level( dB)
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
3 2
1
-150 |
-100 |
-50 |
0 |
50 |
100 |
150 |
|
|
|
angle( deg) |
|
|
|
Рис. 2. Характеристики направленности линейной антенной решетки в направлении « бегущей » волны: 1 – вектор компенсации антенной решетки для свободного пространства; 2 – частично согласованная пространственная обработка с некогерентным суммированием откликов по модам; 3 – полностью согласованная с гидроакустическим волноводом пространственная обработка
• при использовании частично согласованной с гидроакустическим волноводом пространственной обработки сигналов путем некогерентного суммирования модовых откликов на каждой частоте;
• полностью согласованной с волноводом пространственной обработки( когерентное суммирование модовых откликов) в типичных рабочих диапазонах низкочастотных гидроакустических систем в направлении « бегущей » волны.
Из рисунка видно, что неучет волноводного характера распространения звука в мелком море в линейной антенной решетке с количеством приемных элементов 1000 штук приводит к развалу и смещению до 40 ° основного лепестка характеристик направленности и, следовательно, как минимум к такому же смещению оценки пеленга на источник. Кроме того, для направления « бегущей » волны следует ожидать снижения выигрыша пространственной обработки в отношении сигнал / помеха до 25 дБ по отношению к полностью согласованной с гидроакустическим волноводом пространственной обработки и до 7 дБ – при частично согласованной пространственной обработке.
Для обоснования требований к конфигурации донных антенн были проведены расчеты характеристик направленности некоторых видов планарных антенн на основе гибких линейных антенн, уложенных специальным образом на дне моря.
На рисунках 3 – 6 приведены примеры конфигураций и расчета характеристик направленности четырех различных вариантов конфигурации планарных антенн в реальном гидроакустическом волноводе мелкого моря.
Из анализа характеристик направленности различных конфигураций ДПАР следует, что наилучшими видами обладают характеристики планарной донной антенны в виде спирали Архимеда и неправильного круга. Планарная антенна в виде синусоиды и в виде лесенки имеют довольно большие боковые дополнительные лепестки даже в свободном пространстве, что затруднит совместное обнаружение и разделение нескольких источников.
Оценим требования к знанию фазовых скоростей распространяющихся мод при полностью согласованной с гидроакустическим волноводом пространственной обработке и некогерентной согласованной пространственной обработке путем суммирования модулей модовых откликов на каждой частоте.
При когерентной согласованной обработке необходимо просуммировать на каждой частоте модовые отклики с учетом фазы для заданной дальности обнаружения источника. Для дальности R нахождения источника сигнала и допустимой точности знания фазы сигнала в точке приема Δφ получим соотношение для допустимой относительной точности знания фазовой скорости каждой моды: ΔС≤ΔφС ²/( ωR),( 1) где С – средняя по глубине скорость распространения звука в воде, ω – круговая частота. Для допустимой величины [ 3 ] Δφ = 0,2 радиана и дальности до источника сигнала R = 10 км величина ΔС на частоте 15 Гц будет составлять 0,45 м / с. С ростом частоты и дальности до источника сигнала требуемая точность знания относительной фазовой скорости каждой моды будет возрастать.
При некогерентной согласованной пространственной обработке путем суммирования модулей откликов фазированной антенной решетки по каждой моде необходимо сложить модовые отклики с точностью хотя бы до половины ширины характеристик направленности, скорректировав смещение каждого модового отклика в соответствии с оценкой его фазовой скорости. Для этого необходимо знать фазовые скорости каждой моды с относительной точностью: ΔС≤ С ²/( ωL),( 2) где L – апертура фазированной антенной решетки. Для типичной апертуры L = 1 км на частоте 15 Гц получим допустимую величину ΔС ≤ 22,5 м / с, что почти на два порядка больше, чем при полностью согласованной с гидроакустическим волноводом пространственной обработкой.
В реальной ситуации наличие в море динамических процессов( внутренних волн, вихрей, рингов, приливных явлений и др.) приводит к флюктуациям фазовых скоростей
74 Морские информационно-управляющие системы, 2016 / No. 1( 9)