Пассивная и активная гидролокация

ВВЕДЕНИЕ

Рыбный промысел является одним из самых важных развивающихся секторов российской экономики. Россия обладает большим количеством акваторий, которые славятся в отношении своих рыбных богатств. Поэтому для социально-экономического роста нашей страны необходимы развитие в сфере освоения более новых территорий водного пространства, и, самое главное, постоянный прогресс в развитии производства и модернизации гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры в целом.

В начальной стали своего развития технические средства для промышленного рыболовства использовались в основном для поиска и обнаружения объектов промысла. Эти средства называются рыбопоисковыми гидроакустическими станциями. В настоящий момент функции гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры (РПА) в зависимости от задач промысла постоянно усложняются. Особенной возросла роль РПА в связи с введением двухсотмильных национальных экономических рыболовных зон и заметным обеднением биологических ресурсов Мирового океана. Гидроакустическая РПА постоянно совершенствуется и усложняется в зависимости от типа решаемых задач.

Гидроакустическая РПА является наиболее типичным представителем гидроакустических систем во всем их многообразии. Она имеет значительное число вариантов построения, отличающихся методами технической реализации, обработки гидроакустической информации, способами локации, методами обзора акватории, типами решаемых задач и т.д.

В связи с тем, что появились суда, осуществляющие добычу различных видов продуктов моря практически в любых районах Мирового океана, возникла необходимость разработки РПА многоцелевого назначения, так как установка на этих судах разнообразной РПА узкоцелевого назначения экономически нецелесообразна. В состав аппаратуры многоцелевого назначения может входить несколько трактов (с независимыми акустическими антеннами или одной универсальной), предназначенных для обнаружения и локации придонных и пелагических рыбных скоплений, контроля движения и раскрытия трала. Большинство приборов станции многоцелевого назначения (генераторы, усилители, индикаторы и др.) объединяют в единые конструкции с общими пультами управления и их можно использовать в различных по назначению трактах. Наряду со станциями узкоцелевого и многоцелевого назначения находят применение и гидроакустические рыбопоисковые станции. [Я.С. Карлик]

В данной работе будет произведена проектировка рыбопоисковой станции с использованием сферической антенны и системы модулей обработки полученной информации.

Переработать завершение введения

Целью работы является …

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: …

1) Изучить принципы акустического зондирования в гидросфере

РЫБОПОИСКОВАЯ АППАРАТУРА

Рыбопоисковая аппаратура (РПА) является ключевой частью оборудования поисковых и промысловых судов отечественного и зарубежного флотов. Использование такой аппаратуры дало ряд преимуществ, начиная от значительного сокращения потери времени, направленного на поиск рыбы, и заканчивая почти полным исключением холостых тралений (процесс выявления препятствий на определенной глубине посредством трала).

Эффективность РПА напрямую зависит от её целевого назначения. Так, аппаратура узкоцелевого назначения, к примеру, для обнаружения пелагических рыбных скоплений малоэффективна при поиске придонной рыбы, а РПА, которая рассчитана на поиск придонной рыбы непосредственно под килем, неэффективна при локации такой рыбы в стороне от судна. Точно так же, рыбопоисковая аппаратура для выявления пелагических или придонных скоплений рыбы совершенно не подходит для работы по обнаружению донных скоплений и одиночных рыб, имеющих высокую отражающую способность. [Орлов 1974]

Большинство приборов станции многоцелевого назначения (генераторы, усилители, индикаторы и др.) объединяют в единые конструкции с общими пультами управления и их можно использовать в различных по назначению трактах.

Наряду со станциями узкоцелевого и многоцелевого направления также находят применение гидроакустические РП комплексы. Они организовываются из отдельных станций целевого назначения и при необходимости могут быть скомпонованы из различных частей аппаратуры в зависимости от возникающих к судну требований. В качестве примера можно привести комплекс, состоящий из следующих звеньев: гидролокатор горизонтального действия, эхолот вертикального действия и аппаратуру по контролю орудий лова.

Одни из основных параметров станции, определяемых её назначением, является угол раствора характеристики направленности антенный в азимутальной плоскости, который выбираются в следующих пределах: [Орлов 1974 4 стр.]

Гидроакустическая техника, которая применяется для рыбной промышленности, включает в себя [Орлов Шабров 1987] :

• аппаратуру поиска скопления рыбы (косяка) в районе лова, ее количественной оценки, определения координат и элементов движения, а также глубины нахождения, необходимых для эффективного использования орудий лова;

• аппаратуру контроля за положением орудий лова относительно косяка, их состоянием и рабочими параметрами;

• аппаратуру исследования поведения биологических объектов в среде обитания, приманки или отпугивания их, контроля за их миграцией, получения информации о физических процессах в организмах и т.д.

ОБЪЕКТЫ ПРОМЫСЛА

Ставя задачи проектирования РПА, с помощью который осуществляется поиск объектов промысла, целесообразно выявить основные характеристики последних, которые включают в себя:

• параметры объектов промысла;

• поведение и районы обитания (для обоснования схемы станции и метода обнаружения);

• скорость перемещения (для расчета полосы пропускания приёмно-усилительного тракта, учитывая эффекта Доплера);

• отражательная способность (сила цели).

Основные категории объектов промысла представляют группа большинства видов рыб и млекопитающие – киты. Ввиду того, что в настоящий момент промысел последних ограничен, будем сосредоточены на характеристике группы рыб.

Рыба. Ввиду образа жизни промысловую рыбу разделяют на две группы: пелагическую и придонную. Первая группа, превалирующую часть своей жизни обитает в толще акватории. Вторая группа рыб, обитает в непосредственной близости от дна.

Стая или косяк – совокупность групп рыб одного и того же вида, которые близки по размерам и сходные по своему биологическому состоянию. Более всего распространен стайный образ жизни у пелагических рыб, питаются они планктоном. Величина, а также плотность стаи напрямую зависит от особей, которые ее составляют. Так , например, более мелкие рыбы обычно создают соответственно более плотные стаи. Количество рыб, образующих стаю, может варьироваться в больших пределах. В качестве примера можно привести факт, что стаи тресковых рыб обычно состоят из нескольких десятков или сотен особей, а в свою очередь косяки сельди могут состоять из многих тысяч.

Скопление является объединением стай и разреженной рыбы во период нагула, нереста и зимовки. Обычно скопление составляют особи разных видов и размеров.

Разреженное скопление − вид скопления, в котором на рассеивающую единицу пространства в среднем приходится не больше одной рыбы. Другими словами, практически каждая рыба будет регистрироваться на эхограмме самописца рыбопоисковой аппаратуры в виде обособленной записи. Предельная плотность скопления, регистрируемого как разреженное, определяется по следующему выражению: ρ_пр.= 1/ΔV, где ΔV − объем рассеиваемого элемента пространства в водном слое, толщина которого cτ/2 (величина ρпр. является параметром РПА, характеризующим пространственную разрешающую способность; с − скорость звука в воде, м/с; τ − длительность зондирующего импульса, с).

Плотное скопление − тип скопления, в котором в рассеивающем элементе пространства ∆V содержится не менее 10 особей рыб. Плотность скопления при этом ρс > 10.

Смешанное скопление – тип скопления, у которого плотность варьируется в промежутке между плотностями разреженного и плотного скоплений: ρ_пр. ≤ ρс ≤ 10. [Орлов Шабров 1987]

Ихтиология (наука о рыбах) рассматривает две скорости движения рыб: максимальную и крейсерскую. Максимальную скорость перемещения рыбы могут развить в течение малого промежутка времени (не более 10 мин) в ситуации ухода от опасности. Крейсерская скорость энергетически оптимальна по причине того, что у рыб есть способность выдерживать ее без усталости в период до 24 часов. Скорость движения рыбы имеет зависимость от размеров и может определятся по следующей формуле [30]: v_p = 0,525 f_xl_pt ^-1/8, где l_p –длина рыбы; t − время, с; f_x – частота колебаний хвостового плавника, Гц. Максимальные частоты f_x (по материалам киносъемки) для пелагических особей (тунца, скумбрии, сельди) − до 30 Гц, а для донных (трески, пикши) f_x не превышает 14 Гц.

Отражательную способность рыбы (силу цели) ищут путем эксперимента и определяют величиной обратного рассеяния σ как условную площадь, перпендикулярную к вектору распространения зондирующего сигнала, которая создает рассеяние, аналогичное реальному объекту величин. σ зависит от частоты и длительности зондирующего сигнала, а также породы, массы, размеров и ракурса рыбы, а для стай – дополнительно от плотности распределения особей и размеров скоплений. В результате экспериментов установлена зависимость сечения обратного рассеяния σ, длины акустической волны λ и размера рыбы l [40, 57]: σ/λ² = 0,043(l/λ)^1,91.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Основной функцией гидроакустического антенного устройства является преобразование электрической энергии в звуковую, последующего излучения ее в водную среду, и обратный процесс: прием звуковой энергии и альнейшее преобразовании ее в электрическую [Орлов Шабров 1974].

В водной среде антенна создает звуковое поле. Это поле характеризируется пространственно-временным потенциалом, который связан со звуковым давлением и колебательной скоростью.

Скорость распространения волны в воде с, м/c, находится в связи с длиной волны λ, м, а также с частотой колебаний f, Гц. Эта связь выражается в следующем соотношении: f λ= с.

Звуковая энергия, рассеиваемая антенной в единицу времени, называется акустической мощностью Wв (H*м/с; Вт).

Обычно главное требование от антенны – это излучение энергии в определенных направлениях. Направленность антенны обуславливается явлением интерференции волн. Каждая точка антенны излучает расходящиеся сферические волны, причем в свою очередь каждая точка полнового фронта рождает новые элементарные сферические волны. В каких-то направлениях колебания усиливаются, при совпадении фаз колебаний, в каких-то – в той или степени гасятся, если фазы колебаний не совпадают. Таким образом происходит распределение энергии в пространстве. Распределение энергии зависит от конфигурации антенного устройства: его формы, а также частоты, фаз, амплитуд колебаний отдельных точек антенны. Закономерность распределения в водной среде потенциала Ф, звукового давления p или акустической мощности Wа, которые излучаются ГА в зависимости от направления есть ничто иное, как характеристика направленности.

Форма ХН зависит от изменения расстояния от точки наблюдения до антенны. Антенна излучает волны, совпадающие по фронту с формой её поверхности. К примеру, плоская синфазно колеблющаяся антенна с размером раскрыва D излучает плоские волны, которые сохраняют свою форму до расстояния D²/16λ, называемой «Прожекторной» зоной. Дальше начинается расхождение волнового фронта (ближняя зона дифракции). В этой зоне резко выражены интерференционные явления и искажается характеристика направленности. Ближняя зона располагается до расстояния, которое называется критическим, и примерно равно Lк = 2D²/λ, где D – максимальный размер апертуры. На таком расстоянии волны становятся сферическими и ХН практически стабилизируется по форме (дальняя зона дифракции).

Основные характеристики ГА

Форма характеристики направленности в зависимости от принципа построения станции может быть «игольчатой», «ножевидной», секторной, тороидальной и сферической. У ХН различают основной лепесток, который имеет максимальный уровень по амплитуде, и боковые лепестки с меньшими уровнями.

Ширина основного лепестка ХН 2θ_R с определяет разрешающую способность антенны и измеряется в градусах на уровне 0.7 от максимального значения по давлению или на уровне 0.5 по мощности.

Уровень боковых лепестков измеряют в процентах либо децибелах по отношению к уровню основного лепестка. Боковые лепестки являются нежелательными элементами ХН, так как могут приводить к возникновению целей и уменьшению помехоустойчивости. Работая над проектированием антенн, максимальный уровень боковых лепестков следует ограничить величиной 10 – 30% по давлению.

Неравномерность ХН – понятие, которое вводят с целью ограничения отклонения формы ХН в пределах основного лепестка от заданной и применяют обычно к широким ХН. Чаще всего неравномерность характеристики направленности ограничивают 3 дБ по давлению и 6 дБ по мощности.

Коэффициент осевой концентрации (КОК) характеризует энергетическую эффективность антенны, как в режиме излучения, так и в режиме приема. В первом случае – это способность антенны концентрировать излученную энергию в заданном направлении, а во втором – выделять полезный сигнал на фоне помех. В режиме излучения КОК определяют, как отношение акустических мощностей, которые излучаются направленной и ненаправленной антеннами, создающими одинаковые интенсивности звука (потоки звуковой энергии через единицу площади в единицу времени) в выбранном направлении на равном удалении от центров излучения. В режиме приема КОК можно определить, как отношение мощностей, которые развивают направленная и ненаправленная антенны, находясь в поле изотропных помех при равных чувствительностях.

Чувствительность характеризует способность антенны преобразовывать звуковую энергию в электрическую и выражается отношением напряжения, которое возникает на выходе антенны, к звуковому давлению, воздействующему на нее. В системе СГС чувствительность измеряется в мкВ/Па.

Электроакустический коэффициент полезного действия (КПД) характеризует излучающую способность антенны и является отношением излучаемой акустической мощности к подведенной к антенне электрической мощности. Считается, что антенны с КПД 40-60% обладают хорошей излучающей способностью. Остальная часть энергии расходуется на механические и электрические потери.

Частотная характеристика (ЧХ). Данный параметр характеризует эффективность антенны как электроакустического преобразователя в диапазоне частот. Антенны эхолокационных станции, как правило, состоят из резонансных преобразователей. Вне резонанса их эффективность снижается.

Полоса пропускания (ПП) определяет частотный диапазон эффективного преобразования энергии. Данный параметр измеряется на уровне 0.7 от максимального значения давления и чувствительности и на уровне 0.5 по мощности в процентах от резонансной частоты. ПП антенн обычно колеблется в предела ±(2.5-15)% от f резонансной.

Удельная акустическая мощность. В системе СГС измеряется в Вт/см². Данный параметр представляет собой мощность, приходящуюся на единицу излучающей поверхности. Максимально допустимая удельная акустическая мощность ограничивается конструктивными особенностями преобразователей таких, как механическая прочность, а также кавитационной прочностью воды, которая зависит от ее загазованности, частоты акустических колебаний, гидростатического давления, длительности излучаемого импульса. Допустимая удельная акустическая мощность может лежать в пределах 0.5-10 Вт/см².

Раскрыв антенны – это проекция излучающей либо принимающей поверхности на плоскости, перпендикулярную излучения (приема). Чем больше волновые размеры раскрыва антенны, тем острее может быть ее ХН.

Сопротивление антенны. В общем случае данный параметр представляет собой комплексную величину, которая складывается из внутреннего сопротивления (сопротивления гидроакустической антенны, находящейся в воздухе) и сопротивления излучения, характеризующего реакцию среды. Сопротивление излучения антенны можно найти, составив произведение из акустического произведения волны соответствующей формы и площади излучающей поверхности.

Так, например, для плоских волн, у которых акустическое сопротивление чисто активное и равно ρc, сопротивление излучения антенны будет находится по формуле: z_п = ρcS, где ρ – плотность среды, с – скорость звука в водной среде, S – площадь излучающей поверхности [Орлов Шабров 1974].

Сферическая антенна

Наиболее перспективным классом выпуклых антенн антенн после цилиндрических являются сферические антенны. Такие устройства позволяют осуществлять поворот диаграммы направленности по всем углам только за счет коммутации ее элементов. Но на практике из-за сложных конструктивных особенностей она применяется довольно редко. Число преобразователей, необходимых для обеспечения такого широкоугольного обзора пространства, должно быть приблизительно в пять раз больше, чем у той же антенны с механическим поворотом. Основные трудности возникают при разработке конструкции антенного устройства, который должен обеспечивать форму сферы из преобразователей при достаточно большом количестве электрических выводов. Один из вариантов осуществления сферической конструкции приведен на рис. 3.1. [HiPAP]. Управление ДН таких антенн должно управляться ЭВМ или микропроцессором.

Гидролокационное устройство со сферической антенной позволяет производить быстрый и эффективный поиск в полусферическом объеме воды в пределах дальности действия самого гидролокатора. Этого можно достичь двумя режимами его работы: круговым и комбинированным.

В режиме кругового обзора антенна излучает луч в тонком слое горизонтального кругового сектора. Этот сектор может наклоняться электронным способом по вертикали в интервале от -10^о до 90^о с очень узким угловым шагом, значение шага может доходить порядка 1.5^о. Данный режим управления лучом полностью решает проблему «слепых зон» под судном и вблизи его, которые имеются даже при использовании гидролокаторов с цилиндрическими антеннами.

Рис. 3.1. Конструкция сферического антенного устройства

В комбинированном режиме поиска гидролокатор излучает луч как способом, аналогичным описанное выше, но в секторе 180^о, так и в вертикальном полусекторе обзора эхолотного режима, при котором луч сканируется электронным способом в вертикальной плоскости в пределах 180^о за определенное количество шагов. При этом ориентация вертикального сектора изменяется шагами также и в горизонтальной плоскости. Таким способом за несколько импульсов посылки просматривается вся полусфера под судном. Помимо этого, сферическая антенна в данном случае позволяет осуществить электронную стабилизацию гидроакустического луча в пространстве сразу в двух плоскостях. Показ целей в этом режиме можно производить на одном электронном индикаторе, разделяя поля для информации гидролокатора и информации эхолота [Кобяков, 1986].

ВВЕДЕНИЕ

Рыбный промысел является одним из самых важных развивающихся секторов российской экономики. Россия обладает большим количеством акваторий, которые славятся в отношении своих рыбных богатств. Поэтому для социально-экономического роста нашей страны необходимы развитие в сфере освоения более новых территорий водного пространства, и, самое главное, постоянный прогресс в развитии производства и модернизации гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры в целом.

В начальной стали своего развития технические средства для промышленного рыболовства использовались в основном для поиска и обнаружения объектов промысла. Эти средства называются рыбопоисковыми гидроакустическими станциями. В настоящий момент функции гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры (РПА) в зависимости от задач промысла постоянно усложняются. Особенной возросла роль РПА в связи с введением двухсотмильных национальных экономических рыболовных зон и заметным обеднением биологических ресурсов Мирового океана. Гидроакустическая РПА постоянно совершенствуется и усложняется в зависимости от типа решаемых задач.

Гидроакустическая РПА является наиболее типичным представителем гидроакустических систем во всем их многообразии. Она имеет значительное число вариантов построения, отличающихся методами технической реализации, обработки гидроакустической информации, способами локации, методами обзора акватории, типами решаемых задач и т.д.

В связи с тем, что появились суда, осуществляющие добычу различных видов продуктов моря практически в любых районах Мирового океана, возникла необходимость разработки РПА многоцелевого назначения, так как установка на этих судах разнообразной РПА узкоцелевого назначения экономически нецелесообразна. В состав аппаратуры многоцелевого назначения может входить несколько трактов (с независимыми акустическими антеннами или одной универсальной), предназначенных для обнаружения и локации придонных и пелагических рыбных скоплений, контроля движения и раскрытия трала. Большинство приборов станции многоцелевого назначения (генераторы, усилители, индикаторы и др.) объединяют в единые конструкции с общими пультами управления и их можно использовать в различных по назначению трактах. Наряду со станциями узкоцелевого и многоцелевого назначения находят применение и гидроакустические рыбопоисковые станции. [Я.С. Карлик]

В данной работе будет произведена проектировка рыбопоисковой станции с использованием сферической антенны и системы модулей обработки полученной информации.

Переработать завершение введения

Целью работы является …

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: …

1) Изучить принципы акустического зондирования в гидросфере

РЫБОПОИСКОВАЯ АППАРАТУРА

Рыбопоисковая аппаратура (РПА) является ключевой частью оборудования поисковых и промысловых судов отечественного и зарубежного флотов. Использование такой аппаратуры дало ряд преимуществ, начиная от значительного сокращения потери времени, направленного на поиск рыбы, и заканчивая почти полным исключением холостых тралений (процесс выявления препятствий на определенной глубине посредством трала).

Эффективность РПА напрямую зависит от её целевого назначения. Так, аппаратура узкоцелевого назначения, к примеру, для обнаружения пелагических рыбных скоплений малоэффективна при поиске придонной рыбы, а РПА, которая рассчитана на поиск придонной рыбы непосредственно под килем, неэффективна при локации такой рыбы в стороне от судна. Точно так же, рыбопоисковая аппаратура для выявления пелагических или придонных скоплений рыбы совершенно не подходит для работы по обнаружению донных скоплений и одиночных рыб, имеющих высокую отражающую способность. [Орлов 1974]

Большинство приборов станции многоцелевого назначения (генераторы, усилители, индикаторы и др.) объединяют в единые конструкции с общими пультами управления и их можно использовать в различных по назначению трактах.

Наряду со станциями узкоцелевого и многоцелевого направления также находят применение гидроакустические РП комплексы. Они организовываются из отдельных станций целевого назначения и при необходимости могут быть скомпонованы из различных частей аппаратуры в зависимости от возникающих к судну требований. В качестве примера можно привести комплекс, состоящий из следующих звеньев: гидролокатор горизонтального действия, эхолот вертикального действия и аппаратуру по контролю орудий лова.

Одни из основных параметров станции, определяемых её назначением, является угол раствора характеристики направленности антенный в азимутальной плоскости, который выбираются в следующих пределах: [Орлов 1974 4 стр.]

Гидроакустическая техника, которая применяется для рыбной промышленности, включает в себя [Орлов Шабров 1987] :

• аппаратуру поиска скопления рыбы (косяка) в районе лова, ее количественной оценки, определения координат и элементов движения, а также глубины нахождения, необходимых для эффективного использования орудий лова;

• аппаратуру контроля за положением орудий лова относительно косяка, их состоянием и рабочими параметрами;

• аппаратуру исследования поведения биологических объектов в среде обитания, приманки или отпугивания их, контроля за их миграцией, получения информации о физических процессах в организмах и т.д.

Пассивная и активная гидролокация

На сегодняшний день в целях поиска скоплений рыбы применяется два основных гидроакустических метода подводной локации – пассивный и активный. [Я.С. Карлик]

Пассивная гидроакустическая локация – это способ, который даёт возможность установить наличие подводных объектов и зафиксировать их свойства. Способ основан на приеме и последующей обработке акустических сигналов, излучаемых самими подводными объектами. Структура данного способа представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема работы пассивной ГАС

Работа пассивного гидроакустического локатора основана на следующем. Звуковые волны, которые излучает подводный объект, приходят на приемную антенну, где происходит преобразование принятого акустического сигнала в электрический , далее он усиливаются в усилителе и приходит на устройство отображения информации. По причине того, что рыбные объекты не являются источником довольно мощного гидроакустического поля, вариант пассивной гидроакустической локации как способ подводного наблюдения в целях поиска рыбных скоплений применяется достаточно редко и используется в основном в основном исследовательских) целях.

Активная гидролокация – метод установления свойств подводных объектов, базирующийся на излучении гидроакустических сигналов, последующих приеме и обработке эхосигналов, которые возникают в результате отражения (или рассеивания) от этих объектов. Схема пассивного гидролокатора представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема работы активной ГАС

Идея работы активного гидролокатора заключается в том , что акустические сигналы с генератора поступают на излучающую антенну, где преобразуются из электрической энергии в акустическую волну и излучаются в водную среду. По достижению подводных объектов, звуковые волны от них отражаются и далее поступают на приемную антенну, усиливаются в усилителе и приходят на устройство отображения информации.