Метод спектрометрии временных задержек в натурных гидроакустических измерениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Наумов Сергей Сергеевич

МЕТОД СПЕКТРОМЕТРИИ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК В НАТУРНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Специальность 01.04.03 - «Радиофизика» и 01.04.06 - «Акустика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород- 2005

Работа выполнена на кафедре радиотехники радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

Доктор технических наук, профессор Орлов Игорь Яковлевич Доктор физико-математических наук, профессор Мальцев Александр Александрович,

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Мансфельд Анатолий Дмитриевич Научно-исследовательский радиофизический институт

Защита состоится « ¿г » Си^укЛ. 2005 г. в часов на заседании диссер-

тационного совета Д.212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского (603950, Н. Новгород, ГСП-20, пр. Гагарина, 23, корп.4, ауд.201).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета.

Автореферат разослан « » -¿¿¿к-?_2005г.

Учёный секретарь

диссертационного совета доцеиг Черепенников В.В.

щм

Общая характеристика работы

В диссертационной работе поставлена актуальная научная задача создания единой системы акустических измерений, базирующейся на использовании сигналов высокой сложности. При этом предлагается, за счёт повышенной точности измерения дистанций и фазовых соотношений, отказаться от принудительного задания точного взаимного расположения корреспондентов, измеряя вместо этого последнее, теми же акустическими средствами, которые используются в основных измерениях. Это позволит радикально изменить измерительный процесс и позволит ставить задачи ранее неразрешимые. Одновременно предполагается улучшить точность результатов за счёт снижения влияния шума, мешающих отражений от границ сред, динамики среды и нелинейностей канала и одновременно достигнуть предельной точности измерения задержек распространения звука.

Актуальность темы диссертации

В настоящее время проведение натурных гидроакустических измерений, сталкивается с рядом трудностей, связанных с влиянием границ раздела сред. Дня уменьшения последнего приходится увеличивать расстояние между ними и акустическими корреспондентами. При этом становится всё труднее точно задать взаимные их положения как из-за громоздкости механических постановочных средств и трудности такой постановки, так и из-за влияния динамики морской среды.

Измерения осложняются также значительным уровнем окружающих шумов на мелководье. Таким образом, значительное количество задач решается не в адекватных условиях, например, характеристики антенн измеряются в ближнем поле (с последующим пересчётом в дальнее), параметры преобразователей исследуются в заглушённых (в недостаточной степени) бассейнах. При этом приходится мириться с недоучётом множества факторов, отличающих условия эксперимента от натурных (температура, внешнее давление, характеристики механического крепления преобразователя на месте, влияние обтекателей и ограждений и т. д). Кроме того, во многих случаях периодическая поверка преобразователей в бассейновых условиях связана с их подъёмом, демонтажем и транспортировкой, т.е. трудоёмка и затратна.

Применяемые сигналы обычно не оптимальны либо с точки зрения помехозащищённости (тонально-импульсный, шумовой), либо по степени подавления реверберации от поверхности (тональный сигнал

вычайно чувствительны к динамике среды (шумоподобный и полигармонический сигналы). Использование тонально-импульсного метода кроме того связано с существенными временными затратами, поскольку после каждого измерения на единственной частоте требуется выдерживать реверберационную паузу, т.е. количество необходимых измерений возрастает кратно количеству частот на которых нужно получить результат.

Всё вышесказанное особенно актуально для протяжённых антенн. Корпуса, на которых они монтируются, испытывают заметные деформации под действием гидростатического давления, поэтому механические обмеры расположения приёмников (например, на заводе или в сухом доке) оказываются недостоверными. Значительные размеры используемых обтекателей не позволяют обмерить преобразователи вместе с ними в бассейновых условиях а, будь даже это сделано, монтаж на корпусе всё равно внесёт изменения в их чувствительность и направленность.

Стремительное развитие средств цифровой обработки сигналов и сигнальных процессоров открывает перед создателями антенных комплексов широкие перспективы, которые пока не могут быть должным образом использованы именно по причине несовершенства системы измерений и калибровки. Сегодняшние процессоры способны обрабатывать в тысячи раз большие потоки информации, чем десять лет назад, однако количество преобразователей в протяжённых антеннах морского применения увеличилось в гораздо меньшей степени. Достигнутый предел точности измерений характеристик преобразователей и антенны в целом не допускает дальнейшего улучшения её параметров при дальнейшем увеличении её сложности и протяжённости.

Существует также достаточно узкий, но важный класс задач, связанных с глубоководными постановками, таких как томографические исследования по термометрии Мирового океана The Acoustic Thermometry of Ocean Climate (АТОС), в целях исследований характера глобального потепления (глубина места до 5 км) или контроль пространственного положения детекторов нейтрино на оз. Байкал. В этих условиях принудительное точное размещение преобразователей в пространстве принципиально недостижимо. Выходом, по мнению автора, является применение системы непрерывного акустического позиционирования преобразователей в реальном времени.

, ч» г

• • '(

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы - создание на основе модифицированного метода спектрометрии временных задержек теории и аппаратных средств проведения самых разнообразных гидроакустических измерений, например: прецизионного измерения задержек распространения акустических сигналов (а также углов прихода на систему приёмников), анализа свойств дна акватории и структуры акустических полей на протяжённых трассах, измерения АФЧХ одиночных преобразователей и антенн в условиях эксплуатации, анализа распределения плотности слоисто - неоднородных сред.

Для выполнения этого должны быть решены следующие задачи:

- разработка методов повышения точности измерения дистанций/задержек и измерения амплитудно-фазо-частотных характеристик гидроакустических трактов распространения, а также оценки их погрешностей, связанных с основными влияющими факторами и окружающей обстановкой при работе в натурных условиях;

- создание аппаратных средств реализации этого метода и проведение экспериментальных проверок.

Научная новизна

1. Разработан модифицированный метод спектрометрии временных задержек (СВЗ), отличительной особенностью которого является одногетеродинная схема обработки с получением комплексной Энерго-Временной Зависимости (ЭВЗ) за счёт преобразования Гильберта. При однократной посылке сигнала может быть получена полная картина временных соотношений в многоканальной системе распространения, а также амплитудно-фазо-частотная характеристика выбранного тракта во всей излучаемой полосе частот.

2. Исследовано понятие и содержание - комплексного аналога огибающей импульсной передаточной характеристики тракта, получаемой в результате СВЗ-обработки сигнала. Проведены исследования методов и средств реализации СВЗ-измерений, в частности - параметров сигналов и обработки для получения наиболее полной и достоверной информации о свойствах каналов распространения. Впервые проведены теоретические и модельные расчеты характеристик генераторов тестовых сигналов с точки зрения влияния их на конечный результат измерений. Приведен пофакторный анализ методической погрешности измерений СВЗ-методом. Результаты теоретических оценок сопоставлены с экспериментальными метрологическими исследованиями. Эксперименты метрологиче-

ского содержания проводились как в лабораторных (бассейновых) условиях, так и в натурных. Проведен теоретический анализ возможностей и результативности измерений АФЧХ протяженных антенн методом СВЗ. Показана и подтверждена экспериментально высокая эффективность предлагаемого метода, связанная с повышенной достоверностью измерений, отсутствием необходимости в дорогостоящем специализированном оборудовании.

3. Разработан метод СВЗ на базе сигналов с ЭЧМ (Экспоненциальная частотная модуляция) с переменной частотой тактирования АЦП, обеспечивающий стабильность отношения излучённой и принятой частот, т.е. не теряющий когерентности при равномерном движении корреспондентов. Разработаны оригинальные методы формирования ЭЧМ-сигналов, что отмечено двумя авторскими свидетельствами.

4. Проведены исследования принципиально новых подходов к мониторингу акваторий, основанных на регистрации амплитудно-частотных характеристик каналов распространения на протяженных трассах, показана их закономерная связь с картиной гидрофизических полей. Использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают переотражения в зону тени.

5. Предложен и исследован метод анализа распределения плотности в эмульсионной среде со стохастическим распределением плотности тонких слоев средствами акустического зондирования с применением СВЗ-обработки и проведен эксперимент по дистанционному определению степени обводнённости нефтево-дяной эмульсии, подтверждённый результатами пробоотбора Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в создании модифицированного метода спектрометрии временных задержек, оценке погрешностей измерений на основе предложенного метода, разработке способа измерений амплитудно-фазо-частотных характеристик чувствительности протяженных антенн и оценке погрешности измеряемых характеристик, а также разработке метода спектрометрии временных задержек на основе сигналов с экспоненциальной частотной модуляцией. Предложен новый метод анализа многослойных структур акустическими средствами.

Практическая значимость работы заключается в методике измерений АФЧХ пространственных гидроакустических антенн с одновременным позиционирова-

нием антенны относительно излучателя акустическими средствами. Результаты применения предложенного метода для исследования отражающих свойств дна акватории хорошо коррелируют с географической картой дна. Практический интерес представляют экспериментальные исследования угло-временной структуры акустического поля в зоне тени. Личный творческий вклад автора

- Разработка теоретических основ измерения амплитудно-фазо-частотных характеристик гидроакустических трактов модифицированным методом СВЗ, анализ получаемого энергетического выигрыша, выработка требований к аппаратной реализации метода, параметрам зондирующих сигналов и характеристикам генератора и средствам обработки. Исследование методической погрешности, связанной с основными влияющими факторами. Теоретическое обоснование метода измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн, базирующегося на СВЗ.

- Разработка метода и схем формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции.

- Участие в СВЗ-экспериментах по исследованию методики градуировки приемников в натурных условиях (анализ погрешностей), по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по исследованию отражающих свойств дна акватории, по сравнительному анализу акустических и гидрофизических полей водной среды, по дистанционной оценке распределения плотности в сложной структурированной жидкости, по измерению частотных и пространственных характеристик протяженной гидроакустической антенн.

Апробация работы

Результаты работы представлялись автором более чем в 10 всесоюзных и международных конференциях, в том числе:

V-th WESTPRAK Conference, Proceedings, Seoul, 1995 г, международная конференция "Конверсия, приборостроение, рынок" 1997 г., Суздаль; International Innovation Exposition "Eureka" March, 10-11, 1998, Brussels, Belgium (золотая медаль).

Достоверность и обоснованность

Достоверность и точность разрабатываемых методов и средств в части измерения дистанций подтверждена: а) сертификатом Госстандарта России об утверждении типа средств измерений на систему измерения уровня жидкости «Слой», зарегистрированную в Государственном реестре средств измерений под №

20055-00; б) сертификатом Госстандарта России об утверждении типа средств измерений на стенд испытательный гидроакустический, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений под №18619-99; Для частотного диапазона 150 - 200 кГц установлена точность измерений 1/3 мм. Многочисленные непрямые измерения показали существенно более высокую реальную точность (единицы микрон), но доступные для испытаний эталонные средства контроля ограничили точность при испытаниях.

Точность измерения амплитудно-частотных характеристик чувствительности гидроакустических преобразователей, проверок выполненных в ходе НИР «Мет-рология-44» подтверждается результатами независимых проверок на Госэталоне ГМЦГИ ВНИИФТРИ, сертифицированном на точность 0.5 дБ. Все полученные при этом значения взаимной чувствительности двух гидрофонов отличаются от кривой взаимной чувствительности, полученной нами в ходе натурного эксперимента не более чем на 0,4 дБ. Положения, выносимые на защиту

1. Обоснование применимости модифицированного метода Спектрометрии Временных Задержек для измерения амплитудно- и фазо-частотных передаточных функций гидроакустических трактов, оценка энергетического выигрыша, методической пофакторной погрешности. Теоретическое обоснование СВЗ-метода измерения частотных и пространственных характеристик преобразователей и протяженных гидроакустических антенн.

2. Анализ требований к аппаратной реализации метода, параметрам зондирующих сигналов и средств генерации и обработки, обеспечивающих минимальные погрешности при измерениях.

3. Метод формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции и аппаратной его реализации.

4. Результаты экспериментов по исследованию методики градуировки приемников в натурных условиях, по изучению отражающих свойств дна акватории, по сравнительному анализу структуры акустических и гидрофизических полей стационарной трассы, по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по определению распределения плотности в сложной структурированной жидкости, по измерению частотных и пространственных характеристик протяженной гидроакустической антенны.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объём диссертации составляет 198 стр., в том числе 176 основного текста. Список литературы содержит 113 наименований. Краткое содержание

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения точности и эффективности акустических измерений в морских условиях. Особое значение придаётся неизбежной многолучёвости и необходимости применения деревербераци-онных методов. Показано, что самый очевидный из них (токально-импульсный) обладает рядом существенных недостатков, таких как чувствительность к шумам, низкая разрешающая способность по дистанции/задержке, малая производительность и т.д. Методы, основанные на применении псевдошумовых сигналов очень чувствительны к влиянию изменчивости среды, потому далее рассматривается, в основном, метод СВЗ. Работа посвящена исследованию метода СВЗ и измерению временных и частотных характеристик гидроакустических каналов в многоканальных системах распространения.

В первой главе исследуются общие подходы к созданию метода спектрометрии временных задержек. Приведен краткий обзор факторов, воздействующих на результаты гидроакустической локации.

В главе производится обоснование применимости метода СВЗ для определения передаточных функций каналов распространения сигнала. Излучаемый сигнал с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) в точке приема подвергается преобразованию, в результате которого возникает комплексная двумерная функция - Энер-го-временная зависимость (ЭВЗ), модуль которой воспроизводит в частотной области огибающую импульсной передаточной функции тракта распространения. Схема обработки сигнала приведена на Рис. 1. Задержанные квадратурные сигналы ЛЧМ генератора перемножаются с принятым сигналом. Результат после НЧ фильтрации подвергается БПФ.

На излучатель поступает ЛЧМ сигнал вида и(г) = А ■ + &2 и). На Рис. 26 показаны сигналы (снизу вверх): излучённый, частичные, пришедшие по лучам 1 и 2 и их сумма.

Рис. 1. Простейшая схема квадратурной СВЗ обработки

На Рис. 2а изображена схема измерения в условиях реверберации.

1

2 1

Re Im Mod

Рис. 2. Энерговременная зависимость реверберирующего сигнала

Спектр сигналов разностной частоты (ЭВЗ), получаемых на выходах ФНЧ Рис. 2в, имеет комплексный характер. На Рис. 2г сверху вниз показаны его действительная, мнимая часть и модуль. Каждый из максимумов в составе ЭВЗ соответствует импульсной передаточной функции одного из каналов распространения. По нему, с помощью обратного преобразования Фурье, может быть восстановлена амплитудно-фазо-частотная характеристика (АФЧХ) данного канала. Проанализировано нынешнее состояние вопроса по работам ведущих мировых специалистов. Приведен краткий обзор их подходов и методов. Далее в главе приводится оценка методической погрешности СВЗ, а также оценка энергетического выигрыша при СВЗ-измерениях. Представлено доказательство того, что энергетический выигрыш при использовании СВЗ-обработки соответствует соотношению ширины полос исходного сигнала и частотного представления модуля ЭВЗ после преобразования, что составляет обычно 2-3 порядка.

Во второй главе рассматривается структура комплекса аппаратных и программных средств СВЗ (подробности конструкции описаны в Приложении). В первой части главы приводится обоснование состава аппаратных средств для решения разнородных задач гидроакустических измерений и приводится структура базового комплекта. Затем производится анализ основных требований к параметрам сигналов и режимам работы аппаратуры, таким как начальная и конечная частоты сигнала, его длительность, крутизна или скорость изменения частоты; частотная зависимость его амплитуды и фазы, время задержки опорного генератора, частота среза ФНЧ, коэффициент усиления тракта обработки. В главе также рассмотрен метод СВЗ на базе сигналов с ЭЧМ. Разработаны подходы к построению генераторов ЭЧМ-сигналов.

Третья глава посвящена оценке погрешностей при измерениях в гидроакустических трактах методом СВЗ. В первой части определяется набор факторов, влияющих на точность измерений, затем описывается эксперимент по выявлению воздействия влияющих факторов на точность измерений. Приводятся теоретические оценки влияния отражений от границы среды, типа временного окна . и уровня шумов на точность измерения АЧХ гидроакустического тракта. Экспериментальное исследование пофакторного влияния на точность измерений проводилось в натурных условиях (Ладожское озеро) с двумя гидрофонами неизвестной чувствительности (см. Рис. 2) и показало результаты, весьма близкие к теоретическим оценкам. Полученные разностные амплитудно-частотные характеристики гидрофонов затем оценивались на установке, являющейся Государственным эталоном. По методике эталонных измерений АЧХ может измеряться только в отдельных точках и все они лежат в зоне доверительного интервала натурных измерений, что подтверждает достоверность результатов. Двухпозиционный метрологический эксперимент по оценке чувствительности одиночных приемников в условиях эксплуатации (донная постановка в Белом море). Характеристики чувствительности каждого из группы глубоководных приёмников измерялись с использованием преобразователя, вывешенного с борта дрейфующего судна, пространственное положение которого определялось акустическими средствами. На Рис. 4 показаны положения подводных приёмных баз и траектории дрейфующего судна.

• •

о :{

д , - ---—-----

I» (И>М«<М1>ИЧ*С»й М

а прмвмян* пиго

] -пржтмГИ-21 4 гру.ПГ » г»г»1«Г

6 МСЫ ММммН25Н)

ш

Рис. 3. Схема постановки при измерениях взаимной чувствительности пары 1ид-рофонов в натурных условиях (сплошная линия) и сравнение результатов с показаниями Госэталона (маркеры). Пунктиром - доверительный интервал 95%

Одновременно производилось измерение АФЧХ сквозного тракта (см. Рис. 5) и сравнение последней с результатами тонально-импульсных измерений. Очевидные преимущества СВЗ - существенно более широкий частотный диапазон, возможность одновременного позиционирования.

Четвертая глава посвящена практическим аспектам применения предлагаемого метода. Здесь приведены результаты проведенных модельных и натурных экспериментов. Исследованы математические модели поля распределенных рассеи-вателей и влияние подвижности рассеивающего слоя на АЧХ канала распространения.

Л

Рис. 4. Схема постановки и карта галсов (слева); изменение дистанции до одной из баз (справа)

Анализ отражающих свойств дна производился на акватории Ладожского озера. Плоская вертикальная антенная решётка вращалась вокруг вертикальной оси,

принимая отраженные от дна акустические сигналы вертикального цилиндрического излучателя.

«роо вооо вооо

Рис. 5. Измеренная АФЧХ тракта. СВЗ - сплошная линия, ТИ - маркеры

Суммарный сигнал антенны регистрировался, после чего рассчитывались зависимости его интенсивности от направления прихода и задержки распространения. Построенная карта распределения коэффициента рассеяния от разных участков донной поверхности, хорошо совпавшая с результатами предварительных геофизических изысканий.

к1

Рис. 6 Геофизическая карта дна и его эхограмма

Сравнительный анализ методом СВЗ структуры акустических и гидрофизических полей проводился на стационарной трассе Кацивели - м. Метаном (100 км). Низкочастотные излучатели «Инза» (100 и 300 Гц) лежали на дне в районе Кацивели, а линейная приёмная система была установлена на дне в районе м. Ме-ганом. Комплекты передающих и приёмных устройств располагались на концах трассы, и их синхронизация проводилась по коммутируемой телефонной линии.

На приёмной стороне была выделена группа лучей, положение которых отслеживалось в течение многих часов. Поскольку сложные условия распространения и узкая полоса тракта не позволили получить полного разделения лучей, было предложено в качестве измеряемого параметра, регистрировать медленные изменения суммарной АЧХ канала по всем лучам одновременно. Интерференционная картина оказалась весьма стабильной от измерения к измерению, а её до-лргопериодные изменения сильно коррелировали с разрезом скорости звука, сделанным с судна обеспечения в одной критической точке - месте резкого изменения глубины по трассе распространения.

Исследование угловременной структуры акустического поля в зоне тени проводилось в Индийском океане в ходе. Одно из судов несло мощный излучатель, другое - вертикальную шланговую антенну. Регистрировались углы прихода слабых вторичных сигналов подсветки, поскольку прямые сигналы в зоне тени настолько слабы, что тонально-импульсные методы не способны уловить ничего, кроме собственных шумов тракта.

прихода и задержки распространения; в) сравнение теории с экспериментом;

Рис. 7 Эксперимент по исследованию засветки зоны тени

Зарегистрированные сигналы позволили рассчитать зависимость интенсивности принятых сигналов от угла фазирования приёмной антенны и задержки распространения (Рис. 7а). Полученные результаты хорошо согласуются с предсказан-

ными в соответствии с лучевой теорией распространения (Рис. 7в) для данного распределения скорости звука по глубине (Рис. 76).

Исследование распределения плотности в структурированной жидкости с помощью СВЗ. Разработана концепция измерений распределения плотностей по высоте столба неоднородной жидкости (на примере нефтеводяной смеси в резервуарах сепарации нефти). Описаны математические модели распределения и результаты измерений независимым способом (путем пробоотбора). На Рис. 8 приведены результаты сравнения модельных и экспериментальных данных с результатами пробоотбора.

Простейшая Модель 1 (Рис. 8.1) учитывала только интенсивность сигнала, считая скорость звука постоянной по глубине. Модель 2 (Рис. 8.3) учитывала изменение скорости звука а Модель 3 (Рис. 8.4) учитывала также уменьшение интенсивности из за потерь. Некоторое превышение плотности в экспериментальных данных в районе горизонта 7м связано предположительно с методикой пробоотбора.

100

а

ч

я

?50

X

е;

с

о

í

¿095 и

I 09 £

085

Расстояние л дна. и

Рис. 8 Дистанционное измерение плотности в стратифицированной жидкости: 1 - ЭВЗ отклик; 2 - зависимость содержания нефти, % от высоты, м; 3 - распределение плотности по уровням (модели 1,2); то же, но модель 3

Пятая глава описывает предлагаемый общий подход к задаче обмера акустических антенн на сложном сигнале в натурных условиях. Приводятся условия и результаты натурного эксперимента по измерению частотных характеристик направленности протяжённой плоской антенны (см. Рис. 9). «Портрет» интенсивности поля антенны (Рис. 9.4) позволяет увидеть особенности её работах при

Иилульсный отклик

) 100 200 300 «Л 500

Данные промера и результаты шдмироеании

-' ^-'

^Sk Данные пробоотбора

Акустика (учитывая Cffll ч\Акустиы (без учбта Cffl) , _

! 4 6 8 10 12

разных направлениях прихода, что представляет интерес для конструкторов антенн.

Предлагаются новые аппаратные и вычислительные решения, касающиеся многих аспектов натурных измерений. Предлагается единый, общий подход к натурным (и бассейновым) измерениям протяжённых антенн и единичных преобразователей, а также средства его реализации.

,00 >00 о 50 100 150

Угол,'

Рис. 9. Измерения диаграммы направленности антенны: 1 - АЧХДН плоской антенны для одного угла возвышения; 2- АЧХДН для одного значения азимута; 3 -ДН в сферических координатах для одной частоты (в дБ); 4 - зависимость интенсивности отклика от угла прихода и задержки распространения

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан модифицированный метод СВЗ измерений отличающийся тем, что количество каналов гетеродинирования уменьшено с двух до одного а для получения комплексной энерговременной зависимости используется преобразование Гильберта. Созданные для этого метода аппаратные средства отличаются функциональной простотой и экономичностью и предъявляют минимальные требования к вычислительным устройствам вторичной обработки информации.

2. Проведен анализ особенностей предлагаемого метода:

- доказано, что модуль ЭВЗ идентичен огибающей импульсной функции тракта;

- обоснована величина достигаемого выигрыша по помехозащищённости и точности измерения дистанций (2-3 порядка по сравнению с ТИ);

- доказана возможность использования метода для измерения характеристик преобразователей и протяжённых антенн в условиях реверберации и рассчитаны соответствующие методические погрешности;

- обоснованы требования к параметрам применяемых сигналов и средствам их генерации и обработки.

3. Изготовлен ряд вариантов аппаратно-программных комплексов СВЗ и получен сертификат (точность 1мм) на устройство измерения уровней раздела сред, запущенное в малую серию. Построен и оснащён СВЗ-средствами и средствами позиционирования малый опытовый бассейн (сертифицирован на точность 0.3 мм).

4. Разработан метод СВЗ-обработки с применением ЭЧМ-сигнала [3]. Разработаны принципы построения генераторов ЭЧМ-сигналов [2,9].

5. Произведено теоретическое и экспериментальное сравнение влияния шумов гидросферы на результаты измерений методом СВЗ и тонально - импульсным. Метод СВЗ дает безусловный выигрыш по величине погрешности, который увеличивается по мере уменьшения соотношения сигнал/шум. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теорией. Экспериментальные проверочные исследования воспроизводимости измерений АЧХ в натурных условиях дали усредненную разностную АЧХ, совпадающую с эталонными бассейновыми (на Госэталоне ГМЦГИ ВНИИФТРИ) измерениями в пределах доверительного интервала, что доказывает высокую точность метода СВЗ. Среднеквадратичное отклонение для этой характеристики, снятой с применением СВЗ в реальных условиях, не превышает 0,2 дБ, для тонально-импульсного метода в тех же условиях

- не менее 1 дБ.

6. Разработана и реализована схема и технология двухпозиционного эксперимента по определению расположения и частотных характеристик чувствительности трактов подводных автономных приемников. Экспериментально показано, что применение свипов с противоположной по знаку крутизной позволяет избежать ошибок позиционирования движущегося источника звука и производить измерения «на ходу». Разработанная методика измерений во время галсов кбрабляпозволяет точно определять положение судна в системе баз и управлять с берега его наведением. Параллельно проведенные измерения тонально-импульсным методом и методом СВЗ доказывают с одной стороны достовер-

ность СВЗ-измерений (хорошее наложение результатов), с другой стороны -очевидные преимущества СВЗ, заключающиеся в более высокой точности в существенно более широком частотном диапазоне измерений, а также в возможности одновременного позиционирования.

7. Проведен эксперимент по оценке методом СВЗ отражающих свойств акватории (донных пород). Полученная в результате эхолокации картина распределения интенсивности отражений (акустический портрет акватории) хорошо накладывается на карту донных пород, полученную независимым путем. Регистрация амплитудно-частотных характеристик каналов распространения на протяженной трассе показывает их закономерную связь с картиной гидрофизических полей. Таким образом, предложен новый многообещающий подход к мониторингу водных бассейнов на основе измерения их частотных характеристик и экспериментально показана его высокая эффективность.

8. Высокая помехозащищенность метода позволяет получать картины приходов - импульсные характеристики каналов распространения в условиях, где традиционными способами сигналы практически не регистрируются. Так, использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают переотражения в зону тени.

9. Разработан и экспериментально подтвержден способ измерения распределения плотностей в структурированной разнородной жидкости.

10. Разработана теория и методология измерений АЧХ протяженной антенны при наличии мешающих отражений. Теоретически и экспериментально показано, что модифицированный метод СВЗ позволяет проводить достоверные измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн в условиях эксплуатации. За одно СВЗ-измерение получаются значения тональной чувствительности антенны во всем диапазоне частот тестового сигнала. Экспериментальные исследования позволяют утверждать, что метод СВЗ успешно преодолевает три основные проблемы, вынуждающие к построению специализированных, калиброванных и чрезвычайно дорогих измерительных полигонов. Это проблема селекции отраженных от границ сред лучей, большого уровня шумов в зоне измерений и флуктуаций окружающей среды, а также необходимости очень точного фиксирования заданных углов и дистанций.

Основные публикации по теме диссертации

1. Патент № 2064220 РФ МКИ № 4710357/09, заявл. 26.06.89, опубл. 15.03.92 Бюл. №10 Коммутационный фильтр - преобразователь. / Воронков Ю.В., Зеню-тич Е.А., Наумов С.С.

2. А/с № 1720143 СССР, МКИ H 03 В 23/00 Синтезатор сигналов с изменяющейся частотой. / Зенютич Е.А., Князева Н.И., Наумов С.С/ (СССР) № 4710357/09, заявл. 26.06.89, опубл. 15.03.92 Бюл. №10

3. А/с № 1772632 СССР, МКИ G 01 H 5/00 Способ измерения времени распространения акустических колебаний. / Князева Н.И., Наумов С.С. (СССР) № 4693438/28, заявл. 23.05.89, опубл. 30.10.92. Бюл.№40

4. Князева, C.B. Буренков, С.С. Наумов и др. Метод измерений параметров гидроакустических антенн в открытом море //Измерительная техника" 1993г., N6 С. 32-35

5. Буренков, С. В. Определение взаимного расположения источника и приёмника методом спектрометрии временных задержек / С. В. Буренков, Н. И. Князева, С. С. Наумов, Э. В. Лабецкий // Измерительная техника. - 1994. - №1. -С. 46-48

6. Буренков, С. В. Пространственно - временная структура звукового поля в зоне геометрической тени / С. В. Буренков, В. С. Гостев, В. И. Неклюдов, С. С. Наумов, Л. Н. Носова, Р. Ф. Швачко // Акустический журнал. - 1995. - Т. 41, №1. -С. 45-49

7. Сертификат об утверждении типа средств измерений на стенд испытательный КЕЦП.441465.001 RU.E.34.011.A. № 6667. Номер в Государственном реестре средств измерений № 18619-99.1999 г. / Н. И. Князева, С. С. Наумов)

8. Сертификат об утверждении типа средств измерений на систему измерения уровня жидкости «СЛОЙ» RU.C.29.011.A № 8460. Номер в Государственном реестре средств измерений № 20055-00. 2000 г. / Н. И. Князева, С. С. Наумов, М. В. Мартынюк и др.)

9. А/с № 1734188 СССР, МКИ H 03 В 23/00 Синтезатор сигнала переменной частоты / Князева Н.И. Наумов С.С. (СССР) № 4735023/09, заявл. 11.07.90, опубл. 15.09.02 Бюл.№ 18

10.Полезная модель № 10455, Устройство для определения уровней раздела жидкостей. Авторы Князева Н.И., Наумов С.С. Зенютич Е.А.

11. С.С. Наумов / «Консор» - система автоматизированного измерения параметров нефтепродуктов / С.С. Наумов, Н.И. Князева, М.Б. Зуев, A.A. Решетов //

Энергоэффективность №2 2001 - H.H. Издательство Нижегородского инновационного центра энергосбережения 48-52с.

12.Зуев, М. Б. Измерение распределений плотностей в резервуарах нефтепереработки акустическими средствами / М. Б. Зуев, Н. И. Князева, С. С. Наумов // Физические технологии в машиноведении : Сб. науч. трудов / Н. Новгород: НГТУ. - 1998. - С. 46-49

13.Наумов, С. С. Измерения пространственно - частотных характеристик гидроакустических антенн в условиях эксплуатации / С. С. Наумов, Н. И. Князева // Тр. Нижегородский акустической науч. сес. / Ред. С. Н. Гурбатов. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2002. - С. 60-64

14.Князева, Н. И. Исследования пространственных и частотных характеристик гидроакустических антенн в натурных условиях / Н. И. Князева, С. С. Наумов, Е. А. Зенютич // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства: Межвузовский сб. науч. трудов. Вып. 3. - Н. Новгород: НГТУ, 1998. -С. 22-30.

15.Князева, Н. И. Влияние отражений от границы среды и выбора временного окна на точность измерения АЧХ гидроакустического тракта / Н. И. Князева, С. С. Наумов, Е. А. Зенютич // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства : Межвузовский сб. науч. трудов. Вып 4. - Н. Новгород: НГТУ. -1998.-С. 59-66

Содержание диссертации:

Основные сокращения и обозначения..................................................5

Введение.....................................................................................6

1. Метод измерения параметров гидроакустических трактов,

основанный на спектрометрии временных задержек (СВЗ).....................26

1.1 Обоснование применимости метода Спектрометрии Временных Задержек для измерения передаточных

функций объектов...............................................................26

1.2 Оценка методической погрешности..........................................32

1.3 Оценка энергетического выигрыша при измерении методом СВЗ.....33

2 Структура исследовательского комплекса для

проведения спектрометрии временных задержек...............................38

2.1 Принципы построения аппаратного комплекса...........................38

2.2 Требования к параметрам тестового сигнала и режимам системы... .42

2.3 Коррекция АЧХ и ФЧХ.........................................................52

2.4 Процедура проведения измерений............................................54

2.5 Некоторые особенности синтеза сигналов с изменяющейся частотой в системах спектрометрии временных задержек...............56

3. Оценка погрешностей при измерении гидроакустических

трактов методом СВЗ................................................................68

3.1 Источники погрешностей при исследовании акустических

трактов..............................................................................68

3.2 Метод и технические средства измерения характеристик одиночных гидроакустических приемников в натурных условиях....70

3.3 Теоретическая оценка влияния отражений от границы среды и выбора временного окна на точность измерения

АЧХ гидроакустического тракта методом СВЗ............................75

3.4 Погрешность измерения АЧХ гидроакустического тракта вследствие шумов гидросферы................................................80

3.5 Экспериментальное исследование пофакторного

влияния на точность измерений ..........................................81

3.6 Схема и технология двухпозиционного эксперимента. Измерение характеристик чувствительности трактов...................95

3.7 Влияние подвижности приемника и излучателя

на точность измерения параметров приемников........................102

4. Экспериментальные исследования характеристик гидроакустических трактов........................................................109

4.1 Измерение характеристик рассеяния гидроакустических трактов...109

4.2 Математическое моделирование поля распределенных рассеивателей.....................................................................111

4.3 Влияние подвижности рассеивающего слоя

на АЧХ канала распространения..............................................115

4.4 Исследование отражающих свойств акваторий............................119

4.5 Сравнительный анализ методом СВЗ структуры

акустических и гидрофизических полей водной среды..................123

4.6 Исследование угло-временной структуры акустического

поля в зоне тени методом СВЗ................................................131

4.7 Исследование распределения плотности в

структурированной жидкости с помощью СВЗ...........................135

5. Результаты экспериментальных исследований пространственных и частотных характеристик гидроакустических антенн в натурных условиях................................................................151

5.1 Метод измерения характеристик распределенных , антенн с использованием спектрометрии временных задержек......151

5.2 Измерение пространственно-частотных характеристик

плоской антенны в натурных условиях..................................165 *

Заключение..............................................................................174

Список литературы.....................................................................177

Приложение...............................................................................191

Подписано в печать 11.05.05. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 329.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

€1024 5

РНБ Русский фонд

2006-4 6344

Основные сокращения и обозначения.

Введение.

1. Метод измерения параметров гидроакустических трактов, основанный на спектрометрии временных задержек (СВЗ).

1.1 Обоснование применимости метода Спектрометрии Временных Задержек для измерения передаточных функций объектов.

1.2 Оценка методической погрешности.

1.3 Оценка энергетического выигрыша при измерении методом СВЗ.33 2 Структура исследовательского комплекса для проведения спектрометрии временных задержек.

2.1 Принципы построения аппаратного комплекса.

2.2 Требования к параметрам тестового сигнала и режимам системы.

2.3 Коррекция АЧХ и ФЧХ.:.

2.4 Процедура проведения измерений.

2.5 Некоторые особенности синтеза сигналов с изменяющейся частотой в системах спектрометрии временных задержек.

• 3. Оценка погрешностей при измерении гидроакустических трактов методом СВЗ.

3.1 Источники погрешностей при исследовании акустических трактов.

3.2 Метод и технические средства измерения характеристик одиночных гидроакустических приемников в натурных условиях.70 3.3 Теоретическая оценка влияния отражений от границы среды и выбора временного окна на точность измерения

АЧХ гидроакустического тракта методом СВЗ.

3.4 Погрешность измерения АЧХ гидроакустического тракта вследствие шумов гидросферы.

3.5 Экспериментальное исследование пофакторного влияния на точность измерений

3.6 Схема и технология двухпозиционного эксперимента.

Измерение характеристик чувствительности трактов.

3.7 Влияние подвижности приемника и излучателя на точность измерения параметров приемников.

4. Экспериментальные исследования характеристик ' гидроакустических трактов.

4.1 Измерение характеристик рассеяния гидроакустических трактов.

4.2 Математическое моделирование поля распределенных рассеивателей.

4.3 Влияние подвижности рассеивающего слоя на АЧХ канала распространения.

4.4 Исследование отражающих свойств акваторий.

4.5 Сравнительный анализ методом СВЗ структуры акустических и гидрофизических полей водной среды.

4.6 Исследование угло-временной структуры акустического поля в зоне тени методом СВЗ.

4.7 Исследование распределения плотности в структурированной жидкости с помощью СВЗ. 5. Результаты экспериментальных исследований пространственных . и частотных характеристик гидроакустических антенн в натурных условиях.

5.1 Метод измерения характеристик распределенных антенн с использованием спектрометрии временных задержек.

5.2 Измерение пространственно-частотных характеристик плоской антенны в натурных условиях.

Исследование параметров гидроакустических трактов представляет собой исключительно сложную задачу. Это обусловлено рядом особенностей, характерных для распространения акустических волн в водной среде.

Самая характерная особенность гидроакустического распространения -это многолучёвость [1,2,3]- Это свойство имеет место практически в любой среде, хотя причины его могут быть различны. В малых акваториях, бассейнах многолучёвость порождается донными и поверхностными отражениями, а также всевозможными неоднородностями, неизбежно существующими в водной среде [1,4]. Даже в специализированных бассейнах заглушающие покрытия имеют коэффициент отражения в районе -20 дБ на частоте 10 кГц. Сигналы более низких частот отражаются еще эффективнее [5].

В больших объемах, например, в океанической среде также неизбежна многолучёвость. Законы распространения звуковых волн в океане весьма сложны и многообразны. Океан представляет собой слоисто-неоднородную среду, стратифицированную вертикально, т.е. в первом приближении он состоит из горизонтально-однородных слоев воды, скорость звука в которых меняется от слоя к слою[3]. В большинстве случаев условия распространения создают на определенной глубине подводный звуковой канал, который подобно волноводу концентрирует распространяющуюся в нем акустическую энергию [1].

В арктических районах Мирового океана звук распространяется путем многократных отражений от нижней поверхности льда, к которой лучи возвращаются вследствие положительной рефракции. Комбинация положительной рефракции лучей с отражением вниз от неровной поверхности льда создает под ледовым покровом ряд уникальных эффектов. Такой особенностью является аналогия распространения звука с прохождением сигнала через полосовой фильтр, а также частотная и временная дисперсия сигнала [3].

В слоисто-неоднородном океане в зависимости от характера изменения скорости звука с глубиной могут наблюдаться зоны тени, а также конвергенция и дивергенция лучей [2].

Распространение звука в океане осложняется наличием неровных границ - поверхности и дна, которые отражают и рассеивают падающую на них акустическую энергию. На характер распространения звука в океане влияют и биологические факторы, а именно наличие и состояние биомассы [6]. Так, эффективность рассеяния звука зависит от того, насколько плотность и сжимаемость рассеивателей отличаются от соответствующих свойств окружающей среды и от того в каком соотношении находятся размеры рассеивателей и длина акустической волны. Неоднородности, содержащиеся в водной среде и на ее границах, вызывают не только рассеяние, но и реверберацию звука (объемную, донную и поверхностную) [7].

Еще одна характерная особенность водной среды - это нестационарность и временная изменчивость. Акустические поля зависят от флуктуа-ций показателя преломления звука в океане, обусловленных в основном температурными неоднородностями. В связи с тем, что скорость звука возрастает с увеличением температуры воды, солености и давления, она значительно меняется в зависимости от времени года, времени суток, глубины, географического положения, близости рек и тающего льда. Более того, горизонтальное движение водных масс под действием ветра при условии, что скорость звука изменяется с глубиной, может заметно влиять на характер распространения звука [2,3]. Аналогичный эффект вызывают и сдвиговые течения между водными слоями [8].

Прием слабых сигналов в океане затруднен наличием окружающего шумового фона, который складывается из шумов ветрового волнения, сейсмического шума и т.д. [9]

Даже краткое перечисление факторов, сильно влияющих на распространение звука под водой, показывает сложности теоретического описания этого процесса и необходимость разработки эффективных методов экспериментального исследования гидроакустических трактов с целью получения не только новых знаний о гидросфере, но и использования этих исследований в прикладных областях науки.

Актуальность решаемой проблемы.

Задача измерения временных и частотных характеристик акустических каналов распространения имеет очень широкий диапазон применений, таких как мониторинг скоростей течения в акваториях, исследование рефракционных свойств океанической или морской среды, измерения частотно-пространственных характеристик гидроакустических антенн и отдельных преобразователей, определение дистанций до отражающих поверхностей, позиционирование подводных объектов и многое другое. Поскольку эти задачи относятся к разным областям человеческой деятельности, решаются они совершенно разными методами и несовместимыми техническими средствами. Например, измерения пространственно-частотных характеристик антенн выполняются на специально оборудованных полигонах с применением чрезвычайно дорогих устройств механического перемещения излучателей. В основном для этих измерений используется тонально-импульсный метод, низкая помехозащищенность которого снижает качество результатов.

В современных экономических условиях снижение требований' к условиям измерений при одновременном увеличении их точности и достоверности является назревшей проблемой. В исследовательских задачах, таких как мониторинг скоростей течений, определение рельефа и свойств дна, получение рефракционной картины распространения лучей в океане очень важно иметь единый программно-аппаратный комплекс, позволяющий решать любую из этих задач. Это позволяет экономить не только материальные затраты, но и людские ресурсы и освобождает исследователей от необходимости сопровождать свои работы большим количеством разнородной техники и обслуживающего персонала.

Предлагаемый метод обладает универсальностью, поскольку позволяет решать все перечисленные и многие другие задачи практически одними и теми же аппаратными и обработочными средствами. Такой подход позволяет удешевить измерения за счет упрощения условий их проведения. Так, поскольку определение углового положения протяженных антенн относительно излучателя и измерения их чувствительности производятся на одной и той же аппаратной и программной базе, отпадает необходимость в дорогостоящих высокоточных поворотных устройствах [10,11,12]. Такие измерения можно проводить практически в любой акватории и при наличии акустического шума.

Гидроакустические измерения могут классифицироваться по нескольким параметрам:

- типу измерения (активные, пассивные);

- типу применяемого сигнала (дельта-импульс, тон, радиоимпульс, полигармонический сигнал, шум, псевдошум, ЧМ сигнал);

- типу преобразователей (точечные, одноэлементные направленные, многоэлементные);

- принципу действия преобразователей (пневматический, искровой, пьезоэлектрический, электромеханический, электродинамический, электромагнитный, магнитострикционный, пьезоэлектрический и т. д.);

- способу обработки принятого сигнала;

- способу учёта параметров постановки (принудительная фиксация корреспондентов относительно друг друга, измерение взаимных положений корреспондентов).

В дальнейшем пойдёт речь об активных методах измерений с .использованием тонально-импульсного, шумового и ЧМ сигналов, поскольку дельта-импульсный сигнал слишком чувствителен к шумам а тональный и полигармонический сигналы не позволяют за счёт временной селекции подавить мешающие отражения от границ раздела сред. Радиоимпульс позволяет это сделать за счёт выделения в принятом сигнале узкого временного окна, в которое попадает полезный сигнал и не попадают отражённые [13]. Для снижения времени установления выходного сигнала возможно подавление переходного процесса в излучателе, как, например, предложили Пикетт [14, 15] или Джиангреко [16, 17]. Простота аппаратной реализации долгое время делала этот метод единственно пригодным для работы в условиях реверберации. К недостаткам его следует отнести низкое отношение Сигнал/Шум, связанное с малой длительностью сигнала, а также его узкополосность, не позволяющую получить информацию о частотных характеристиках тракта за время одной посылки. Метод ТИ требует значительного времени для проведения измерений АФЧХ на всех рабочих частотах, поскольку после каждого импульса необходимо выдерживать ревербе-рационную паузу. Кроме того, для таких работ как измерение параметров преобразователей приходилось использовать чрезвычайно дорогостоящие и громоздкие постановочные средства для взаимной фиксации корреспондентов.

В последнее время наблюдается тенденция использования широкополосных сигналов вместо импульсных [18 - 20]. Сначала превалировали псевдошумовые сигналы (ввиду простоты аппаратной реализации генераторов) и корреляционная обработка, но в последнее время их вытесняют частотно-модулированные сигналы. Это объясняется не только существенно лучшим пик-фактором последних (а, следовательно и соотношением С/Ш), но и другими их преимуществами (возможностью окрашивания спектра при неизменной амплитуде сигнала, значительно меньшей чувствительностью к нестационарности условий измерения, нелинейностям тракта и т.д. [18,21]).

Кроме того, получаемая в этом случае точность определения задержек/дистанций многократно превышает точности других методов и делает возможным проведение измерений, при которых вместо принудительного взаимного позиционирования корреспондентов их взаимное положение определяется акустическими средствами.

Одним из наиболее перспективных методов исследования гидроакустических трактов с использованием ЧМ-сигнала является метод Спектрометрии Временных Задержек СВЗ [22, 23]. Его возможности по измерению АФЧХ акустических трактов получили оценку только в последние годы [24 - 30], т.е. одновременно с работами автора. Оценки точности СВЗ производились [31], но только применительно к измерению задержек распространения.

Исследуемый и развиваемый в данной работе метод СВЗ является, как показывает опыт, эффективным средством активного зондирования среды с многоканальным распространением. Он базируется на понятии ЭнергоВременной Зависимости.

Понятие Энерго-Временной Зависимости (Energy Time Curve - ETC) появилось впервые в работе Хейзера в 1967 г. [22, 23]. Взамен привычного представления об импульсной передаточной функции системы - скалярной функции, являющейся откликом системы на воздействие дельта - импульса появилось понятие ЭВЗ - комплексной функции, отражающей временные соотношения в системе. В некоторых работах [32, 33] вводится понятие аналитического временного отклика, по сути дела той же самой ЭВЗ, но с более корректным названием. Хейзер считал, что наличие действительной и мнимой частей в ЭВЗ и присущая каждому отсчетному моменту фаза дают представление о соотношении кинетической и потенциальной энергий в системе и их переходе одна в другую. Именно поэтому функция и получила такое название. Более поздние авторы доказали акаузаЛьность этой функции (впрочем, она видна невооруженным глазом). Мнимая часть функции имеет "предвестник", предшествующий появлению "прихода", т.е. моменту появления импульсного отклика. Это отражается на форме модуля функции ЭВЗ, которая чаще всего и используется в СВЗ как очень удачный заменитель импульсной передаточной функции. "Приходы" ЭВЗ имеют не абсолютно крутой передний фронт, как следовало бы ожидать . при воздействии дельта - импульса. В нашем варианте это ничуть не нарушает временных соотношений в системе, а энергия части импульса, сосредоточенная под этим фронтом, является пренебрежимо малой (1-2%). Более того, отрицательная задержка, появляющаяся в результатах измерений, как это показано в [34], не противоречит принципу причинности.

Одним из самых серьезных трудов в области СВЗ является публикация Бьерна и Педерсона [35, 36] в 1983 г. Они впервые указали на акаузаль-ность ETC, хотя в отличие от последующих авторов [37, 38, 39] не придали этому особого значения. Но это указание открыло широкое поле поисков физического смысла ETC для молодых физиков. Бьерн и Педерсон [35] сформулировали некоторые общефизические, и даже философские подходы к пониманию метода, такие как связь между частотой, временем, временной задержкой и частотной модуляцией: "Если частотная характеристика инвариантной во времени системы измеряется как функция времени, характеристика частотной задержки преобразуется в функцию частотной модуляции" Бьерн и Педерсон рассмотрели такой важный вопрос, как возможность получения частотной характеристики системы и требуемые для этого параметры тестирующего сигнала и канала обработки. Они совершенно справедливо отметили необходимость делать скорость развертки сигнала адекватной изрезанности амплитудочастотной характеристики системы и тем самым открыли поток изысканий в области адиабатичности и неадиабатичности приближения характеристик.

После опубликования этих основополагающих статей, объясняющих физическую содержательность вновь введенного понятия ЭВЗ, началось быстрое практическое освоение СВЗ-технологии фирмами Bruel & Kjaer и Crown International, налажен серийный выпуск СВЗ-измерительных систем. Фирма Bruel & Kjaer, по описанию в статье Педерсона, предложила систему СВЗ-измерений, состоящую из стандартных блоков, выпускаемых фирмой.

С 1986 г. на рынке победила, по-видимому, Crown International (отделение 'Techron'), выпустившая СВЗ-процессоры TEF, имеющие достаточно широкое практическое применение.

Последующие работы, посвященные СВЗ, имеют одну общую черту - в каждой из них содержится развернутое переизложение принципа осуществления СВЗ-измерений. По основному направлению работы можно, разделить на две группы. Авторы первой группы доносят до нас свое математическое осмысление сути процессов в СВЗ-анализаторе, авторы второй группы предлагают варианты практического воплощения в основном на базе цифровых устройств.

Так в работах J. Vanderkooy [33, 37], а также [39, 40] описаны.методы измерения частотной передаточной функции и показано, что СВЗ есть естественное усиление таких методов. Описаны математические действия для получения частотной передаточной функции, проиллюстрировано влияние скорости свипа и ширины окна фильтрации. Демодулированный свип обычно записывается в память компьютера и подлежит последующей обработке [41]. Описана возможность получения комбинации откликов, приходящих по разным каналам распространения за счет расширения полосы фильтра - процедура необходимая в "обзорном" режиме, назначением которой является потребность осмысления всего набора откликов каналов и отделение мешающих каналов от тех, которые являются предметом исследования или контроля.

В работе A. Duncan [32] показано, что комплексная аналитическая функция столь же жестко связана со своей вещественной частью, как твердое тело со своей тенью. Рассматривается "аналитический импульс" - комплексная функция, вещественная часть которого есть обычная 5-функция Дирака. Этот импульс используется для вычисления ЭВЗ, что вообще говоря крайне неудобно в практических применениях, т.к. формирование высококачественного 5-импульса является технически сложной задачей.

Работа R. Greiner, J. Wania, G. Noejvich [39] посвящена опять-таки математическому анализу СВЗ-метода. Обсуждаются процессы, протекающие в TEF - анализаторе, промоделированные с помощью обучающей программы. Вводится понятие асимметричного окна фильтрации демодулиро-ванного сигнала, суживающего импульсный отклик.

В статье P. D'Antonio, J. Konnet [38] описана цифровая аппаратура, реализующая метод СВЗ-измерений. Приведены примеры ее применений. Существенно более ценным является материал статьи [33] J. Vanderkooy, S. Lipshitz, где обсуждаются два основных свойства ЭВЗ-функции: ее акау-зальная структура и влияние различных факторов на ее точное вычисление, особенно влияние сглаживающего окна. Обсуждению смысла ЭВЗ уделяется большое внимание в работах [39, 41, 42, 43, 44], вводится понятие годографа ЭВЗ.

Ранние СВЗ-системы были чисто аналоговыми и конечным результатом измерений служили выходные сигналы прямого и квадратурного каналов обработки, и только в 1987 г. в работе [45], а затем в [46] было предложено использовать для пост-обработки данных компьютер. Без машинной обработки вся настройка системы состояла в выборе времени задержки и частоты среза фильтра нижних частот. Только с использованием компьютерной постобработки стало возможным применение СВЗ для решения широкого круга задач [47 - 53]

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию метода спектрометрии временных задержек (СВЗ) в приложении к решению, задач гидроакустического зондирования. Обоснована возможность использования СВЗ для измерения временных и частотных характеристик гидроакустических трактов при многоканальном распространении сигналов. Разработан аппаратный комплекс и программно-математические средства обработки для обеспечения широкого класса измерений такого рода. Для разных применений разработаны методологические подходы к проведению измерений. Проведен ряд исследований физических характеристик гидроакустических трактов методом СВЗ.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы - создание на основе модифицированного метода спектрометрии временных задержек теории и аппаратных средств проведения гидроакустических измерений, таких как:

- прецизионное измерение задержек распространения акустических сигналов (а также углов прихода на систему приёмников);- анализ свойств дна акватории и структуры акустических полей на протяжённых трассах;

- измерение АФЧХ одиночных преобразователей и антенн в условиях эксплуатации;

- анализ распределения плотности слоисто - неоднородных сред.

Для выполнения этого должны быть решены следующие задачи:

- разработка метода повышения точности измерения дистанций/задержек;

- разработка метода измерения амплитудно-фазочастотных характеристик гидроакустических трактов распространения, оценка его погрешностей, связанных с основными влияющими факторами;

- создание аппаратных средств реализации этого метода;

- экспериментальное исследование пофакторного влияния окружающей обстановки на точность измерений в натурных условиях.

Научная новизна

Разработан модифицированный метод спектрометрии временных задержек (СВЗ), отличительной особенностью которого является то, что за счет применения линейно-частотно-модулированных сигналов при однократной посылке сигнала можно получить полную картину временных соотношений в многоканальной системе распространения, а также амплиту-до-фазо-частотной характеристики выбранного тракта во всей полосе частот излучаемого сигнала. Одновременно при этом с высокой точностью измеряется время распространения между источником и приемником сигнала по исследуемому тракту. В отличие от использующихся другими исследователями двухгетеродинной схемы, в данном устройстве применялась одногетеродинная схема с восстановлением комплексно сопряжённой компоненты с помощью преобразования Гильберта. Это решило ряд проблем, связанных с неидентичностью каналов гетеродинирования.

Исследовано понятие и содержание Энерго-Временной Зависимости (ЭВЗ) - комплексного аналога огибающей импульсной передаточной характеристики тракта, получаемой в результате СВЗ-обработки сигнала. Проведены исследования методов и средств реализации СВЗ-измерений, в частности - параметров сигналов и обработки для получения наиболее полной и-достоверной информации о свойствах каналов распространения. Впервые проведены теоретические и модельные расчеты характеристик генераторов тестовых сигналов с точки зрения влияния их на конечный результат измерений.

Проведен пофакторный анализ методической погрешности измерений СВЗ-методом. Результаты теоретических оценок сопоставлены с экспериментальными метрологическими исследованиями. Эксперименты метрологического содержания проводились как в лабораторных (бассейновых) условиях, так и в натурных.

Проведены исследования принципиально новых подходов к мониторингу акваторий, основанных на регистрации амплитудо-частотных характеристик каналов распространения на протяженных трассах, показана их закономерная связь с картиной гидрофизических полей. Таким образом, предложен новый многообещающий подход к мониторингу водных бассейнов на основе измерения их частотных характеристик и экспериментально показана его высокая эффективность. Высокая помехозащищенность метода позволяет получать картины приходов - импульсные характеристики каналов распространения в условиях, где традиционными способами сигналы практически не регистрируются. Так, использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают переотражения в зону тени.

Предложен и исследован метод анализа распределения плотности в эмульсионной среде со стохастическим распределением плотности тонких слоев средствами акустического зондирования с применением СВЗ-обработки.

Проведен теоретический анализ возможностей и результативности измерений АФЧХ протяженных антенн методом СВЗ. Показана и подтверждена экспериментально высокая эффективность предлагаемого метода, связанная с повышенной достоверностью измерений, отсутствием необходимости в дорогостоящем специализированном оборудовании.

Практическая ценность

Разрабатываемые методологические и теоретические проблемы нашли применение для решения ряда практических задач. Создана и применяется на практике методика измерения АФЧХ пространственных гидроакустических антенн с одновременным позиционированием антенны относительно излучателя. Неоднократно, по разработанной методике, проводились измерения положения и частотных свойств одиночных подводных акустических приемников в условиях моря. Метод парциальных измерений по методике СВЗ даёт существенный выигрыш в отношении уменьшения требований к геометрии постановки.

На базе СВЗ-метрии и ее аппаратных воплощений создана уникальная система измерения верхних и межфазных уровней нефти и нефтепродуктов "Слой", выпускаемая малыми сериями и находящая применение в нефтяной, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности [54, 55, 56].

Применение исследуемого метода позволило провести ряд исследовательских экспериментов, в частности, исследование отражающих свойств акватории, результаты которого хорошо коррелируют с географической картой дна. Успешен также эксперимент по определению структуры акустических полей водной среды методом СВЗ на протяженной трассе. Найдена определенная связь со структурой гидрофизических полей. Практический интерес представляют экспериментальные исследования угло-временной структуры акустического поля в зоне тени.

Краткое содержание работы

Работа посвящена исследованию метода СВЗ и измерению временных и частотных характеристик гидроакустических каналов в многоканальных системах распространения.

В первой главе исследуются общие подходы к созданию метода спектрометрии временных задержек. Приведен краткий обзор факторов, воздействующих на результаты гидроакустической локации. Даже краткое перечисление факторов, влияющих на распространение звука, показывает необходимость разработки эффективных методов исследования гидроакустических трактов.

В главе производится обоснование применимости метода СВЗ для определения передаточных функций каналов распространения сигнала. Излучаемый сигнал с линейно-частотной модуляцией (JI4M) в точке приема подвергается преобразованию, в результате которого возникает комплексная двумерная функция - Энерго-временная зависимость (ЭВЗ), модуль которой воспроизводит в частотной области огибающую импульсной передаточной функции тракта распространения. В главе приводится последовательность преобразований, приводящая к получению ЭВЗ. Каждый из максимумов в составе ЭВЗ представляет собой импульсную передаточную функцию одного из каналов распространения. По нему, с помощью обратного преобразования Фурье, может быть восстановлена амплитудо-фазочастотная характеристика (АФЧХ) данного канала. Далее в главе приводится оценка методической погрешности СВЗ, а также оценка энергетического выигрыша при СВЗ - измерениях. Представлено доказательство того, что энергетический выигрыш при использовании СВЗ - обработки соответствует соотношению ширины полос исходного сигнала и полосе частотного представления модуля ЭВЗ после преобразования, что' составляет обычно 2-3 порядка.

Во второй главе рассматривается структура комплекса аппаратных и . программных средств для проведения исследований методом СВЗ. В первой части приводится обоснование состава аппаратных средств для решения разнородных задач гидроакустических измерений и приводится структура базового комплекта аппаратных средств. Затем производится анализ основных требований к параметрам сигналов и режимам работы аппаратуры, таким как начальная и конечная частоты сигнала, длительность сигнала, длительность паузы между посылками, крутизна или скорость изменения сигнала, частотная зависимость амплитуды сигнала, частотная зависимость фазового приращения, время задержки опорного генератора измерительной системы относительно ведущего, частота среза ФНЧ системы обработки, коэффициент усиления тракта обработки.

Производится подробное обоснование выбора и расчета каждого из этих параметров. В следующих подразделах' главы описывается структура и принципы функционирования основных блоков СВЗ - комплекса: генератора J14M - сигналов, блока обработки, блока синхронизации, а также контроллера автоматического управления работой всех блоков. В.главе рассматривается применение процедур коррекции амплитудочастотной и фазочастотной характеристик формируемых сигналов с целью компенсации искажений, вызываемых преобразователем. Описывается процесс измерений на базе СВЗ, и сравнительный анализ корреляционной обработки. В главе анализируются особенности построения генераторов зондирующих сигналов, в частности приводится модельное исследование соотношения разрядности выходного цифроаналогового преобразователя генератора и разрядности используемой матрицы значений гармонической функции.

В главе также рассмотрен метод СВЗ на базе сигналов с ЭЧМ. Разработаны подходы к построению генераторов ЭЧМ-сигналов.

Третья глава посвящена оценке погрешностей при измерениях в гидроакустических трактах методом СВЗ. В первой части определяется набор факторов, влияющих на точность измерений, затем описывается эксперимент по выявлению воздействия влияющих факторов на точность измерений. Приводятся теоретические оценки влияния отражений от границы среды и выбора временного окна на точность измерения АЧХ гидроакустического тракта, а также погрешность измерения АЧХ гидроакустического тракта вследствие шумов гидросферы. Экспериментальное исследование пофакторного влияния на точность измерений показало результаты, весьма близкие к теоретическим оценкам. Эксперимент проводился в натурных условиях с двумя гидрофонами с неизвестными характеристиками. Полученные разностные амплитудочастотные характеристики гидрофонов затем оценивались на установке, являющейся Государственным эталоном. По методике эталонных измерений АЧХ может измеряться только в отдельных точках. Все они лежат в зоне доверительного интервала натурных измерений, что подтверждает достоверность результатов.

Двухпозиционный метрологический эксперимент имел целью оценку чувствительности одиночных приемников в условиях эксплуатации. В ходе последнего характеристики чувствительности каждого из группы глубоководных приёмников измерялись с использованием дрейфующего подводного преобразователя, пространственное положение которого относительно первых определялось в ходе эксперимента акустическими средствами. Связь между передающим и приёмным комплектами аппаратуры, а также их синхронизация осуществлялись по радиоканалу. Выявлено влияние элементов подвески подводных приёмников на их пространственно-частотные характеристики. Описана методика коррекции влияния дрейфа судна на результаты измерений.

Четвертая глава посвящена практическим аспектам применения предлагаемого метода. Здесь приведены результаты как модельных, так и натурных экспериментов, проведенных в последние годы. Исследованы математические модели поля распределенных рассеивателей и влияние подвижности рассеивающего слоя на АЧХ канала распространения.

Анализ отражающих свойств дна акватории производился на акватории Ладожского озера в районе пятой площадки полигона НИИ «Морфиз-прибор». Плоская вертикальная антенная решётка вращалась вокруг вертикальной оси, принимая отражённые от дна акустические сигналы вертикального цилиндрического излучателя. Суммарный сигнал антенны регистрировался по СВЗ-методике, после чего рассчитывались зависимости его интенсивности от вертикального и горизонтального положения корреспондентов. В результате была построена карта распределения коэффициента рассеяния от разных участков донной поверхности, хорошо совпавшая с результатами предварительных геофизических изысканий.

Сравнительный анализ методом СВЗ структуры акустических и гидрофизических полей водной среды проводился на стационарной трассе Ка-цивели - м. Меганом (100 км). Мощные низкочастотные излучатели «Ин-за» (100 и 300 Гц) лежали на дне в районе Кацивели, а линейная приёмная система была установлена на дне в районе м. Меганом. Комплекты передающих и приёмных устройств располагались на концах трассы, и их синхронизация проводилась по коммутируемой телефонной линии.

На приёмной стороне была выделена группа лучей, положение которых отслеживалось в течение многих часов. Поскольку сложные условия распространения и узкая полоса тракта не позволили получить полного разделения лучей, было предложено в качестве измеряемого параметра, регистрировать медленные изменения суммарной частотной характеристики канала по всем лучам одновременно. Интерференционная картина оказалась весьма стабильной от измерения к измерению, а её дологопериодные изменения существенно коррелировали с разрезом скорости звука, сделанным с судна обеспечения в одной критической точке - месте резкого изменения глубины по трассе распространения.

Исследование угловременной структуры акустического поля в зоне тени проводилось в Индийском океане в ходе океанической экспедиции. Одно из судов несло мощный излучатель («Агат»), другое - вертикальную шланговую гибкую антенну («Мозаика»). Регистрировались углы прихода слабых вторичных сигналов подсветки, поскольку прямые сигналы в зоне тени отсутствуют настолько, что тонально-импульсные методы не способны уловить ничего, кроме собственных шумов.

Зарегистрированные сигналы позволили рассчитать зависимость интенсивности принятых сигналов от угла фазирования приёмной антенны и задержки распространения. Полученные результаты хорошо согласуются с предсказанными, в соответствии с лучевой теорией распространения для данного распределения скорости звука по глубине.

Исследование распределения плотности в структурированной жидкости с помощью СВЗ Разработана концепция измерений распределения плотностей по высоте столба нефтеводяной смеси в резервуарах сепарации нефти. Описаны математические модели распределения и результаты измерений независимым способом (путем пробоотбора).

Пятая глава описывает общий предлагаемый подход к задаче обмера акустических антенн на сложном сигнале в натурных условиях. Приводятся условия и результаты натурного эксперимента по измерению частотных характеристик направленности протяжённой плоской антенны. Предлагаются новые аппаратные и вычислительные решения, касающиеся многих аспектов натурных измерений. Предлагается единый, общий подход к натурным (и бассейновым) измерениям протяжённых антенн и единичных преобразователей, а также средства его реализации.

Личный творческий вклад автора:

Разработка теоретических основ измерения амплитудо-фазочастотных характеристик гидроакустических трактов модифицированным методом СВЗ, включая анализ энергетического выигрыша при использовании СВЗ -обработки, а также исследование методической погрешности, связанной с основными влияющими факторами. Разработка требований к аппаратной реализации метода, характеристикам генератора зондирующих сигналов и параметрам зондирующих сигналов и средств обработки.

Разработка метода формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции, а также средств их аппаратной реализации.

Теоретическое обоснование метода измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн, базирующегося на СВЗ, руководство экспериментами и обработка результатов.

Математическое моделирование, характеризующее влияние на результаты эхолокации методом СВЗ разных типов рассеивателей.

Участие в экспериментах по исследованию методики градуировки приемников в натурных условиях и анализу погрешностей, по исследованию отражающих свойств акватории, по сравнительному анализу посредством СВЗ-метода структуры акустических и гидрофизических полей водной среды, по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по определению границ разделов плотностей в сложной структурированной жидкости.

Апробация результатов работы

Задачи диссертационной работы и результаты исследований представлялись на конференциях, форумах и выставках:

Научно-техническая конференция "Формирование сложных сигналов" ВНТО PC им. А.С. Попова, Москва, 1988г; II Всесоюзная научно-техническая конференции "Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов". Харьков, 1989г; конференция "Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических измерений. Севастополь, 1989г; конференция ПМГИ 92 "Проблемы метрологии гидрофизических измерений". Москва 1992г; VI Всероссийская научно-техническая конференция "Радиоприем и обработка сигналов". Н. Новгород, 1993г; IX международное координационное совещание "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана". С. -Петербург, 1994г; V-th WESTPRAK Conference, Proceedings, Seoul, 1995г; региональная научно-техническая конференция "Методы и средства измерения физических величин" 1996 г., Нижний Новгород; региональная научно-техническая конференция "Методы и средства измерения физических величин" 1996 г., Нижний Новгород; международная конференция "Конверсия, приборостроение, рынок" 1997 г., Суздаль; International Innovation Exposition "Eureka" March, 10-11, 1998, Brussels, Belgium (золотая медаль); Всероссийский семинар "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" Н. Новгород, 1998г; Всероссийская научно-техническая конференция "Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов"; Москва, ноябрь 1998г; IV Всероссийская научно-техническая конференция. Н. Новгород, 1999г, Межреспубликанская конференция "Анализ сигналов и спектров в радиоизмерениях".

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Обоснование применимости модифицированного метода Спектрометрии Временных Задержек для измерения амплитудо- и фазо-частотных передаточных функций гидроакустических трактов, оценка энергетического выигрыша, методической пофакторной погрешности. Теоретическое обоснование СВЗ-метода измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн.

2. Анализ требований к аппаратной реализации метода, параметрам зондирующих сигналов и средств генерации и обработки, обеспечивающих минимальные погрешности при измерениях.

3. Метод формирования и обработки сигналов с частотной модуляцией по закону показательной функции и аппаратной его реализации.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований: по градуировке приемников в натурных условиях, по изучению отражающих свойств дна акватории, по сравнительному анализу структуры акустических и гидрофизических полей стационарной трассы, по анализу структуры акустического поля в зоне тени, по определению распределения плотности в сложной структурированной жидкости, по измерению частотных и пространственных характеристик протяженной гидроакустической антенны.

Основные результаты работы:

1. Разработан модифицированный метод СВЗ измерений отличающийся тем, что количество каналов гетеродинирования уменьшено с двух до одного а для получения комплексной энерговременной зависимости используется преобразование Гильберта. Созданные для этого метода аппаратные средства отличаются функциональной простотой и экономичностью и предъявляют минимальные требования к вычислительным устройствам вторичной обработки информации.

2. Проведен анализ особенностей предлагаемого метода:

- доказано, что модуль ЭВЗ идентичен огибающей импульсной функции тракта;

- обоснована величина достигаемого выигрыша по помехозащищённости и точности измерения дистанций (2-3 порядка по сравнению с ТИ);

- доказана возможность использования метода для измерения характеристик преобразователей и протяжённых антенн в условиях реверберации и рассчитаны соответствующие методические погрешности;

- обоснованы требования к параметрам применяемых сигналов и средствам их генерации и обработки.

3. Изготовлен ряд вариантов аппаратно-программных комплексов СВЗ и получен сертификат (точность 1мм) на устройство измерения уровней раздела сред, запущенное в малую серию. Построен и оснащён СВЗ-средствами и средствами позиционирования малый опытовый бассейн (сертифицирован на точность 0.3 мм).

3. Разработан метод СВЗ-обработки с применением ЭЧМ-сигнала. Метод позволяет сохранить когерентность приема и излучения при взаимном равномерном движении излучателя и приемника.

4. Произведено теоретическое и экспериментальное сравнение влияния шумов гидросферы на результаты измерений методом СВЗ и тонально импульсным. Метод СВЗ дает безусловный выигрыш по величине погрешности, который увеличивается по мере уменьшения соотношения сигнал/шум. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теорией. Экспериментальные проверочные исследования воспроизводимости измерений АЧХ в натурных условиях дали усредненную разностную АЧХ, совпадающую с эталонными бассейновыми (на Госэталоне ГМЦГИ ВНИИФ-ТРИ) измерениями в пределах доверительного интервала, что доказывает высокую точность метода СВЗ. Среднеквадратичное отклонение для этой характеристики, снятой с применением СВЗ в реальных условиях, не превышает 0,2 дБ, для тонально-импульсного метода в тех же условиях - не менее 1 дБ.

5. Разработана и реализована схема и технология двухпозиционного эксперимента по определению расположения и частотных характеристик чувствительности трактов подводных автономных приемников. Экспериментально показано, что применение свипов с противоположной по знаку крутизной позволяет избежать ошибок позиционирования движущегося источника звука и производить измерения «на ходу». Разработанная методика измерений во время галсов корабля позволяет точно определять положение судна в системе баз и управлять с берега его наведением. Параллельно проведенные измерения тонально-импульсным методом и методом СВЗ доказывают с одной стороны достоверность СВЗ-измерений (хорошее наложение результатов), с другой стороны - очевидные преимущества СВЗ, заключающиеся в более высокой точности в существенно более широком частотном диапазоне измерений, а также в возможности одновременного позиционирования.

6. Проведен эксперимент по оценке методом СВЗ отражающих свойств акватории (донных пород). Полученная в результате эхолокации картина распределения интенсивности отражений (акустический портрет акватории) хорошо накладывается на карту донных пород, полученную независимым путем.

Регистрация амплитудно-частотных характеристик каналов распространения на протяженной трассе показывает их закономерную связь с картиной гидрофизических полей. Таким образом, предложен новый многообещающий подход к мониторингу водных бассейнов на основе измерения их частотных характеристик и экспериментально показана его высокая эффективность.

7. Высокая помехозащищенность метода позволяет получать картины приходов' - импульсные характеристики каналов распространения в условиях, где традиционными способами сигналы практически не регцстриру-ются. Так использованный метод анализа структуры акустического поля в зоне тени позволяет сделать выводы о присутствии микроканалов, о параметрах этих каналов, о положении каустик в освещенной зоне и параметрах неоднородностей, которые порождают пёреотражения в зону тени.

8. Разработан и экспериментально подтвержден способ измерения распределения плотностей в структурированной разнородной жидкости.

9. Разработана теория и методология измерений АЧХ протяженной антенны при наличии мешающих отражений. Теоретически и экспериментально показано, что модифицированный метод СВЗ позволяет проводить достоверные измерения частотных и пространственных характеристик протяженных гидроакустических антенн в условиях эксплуатации. За одно СВЗ-измерение получаются значения тональной чувствительности антенны во всем диапазоне частот тестового сигнала. Экспериментальные исследования позволяют утверждать, что метод СВЗ успешно преодолевает три основные проблемы, вынуждающие к построению специализированных, калиброванных и чрезвычайно дорогих измерительных полигонов. Это проблема селекции отраженных от границ сред лучей, большого уровня шумов в зоне измерений и флуктуаций окружающей среды, а также необходимости очень точного фиксирования заданных углов и дистанций.

Заключение

1. Акустика океана / под ред. JI.M. Бреховских. М.: Наука, 1974. -684 с.

2. Клей, К. Акустическая океанография основы и применения / К. Клей, Г. Медвин М.: Мир, 1980. - 580 с.

3. Урик, Р.Дж. Основы гидроакустики.: Пер. с англ. / под ред. Шендерова. JL: Судостроение, 1978. - 620с.

4. Физика океана, том 2 / под ред. А.С. Монина, В.М. Каменковича. — М.: Наука, 1978.-620с.

5. Бархатов А.И. / Моделирование распространения звука в океане. — JI.: Гидрометеоиздат, 1982.

6. Тикунов, А. И. Рыбопоисковые приборы и комплексы. / А. И. Тикунов JI.: Судостроение, 1989. - 288 с.

7. Матвиенко, В. Н. Дальность действия гидроакустических средств. / В. Н. Матвиенко, Ю. Ф. Тарасюк. JI.: Судостроение, 1981. — 208 с.

8. Макс, Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях / Ж. Макс.-М. : Мир, 1983. Т. 1. - 312 с

9. Chivers, R. С. Time-delay spectrometry for ultrasonic transducer characterization / R.C. Chivers // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1986. - № 19,-P. 834-843.

10. Robinson, S. P. Review of methods for low frequency transducer calibration in reverberant tanks / S. P. Robinson // NPL Report CM AM 034, 1999.

11. Bruel&Kjaer Gating System Type 4440. Product Data http://www.bksv.com/pdf/Bp0223 .pd f

12. Piquette, J.C. Method for transducer transient suppression. Journal of the Acoustical Society of America, 92, 1203-1221, 1992

13. Piquette, J.C. Applications of the method of transducer transient suppression to various transducer types. Journal of the Acoustical Society of America, 94, 646-651, 1993

14. Giangreco, C. Mesures acoustiques appliques aux antennes sonar, 1997, Lavoisier, / Giangreco, C. France Commission, Geneva

15. Giangreco,. Measurement methods for low frequency transducers. Power transducers for sonics and ultrasonics, / C., FAURE, S. and ROSETTO, J.F / ed. B.F. Hamonic, O.B. Wilson and J-N. Decarpigny, Springer-Verlag, 1990

16. Douglas D. Rife & John Vanderkooy, "Transfer Function Measurement with Maximum-Length Sequences", J.AES, vol. 37,June 1989, pp.419444

17. Eckard Mommertz„Measuring Impulse Responses with Preemphasized Pseudo Random Noise derived from Maximum Length Sequences / Swen Muller / Applied Acoustics, 1995, vol.44, p. 195

18. Peter Svensson, Errors in MLS Measurements Caused by Time Variance in Acoustic Systems / Johan L. Nielsen / J.AES, vol. 47, November 1999, pp. 907

19. Muller, S. Transfer-Function Measurement with Sweeps / S. Muller. P. Massarani // Institut fur Technische Akustik, RWTH, 52056 Aachen,

20. German, Acoustic Testing Laboratory, INMETRO, Xerem, Duque de Caxias (RJ), Brazi, 2003.

21. R. Heiser Acoustical measurements by time delay spectrometry. / R. Heiser / J. Audio Eng. Soc., 15, 1967, 370

22. R. Heiser, Determination of loudspeaker signal arrival times. / R. Heiser /J. Audio Eng. Soc., 19, 1971, 734-743, 829-834, 902-905

23. Bojan, I. Sound field measurement in the bounded plain /1. Bojan, I. Zori, M. Sikora// 1997

24. Premat, E. Theoretical and experimental study of sound propagation for traffic noise / E. Premat, J. Defrance // Centre Scientifique et Technique du Batiment 24, rue Joseph Fourier F-38400 Saint-Martin-d'Heres, France, 2000

25. Browne, S. Hybrid reverberation algorithm using truncated impulse response convolution and recursive filtering / S. Browne // University of Miami Coral Gables, Florida, 200

26. Draft, P, Standard Methods for Measuring Transmission Performance of Analog and Digital Telephone Sets, Handsets and Headsets. / Draft, P / IEEE P269/D7.1, Feb 2001.

27. Jambrosi, K. Acoustic properties of an old stone atrium used for concerts / K. Jambrosi, I. Bojan, M. Sikora // Department of Electroacoustics, Faculty of EE and Computing, University of Zagreb, 2002

28. Fausti. P. Acoustic measurements in Opera Houses: comparison between different techniques and equipment / P. Fausti, A. Farina //

29. Department of Engineering, University of Ferrara, 1-44100 Ferrara, Italy Department of Industrial Engineering, University of Parma, 1-43100 Parma, Italy, 1999

30. Bohn, D. A. Environmental Effects on the Speed of Sound / D. A; Bohn // JAES. 1988. - Vol. 36, № 4. - P. 223-231

31. Duncan, A., The analytic impulse. / Duncan, A // J. Audio Eng. Soc., 1988 36,315

32. Vanderkooy, J. Uses and Abuses of the Energy-Time Curve / J. Vanderkooy, S. P. Lipshitz // JAES. 1990. - Vol. 38, № 11. - P. 819836.34.

33. Biering, H. System analysis and Time Delay Spectrometry (Part I) / H. Biering, O.Z. Pedersen. // Technical review. 1983. — № 1. - P. 3-51.

34. Biering, H. System analysis and Time Delay Spectrometry (Part II) / H. Biering, O. Z. Pedersen // Technical review. 1983. - №2. - P. 3^50.

35. Greiner, R. A Digital Approach to Time-Delay Spectrometry / R. Greiner, J. Wania, G. Noejovich // JAES. 1989. - Vol. 37, № 7/8. - P. 593.

36. Biering, H. Comments on -Another Approach to Time-Delay Spectrometry- and Author's Reply / H. Biering, O. Z. Pedersen, J. Vanderkooy // JAES. 1987. - Vol. 35, № 3. - P. 145-146.

37. Hawksford, M. Digital Signal Processing Tools for Loudspeaker Evaluation and Discrete-Time Crossover Design / M. Hawksford, M. Omar//JAES. 1996.-Vol. 45, № 1/2.-P. 37-62.

38. Klepper, D. L. The Acoustics of St. Thomas Church, Fifth Avenue / D. L. Klepper // JAES. 1995. - Vol. 43, № 7/8. - P, 599-601.

39. Marshall, L. G. An Analysis Procedure for Room Acoustics and Sound Amplification Systems Based on the Early-to-Late Sound Energy Ratio / L. G. Marshall // JAES. 1996. - Vol. 44, № 5. - P. 373-381.

40. Olive, S. E. The Detection of Reflections in Typical Rooms / S. E. Olive, F. E. Toole // JAES. 1989. - Vol. 37, № 7/8. - p. 539-553

41. J. Gilbert, A Time delay spectrometry system for Hewlett-Packard 9836 personal computer. / Gilbert, A // Electroacoustics Lab., University of Wisconsin, Madison (1987, Aug.)

42. D'Antonio, P. Complex time-response measurements using time-delay spectrometry. / D'Antonio, P, J. Konnet J. // Audio Eng. Soc., 37, 674

43. Pederson, P. C. Application of time-delay spectrometry for calibration of ultrasonic transducers / P. C. Pederson, P. A. Lewin, L. Bjorno // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. -1988. Vol. 35, № 2. - P. 185-205.

44. Cable, C. R. The Practical Application of Time-Delay Spectrometry in the Field / C. R. Cable, J. K. Hilliard // JAES. 1980. - Vol. 28, № 5. P. 302-309

45. Scavone, G. P. Tonehole Radiation Directivity: A Comparison Of Theory To Measurements / G. P. Scavone, M.' Karjalainen // Presented at the 2002 International Computer Music Conference, Goteborg, Sweden

46. Ludwig, G. Calibration of hydrophones based on reciprocity and time-deiay spectrometry / G. Ludwig, K. Brendel // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1988. - V. 35. - P. 168-174

47. Villot, M. TDS measuring system developped for a personal computer / M. Villot // Noise Control Eng. Journal. 1988. - V. 31. - P. 154-158

48. Bristow-Johnson, R. Comments on -A Digital Approach to Time-Delay Spectrometry- and Author's Reply / R. Bristow-Johnson, R. Greiner // JAES. 1990. - Vol. 38, № 5. - P. 372-373

49. Poletti, M. A. Comments on "Comments on A Digital Approach to Time-Delay Spectrometry" and Author's Reply / M. A. Poletti, R. Bristow-Johnson // JAES. 1990. - Vol. 38, № 12. - P. 980

50. Сертификат об утверждении типа средств измерений на систему измерения уровня жидкости «СЛОЙ» RU.C.29.011.А № 8460. Номер в Государственном реестре средств измерений № 20055-00. 2000 г. / Н. И. Князева, С. С. Наумов, М. В. Мартынюк и др.)

51. Сертификат об утверждении типа средств измерений на стенд испытательный КЕЦП.441465.001 RU.E.34.011.А. № 6667. Номер в Государственном реестре средств измерений № 18619-99. 1999 г. / Н. И. Князева, С. С. Наумов)

52. Полезная модель № 10455, Устройство для определения уровней раздела жидкостей. / Князева Н.И., Наумов С.С. Зенютич Е.А.

53. Лукомский В. П., Теория асимптотических разложений интегралов по методу перевала / Лукомский В. П., Седлецкий Ю. В.46,1. с. Киев ИФ 1990

54. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский М.: Радио и связь, 1986. - 512 с

55. Куликов, Е. И. Вопросы оценок параметров сигналов при наличии помех / Е. И. Куликов М.: Советское радио, 1969. - 244 с

56. Кей, С. М. Современные методы спектрального анализа / С.'М. Кей, С. Л. Марпл // ТИИЭР. 1981. - Т. 69. - №11. - С. 5.

57. Марпл.-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Марпл.-мл. С. Л. М.: Мир, 1990. - 584 с

58. Саичев А.И. / Спектрально корреляционный анализ случайных процессов. / А.И. Саичев, А.Н. Малахов, 1971

59. Левин, Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая / Б. Р. Левин М.: Советское радио, 1968. - 504 с

60. Тихонов, В. И. Оптимальный приём сигналов / В. И. Тихонов — М. : Радио и связь, 1983319 с66.

61. Зенютич Е. А. Аппаратура спектрометрии временных задержек для гидрофизических исследований / Е. А. Зенютич, Н. И. Князева, С. С. Наумов // Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований : Тез. докл. конф., Севастополь. -1989.-С. 38

62. Наумов С.С. Микропроцессорное управление режимами аппаратуры акустического зондирования. / Н.И. Князева, А.И. Левченко// Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований : Тез. докл. конф., Севастополь. -1989.-С. 37

63. Зверев В.А. Временное разрешение в радио-, сейсмо- и акустической локации/ В.А. Зверев // Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 2000, T.XLIII №5 С. 406-412

64. Е.А. Зенютич, Н.И. Князева "Синтез JI4M колебаний цифровым методом"; сборник "Методы и устройства первичной обработки сигналов в радиотехнических системах". ГПИ им. А.А. Жданова, Горький, 1987г.

65. Наумов С. С., Сравнительный анализ методов дискретной частотной модуляции, реализуемой микропроцессорными устройствами. / Князева Н. И.//Формирование сложных сигнадов: тез. доклада научно-технической конференции ВНТО РС им. А.С. Попова, Москва, 1988г

66. А/с № 1772632 СССР, МКИ G 01 Н 5/00 Способ измерения времени распространения акустических колебаний. / Князева Н.И., Наумов С.С. (СССР) № 4693438/28, заявл. 23.05.89, опубл. 30.10.92. Бюл.№40

67. А/с № 1720143 СССР, МКИ Н 03 В 23/00 Синтезатор сигналов с изменяющейся частотой. / Зенютич Е.А., Князева Н.И., Наумов С.С/ (СССР) № 4710357/09, заявл. 26.06.89, опубл. 15.03.92 Бюл. №10

68. А/с № 1734188 СССР, МКИ Н 03 В 23/00 Синтезатор сигнала переменной частоты / Князева Н.И. Наумов С.С. (СССР) № 4735023/09, заявл. 11.07.90, опубл. 15.09.02 Бюл.№18

69. Прудников А.П. / Вычисление интегралов и преобразование Меланна. / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Марычев// Итоги науки и техники, Серия Математика, Анализ 27, 3-146, 1989

70. Зверев, В. А. Выделение сигналов из помех численными методами / В. А. Зверев, А. А. Стромков // Н. Новгород: ИПФ РАН, 200Ь -188с

71. Schroeder М. R., Modulation Transfer Functions: Definition andMeasurement. / Schroeder M. R // Acustica Vol. 49 (1981). pp. 179— 182.

72. Gardner, W. G., Efficient Convolution without Input-Output Delay. / Gardner, W. G // J. Audio Eng. Soc., vol. 43, pp. 127 136, March 1995

73. Griesinger, D., Impulse Response Measurements Using All-Pass Deconvolution. / Griesinger, D // Technical Review. 1992 - №2. - C. 3—45

74. Herlufsen, H. Dual Channel FFT analysis (Part II) / H. Herlufsen // Technical Review. 1984. - №2. - C. 3-45.

75. Koch, Ch. Heterodyne and time-gated Time-Delay Spectrometry for amplitude and phase calibration of hydrophones / Ch. Koch, V. Wilkens // WCU 2003, Paris, September 7-10, 2003

76. Radulescu, E. G. Hydrophone Spatial Averaging Corrections from 1 to 100 MHz / E. G. Radulescu // A Thesis Submitted to the Faculty of Drexel University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy December 2002

77. Gammell. P. M. Time delay spectrometry for hydrophone calibrations below 1 MHz / P. M. Gammell, G. R. Harris // JASA. - 1999. - Vol. 106, №5.-P. 41-46.

78. Koch, C., Amplitude and Phase Calibration of Hydrophones by Heterodyne and Time-GatedTime-Delay Spectrometry. / Koch, C., // IEEE Trans. UFFC 50, 344-348, 2003.

79. Lewin, P. A., Calibration and performance evaluation of miniature ultrasonic hydrophones using Time Delay Spectrometry. / Lewin, P. A // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 660-64, 1981

80. Буренков, С. В. Определение взаимного расположения источника и приёмника методом спектрометрии временных задержек / С. В. Буренков, Н. И. Князева, С. С. Наумов, Э. В. Лабецкий // Измерительная техника. 1994. - №1. - С. 46-48

81. Рабинович, С. Г. Погрешности измерений / С. Г. Рабинович Л.: Энергия, 1978.-262с.

82. Наумов, С. С., Статистическая обработка, как средство повышения точности результатов измерений. / Наумов, С. С., Н.И. Князева, М.Б. Зуев тез. доклада на IV всероссийской научно-технической конференции. Н. Новгород, 1999г

83. Кулындышев В. А., Геолого-промышленная оценка месторождений железомарганцевых конкреций Мирового океана.: дисс. доктора геолого-минералогических наук, утв. 12.05.93: / В.А.Кулындышев -М.1993

84. Ю.В. Петухов / Периодическое пространственное переформирование интерференционной структуры и дифракционная фокусировка акустических полей в океанических волноводах.// Акустический журнал, 2000, вып. 46, № 3

85. Naumov S. S., Time delay spectrometry in the acoustic monitoring and tomgrap / Naumov S. S., KnyazevaN. I., Dubrovsky N,A., V-th WESTPRAK Conference, Proceedings, Seoul, p. 10. 1995 r.

86. Буренков, С. В. Пространственно временная структура звукового поля в зоне геометрической тени / С. В. Буренков, В. С. Гостев, В. И. Неклюдов, С. С. Наумов, JI. Н. Носова, Р. Ф. Швачко // Акустический журнал. - 1995. - Т. 41, №1. - С. 45-49

87. С.С. Наумов / «Консор» система автоматизированного измерения параметров нефтепродуктов / С.С. Наумов, Н.И.

88. Князева, М.Б. Зуев, А.А. Решетов // Энергоэффективность №2 2001 — Н.Н. Издательство Нижегородского инновационного центра энергосбережения 48-52с.

89. Зуев, М. Б. Измерение распределений плотностей в резервуарах нефтепереработки акустическими средствами / М. Б. Зуев, Н. И. Князева, С. С. Наумов // Физические технологии в машиноведении : Сб. науч. трудов / Н. Новгород: НГТУ. 1998. -С. 46-49

90. Зенютич, Е.А. Измерения границ разделов фаз в технологических резервуарах нефтепереработки / Е.А. Зенютич, Н. И. Князева, С. С. Наумов, С.Г. Сибирцев // Тез. докл. региональной научно-технич. конф. / Н. Новгород, НГТУ. 1996. - С. 48

91. Наумов С.С., Измерение уровня в хранилищах топлива методом спектрометрии временных задержек. / Наумов С. С., Бычков В.Б.,

92. Князева Н.И // Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов, тез. доклада на Всероссийской научно-технической конференции, Москва, ноябрь 1998 г

93. Бурдуковская В.Г. К обоснованию одного алгоритма расчёта интенсивности акустического поля /В.Г. Бурдуковская, И.П. Смирнов, А.И. Хилько// Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 2004, t.XLII С. 1172-1180

94. Павленко А.А. О точности определения параметров реверберации при восстановлении сигнала с реверберационными искажениями в случае дискретных задержек/ А.А. Павленко // Известия, высших учебных заведений. Радиофизика, 2002, t.XLV №5 С. 443-449

95. Ю.В. Петухов / Теория гидроакустических антенн.// ННГУ, издательство Нижегородского университета. 1999. 144с.

96. Brown P. Methodologies for the Test and Measurement of Loudspeakers / P. Brown // American Loudspeaker Manufacturers Association news (ALMA News). 1999. - Vol. 6, № 1. - P. 1-2.

97. Наумов, С. С. Измерения пространственно частотных характеристик гидроакустических антенн в условиях эксплуатации / С. С. Наумов, Н. И. Князева // Тр. Нижегородский акустической науч. сес. / Ред. С. Н. Гурбатов. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2002. - С. 60-64

98. Патент № 2064220 РФ МКИ № 4710357/09, заявл. 26.06.89, опубл. 15.03.92 Бюл. №10 Коммутационный фильтр-преобразователь. / Воронков Ю.В., Зенютич Е.А., Наумов С.С.

99. Князева, Н.И. Метод измерений параметров гидроакустических антенн в открытом море / Князева, Н.И., С.В. Буренков, С.С. Наумов // Измерительная техника 1994. №1. - С. 32 - 35