Рассеяние модулированных по интенсивности полей на статистических объектах

Основной практической целью теоретического и экспериментального исследования механизмов рассеяния волн разной физической природы (акустических, радиоволн, оптических) на разнообразных объектах является разработка методов восстановления характеристик объектов по. параметрам рассеянного поля. В линейном приближении объект можно полностью восстановить, если известна его комплексная частотная характеристика, заданная в пространстве частот и угловых координат объекта, — отклик объекта на монохроматическую зондирующую волну. Квадрат модуля частотной характеристики объекта в гидроакустике обозначается термином «сила цели» (в радиолокации -" эффективная поверхность рассеяния11, ЭПР) для сосредоточенных объектов или «поверхностный» (или объемный) коэффициент рассеяния для распределенных двумерных и трехмерных объектов [l-4]. Очевидно, что для полной идентификации объекта необходимо измерять частотную характеристику в бесконечной полосе частот зондирующего поля [б] ,'что, естественно, на практике осуществить нельзя. Поэтому поиск путей решения проблемы ведется в направлении выбора наиболее информативного (с точки зрения решения обратной задачи) диапазона частот [б]. Известно, что информацию, а таких характеристиках рассеивающих объектов, как их размер, форма (для сосредоточенных объектов) или пространственный спектр неровностей (для распределенных, протяженных тел) переносят волны резонансного диапазона. Термин «резонансный диапазон» относят обычно к рассеивающему объекту, причем для объектов конечных размеров резонансным считается интервал длин волн зондирующего поля от половины до десятикратного размера объекта [4]. При рассеянии волновых полей на статистически неровных поверхностях при малых параметрах Рэлея имеет место резонансный (избирательный) механизм, когда в данном направлении эффективно рассеивает лишь та пространственная спектральная составляющая неровностей, период которой приблизительно равен половине длины волны падающего полянеровности в этом случае действуют на зондирующую волну как дифракционная решетка [2,7,в]. На практике реальные объекты могут быть такими крупномасштабными, что резонансные по отношению к ним волны оказываются слишком низкочастотными. Поэтому для направленного излучения и приема волн резонансного диапазона требуются широкополосные антенные системы больших габаритов, создание которых сопряжено со значительными техническими трудностями. Кроме того, известно, что эффективность излучения падает с уменьшением частоты [9] .

Стремление решить эту проблему вызвало большое количество работ (как в акустике, так и в радиофизике) по локации крупномасштабных объектов сложнопостроенными, модулированными сигналами. Первыми были работы В. А. Зверева J10, II], посвященные распространению тригармонической (т.е. имеющей в спектре три частотных составляющих) волны в случайно неоднородных средах. В этих работах было показано, что частотная корреляция компонент тригармонической волны содержит информацию о крупномасштабных характеристиках рассеивающей среды. В дальнейшем изучение частотной корреляции полей, распространяющихся в случайно неоднородных средах, получило развитие в работах [12−1б], где рассматривалась задача о влиянии фазового экрана на огибающую модулированного поля. Понятие двухчастотной корреляционной функции (двухчастотной функции когерентности) вводилось в работах [15,16*], но на волновой характер распространения частотной корреляции внимания не обращалось. Радиофизические методы исследования неровных поверхностей, основанные на частотной корреляции, были предложены в [17,18*], а экспериментально проверены в [l9−2l]- в этих работах описывается метод определения среднеквадратичной высоты и длинноволновой части пространственного спектра морского волнения по измерению с помощью PJIC СВЧ диапазона корреляции между сигналами, излученными на двух близких частотах с регулируемым разносом. Изучению частотной корреляции звуковых полей посвящены работы 22−24, причем в [23] методы доведены до экспериментов по отражению многочастотных сигналов от дна океана.

Отмеченные работы можно охарактеризовать с единой точки зрения, изложенной в работах Л. С. Долина [25,2б], где рассмотрена задача о рассеянии модулированных по интенсивности световых потоков на объемных неоднородностях и статистически неровных поверхностях и показано, что синусоидально изменяющаяся с частотой модуляции компонента интенсивности распространяющейся волны ведет себя при некоторых условиях подобно обычной волне, т. е. описывается классическими соотношениями интерференции и дифракции. Такие объекты Л. С. Долин назвал «волнами модуляции» (БМ) — введение этого термина имеет большое значение, идейно близкое широко применяемому в радиофизике методу аналогий [271: существует широкий круг задач, посвященных распространению модулированных волновых потоков различной физической природы, огибающая которых (ВМ) описывается хорошо известными соотношениями теории рассеяния волн.

Следовательно, в ряде случаев при дистанционном исследовании рассеивающих объектов можно не прибегать к излучению длинноволновых, резонансных полей, а использовать высокочастотные, синусоидально-модулированные по интенсивности сигналы с частотами модуляции резонансного диапазона, т. е. зондировать объекты резонансными ВМ. При этом на практике существенно легче выполнить требования к эффективности и направленности излучения, а также выделить информацию о крупномасштабных, «резонансных» характернотиках зондируемых объектов. Для сосредоточенных объектов гидроакустической локации этими характеристиками являются размер и форма объекта, а для распределенных, таких как дно океана, взволнованная морская поверхность и т. п., — длинноволновая часть пространственного энергетического спектра неровностей, дисперсия возвышений, радиус корреляции и другие характеристики.

Таким образом, создание достаточно простой, надежной и информативной методики дистанционного измерения характеристик рассеивающих объектов является актуальной практической задачей. С этой целью необходимо в первую очередь теоретически и экспериментально исследовать механизмы рассеяния модулированных по интенсивности гидроакустических полей на объектах различной физической природы. В теоретическом плане должны быть исследованы две группы задач.. Первая связана с рассеянием синусоидально модулированной по интенсивности волны на распределенных объектах, когда конечность угловых размеров диаграммы направленности применяемых приемо-передатчиков позволяет облучать объект частично. В гидроакустике такими объектами являются дно и поверхность океана. Рассеяние монохроматических полей на статистически неровных поверхностях изучается давно [7,29,28], и здесь разработаны приближенные методы, успешно применяемые для интерпретации экспериментальных данных. К этим методам относятся метод малых возмущений 29, метод касательной плоскости (или метод Кирхгофа) [30,3l] и так называемая двухмасштабная модель [32*1. Все эти методы подробно изложены в монографиях [8,33]. Для анализа рассеяния модулированных по интенсивности полей требуется использовать известные методы теории рассеяния применительно к многочастотным сигналам и выяснить условия, при которых синусоидально изменяющаяся с частотой модуляции компонента интенсивности рассеянного поля подчиняется классическим волновым закономерностям. Этим условиям должны удовлетворять параметры рассеивающей поверхности, а также порядок регистрации и обработки рассеянного сигнала.

Вторая группа теоретических задач связана с исследованием механизмов рассеяния модулированных по интенсивности гидроакустических полей на сосредоточенных объектах конечных размеров, причем в первую очередь должны быть рассмотрены объекты простой формы: шероховатая сфера, тела «гантельной формы» и т. д. Выделение объектов конечных размеров в отдельный класс достаточно условно, оно определяется соотношением размеров зондируемого тела и размеров области, озвученной гидролокатором. Здесь мы считаем объектами конечных размеров такие, которые целиком включаются в озвученную область. Если характерные радиусы кривизны таких объектов намного превышают длину волны несущей зондирующего поля, то для расчета параметров рассеянной ВМ применим простой приближенный метод, в котором объект рассматривается как совокупность участков локального отражения, жестко связанных между собой, но изменяющих свое положение в пространстве случайным образом ^34]. Сюда близко примыкает класс объектов, описываемых так называемой моделью Делано [Зб][ - такие объекты представляют собой группы большого числа хаотически расположенных рассеивателей, что позволяет считать фазы полей, отраженных отдельными рассеивателями, распределенными равномерно в интервале [0,2ТГ), а результирующее поле находить как некогерентную суперпозицию полей от отдельных рассеивателей. Этой моделью адекватно описываются такие, например, объекты гидролокации, как рыбные стаи и скопления [Зб]. Ode модели объектов конечных размеров подробно рассмотрены в монографии [37*1, и ими можно пользоваться при решении задач о рассеянии ВМ на телах сложной формы.

Третья часть исследований — экспериментальная — связана с зондированием реальных объектов модулированным по интенсивности акустическим полем как в лабораторных, так и в натурных условиях и имеет целью сравнение полученных результатов с теорией. Лабораторные макеты объектов должны выбираться из условий максимального соответствия принятым в теории моделям и максимального приближения к натурным условиям.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики дистанционного измерения макропараметров статистических объектов (рыбные стаи и скопления, неровности дна океана, взволнованная морская поверхность и т. д.) с помощью гидроакустического зондирования синусоидально-модулированными по интенсивности сигналами с перестройкой частоты модуляции в «резонансном» диапазоне. Основное внимание уделяется исследованию механизмов рассеяния модулированных по интенсивности гидроакустических полей и экспериментальной проверке предлагаемой методики дистанционного гидроакустического зондирования реальных объектов.

Изложим основное содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Каждая глава предваряется кратким введением и заключается краткими выводами.

§ 3.5. Основные результаты.

1. Разработан макет акустического модуляционного измерителя сечений пространственного спектра морского волнения. Принцип действия прибора основан на изученном в гл. I резонансном механизме рассеяния гидроакустических ВМ на статистически неровных поверхностях.

2. Проведены испытания макета акустического модуляционного измерителя спектра волнения в натурных условиях. Испытания проводились с борта судна во время 3-го рейса НИС «Витязь» в 1982 г. и с научно-исследовательской платформы МГИ АН УССР на Черном море в 1983 г. Макет позволил получать сечения спектра в диапазоне длин волн поверхности 10−70 см в течение 30−60 с, а также регистрировать временную динамику любой из 32 спектральных составляющих волнения в указанном диапазоне.

3. В натурных условиях во время 31-го рейса НИС «Поиск» в Атлантике в 1978;79 гг. экспериментально проверена предложенная в гл. I методика измерения дисперсии и радиуса корреляции неровностей дна океана, основанная на вертикальном эхолотировании дна океана, основанная на вертикальном эхолотировании дна амплитудно-модулированным сигналом. Сравнение результатов измерений акустическим модуляционным методом с результатами независимого эхолоти-рования с высоким пространственным разрешением показало их хорошее согласие.

4. Экспериментально показано, что при наличии слоистого строения дна метод позволяет определять не только статистику неровностей, но и толщину слоев.

5. Экспериментально подтверждены условия существования ВМ при лабораторных исследованиях рассеяния модулированного звука на телах конечных размеров в гидроакустическом бассейне. Установлено хорошее согласие экспериментальных результатов с теорией рассеяния ВМ на телах конечных размеров, полученные в гл. 2. Экспериментально изучен круг условий, при которых поведение интенсивности модулированного звука при отражении от тел конечных размеров подчиняется волновым закономерностям.

6. Экспериментально подтверждена сформулированная в гл. 2 методика дистанционного определения «резонансных» макропараметров объектов конечных размеров путем их зондирования синусоидально-модулированными по интенсивности волнами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие научные результаты.

I. Проведен последовательный волновой анализ механизмов рассеяния синусоидально-модулированных по интенсивности гидроакустических полей на статистически неровных поверхностях с целью выяснения условий, при которых пространственно-временная огибающая интенсивности рассеянного излучения (волна модуляции) несет информацию о макропараметрах рассеивающего объекта. Показано, что:

— волна модуляции отражается от плоской в среднем поверхности как от идеально гладкой при выполнении следующих условий: а) индикатриса рассеяния на несущей не зависит от частоты в полосе частот модулированного по интенсивности поля, б) параметр Рэлея для волны модуляции мал (, где 0 — вектор рассеяния волны модуляции, — его проекция на нормаль к подстилающей поверхности, -дисперсия возвышений неровностей), в) малость характерного масштаба двумерной характеристической функции неровностей на несущей по сравнению с размером первой зоны Френеля на несущей (^ ^ «гДе % ~ вектоР рассеяния на несущей, R — характерное расстояние от источника и точки наблюдения до рассеивающей области). При выполнении этих условий точка наблюдения может находиться как в дальней зоне, так и в зоне Френеля по волне модуляции;

— волна модуляции рассеивается на неровной поверхности со средним профилем f^ как на гладкой поверхности с таким профилем, если уклоны макронеровностей настолько малы, что индикатриса рассеяния на несущей частоте не зависит от локального угла падения ^ «где — проекция на нормаль к средней плоскости, f0 — характерные уклоны среднего профиля fc);

— при рассеянии модулированного по интенсивности поля на двух-масштабной неровной поверхности со случайным макропрофилем имеет место резонансный механизм рассеяния волн модуляции при малом параметре Рэлея (, — дисперсия макронеровностей), когда точка наблюдения находится в зоне разделения спектров по волне модуляции (f, L — размер рассеивающей облас ти, to — радиус корреляции неровностей) — при больших параметрах Рэлея () распределение интенсивности волны модуляции воспроизводит функцию распределения уклонов макронеровностей. Оба механизма справедливы в зоне Френеля.

2. Рассмотрено рассеяние волн модуляции на телах конечных размеров: шероховатой сфере, теле «гантельной» формы и телах сложной формы, описываемых моделью жесткой совокупности «блестящих точек». Показано, что рассеянная волна модуляции несет информацию о характерных размерах тела и его форме:

— установлено, что амплитуда волны модуляции, отраженной сферой, определяется как радиусом сферы, так и индикатрисой на несущей частоте, причем с ростом радиуса амплитуда волны модуляции монотонно убывает;

— показано, что при отражении волны модуляции от жесткой совокупности участков локального отражения образуется устойчивая пространственно-временная интерференционная структура при выполнении условия Аа ^ ф ^ Л mto{ty} L где До ~ длина волны на несущей частоте, Л — длина волны модуляции, — дисперсия флуктуаций угла наблюдения тела, — расстояния между «блестящими точками», L — характерный размер тела.

3. Установлены границы справедливости принципа суперпозиции для интенсивностей модулированных полей применительно к различным моделям рассеивающих объектов. Принцип суперпозиции применим, если за время наблюдения.

— имеет место некогерентность рассеяния на несущей частоте;

— характеристики рассеяния на несущей не зависят от частоты в полосе частот модулированного поля;

— в среде отсутствует дисперсия скорости звука.

4. Разработан и реализован в действующем макете гидроакустический метод измерения спектральных характеристик морского волнения, основанный на резонансном механизме рассеяния волн модуляции. Во время испытаний макета в натурных условиях измерены спектральные характеристики морской поверхности в дециметровом диапазоне волн, причем результаты находятся в хорошем согласии с теорией поверхностного волнения.

5. Разработана и экспериментально проверена в натурных условиях методика вертикального эхолотирования дна океана амплитудно-модулированным звуком, позволяющая измерять дисперсию и радиус корреляции неровностей метрового и декаметрового масштабов, а также исследовать слоистость морских осадков. Предлагаемая методика обладает тем преимуществом, что не требует излучения и приема длинноволновых полей, а также вертикального ранесения (или перемещения) приемо-передающей антенны.

6. Предложен и экспериментально исследован в лабораторных условиях метод дистанционного определения «резонансных» макропараметров (размер, форма) статистических объектов конечных размеров, заключающийся в локации объектов амплитудно-модулированным звуком и основанный на изученных механизмах рассеяния волн модуляции. По сравнению с собственно «резонансными» методами предлагаемый метод обладает более высоким угловым разрешением и эффективностью излучения и более прост в практической реализации, так как не требует излучения и приема длинноволновых полей.

7. Хорошее согласие результатов экспериментов по рассеянию гидроакустических синусоидально-модулированных по интенсивности волн с разработанной теорией показывает, что волны модуляции могут служить эффективным средством дистанционного исследования разнообразных статистических объектов.