровня реверберации от длительности излучаемого сигнала. Линейная связь между уровнем реверберации и длительностью сигнала наблюдается только до определенных значений длительностей, далее уровень реверберации от длительности зависит более слабо и, наконец, практически не зависит. Такой результат является естественным, так как для больших длительностей импульсов не выполняется условие (2), при котором рассматриваемая энергетическая теория справедлива.
Для оценки уровней реверберации в различных морских условиях часто используются понятия силы реверберации и так называемых эквивалентных радиусов [13]. (Под эквивалентным радиусом гэ понимают радиус такой зеркально отражающей сферы, которая, будучи помещенной на расстоянии, равном расстоянию до рассеивающей области, создает в точке приема эхо-
сигнал, интенсивность которого совпадает со средней интенсивностью реверберации.)
К настоящему времени имеется значительное количество работ, содержащих материалы исследований уровней рассеяния. Одна группа работ касается теоретического анализа рассеивающих свойств морской среды; в этих работах изучается рассеяние на воздушных пузырьках, температурных неоднородностях, микроорганизмах, рыбах, шероховатостях морской поверхности и грунта, а также рассеивателях других типов. Вторая группа работ посвящена экспериментальному изучению коэффициентов рассеяния водной среды и ее границ.
По результатам большинства исследователей (работы [13, 31-35]) значения коэффициента объемного рассеяния т0У лежат в пределах от - 40 до -100 дб/м. Так, в работе [32] для т0У приводятся значения от —50,4 до -90,4 дб/м, а в работе [33] экспериментальные величины тОУ определены в интервале от -64 до -81 дб/м. В последней из указанных работ приведены так же результаты измерений величины /и„ в функции глубины и частоты. Измерения проводились в трех различных районах северо-западной части Атлантического океана.
Эффекты увеличения уровня рассеяния в слоях, залегающих на глубинах от 100 до 1000 м (звукорассеивающие глубоководные слои), объясняются по данным большинства работ повышенной концентрацией в них морских организмов, в основном микроорганизмов и рыб. Эти слои мигрируют, и их рассеивающие свойства, как правило, изменяются в течение суток. И зависят от времени года и географического района. Кроме того, в качестве возможных причин, которые могут вызвать увеличение уровня объемного рассеяния, указываются температурные неоднородности, высокие температурные градиенты и изменения плотности воды; в порядке предположения обсуждается так же возможность концентрации вблизи глубин со скачками температуры и плотности воды живых организмов, падающих остатков и других
неоднородностей, которые при определенных условиях могут вызывать повышенное рассеяние звука.
Исследования акустических характеристик глубоководных рассеивающих слоев проводились различными методами: при помощи излучения импульсов, тональных сигналов и при помощи взрывных источников. В некоторых работах (например, [33, 35]) отмечается наличие максимумов в уровнях объемного рассеяния, соответствующих определенным частотам, лежащим в диапазоне 4-6 кГц. В статье [34] отмечается, что эти максимумы часто лежат и на более высоких частотах (превышающих 5 кгц). Положение максимумов на шкале частот изменяется в течение суток, что, по мнению авторов указанных работ, указывает на биологическое происхождение исследованных звукорассеивающих слоев.
Удобнее всего измерять вертикальное распределение силы объемного рассеяния с помощью узконаправленных преобразователей. Однако в реальных условиях измерения с помощью тонально-импульсных сигналов занимают много времени, так как на каждой частоте они требуют многократного повторения для последующего усреднения измеренных сигналов. Снятие частотных характеристик силы рассеяния требует синхронности измерения на разных частотах, в особенности во время миграций, когда характеристики силы рассеяния быстро меняются. Этот недостаток позволяет устранить применение параметрических излучателей с использованием линейной частотной модуляции излученного сигнала [36]. Однако, надо иметь в виду, что параметрические антенны появились недавно и начало их использования в исследовании ЗРС следует отнести к 1986 г. Поэтому большая часть исследования ЗРС была проведена с помощью так называемой взрывной методики.
Источником звука в этом методе служит приповерхностный взрыв толовой шашки весом, как правило, 200 г, который создает мощный широкополосный акустический импульс. В непосредственной близости от места подрыва располагают приемник звука, который принимает рассеянные в обратном
- Киев+380960830922