Физические поля, используемые в системах обнаружения

  Главная       Учебники - Морское дело      Системы, приборы и устройства подводного поиска

 поиск по сайту     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

§ 2.3. Физические поля, используемые в системах обнаружения

Физические поля в СПП используются как средство получения информации об объекте поиска. С этой стороны нас интересуют такие характеристики физических полей, как зависимость интенсивности поля от расстояния между его источником и объектом поиска, стабильность поля во времени, интенсивность помех и информативность поля, т. е. объем информации, который может быть получен посредством того или иного поля при том или ином способе обнаружения. Морская среда, особенно ее придонные слои и грунт, оказывают существенное влияние на характер распространения физических полей. Поэтому необходимо прежде всего выяснить характеристики полей с учетом влияния на них морской среды и ее локальных неоднородностей.

Из всего многообразия известных физических полей Для целей обнаружения неподвижных подводных объектов в настоящее время за рубежом используются: гидроакустическое, световое, электрическое, электромагнитное и магнитное [25, 38]. Принципиально могут использоваться и другие виды полей.

Гидроакустическое поле. Звуковые (акустические) волны в воде представляют собой продольные колебания ее частиц. При распространении звуковой волны возникновение областей попеременного уплотнения и разряжения воды сопровождается соответствующими изменениями давления и колебательных скоростей ее частиц. Пространство, в котором наблюдаются подобные явления, называется гидроакустическим полем. Это поле считается полностью определенным, если для каждой его точки в любой момент времени известна хотя бы одна из следующих характеристик: звуковое давление, интенсивность звуковой волны или мгновенные значения колебательной скорости и смещения частиц воды. В гидроакустике, связанной с проблемой обнаружения, нашли распространение первые две характеристики.

 

Поглощение звуковой энергии водой обусловливается ее физическими свойствами (вязкостью и теплопроводностью) и молекулярными процессами, протекающими в воде. В такте сжатия колебательного движения происходят молекулярные изменения, ведущие к поглощению звуковой энергии, и если период колебания достаточно длительный, то в такте разряжения происходят обратные изменения, возвращающие поглощенную энергию. С увеличением частоты колебания, когда его период становится соизмерим с постоянной времени молекулярного изменения, энергия, поглощенная на одном из тактов колебания, не будет полностью возвращена на втором такте. На неоднородностях морской среды (твердые взвешенные частицы, газовые пузырьки, микроорганизмы) происходит не только поглощение, но и рассеяние звуковой энергии. Механизм затухания звуковой энергии, обусловленный поглощением и рассеянием, еще недостаточно изучен, поэтому величина затухания определяется по приближенным формулам. Для частот не выше нескольких десятков килогерц удовлетворительные результаты дает выражение для определения коэффициента затухания.

 

Кроме рассмотренных изменений интенсивности гидроакустического колебания возможны ее флуктуации, основными причинами которых являются: нестабильность направленности излучения гидроакустического колебания, вызванная кренами, дифферентами и рысканием носителя поисковой аппаратуры; фокусирующее действие микроструктуры воды, возникающее на неоднородностях се плотности; интерференция волн, появляющаяся при приходе колебаний в данную точку по нескольким различным путям.

При распространении гидроакустического колебания происходит его частичное отражение в обратном направлении от всех неоднородностей среды. Такими неоднородностями в акустическом отношении являются объекты поиска и тела-помехи; грунт, вызывающий появление донной реверберации; поверхность воды (поверхностная реверберация) и неоднородность всей толщи самой воды (объемная реверберация).

Интенсивность гидроакустического колебания, отраженного от объекта, зависит от ряда факторов: интенсивности падающего на объект излучения и ориентации объекта относительно направления падения этого излучения, размеров объекта, формы и состояния его поверхности, акустических характеристик материала и конструкции объекта. Полный учет этих факторов весьма сложен. Поэтому в ряде случаев при расчете интенсивности эхо-сигнала объект поиска по отражательной способности приравнивается некоторой эквивалентной абсолютно жесткой однородной сфере радиусом R обладающей той же силой цели, что и объект.
 

 

В последнее время энергично изучается возможность обнаружения, и особенно опознавания, объекта не только по интенсивности отраженного сигнала, но также по другим его параметрам (30, 38]. В ряде работ отмечается, что тонкая структура эхо-сигнала зависит от формы объекта, материала и конструкции его корпуса. Эхо-сигнал от упругой сферы (большинство искусственных объектов) длительнее по времени и более сложен по форме в сравнении с эхо-сигналом от абсолютно жесткой сферы. Начальная часть импульса эхо-сигнала, однако, по-прежнему носит характер зеркального отражения от жесткой сферы, а последующая часть образуется за счет конструкционных и упругих свойств объекта. На рис. 2.5 приводятся осциллограммы.эхо-сигналов, отраженных от объектов разного типа [27, 30, 38]. Если излученный импульс относительно мал по продолжительности, т. е. если его протяженность при распространении излучения в воде меньше радиуса сферы, то зеркально отраженная часть эхо-сигнала отделяется по времени от остальной его части. С увеличением длительности импульса начальная и последующие части эхо-сигнала начинают перекрываться и интерферировать. В результате возникает сложная структура сигнала. Особенно заметна зависимость структуры отраженного эхо-сигнала от материала, формы и конструкции объекта для объектов, имеющих тонкие упругие корпуса со сложной внутренней структурой и заполненные веществом, которое существенно отличается по своим акустическим свойствам от воды.
 

Для полной оценки возможности использования гидроакустического ноля для целей обнаружения объектов необходимо рассмотреть особенности возникновения помех в этом поле. Основной вид помех — это реверберационные помехи. Для рассматриваемых СПП главной из них является донная реверберация, так как объекты поиска располагаются на грунте или вблизи него, а граница вода — твердый грунт представляет собой хорошо отражающую границу. Характерной особенностью реверберации является уменьшение ее интенсивности в зависимости от расстояния, с которого приходит обратное рассеяние, или, что то же самое, в зависимости от времени, прошедшего после окончания излучения зондирующего импульса. На рис. 2.6 приведен график уменьшения интенсивности реверберации с увеличением времени [21, 26].

Такой вид графика характерен для нестационарных процессов, к которым безусловно относится реверберационная помеха. Нестационарная составляющая реверберации затрудняет прием эхо-сигналов и поэтому при их обработке предусматривается стационаризация реверберации, достигаемая, например, изменением коэффициента передачи приемного тракта гидролокатора во времени по закону обратного изменения нестационарной части реверберации. В результате остаются лишь флуктуационные колебания реверберации, которые будут иметь вид, показанный на рис. 2.7. Величина интенсивности реверберации в точке приема, совмещенной с точкой излучения, определяется однотипными для разного вида помех выражениями.
 

В заключение раздела о помехах остановимся на шумовых явлениях в море. Основными источниками шума при поиске объектов являются: волнение моря, морские животные, носитель поисковой аппаратуры (шумы движителя и двигателя, шумы обтекания корпуса носителя водой). Шумы волнения определяются его характером, силой ветра, глубиной места и гидрологическими особенностями района [21, 38]. На рис. 2.9 представлены средние значения шумов вблизи поверхности воды в зависимости от состояния моря в баллах [1]. Шумы других источников зависят от многих причин и оказываются трудно прогнозируемыми. Шумовая помеха распределена в широком частотном спектре и поэтому ее интенсивность на выходе приемного тракта системы обнаружения СПП (на входе решающего устройства) может быть уменьшена за счет сужения полосы пропускания частоты приемного тракта. Такое сужение полосы к уменьшению интенсивности сигнала не приведет, так как его частотный спектр крайне узок.

 

При сильной донной реверберации из выражений (2.24), (2.26) и (2.28) видно, что контрастность сигнала не зависит ни от мощности акустического излучения, ни от расстояния до объекта, ни от характера затухания звуковой энергии. Единственный путь повышения контрастности в данном случае состоит в снижении интенсивности донной реверберации за счет сужения диаграммы направленности, правильного выбора угла скольжения и длительности зондирующего импульса. При преобладании объемной реверберации контрастность сигнала в значительной степени зависит от расстояния г и уменьшается с его увеличением. При преобладании шумовой помехи контрастность сигнала прежде всего зависит от мощности излучения и увеличивается пропорционально ее увеличению.
 

Световое поле. Область пространства, в которой существует световое излучение, называется световым полем. Остановимся на некоторых физических величинах светового поля.

Основной единицей, характеризующей его, является сила света l, измеряемая в свечах (св). С энергетических позиций сила света определяется как поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого излучение распространяется. В энергетическом отношении сила света измеряется в ваттах на стерадиан (Вт/ср).

 

Энергетическая яркость измеряется в Вт/м2*ср и определяет плотность потока излучения, испускаемого поверхностью в заданном направлении. При подводном поиске обнаружение объектов оптическими системами производится большей частью по отраженному от них свету, излучаемому посторонним источником. В этом случае представляет интерес величина освещенности объекта.

 

Освещенность измеряется в люксах (лк). Для оценки возможности использования светового поля в качестве носителя информации при обнаружении объекта необходимо выяснить характер распространения света в воде и закономерности переноса оптического изображения от объекта к приемнику через рассеивающую свет среду в условиях воздействия на приемник световых помех. Для определения освещенности объекта известным источником света необходимо рассмотреть характер распространения в воде световой энергии.

Из приведенных на рис. 2.3 графиков видно, что затухание света в воде имеет частотно-избирательный характер. Это приводит к изменению спектрального состава света в процессе его распространения. Очень скоро после излучения в световом потоке остается только сине-зеленый участок спектра. Именно этот участок спектра считается оптимальным для источников освещения в СПП. Относительно узкая полоса пропускания частоты световых колебаний затрудняет использование цветовых различий в объектах для их распознавания. Кроме того, в процессе распространения светового потока происходит довольно интенсивное ослабление его и в результате рассеяния, и в результате поглощения света водой.

 

Качество оптического изображения в плоскости приемника в значительной степени зависит от характера излучения и способа обнаружения объекта.
 

При переносе оптического изображения объекта из плоскости его расположения в плоскость приемника под воздействием окружающей среды происходит ослабление потока, размытие изображения, искажение первоначальных соотношений в распределении яркости.


При использовании светового поля для обнаружения подводных объектов ограничивающим фактором является не только ослабление света при его распространении в воде, но также световые помехи и искажения изображения при его переносе из плоскости объекта в плоскость приемника. К числу основных световых помех, затрудняющих обнаружение объекта, можно отнести обратное рассеяние света средой, флуктуации интенсивности излученного светового потока и свечение биоорганизмов в воде.

Отмечается, что наиболее опасной помехой является обратное рассеяние света, которое создает сильное фоновое свечение. В образовании этого вида помехи при освещении зоны обнаружения солнечным светом участвует весь объем освещенной воды, расположенной перед приемником. При искусственном освещении (освещение солнечным светом отсутствует) в образовании обратного рассеяния участвует лишь тот объем воды, который заключен в области пересечения диаграмм направленности излучателя и приемника. На рис. 2.10 показана область обратного рассеяния при различном взаимном расположении приемника и излучателя. При когерентном излучении, каким является излучение лазера, свет, отраженный объектом и рассеянный водой в обратном направлении, имеет различную поляризацию. На этом могут быть основаны способы борьбы со световой дымкой (световым фоном обратного рассеяния).

Локальные изменения прозрачности и плотности воды приводят к тому, что интенсивность светового потока уже на незначительном удалении от излучателя не остается постоянной во времени. Эти изменения относительно медленны, и в пределах времени зондирования обследуемого пространства одной импульсной посылкой излучения ими можно пренебречь. При непрерывном облучении зоны обнаружения эти флуктуации приводят к тому, что яркость принимаемого изображения будет меняться, затрудняя опознавание объекта.

Свечение биоорганизмов в воде не сильное, но тем не менее в моменты своей наибольшей интенсивности может создать заметный световой фон.

Кроме обратного рассеяния света наблюдается частичное рассеяние его в стороны от направления распространения светового потока (боковое рассеяние), приводящее к искажению изображения объекта. На рис. 2.11 приведены диаграммы размытия границ белого диска диаметром 2 см при изменении глубины погружения в сильно рассеивающую среду [38]. Из диаграммы видно, что очень скоро пропадают всякие признаки границ диска и остается лишь незначительное повышение яркости в центре, плавно спадающее по мере удаления от пего. Кроме того, боковое рассеяние приводит к потере когерентности (т. е. строгой упорядоченности фаз световых волн в потоке света) излучения когерентных источников и вызывает расхождение узких световых лучей. Потеря когерентности света затрудняет использование фазовых методов обнаружения, а размытие узкого светового луча приводит к снижению разрешающей способности сканирующих систем обнаружения. Размытие узких световых лучей весьма существенно и увеличивается в тем большей степени, чем больше расстояние от источника.
На рис. 2.12 показана приближенная схема размытия луча лазера и приведен график концентрации световой энергии относительно оси луча на расстоянии 6,6 длин затухания [38].

Величина относительного контраста определяется отражательной способностью объекта (или отдельного его элемента) и отражательной способностью грунта, а так-же яркостью фона и степенью размытия границ изображения.
 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..