Модель реверберационного эхосигнала от донной поверхности

При наклонном падении звуковых волн на донную поверхность отражения в обратном направлении или реверберация возникают при наличии случайно расположенных неровностей донной поверхности (при идеально ровной поверхности возможно отражение только в зеркальном направлении).

Для квадрата эффективного значения акустического давления реверберационного сигнала от донной поверхности, используя зависимости приведенные в /1, 5, 7, 8/, можно записать

, (12)

где - эффективное значение звукового давления в режиме излучения, приведенное к дистанции 1 м, с учетом уровня ХН антенны в направлении на рассеивающий элемент донной поверхности;

- коэффициент отражения от идеально плоского раздела вода-донная поверхность;

- площадь участка донной поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в -ый момент времени;

- среднеквадратичный угол наклона неровностей донной поверхности;

- угол между средней нормалью к рассеивающему участку донной поверхности и осью парциального акустического луча характеристики направленности антенны;

- характеристика направленности (ХН) антенны по давлению;

- угол между осью ХН и направлением лоцирования;

- дистанция до точки встречи парциального акустического луча с донной поверхностью.

П р и м е ч а н и е. При расчете результирующего сигнала на выходе антенны в соответствии с выражением (6) член в выражении (12) следует исключить.

Величина давления определяется параметрами тракта формирования зондирующих импульсов и гидроакустической антенны.

Величина определяется как типом грунта, так и степенью механического воздействия на его поверхность подводными обитателями, течениями, орудиями лова, проходящими судами и другими движущимися объектами.

Величина коэффициента отражения зависит от типа грунта /9/ и может быть принята равной 0,1 для ила, 0,3 для песка и 0,6 для скалистого грунта.

Площадь элементарного участка ограничивается шириной характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости и шириной, используемой при расчете массива выборок , парциального акустического луча в вертикальной плоскости или же протяженностью проекции длины импульсного объема на донную поверхность. При этом для упрощения модели кривизну волнового фронта целесообразно не учитывать.

Ширина рассеивающего участка донной поверхности в плоскости параллельной диаметральной плоскости судна определяется при условии нахождения нормали к поверхности участка в вертикальной плоскости, совпадающей с осью парциального луча, следующим простым выражением

, (13)

где - дистанция до рассеивающего участка;

- ширина характеристики направленности антенны ГБО в горизонтальной плоскости.

Выражение (13) при узких ХН антенны в вертикальной плоскости обеспечивает достаточную для моделирования степень точности и при небольших отклонениях нормали от вышеуказанной вертикальной плоскости.

Выражения для расчета протяженности проекции длины импульсного объема на донную поверхность могут быть получены из рассмотрения ситуаций представленных на рисунке 1 (дно имеет уклон в сторону антенны) и рисунке 2 (дно имеет уклон в сторону от антенны). Для наглядности изображения величина угла на рисунках представлена значительно большей реальной.

 

Рисунок 1

Отрезки ОВ и ОС равны и соответствуют дистанции от антенны до рассеивающего участка донной поверхности для парциального акустического луча составляющего с вертикалью угол . Отрезок CD в рассматриваемом случае равен (где - длительность зондирующего импульса), то есть протяженности импульсного объема по направлению распространения звуковой волны. Вектор V совпадает с вертикалью, а вектор N является проекцией нормали к донной поверхности на плоскость сканирования. Отрезок BD соответствует длине рассеивающего участка донной поверхности.

Рисунок 2

Используя известные тригонометрические зависимости для ситуации, приведенной на рисунке 1, можно получить следующее выражение

. (14)

Для ситуации на рисунке 2, может быть получено следующее выражение

. (15)

Очевидно, что для расчета величины в любой из рассмотренных ситуаций можно использовать только одно из выражений (14) и (15), присваивая соответствующие знаки для угла .

При малых значениях угла и ширины парциального акустического луча в вертикальной плоскости протяженность рассеивающего участка по направлению распространения звуковой волны в пределах парциального акустического луча может принимать значения меньшие по величине, чем рассчитанные в соответствии с выражениями (14) и (15) значения длин . Используя те же рисунки 1 и 2 и подразумевая, что угол на них соответствует ширине парциального акустического луча в вертикальной плоскости, в соответствии с теоремой синусов для треугольников можно получить для ситуации, изображенной на рисунке 1, следующее выражение

, (16)

а для ситуации, изображенной на рисунке 2, выражение

. (17)

Так же, как и при расчете величины , можно использовать только одно из выражений (16) и (17), присваивая соответствующие знаки для угла .

При расчете квадрата акустического давления в соответствии с выражением (12) величина площади должна определяться из следующих выражений

, если , (18)

, если . (19)