Исследование параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

гГБ ОЛ

КУЦЕНКО Татьяна Николаевна'; " " '

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН С МНОГОКОМПОНЕНТНЫМ СИГНАЛОМ НАКАЧКИ

Специальность 01.04.06 - АКУСТИКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 2000

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор В.И. ТИМОШЕНКО

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор физико-

математических наук, профессор В.П. РЫЖОВ,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГУН НИИ "БРИЗ" В.П.УСОВ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт Океанологии

АН РФ им. П.II. Ширшова, г.Москва

Защита состоится " Л^ " г. в_

на заседании диссертационного совета Д 063.13.04 при Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ГСП-17а, пер. Некрасовский, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского радиотехнического университета

Автореферат разослан " " сЛЛ^Я; Л _2000 г.

Ученый секретарь дассертациошюго совета кандидат технических наук, доцап^О И.Б. Старченко

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на огромный поток исследовательских работ, посвященных изучению и исследованию эффекта нелинейного взаимодействия акустических волн, до сих пор есть задачи, требующие более скурпулезного рассмотрения.

В ряде гидроакустических приборов, разрабатываемых в настоящее время, предусматривается режим параметрического излучения. Задачи, решаемые с использованием параметрических приборов, требуют предварительной оценки характеристик параметрических антенн. Существующие в настоящее время методы оценки характеристик таких антенн не всегда дают правильные, совпадающие с экспериментом, результаты, в связи с чем продолжается поиск математических моделей параметрических антенн.

Недостатком антенн, использующих эффект нелинейного взаимодействия является низкий коэффициент преобразования энергии сигнала волны накачки в энергию волны разностной частоты (ВРЧ). Только десятые доли процента энергии волны накачки преобразуются в энергию волны разностной частоты. В настоящее время известно несколько способов повышения эффективности преобразования энергии. Выбор каждого из них зависит от условий решаемых задач. Известны параметрические излучатели, использующие в излучении промежуточную среду. Повышают эффективность преобразования энергии и с помощью выбора метода формирования волны разностной частоты, либо с использованием различных режимов работы параметрических антенн. Увеличение эффективности преобразования энергии сигнала волны накачки в энергию волны разностной частоты - это еще один шаг к повышению дальности действия параметрического гидролокатора (ПГЛ). Повышение эффективности преобразования энергии можно добиться, используя в излучении многокомпонентный сигнал.

Использование эффекта нелинейного взаимодействия волн привело к появлению новых возможностей гидроакустических станций, таких как возможность исследования придонных структур и исследования частотных свойств рассеи-вателей, при этом существенно уменьшив их массогабаритные размеры.

В настоящей работе ставится задача исследования процесса формирования волн разностной частоты при взаимодействии многокомпонентных сигналов накачки. Приведенные в литературных источниках сведения о взаимодействии таких сигналов отрывочны, но они показывают принципиальные возможности увеличения эффективности преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты.

Целью работы является исследование параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки для создания излучателей с повышенной эффективностью нелинейного преобразования энергии и возможностью генерации многокомпонентных сигналов с эквидистантным спектром в интересах решения задач гидролокации.

Методы исследования. Поставленная в работе цель достигается автором путем теоретических и экспериментальных исследований. Предложенные математические модели имеют интерпретацию, приближенную к существующим физическим представлениям об исследуемых процессах. Приведенные теоретические выводы и расчеты подтверждаются измерениями в гидроакустическом бассейне.

Научная новизна.

1. Получено математическое описание процесса генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки, на основе решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова.

2. Исследован процесс повышения эффективности преобразования энергии волны накачки в энергию волны разностной частоты .

3. Предложена и разработана модифицированная математическая модель для расчета характеристики направленности излучающей параметрической антенны

4. Получено математическое выражение, описывающее энергетический потенциал параметрического гидролокатора с многокомпонентным сигналом.

5. Проведена оценка параметров параметрического гидролокатора с многокомпонентным сигналом для обнаружения подводных объектов.

6. Получено математическое выражение, описывающее энергетический потенциал параметрического гидролокатора с многокомпонентным сигналом накачки для лоци-рования объектов под слоем грунта.

Научная и практическая значимость работы состоят в том, что существенно расширились представления о преобразовании энергии волны накачки в волну разностной частоты в многокомпонентном сигнале; предложенная математическая модель расчета ширины характеристики направленности параметрической антенны расширила возможности в ее оценке; предложенные методы оценки параметров параметрического гидролокатора (ПГЛ) снизили временные затраты при разработке гидроакустических приборов, использующих в излучении многокомпонентный сигнал накачки. Разработаны методы расчета характеристик параметрических локаторов с многокомпонентным сигналом накачки для лоцирования придонных слоев.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в в/ч 10729 (г.Пушкин), Государственном научном центре ГГП НПО "Южморгеология" (г. Геленджик), НИР "Океанотехника", г/б работе №13652, а также в учебный процесс ТРТУ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях ТРТУ (Таганрог, 1998-1999 гг.), на IV Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г.Новосибирск, 1998 г.), на IV Международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" (г.Санкт Петербург, 1998 г.), на Международной конференции "Теория и практика геолого-геофизических исследований"(г.Геленджик), на Международной конференции Океан 99 (г.Вашингтон).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Решение задачи повышения эффективности преобразования энергии волны накачки в энергию волны разностной частоты при использовании многокомпонентного сигнала накачки.

2. Метод расчета характеристик направленности параметрических излучающих антенн.

3. Методика расчета энергетических параметров гидролокатора, использующего многокомпонентный сигнал накачки.

4. Методика расчета энергетических характеристик параметрического гидролокатора с многокомпонентным сигналом накачки при обнаружении заиленных объектов с учетом реверберации.

5. Результаты экспериментальных исследований излучающей параметрической антенны с многокомпонентным сигналом накачки.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, списка литературы из 82 наименований. Диссертация содержит 135 страниц печатного текста и 58 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследований.

В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных исследованию характеристик параметрических антенн, методам излучения сигналов накачки, оптимизации параметров параметрической антенны и параметрического гидролокатора. В ней рассмотрены публикации, в которых решаются задачи повышения эффективности преобразования энергии сигнала накачки в энергию сигналов разностной частоты.

Вторая глава посвящена исследованию взаимодействия волн в многокомпонентном сигнале накачки для определения возможности увеличения энергии генерируемых волн разностной частоты. Получено выражение, описывающее процесс генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки, которое имеет следующий вид:

т п-т

«V "Л V"!

Р - 2~11иРмР0к+тВкМт >

9=1 к=1

где р{)к и р()к+м - амплитуды звуковых давлений спектральных составляющих волны накачки, взаимодействующих между собой; Вкк+т - коэффициент, описывающий пространственное распределение волны разностной частоты. По полученному выражению проведены исследования многокомпонентного сигнала накачки. На рис. 1 приведены зависимости амплитуд звуковых давлений первой гармоники ВРЧ от ко-

личества компонент в сигнале накачки при различных разностных частотах и постоянной низшей частоте накачки.

/ 1

—* 2 1

1—

1 3 ^ 9 1 0 11 12 п

Рис. 1

Кривая 1 рассчитана для разностной частоты Т7! =20 кГц, кривая 2 - = 10 кГц, /1=5 кГц. Из приведенных результатов видно, что на более высоких разностных частотах необходимо меньшее количество компонент для достижения максимальной амплитуды звукового давления в ВРЧ. На низших разностных частотах зависимость от количества компонент очень слаба.

Были проведены теоретические исследования зависимости амплитуд звуковых давлений ВРЧ от ширины полосы пропускания акустоэлектронного тракта. Для этого получено выражение, описывающее процесс генерации ВРЧ многокомпонентным сигналом накачки с учетом полосы пропускания. Для нечетного количества компонент в сигнале накачки оно имеет следующий вид:

и-1 п~т С/0±/йГ (/О±/к+тУ '

Л-е 2л2 -ри+ш-е 2д2 -ВкМт ,

т=\к=\

а для четного количества компонент

(/0±Л-±%>2 (Л±/к+т

п-1 п-т

Р

п-1 п-т

I I д&л-«

»1=1 Аг=1

±—_)2 2

2 Л

' Р0к+те

2 Не

' Вк.к+т'

Рассмотрено влияние изменения фазовых характеристик сигнала разностной частоты при его генерации многокомпонентным сигналом накачки на эффективность преобразования волны накачки в ВРЧ. На основе изучения особенностей генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки рассмотрена возможность управления спектром генерируемых волн разностной частоты. Так, например, при спадании амплитуд звуковых давлений спектральных составляющих сигнала накачки по закону 1/п2 (рис.2,а) можно получить спектр ВРЧ в виде, представленном на рис. 2,6.

Сделан подробный анализ существующих расчетных моделей характеристик направленности параметрических антенн. Рассмотрены математические модели Вестервельта, Берктея и Хохлова-Заболотской- Кузнецова.

р

0.8 0.5 0.4 0.2

п"

—

.1.1_____________

0.2 0.15 0.1 0.05

<г % Ъ % Ь 1

а

1

— — — — -------

Р 2¥ ЗР 4Р 5Р 6Я б

Рис.2

р

На основе методов теории направленности антенн 1редложена новая математическая модель в виде выражения,

описывающего характеристику направленности параметрической антенны в дальнем поле излучателя, которое имеет следующий вид:

где к и К- волновые числа для исходных и разностных частот, соответственно.

По полученному выражению проведены расчеты характеристики направленности параметрической антенны в зависимости от характеристик взаимодействующих волн. В качестве изменяющегося параметра взято отношение длины зоны взаимодействия волны накг.чки к длине зоны дифракции.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ПА с многокомпонентным сигналом накачки. Описана установка для проведения экспериментальных исследований и приведена методика проведения экспериментов.

Экспериментальные исследования были направлены на выявление наличия генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом на качки, а также на получение характеристик зависимостей амплитуд звуковых давлений спектральных составляющих ВРЯ ст количества компонент в сигнале накачки. Исследования показали, что при излучении двухкомпонентного сигнала накач ен генерируется одноком-понентный сигнал разностной частоты, при трехкомпонент-ном сигнале накачки - двухкомпок гнтный и т.д. Амплитуды звуковых давлений спектральных & вставляющих ВРЧ растут с увеличением количества компонент в сигнале накачки.

Проведено сравнение результатов эксперимента с теоретическими исследованиями, которые показали их качественное совпадение.

Четвертая глава посвящена энергетическим характеристикам параметрического гидролокатора.

Исходя из возможности использования ПГЛ с многокомпонентным сигналом в двух направлениях: для решения вопроса повышения дальности действия и для идентификации объектов, уравнение гидролокации было решено относительно коэффициента распознавания, а также относительно излучаемой акустической мощности.

Было получено выражение, описывающее энергетический потенциал параметрического гидролокатора, использующего в излучении многокомпонентный сигнал накачки, которое имеет вид

1,0 5 г/

е У1""' • 7\. п~т Ь- -^-й-

ц/ _ __ат у и! "г + гп ,

где

5-Рпо 16^-103 .

И

аг ■ е-к-Яу-П'^х п - количество компонент в сигнале накачки, т - количество гармоник в сигнале разностной частоты. По полученному выражению были проведены исследования зависимости дальности действия от количества компонент в сигнале накачки.

Получено решение уравнения гидролокации с учетом полосы пропускания тракта формирования сигнала накачки. Для нечетного количества компонент оно имеет следующий вид

ту

ЦТ ы -е у^_а) *7+и__

* ~ Рт-Курс-^тп р1 (Щ?

2Л -е 2А

а для четного

Ц&с/

8-Рп64я-2хЛ&-е '

¡«»"Г

2

Проведена оценка параметров ПГЛ с учетом полосы пропускания акустоэлектронного тракта.

С учетом задач локации в различной постановке уравнение гидролокации было решено относительно коэффициента распознавания. Полученное выражение имеет следующий вид:

Рассматривается возможность применения полученного математического аппарата при решении задач идентификации объектов по их частотному признаку.

Исходя из задач гидролокации, рассмотрены вопросы использования параметрического гидролокатора для лоциро-вания заиленных объектов. С этой целью было решено уравнение гидролокации с учетом шумовой помехи, донной реверберации и затухания волны разностной частоты в грунте. При решении предполагалось, что в среду излучается многокомпонентный сигнал накачки. В результате было получено выражение, которое описывает энергетический потенциал параметрического гидролокатора, используемого для обнаружения предметов, находящихся под слоем морского донного грунта. Полученное решение имеет следующий вид:

* ЦРыРш+гпкшгФУ)-

П-ТП

*Ги1

Результаты проведенных расчетов показали возможность оптимизации характеристик ПГЛ в соответствие с полученным выражением в различных условиях поиска объектов.

В заключении сформулированы основные результаты исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе решения уравнения ХЗК и рассмотрения физики процесса генерации ВРЧ было получено математическое выражение, описывающее процесс генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки.

2. Проведены теоретические исследования путей повышения эффективности преобразования энергии волны накачки, представляющей собой многокомпонентный сигнал, в энергию ВРЧ. Выявлены оптимизирующие.параметры процесса генерации ВРЧ многокомпонентным сигналом накачки, влияющие на величину энергии волны разностной частоты. Такими параметрами являются: количество компонент в сигнале накачки, разностная частота, отношение частоты накачки к разностной частоте .

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ПА в режиме генерации многокомпонентных сигналов разностной частоты при излучении многокомпонентных сигналов накачки.

4. На основе решения формулы Грина и, используя основные теоремы о направленности антенн, а также известное представление о физике процесса формирования ПА, предложена модифицированная математическая модель для расчета характеристик направленности ПА.

5. Проведена оптимизация параметров ПА. В качестве оптимизирующего параметра взято отношение длины зоны затухания волны накачки к длине ее зоны дифракции.

6. Получено выражение,- описывающее энергетический потенциал ПГЛ с многокомпонентным сигналом накачки.

7. Выявлено преимущество использования многокомпонентного сигнала накачки по дальности действия ПГЛ для лоцирования целей.

8. Показано, что полученное выражение позволяет упростить процедуру синтеза сигнала накачки такого спектрального состава, который дает возможность получить с учетом распространения и отражения от цели примерное равенство амплитуд спектральных компонент эхо-сигнала на входе приемной антенны гидролокатора. Это является необходимым требованием при поиске классификационных признаков для решения задач распознавания.

9. Получено решение уравнения гидролокации для решения задачи выбора оптимальных энергетических характеристик ПГЛ с многокомпонентным сигналом накачки, предназначенных для поиска предметов, находящихся под слоем грунта.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Воронин В.А., Тарасов С.П., Куценко Т.Н. К вопросу об оптимизации параметров характеристик направленности параметрических антенн // Известия ТРТУ. - Таганрог, 1998

2. Воронин В.А., Тарасов С.П., Куценко Т.Н. Исследование характеристик направленности параметрических антенн. // IV Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". -Новосибирск, 1998г.

3. Воронин В.А., Тарасов С.П., Куценко Т.Н Дальность действия параметрических гидролокационных систем в условиях помех // ГУ Международная научно-техническая

конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" .- Новосибирск, 1998 г.

4. Куценко Т.Н., Коновалова С.С., Тарасов С.П. Энергетический потенциал и помехоустойчивость параметрических гидролокационных систем // IV Международная конференция "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". - Санкт-Петербург, 1998 г.

5. Voronin V.A., Konovalova S.S., Kutzenko T.N. Investigation of Hydroacustic Parametric Sub-Bottom Profiler Characteristics/ Seattle. Washington Conference & Exnibition 13-16 September 1999, Oceans' 99.

6. Воронин В.А., Тарасов С.П., Куценко Т.Н. Исследование эффективности генерации волн разностной частоты при использовании многокомпонентного сигнала накачки // Известия ТРТУ. - Таганрог, 1999.

7. Воронин В.А., Тарасов СП., Куценко Т.Н. К вопросу об оптимизации параметров ПГЛ при расчете дальности действия // Известия ТРТУ, - Таганрог, 1999.

8. Воронин В.А., Тарасов С.П., Куценко Т.Н. Энергетический потенциал многокомпонентного параметрического геолокатора. Международная конференция.-Геленджик, 1999.

Личный вклад диссертанта в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в следующем: в работе IV получено математическое выражение, описывающее характеристику направленности параметрической антенны и проведены расчеты ХН при различных исходных данных; в работе /2/ рассмотрены вопросы формирования ХН ПА на основе использования функции Грина; в работе /3/ получено математическое выражение, описывающее энергетические характеристики ПГЛ с учетом реверберационных помех, проведены расчеты энергетического потенциала ПГЛ; в работе /4/ проведены расчеты энергетического потенциала ПГЛ в условиях помех; в работе 15/ получено математическое выражение, описывающее энергетический потенциал ПГЛ при лоцировании заиленных объектов, проведены расчет дальности действия; в

работе /6/ выведено выражение для расчета характеристик генерируемых волн при использовании многокомпонентного сигнала накачки; в работе /7/ получены зависимости, показывающие возможность нахождения оптимальных параметров ПГЛ для локирования заиленных объектов; в работе /8/ рассчитан энергетический потенциал ПГЛ с использованием многокомпонентного сигнала накачки.

L

ЛР№ 020565 Подписано к печати .05.2000 г. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная Бумага офсетная. Усл. п. л. -

Заказ № 175 Тираж /¿¡О

©

Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета ГСП-17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Типография Таганрогского государственного радиотехнического университета ГСП-17А, Таганрог, 28, Энгельса, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ВОЛН РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО СИГНАЛА НАКАЧКИ.

2.1. Энергетические соотношения генерируемых волн при многокомпонентном сигнале накачки.

2.2. Исследование генерации гармоник волны разностной частоты с учетом полосы пропускания акустоэлектронного тракта.

2.3. Исследование фазовых характеристик волн разностной частоты

2.4. Управление спектром генерируемых волн разностной частоты.

2.5. Исследование характеристик направленности параметрических антенн.

2.6. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ МНОГОКОМПОНЕНТНЫМ СИГНАЛОМ НАКАЧКИ.

3.1. Описание структурной схемы установки для исследования генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки.

3.2. Методика исследования закономерностей формирования волн разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки.

3.3. Результаты экспериментальных исследований.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГИДРОЛОКАТОРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ СИГНАЛ НАКАЧКИ.

4.1. Вывод выражения для определения энергетической дальности действия параметрического гидролокатора с учетом шумовой помехи при излучении многокомпонентного сигнала накачки.

4.2. Оценка энергетических характеристик параметрического гидролокатора, использующего в излучении многокомпонентный сигнал накачки с учетом полосы пропускания акустоэлектронного тракта.

4.3. Расчет характеристик параметрического гидролокатора с целью определения необходимого спектра многокомпонентного сигнала накачки.

4.4.Вывод выражения для определения дальности действия параметрического гидролокатора при обнаружении заиленных объектов с учетом шумовой помехи и донной реверберации при излучении многокомпонентного сигнала накачки.

4.5. Выводы.

Несмотря на большой поток исследовательских работ, посвященных изучению эффекта нелинейного взаимодействия акустических волн, до сих пор есть задачи, требующие более скурпулезного рассмотрения.

В ряде гидроакустических приборов, разрабатываемых в настоящее время, предусматривается режим параметрического излучения. Различного рода задачи, решаемые с использованием параметрических приборов требуют предварительной оценки характеристик антенн, работающих на эффекте нелинейного взаимодействия. Существующие в настоящее время методы оценки характеристик таких антенн, не всегда дают правильные, совпадающие с экспериментом, результаты, в связи с чем продолжается разработка математических моделей параметрических антенн.

Существенным недостатком эффекта нелинейного взаимодействия является низкий коэффициент преобразования энергии сигнала волны накачки в энергию волны разностной частоты. Только десятые доли процента энергии волны накачки преобразуется в энергию волны разностной частоты. В настоящее время известно несколько способов повышения эффективности преобразования энергии. Выбор каждого из них зависит от конкретных условий, для которых будет решаться поставленная перед разработчиком задача. Известны параметрические излучатели, использующие в излучении промежуточную среду. Повышают эффективность преобразования энергии и с помощью выбора метода формирования волны разностной частоты. Увеличение эффективности преобразования энергии можно добиться, используя в излучении многокомпонентный сигнал.

Использование эффекта нелинейного взаимодействия волн привело к появлению новых возможностей гидроакустических станций, таких, как возможность исследования придонных структур и исследование частотных свойств рассеивателей, при этом существенно уменьшив их массогабаритные размеры.

Свойства широкополосности параметрических антенн позволяет излучать сложные, в том числе многокомпонентные, сигналы за счет нелинейного взаимодействия многокомпонентных сигналов накачки. Таким образом, излучение многокомпонентных сигналов накачки представляет интерес во-первых с точки зрения повышения эффективности нелинейного взаимодействия и получения более высоких уровней звукового давления сигналов разностной частоты, что особенно важно для гидролокации. А во-вторых, образуемый за счет нелинейного взаимодействия многокомпонентных сигналов накачки многокомпонентный сигнал с эквидистантным спектром, найдет применение при исследовании классификационных признаков для решения задач распознавания в гидролокации. Достоинством такого сигнала, излученного параметрической антенной, помимо наличия нескольких спектральных составляющих с одинаковым частотным интервалом, является одинаковая направленность на всех компонентах. Последнее дает возможность сопоставить с достаточной достоверностью полученные по различным компонентам результаты. Например, при исследовании донных осадков появляется возможность классификации типов донных грунтов за счет использования частотной зависимости рассеяния и затухания частотных компонент при одновременном озвучивании одного и того же объема.

В настоящей работе ставится задача исследований процесса формирования разностной частоты при взаимодействии многокомпонентных сигналов накачки. Приведенные в литературных источниках сведения о взаимодействии таких сигналов отрывочны, но они показывают принципиальные возможности увеличения эффективности преобразования энергии волн накачки в волны разностной частоты. Кроме того, в работе рассматривается влияние частотных характеристик электроакустического тракта формирования сигнала на процесс формирования волн разностной частоты.

Целью настоящей работы является исследование параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки для создания излучателей с повышенной эффективностью нелинейного преобразования энергии и возможностью генерации многокомпонентных сигналов с эквидистантным спектром в интересах решения задач гидролокации.

Для достижения поставленной цели в работе проведены теоретические и экспериментальные исследования. Предложены математические модели, имеющие интерпретацию, приближенную к существующим физическим представлениям об исследуемых процессах, а также приведенные теоретические выводы и расчеты, подтверждающиеся измерениями в гидроакустическом бассейне и натурных условиях.

Научная и практическая значимость работы состоят в том, что проведенная работа расширила представления о преобразовании энергии волны накачки в волну разностной частоты в многокомпонентном сигнале; предложенная математическая модель расчета ширины характеристики направленности параметрической антенны расширила возможности в ее оценке; методы расчета параметров параметрического гидролокатора позволяют определить оптимальные характеристики при разработке гидроакустических приборов, использующих в излучении многокомпонентный сигнал накачки. Методы расчета характеристик параметрических локаторов с многокомпонентным сигналом накачки для лоцирования придонных осадков, дают возможность выбора в процессе эксплуатации наиболее оптимальных параметров сигнала.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Решение задачи повышения эффективности преобразования энергии волны накачки в энергию волны разностной частоты при использовании многокомпонентного сигнала накачки.

2. Методика расчета энергетических параметров гидролокатора, использующего многокомпонентный сигнал накачки.

3. Методика расчета энергетических характеристик параметрического гидролокатора (ПГЛ) с многокомпонентным сигналом накачки при обнаружении заиленных объектов с учетом реверберационных помех.

4. Результаты экспериментальных исследований излучающей параметрической антенны с многокомпонентным сигналом накачки.

5. Метод расчета характеристик направленности параметрического излучателя.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. В конце диссертационной работы приведен список литературы из 80 наименований. Диссертационная работа содержит 51 рисунок.

4.5. Выводы

Представленные в настоящем разделе исследования демонстрируют одно из важнейших применений параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки, а именно использование их в качестве источников сигналов для гидролокации.

На основе исследований характеристик параметрических гидролокаторов, использующих в излучении многокомпонентный сигнал накачки, можно сформулировать следующие выводы:

1. Полученное на основе решения уравнения гидролокации выражение для определения дальности действия параметрического гидролокатора, использующего многокомпонентный сигнал накачки, позволяет исследовать энергетический потенциал излучающего тракта в зависимости от параметров сигнала, цели и уровня помех.

2. Проведенные исследования показали, что существует принципиальная возможность увеличения дальности действия до двух раз при использовании в гидролокаторе параметрической антенны с многокомпонентным сигналом накачки.

3. Реальная эффективность использования многокомпонентного сигнала накачки ограничена полосой пропускания излучающего тракта. Получено выражение для расчета дальности действия, учитывающее указанное ограничение и позволяющее прогнозировать потенциал гидролокатора при использовании сигналов с различными спектральными составляющими.

4. Получено выражение для определения отношения сигнал/помеха в зависимости от параметров сигнала, помехи и лоцируемого объекта, которое позволяет упростить процедуру синтеза сигнала накачки такого спектрального состава, который дает возможность получить с учетом распространения и отражения от цели примерное равенство амплитуд спектральных компонент эхо-сигнала на входе приемной антенны гидролокатора. Это является необходимым требованием при поиске классификационных признаков

122 для решения задачи распознавания.

5. Выражение, полученное для определения дальности обнаружения заиленных объектов, позволяет с учетом шумовой помехи и донной реверберации определить энергетические характеристики параметрического гидролокатора с многокомпонентным сигналом накачки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подробные частные выводы сделаны в конце каждой главы диссертации. Подводя общие результаты диссертационной работы, можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Используя решение уравнения ХЗК получено математическое выражение, описывающее процесс генерации волны разностной частоты многокомпонентным сигналом накачки.

2. Проведены исследования путей повышения эффективности преобразования энергии волн накачки, представляющей собой многокомпонентный сигнал, в энергию ВРЧ.

3. Выявлены параметры процесса генерации ВРЧ многокомпонентным сигналом накачки, оказывающие существенное влияние на эффективность процесса. К ним относятся такие, как параметр снижения по частоте, рабочая частота, количество компонент в сигнале накачки.

4. Используя основные теоремы о направленности антенн и известное представление о физике процесса образования ПА, предложена математическая модель ПА, описывающая характеристику направленности ПА. Проведена оптимизация параметров ПА. В качестве оптимизирующего параметра взято отношение длины зоны затухания волны накачки к длине ее зоны дифракции.

5. Используя уравнение гидролокации получено решение, описывающее энергетический потенциал ПГЛ, использующего в излучении многокомпонентный сигнал накачки.

6. Проведена оценка энергетических параметров ПГЛ, использующего в излучении многокомпонентный сигнал накачки. Выявлены преимущества использования многокомпонентного сигнала накачки в ПГЛ для лоцирования целей . Основным из них является увеличение дальности действия ПГЛ, работающей на первой гармонике ВРЧ в 1,5 - 2 раза. Таким образом, исследованы возможности увеличения дальности действия 1ТГЛ, использующего в излучении многокомпонентный сигнал накачки за счет способа генерации ВРЧ.

7. На основе решения уравнения гидролокации решена задача оценки энергетических характеристик ПГЛ, предназначенного для поиска предметов, находящихся под слоем грунта.

8. Предложен математический аппарат, который позволяет синтезировать сигнал накачки таким образом, чтобы эхо-сигнал от цели в точке приема был удобен для обработки.

По результатам проведенной научно-исследовательской работы опубликовано 8 работ. Часть из них докладывалась на международных конференциях.

По результатам диссертационной работы получено три внедрения, три главы диссертационной работы включены в отчет по госбюджету №3652, а также внедрены в учебный процесс.

В заключении автор выражает благодарность научному руководителю заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату Государственной премии СССР, профессору, доктору технических наук, академику РАЕН Владимиру Ивановичу Тимошенко, научным консультантам - доктору технических наук, профессору Василию Алексеевичу Воронину и доктору технических наук, профессору Сергею Павловичу Тарасову за постоянное внимание, ценные советы при выполнении и написании диссертации, а также всему коллективу кафедры электрогидроакустической и медицинской техники Таганрогского радиотехнического университета за помощь в проведении экспериментов.

1. Westervelt P.J. Parametric End-Fire Array 1.I J.Acoust.Soc.Amer., 1960.-№32.-P.934.

2. Westervelt P.J. Parametric End-Fire Array // J.Acoust.Soc.Amer., 1963.-№35,-P.535-537.

3. В.А.Зверев, А.И.Калачев. Измерение рассеяния звука звуком при наложении параллельных пучков // Акуст. журнал,- 1968,- Т.114, вып.2,- С.214-220.

4. Berktay И.О. Possible exploitation of Nonlinear acoustics in underwater transmitting applications / J. Sound. Vib., 1965. №2. - P.435-461.

5. Moffett M.B., Westervelt P.J., Beyer R.T. Large-amplitude pulse propagation -atransient effect / J. Acoust. Soc. Amer., 1970. №47. - P. 1474-1474.

6. Moffett M.B.Westervelt P.J., Beyer R.T. Large-amplitude pulse propagation a transient effect // J.Acoust.Soc.Amer., 1971. - №49. - P.339-343.

7. Berktay И.О., Leany D.G. Farfield performance of parametric transmitters // J.Acoust.Soc.Amer., 1974.-№55. P.539-546.

8. Hobaek H , Westerheim M. Parametric acoustic arrays formed by diverging sound beams // Acoustica, 1977. V.37.- №2. - P.74-82.

9. D. Odero/ Calculation of the accurate difference-freguency field of a parametric circular piston / Underwater Acoustics & Signal Processing, 1981, P.219-222.

10. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. -Л.: «Судостроение», 1981. -С.264.

11. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. -М.: «Наука», 1975. С.288.

12. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей : Учебное пособие. Таганрог: ТРТИ, 1978.-4.L-c.91.

13. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей: Учебное пособие.- Таганрог: ТРТИ, 1980. 4.II. - с.67.

14. Новиков Б.К., Руденко О.В., Солуян С.И. К вопросу о параметрическом излучателе ультразвука//Акуст.журнал, 1975,- Т.21.- Вып.4.- С.591-597.

15. Тимошенко В.И. Задачи по расчету основных характеристик параметрических акустических антенн: Сборник задач по курсу акустика.-Таганрог: ТРТИ, 1978. 4.1.- С.18-39.

16. Berktay Н.О. Nearfield effects in parametric end-fire errays // J.Sound Vib., 1972 -№20. -P.135-143.

17. Berktay H.O. Some proposals for underwater transmitting applications of nonlinear acoustics / J. Sound Vib., 1967. №6., - P.244-254.

18. Mellen R.H., Moffett M.B. On parametric sourse aperture factors / J.Acoust. Soc. Amer., 1976. №66. - P.581-583.

19. Гурский B.B. Исследование характерситик параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Л.: ЛЭТИ, 1978 г.

20. Mellen R.H., Konrad W.L. Parametric sonar transmission Noval Underwater system Center / NewLondon. Gorm. tech. Mwmo. 1970.-P.2070-2303.

21. Bjorno L. Parametric acoustic arrays / Dordrecht Boston / NATO avancad study institute, 1977. - P.33-35.

22. Muir T. G., Blue Т.Е. Experiments on the acoustic modulation of largeamplitude waves / J.Acoust. Soc. Amer., 1969. P.227-232.

23. Konrad W.L. Design and application of hogh power parametric sonar / IEEE International Conference of Engineering in the Ocean Environmental, 1973. -P.310-315.

24. Bennett M.B., Stack C.M. Design of curvedface parametric projector / J.Acoust. Soc. Amer., 1978. -№63. -P.339-345.

25. Berktay H.O. A propagation model for parametric sources using rectangular transducers / Proc. 6-th Int. Symp. Nonlin. Acoust. Moscow, 1975.

26. Moffett M.B., Mellen R. H., Konrad W. L. Parametric acoustic sources ofrectangular aperture / J. Acoust. Soc. Amer., 1978. -№ 63. P.1326-1331.

27. Новиков Б.К., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Распределение поля излучения при взаимодейсвтии акустических волн . Труды VI Международного симпозиума по нелинейной акустике. М.: МГУ 1975. - С.234-241.

28. Lockwood J.C. Dick parametric acoustic array / J. Acoust. Soc. Amer., 1974. -V. 56. № 4. - P.1293-1294.

29. Eller A.J. Improved efficiency in the parametric source / J. Acoust.Soc. Amer., 1975. -№ 58. -P.l 193-1200.

30. Заболотская E.A., Хохлов P.B. Квазиплоские волны в нелинейной акустике ограниченных пучков / Акустический журнал, 1969. Т. 15. - вып. 1. -С.40-47.

31. Кузнецов В.П. Уравнения нелинейной акустики // Акуст. журнал 1970. -Т.16.-Вып. 4. - С.548-549.

32. Руденко О.В. , Солуян С.И., Хохлов Р.В. Ограниченные квазиплоские пучки периодических возмущений в нелинейной среде / Акустический журнал, 1970. Т.19. - Вып. 6. - С.871-876.

33. Руденко О.В., Солуян СЛ., Хохлов Р.В. Проблемы теории нелинейной акустики / Акустический журнал, 1974. Т.20. - Вып. 3. - С.449-467.

34. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. К нелинейной теории параксиальных звуковых пучков / Доклад АН СССР, 1975. Т.225. - Вып.5. -С.1053-1056.

35. Новиков Б.К. Взаимодействие акустичеких волн и теория параметериче-ских излучателей ультразвука // Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук. МГУ, 1976.-с.246.

36. Новиков Б.К., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Взаимодействие дифрагирующих пучков и теория высоконаправленных излучателей ультразвука // Акуст. Журнал,- 1977. Т.23, вып.4. - С.621-626.

37. Новиков Б.К., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Амплитудные и пространственные характеристки параметрических излучателей // Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1976. -Bbin.IV. - С.31-43.

38. Гривцов В.В., Рыбачек М.С. Фазовые характеристики измерительных параметрических излучателей звука. В ьсн.: Труды V научно-технической конференции по информационной акустике. -М., 1980. - С.85-99.

39. Разработка и исследование акустического измерительного излучателя на основе нелинейного эффекта : Отчет (заключительный) / ТРТИ; научный руководитель Тимошенко В.И. Шифр 113103. №ГР73043951; Инв.№ Б-489380. Таганрог, 1975,- с.87.

40. Разработка, исследование и изготовление остронаправленного приемно-излучающего комплекса: Отчет (заключительный) / ТРТИ; научный руководитель Тимошенко В.И. Шифр 113108. № TP 76083319; Инв. № Б-680820. Таганрог, 1978,- с. 135.

41. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Исследование и разработка гидроакустических антенн и приборов // Нелинейная акустика. Горький: Институт прикладной физики, 1980,- С.31-44.

42. Westervelt P.J. Parametric Acoustic Array / J. Acoust. Soc. Amer., 1963. -С.535-537.

43. Hobaek H., Vesterheim M. Properties of the parametric acoustic array in different parametric regions / 6-th International Symposium on Nonlinear Acoustic. -Moskow. 1976.-V. -1.-P.272-289

44. Mellen R.H., Moffett M.b./ 83-rd Meeting of the acoustical Society of Americas. Buffa 10, №4. - April 1972.

45. Зарембо JI.К., Красильников В.А. К вопросу об оптимизации акустической параметрической антенны / Труды VI Международного симпозиумапо нелинейной акустике. М.: МГУ, 1976. -4.1. - С.290-297.

46. Есипов И.Б., Наугольных К.А. К расчету оптимальных режимов параметрического излучателя звука / Тезисы VI Международного симпозиума по нелинейной акустике. М.: МГУ, 1976. - 4.1. - С.290-297.

47. Рыбачек М.С., Тимошенко В.И., Бырдин В.М., Новиков Б.К. К вопросу оптимизации параметрических излучателей / Второе Всесоюзное научно-техническое совещание: Нелинейная гидроакустика 76. - Таганрог: ТРТИ, 1976.-С.7-10.

48. Новиков Б.К. Некоторые вопросы оптимизации параметрических излучателей звука // Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1978. - Вып.VI. -С.17-23.

49. Наугольных К.А., Островский J1.A., Сутин A.M. Параметрические излучатели звука // Нелинейная акустика. Горький: Институт прикладной физики, 1980. -С.9-30.

50. Кобелев Ю.А. Островский Л.А. Модели газожидкостной среды, как нелинейной диспергирующей среды. В кн. Нелиненйая акустика. Горький: ИПФ АН СССр, 1980, С. 143-160.

51. Tjotta J.H., Tjotta S. Nonlinear interaction of two collinear spherically spreading sound beams / J. Acoust. Soc. Amer., 1980. -№67. P.99-106.

52. Bjorno L., Christoffersen В., Schreiber M.P. Some experimental investigation of the parametric acoustic array / Acoustica, 1976. №35- P.99-106.

53. Bjorno L., Christoffersen В., Schreiber M.P. Cavitation suppression by and improved efficiency of a parametric acoustic source / 6-th International Symposium on nonlinear acoustiecs. Moscow, 1975. P. 249-272.

54. Ryder J.D., Roder O.H., Jarzynski J. Radiation of difference freguency sound generated by non-linear interaction in a silicone rubber cylinder / J. Acoust. Soc. Amer., 1976. -№59. P.1077-1086.

55. Eller A.J. Application of the URSD type E-8 transducer assail acoustic parametric source / J. Acoust. Soc. Amer., 1974. №56. - P.1735-1739.

56. Merklinger H.M. Improved afficiency in the parametric transmitting array / J. Acoust. Soc. Amer., 1975. №58. - P.784-787.

57. Душаткин B.H., Иванченко В.П., Рыбачек M.C., Селин Е.П. Низкочастотный гидроакустический параметрический излучатель, В кн.: Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1983, вып. 10, С.26-30.

58. Рыбачек М.С., Селин Е.П. Исследование параметрического излучателя звука со сложным сигналом накачки В кн.: Прикладная акустика. - Таганрог: ТРТИ, 1983. -вып.9., - С.23-27.

59. Гаврилов A.M., Савицкий O.A. Экспериментальные исследования вырожденного параметрического взаимодействия в воде. / Известия вузов, Северо-Кавказский регион. Серия "Естественные науки", №3, 1993.

60. Селин Е.П., Чередниченко С.Д. Формирование многокомпонентных сигналов, В кн.: Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1983. - вып.9., -С.63-70.

61. Воронин В.А., Корж И.Г., Тарасов С.П. Использование эффектов нелинейного взаимодействия многокомпонентных акустических сигналов для искажения гидроакустических полей кораблей.

62. Рыбачек М.С., Селин Е.П. К учету фазовых соотношений при взаимодействии широкополосных сигналов. Прикладная акустика. - Таганрог: ТРТИ, 1985, вып.11, С. 18-22.

63. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. JI.:Судостроение, 1989. - с.256.

64. Разработка аппаратуры на основе параметрических антенн для обнаружения, классификации подводных объектов. Отчет (заключительный), №113111, инв. №0286.0094566. Таганрог: ТРТИ, 1985, - T.I, С.80.

65. Тарасов С.П. Нелинейное взаимодействие акустических волн в задачах гидролокации // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. ТРТУ, Таганрог, 1998. - С.410.

66. Voronin V.A., Konovalova S.S., Kuthenko T.N., Tarasov S.P. Investigation of

67. Hydroacoustic Parametric Sub-Bottom Profiler Characteristics. / Conference & Exibition, 13-16 September, 1999.- Ocean'99, Seattle, Washington, 1999.

68. Воронин В.А., Куценко Т.Н., Тарасов С,П. Энергетический потенциал многокомпонентного параметрического геолокатора. Материалы к юбилейной конференции "Теория и практика геологогеофи-зических исследований" . - Геленджик, 1999.

69. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Л.: Судостроение, 1984.-c.65.

70. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., "Сов. радио", 1964, С.695.

71. Мьюир Т.Д. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков. / В кн. "Акустика морских осадков" под ред Л.Хэмптона. -М, "Мир", 1977, С.227-273.

72. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л.Судостроение, 1986.-С.272.

73. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л., "Судостроение 1981. С.254.

74. Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты. Л.: Судостроение, 1982. -С.232,

75. Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966.-С.353.

76. Гидроакустическая энциклопедия. -Таганрог:ТРТУ, 1999. С.789

77. Гривцов В.В. Исследование фазовых характеристик параметрических антенн и создание параметрических излучателей с равномерным фазовым распределением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л.: ЛЭТИ, 1983.

78. А.С. №1196754 (СССР). Устройство для измерения коэффициента отражения образцов". Волощенко В.Ю., Максимов В.Н., Тимошенко1321. B.И. 1985.

79. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1971. - С. 269.

80. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978.1. C.261.

81. Абергаус Г.Г. и др. Справочник повероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1966.

82. Доцент каф. ЭГА и МТ кандидат технических наук1. СОГЛАСОВАНОдоктор технических наук1. Декан ФЭП1. Б.Г. Коноплев

83. СПРАВКА о внедрении результатов НИР шифр "Океанотехника"

84. В составе комплекса аппаратуры нис "Академик Иоффе" параметрический гидролокатор ТРТИ демонстрировался на Международной выставке "Океанология-90" (г.Брайтон, Великобритания) .

85. Начальник экспедиции ;с н с .