7. WYNIKI POMIARÓW DOŚWIADCZALNYCH
7.3. W YNIKI POMIARÓW
7.3.3. Dyskusja wyników pomiarów modelu ze stacjonarnymi nadajnikami
Negatywny wynik pomiarów spowodowany był dużym poziomem rewerberacji po-wierzchniowych, widocznym na zamieszczonych wyżej rysunkach w p 7.2.3. Główną przy-czyną rewerberacji jest rozproszenie sygnału nadawanego. Poziom rewerberacji pochodzący od sygnału echa jest znacznie mniejszy i nie musi być to rozpatrywany.
Zachodzi pytanie, jakie zabiegi techniczne mogą poprawić stosunek sygnału echa do rewerberacji. Ponieważ poziom sygnału echa i poziom rewerberacji w ten sam sposób zależą od poziomu źródła SL, więc stosunku sygnału echa do rewerberacji nie można poprawić zwiększajac moc nadajników, [26]. Jedynym sposobem pozostaje zmniejszenie powierzchni lustra wody naświetlanej przez przetwornik nadawczy i zmniejszenie powierzchni, z której odbierane są sygnały na niej rozproszone. Cel ten można osiągnąć stosując przetworniki nadawcze i odbiorcze o wąskich charakterystykach kierunkowych w przekroju pionowym.
Mogą to być liniowe szyki przetworników cylindrycznych o dużej długości. Jak wiadomo, mają one dookólną charakterystykę kierunkową w przekroju poziomym i wąską w przekroju pionowym. Ponadto wąskim charakterystykom towarzyszy duża długość pola bliskiego, w którym wiązka jest praktyczne nierozbieżna, [66,67]. Przykładowo linia o długości L=1m przy częstotliwości f=100 kHz ma kątową szerokość wiązki 0.750, a długość pola bliskiego wynosi fL2/c=67 m. Na rys. 7.25 pokazano obszary powierzchni rewerberacji (kolor szary) dla przetworników odbiorczych H1 i H3, przy założeniu, że obszary te leżą poza granicą pola bliskiego przetworników nadawczych i odbiorczych. Pominięto rewerberacje pochodzące od sygnałów odbitych od celu. Strzałkami zaznaczono najbliższe obszary rewerberacji dla obu przetworników nadawczych. gdy górne części przetworników nadawczych i odbiorczych znajdują się na głębokości 0.5 m pod powierzchnią wody.
Pobrano z mostwiedzy.pl
H3 100 m
PN2
H1 PN1
Rys. 7.25. Powierzchnie rewerberacji.
Jeżeli przyjąć, że granicą obszaru rewerberacji jest okrąg o promieniu, przy którym wiązka o szerokości 0.750 od przetwornika zanurzonego na głebokości 0.5 m przecina po-wierzchnię wody, to promień tego okręgu wynosi r0 = 150 m. Przyjmując, że obszar rewerbe-racji występuje na zewnątrz okręgu o promieniu rg i rozciąga się do nieskończoności, można oszacować poziom rewerberacji RL posługując się modelem pokazanym na rys. 7.26.
dθ dS
r dr
rg
Rys. 7.26 Wyznaczanie obszaru rewerberacji (rzut poziomy).
Załóżmy, że natężenie fali akustycznej w odległości r1=1 m od przetwornika wynosi It. W odległości r wynosi ono:
10 / 2
1 10 r
t
i r
I r
I
(7.1)
gdzie α jest logarytmicznym współczynnikiem tłumienia.
Pobrano z mostwiedzy.pl
Oznaczmy siłę wstecznego rozproszenia powierzchniowego jako tss, co oznacza, że fala akustyczna o natężeniu Ii rozpraszana na powierzchni o polu dS= r12=1 m2 ma wartość Ir=Iitss. Natężenie fali rozproszonej przez powierzchnię dS pokazaną na rys. 7.26 wynosi:
Fala rozproszona przez powierzchnię dS rozchodzi się jako fala sferyczna, a więc zgod-nie ze wzorem (7.1) dociera do przetwornika odbiorczego i ma wtedy natężezgod-nie:
dr r d
ts r I
dIr t s 132102t/10 (7.3)
Ponieważ nadajnik emituje sinusoidalną falę ciągłą, więc do odbiornika dociera suma natężeń z obszaru rozciągającego się (teoretycznie) od okręgu o promieniu rg do nieskończo-ności. Sumę tę opisuje następująca całka:
Po przekształceniach otrzymujemy poziom rewerberacji RL równy:
r
s TL
TS SL
RL 2 (7.5)
gdzie 2TLr są dwustronnymi stratami propagacyjnymi rewerberacji, wynoszącymi:
Straty te można obliczyć numerycznie, a ich wielkość w funkcji promienia rg granicz-nego obszaru rewerberacji pokazano na poniższym rysunku. Straty te zależą od tłumienia ab-sorpcyjnego, opisanego logarytmicznym współczynnikiem α, a te z kolei - od zasolenia wody.
Wykresy odnoszą się do zasolenia wody oceanicznej (S=35%o, α=35 dB/km), średniego zaso-lenia wody w Bałtyku (S=7%o, α=10 dB/km) i wody słodkiej (α=2 dB/km), [68]. Na rysunku zaznaczono, wyznaczone wcześniej, promienie graniczne (rg=67 m, i rg=150 m),
[m]
Rys. 7.26. Straty transmisyjne rewerberacji w funkcji granicy ich obszaru.
Wykorzystując wyniki obliczeń strat transmisyjnych rewerberacji można oszacować stosunek sygnału echa do rewerberacji, który zależy ponadto od siły celu TS obserwowanego obiektu i siły wstecznego rozproszenia rewerberacji powierzchniowych TSr [69], gdyż:
)
Pobrano z mostwiedzy.pl
W zamieszczonej niżej tablicy 7.1 podano wyniki obliczeń stosunku sygnału echa do rewerberacji dla przypadku, gdy straty transmisyjne 2TL dla celu odnoszą się do maksymalnej odległości między nadajnikiem celem i hydrofonem, siła celu wynosi TS=-20 dB, a siła roz-proszenie rewerberacji jest równa TSr=-80 dB, [70].
Tablica 7.1 Stosunek sygnału echa do rewerberacji α [dB/km]
rg [m] Parametr
[dB] 35 10 2
2TL 92.6 86.3 84.3
2TLr 38.5 33.7 32.0
2TL- 2TLr 54.1 52.6 52.3
67
EL-RL 5.9 7.4 7.7
2TLr 52.9 43.2 39.6
2TL- 2TLr 39.7 41.1 44.7
150
EL-RL 20.3 18.9 15.3
Wyniki obliczeń przedstawione w tablicy pokazują, że zastosowanie przetworników nadawczych i odbiorczych o wąskich charakterystykach kierunkowych w przekroju wertykal-nym prowadzi do dodatnich wartości stosunku sygnału do rewerberacji, co powinno skutko-wać możliwością detekcji poszukiwanych prążków widma odchyłek dopplerowskich. Stosu-nek sygnału do rewerberacji nie przekłada się bezpośrednio na zależność między wysokością prążków widma odchyłek dopplerowskich a wysokością prążków zakłóceń, gdyż ta wynika także z relacji między szerokością obu widm. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że szerokość widma rewerberacji jest z reguły większa od szerokości widma sygnału echa, a więc energia rewerberacji rozprasza się na większą liczbę prążków widma, co powoduje (z zasady zachowania energii), że wysokość tych prążków jest mniejsza. Poprawia to dodat-kowo warunki detekcji w systemie. Zagadnienie rewerberacji w kontekście efektu Dopplera jest omawiane w literaturze, jednakże tylko w odniesieniu do sonarów monostatycznych [71,72], które nie są przedmiotem niniejszej rozprawy.
Reasumując można z dużą dozą prawdopodobieństwa zakładać, że negatywne wyniki pomiarów nie podważają możliwości wykorzystania systemu ze stacjonarnymi nadajnikami do określania położenia i prędkości ruchomych obiektów podwodnych. Przemawiają za tym następujące przesłanki:
poprawność zaproponowanej w rozprawie metody wyznaczania położenia i prędko-ści ruchomych obiektów podwodnych z wykorzystaniem wyłącznie odchyłek dop-plerowskich została potwierdzona badaniami symulacyjnymi i pomiarami modelu systemu w warunkach rzeczywistych w odniesieniu do systemu z ruchomym nadaj-nikiem,
metoda i opracowane algorytmy przetwarzania sygnałów nie różnią się istotnie w systemie z ruchomym nadajnikiem i stacjonarnymi nadajnikami,
badania symulacyjne systemu ze stacjonarnymi nadajnikami potwierdziły prawidło-we jego funkcjonowanie,
wykazano możliwość usprawnień technicznych systemu, które powinny zapewnić jego poprawną pracę.
Pobrano z mostwiedzy.pl