Гидроакустические характеристики объектов по вторичному полю.

Вернемся к уравнению 2.1.6. Если перейти к терминам зондирующего и эхо-сигналов, то можно ввести понятие силы цели (СЦ = Т).

СЦ это величина, выраженная в дБ и характеризующая отражательную способность объекта. Количественно СЦ (по аналогии с прологарифмированной левой частью выражения (2.1.6)) можно определить как отношение интенсивности отраженного сигнала (эхо-сигнала) в точке, расположенной на единичном расстоянии от акустического центра цели (I_эс1 ), к интенсивности зондирующего сигнала в точке расположения цели (I_зс):

СЦ = Т = 10log(I_эс1 /I_зс) 2.2.1

Очевидно, что как и интенсивность отраженного сигнала, акустическая СЦ является функцией ее пространственного расположения, формы, размеров, волнового сопротивления материала корпуса, частоты f и длительности зондирующего сигнала τ_и , а также зависит от рефракции, наложения эхо- и зондирующего сигналов, флюктуаций сигнала при распространении звука в море, глубины погружения цели и т.д. .

Так как выражение 2.2.1 неудобно для практического применения, то на практике отражательную способность различных целей принято характеризовать радиусом абсолютно жесткой сферы, эквивалентной по отражению данному объекту (радиусом эквивалентной сферы или эквивалентным радиусом цели R_э = R_сф (2.1.6). Другими словами, в качестве меры отражательной способности выступает радиус сферы, амплитуда отражения от которой равна амплитуде отражения от данной цели при прочих равных условиях. Свойства абсолютно жесткой сферы, перехватывать зондирующий сигнал, нами рассмотрены выше. При этом СЦ = 0 дБ соответствует отражению от такой сферы с R = 2 метра. Поэтому через R_э для практических расчетов СЦ записывают как :

СЦ = Т = 20log(R_э /2) 2.2.2

Так как реальные объекты локации в большинстве случаев имеют сложные формы, то их R_э (СЦ) чаще всего определяют экспериментально, реже – с использованием методов физического моделирования.

Экспериментальные методы сводятся либо к сравнению интенсивности эхо-сигналов от модельной сферы радиуса R и реального объекта, либо к измерениям интенсивности зондирующих сигналов и эхо-сигналов непосредственно у исследуемого объекта.

Следует отметить, что наибольшее влияние на СЦ оказывает пространственное расположение цели относительно источника зондирующего сигнала (курсовой угол (КУ)). На КУ 70¸110⁰ левого или правого борта (траверзные КУ) уровни отражения ПЛ и НК максимальны (так как ПЛ и НК в этом случае характеризуется наибольшим значением поперечного сечения и простотой формы). С изменением КУ уменьшается эффективная отражающая поверхность и СЦ падает. На носовых и кормовых КУ СЦ по сравнению с траверзными углами уменьшается на 10¸20 дБ (иногда это уменьшение более значительно). При этом рубка ПЛ, различные выступающие части, балластные цистерны и другие внутренние конструкции вносят свой вклад в изменение СЦ в зависимости от КУ.

Общий характер изменения силы цели ПЛ в зависимости от КУ показан на рисунке 2.2.1. Следует заметить, что такой же характер распределения силы цели имеет место и в вертикальной плоскости. При это наибольшие значения СЦ имеет над и под корпусом ПЛ в районе ее рубки.

На больших расстояниях СЦ от расстояния практически не зависит. На малых расстояниях по мере сближения СЦ падает. Данное обстоятельство объясняется тем, что на таких расстояниях ПЛ отражает звук как плоскость или цилиндр, а не как сфера. Экспериментально доказано, что СЦ ПЛ достигает максимальных значений при дистанциях до нескольких сот метров.

С увеличением частоты f СЦ растет в соответствии с зависимостью:

СЦ = T = 20log[ ] 2.2.3

где R_э0 – значение R_э цели на частоте f₀.

Это связано с тем, что длина волны сигнала уменьшается и соответственно в отраженный целью сигнал все больший и больший вклад вносит зеркальная составляющая, а вклад диффузионной составляющей уменьшается.

Следует отметить, что для ПЛ с противогидролокационным покрытием (ПГЛП) эта зависимость более сложная. Минимальное значение R_э в этом случае имеет место на частотах эффективной работы ПГЛП (f_эфПГЛП). При изменении частоты зондирующего сигнала в широких пределах эффективность ПГЛП падает и СЦ увеличивается. Соответственно, большему увеличению СЦ соответствует более высокая частота.

Что касается зависимости СЦ от длительности импульса зондирующего сигнала (t_и), то интервал дистанции, одновременно облученной импульсом ГАС (без учета взаимного перемещения носителя и цели), равен:

Dr = c t_и/2 2.2.4

То есть, при известной длине ПЛ (также как и НК) (L_ПЛ) равной Dr в направлении лоцирования длительность импульса для одновременного облучения должна быть по крайней мере такой, чтобы выполнялось равенство 2.2.4.

Длительность эхо-сигнала (t_эс) при этом будет равна:

t_эс = t_и + 2 L_ПЛ/с 2.2.5

При большой длительности импульса амплитуда эхо-сигнала постепенно нарастает до своего максимального значения, а затем уменьшается по мере того, как импульс проходит цель (смотри рис. 2.2.2 (а) для случая носового КУ). В случае короткого импульса принимается серия коротких эхо-сигналов, показывая вклад наиболее существенных отражателей (блестящих точек) ПЛ (рис. 2.2.2 (б)).

а)

б)

Можно говорить, что эхо-сигнал будет сверткой зондирующего импульса с импульсным откликом цели, а импульсный отклик цели – функцией КУ. Очевидно также то, что огибающая эхо-сигнала для короткого импульса подвержена большему искажению, что приводит к снижению помехоустойчивости корреляционных систем обработки сигнала.

Движение ПЛ сопровождается возникновением кильватерной струи и пелены пузырьков воздуха, обволакивающих корпус, а также образование пузырьков в результате кавитации на гребных винтах, что дополнительно вызывает рассеяние и поглощение зондирующего сигнала. характер влияния скорости на СЦ будет определяться соотношением между этими явлениями. Так например, в начале кавитации, то есть когда скорость ПЛ превысила критическую, в первое время может наблюдаться некоторое уменьшение СЦ вследствие поглощения и рассеяния звука пузырьками воздуха. Однако, учитывая, что на больших расстояниях в пределе раствора ХН оказывается значительный участок водной среды, включая не только ПЛ, но и ее кильватерную струю, при дальнейшем увеличении скорости следует ожидать некоторого увеличения СЦ за счет возникновения эффекта отражения звука от кильватерной струи (рис. 2.2.3).

Фактически в данном случае наблюдается эффект изменения величины диффузионной составляющей отраженного сигнала (зеркальная составляющая не изменяется).

В заключении следует отметить, что изменение глубины погружения ПЛ также приводит к изменению значения СЦ. В общем случае на больших глубинах развитие кильватерной струи, вследствие больших гидростатических давлений, менее интенсивно, чем у поверхности. Очевидно, что при прочих равных условиях с увеличением глубины погружения ПЛ СЦ будет уменьшаться. Если ПЛ оснащена ПГЛП, то с увеличением глубины наблюдается эффект обжатия ПГЛП силами гидростатического давления, что снижает эффективность ПГЛП в целом и приводит к некоторому увеличению СЦ.

К другим целям (кроме НК и ПЛ), представляющим военный интерес, относят мины, торпеды и боевые пловцы. Мины и торпеды обладают достаточно простой геометрической формой, что позволяет рассчитать их силу цели теоретически. Силу цели боевых пловцов определить значительно сложнее. В коммерческих целях особый интерес представляет сила цели морских животных.

Некоторые типовые значения СЦ различных объектов и соответствующие им эквивалентные радиусы приведены в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1

Данные по эквивалентным радиусам различных целей показывают, что они отличаются большим разнообразием. Конкретные данные (прежде всего по ПЛ и НК) по СЦ и соответствующим эквивалентным радиусам для определенных проектов кораблей можно найти в специальной справочной литературе.

Задача определения Rэкв для реальных целей является достаточно сложной. В настоящее время существует три основных метода определения Rэкв: метод сравнения интенсивности эхосигналов от реальных целей с последующим подбором эталонной сферы с такой же отражающей способность; метод определения Rэкв с использованием уравнения дальности; теоретический метод.

Первый метод можно использовать только в условиях специальных морских полигонов, которые позволяют производить соответствующие измерения для реальных целей (особенно НК и ПЛ).

Таблица 2.2.2

Форма отражателя	Rэкв	Обозначения	Направление падающей волны	Условия примени-мости формулы
Сфера: большая: малая:	R 65,8R3/λ2	R – радиус сферы; λ – длина волны.	Любое	kR>>1; r > R kR<<1; kr>> 1
Цилиндр	·(sinζ/ζ)·cosθ	L – длина цилиндра; R – радиус цилиндра; ζ = kLsinθ k – волновое число (k = 2π/λ)	Перпендикулярно к оси цилиндра     Под углом θ к нормали	kR>>1;     r > L2/λ
Плоская пластина: произвольной формы:     прямоугольная:   круглая:	2S/λ   (2ab/λ) ·(sinζ/ζ)·cosθ   (2πR2/λ)·(J1(2ζ)/ζ)· ·cosθ   [8/(3π)]k2R3	S – площадь пластины; L – max размер пластины; l – min размер пластины; a,b – стороны прямоугольника; ζ = kаsinθ;   R – радиус пластины; ζ = kRsinθ; k = 2π/λ	Перпендикулярно поверхности пластины.   Под углом θ к нормали в плоскости, содержащей а. Под углом θ к нормали.   Перпендикулярно поверхности пластины.	r > L2/λ; kl>>1     r > a2/λ; kb>>1 a > b.   r > R2/λ; kR>>1   kR<<1
Эллипсоид	bc/a     (abc/r)·[a2cos2α + b2· ·cos2β + c2cos2γ]-1	а,b, c – главные полуоси эллипсоида	Параллельно оси а.   Под углами α,β,γ соответственно к осям x,y,z.	ka>>1; kb>>1; kc>>1; r >>a; r>>b; r>>c.
Любое вытянутое в длину тело вращения	8πV/λ2	V – объем тела.	Вдоль оси вращения.	Все размеры малы по сравнению с λ

Используя теоретический метод, аналитическим путем сила цели наиболее просто может быть получена для тел простой формы. Формулы для расчета Rэкв некоторых жестких зеркально отражающих тел приведены в таблице 2.2.2. Пользуясь этими формулами, в принципе, можно произвести расчет силы цели объектов более сложной формы. Например, корпус ПЛ можно аппроксимировать эллипсоидом вращения, а боевую рубку – цилиндром. Радиус кривизны поверхности корпуса и рубки в различных точках можно определить по чертежам ПЛ.

На практике широко распространен метод, основу которого составляет решение уравнения дальности гидролокации. Суть данного метода заключается в том, что интенсивность (звуковое давление) эхосигнала измеряют на большом волновом расстоянии от исследуемого объекта r (по сравнению с размерами объекта и его радиусом кривизны), а затем приводят к интенсивности (звуковому давлению) на единичном расстоянии от объекта. Для этого надо знать потери при распространении и акустическую мощность излучения источника. При этих расчетах всегда используют выражения для оценки потерь на распространение при проведении измерений в условиях морских полигонов, где водная среда всегда неоднородна. Определение аномалии распространения в этом случае часто представляет собой трудную исследовательскую задачу. Поэтому стараются проводить такие исследования в специальных крупногабаритных акустических бассейнах с использованием масштабных уменьшенных макетов реальных целей на основе теории подобия.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: