Принципы работы сонаров и подводная акустика: как, зачем и почему

    Сонары используются для обнаружения и исследования подводных объектов, в то время как похожие устройства, называемые радары — для исследования надводных, наземных, воздушных и космических объектов. Многое из того, что сказано ниже про сонары, справедливо и для радаров, либо имеет очевидные сходства.

    Я заметил, что в интернете нет материалов по данной теме, описывающих все процессы в связи друг с другом и понятными словами. В статье мы пройдем весь путь от особенностей распространения звуковых волн в воде до процессов внутри сонара. Сделать это я намереваюсь просто и ясно, чтобы заинтересовать как любопытных читателей, так и тех, кому через 2 часа надо сдать устный экзамен по подводной акустике. Предполагается, конечно, что кто-то из одной, либо из другой обозначенной группы может не иметь никаких знаний по данной теме, поэтому все начнется с основ.

    Задолго до того, как Шелдон поможет разобраться с эффектом Доплера, мы погружаемся под воду, чтобы начать знакомство с тем, как происходит и от чего зависит распространение звуковых волн в водной среде.


    Природа звука под водой


    Колебания – это движения, в той или иной степени повторяющиеся во времени. Колеблющееся тело может отдавать свою энергию во внешнюю среду. Звук – это механические колебания в какой-либо среде. Частицы (молекулы) внешней среды представляют собой миниатюрные колебательные системы, связанные друг с другом упруго, поэтому колебание, создаваемое телом, может распространяться в среде на некоторое расстояние. Вода, в отличие от воздуха, имеет свойство распространять звуковые колебания на очень большие расстояния, в этом причина использования звуковых волн под водой. Электромагнитные волны вместо звуковых -использовать не получится: они не распространяются в воде.

    На распространение звуковых волн в водной среде влияют множество факторов: частота и амплитуда звуковой волны, температура, соленость и глубина воды, расстояние распространения звука (и связанная с этим постепенная трансформация звука в тепло — абсорбция), а также другие местные факторы (неоднородности в воде, участки с турбулентностью, состояние поверхности воды – пузырьки воздуха, дождь и ветер; тип дна – ил, песок, гравий или скала).
    Чем больше температура, соленость, глубина, т.е. чем выше плотность воды – тем выше скорость распространения звука. Изменение этих трех параметров также влияет на искривление направления движения звука в воде, а также на величину пространственного угла распространения.

    Часто в умеренных широтах температура в поверхностных слоях воды быстро понижается, что снижает скорость звука, фокусирует звуковую волну на некоторой глубине, удаляя ее от поверхности. Напротив, когда температура у поверхности постоянна (например, в тропиках вода прогревается довольно глубоко), на скорость звука влияет только глубина, и из-за этого скорость звука в поверхностных водах увеличивается только благодаря глубине. В таких водах звук фокусируется возле поверхности, постоянно отражаясь от нее и возвращаясь к ней снова. Средняя скорость звука в воде – 1480 метров в секунду, граничные скорости: от 1450 до 1540 м/с.

    Чем выше частота звука, тем быстрее он рассеивается. Это вызывается трансформированием энергии звука в тепло, рассеиванием из-за неоднородностей в воде и при подходящей глубине затуханием на дне (в первую очередь если дно – ил или песок), либо возле поверхности по причине дождя, ветра, пузырьков воздуха и т.п.; при штиле потери на поверхности незначительны, так как поверхность воды отражает более 99% звука.

    Все эти данные позволяют создавать шаблоны настроек сонара и просчитывать возможные время и траектории распространения звуковых волн, настраивать сонар с максимальной эффективностью.

    Конструкция антенны сонара


    Передающая антенна сонара колеблется в звуковом диапазоне частот и производит звуковые воллны. Излучающая звуковые волны поверхность антенны называется апертурой.
    Апертуры бывают непрерывные и дискретные, то есть имеющие множество отдельных излучающих элементов.
    Можно рассматривать дискретные апертуры как содержащие в себе множество непрерывных апертур. Элементы дискретных апертур находятся на определенном расстоянии друг от друга, поэтому волны, излучаемые ими, будут приходить к цели в разное время. Этот факт учитывается при генерировании волн, при направлении звукового пучка, а также по прибытии отраженных волн.
    Излучаемые апертурами звуковые волны оказывают давление на слои воды вокруг, поэтому можно говорить о распределении давления звуковой волны вокруг апертуры, назовем это формой акустического пучка. Вот пример такой формы:
    image
    Звуковые колебания, как и любые колебания, по причине своей упругой природы имеют минимумы и максимумы, сменяющие друг друга и противоположные друг другу по амплитуде. Изначально в волне минимумы и максимумы находятся на определенном расстоянии друг от друга во времени и пространстве, то есть смещены по фазе. Вследствие излучения звуковые волны имеют свойство объединяться, находясь в разных фазах, то есть усиливают, либо гасят друг друга. Это называется интерференцией.
    Боковые лепестки на изображениях выше возникают из-за того, что энергия от антенны распространяется не только фронтально, но и в смежных направлениях; они имеют минимумы и максимумы благодаря интерференции. Боковые лепестки являются нежелательными, так как имеют амплитуды и частоты, отличные от основного лепестка, и этим вносят помехи.
    Как можно представить, пучок раскрывается под некоторым пространственным углом. Если рассматривать в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то это два угла — вертикальный (угол элевации) и горизонтальный (азимут). Развернув эти углы на плоскости, можно показать форму пучка в более наглядном виде:
    image
    Апертуры бывают разных геометрических форм и поэтому производят разные пучки. На рисунке выше, например, показана форма пучка для прямоугольной апертуры. Также существуют круговые апертуры, либо линейные (похожие на отрезок определенной длины), либо даже апертуры в виде трехмерных форм, например, параболоиды. Вы можете представить, как для них выглядят формы пучков. Например, для круговой апертуры боковые лепестки уменьшаются радиально, а не в виде креста, как на рисунке выше. В случае параболоидной формы происходит увеличение основного лепестка за счет соседних.
    Если у диаграммы выше сделать сечение по центру, вот что мы увидим:
    image

    Длиной волны называется расстояние, которое волна проходит во время одного колебания. А время, за которое она проходит это расстояние, называется периодом. Если расстояние между двумя излучающими звук элементами дискретной апертуры становится больше половины длины волны, у нас начинают увеличиваться боковые лепестки, а при дальнейшем уменьшении длины волны появляются новые лепестки, равные по амплитуде основному, что вносит помехи и является нежелательным фактом: при приеме сигнала будет неизвестно, какой именно лепесток является причиной.
    image
    Даже если все боковые лепестки меньше основного, они являются нежелательными по причине дополнительных искажений, вносимых ими: волны боковых лепестков тоже будут отражаться от каких-то объектов и двигаться в обратном направлении к сонару. Поэтому разработали способы уменьшения как боковых лепестков при излучении звука, так и их следствий при приеме отраженного сигнала. Основная идея: нужно таким образом сформировать сигнал, чтобы переместить энергию из боковых лепестков в основной, тем самым уменьшив и уровняв боковые лепестки по амплитуде. Это делается с помощью предустановленных паттернов (так называемых «окон»), через которые пропускается сигнал. Самый эффективный паттерн гордо носит имя «окно Чебышева». На примере ниже сигнал, прошедший через окно Чебышева, выделен курсивом:
    image

    Чтобы исследовать определенную область пространства, сонары поворачивают под необходимым углом, тем самым добиваясь нужного направления для основного лепестка звукового пучка. Еще существуют более тонкие способы направить звуковой луч в нужном направлении.

    image В случае, если сонар настроен на принятие сигнала (называется «пассивный режим»), может использоваться способ, рассмотренный на рисунке справа. Звук из исследуемого направления приходит на разные элементы апертуры через разные промежутки времени. В зависимости от требуемого направления луча высчитывается необходимая задержка для каждого элемента апертуры, вследствие чего принимается картинка из нужного направления. Этот способ прекрасно работает для принятия сигналов, в которых присутствуют волны большого диапазона частот, то есть «широкополосных» сигналов. Причины использования широкополосных сигналов будут рассмотрены в следующем параграфе.

    image
    Сигнал одной частоты, либо очень близкого диапазона частот называется узкополосным. В узкополосном сигнале нам легче увидеть его периодическую составляющую. По этой причине нет особой нужды вычислять различные промежутки времени, которые сигнал идет к разным элементам апертуры, так как по прошествии одного периода сигнала начинается точно такой же период снова, т.е. информация повторяется. Достаточно учитывать и использовать лишь сдвиг по фазе, с которым сигнал приходит, либо излучается разными элементами апертуры. Когда мы управляем направлением пучка этим способом, на элементах апертуры сигнал принимается/излучается с разной задержкой по фазе. На картинке справа вы можете наблюдать, как перенаправляется основной лепесток пучка при изменении фазы. Данный способ называется фазовым затенением и применяется как для пассивного, так и для активного режимов сонара.

    Внутри сонара. Обработка сигналов


    Внутри все начинается с генератора синусоидальных импульсов. Типичный генератор состоит из двух компонентов. Во-первых это усилитель, выход которого подключен к собственному входу («положительная обратная связь»), из-за чего происходят колебательные отклонения сигнала. Второй компонент — это электрический фильтр. Внутри фильтра находятся катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты подаваемого сигнала. На определенных частотах сопротивление возрастает, что препятствует прохождению сигнала. С помощью разных комбинаций катушек и конденсаторов настраивается отсеивание необходимых частот на выходе генератора.

    Далее находится группа фильтров, имеющих сходства с описанным только, однако чуть более сложных. Они занимаются амплитудным и фазовым затенением, формированием направления и формы пучка (это все описывалось выше). Еще некоторые их функции будут со временем рассмотрены.

    Следом сигнал подается на усилитель и на антенну, где он становится звуком. Излучаемый звуковой сигнал имеет некоторую протяженность во времени и называется импульсом. Импульс движется к исследуемому объекту, отражается и возвращается назад к сонару. Сонар в это время находится в пассивном режиме и ожидает возвращения импульса, который снова переводится в электрический сигнал. Длительность импульса должна быть короче времени, которое, как предполагается, будет затрачено на движение импульса от сонара к цели и обратно, иначе на приемнике результат будет суммироваться с исходящими волнами.
    Давайте еще раз обратимся к фильтрам и процессам, которые сигнал проходит после до того, как будет излучен антенной. Впрочем, после приема отраженный сигнал ждут вполне похожие процедуры.

    Квадратурная модуляция

    Чем выше частота звука (= меньше длина волны), тем выше разрешающая способность сонара (более мелкие элементы могут быть обнаружены). С другой стороны, высокая частота несет меньше энергии в каждом колебании, поэтому оно подвергается большему воздействию шума и отношение сигнал-к-шуму уменьшается.
    Рассмотрим одно колебание в отдельности. Оно несет в себе максимум и минимум своей амплитуды. Информацию при этом передает максимум амплитуды, а минимум фактически не используется. Что будет, если дублировать исследуемый сигнал, сместить его по фазе на 90 градусов и сравнить с исходным? Максимум второго сигнала окажется на одном уровне с минимумом первого. Если передавать одновременно в одном канале эти два сигнала, их частоты останутся прежними, однако информационная насыщенность возрастет в 2 раза, так как передающий информацию максимум амплитуды будет встречаться в 2 раза чаще. Такая одновременная передача двух сигналов называется квадратурной модуляцией. Это довольно распространенный прием и он используется во множестве электронных устройств.

    Сжатие импульса

    Уровень мощности антенны сонара, конечно же, ограничен какими-то пределами. Однако мы заинтересованы в том, чтобы энергия сигнала была как можно более высокой, так как это уменьшает влияние шумов на сигнал, этим увеличивая разрешающую способность. Используя более длинные импульсы, можно уменьшить пиковую мощность у передаваемого импульса при сохранении того же уровня энергии. При приеме импульс сжимается в более короткий, что увеличивает пиковую мощность импульса. Пиковая мощность импульса после сжатия во много раз превышает пиковую мощность, которая была бы без сжатия. Перед отправкой импульс удлинняется в той же пропорции, в которой по прибытию будет сжат.

    Линейная частотная модуляция

    imageПусть был послан такой сигнал, как расположен слева, а в ответ был получен сигнал, как выше отрезка Х. Как мы сможем отличить этот сигнал от аналогичного над отрезком Y? Это сделать невозможно, так как оба сигнала одинаковы, лишь смещены во времени. То есть появится некая неопределенность в интерпретации временного отрезка, которому соответствует пришедший сигнал, соответственно будет неопределенность в расстоянии до объекта.
    image
    Если же сигнал будет такой, как сейчас на рисунке справа, становится возможным отличить соответствующие ему временные отрезки. Этот прием называется линейной частотной модуляцией, когда частота увеличивается или уменьшается линейно.

    Гауссова огибающая

    imageВ предыдущем параграфе рассматривались бобковые лепестки, возникающие под действием интерференции. Этими лепестками описывалось распределение давления звуковой волны в трехмерной среде. Хочется отметить, что боковым лепесткам соответствуют волны меньших амплитуд. Амплитуда вместе с тем уменьшается и от дальности распространения сигнала. До сих пор мы подразумевали, что пик каждого колебания имеет одинаковую амплитуду. Будет ли полезным менять амплитуды каждого колебания по определенному правилу? Конечно, поскольку в этом случае мы сможем дополнительно дифференцировать сигналы боковых лепестков, частоты которых уменьшены. Сравнивая, как изменяются амплитуды переданного и полученного сигналов на определенной частоте и находя несоответствия, можно отсекать сигналы с боковых лепестков.

    Эффект Доплера

    imageЕсли приближать и отдалять телефонную трубку, когда в ней раздается гудок, можно почувствовать плавные изменения в тональности. Это изменяется воспринимаемая частота звука. Эффект изменения частоты звука при движении называется эффектом Доплера. Эффект Доплера для электромагнитных волн существенно отличается от рассматриваемого здесь, так как для них отсутствует какая-либо среда-посредник, являющаяся третьей стороной в контакте приемника и передатчика волны. Для звука же такой средой является вода.
    Если представить, что судно, к которому прикреплен сонар, находится в движении, либо двигается объект исследования, можно прийти к выводу, что частота принимаемого сигнала будет изменена в соответствии с эффектом Доплера. В этом случае линейная частотная модуляция снова является причиной неопределенности и может вводить в заблуждение: сигнал привязан к отрезкам времени изменяющейся частотой, однако эту частоту дополнительно изменяет эффект Доплера.

    Диаграмма неопределенности

    Как написано выше, одновременно используются две техники модуляции сигнала, чтобы сократить две неопределенности в исследуемых параметрах объекта. Первая неопределенность связана со способностью сонара различить временную задержку сигнала (расстояние до объекта), а вторая — связанная с эффектом Доплера (скорость объекта).
    На диаграмме ниже показаны уровни неопределенности для немодулированного сигнала: временная задежка по горизонтальной оси и частотная — по вертикальной. Тут неопределенности возникают благодаря упоминавшимся выше причинам: боковые лепестки вызывают неопределенности, связанные с эффектом Доплера (это видно как поперечные дуги); формы одного цвета показывают неопределенности в оценке дальности, которые поясняются неоднозначностью временного отрезка, к которому можно отнести пришедший сигнал (по причине неизменности каждого его периода при неизменной частоте). Диаграмма неопределенности напрямую отражает разрешающую способность сонара.
    image
    Следующий график отображает линейно частотно модулированный сигнал. Благодаря частоте, изменяемой пропорционально времени, можно более точно определять временную задержку сигнала и дальность до цели. Эффект Доплера, меняя частоту, вносит искажения. Также искажения вносят боковые лепестки.
    image
    Следующий график отображает линейно частотно модулированный сигнал с гауссовой огибающей (амплитудная модуляция). Теперь мы можем убрать боковые лепестки частот, поскольку дополнительно сравниваем амплитуды исходящего и пришедшего сигналов, а у боковых лепестков амплитуды меньше, чем у основного.
    image
    При увеличении дальности объекта пропорционально затухает амплитуда сигнала во время его движения к объекту и обратно. Если на этот же сигнал еще влияет и эффект Доплера, то становится неясным, что на сигнал влияло больше — уменьшение амплитуды из-за дальности (сигнал будет сверяться по частотам с исходным, а по разнице амплитуд будут формирования предположения о дальности), либо эффект Доплера (сигнал будет сверяться по амплитудам с исходным, а по разнице частот будет сделан вывод о скорости объекта). Эти две пересекающихся стратегии оценки на диаграмме ярко выражены тем, что форма растягивается по диагонали.

    Согласующий фильтр

    Ранее много раз упоминалось, что принятый сигнал сравнивается с исходным. Это происходит в согласующем фильтре, в нем имеются копии исходных сигналов. Здесь сигнал не только делится на фрагменты и сравнивается, но и суммируется с исходным сигналом, что позволяет уменьшить количество шумов, которые испытал на себе сигнал во время движения к цели и обратно. Здесь же первично оцениваются искажения сигнала и производятся вычисления, что же было причиной искажений. Например, здесь присутствует абсорбционная модель, которая учитывает возможное рассеивание импульса во время его движения к цели и обратно. Здесь же происходит сжатие импульса.

    Быстрое преобразование Фурье

    Согласно преобразованию Фурье, любой сигнал (даже шум) можно представить в виде суммы синусоид разных частот и фаз (говоря более строго, можно представить в виде спектральной плотности). В синусоиде, которая является периодическим сигналом, информация повторяется много раз — из периода в период одно и то же. После преобразования Фурье эти повторения информации исчезают. Быстрое преобразование Фурье позволяет выполнять преобразование с меньшим количеством вычислений. Вычисления в согласованном фильтре происходят со сжатыми быстрым преобразованием Фурье сигналами, для чего необходимы специальные микроконтроллеры, выполняющие математические операции.

    Вот порядок того, что с сигналом происходит по прибытии на антенну:

    Предварительный усилитель и фильтр полосы частот, автоматическая регулировка усиления => Квадратурная демодуляция => Фильтр антиалиасинга и конвертация в цифровой вид => Переход в согласующий фильтр (компрессия импульса, описанные выше действия; компенсация движения, микро-навигация, автофокус, искусственные методы повышения разрешения) => Обработка изображения (формирование частей изображения, объединение их, программируемые обнаружение и классификация целей) => Выведение на экран монитора.

    Заключение


    Видимо, погружение было достаточно глубоким, однако хочется верить в то, что оно было интересным. Также хотелось показать, как все работает в связи друг с другом, что каждая деталь имеет причины и следствия — буду надеяться, что это удалось.
    Share post

    Comments 19

      +1
      Тема хоть и не пятничная совсем, но спасибо.
      Окончательно доплавил свой пятничный мозг.
        +4
        > Эффект Доплера в обыкновенном его понимании отсутствует для электромагнитных волн

        Он вполне присутствует, просто для его определения принимается во внимание только относительное движение источника и приёмника. А для звуковых волн — учитывается движение как источника, так и приёмника относительно среды.
          +1
          Он вполне присутствует, просто для его определения принимается во внимание только относительное движение источника и приёмника. А для звуковых волн — учитывается движение как источника, так и приёмника относительно среды.


          Это и имелось в виду. При подсчете эффекта Доплера для звуковых волн основной параметр — третья среда. Как вы написали, по аналогии для электромагнитных волн средой должен быть воздух, однако они будто бы проходят «отдельно» от среды, так как вступают релятивистские законы и подсчет ведется не по отношенияю источник-среда-приемник, а источник-приемник. Поэтому для ЭМ волн эффект называется релятивистским эффектом Доплера.
            0
            Исправил формулировку в статье.
          +4
          Спасибо, было интересно почитать. Так просто выглядит, что кажется что от радаров до сонаров один шажочек.

          Как я понял вы работаете на этом поприще? Если да, то парочка вопросов:
          1. Как примерно применяются «шаблоны настройки радара»? хранятся таблицами?
          2. Про преобразование луча непонятно описано, когда и в каком виде применяется окно Чебышева? К сигналу ли? Или к сигналам от каждого элемента решетки/подрешетки, значит ваша приемная антенна аналог АФАР?
          3. Используются звуковые частоты. А какие примерно? Какая несущая и полоса?
          4. Вот по последнему пункту:
          Из контекста кажется что АРУ( кстати ВАРУ и ШАРУ применяется? или содержит всё?)=>демодуляция=>антиалиасинг делаются в аналоговом виде, потом конвертация в цифровой вид (АЦП?). Тут наверное недоразумение, ведь антиалиасинг — фильтр подавляющий эффекты децимации.
          Про децимацию тоже ни слова. В радиолокации например сигнал децимируется до полосы сигнала.
          Это странно, ведь при таких малых частотах можно позволить поставть АЦП в каждый элемент решетки и производить все вычисления в цифровом виде. Или если какие-то особенности связанные со звуком?
          5. Если не секрет какие микроконтроллеры используются?

          Ну и придирки тоже есть.
          1. Эффект Доплера для электромагнитных волн — это и есть то самое обыкновенное понимание. Эффект Доплера применим к любым волнам распространяемым в какой либо среде. Для электромагнитных волн эта среда — воздух.
          2. Обычно используется термин «согласованная фильтрация». Ведь сигнал согласован с импульсной характеристикой фильтра.
          3. Согласованный фильтр и свертка на БПФ — это два кардинально разных алгоритма вычисления свертки(сжатия в контексте).

          Извините, если я слишком критично отнесся к написано. Очень уж интересная тема.
            +2
            Нет, не работаю. Я недавно просто сдавал экзамен по этому предмету, и пока свежи воспоминания, решил написать, так как когда я сам разбирался, было непросто найти доступную информацию ни в русскоязычных, ни в иностранных вариантах.

            1. Шаблоны настройки сонара, в зависимости от того, какие они, применяются в разных его частях. Например, шаблон абсорбционной модели в согласующем фильтре. Перед применением шаблона сигнал переведен с помощью БПФ в сжатый вид. На счет того, как хранятся настройки — не знаю. Вероятно, это таблица, так как шаблон представляет собой линейные функции для коротких отрезков глубин (по сути, коэффициенты). Если смотреть на модель преломления, построенную по такому шаблону, это будет ломаная линия, которая будто бы луч переходит из одной среды в другую на каждом отрезке глубины.
            2. Точно не знаю, на каком этапе применяется окно Чебышева. Каждый элемент решетки обрабатывается отдельно. Здесь и в следующих вопросах — не знаю некоторых русских аббревиатур по данной тематике.
            3. Выбор частот зависит от множества деталей, диапазон от 100 Гц до 1 Мгц, по крайней мере формулы абсорбционной модели имеют такие границы. Чем больше частота — тем больше разрешение картинки, однако сигнал быстрее затухает и больше шум. По графикам я смотрю, сигнал не затухает довольно длительное расстояние (>500 м) уже после 1кГц.
            4, 5. На счет антиалиасинга не знаю, микроконтроллеры то же. Однако микроконтроллеры, которые позволяют считать БПФ, вроде бы довольно известны.

            1. По Доплеру выше ответил — по моим данным, для ЭМ используется источник-приемник без учета среды, поэтому эффект называется релятивистским и существенно отличается от рассматриваемого.
            2. У меня есть подпункт про «Согласованный фильтр», там подразумевается она.
            3. По моим данным, вначале происходит свертка БПФ, и в свернутом виде происходит согласование, схема на картинке ниже
            image
              0
              Прошу прощения, перепутал, в пункте 1 вместо абсорбционного описал шаблон, применяемый для оценки искривления в зависимости от изменения скорости луча. А когда и как именно считается абсорбционный шаблон — заранее с результатами в таблице или прямо на месте — не знаю, знаю только что он вычисляется на основе формулы Francois&Garrison. Формула довольно громоздкая, т.е. вряд ли она считается на месте, скорее всего тоже коэффициенты в таблице. Переменные в ней: частота, температура, глубина, соленость, отдает в ответ затухание в дБ/км.
                0
                Хочу отметить, что после БПФ мы получаем спектр сигнала, но никак не сжатый вид. Окно Чебышева необходимо для компенсации влияния боковых лепестков диаграммы направленности антенны, и применяется непосредственно в частотной области, т.е. после БПФ. Конкретно в вашей схеме оно, скорее всего, находится в Absorbtion Correction и умножено на абсорбционную модель. Блок Pulse Compression у вас есть не что иное, как Согласованный фильтр, реализованный в частотной области (алгоритм быстрой свертки), здесь осуществляется свертка двух сигналов (принятого и опорного), которая в частотной области эквивалентна произведению спектров (речь, разумеется, идет о циклической свертке). На выходе согласованного фильтра, таким образом, получают Корреляционный интеграл, он же «СЖАТЫЙ» сигнал.
                Что такое свертка, виды сверток и быстрая свертка хорошо описано здесь
                  0
                  Выход согласованного фильтра — участок схемы после обратного БПФ (IFFT). Именно здесь получают корреляционный интеграл.
            +5
            Разрешите вас поправить, я сам просто работаю в этой области. Просто хочу внести ясность, чтобы все всё поняли.
            Дело в том, что разрешающая способность по дальности определяется длительностью зондирующего импульса, чем короче сигнал, тем, соответственно, шире его спектр и выше потенциальная точность измерения дальности (в идеале это должна быть дельта-функция, которая имеет бесконечный спектр и технически нереализуема). Так вот, когда в качестве зондирующего импульса используется прямоугольный синусоидальный импульс, разумно уменьшать длительность импульса для повышения разрешающей способности по дальности, при этом происходит уменьшение энергии импульса и падает отношение сигнал/шум в приемном тракте, вследствие чего качество измерений падает, поэтому необходимо увеличивать амплитуду зондирующего сигнала пропорционально уменьшению длительности, чтобы обеспечивать приемлимое отношение сигнал/шум в приемном тракте. Но увеличение амплитуды невозможно производить долго, поскольку произойдет пробой передающего тракта и выход системы из строя)) Именно поэтому, в локации используются сложные сигналы, один из самых распространенных ЛЧМ-сигнал. Основная выгода применения подобных сигналов — обеспечение высокой разрешающей способности по дальности за счет широкого спектра. Здесь ключевое понятие — База сигнала. Так вот, чем шире спектр ЛЧМ и меньше его длительность — тем больше разрешающая способность по дальности, при этом необходимая энергетика в приемном тракте обеспечивается за счет хороших корреляционных свойств этого сигнала, а именно в согласованном фильтре осуществляется «сжатие» отраженного сигнала, иначе говоря вычисление корреляционного интеграла путем свертки принятого сигнала с ЛЧМ опорным сигналом с соответствующим сдвигом (опорная функция). Тем самым уменьшаются требования к передающему тракту и вместе с тем величина корреляционного пика, получаемого при использовании ЛЧМ, больше в БАЗУ раз по сравнению с корреляционным пиком, получаемым при использовании синусоидального прямоугольного импульса такой же амплитуды что и ЛЧМ. А это уже совсем другое дело!!! Кроме того ЛЧМ обладает рядом полезных свойств, которые используются при обработке локационных данных, например его структура (линейно изменяющаяся частота), позволяют хорошо наблюдать эффект Доплера и позволяет реализовывать, например, алгоритм устранения миграции дальности в локационных системах с синтезированной апертурой антенны и др.
              +1
              ПОПРАВКА. Так вот, чем шире спектр ЛЧМ при некоторой малой фиксированной длительности — тем больше база и больше разрешающая способность по дальности, при этом необходимая энергетика в приемном тракте обеспечивается за счет хороших корреляционных свойств этого сигнала.
              ИТАК, основное, что необходимо запомнить это то, что сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) несущей частоты, относятся к классу широкополосных сигналов, обеспечивающих высокую разрешающую способность по дальности без уменьшения длительности зондирующих импульсов. Это позволяет при относительно небольшой пиковой мощности передатчика сконцентрировать в импульсе большую энергию, собираемую в корреляционный пик сжатого ЛЧМ-импульса после его согласованной обработки, что не требует передатчика большой мощности (с дорогим трактом), излучающего короткий импульс.
              +1
              Не совсем к теме поста, но кто-нибудь в курсе целесообразности и возможности вообще использования гидроаккустических модемов в радиоуправляемых погружаемых моделях?
              Т.е. от погруженной модели к бую на поверхности водоема тянуть не трос, а организовать гидроаккустический канал связи? А уже от него обычный радиоканал до пульта управления?
                +1
                Это более чем реально. Используя ультразвуковые сигналы под водой и пару цифровых сигнальных процессоров, в модели — для дешифровки сигнала, в буе — для преобразования управляющего радиосигнала в управляющий ультразвуковой. Аналогично можно построить обратный канал для телеметрии, например)) Для передачи управляющих команд надежнее всего использовать кодовые последовательности импульсов.
                +2
                Вы так глубого копнули в физику и математику процесса при объяснении собственно работы сонара, но вводная часть про распространение звука на этом фоне звучит несколько скромно.
                Перед простым перечислением факторов (глубина, соленость) можно добавить, что непосредственным условием является плотность среды, на которую уже влияют и глубина, и соленость, и любые неоднородности (температуры, скорости движения, содержания твердых частиц).
                  0
                  Спасибо, добавил про плотность. Неоднородности скорее влияют на рассеяние, чем на скорость. Про неоднородности упоминалось.
                  0
                  Перечитал еще раз, возник вопрос относительно того, используются ли какие-то дополнительные системы для учета эффекта Допплера?
                  Например, определение скорости по судна по дифференциальному GPS. Это было бы логично.
                    0
                    Осталось рассмотреть такое странное явление как «термоклин» — ru.wikipedia.org/wiki/Термоклин, и как его преодолеть.
                      0
                      Чем больше температура, соленость, глубина, т.е. чем выше плотность воды
                      Может наоборот, чем ниже температура тем выше плотность. Или я что-то не понимаю.
                        0
                        > Длиной волны называется расстояние, которое волна проходит во время одного колебания. А время, за которое она проходит это расстояние, называется периодом.

                        > Основная идея: нужно таким образом сформировать сигнал, чтобы переместить энергию из боковых лепестков в основной, тем самым уменьшив и уровняв боковые лепестки по амплитуде. Это делается с помощью предустановленных паттернов (так называемых «окон»), через которые пропускается сигнал.

                        Ну вот как так-то? Вы вообще на какую аудиторию статью рассчитывали? Кто этот гость из параллельной реальности, кто не знает, что такое длина волны, зато с лёгкостью по двум предложениям догадается, как надо пропускать сигнал через окно Чебышёва, чтобы он бил кучнее?

                        Нет, ну серьёзно. Я могу представить, как мне пропустить сигнал во времени через окно Чебышёва, хоть я и в душе не представляю, что это за окно, но ежели приспичит, это можно раскурить. Но вы-то рассуждаете в терминах пространства! А в пространстве у нас, насколько я понимаю, один, грубо говоря, круглый кусок керамики, к которому мы подводим опять же ровно один электрический сигнал, как-то зависящий от времени. Что из этого мне надо пропускать через окно? Сигнал во времени? А как это мне даст сужение пучка в пространстве? Или надо волну в пространстве пропускать через окно? А как это сделать? Какую-то механическую конструкцию городить наподобие интерференционной пластинки? Или ещё как-то?

                        Заранее благодарен.

                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.