Алгоритм формирования результирующего сигнала, принимаемого антенной ГБО

В каждый текущий момент времени антенна любого гидролокационного прибора принимает звуковые сигналы от большого количества отражателей, находящихся в пределах характеристики направленности антенны. Если имеется возможность рассчитать интенсивность эхосигналов от отдельных отражателей или групп отражателей, то интенсивность результирующего эхосигнала, воздействующего на активную поверхность антенны, можно рассчитать в соответствии со следующим выражением /1/

(1)

где - средняя интенсивность сигнала от -го отражателя или группы

отражателей;

- общее количество локальных отражателей и групп отражателей.

Амплитуда электрического напряжения на выходе антенны пропорциональна акустическому давлению на поверхности антенны

(2)

где - чувствительность антенны в режиме приема;

- эффективное значение акустического давления на поверхности антенны.

Используя известную зависимость акустического давления от интенсивности, выражение для эффективного значения акустического давления результирующего сигнала может быть представлено с учетом выражения (1) в виде (для упрощения записи аргумент опущен)

(3)

где - среднеквадратические эффективные значения акустических давлений, соответствующих локальным отражателям или группам отражателей;

- среднеквадратическое значение акустического давления шумов судна;

- среднеквадратическое значение акустического давления шумов моря;

- среднеквадратическое значение акустического давления, эквивалентного электрическим шумам антенны и предварительных усилителей.

Как показано в работе /1/ на высоких частотах, сопоставимых с рабочей частотой комплекса ПЭВ-К, вкладом шумовых составляющих в выражении (3) при расчете акустического давления можно пренебречь. Кроме того, так как в комплексе ПЭВ-К используется представление амплитуды сигнала в децибельной форме, то нет необходимости использования операции извлечения квадратного корня и выражение для амплитуды огибающей электрического напряжения на выходе антенны (для имитатора условно считается, что сигнал уже продетектирован) можно записать в следующем виде

, (4)

где

. (5)

При использовании для величины размерности дБ//1 В значения должны выражаться в В/Па.

В комплексе ПЭВ-К используется АЦП с максимальным входным сигналом 10 В. Это значения напряжения является опорным для перехода к децибельной шкале представления уровней сигнала, что соответствует размерности дБ//10 В (уровень сигнала с амплитудой 10 В принимается равным 0 дБ). В этом случае к правой части выражения (4) необходимо прибавить поправочный коэффициент - 20 дБ.

При расчете величин акустических давлений , и так далее до (или их квадратов) необходимо учитывать потери на распространение в среде акустических колебаний, представляемых в виде двух сомножителей при линейном представлении величин или двух слагаемых при логарифмическом представлении величин.

Потери на расширение фронта волны учитываются с помощью сомножителя вида (где - дистанция в метрах). В зависимости от вида отражающего объекта величина может принимать значения от 1 до 2, вследствие чего эти виды потерь необходимо учитывать отдельно при расчете каждой составляющей результирующего сигнала. Обычно при моделировании величина для протяженных объектов принимается равной 1, а для объектов близких к точечным равной 2.

Потери на затухание звука в воде для любого вида отражающего объекта учитываются с помощью сомножителя (величина должна выражаться в дБ/м). Если не учитываются шумовые составляющие результирующего сигнала, то целесообразно учитывать этот сомножитель только один раз уже при расчете результирующего сигнала в соответствии с выражением (4). В этом случае это выражение можно переписать в следующем виде

, (6)

где - эффективное значение акустического давления результирующего сигнала без учета затухания звука в воде.

При расчете составляющих реверберационного типа средний уровень акустического давления такой составляющей или суммы квадратов акустических давлений этого вида составляющих необходимо модулировать случайной реализацией с релеевским законом распределения амплитуд. Массивы выборок таких реализаций целесообразно рассчитывать для каждой длительности зондирующего импульса заранее, а не в реальном времени, в соответствии с методикой, изложенной в работе /1/. Дискретность выборок во временной области для этих массивов должна соответствовать периоду дискретизации, используемом в комплексе ПЭВ-К, то есть 10 мкс.

Так как одним из основных классификационных признаков в ГБО является наличие на сонограммах акустических теней от подводных объектов, то большое влияние на качество имитации сонограмм ГБО оказывает способ решения геометрических задач по пересечению волнового фронта с подводными объектами и донной поверхностью.

П р и м е ч а н и е - Геометрические задачи решаются для обеспечения расчета квадратов акустического давления в соответствии с выражением (5).

Так как донная поверхность является практически непрерывной (за исключением глубоких ям и траншей) и можно считать, что за ее пределы акустические волны высоких частот не распространяются, целесообразно решение геометрических задач начинать с построения точек пересечения парциальных акустических лучей ХН антенны ГБО с донной поверхностью. Количество парциальных лучей с различными угловыми положениями в вертикальной плоскости определяет точность имитации на сонограммах изображения донной поверхности в сравнении с реальными сонограммами. Максимальным значением для случая горизонтальной донной поверхности можно, по-видимому, считать количество отображаемых по дистанции дискрет (для комплекса ПЭВ-К эта величина равна 1024). При этом следует помнить, что для лучей близких к вертикали дистанции до дна могут быть равны и наоборот для пологих лучей дистанции до дна могут отличаться на значительные величины.

После нахождения точек пересечения акустических лучей с донной поверхностью для каждой полученной точки рассчитывается, как будет показано ниже в описании модели эхосигнала от донной поверхности, интенсивность сигнала (в виде квадрата акустического давления) от элементарной площадки в окрестности этой точки с занесением этих величин, а также соответствующих им дистанций, в соответствующие элементы массива выборок донного эхосигнала. После этого для каждого парциального направления производится анализ наличия на этом направлении подводных объектов (рыб, трубопровода, камней), начиная с наиболее дальнего по дистанции. В случае фиксации на рассматриваемом направлении подводного объекта оценивается степень экранирования этим объектом донной поверхности. При полном перекрытии в рассматриваемом направлении объектом волнового фронта соответствующий элемент массива выборок донного эхосигнала должен обнуляться, а анализ влияния других, более близких, объектов на степень экранирования должен прекращаться. В случае частичного перекрытия объектом волнового фронта необходимо рассчитать отношение площади сечения той части объекта, которая попадает в часть ХН (рассматривается в виде пирамиды) соосной с парциальным акустическим лучом, к площади сечения пирамиды на дистанции, совпадающей с дистанцией до объекта. После этого значение квадрата акустического давления, хранящегося в соответствующем элементе массива выборок донного эхосигнала, должно умножаться на коэффициент .

При неполном экранировании донной поверхности первым объектом и в случае наличия в рассматриваемом направлении других более близких объектов, помимо перерасчета коэффициента при увеличении перекрываемой площади, необходимо учитывать при расчете интенсивности сигнала от объектов и экранирование более близкими объектами более дальних.

После расчета интенсивностей реверберационного сигнала от донной поверхности по всем направлениям и учета всех эффектов экранирования следует выполнить переход от массива выборок , индексы которого соответствуют номеру направления, к массиву выборок интенсивностей , инлексы которого нарастают пропорционально увеличению дистанции. При наличии в массиве нескольких выборок квадратов акустических давлений, соответствующих одной и той же дистанции, в элемент массива , соответствующего этой дистанции, должна заноситься сумма этих квадратов давлений.

П р и м е ч а н и е - До начала вышеописанной операции все элементы массива должны быть обнулены.

После переноса в массив всех выборок эхосигнала от донной поверхности должны следовать операции заполнения этого массива выборками квадратов акустических давлений от подводных объектов и объемной реверберации в соответствии с выражением (5).

Завершающим этапом формирования модели результирующего сигнала на выходе антенны является перевод линейных значений интенсивностей в децибельную форму в соответствии с выражением (6). Этот перевод является условным, так как в реальной аппаратуре он выполняется в приемном тракте уже после преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, но это позволяет значительно уменьшить загрузку процессора проектируемого имитатора ГБО.