Нелинейное взаимодействие акустических волн в задачах гидролокации

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 6
1. ПРИНЦИПЫ И ПУТИ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН........................................ 17
1.1. Анализ задач, решаемых с помощью гидроакустических систем, использующих
параметрические антенны................................ 17
1.2. Аналитический обзор результатов исследований процессов нелинейного взаимодействия
акустических волн.................................... 30
1.3. Анализ вопросов разработки гидроакустических систем на основе эффектов нелинейного взаимодействия и результатов использования параметрических антенн в гидролокации...................... 37
1.4. Основные результаты и выводы.......................... 52
2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ..................... 54
2.1. Структура, особенности построения и технические характеристики параметрических гидроакустических
систем................................................. 54
2.2. Энергетическая дальность действия параметрических гидролокаторов в условиях воздействия шумовой
помехи................................................. 59
2.3. Энергетические характеристики параметрических гидролокаторов с учетом шумовой помехи и
з
объемной реверберации...................................... 70
2.4. Энергетическая дальность действия параметрических гидролокаторов в присутствии шумовой помехи,
объемной и поверхностной реверберации....................... 82
2.5. Расчет дальности обнаружения придонных объектов
с учетом влияния донной реверберации....................... 88
2.6. Расчет энергетического потенциала параметрического гидролокатора при обнаружении заиленных объектов 94
2.7. Энергетические характеристики параметрического профилографа донных осадочных структур.................... 104
3. ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАЮЩИХ АНТЕНН ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ.................................... 114
3.1. Основные соотношения, описывающие процессы нелинейного взаимодействия акустических волн и характеристики параметрических излучающих
антенн.................................................... 114
3.2. Методика и особенности проведения экспериментальных исследований процессов нелинейной генерации, отражения и рассеяния взаимодействующих акустических сигналов....................... 123
3.3. Энергетический потенциал, амплитудные и частотные характеристики параметрических
излучающих антенн гидролокаторов.......................... 142
3.4. Формирование характеристики направленности параметрической антенны и управление ее
положением в пространстве................................. 158
3.5. Излучение пространственно-частотных сигналов
с помощью параметрической антенны......................... 182
3.6. Исследование влияния границы раздела двух
4
сред на характеристики параметрической антенны.......... 188
3.7. Исследование работы параметрических
антенн в мелком море.................................... 228
4. РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ИХ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК............................................... 241
4.1. Способы обзора пространства, реализуемые параметрическими гидролокационными системами, и основные требования, предъявляемые к трактам
излучения и приема...................................... 241
4.2. Малогабаритный рыбопоисковый эхолот “Пескарь”
с параметрическим режимом работы........................ 245
4.3. Исследовательские параметрические
гидролокаторы и профилографы............................ 257
4.4. Разработка и исследование параметрического излучающего тракта гидролокатора со сканирующей характеристикой направленности для обнаружения заиленных объектов и
трубопроводов........................................... 284
4.5. Разработка параметрических гидролокаторов
для подводных необитаемых аппаратов..................... 290
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ
ЗАДАЧ ПОДВОДНОГО ПОИСКА................................ 311
5.1. Исследование частотных и угловых характеристик рассеяния морского дна с помощью параметрических гидроакустических локационных систем.................... 311
5.2. Стратификация донных осадочных структур
5
и поиск заиленных объектов с помощью параметрических гидроакустических
профилографов и локаторов.............................. 315
5.3. Результаты исследований звукорассеивающих слоев и гидрофизических неоднородностей в океане с помощью параметрических
гидролокаторов......................................... 330
5.4. Применение широкополосных параметрических гидроакустических эхолокационных систем для исследования частотных характеристик подводных объектов с целью поиска
классификационных признаков............................ 338
5.5. Применение параметрических локаторов и
эхолотов для решения рыбопромысловых задач............. 358
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................. 367
ЛИТЕРАТУРА................................................. 374
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................. 400
ВВЕДЕНИЕ
6
Мировой океан с его минеральными, биологическими, энергетическими и другими ресурсами интенсивно изучается. За последние десятилетия кардинально изменились наши представления о динамике вод океана, его роли в формировании климата Земли, строении океанского дна. Выдающуюся роль в этом нарастающем процессе изучения и освоения океана играет гидроакустика, так как лишь звуковые волны способны распространяться в толще воды на достаточно большие расстояния.
Решение актуальных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств требует непрерывного совершенствования гидроакустических средств, поиска новых методов их построения.
Для развития гидроакустической аппаратуры, как и другой техники, характерны периоды резкого улучшения качественных показателей за счет существенных успехов в какой-либо из отраслей хозяйства или направлений науки. Так, например, появление пьезокерамических преобразователей быстро вытеснило кварцевые и магнитострикционные и, тем самым, привело к существенному видоизменению гидроакустических станций, обеспечив более высокую скорость обзора, возможность сканирования характеристики направленности, снижения массо-габаритных показателей и т.д. Успехи в электронике, микроэлектронике, цифровой и вычислительной технике позволили значительно усовершенствовать методы обработки сигналов, создать системы представления информации в цветовой гамме и новые способы ее хранения. Информация, извлекаемая из больших объемов данных, создала предпосылки разработки многочисленных вариантов автоматического обнаружения и классификации.
7
Однако, после того, как все возможности устройств обработки, фильтрации, индикации, принятия решений исчерпаны, т.е. обеспечены предельно достижимые параметры гидроакустической техники, ключевой задачей становится получение нового объема первичных данных. Действительно, невозможно получить на выходе системы больше информации, чем заложено в гидроакустическом канале, представляющем собой совокупность излучающей и приемной антенн и среды распространения сигналов /1 /.
Увеличить информативность гидроакустического канала можно путем совершенствования параметров излучающего и приемного трактов гидроакустических систем, применения новых типов сигналов, более полного использования заложенного в амплитудных, частотных и фазовых характеристиках потенциала.
Возникает, таким образом, проблема разработки новых принципов излучения акустической энергии, которые должны привести к улучшению показателей качества гидроакустических средств в трудных, с акустической точки зрения, ситуациях. В этом плане весьма перспективной представляется идея использования в качестве источников гидроакустических сигналов, так называемых, параметрических излучающих антенн, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии акустических волн при распространении. Применение параметрических антенн в гидролокационной аппаратуре позволяет за счет их необычайной широкополосности, высокой направленности, низкого уровня бокового поля, малогабаритности существенно увеличить отношение сигнал/шум в сложной помеховой обстановке, повысить информативность и точность при обнаружении и определении координат подводных объектов, получать дополнительные классификационные признаки при распознавании, снизить массогабаритные показатели,
8
обеспечивая тем самым возможность оснащения гидроакустической техникой маломерных судов и подводных аппаратов.
Круг конкретных задач, которые могут быть решены параметрическими гидроакустическими локационными системами, весьма широк. Их применение дает возможность выполнить противоречивые требования, предъявляемые к гидроакустической аппаратуре при ее проектировании. Всякий раз при выборе параметров гидроакустических средств приходится искать компромиссные решения. Достаточно указать одну из наиболее сложных задач гидроакустики - обнаружение объектов, находящихся на дне или погруженных в донный грунт, которое осуществляется на фоне сложной помеховой обстановки (повышенного уровня шумов, интенсивной донной реверберации). Для обеспечения высокого разрешения по дальности и угловым координатам стараются использовать сравнительно высокочастотные зондирующие сигналы, но для того, чтобы обеспечить проникновение звука в грунт, необходимо использование низких частот. Причем, нижняя граница ограничена дифракционными явлениями и определяется размерами объекта. Помимо этого, наличие массогабаритных ограничений, которые всегда существуют для такого типа аппаратуры, также не позволяет значительно снижать рабочую частоту. Указанные противоречия не удается разрешить традиционными методами. Найти соответствие и построить аппаратуру для обнаружения заиленных объектов позволяет использование параметрических антенн с их малогабаритностью при высоконаправленном излучении низких частот, широкополосностью и, следовательно, возможностью излучения сложных сигналов с большой относительной полосой.
Помимо улучшения показателей качества гидролокационных систем, решающих традиционные задачи подводного наблюдения, навигации, связи, телеметрии, морской геологии, подводных промыслов по-
9
лезных ископаемых, рыболовства и т.д. /2/, появление параметрических антенн открывает перспективы расширения областей применения гидроакустических средств и использования гидроакустики там, где ранее использовались другие методы и средства.
Следует отметить, что излучатель на основе эффекта нелинейного взаимодействия акустических волн является достаточно тонким инструментом, обладает не только преимуществами, но и недостатками (невысокая эффективность преобразования энергии), что заставляет подходить к вопросам разработки и эксплуатации параметрических гидролокационных систем с научной точки зрения, используя системный подход. Параметрическая антенна не может рассматриваться в качестве альтернативы существующим антеннам в гидролокации. Она является важным дополнением, позволяющим обеспечить решение сложных, специфических задач, часть из которых не решалась акустическими методами. Эффективность гидроакустических локационных систем с параметрическим режимом работы оказывается тем выше, чем сложнее помеховая обстановка, в которой осуществляется подводный поиск.
Таким образом, необходимость решения усложняющихся задач океанологии, рыбопромысла, навигации, морской геологии, нефтегазодобычи и др., с одной стороны, и появление нового перспективного принципа получения акустической энергии, позволяющего повысить информативность гидроакустического канала гидролокационных систем, с другой стороны, предопределили направление настоящих исследований.
К моменту начала работ по указанной теме во всем мире интенсивно проводились теоретические и экспериментальные исследования процессов нелинейного взаимодействия волн в различных условиях, осуществлялись попытки применения параметрических излучателей
10
для целей измерений, гидролокации, связи, росло количество публикаций. Используя передовые технологии и поток информации, достижения в области нелинейной акустики воплощались в реальные параметрические приборы.
В этом бурном процессе исследований, построения математических моделей, разработки методов расчета и измерений, выяснении физической картины нелинейных явлений, разработки макетов параметрических приборов, проектировании опытных образцов, создании серийной гидроакустической аппаратуры с параметрическим режимом, проведении экспериментальных исследований и испытаний принял участие и автор настоящей работы.
С учетом актуальности темы и огромной заинтересованности в практическом использовании эффектов нелинейного взаимодействия, научные исследования носили преимущественно прикладной характер и были ориентированы на нужды отраслей народного хозяйства, тесно связанных с подводным наблюдением и поиском, работами на подводных технических сооружениях, разведкой и добычей минеральных и биологических ресурсов океана.
Целью работы, таким образом, является решение научной и прикладной проблемы создания гидроакустических приборов и антенн на основе нелинейного взаимодействия волн, разработка методов расчета и принципов построения параметрических излучающих трактов гидролокаторов, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в повышении качества и эффективности гидроакустических локационных средств обнаружения и классификации.
Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами, сравнением с известными результатами и экспериментальными
11
данными. Физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и натурных условиях, включая исследования на морских полигонах и судах, в морях, океанах и во внутренних водоемах. Достоверность измерений обеспечивалась метрологической базой, соответствующей обработкой результатов и сравнением с результатами, полученными другими методами и средствами. Результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу принципов построения гидроакустической локационной аппаратуры с параметрическими излучающими антеннами. Благодаря проведенным исследованиям создан ряд образцов параметрических гидроакустических локационных систем для целей рыбопоиска, исследования дна и донных осадков, обнаружения заиленных объектов и трубопроводов, изучения звукорассеивающих слоев в океане и др. Принципы построения, алгоритмы, аппаратурные реализации проведены путем измерений характеристик разработанных приборов и многочисленных исследований в морских и океанских условиях.
Научная и практическая значимость работы определяется новым подходом к решению задач подводного поиска в сложных, с акустической точки зрения, ситуациях и состоит в разработке методов расчета и принципов построения параметрических гидролокационных приборов; расширении представлений о физических явлениях, наблюдающихся при нелинейной генерации и отражении акустических волн; выработке рекомендаций по созданию гидроакустических локационных систем на основе параметрического излучения, получении новых результатов исследования океана, разведки минеральных и биологических ресурсов, решения практических задач на подводных технических сооружениях.
12
На защиту выносятся следующие теоретически и экспериментально исследованные научные результаты и положения.
1. Методы расчета энергетических характеристик параметрических гидроакустических локационных систем, предназначенных для стратификации донных осадочных структур и поиска подводных объектов различной природы в толще воды, вблизи дна и поверхности, в донном грунте с учетом различной помеховой обстановки.
2. Методики измерений нелинейной генерации акустических волн, их распространения, отражения от границ и препятствий, рассеяния от распределенных и сосредоточенных объектов локации.
3. Способы формирования направленности параметрических антенн, управления положением характеристик направленности в пространстве, излучения сигналов с пространственно-частотной зависимостью.
4.Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний характеристик параметрических излучающих антенн гидроакустических локационных систем различного назначения.
5. Обоснование механизма влияния границ раздела двух сред на характеристики параметрических антенн и результаты исследования их работы в мелком море.
6. Принципы построения, рекомендации и результаты практической реализации гидроакустических локационных систем с параметрическими излучающими антеннами, предназначенных для подводного поиска, решения рыбопромысловых задач, обнаружения заиленных объектов, контроля заиленных участков трубопроводов, стратификации донных осадков, исследовательских целей, устанавливаемых на судах и подводных аппаратах.
7. Результаты экспериментальных исследований, проведенных с помощью параметрических гидроакустических локационных систем в
13
интересах изучения характеристик дна и донных осадков, звукорассеивающих слоев и гидрофизических неоднородностей, рыбопромысловых объектов, а также поиска классификационных признаков объектов локации.
Разработанные в диссертации методы, алгоритмы, полученные результаты и выводы использовались в следующих хоздоговорных НИР и ОКР, выполняемых по Постановлениям Правительства и директивных органов: “Макрель”, “Поверхность”, “Пескарь”, “Кабарга”, “Гермес”, “Мирон”, “Омар”, “Дельта”, “Щарник-ГКНО”, “Цагнат-МН”, в которых автор был ответственным исполнителем, зам. научного руководителя, либо научным руководителем. Научные и практические результаты диссертации внедрены на предприятиях ЦНИИ “Гидроприбор” (г. Санкт-Петербург), НПО “Южморгеология” (г. Геленджик), НИИ “БРИЗ” (г. Таганрог), ГНИНГИ МО РФ (г. Санкт-Петербург), в/ч 10729 (г. Пушкин), НИИ “Гидроприбор” (г. Уральск), Акустический институт (г. Москва) при разработке, изготовлении и испытаниях макетов и опытных образцов гидроакустической аппаратуры. Научные и практические результаты, полученные в диссертации и изложенные в статьях и научных отчетах, используются в учебном процессе при подготовке студентов в Таганрогском Государственном радиотехническом университете.
По результатам исследований опубликовано 69 научных работ, в том числе одна монография и одна глава в монографии, изданной в США, 65 статей и тезисов докладов, 2 изобретения. Кроме того, автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации, по которым в ВИНИТИ зарегистрировано 16 научно-технических отчетов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
14
В первой главе рассмотрен перечень задач, решаемых с помощью гидроакустических систем, использующих параметрические антенны, проведен обзор результатов исследований процессов нелинейного взаимодействия акустических волн, проанализированы вопросы разработки гидроакустических систем на основе эффектов нелинейного взаимодействия, обсуждаются принципы построения параметрических гидролокаторов и результаты использования параметрических антенн в гидролокации.
Вторая глава посвящена разработке методов расчета и научно-техническим основам создания параметрических гидроакустических локационных систем. Проведен анализ особенностей построения и рассмотрены технические характеристики гидролокационных систем с параметрическим режимом работы. Разработаны методы расчета энергетических характеристик параметрических гидролокаторов в условиях воздействия шумовой помехи, объемной, поверхностной и донной реверберации. Получены выражения для расчета дальности обнаружения придонных и заиленных объектов в присутствии помех. Решена задача определения энергетического потенциала параметрического профилографа донных осадков. Проведен анализ коэффициента взаимной направленности антенн с учетом особенностей параметрического гидролокатора. Предложены способы обзора пространства, которые могут быть реализованы параметрическими гидролокационными средствами.
В третьей главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований акустического поля параметрических антенн гидролокационных систем. Для описания процессов нелинейного взаимодействия используется решение уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова. Приводятся методики и особенности проведения экспериментальных исследований нелинейной генерации, отражения и рассеяния акустических сигналов. Рассматриваются амплитудные, простран-
15
ственные, амплитудно-частотные характеристики параметрических излучающих антенн. Исследованы вопросы формирования различных характеристик направленности параметрических антенн, предлагается способ создания секторной характеристики направленности в одной или обеих плоскостях, подтверждается возможность электронного управления положением характеристики направленности в пространстве. Проводятся исследования излучения сигналов с пространственно-частотной зависимостью, т.е. одновременное сканирование характеристики направленности с изменением частоты излучаемого сигнала (так называемое, “частотное окрашивание” пространства).
Проведена оценка влияния границ раздела двух сред на характеристики параметрических антенн, исследована возможность селективного возбуждения первой моды нормальной волны в мелкой воде.
В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки параметрических гидроакустических локационных систем, приводятся результаты испытаний и исследований их характеристик, анализируются требования, предъявляемые к трактам излучения и приема. Рассматриваются вопросы разработки антенн накачки и исследования их параметров, способы формирования сигналов накачки и разработки структуры формирователя. Приводятся характеристики малогабаритного рыбопоискового эхолота “Пескарь” с параметрическим режимом работы, представлены исследовательские параметрические гидролокаторы и профилографы, разработанные с участием автора. Приводится описание параметрического гидролокатора секторного обзора, параметрического гидролокатора со сканирующей характеристикой направленности для поиска заиленных объектов и контроля трубопроводов, параметрических гидролокаторов и эхолотов, устанавливаемых на подводных необитаемых аппаратах, рассматриваются результаты исследований их характеристик.
16
Пятая глава посвящена различного рода исследованиям и вопросам решения практических задач с использованием параметрических гидроакустических локационных систем. Приводятся результаты исследований частотных и угловых характеристик рассеяния морского дна, стратификации донных осадочных структур, обнаружения заиленных объектов, исследования звукорассеивающих слоев и гидрофизических неоднородностей в океане, поиска рыбных скоплений, измерений частотных зависимостей силы цели рыб, а также калибровочных сфер, используемых для проверки гидроакустической техники в море, применения широкополосных параметрических эхолокаторов для исследования частотных характеристик рассеяния подводных объектов с целью поиска классификационных признаков.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по грантам 93-02-14878 и 96-02-16312.
17
1. ПРИНЦИПЫ И ПУТИ ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
1.1. Анализ задач, решаемых с помощью гидроакустических
систем, использующих параметрические антенны
1.1.1. Большие усилия затрачиваются во всем мире на изучение океана, поиск и добычу его богатств. Основные особенности, с которыми приходится сталкиваться при поиске под водой, связаны с трудностями получения информации.
Гидроакустическая техника все более широко применяется для решения важнейших народно-хозяйственных проблем по освоению Мирового океана: поиска полезных ископаемых на дне морей и океанов, оценки запасов биомассы, определения видового состава рыб, донных отложений, гидрологических характеристик океана, решения навигационных задач и т.д.
При решении перечисленных задач с помощью активного гидроакустического режима приходится иметь дело с очень большой разницей в эквивалентном акустическом сечении целей - от десятков метров (при исследовании генерального рельефа морского дна) до единиц и долей квадратных сантиметров ( при регистрации отражений от биологических объектов или исследовании микрорельефа морского дна /3-6/. Существенна разница в частотно-угловых характеристиках рассеяния подводных объектов, зависящих от формы, материала, внутренней структуры отражающего объекта и характеристик гидроакустических каналов. Гид-
18
роакустические помехи, которые необходимо учитывать при решении указанных задач, имеют различный характер и уровень.
Разнообразие условий гидрологии и объектов локации не позволяет создать универсальную гидроакустическую аппаратуру, способную эффективно решать все задачи, связанные с освоением Мирового океана. Применение имеющейся аппаратуры для решения новых задач часто также оказывается нерациональным. Разумным решением в этих случаях является разработка специализированной гидроакустической аппаратуры, пригодной для оптимального решения хотя бы небольшого числа важнейших народно-хозяйственных задач, например, оценки запасов биомассы, поиска полезных ископаемых на шельфе, контроля заиленных трубопроводов и т.д. При проектировании специализированных гидроакустических систем удается наиболее эффективно использовать не только оптимальные варианты построения классических гидроакустических средств, но и удачно внедрять новые методы обработки сигналов, представления гидроакустической информации, принципов излучения и Т.Д.
На сегодняшний день к основным направлениям развития гидроакустических локационных средств можно отнести следующие:
- увеличение дальности действия путем повышения излучаемой акустической мощности, использования низких и сверхнизких частот;
- повышение разрешающей способности и точности определения координат за счет использования сложных сигналов и методов пространственной и временной обработки;
- ослабление влияния реверберации на работу гидроакустических станций;
- совершенствование и разработка систем распознавания и классификации объектов по различию их гидроакустических характеристик;
- снижение габаритов и веса гидроакустической аппаратуры;
19
- разработка комплексов, которые кроме обнаружения и определения местоположения решают задачи сопровождения, классификации, слежения одновременно за несколькими целями;
- обеспечение возможности поиска заиленных объектов и объектов в толще донного грунта, стратификация донных отложений, разведка полезных ископаемых и т.д.
Успешное решение многих из перечисленных проблем представляется возможным с помощью систем, работающих на принципах нелинейной гидроакустики.
Параметрические приборы, благодаря своим уникальным характеристикам, позволяют поднять возможности гидроакустических систем на новый, качественно более высокий уровень, позволяют увеличить вероятность обнаружения и классификации, повысить разрешающую способность, ослабить уровень реверберационных помех, снизить весогабаритные показатели аппаратуры и т.д.
Возможность использования нелинейных эффектов в целях гидролокации все больше привлекает внимание специалистов. Однако, являясь и новым, и перспективным средством, гидроакустическая аппаратура, использующая принципы нелинейной акустики, сама по себе не может решить всех задач. Параметрическое излучение следует рассматривать как очень важный дополнительный режим работы, который дает неоспоримые преимущества при решении большого класса проблем, имея при этом определенные ограничения и недостатки. В определенных ситуаци-иях недостатки не являются сколько-нибудь существенным препятствием, так как ряд задач другими методами, кроме применения параметрического режима излучения, решить не удается.
Рассмотрим задачи, которые могут быть эффективно решены с помощью гидроакустических систем на основе параметрического излучения.
20
1.1.2. Одними из наиболее перспективных вариантов использования параметрических антенн в гидроакустике являются морская геология, геоакустика, сейсмоакустика, базирующиеся на анализе стратификации донных отложений с целью поиска полезных ископаемых, определения структуры дна для строительства инженерных гидросооружений, оценки сапропелевых накоплений во внутренних водоемах для определения перспективности их добычи при производстве органических удобрений, оценки иловых загрязнений (так называемых технологических илов) с целью экологического контроля водных ресурсов и т.д.
Важной задачей морской геологии и геоакустики является возможность прямого прогнозирования геологического разреза по данным сей-смоакустической разведки.
Тонкая структура придонных осадков традиционно изучается с помощью технологий одноканального и многоканального сейсмопрофилирования с электроискровыми (спаркер), электродинамическими (бумер), пневматическими излучателями, а также магнитострикционными и пьезокерамическими излучателями звука. Для детального исследования верхней части осадочного чехла применяются сигналы низкочастотного диапазона (сотни герц- единицы килогерц). Разрешающая способность указанных методов определяется длительностью излучаемого сигнала и шириной характеристики направленности антенны. В течение последнего десятилетия были разработаны и стали применяться сейсмоакустиче-ские профилографы со сложным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом, обеспечивающие повышение разрешающей способности по вертикали.
Общим принципиальным недостатком обычных широкополосных профилографов является то, что на разных частотах они "озвучивают" различный объем среды, в результате чего любые физические характеристики грунтов, определяемые по отраженным сигналам на разных час-
21
ютах, соответствуют различным объемам осадков и, в общем смысле, не сопоставимы.
В то же время, параметрические узколучевые профилографы озвучивают один и тот же участок среды в пределах узкого луча (одинакового на всех частотах) разностного низкочастотного сигнала, тем самым обеспечивая физически наибольшее пространственное разрешение и достоверность измеряемых параметров. Невысокий энергетический потенциал параметрического излучателя также может быть скомпенсирован использованием ЛЧМ сигналов с большой базой с соответствующей временной обработкой в приеме.
1.1.3. Использование параметрических излучающих антенн в гидроакустике предоставляет возможность создания гидролокационных систем для поиска трубопроводов, закрытых слоем ила или донного грунта, контроля их положения и наблюдения за их состоянием. Поскольку толщина ила над трубопроводом, как правило, невелика, принципиальным является необходимость использования высоконаправленных систем для получения высокого разрешения, так как в противном случае эхо-сигналы от заиленной трубы будут маскироваться более сильными отражениями от дна, обусловленными краем широкой характеристики направленности антенны. Кроме того, для обеспечения хорошего проникновения в грунт система должна быть низкочастотной. Обычно необходимость поиска или контроля положения трубопроводов возникает на мелководье, поэтому габариты антенны должны быть ограничены.
Таким образом, приходится находить компромис между противоречивыми требованиями высоконаправленного излучения низких частот при малых размерах антенны.
Этого можно добиться с использованием параметрической излучающей антенны. Тем более, что за счет широкополосности параметрической антенны можно использовать очень короткие импульсы или слож-
22
ные сигналы для получения высокого разрешения, а также работать на нескольких частотах в зависимости от условий работы и типа грунта.
1.1.4. Для обеспечения возможности захода в гавани и порты больших судов, особенно танкеров, каналы проводки судов должны иметь гарантированную глубину. Поскольку очень часто такая необходимая глубина намного ниже естественной, то в искусственно вырытых каналах происходит быстрое накопление осадков. По этой причине пароходства вынуждены проводить постоянные землечерпательные работы с очень высокой стоимостью. Известны исследовательские проекты, которые проводились с целью минимизации стоимости землечерпания. Одним из наиболее важных вопросов в этих проектах являлся вопрос обеспечения наблюдения за состоянием степени заиливания портов, каналов, форва-теров. В одном из проектов доказывается, что в определенных пределах суда безопасно могут проплывать, скользя по незатвердевшему седи-ментарному слою. Важно лишь точно определить глубину и плотность осадочного слоя.
Таким образом, задача сводится не только к непрерывной регистрации верхней части вертикального разреза грунта с высоким разрешением, но и к классификации и измерению параметров осадков по информации о рассеянном сигнале.
При использовании метода гидроакустической локации зависимость плотности от глубины может быть получена как функция отражательной способности слоев грунта. Гидроакустическая измерительная система должна иметь широкий частотный спектр для получения адекватного разрешения по глубине, излучать низкие частоты для проникновения сигнала на заданную глубину, обладать высокой направленностью, одинаковой во всем диапазоне частот для уменьшения погрешности измерений. В рамках одной обычной антенны таким требованиям удовлетворить чрезвычайно трудно. Эти проблемы могут быть решены с помощью параметрической антенны. При малых размерах антенны накачки она фор-
23
мирует низкочастотный высоконаправленный луч, одинаковый по ширине на всех излучаемых частотах.
1.1.5. На развитие и совершенствование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры большое влияние оказывают изменения в условиях промысла, освоения новых промысловых районов Мирового океана, разведка новых объектов промысла, необходимость обнаружения отдельных рыб и определения их размеров и видовой принадлежности. Одними из важнейших задач промысловой гидроакустики являются задачи поиска рыбных скоплений вблизи поверхности, вблизи дна, на свалах глубин, на мелководье. Наличие отражающих границ затрудняет решение этих вопросов традиционными методами. Перспективным направлением является разработка аппаратуры работающей на принципе нелинейного взаимодействия волн.
Использование рыбопоисковых приборов с параметрическими излучающими антеннами, обладающими высокой направленностью при малых размерах, низким уровнем бокового излучения, широким диапазоном излучаемых частот с постоянной направленностью позволяет более эффективно решать ряд задач поиска рыбы и оценки рыбных запасов. При работе в условиях мелководья, в прибрежной зоне и во внутренних водоемах очевидны преимущества в малогабаритности, высокой направленности и отсутствии боковых лепестков. Например, для траверз-ного обзора при поиске рыбы в приповерхностном слое или в условиях мелководья необходим гидролокатор с минимальным уровнем бокового поля с секторной направленностью (широкой характеристикой направленности в горизонтальной плоскости и узкой - в вертикальной) для увеличения зоны эхоконтакта с целью. Благодаря малым размерам преобразователей параметрические антенны могут быть установлены на судах малого водоизмещения, лодках или небольших буксируемых устройствах и аппаратах. Последнее дает возможность производить обзор приповерхностного слоя снизу. Использование буксируемого устройства по-
24
зволяет также существенно снизить влияние волнения и уровень шумов. Широкий диапазон излучаемых частот с постоянной направленностью дает возможность получения частотных характеристик отражающих подводных объектов промысла и биомассы, что важно для определения размеров и видовой классификации рыб.
1.1.6. К числу задач, которые могут найти удачное решение с помощью гидролокационных систем с параметрическими излучающими антеннами относятся проблемы обнаружения подводных пловцов. Как правило, поиск подводных пловцов производится на сравнительно небольших дистанциях в мелководных районах вблизи поверхности и дна. С целью уменьшения влияния поверхностной и донной реверберации и отражений от поверхности и дна стараются использовать высоконаправленные антенны с минимальным боковым излучением.
Таким требованиям удовлетворяет параметрическая излучающая антенна. Гидролокатор на основе эффекта нелинейного взаимодействия с электронным или механическим сканированием высоконаправленного луча будет обладать повышенной помехоустойчивостью, небольшой мертвой зоной и малыми массогабаритными показателями для установки на малотоннажных судах. Это утверждение подтверждено экспериментами в натурных морских условиях по обнаружению и сопровождению пловцов.
1.1.7. Наличие в параметрической излучающей антенне многочастотного сигнала (сигналов накачки и разностной частоты) позволяет использовать параметрическое излучение для создания, так называемых, эхоледомеров - гидроакустических приборов для измерения толщины ледяного покрова снизу. Высокочастотный сигнал накачки, отражаясь только от нижней кромки льда, регистрирует расстояние до нее, а низкочастотный сигнал разностной частоты, имея сравнительно небольшое затухание, проходит через лед и, отражаясь от верхней кромки,
25
дает возможность определить толщину льда и зарегистрировать рельеф, благодаря высокой направленности.
1.1.8. Благодаря особенностям своих характеристик, параметрические антенны могут найти широкое применение в гидролокации не только для обнаружения, но и для решения вопросов распознавания и классификации подводных объектов.
Проблема классификации объектов локации по эхо-сигналам является одной из основных в гидроакустике. В то же время эта проблема является одной из самых сложных проблем и в наименьшей мере (по сравнению с задачами обнаружения, измерения параметров и т.д.) решена как в теории, так и в практике разработки и использования гидроакустических систем. Если задачи обнаружения сигналов на фоне помех и измерения их координат и параметров движения имеют четкую математическую формулировку и, ставшие уже традиционными, методы решения хорошо согласуются с практикой во многих ситуациях /7-9/, то задачи классификации (распознавания) сигналов и, соответственно, объектов локации значительно сложнее по математической постановке и четко формулируются лишь для ряда частных моделей реальных ситуаций/10-11/.
При распознавании объектов по характеристикам акустических полей исходят из знания параметров излученного сигнала, степени инвариантности этих параметров к различным условиям наблюдения и характера изменения этих параметров, присущего конкретным объектам, отражающим сигнал.
Известно, что применение сложных сигналов, т.е. сигналов с большой базой В =РТ»1 (где Р - ширина спектра сигнала, Т - его длительность), позволяет повысить помехоустойчивость систем по отношению к реверберационным, импульсным, узкополосным и другим помехам с неравномерным спектром, улучшить точность измерения координат и разрешающую способность /12,13/ Влияние сложности сигнала на характе-
26
ристики систем классификации гораздо менее изучено, однако, имеются многочисленные утверждения о повышении достоверности классификации при использовании сложных сигналов /14-16/, хотя общая теория для объяснения и прогнозирования этого эффекта пока не создана. Физически это явление вполне естественно, так как с увеличением сложности, т.е. с повышением размерности сигналов резко увеличивается число возможных классификационных признаков сигналов и растет различие между отдельными сигналами.
Лоцируемые объекты отражают звук в результате нескольких процессов /17/. Наиболее простым процессом формирования эхо-сигналов является зеркальное отражение. Форма сигнала в отраженной волне повторяет форму сигнала в падающей и полностью с ней коррелирована. Возможен случай, когда отражающая поверхность является акустически податливой. Тогда возникает отражение, при котором давление двух волн (падающей и отраженной) взаимно погашаются за счет различия в фазе. На неровностях отражающих объектов возможно рассеяние звука. У большинства реальных объектов имеется множество неровностей на поверхности и эхо-сигнал является суперпозицией сигналов, создаваемых многочисленными центрами рассеяния. Лоцируемые объекты, как правило, не сохраняют акустической жесткости при воздействии на них падающей звуковой волны, а деформируются по сложному закону. Это можно рассматривать как результат проникновения звука внутрь объекта и сложной деформации его под действием звуковой волны. При этом создается эхо-сигнал со сложной формой огибающей, имеющей нерегулярный характер.Отдельные спектральные компоненты зондирующего сигнала могут совпадать с различными резонансными частотами объектов локации. Составляющие звуковой волны с такими частотами возбуждают различные моды колебаний лоцируемого объекта. Эхо-сигналы от движущихся объектов смещаются по частоте вследствие эффекта Допплера. Длительность эхо-сигналов возрастает из-за протя-
27
женности объекта в направлении распространения падающей волны. Такое увеличение длительности эхо-сигнала наиболее заметно, когда используются короткие зондирующие импульсы. В нерегулярном характере огибающей эхо-сигнала у некоторых объектов возникают отдельные вспышки "блики". Это связано с наличием хорошо отражающих участков на их поверхности. Чаще всего эхо-сигнал, наблюдаемый при излучении импульсов с синусоидальным заполнением, напоминает нерегулярный всплеск без каких-либо отличительных признаков. Форма огибающей такого эхо-сигнала изменяется от импульса к импульсу из-за изменения фазовых соотношений между рассеивателями и путей распространения звука до объекта и обратно.
Рассмотренные особенности эхо-сигналов используются при реализации методов и устройств классификации гидроакустических сигналов. При этом предпочтительным представляется использование сложных широкополосных сигналов.
Излучение широкополосных зондирующих импульсов, которые можно успешно сформировать с помощью нелинейных акустических преобразователей /18/, позволяет повысить информативность эхо-сигналов и получить более точные сведения о размерах и структурных характеристиках объекта.
1.1.9. Одной из важных и полезных особенностей параметрической излучающей антенны является широкий диапазон излучаемых частот при одинаковой направленности на всех частотах. Такой широкополосный источник звука может применяться как измерительный излучатель для определения отражающих свойств подводных объектов. В частности, с помощью него возможно проведение измерений силы цели, так называемых, калибровочных сфер, которые используются для оценки параметров гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Этим методом проводится комплексная калибровка приемо-излучающих трактов гидроакустических станций непосредственно в море в районах промысла.
28
Широкополосный параметрический излучатель необходим и при измерениях параметров приемных гидроакустических антенн, работающих на различных частотах.
1.1.10. Проблема обнаружения и распознавания заиленных и лежащих под слоем донного грунта объектов, в том числе трубопроводов, кабелей и т.д., является сложной научно-технической задачей. Поиск таких целей с помощью гидроакустических средств будет всегда сопровождаться большим количеством ложных тревог, вызываемых отражениями от неровностей и неоднородностей морского дна и придонных слоев, камней и т.д. Сигнал от объекта может наблюдаться на фоне сильных отражений от морского дна, которые, в ряде случаев, полностью маскируют полезный эхо-сигнал. Задача усложняется еще и тем, что помимо максимального уровня помех в виде отражений от дна и донной реверберации, происходят значительные потери акустической энергии на затухание в донных структурах и отражение от границы вода-грунт. Ограниченной будет и полоса обзора пространства при поиске заиленных объектов из-за наличия критических углов падения звукового луча, после которых наступает эффект полного внутреннего отражения. Проникающая способность звуковых волн в грунт такова, что не позволяет использовать их на частотах выше 10-15 кГц для обнаружения заиленных целей. Это обстоятельство, с учетом того, что для различения целей по угловым координатам необходимо формировать веер остронаправленных характеристик направленности, требует использования антенной решетки с линейными размерами в несколько метров, что является технически неприемлемым решением. Для различения эхо-сигналов, отраженных заиленным объектом и границей вода-грунт, необходимо использование сложных (широкополосных) сигналов с целью их дальнейшего временного сжатия. Средствами традиционной гидроакустики крайне проблематично излучить сложный сигнал с большой базой и стабильными пространственными характеристиками.
29
Для решения задачи поиска заиленных объектов целесообразно использование параметрических излучающих антенн в качестве источника сигнала. Благодаря высоконаправленному широкополосному излучению на низких частотах при малых размерах преобразователя, параметрические антенны для реализации поставленной задачи практически не имеют конкурентов и позволяют, за счет перечисленных преимуществ, при поиске заиленных малоразмерных целей, трубопроводов и т.д. добиться хорошего разрешения, что особенно важно при малых заглублениях их в толще ила или грунта.
Требования к дальности обнаружения заиленных объектов обуславливают тенденцию понижения рабочей частоты. С другой стороны, требование высокого разрешения по времени приводит к расширению спектра зондирующих сигналов. Эти противоречия обуславливают необходимость использования сложных сигналов с большой относительной полосой. Указанная задача решается использованием параметрического гидролокатора, который обеспечивает работу с широкополосными сигналами, имеет высокую разрешающую способность по пространству при малых габаритах антенной системы и является, пожалуй, единственно возможным средством обнаружения заиленных объектов. Малые размеры антенны при высоконаправленном излучении низких частот делают возможным установку параметрических приборов на судах малого водоизмещения и малогабаритных подводных буксируемых автономных устройствах и аппаратах.
1.1.11. Одним из наиболее важных качеств параметрических гидролокационных систем является возможность оперативной перестройки параметров зондирующих сигналов в достаточно широких пределах. Это позволяет адаптировать излучаемый сигнал к конкретной акустической ситуации. Необходимость такой адаптации возникает тогда, когда не известны и могут меняться в значительных пределах условия распространения и отражения волн, нет достаточной информации об объекте поис-
30
ка, нет эффективных способов выделения эхо-сигнала на фоне помех и т.д. Например, при исследовании донных структур или поиске заиленных объектов от типа грунта, необходимой глубины проникновения, размеров объекта зависит тип зондирующего сигнала, рабочая частота, длительность, база сложного сигнала и другие его параметры, т.е. подобрав оптимальный зондирующий сигнал, можно в данном конкретном случае получить значительно больше полезной информации, чем при использовании гидроакустического средства, использующего зондирующие сигналы с фиксированными, наперед заданными, параметрами. Адаптация может производиться автоматически на основе информации от предыдущих, плавно меняющих свои параметры, зондирующих сигналов. Построение такой системы - не простая задача. Однако объективные возможности для ее реализации существуют на базе использования эффектов нелинейного взаимодействия акустических волн.
1.2. Аналитический обзор результатов исследований процессов нелинейного взаимодействия акустических волн
Как показал анализ, проведенный в предыдущем разделе, применение параметрических излучателей для подводного поиска целесообразно во многих случаях, когда требуется создание высокой направленности без боковых лепестков, излучение низких частот при малых размерах антенной системы, обеспечение широкого частотного диапазона.
Теория нелинейных или параметрических акустических излучателей была предложена Вестервельтом /19,20/. В это же время идея создания параметрических антенн, использующих нелинейное взаимодействие волн, была высказана отечественными исследователями
В.А.Зверевым и А.И.Калачевым /21/. Суть сводилась к тому, что в результате нелинейного взаимодействия двух коллимированных плоских
31
волн генерируется волна разностной частоты. Вестервельтом было показано, что сигнал разностной частоты имеет направленность антенны бегущей волны длиной, определяемой протяженностью зоны взаимодействия. В модели Вестервельта предполагалось, что процессы генерации волны разностной частоты (ВРЧ) происходят в прожекторной зоне преобразователя накачки.
Основываясь на приближении Вестервельта, Берктей в 1965 г. обобщил результаты для произвольного закона модуляции сигналов /22/. Им было показано, что если излучить в среду высокочастотный акустический импульс с произвольной огибающей, то в дальней зоне излучателя генерируется низкочастотный сигнал, амплитуда давления и форма которого пропорциональна второй производной по времени от квадрата огибающей исходного импульса. Это предположение было экспериментально подтверждено Моффетом, Вестервельтом и Бейером, которые назвали процесс самодетектирования переходным параметрическим эффектом /23,24/. При наличии сильного затухания первичных волн на отдельных расстояниях от излучателя можно регистрировать только генерируемый низкочастотный сигнал, форма которого определяется второй производной по времени от квадрата огибающей первичного импульса. В работе /25/ показано, что форма самодетектированного импульса изменяется с увеличением угла между направлением наблюдения и осью системы, приближаясь к постоянной величине, когда этот угол в два раза превышает ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности.
Многочисленные работы по исследованию основных характеристик антенн показали большое влияние апертурных факторов на формирование высокой направленности на разностной частоте /18,26-29/, продемонстрировали свойства постоянства диаграммы направленности в широкой полосе частот /18,20,27,30-32/, показали зависимость эффектив-
32
ности процесса нелинейного взаимодействия от величины разностной частоты /18,33,34/.
Много исследований было проведено для выяснения процессов, происходящих при распространении волн больших интенсивностей. Рассматривались особенности характеристик параметрических излучателей, работающих в режимах, близких к насыщению. Результаты исследований гармоник разностной частоты, генерируемых параметрическим излучателем, работающем в режиме ограничения насыщением, приводятся в работах /35-38/. Авторами представлены данные по спектрам и формам генерируемых волн, а также амплитудные и пространственные характеристики первых трех гармоник.
В работе Мюира и Виллета /38/ наряду с характеристиками параметрического излучателя на разностной частоте, приводятся экспериментальные результаты измерения диаграммы направленности и уровня звукового давления сигналов суммарной частоты.
Исследования процесса нелинейного взаимодействия проводились с использованием различных по форме первичных преобразователей. В работах Берктея /39/, Моффета, Меллена, Конрада /40/ рассматривается модель для расчета характеристик параметрического излучателя с прямоугольной апертурой и представлены результаты экспериментальных исследований. В работе /41/ экспериментально исследованы параметрические излучатели с прямоугольной плоской и изогнутой поверхностью. Отмечается наличие незначительных боковых лепестков в диаграмме направленности.
Авторы работ /42-44/ исследовали характеристики параметрического излучателя со слабовыпуклым преобразователем накачки. Отмечена возможность получения широких характеристик направленности с помощью такой апертуры.
В работах /45,46/ рассмотрены характеристики параметрической акустической антенны, первичное поле которой образовано цилиндриче-
33
ски расходящимися волнами. Показано увеличение ширины пучка и уменьшение интенсивности волн разностной частоты по сравнению с использованием источника плоских коллимированных волн. Нелинейное взаимодействие двух сферически расходящихся звуковых пучков рассмотрено в работе /47/.
Основным недостатком параметрических излучателей является сравнительно низкая эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию сигнала разностной частоты.
Эффективность взаимодействия зависит как от физических параметров среды /48-50/, так и от выбранного метода формирования сигналов накачки /48,51-53/. Возможно увеличение эффективности нелинейного преобразования при использовании промежуточной среды с большим параметром нелинейности /50/. Однако при этом растут габариты антенны за счет объема промежуточной среды. Мерклингер /52/ и Эллер /53/ исследовали возможности увеличения эффективности параметрического источника путем использования первичного многокомпонентного сигнала. Показано, что теоретически возможно достижение увеличения эффективности до 6 дБ. Существенным ограничением данного метода является необходимость значительного расширения полосы пропускания преобразователя накачки.
С целью повышения эффективности проводятся исследования нелинейного взаимодействия в двухфазных средах. Теоретические исследования характеристик параметрических излучателей в сплошной пузырьковой среде /54,55/ показали, что увеличение уровня звукового давления волн разностной частоты на оси сопровождается значительным расширением характеристики направленности. Кроме того, необходимо создавать протяженную пузырьковую среду, что сопряжено с большими трудностями. Значительно легче создать тонкий пузырьковый слой, что и рассматривается авторами работ /56-60/, в которых рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований характери-
34
стик параметрических излучателей с пузырьковым слоем в дальнем поле и в области взаимодействия волн накачки. Введение слоя пузырьков в дальнем поле параметрического излучателя позволяет увеличить уровень давления при сохранении ширины характеристики направленности. Введение слоя пузырьков в область нелинейного взаимодействия повышает эффективность, позволяет управлять направленностью.
Вопросы реализации остронаправленного параметрического гидроакустического излучателя рассмотрены в /61/, причем, повышение эффективности параметрического взаимодействия достигнуто за счет использования сигнала накачки с гребенчатым спектром. Сигнал накачки представляет собой биение нескольких колебаний с частотами, отличающимися одна от другой на величину разностной частоты и одинаковой начальной фазой. При взаимодействии спектральных компонент такого сигнала накачки формируется широкополосный сигнал разностной частоты с дискретным спектром, при этом основная часть энергии перекачивается в амплитуду сигнала накачки, являющейся нижней частотой в спектре сигнала разностной частоты. Проведенные исследования показали возможность увеличения эффективности параметрического взаимодействия. Использовался плоский преобразователь накачки с геометрическими размерами 0,7x0,9 м, работающий на средней частоте 1 = 20 кГц при акустической мощности 5 кВт, обеспечивая генерацию сигнала разностной частоты в диапазоне 31,5-500 Гц.
В /62/ рассматриваются вопросы реализации преобразователей накачки с увеличенной площадью излучения и возможности их применения в параметрических гидроакустических излучателях. Предлагается преобразователь накачки выполнить в виде плоской дискретной антенной решетки, набранной из отдельных направленных преобразователей. В таких излучателях удается увеличить уровень излучения на разностных частотах и появляется возможность формирования диаграммы направленности требуемой конфигурации.
35
Поиски путей повышения эффективности параметрических источников звука продолжаются, однако, следует отметить, что невысокий коэффициент преобразования ни в коей мере не умаляет достоинств параметрических антенн и не является помехой их практическому использованию.
Большие успехи в решении вопросов взаимодействия волн конечной амплитуды достигнуты отечественными учеными. Академиком Р.В.Хохловым и его учениками предложен новый подход к решению задач нелинейной акустики. Уравнение, описывающее поведение ограниченных пучков волн конечной амплитуды, удалось получить в квазиопти-ческом приближении с использованием метода изменяющегося профиля /63-68/. Достаточно полный анализ работ, посвященных теоретическому решению вопросов нелинейной акустики, дан О.В.Руденко и
С.И.Солуяном /68/. В нелинейной акустике произошел поворот от исследования идеализированных одномерных задач к изучению распространения волн в более реальных условиях. Этот математический аппарат оказался очень удобным для расчета параметрических антенн /18/. Использование метода решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК) /68/ позволяет описывать динамику формирования акустического поля разностной частоты с учетом всех факторов, влияющих на работу параметрических антенн.
Теоретический анализ работы параметрических излучателей звука, учитывающий дифракцию и диссипацию всех волн, проведен Б.К.Новиковым /69/. Им выяснены особенности генерации волн разностной частоты слабыми и мощными волнами накачки, найдены закономерности генерации низкочастотного сигнала амплитудно-модулированной волной с произвольной формой огибающей.
Экспериментальные исследования нелинейного взаимодействия акустических волн и сравнение с теоретическими выводами были проведены в Таганрогском радиотехническом университете /18,42-44,70-73/ и
36
др. Полученные результаты подтвердили правильность выбранной теоретической модели параметрической антенны и позволили установить ряд основных закономерностей процесса нелинейного взаимодействия. В работе /74/ представлены впервые полученные результаты исследований фазовых полей параметрических излучателей. Авторами в /70/ рассматриваются закономерности взаимодействия дифрагирующих звуковых пучков. В /75/ описывается исследование излучения широкополосного шума с помощью параметрического излучателя. В работе /76/ представлены результаты экспериментальных исследований основных характеристик широкополосных параметрических излучателей звука для измерительных целей.
Вопросам использования нелинейных эффектов для создания измерительной аппаратуры посвящена также работа /77/. В ней представлены результаты исследований основных характеристик нелинейного акустического приемно-излучающего комплекса, содержащего параметрическую излучающую и параметрическую приемную антенны, разработаны принципы аппаратурной реализации таких устройств.
Исследования параметрических излучающих антенн и пространственного распределения волны разностной частоты при влиянии плоских отражающих границ проведено в работе /78/.
Исследование процесса нелинейного взаимодействия показало, что характеристики параметрических излучателей зависят от большого числа параметров. Поэтому неоднократно рассматривались вопросы классификации режимов работы и оптимизации параметрических антенн /20,79-85/. Авторы /80/ выделяют четыре основных режима работы параметрических излучателей в зависимости от соотношения параметров исходных волн. Методика оценки и выбора оптимальных параметров нелинейного акустического излучателя, основанная на анализе плосковолнового взаимодействия как предельного случая, предложена в работе /81/. Вопросы оптимизации рассматриваются также в работах /82-84/. Авторы /85/ об-
37
суждают вопросы оптимизации параметров, рассматривая различные режимы работы параметрических излучателей, включая предельные, когда существенны нелинейные искажения волн накачки.
Повышенный интерес к проблемам нелинейной акустики и возрастающий объем публикаций по теме способствует появлению работ, включающих в себя обзоры результатов исследований различных авторов /18-20,32,74,76,77,85-87/ и др. В указанных обзорах отмечается, что, несмотря на значительный прогресс в изучении нелинейных явлений, многое предстоит еще исследовать как с теоретической и экспериментальной точек зрения, так и в вопросах практической реализации параметрических приборов.
1.3. Анализ вопросов разработки гидроакустических систем на основе эффектов нелинейного взаимодействия и результатов использования параметрических антенн
в гидролокации
Возможность применения эффектов нелинейного взаимодействия волн для создания гидроакустических средств представляет большой интерес. Благодаря достоинствам параметрических антенн, они все чаще используются для решения различных задач прикладной гидроакустики. Судя по публикациям, докладам на конференциях, проспектам на выставках, исследования и разработки параметрических антенн для целей гидролокации проходят успешно, определились возможности и перспективы их использования для самых различных целей подводного поиска.
В этом направлении много сделано в Таганрогском Государственном радиотехническом университете, сотрудниками которого разработан ряд параметрических гидроакустических приборов, детально исследованы их характеристики, проведены испытания в морских условиях по использованию созданных устройств для поиска рыбы, регистрации ре-
38
льефа дна, стратификации донных осадков, поиска заиленных объектов и т.д. /18,88-90/.
В /91/ отмечается, что параметрические антенны могут найти широкое применение в судовых эхолотах, особенно в эхолотах специального назначения. Это связано с тем, что в современных эхолотах достигнута высокая точность регистрации времени прихода сигнала при измерении больших глубин. Однако, такие возможности полностью не реализуются вследствие того, что ширина характеристики направленности обычной антенны эхолота составляет около 20 град., а это вызывает появление больших дополнительных погрешностей в измерении глубин. Оптимальная рабочая частота для измерения глубин до 6 км равна 9 кГц. Чтобы на такой частоте сформировать обычными способами характеристику направленности шириной около 2 град., требуется антенна с площадью 25 м2. В новом экспериментальном эхолоте /92/ с частотой волн накачки 200 кГц и разностной 12 кГц применена параметрическая антенна с апертурой 0,225 м. Диаграмма направленности в этом случае 2 град. Макет эхолота может работать и на разностной частоте 3,5 кГц. Получены положительные результаты при исследовании глубин до 4 км.
В работе /93/ рассмотрены вопросы конструирования параметрических гидролокаторов и приведены характеристики эхолокатора с частотой 50 кГц и шириной луча 6 град. По мнению автора, такие гидролокаторы отвечают требованиям современной рыбопоисковой аппаратуры и могут быть применены при обнаружении рыбы, а также при оценке глубины океана.
Разработка нелинейной гидролокационной системы, предназначенной для профилирования дна и батиметрических исследований с большой разрешающей способностью в широкой полосе частот, описана в работе /94/. Обоснован выбор разностных частот в диапазоне 1-10 кГц. Широкополосность параметрической антенны позволяет увеличить отношение сигнал/шум за счет корреляционной обработки используемых
39
сложных сигналов. Ряд примеров использования параметрических антенн в гидролокации приведен в работе /95/.
В лаборатории электроники университета Тронхейма разработан макет эхолота для исследования профиля донных отложений. Применение параметрического излучателя позволило удовлетворить противоречивым требованиям глубокого проникновения ультразвуковых колебаний в грунт и высокого разрешения. При заданной глубине проникновения от 1 до 100 м для песчаных и илистых отложений использовались колебания с частотой от 1 до 7 кГц. С целью повышения разрешающей способности излучались короткие импульсы с тональным заполнением или импульсы большой длительности с фазовой модуляцией. В приемном тракте использовался коррелятор.
Конструкция макета параметрической антенны описана в работе Конрада /96/. Приведены результаты ее использования для регистрации звукорассеивающих слоев в океане и для зондирования придонных слоев грунта. Применение параметрического излучателя в обоих случаях целесообразно, так как при небольших размерах преобразователя накачки он обеспечивает формирование узкого луча на низких частотах. При диаметре круглого излучателя 914 мм и частоте накачки 65 кГц параметрическая антенна имеет однолепестковую диаграмму направленности шириной 4,3 град, на разностной частоте 6,5 кГц. Она работает в режиме насыщения. Уровень звукового давления на разностной частоте - 211 дБ/мкПа/м. Была также продемонстрирована локационная способность параметрического излучателя по цели с отражательной способностью 5 дБ на дистанции 4000 м. Узость пучка и отсутствие боковых лепестков сводит к минимуму реверберационные помехи, которые обычно мешают регистрации эхо-сигнала.
Сотрудниками Бирмингемского университета разработана гидроакустическая система /97,98/, использующая криволинейный преобразователь накачки для увеличения передаваемой мощности. Излучаемая