Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных источников 9
2. Исследование методов оптимизации основных характеристик гидролокаторов бокового обзора 19
2.1. Основные задачи проектирования гидролокаторов бокового обзора 19
2.2. Анализ физических механизмов формирования отраженных дном сигналов 21
2.3. Особенности оценки главных параметров гидролокаторов бокового обзора 24
2.4. Статистические характеристики сигналов отраженных морским дном 30
2.5. Анализ выражения для оценки интенсивности эхосигналов 37
2.6. Исследование влияния объемных неоднородностей на характеристики эхосигналов 40
2.7. Анализ влияния помех на метрологические характеристики гидролокаторов бокового обзора 47
2.8. Выводы 50
3. Разработка методики расчета основных параметров гидролокатора бокового обзора 52
3.1. Вывод выражения для оценки отношения сигнал-помеха на выходе согласованного фильтра ' 52
3.2. Вывод выражения для оценки разрешения по дальности 63
З.З.Анализ угловых характеристик антенн 67
3.4.Вывод выражений для выбора оптимальных частот 73
3.5.Выводы 77
4. Разработка геоакустического комплекса мак-1м и оценка эффективности при геологических исследованиях 78
4.1. Разработка инженерной методики расчета основных параметров гидролокатора бокового обзора 78
4.2. Результаты применения инженерной методики при расчете основных характеристик глубоководных буксируемых ГБО 90
4.3. Описание разработанного геоакустического комплекса МАК-1М. 100
4.4. Результаты производственных работ с геоакустическим комплексом МАК-1М 108
4.5.Выводы 121
Заключение 122
Литература 124
Приложение 135
- Анализ физических механизмов формирования отраженных дном сигналов
- Исследование влияния объемных неоднородностей на характеристики эхосигналов
- Вывод выражения для оценки разрешения по дальности
- Результаты применения инженерной методики при расчете основных характеристик глубоководных буксируемых ГБО
Введение к работе
Освоение минеральных ресурсов Мирового океана потребовало создание новых эффективных методов и технических средств, позволяющих проводить инженерно-геологические исследования огромных площадей дна морей и океанов. Одним из перспективных геоакустических методов создания технических средств исследования Мирового океана является метод бокового обзора. Этот метод является основным при проведении сплошной площадной съемки поверхности морского дна с движущегося судна. Он обладает большой геолого-геофизической информативностью и достаточной производительностью при проведении морских геологических работ.
Теоретические и экспериментальные исследования, связанные с разработкой метода бокового обзора основываются на анализе информации о дальности и силе обратного рассеяния, которые являются сложными и неоднозначными функциями донного рельефа и типа донных отложений. Исследование статистических характеристик сигналов, рассеянных морским дном, позволило выявить основные закономерности рассеяния сигналов для различных районов Мирового океана. Результаты этих исследований были положены в основу разработки ряда гидролокаторов бокового обзора (ГБО), которые успешно использовались при поиске железо-марганцевых конкреций в ходе проведения инженерно-геологических работ. В этих работах в качестве основной модели принята модель рассеяния на совокупности одиночных рассеивателеи, изотропно расположенных в рассеивающем пространстве. Данная модель справедлива при поиске месторождений железо-марганцевых конкреций, что и подтвердилось в ходе проведения опытно-методических исследований.
Задача картографирования морского дна геоакустическими методами относится к числу обратных задач, а именно, восстановлению по полученным в ходе эксперимента характеристикам рассеянного поля рельефа морского дна. В этом случае использование модели одиночных рассеивателеи не вполне закономерно. Кроме того, при решении задачи картографирования морского
дна большое разнообразие структуры и физических характеристик осадков не позволяет в настоящее время описать их акустические свойства единой математической моделью. Поэтому точных решений задач рассеяния акустических волн на случайных неровностях поверхности дна и неоднородностях в его толще при произвольных их статистических характеристиках нет и возможность их появления в обозримом будущем маловероятна.
Существующие приближенные методы решения указанных задач ориентированы главным образом на интерпретацию данных натурных экспериментов в океане и нахождению количественных физических закономерностей в специально организованных контролируемых условиях. При выводе расчетных соотношений, необходимых для определения основных параметров проектируемых ГБО, в этом случае использовались предпосылки, которые в большей части не соответствуют реальным условия работы геологических ГБО, предназначенных для картографирования морского дна. Это связано с тем, что не учитывались такие факторы, как зависимость коэффициента рассеяния от акустических характеристик исследуемых осадков и угла падения зондирующих сигналов на дно, влияния характеристик направленности, длительности зондирующих сигналов или их спектральных характеристик.
В настоящей работе ставится задача исследования методов оптимизации основных характеристик гидролокаторов бокового обзора, предназначенного для картографирования морского дна, и разработки метода расчета основных характеристик ГБО. Кроме того, в работе рассматриваются вопросы применения этих методов при проектировании геоакустического комплекса МАК-1М и особенности использования данного комплекса при проведении инженерно-геологических работ в Мировом океане.
Целью настоящей работы является исследование методов оптимизации основных характеристик гидролокаторов бокового обзора для оценки возможностей и направлений повышения эффективности использования
6 разработанных ГБО расширения области их применения и создания новых технических средств с целью повышения эффективности и исследований поверхности дна глубоководных районов Мирового океана.
Для достижения поставленной цели в работе проведены теоретические и экспериментальные исследования. На основе анализа математических моделей, соответствующих физическим представлениям об исследуемых процессах, выполнены теоретические и расчетные выводы, определяющие методику расчета главных параметров ГБО. Разработанная методика расчета главных параметров ГБО использовалась при разработке геоакустического комплекса нового поколения серии МАК. Проводится анализ информативности применения геоакустического комплекса МАК-1М при проведении геологосъемочных работ в Мировом океане.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что проведенная работа позволила разработать методы проектирования ГБО исходя из принципов формирования отраженных дном сигналов, влияния неоднородностеи на характеристики эхосигналов и анализа влияния помех на метрологические характеристики гидролокаторов бокового обзора.
Практическая ценность диссертации сводится к следующему:
-результаты разработки инженерной методики расчета главных параметров ГБО были использованы при проектировании глубоководного геоакустического комплекса МАК-1М;
-глубоководный геоакустический комплекс МАК-1М внедрен в практику проведения геологоразведочных работ в Мировом океане на научно-исследовательские суда «Профессор Логачев», «Геленджик», «Южмор-геология» принадлежащих производственным подразделениям министерству природных ресурсов России;
- с комплексом МАК-1М отработано около 5000 погонных километров профилей при проведении производственных геолого-съемочных работ, в том числе выполнен значительный объем инженерно-геологических изысканий трасс под прокладку подводных трубопроводов и кабелей линий связи.
На защиту выносятся следующие положения :
Методика расчета отношения сигнал-помеха на выходе согласованного фильтра (применительно к ГБО).
Оптимизация центральных частот зондирующих сигналов.
Методика расчета угловой разрешающей способности ГБО.
4. Инженерная методика расчета основных параметров ГБО.
5. Результаты применения инженерной методики расчета при оценке
эффективности геоакустического комплекса МАК-1М.
6. Результаты геологической съемки с геоакустическим комплексом
МАК-1М в Мировом океане.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. В конце диссертации приведен список литературы из 85 наименований. Диссертационная работа содержит 14 рисунков.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследований, направленные на достижение поставленной цели.
В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных исследованию характеристик рассеяния сигналов на статистически неровной границе, методам анализа задач рассеяния акустических волн на случайных неровностях дна и неоднородностях в его толще. В ней рассмотрены работы, посвященные принципам проектирования ГБО и методики применения ГБО при проведения инженерно-геологических работ.
Вторая глава посвящена исследованию принципов формирования отраженных дном сигналов. Влияния неоднородностей на характеристики эхосигналов и анализу влияния помех на метрологические характеристики ГБО. В этой главе сделан подробный анализ существующих методов решения задач рассеяния на статистически неровной границе и применения этих методов при решении задачи картографирования морского дна. Предложено выражение для оценки спектральной плотности рассеянного сигнала и проведен анализ расчетных выражений для оценки коэффициентов обратного рассеяния для различных типов неоднородностей.
Анализ физических механизмов формирования отраженных дном сигналов
Эхосигналы геологических ГБО, предназначенных для лоцирования дна, образуются, как известно, в результате отражения зондирующего сигнала случайными неоднородностями поверхности и толщи дна. Основные ситуации формирования отраженных (рассеянных) дном акустических волн схематически показаны на рис.1. Плоскость чертежа совпадает с плоскостью волнового вектора К0 падающей волны, ось Y лежит в плоскости дна, так что на рис.1 показано сечение этой плоскостью поверхности и толщи дна и непосредственно прилегающей к ней части водной среды. Нарисі обозначено: К0 - волновой вектор падающей волны; G0 - угол падения волны на плоскость XOY, Хо - соответствующий ему угол скольжения по отношению к средней подстилающей поверхности: п- вектор нормали к подстилающей поверхности. При горизонтальном дне он направлен параллельно оси Z; . 1 а - угол наклона подстилающей поверхности к плоскости XOY при наклоне дна; 6, % - соответственно углы падения и наклона при наклонном дне: Ьэ - эффективная глубина проникновения падающей волны в толщу дна. Этим ситуациям соответствуют следующие физические модели: а) поверхность дна статистически неровная (шероховатая), толща дна акустически однородная среда без поглощения с параметрами pi С] (pi - плотность вещества толщи дна, с і - скорость распространения в ней продольных волн); подстилающая поверхность - горизонтальная плоскость; рассеяние волн происходит на указанных неровностях; б) поверхность дна статистически неровная, толща дна - акустически однородная среда без поглощения, подстилающая поверхность в общем случае отличается от плоскости; рассеяние волн происходит на неровностях поверхности; в) зона "акустической тени"; г) граница раздела вода-дно гладкая горизонтальная, в толще дна имеются локальные участки, акустические свойства которых (плотность, скорость звука, его поглощение) случайным образом отличаются от средних значений указанных параметров во всей толще дна; рассеяние волн происходит на указанных объемных неоднородностях; д) отличается от предыдущего только тем, что граница раздела вода-дно шероховатая; е) наличие на дне локального объекта, размеры которого значительно превышают среднеквадратическую высоту неровностей.
Во всех ситуациях, кроме "е)", детерминированный зондирующий сигнал при рассеянии становится подобным случайному процессу со спектральной плотностью мощности, зависящей как от спектральной плотности зондирующего сигнала, так и от частотных характеристик рассеяния дна. Такой рассеянный сигнал в общем случае представляет собой сумму двух компонент - некогерентной (случайной) и когерентной (детерминированной). Распределение мгновенных значений некогерентной составляющей близко к нормальному и, как упоминалось, не зависит от вида амплитудной или -фазовой модуляции зондирующего сигнала. Когерентная составляющая по форме идентична зондирующему сигналу; ее интенсивность при не зеркальном рассеянии на несколько порядков меньше некогерентной. Поэтому при инженерных расчетах энергетических и метрологических характеристик геологических ГБО, разработке и оптимизации алгоритмов обработки сигналов в их приемных трактах когерентной составляющей можно пренебрегать. Если в эхосигнале имеется большая когерентная составляющая, это означает, что в зоне обзора находится детерминированный объект (ситуация "е)"). Для обнаружения таких объектов сигналы, рассеянные дном, являются помехой. Как видно из изложенного, для описания рассеяния волн на неровностях поверхности дна и неоднородностях его толщи нужны различные модели. Вследствие этого формулы для инженерных расчетов оказываются также различными, и достоверность результатов таких расчетов в значительной степени зависит от адекватности примененных формул ожидаемым ситуациям. Следует отметить, что для описания большинства приведенных ситуаций нет в известной литературе необходимых формул. Поэтому одной из решаемых ниже задач является восполнение этого пробела.
Приведенная ниже методика расчета главных параметров глубоководного ГБО, предназначенного для использования при картографировании дна океана, составлена на основе этих моделей, главным образом - по результатам /1-11/ . Эта методика построена таким образом, чтобы ее можно было применять при различных вариантах комбинаций искомых и исходных параметров в зависимости от выбранной структуры ГБО, организации ее функционирования и режимов эксплуатации. Она же, если учесть влияние поверхностной реверберации, может использоваться для расчета ГБО при работах по картографированию дна шельфа. Дополнительные задачи, которые могут решаться с помощью картографических ГБО - это обнаружение и определение координат искусственных объектов - трубопроводов, подводных кабелей, затонувших малоразмерных судов и т.п. Геологические ГБО относятся к технике двойного назначения -гражданского и военного. Как следует из изложенного, такие ГБО могут в ситуации военного конфликта использоваться для поиска якорных и донных мин, стационарных акустических систем противника и т.п.
Исследование влияния объемных неоднородностей на характеристики эхосигналов
Решение задачи рассеяния акустических волн случайными объемными неоднородностями в толще дна решаются, как и задачи рассеяния на статистически неровной поверхности, приближенными методами. Выбор метода зависит от ряда факторов, основными из которых являются средние значения отношения размеров неоднородностей к длине падающей волны и отношение интенсивности суммарного рассеянного неоднородностями поля к интенсивности, падающей волны. По этому признаку локальные неоднородности акустических характеристик - плотности и скорости звука - в толще дна относятся к так называемым "слабым" /34/ рассеивателям. В такой ситуации для решения применяется так называемый метод малых возмущений (борновское приближение) /1,2/. Этот метод пригоден практически при любых встречающихся на практике сочетаниях акустических параметров осадков. Математически он основан на том, что влияние неоднородностей представляется в исходных волновых уравнениях в виде малых отклонений параметров среды, входящих в эти уравнения. Вследствие малости указанных отклонений конечное решение можно приближенно считать суммой решения при отсутствии неоднородностей и добавки к нему, которая и является искомым решением рассеяния на неоднородностях. В свою очередь, последнее слагаемое представляется в виде суммы слагаемых. Первое из них соответствует результату однократного рассеяния, второе - двукратному (т.е. когда рассеянная волна повторно рассеивается на неоднородностях) и т.п. В задачах о рассеянии звука неоднородностями толщи дна (ситуация рис.1, г) достаточно учитывать только однократное рассеяние, поскольку в донных осадках энергия звуковых волн на частотах, характерных для ГБО, сильно поглощается Изложенное ниже основано на гипотезе однократного рассеяния и предположении о том, что дно расположено горизонтально, граница вода-дно гладкая.
Для упрощения также предполагается, что в дне плотность среды pi постоянна, скорость звука Crfty зависит случайным образом от координат (точки ) и представляет собой сумму детерминированной составляющей С/ , не зависящей от координат, и случайной АСі(ф, причем АСі(ф«Сі (в статистическом смысле). Поэтому показатель преломления При этих предположениях и при использовании приближений лучевой акустики спектральная плотность рассеянного сигнала в точке /7 в момент t определяется выражением /19/: mcos6s + д/Ир -sin" (9v Следует подчеркнуть тот важный для практики факт, что, как видно из (35), структура эхосигнала, образованного рассеянием на объемных неоднородностях дна, сохраняется в достаточной степени, чтобы было принципиально возможным применение сложных сигналов с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляцией. V При условии, что — «1, рассеяние близко к обратному и интенсивность 1С=(\РС\ ) сигнала вида (35) может быть представлена в виде, аналогичном (26): Выражение (39) справедливо, если выполняется условие /12/: где h - толщина слоя осадков. В /11-14,16 и др./ предложены различные формулы для определения коэффициента объемного рассеяния ти, основанные на разных гипотезах о свойствах корреляционной функции или, что эквивалентно, соответствующих ей пространственных спектров объемных неоднородностей. Как упоминалось выше, x(Q можно считать однородным изотропным полем (это предположение подтверждается результатами многочисленных многолетних натурных экспериментов). Основываясь на предположении, что в этом случае (41) можно представить в виде где / - определяемое выражением (8) - горизонтальное расстояние между точками / и 2; zrz2 - вертикальное расстояние между ними. При предположении, что пространственные спектры, соответствующие функциям Ri и R2 в (42), выражаются степенными функциями, в /12/ найдено, что ти определяется выражением вида где А - некоторая константа, р, q - целые положительные числа, связанные с показателями степени функций, описывающих пространственные спектры. В зависимости от сочетания чисел р и q получаются различные угловые и частотные зависимости ти. что соответствует при малых углах скольжения %(т.&. #близких к л/2) закону рассеяния Ломмеля-Зеелингера (cos в); что при в, близком к л/2 , соответствует закону рассеяния Ламберта (cos в) и т.д. В /16/ предлагается дальнейшее обобщение (43), а именно -представлять коэффициент обратного рассеяния тив виде суммы где каждое слагаемое - выражение вида (43).
Очевидно, что таким способом можно получить аналитическую интерпретацию любых экспериментальных результатов, однако формула (43) не позволяет экспериментальные данные непосредственно связать с измеряемыми акустическими характеристиками грунта - коэффициентом преломления щ и относительной плотности т грунта и воды. Кроме того, оказывается /19/, что никакие неоднородности среды физически не могут иметь пространственные спектры, на основе которых получено (43). Физически обоснованными являются аналитические выражения для тв, предложенные в /14/. Приведенные ниже формулы получены из /14/ эквивалентными преобразованиями и приведены к виду, удобному для практического использования. ( При сверке этих формул с /14/ следует иметь ввиду, что в /14/ коэффициент объемного рассеяния выражен как функция угла скольжения % падающей волны и коэффициента поглощения в грунте по энергии. В приведенных ниже формулах ти дается как функция угла падения в и коэффициента поглощения по давлению (37)).
Вывод выражения для оценки разрешения по дальности
Разрешение пр дальности в данном случае, когда эхосигналы представляют собой результат отражения от случайных неоднородностей, определяется свойствами корреляционной функции этих сигналов. Одним из наиболее общих количественных показателей разрешения является среднеквадратичный В иностранной научно-технической литературе тк часто называют интервалом разрешения (/24/ и др.). Важность этой постоянной для оценки потенциальных возможностей геологических ГБО заключается в том, что хк показывает наименьший интервал времени At между сигналами и , соответственно, наименьшее расстояние между двумя "освещенными" областями дна, при котором надежность их различения растет при увеличении числа экспериментов (или циклов передача-прием) п как Jn . При At rK надежность различения растет как где а - коэффициент, зависящий от вида функции корреляции, 0 а 1 . Из (88) видно, что при At«zK требуемое число экспериментов становится практически недостижимым. Для практических вычислений в ряде случаев удобно вместо (86) использовать выражение которое получается из (86) посредством однозначных преобразований /24,42/ и др. (Формула (65) представляет собой частный случай (89)). Из (89) наглядно видно то важное обстоятельство, что потенциальное разрешение по времени (дальности) полностью определяется свойствами модуля спектра сигнала и не зависит от наличия (или отсутствия) внутриимпульсной модуляции этого сигнала.
Если при обработке сигналов в приемном тракте ГБО не применяется оптимальная или близкая к ней фильтрация и зондирующий сигнал представляет собой радиоимпульс длительности Тс с прямоугольной і огибающей, то тк = -f, как упоминалось выше (см. формулу (74)). При оптимальной фильтрации принятого сигнала интервал корреляции сигнала на выходе фильтра будет определяться, в соответствии с (90),(63), формулой или, в соответствии с (69), Если можно, как упоминалось выше, считать yM=const , в (91) вместо \Poo(w)\ будет входить \Po(w)\ . Модуль спектральной плотности упомянутого прямоугольного радиоимпульса описывается, как известно, выражением При узкополосных сигналах, характерных для геологических ГБО, можно в (92) пренебречь вторым слагаемым, тогда (91) приводится к виду Среднее значение разрешения по горизонтальной дальности ар определяется, в соответствии с (94), (24), (29) формулой Из сравнения выражений (94) и (74) видно, что при применении оптимальной фильтрации разрешающая способность ухудшается в 3,24 раза по сравнению с исходной. Поэтому при больших отношениях сигнал/помеха применение оптимальной фильтрации в приемном тракте оказывается нецелесообразным. Следует, однако, иметь в виду, что в последнем случае отношение сигнал/помеха будет приблизительно в Afyfr раз меньше, чем на выходе оптимального фильтра (здесь AfA - ширина полосы пропускания акустических преобразователей антенны, Afc - ширина спектра зондирующего сигнала). При этом приблизительно во столько же раз увеличится погрешность измерения величины сигнала. Последнее приведет к уменьшению вероятности правильного различения границ областей с разными коэффициентами обратного рассеяния. Таким образом, при одном и том же зондирующем сигнале могут быть получены разные комбинации значений разрешения по дальности и уровню, причем увеличение одного из этих параметров сопровождается уменьшением другого. Выбор указанных параметров представляет собой часть общей задачи оптимизации ГБО. При этом, как видно из изложенного, объектами оптимизации являются не только параметры, но и структура функциональных составляющих ГБО, в данном случае - приемного тракта. В расчетные формулы (80), (84)-(85) входит эквивалентная ширина ХН в горизонтальной плоскости Асрэ, которая находится из выражений (30), (30а). В общем случае для этого необходимо применять численные методы. Поэтому представляется привлекательным найти приближенные аналитические выражения для вычисления Am Ниже приведен краткий вывод такого выражения для наиболее типичного для ГБО случая: антенна имеет прямоугольную форму, ее чувствительность равномерно распределена по апертуре ХН указанной /64/ антенны определяется выражением В ГБО наиболее распространенным типом антенны являются плоская антенна с равномерным распределением чувствительности по апертуре.
При дальнейшем рассмотрении мы будем исходить из этого обстоятельства. Как следует из сущности метода бокового обзора, наилучшей формой ХН в вертикальной плоскости была бы несимметричная, подобная применяемым в PJIC бокового обзора. Однако, создание гидроакустических антенн с такими характеристиками связано с большими техническими трудностями. По этой и по ряду аналогичных причин антенны с косекансными и им подобными характеристиками почти не применяются, особенно в буксируемых гидроакустических системах, где существенную роль играют ограничения на массогабаритные параметры. В ГБО наиболее распространенным типом антенны является плоская антенна с равномерным распределением чувствительности по апертуре. При дальнейшем рассмотрении мы будем исходить из этого обстоятельства. С шириной ХН во,7 в вертикальной плоскости непосредственно связан один из основных эксплуатационных параметров ГБО - отношение \х наибольшей и наименьшей горизонтальной дальности обзора. Понятия гГтіп (как и г ртах) могут быть определены по-разному. Наиболее логичным представляется принять за гГтіп такое расстояние, на котором отношение сигнал/помеха \л имеет ту же величину, что и на максимальном расстоянии гГтах , т.е. выполняется равенство
Результаты применения инженерной методики при расчете основных характеристик глубоководных буксируемых ГБО
Ниже приводится контрольный расчет и расчеты оптимальных параметров гидролокатора бокового обзора, входящего в глубоководные буксируемые комплексы МАК-1 и МАК-1М. В годы создания МАК -1, не существовало достаточно разработанной инженерной методики расчета геологических ГБО, поэтому ряд параметров и технических решений выбирался на основе инженерного опыта и сопоставления с лучшими из существовавших в то время образцов ГБО аналогичного назначения. Поэтому контрольные параметры дают возможность оценить степень приближения реальных параметров ГБО ДД к теоретически ожидаемым и выявить, имеются ли возможности повышения эффективности этого ГБО без глубокой его модернизации. Расчеты ГБО ДД производятся при следующих данных: - наибольшая наклонная дальность 7"тах=1500 м; - наибольшая рабочая скорость буксировки V =4 узл; - высота НА над дном при буксировке Z0= 150 300 м; - центральная частота зондирующих сигналов /Q =30 кГц; - длительность импульсов зондирующих сигналов Тс= 1мС; - импульсная мощность излучаемых сигналов WA= 1.2 кВт; - облучение зоны обзора - поочередно: « правый борт- левый борт», - ширина ХН антенны в нормальной плоскости, параллельной направлению большего размера апертуры С07=1.5; - ширина ХН антенны в вертикальной плоскости 07=600, - продольный размер апертуры антенны /=1432 мм; - поперечный размер апертуры антенны/, =40 мм; - распределение чувствительности по апертуре антенны -равномерное; - ширина полосы пропускания преобразователей антенны bf А = 3 кГц; - отношение продольного разрешения на минимальной и максимальной дальностях р=1.5; - наименьшая ожидаемая сила обратного донного рассеяния S6=-40dE; приведенная (стандартная) спектральная плотность давления гидродинамических помех
НА на глубинах 10 м при скорости Vm= 6 уз. 1. Контрольный расчет. расчетные формулы применимы без ограничений; 1.2. Ширина ХН антенны в вертикальной плоскости Q7 (при оси ХН, параллельной оси ОХ) - из формулы ( 976): . 9{]1 0.44-1500 0 sin = ; = 0.55, в,-, = 66.7 2 30-10- -0.04 Наибольшая горизонтальная дальность обзора rr = vl5002 +2002 =1487. 1.5. Оптимальный угол наклона оси ХН антенны:cosв0 =—5— = 0.133; max в0 =82.3. Поскольку в вертикальной плоскости ХН 907 достаточно велика, целесообразно в реальной конструкции НА устанавливать антенны без наклона, что существенно упрощает конструкцию и технологию сборки. 1.6. Разрешение вдоль профиля - наименьшее, по формуле ( 24 a) ApUmm = = 0.75м - наибольшее - по формуле (122): ДуоПт]п =1.5-0.75 = 1.2 м. ЭТИ величины соответствуют отсутствию помех. Официально гарантированная (паспортная) величина разрешения - 3 м соответствует экспериментальным результатам при наиболее неблагоприятной сигнально-помеховой обстановке. Из этих же данных следует, что при применении постобработки сонограмм возможно получение лучшего, чем паспортное, продольного разрешения. 1.7. Наименьшая горизонтальная дальность - по формуле (122) и данным 200 , (1.52-I)2-1.5-106-1-10-6 1.5-1.5-Ю3 -ПО3 ,ол п. 1.4:/_:„ = . J1 + - --, = 180. ,шп Vl.52-1 V 16-2002 Соответственно, г наименьшая наклонная дальность " 1.12 Коэффициент обратного донного рассеяния: mb=10 1.13 Известно, что при заглублении антенны на 100-200 м и более, спектральная плотность гидродинамических помех падает приблизительно на порядок [П;45,стр.\85]. Поэтому для дальнейших
Па расчетов примем PI/((l.l.l) = 2-10"3 1.15. Задавая допустимое уменьшение отношения сигнал/шум, можно определить допустимый уровень « ореола» ХН и соответствующие точностные требования к конструкции антенны и выполнению технологических требований при ее изготовлении. Так как -—L пропорционально -— , из формулы (83а) М У Aw 1 А// sA = . Из этого выражения при -—-= 10% и у= 285, є i =1.3 -10"2. \2у /л ju Такая величина єА при тщательной обработке конструкции и технологии антенны вполне достижима, в том числе и при серийном производстве. 1.16. Кратность (перекрытие) - по формуле ( 133а) и данным п. 1.7: N = E 1500 270 = (5.5) = 5. 1.17.Эффективное значение отношения сигнал/шум при обработке совокупности эхосигналов - по формуле (134): //..э = л/5 3 = 6.7 . 1.18 Площадь съемки - по формуле (128) и данным п.п. 1.4,1.7 и полагая Vs =0.17-0.5 2(1487-180) = 222 ( 2\ КМ \cymj Это значение удовлетворительно согласуется с паспортным. 2. Оптимизация ширины ХН в вертикальной плоскости 0.891 2.1 Из формулы (107) и данных п.п. 1.4,1.7: 1.38 200 - (1487 - 1J F = 0.891. F = 1500-270 из формулы (135) и данных п.1.7,1.11,1.16: в, Г270)74 144-10"5, -sUooJ е_ —(1500-270) 0.139, f Л sin 0.8910OL 1 2 ) 0.891 sm = 0.139, его решение: sin-51 =0.324, 0О7=38 2.4. Допустимая импульсная мощность излучения. Из-за увеличения /,, площадь антенны увеличилась в - раз. Во столько же раз 6 8 можно увеличить мощность в импульсе WA, так что: WA=2KBT; WA= — 1.2 = 2. Если при этом нет ограничений на электрическую прочность преобразователей антенны, это увеличение мощности может быть произведено без изменения формы сигнала. 2.6 Выигрыш в отношении сигнал/шум вследствие оптимизации: +4.5 дБ. Разработка ради такого выигрыша новой конструкции взамен имеющейся хорошо отработанной старой не имеет смысла. При разработке новых ГБО оптимизация ширины ХН антенны в вертикальной плоскости, конечно, целесообразна. Однако при этом необходимо иметь в виду, что при уменьшении 007 увеличивается влияние на отношение сигнал/шум случайных составляющих крена НА, изменения его высоты Z0 и т.п. Это вопросы требуют отдельного рассмотрения. Рассмотрим оптимизацию параметров ГБО при условии постоянства продольного размера антенны: / = 1432лш . 3.4. Оптимальный наклон ХН антенны: cos вп = = 0.1, 9Q= 84.3 0 1500 .Sinв о=0.995, так что в наклоне ХН нет необходимости. 3.5. Разрешение по профилю - тоже, что и в п. 1.6. 3.7. Эквивалентная ширина ХН - по формуле (103) и данным п.3.2: А рэ = Г0.76-5.13-10-2- 1 = 3.92-10-2, 0.995 1500 3.8. Поперечное разрешение - по формуле (126) и данным п.3.2: ( , _ 2 наименьшее Д/0±П1Ш = 0.76-3.92-Ю"2-2.56 -200 = 3.5м. Аналогично V 1500J наибольшее Ар1тах=39.5м. 3.9. Коэффициент поглощения - по формуле (75 а) и данным п.3.1: /?0=1.57-10 4-182 =5.09-10"4. f 1500 = 7. 3.10. Кратность-по формуле (133а) и данным п.3.6: N = E 3.11. Оптимизация 901 аналогично п.2.1 - по формулам (107а) ,(135) и 7ЛТ7 1.38-150(1492-135) .Q_, vJ 200 У4 10-41500-200) данным п. 3.6: F= = 0.936. 7/8 -е 2 =0.201.
