Ключевые слова: гидроакустика, векторно-фазовые методы, акустическая мощность.
Для исследования звуковых сигналов в подавляющем большинстве случаев применяются устройства, представляющие собой один датчик регистрации изменения уровня давления. В настоящее время однокомпонентные приемные модули (гидрофоны) близки к границе своих возможностей, несмотря на активную разработку и развитие новых способов расширения их возможностей и усовершенствование алгоритмов обработки получаемых данных [4].
Чтобы определить направления на источники излучения, используя для этого гидрофоны, необходимы громоздкие протяженные системы таких датчиков, требующие существенных ресурсных затрат. Однако с увеличением размеров регистрирующей аппаратуры усиливается влияние шумов и помех, а также возрастает объем данных, которые необходимо обработать для получения необходимой информации об исследуемых объектах.
Для получения более полного представления о характеристиках акустических полей, а также уменьшения размеров системы измерения наиболее целесообразным является определение, помимо давления, еще и векторных составляющих звукового поля. Перспективным направлением в данной области является применение методов векторно-фазовой обработки. Засчёт использования дополнительных каналов измерения проекций колебательной скорости частиц в волне в одинаковые моменты времени и, соответственно, расширения объема получаемой акустической информации обеспечивается повышенная помехоустойчивость, а также, благодаря появлению пространственной избирательности, появляется возможность определения направления на источники шумоизлучения, используя для этого только один комбинированный приемный модуль.
Используя эти характеристики волнового поля, можно определить интенсивность звукового сигнала, то есть поток акустической энергии, проходящий через плоскость, перпендикулярную к этому направлению, деленный на площадь этой плоскости. Для нахождения мгновенного значения интенсивности используется вектор Умова [2]:
|
|
(1) |
Поток акустической энергии — интеграл по времени от мгновенных значений вектора Умова, т. е.
|
|
(2) |
Проекция вектора потока акустической мощности (ПАМ)
|
|
(3) |
где
Выражения с использованием проекций потока акустической энергии для нахождения азимутального и полярного углов:
|
|
(4) |
Полученные значения азимутальных и полярных углов прихода сигналов позволяют рассчитать интенсивность сигнала, как функции от этих углов в заданном частотном диапазоне:
|
|
(5) |
Разбиение интенсивности сигнала по пространству позволяет получить график анизотропии потока акустической мощности, который в первом, грубом, приближении эквивалентен графику квазипространственного спектра акустического сигнала по потоку акустической мощности в заданной полосе частот и заданной плоскости, получаемый с протяженных гидроакустических антенн.
Сигнал, принятый с комбинированного векторного приемника, проходит первичную обработку и сохраняется на сервере. После этого применяется разработанный алгоритм поиска источников повышенного шумоизлучения.
В процессе работы алгоритма программа считывает исходный необработанный сигнал, обнуляет предыдущие накопления и выполняет цикл усреднения и накопления анизотропии для каждого из четырех каналов. В этом цикле происходит вычисление потока акустической мощности по осям и полного потока с последующим разложением этих величин наряду с проекциями колебательной скорости в спектр посредством быстрого преобразования Фурье [3]. Затем осуществляется усреднение ПАМ и расчет углов и уровней интенсивности для каждого отсчета в заданной полосе частот, после чего формируется массив, в который записывается номер дискреты, соответствующий ей угол и значение интенсивности [1]. Для дискрет с совпадающими углами, учитывая заданный угловой шаг на полярной плоскости, выполняется суммирование уровней интенсивности. Далее, по найденным углам и соответствующим им уровням интенсивности выполняется построение диаграммы направленности пространственного распределения потока акустической мощности.
Для запуска программы и задания параметров обработки были реализованы интерфейсы программы расчета анизотропии и программы ее построения в полярной плоскости, рисунок 1.
Рис. 1. а) Интерфейс программы расчета анизотропии; б) Интерфейс программы построения анизотропии в полярной плоскости
Через представленную на рисунке 1.а. программу задаются такие основные параметры как размер окна БПФ и его перекрытия, исследуемый диапазон частот, время усреднения и угловой шаг. После этого выполняется программа отображения анизотропии, рисунок 1.б.
Для тестирования работы алгоритма была выбрана запись сигнала в условиях работы трех стационарных источников излучения: двух реперных гидроакустических излучателей (РИГ1 и РИГ2), спущенных с борта корабля и реперного виброизлучателя (РИВ), закрепленного на борту обеспечивающего плавсредства (ОП).
На рисунке 1.б. по построенной диаграмме направленности пространственного распределения в полной полосе частот видны все указанные источники излучения. Для более точного анализа необходимо исследовать сигнал в узких частотных диапазонах, соответствующих объектам шумоизлучения. С этой целью был использован рассчитанный спектр сигнала, по которому были выделены частоты излучателей, которые составили 780, 880 и 970 Гц. Для них были построены графики анизотропии, по которым были определены углы пеленга на эти источники, рисунки 2–4.
|
Рис. 2. Диаграмма направленности ПР ПАМ, рассчитанная в полосе 878–881 Гц и соответствующая РИГ1 |
Рис. 3. Диаграмма направленности ПР ПАМ, рассчитанная в полосе 968–971 Гц и соответствующая РИВ |
Рис. 4. Диаграмма направленности ПР ПАМ, рассчитанная в полосе 778–781 Гц и соответствующая РИГ2 |
С помощью сторонней программы на карту была нанесена схема расположения ОП и постановки излучателей — двух опорных РИГ1 и РИГ2 и одного контрольного РИВ. Чтобы установить месторасположение контрольного излучателя сперва необходимо определить позицию приемного модуля. Для этого, найдя направление на опорные излучатели и пересчитав углы пеленга для их систем координат, были построены две линии (пом. желтым), в месте пересечения которых должен располагаться приемный модуль. После нахождения комбинированного приемника была проложена еще одна линия, показывающая направление на третий контрольный излучатель, рисунок 5.
Рис. 5. Результат определения местоположения комбинированного ПМ и направления на виброизлучатель РИВ
Таким образом, применение векторно-фазовых методов за счёт расширения объема получаемой информации о гидроакустических полях дает существенное преимущество над альтернативными способами приема и анализа гидроакустических сигналов. Разработанный алгоритм расчета и построения диаграмм направленности пространственного распределения потока акустической мощности показал свою эффективность при обнаружении и локализации в пространстве всех заданных источников излучения.
Литература:
- Маслов В. К. Современные технологии анализа и обработки информации в физико-технических измерениях. — М., Изд. ВНИИФТРИ, 2010–583 с.
- Гордиенко В. А. Векторно-фазовые методы в акустике. — М.: Физматлит, 2007–480 с.
- С. Л. Марпл-младший. Цифровой спектральный анализ и его приложения. — М., Изд. Мир, 2002. — 265 с.
- И. В. Карабанов, А. С. Миронов. Алгоритмы обработки гидроакустических сигналов. — Хабаровск, Изд. Тихоокеан. гос, ун-та, 2018. — 140 с.
