Радио и гидроакустика: параллели

 

Скорее - все наоборот: радио - родственно гидроакустике. Ибо когда на земле уже отбегали мамонты, но радио как вида техники еще и в дальней перспективе не просматривалось, не кто иной, как Леонардо да Винчи, заметил: «Если остановить свой корабль и опустить один конец трубки в воду, а второй приложить к уху, то на большом расстоянии будут слышны другие движущиеся корабли». Так был впервые описан простейший гидрофон, являющийся дальним аналогом детекторного приемника, работающего на диполь, очень короткий для полноразмерного на длинных волнах (поэтому о направлении прихода электромагнитной энергии говорить не приходится).

 

Но - лишь описан. А когда изобретен - неизвестно. Быть может, им пользовались еще «мореманы»-финикийцы за пару тысяч лет до этого.

Конец XIX-го века: Илайша Грэй (изобретатель первого в мире планшетного устройства и тот самый, у которого Белл «стащил» и быстренько запатентовал идею телефона) предложил «колокольно-гидрофонную» подводную звуковую сигнализацию для судов, чтобы они в туман, когда предельно ограничена видимость и не поможет светотелеграф, оповещали другие суда о своем близком местонахождении и помогали избежать столкновения, не оглашая окрестности непрерывным ревом гудков. Эдакий судовой прообраз «парктроника»,  имевший подводный колокол (изотропный излучатель, кстати - почти не слышимый на поверхности), и направленный гидрофон (фактически - аналог пеленгационной антенны) просуществовал на многих судах почти до II Мировой войны, так как был прост и понятен в применении.

Однако, «колокольно-гидрофонная» система получила и второе назначение: кто-то, чье имя кануло в Лету, догадался использовать ее для «медленной» акустической кодовой передачи информации на расстояние во многие километры; сродни той, которая на принципе излучения очень низкочастотных (ОНЧ) электромагнитных волн, проникающих в толщу воды на несколько сот метров, действует в виде отечественной станции глобального подводного радиооповещения «Зевс».

Впрочем, киты, ничего не смысля в физике и ничего не зная о том, что люди на заре радио не имели представления о факте непроникновения высокочастотной электромагнитной энергии в толщу воды, преспокойненько общались мощными низкочастотными акустическими импульсами поперек океанов, наловчившись в процессе своей эволюции находить в неоднородной толще воды звукопроводные слои, подобные ионосферным волноводам на КВ или тропосферным - на УКВ.

Ну, а в 1917-м году уже появился первый электронный эхолот, когда французский физик Поль Ланжевен догадался использовать в качестве излучателя и приемника опущенный в воду ультразвуковой пьезоэлемент (благо пьезоэффект уже давно был открыт братьями Кюри). На этот пьезоэлемент, резонирующий на частоте 38 кГц, в момент «молчания» приемного усилителя подавалась короткая пачка импульсов резонансного напряжения с генератора, превращая электромагнитную энергию в механическую энергию продольной волны в толще воды.

Зная скорость звука в воде (порядка 1,5 км/с) и время между посылкой и откликом, не составляет труда найти длину пути до дна и обратно, половина которой - и есть глубина водоема.

Оказалось, что пьезоэлемент обладает достаточно узким углом излучения, что тут же с успехом было применено для поиска методом гидроэхолокации немецких субмарин на исходе I Мировой войны.

Независимо от француза Ланжевена, еще в 1915 году, канадский изобретатель Реджинальд Фессенден («отец» радиовещания и пейджинга) описал аналогичный ланжевеновскому осциллятор, позволяющий связываться погруженным подводным лодкам и использовать его для определения глубин. Но «в железе», как гидролокатор обнаружения подводных лодок, его изобретение воплотилось лишь в 1919-м году. Кто любит историческую военно-морскую литературу, прекрасно о нем знает: это знаменитый ASDIC (Anti-SubmarineDetectionInvestigationCommittee), на основе которого уже во время II Мировой войны американцами был создан более совершенный прибор, имя которого стало нарицательным: «сонар» (SONAR - Sound Navigation and Ranging)

 

 

Так что первые гидролокаторы на два десятка лет опередили создание первых радиолокаторов, разработанных в нашем отечестве и Великобритании.

Кстати, приемо-передающий тракт современных эхолотов до сей поры не претерпел принципиальных изменений.  

Однако матушка-Природа за миллионы лет до всех этих событий уже снабдила дельфинов ультразвуковым секторным - и весьма точным - гидролокатором «близкого действия». Только вот анализ отражения акустического поля, в отличие от малой части мозга дельфина, современным рукотворным гидролокаторам «помогает» весьма производительный компьютер

Почему было названо «близкое действие»? Да потому, что с увеличением частоты даже довольно сильного ультразвукового сигнала, потери на расстояниях уже в десятки метров становятся весьма велики; особенно в морской воде.

Падение уровня сигнала на одной и той же дистанции с ростом частоты наблюдается и на электромагнитных волнах.

 

Уже из названного выше, видим: параллели между радиотехникой и гидроакустикой - совершенно естественная вещь.

Теперь настало время поговорить о том, что можно выразить схематически, количественно, а также рассказать о результатах некоторых гидроакустических экспериментов (в том числе незавершенных), в которых по молодости лет участвовал автор.

 

Ну, во-первых - следует показать кривую затухания акустического сигнала в воде в зависимости от частоты, чтобы качественно понять принципиальные критерии дальнодействия всей  гидроакустической электроники.

Функционирует она главным образом в весьма узком диапазоне частот 20...500 кГц.

 


Локация: все главное о ней в радиодиапазоне и гидроакустике

 

Современные промышленные гидролокаторы дальнего обзора, функционирующие на частотах до трех десятков килогерц, уверенно работают на дистанциях до 2,5 км с разрешающей способностью в несколько десятков сантиметров, а в качестве исключительно глубиномеров (при огромной отражающей поверхности участка дна) - вплоть до глубин 10...11 км. Где-то близко к этой величине лежит и современная дистанция обнаружения подводных лодок, определение типа которых осуществляется уже не гидролокатором, а чувствительным гидрофоном, позволяющим выделить, к примеру, особую акустическую «окраску» звука работы двигателей или шума обтекания определенной формы корпуса.

Частоты выше 100 кГц главным образом используются при необходимости получения разрешающей способности в сантиметры на дистанциях до 100...250 м.

Проверим: длина акустической волны в воде на частоте 100 кГц равна примерно 1,5 см. Поэтому, чтобы надежно получить гидроакустическое отражение от предмета, он должен иметь размеры хотя бы в несколько длин волн. Ну что ж: все сходится.

Кстати, дельфины, наверное, тоже не с проста пользуются частотами от 80...100 до 200 кГц: можно уверенно в полной темноте запеленговать съедобный объект минимальным  размером величиной с мандарин.

 

Теперь - по порядку о типах локации (безразлично какой, радио- или гидро-: они одинаковы в своем принципе).

Их существует два типа: активная и пассивная.

А также - два основных класса: моностатическая и бистатическая.

Моностатическая осуществляется из одной точки, бистатическая - из двух.

Пассивная (именно она называется пеленгацией) - не имеет в своей системе собственного излучателя энергии для получения отражения; активная - такой излучатель имеет.

Моностатическим пассивным локатором являются в радиодиапазоне узконаправленные антенны в режиме приема, а в гидроакустике - их аналог в виде узконаправленного гидрофона, которым, например... может быть и обычное «спутниковое» параболическое зеркало,  в облучатель которого установлен микрофон с ограниченным сектором приема звука. Парабола с диаметром 0,6 м будет неплохо работать в воде на акустических частотах не ниже 5 кГц в весьма узком угле приема.

Есть в акустике (ибо гидроакустика - лишь ее часть) и иные антенноподобные структуры, работа которых напоминает работу сверхширокополосных, но тем не менее - резонансных  направленных антенн с логопериодической структурой вибраторов: это так называемые «орга’нные» микрофоны, состоящие из акустически резонансных трубок разной длины для разных частот, выход которых объединен в нерезонансной для рабочих частот микрофона камере с расположенным там широконаправленным микрофоном. Только поскольку скорость звука в воде почти впятеро выше скорости звука в воздухе, гидроакустические «органные» микрофоны для тех же частот окажутся почти впятеро компактней «воздушных».

Тут поневоле вспоминается «радиотехнический» коэффициент укорочения длинных линий, обусловленный учетом диэлектрической проницаемости между проводниками.

 

  

Понятно, чтомоностатическаяпассивная локация дает только направление, и ничего не может сказать об удалении источника сигнала.

А вот бистатическаяпассивная уже позволяет узнать и позицию источника (или - приемника), так как такая локация может быть, так сказать, прямой и инверсной.

«Прямая» локация (пеленгация) основана на двух пассивных узконаправленных приемниках с известным расположением, которые указывают каждый свой пеленг на источник одного и того же сигнала. Проводя линии пеленга от приемников, в точке их пересесения получаем позицию источника сигнала. Причем источник сигнала может быть подвижен, и многократное повторение процедуры пеленгации покажет курс его движения.

При условно-«инверсной» пассивной бистатической локации, оба узконаправленных приемника находятся в одном месте и настраиваются на пеленги двух разных и разнесенных источников сигнала с известной позицией (стационарные радио- или гидроакустические маяки). Если линии пеленгов чертить от этих источников, то на их пересечении получим координаты текущей точки с приемниками.

 


Перейдем к активной локации и сразу отметим, что бистатическая не может быть кругового обзора.

 

  

И моностатическая (самая нам хорошо известная), и бистатическая активная локационная система обязательно содержит в себе собственный излучатель.

В бистатической активной системе имеется известная неподвижная позиция излучателя относительно двух неподвижных относительно друг друга и излучателя приемников. Вычисление позиции отраженного целью сигнала (от так называемой «подсветки» излучателем) происходит точно так же, как в «прямой» пассивной бистатической системе. Разумеется, пеленг можно определить и азимутальный, и угломестный, что дает координаты отражающего предмета в 3D-пространстве.

В гидроакустике часто применяют схему, показанную ниже.

 


Ну, а схема моностатической активной локации, как видим, (применяемой в авиационных и морских радиорадарах, гидролокаторах и «карманных» рыболовных эхолотах), основана все на тех же принципах определения пеленга на отражающий предмет с одновременным отсчетом времени между посланным импульсом и его отражением, позволяя, при известной скорости распространения сигнала, определить дальность цели на заданном пеленге. Что интересно, и радио- и гидролокаторы работают преимущественно в сантиметровом диапазоне волн, только - в разных средах.

 


Окончание следует

DIM




Печать Источник