Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 2, стр. 171-174

Экспериментальные исследования особенностей распространения низкочастотных импульсных сигналов на большие расстояния являются основой при решении многих прикладных задач гидроакустики и океанологии. Например, при создании перспективных робототехнических комплексов для исследования и освоения океана требуется решать вопросы создания гидроакустических систем для позиционирования подводных платформ (ПП) различного назначения на удалениях в сотни километров от источников навигационных сигналов (ИНС). В работах [1–4] авторами рассмотрены вопросы применения технических и вычислительных средств для достижения максимально возможных точностей определения местоположения ПП. Обоснована эффективность решения задач позиционирования при размещении ИНС вблизи дна, в сотнях метров от берега, а также необходимость нахождения ПП вблизи оси подводного звукового канала (ПЗК) [2, 3]. Подтверждено предпочтительное использование для излучения фазоманипулированных сложных сигналов, применение которых позволяет измерять импульсный отклик волноводов на трассах ИНС – ПП и с большой точностью определять времена распространения [4].

В ТОИ ДВО РАН разработан и апробирован макетный образец навигационной системы для решения исследовательских задач, связанных с обеспечением миссий ПП на удаленных от береговых постов акваториях [5]. Целый ряд экспериментов с варьированием параметров излучаемых фазоманипулированных сигналов (ширины полосы частот, длительности символов и т.д.) показали, что имеются предпосылки для повышения помехоустойчивости приемного блока ПП и увеличения дальности действия при сохранении потребляемой энергии ИНС.

Цель экспериментальных работ, обсуждаемых в настоящей статье, заключалась в выявлении зависимости потерь при распространении импульсных широкополосных сигналов в ПЗК от параметров излучаемых М-последовательностей и глубины приема.

Методика проведения исследований заключалась в следующем. Работы осуществлялись в летне-осенний период на протяженной акустической трассе в Японском море (рис. 1). ИНС был расположен вблизи берега на глубине 34 м и развивал акустическое давление около 2000 Па на 1 м от излучателя. Частотная характеристика излучателя в полосе от 300 до 500 Гц имеет монотонный характер с неравномерностью 3 дБ, а в полосе от 390 до 410 Гц – не более 2 дБ. В качестве зондирующих сигналов применялись фазоманипулированные псевдослучайные М-последовательности с центральной частотой 400 Гц. Каждые 5 мин излучались сигналы на основе М-последовательностей длиной 1023 символа с заполнением 4 периодами несущей частоты на символ (далее М1023), 127 символов с 40 периодами на символ (далее М127) и 63 символа с 80 периодами на символ (далее М63). Все сигналы имели различный частотный диапазон: М1023 – 300–500 Гц (10.23 с); М127 – 390–410 Гц (12.7 с); М63 – 395–405 Гц (12.6 с). Таким образом, были подобраны параметры сигналов для получения схожих энергетических характеристик.

Рис. 1.

(а) Вертикальный разрез поля скорости звука в точке излучения (черная кривая) и точке приема (красная кривая); (б) геометрия лучей в модельном волноводе; (в) углы скольжения собственных лучей в точке излучения (красные точки) и точке приема (синие точки); (г) модельная оценка импульсной характеристики волновода в точке приема.

Макет приемного блока ПП на базе радиогидроакустического буя дрейфовал вблизи обеспечивающего судна на удалении 300 км от ИНС. Гидрофон приемной системы погружался на ось ПЗК, которая находилась на глубине около 150 м, и информация с него по радиоканалу передавалась на приемное судно.

Корреляционная обработка принятых сигналов позволила определить амплитудно-временную структуру приходов акустической энергии сигналов, прошедших от источника до приемника по разным лучевым траекториям с разрешением, равным длительности одного символа манипулированной последовательности: М = n/Fo; где Fo – центральная частота сигнала (несущая); n – заданное количество периодов несущей частоты на символ, определяющее длительность сигнала и его полосу относительно центральной, как Fb = = Fo ± Fo/n. На рис. 2 приведены зависимости максимальных значений взаимно-корреляционной функции (ВКФ) принятых сигналов с различными длинами символов с репликами излученных, относительно корреляционного шума.

Рис. 2.

Зависимости максимальных значений ВКФ принятых сигналов с различными длинами символов с репликами излученных, относительно корреляционного шума.

Анализ полученных зависимостей показывает, что выделить наиболее помехоустойчивый вариант применения различных длин символов излучаемых сигналов не представляется возможным. Можно только отметить, что чаще максимальные значения ВКФ имеют сигналы с большими длинами символов (М127 и М63). Отметим, что длина символов при излучении сигналов М1023 (синий цвет), М127 (пунктирная линия) и М63 (оранжевый цвет) составляет 0.01, 0.1 и 0.2 с соответственно.

Для физической интерпретации этого результата на рис. 3а и 3б приведены характерные фрагменты импульсных характеристик, которые демонстрируют различные варианты формирования импульсного отклика в ПЗК при перемещении макета приемной системы в процессе выполнения миссии. При оценках влияния параметров излучаемых сигналов на затухание акустической энергии в статье применяются общепринятые понятия о сферическом и цилиндрическом законах расхождения, но только для приблизительных оценок, так как исследования проводились в сложном волноводе с наличием мелководного участка шельфовой зоны.

Рис. 3.

Импульсные характеристики принятых сигналов: а – посылка № 27; б – посылка № 16.

Рисунок 3а иллюстрирует момент фиксации максимального прихода акустической энергии длительностью около 0.01 с, полученного при анализе сигналов М1023 и прихода, длительностью 0.2 с, с меньшей амплитудой, полученного при анализе сигналов М127.

Рассмотрим подробнее импульсную характеристику, приведенную на рис. 3а, которая сформирована сигналами М1023. Фиксируется типичная импульсная характеристика [3, 4], которая получается при точном размещении приемного гидрофона на оси ПЗК и фокусировке лучевых приходов акустической энергии с малыми (2–4 градуса) углами скольжения и минимальным разбросом фаз в один мощный на коротком временном (0.01 с) и пространственном интервале (около 15 м). Этот результат подтверждается численным расчетом лучевой структуры и импульсной характеристики данного волновода, который приведен на рис. 1. Расчет проводился с использованием программы RAY [6], которая обычно применяется авторами в подобных задачах. Отмечается схожесть структуры импульсных откликов на рис. 1г и 3а.

Что касается формирования импульсной характеристики сигналами с большей длительностью символов (М127), то суммирование акустической энергии на большем временном (0.2 с) и пространственном (300 м) интервале не приводит к формированию большего по амплитуде прихода, чем для М1023.

На рис. 3б зафиксировано кардинальное изменение структуры импульсных характеристик из-за смещения глубины приемного гидрофона относительно оси ПЗК в процессе дрейфа макета ПП. Для сигналов М1023 фиксируется девять приходов по отдельным лучевым траекториям, приходящих в точку приема под углами большими, чем при распространении вблизи оси ПЗК. А максимальный приход акустической энергии регистрируется для сигналов М63. Можно утверждать, что это происходит по причине оптимального суммирования акустической энергии, пришедшей на гидрофон по всем лучевым траекториям на временном промежутке, равном длине символа М63 (0.2 с). При этом акустическая энергия, пришедшая в точку приема по каждой из девяти лучевых траекторий, спадает с расстоянием по закону, близкому к сферическому, а сигналы М63 затухают меньше по закону, близкому к цилиндрическому [7].

Таким образом, в эксперименте показано, что применение широкополосных сигналов М1023 с короткими символами максимально реализует преимущество корреляционного приема навигационных сигналов вблизи оси ПЗК за счет уменьшения потерь на расширение фронта волны при распространении сигналов данного типа. При смещении приемного элемента ПП по глубине от оси ПЗК оптимальным становится применение узкополосных сигналов с длинными символами, которое позволяет интегрировать акустическую энергию, пришедшую в точку приема в более широком диапазоне углов и на большем временном интервале.

На основе приведенных в статье результатов может быть сделан важный практический вывод о необходимости комплексного применения различных по длительности символов навигационных сигналов для эффективного решения задач позиционирования ПП.