close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование методов градуировки гидроакустического приемника при излучении сигналов с линейной частотной модуляцией

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Матвеев Антон Николаевич
Разработка и исследование методов градуировки гидроакустического
приемника при излучении сигналов с линейной частотной модуляцией
05.11.15 – Метрология и метрологическое обеспечение
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Менделеево – 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии
«Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»).
Научный руководитель – доктор технических наук, старший научный
сотрудник Исаев Александр Евгеньевич.
Официальные оппоненты:
Свет Виктор Дарьевич – доктор физико-математических наук, ведущий
научный сотрудник ОАО «Акустический институт им. академика Н.Н. Андреева», г. Москва.
Лейкин Дмитрий Евгениевич – кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс», г. Москва.
Ведущая организация: Главный научный метрологический центр Министерства обороны РФ «ГНМЦ», г. Мытищи.
Защита состоится 25 февраля 2015 г. на заседании диссертационного совета
Д 308.005.01 в ФГУП «ВНИИФТРИ», 141570 п/о Менделеево, Солнечногорский
район, Московская обл.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГУП
«ВНИИФТРИ».
Автореферат разослан «
»
2015 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук
Ю.Д. Иванова
3
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность исследования
Традиционно гидроакустические измерения представляют интерес для военно-морских ведомств. В последние годы востребованность точных гидроакустических измерений многократно возросла. Тотальное ухудшение экологической обстановки в прибрежных зонах Мирового океана выдвинуло на международный уровень проблемы оценки влияния акустического воздействия на морскую экосистему и введения соответствующих защитных норм. Нормирование и
измерение подводного шума антропогенного происхождения (включая шум корабля) взяты за основу для разработки критериев оценивания благоприятного
экологического статуса морских вод. Значительное расширение круга измерительных задач поставило перед метрологией подводной акустики новые проблемы, решение которых требует новых возможностей при выполнении метрологических работ, а также совершенствования эталонной базы.
Создание, поддержание и совершенствование эталонной базы страны в области гидроакустических измерений является одним из основных направлений
деятельности ФГУП «ВНИИФТРИ». Возможности градуировки гидроакустических приемников по полю ограничены частотами третьоктавного ряда от
3,15 кГц и выше. На более низких частотах градуировки выполняют в стоячей
звуковой волне камеры малого объема. При этом не обеспечивается перекрытие
диапазонов частот измерений по полю и по давлению, а также регламент международных сличений, которых предусматривает выполнение калибровок на частотах, выбираемых исходя из свойств гидрофонов - эталонов сличений. Отечественные эталоны не измеряют фазовые характеристики, хотя такие измерения
весьма востребованы современными технологиями подводной звуколокации и
связи, внесены в классификатор калибровочных и измерительных возможностей
(CMCs) Международного Комитета по Мерам и Весам (CIPM).
При передаче единицы приемникам подводного шума (далее ПШ) ограничиваются градуировкой самого гидрофона, входящего в состав приемника. Влияние носителя гидрофона учитывают экспертными оценками. Требуемая сегодня
точность измерений излучаемого кораблем ПШ (1,5 дБ в ANSI S12.64-2009,
ISO/17208-1, ISO/17208-2) исключает применение такого подхода. Изрезанность
и значительная (до 10-15 дБ) неравномерность частотных характеристик приемника ПШ вынуждают измерять очень подробные (с шагом много меньшим 1/72
октавы, а в идеале практически непрерывные) амплитудно- и фазочастотные характеристики, градуировать приемник ПШ не на частотах третьоктавного ряда, а
в третьоктавных (дробьоктавных) частотных полосах.
Раздел «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники
РФ» Указа Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 предусматривает создание
современных векторных приемников и измерительных систем на их основе в
диапазоне частот от единиц герц до 10 кГц и выше. Это потребовало разработки
новых методов амплитудно-фазовой градуировки по полю, поскольку по частоте
возможности передачи единицы векторному приемнику сегодня ограничены
критической частотой камеры 2 кГц.
4
Принято считать, что при измерениях в море приемник находится в условиях, приближенных к свободному полю. В связи с этим наибольшую актуальность приобретают совершенствование и расширение возможностей градуировки приемника по полю. Такому совершенствованию сегодня препятствуют ограничения тонально-импульсного метода, традиционно применяемого в эталонах
для градуировки гидроакустических приемников по полю.
Расширение круга задач и повышение требований к точности гидроакустических измерений заставляют получать в результате метрологических работ все
более детальную модель средства измерений. Получение такой модели требует
больших объемов измерительной информации, обеспечить которые тональноимпульсный метод не может.
Использование сигналов с линейной частотной модуляцией (далее ЛЧМ)
позволяет преодолеть ограничения и недостатки измерений тональноимпульсного метода. ЛЧМ сигнал позволяет выполнять быстрые измерения в
широком частотном диапазоне с необходимой подробностью по частоте. Такие
измерения достаточно просто реализуемы аппаратно, обладают высокой помехозащищенностью. Главная проблема, препятствующая внедрению ЛЧМ сигнала в
метрологическую практику, влияние на результат измерений сигналов, отраженных границами бассейна. Известный метод спектрометрии временных задержек
позволяет выделять прямой ЛЧМ сигнал излучателя, но значительно уступает
тонально-импульсному методу в точности измерений. Реализация условий свободного поля методом время-селективной гомоморфной пост-обработки трудоемка и не применима для градуировки гидроакустического приемника, поскольку требует звукоизолированного бассейна.
Таким образом, назревшая необходимость совершенствования градуировки
гидроакустического приемника в лабораторном бассейне сделала весьма актуальной разработку новых методов измерений по полю, основанных на современных подходах к реализации условий свободного поля.
К достоинствам разработанного в ФГУП «ВНИИФТРИ» метода скользящего комплексного взвешенного усреднения (далее СКВУ) относятся: минимальное размытие результата измерений по частоте, возможность обработки
компактного фрагмента экспериментальной частотной зависимости, инвариантность к способу измерения подвергаемой СКВУ частотной зависимости, возможность повышать точность результата измерений привлечением дополнительной информации. Эти преимущества стали основанием для выбора метода
СКВУ при решении поставленных в диссертации задач.
1.2 Цель и задачи исследования
Целью работы является совершенствование эталонной базы в области гидроакустических измерений.
Решаемая в диссертационной работе задача – создание на основе метода
СКВУ и применения ЛЧМ сигналов высокопроизводительной техники измере-
5
ний, обеспечивающей расширение номенклатуры поверяемых характеристик и
возможностей точной градуировки по полю гидроакустических приемников.
Поставленная цель потребовала решения частных задач:
- разработать и реализовать программно алгоритмы оценивания передаточного импеданса пары излучатель - приемник в свободном поле методом
СКВУ при излучении ЛЧМ сигналов;
- создать программно-аппаратные средства для градуировки гидрофонов
по полю на ЛЧМ сигналах абсолютным и относительным методами (метод взаимности и метод сличения с опорным гидрофоном);
- оценить степень подавления искажений, вызванных отражениями, при
использовании предложенной техники измерений в бассейнах различной формы
и размеров;
- исследовать ограничения и характерные источники погрешностей разработанной техники измерений и на этой основе составить бюджеты неопределенностей.
1.3 Предмет исследований
Реализация измерений по свободному полю для градуировки гидроакустических преобразователей в условиях, отягощенных реверберацией акустического
сигнала.
1.4 Объект исследований
Испытательные установки и эталоны для градуировки по полю измерительных гидроакустических преобразователей.
1.5 Основные научные результаты работы
Разработан метод градуировки гидрофонов по полю в отражающем бассейне, заключающийся в оценивании СКВУ частотной зависимости, полученной
при излучении продолжительных квадратурно дополненных ЛЧМ сигналов.
Исследованы ограничения и выявлены доминирующие источники погрешности метода СКВУ при излучении ЛЧМ сигналов.
Проведены метрологические исследования, обоснованы и подтверждены
бюджеты составляющих неопределенности калибровки гидрофонов по полю на
ЛЧМ сигналах (сличения 473/RU/09, 531/RU/11 и 561/RU/12). Суммарная расширенная неопределенность калибровки 0,4 дБ не превосходит неопределенности калибровки тонально-импульсным методом.
Экспериментально подтверждена возможность применять ЛЧМ сигнал для
градуировки в поле отражающего бассейна приемников векторных гидроакустических величин, а также габаритных гидроакустических приемников, используемых для измерений ПШ в условиях морского испытательного полигона.
Полученные результаты позволили обосновать работы по совершенствованию метрологической базы ФГУП «ВНИИФТРИ»: НИР по расширению возможностей ГЭТ (измерение фазочастотных и подробных частотных характеристик преобразователей, расширение частотного диапазона градуировок по полю
6
в область низких частот), НИР по созданию государственного первичного эталона для воспроизведения и передачи единицы колебательной скорости водной
среды в диапазоне частот до 12,5 кГц.
1.6 Научная новизна полученных результатов
Разработан метод построения режектирующего фильтра, адаптированного
к сценарию отражений при градуировке акустического приемника в лабораторном бассейне.
Разработаны методы повышения точности измерений частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель - приемник по полю за счет привлечения дополнительной априорной, либо полученной в ходе измерительного
эксперимента информации.
Расширен в сторону низких частот (с 3150 Гц до 250 Гц) диапазон установки Э-4 ГЭТ, что обеспечило необходимое перекрытие диапазонов частот воспроизведения и передачи единицы по полю и по давлению.
Обеспечена возможность измерять в реверберационном поле лабораторного бассейна подробные (непрерывные) частотные характеристики гидроакустических преобразователей с точностью тонально-импульсного метода, многократно сократив время измерений.
Впервые в метрологической практике осуществлена градуировка приемника градиента давления по полю в частотном диапазоне от 500 Гц до 12,5 кГц.
Впервые в отечественной практике в бассейне с минимальным размером
6 м в диапазоне частот от 500 Гц до 100 кГц выполнены градуировки и измерения характеристик направленности приемников ПШ с размерами до 0,85 м
включительно.
Впервые в отечественной практике реализована процедура измерения фазочастотной характеристики чувствительности гидрофона и векторного приемника по полю.
1.7 Практическая значимость и внедрение
Обеспечена возможность градуировки по полю приемников звукового давления на частотах от 250 Гц и выше, приемников градиента звукового давления
на частотах от 500 Гц и выше.
Обеспечена возможность градуировки гидроакустических приемников на
произвольно заданной частоте, что позволило участвовать в международных
сличениях 473/RU/09, 531/RU/11 (регистрационный номер в CCAUV
COOMET.AUV.W-S1) и 561/RU/12.
Разработанные программно-аппаратные средства и предложенные технические решения позволили успешно провести первые международные сличения
низкочастотных калибровок гидрофонов по полю 473/RU/09 и 531/RU/11 и подтвердить заявленные бюджеты неопределенностей.
7
Измерения с использованием ЛЧМ сигналов, применены:
- при модернизации установок метрологических для градуировки в полосах частот гидрофонов (установка МБ1) и габаритных гидроакустических приемников ПШ (установка МБ2);
- в установках Э-4 и Э-5 ГЭТ и вторичном эталоне ВЭТ 55-1-96 для воспроизведения и передачи единицы звукового давления методом взаимности.
Разработанные программно-аппаратные средства и технические решения
применены для испытаний и исследований в лабораторном бассейне акустических свойств конструкций гидрофонов и их носителей.
Разработанная реализация метода СКВУ, включая алгоритмы предварительной обработки данных, излучение и когерентный прием квадратурно дополненных ЛЧМ сигналов, приняты за основу при разработке эталонных установок
для измерения фазочастотных характеристик гидроакустических преобразователей, создании эталона единицы колебательной скорости.
1.8 Апробация результатов исследований
Материалы диссертации докладывались на VII Всероссийской научнотехнической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации» (2008 г., Мытищи), 9-й и 11-й Европейских
конференциях по гидроакустике (2008 г., Париж и 2012 г., Эдинбург), ХХХVII
Научно-технической конференции молодых ученых - военных метрологов «Актуальные задачи военной метрологии» (2012 г., Мытищи), Научно-практической
конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов «Метрология в XXI
веке» (2013 г., Менделеево), на 1 и 2 Международных конференциях по гидроакустическим измерениям (2013 г. о. Корфу, 2014 г. о. Родос, Греция), Всероссийской научно-технической конференции «Метрология гидроакустических измерений» (2013 г., Менделеево).
1.9 Степень достоверности результатов исследований
Достоверность результатов исследований подтверждена метрологическими
исследованиями предложенной реализации метода СКВУ, многочисленными
экспериментами по ее апробации, положительными результатами пилотных
473/RU/09 и дополнительных 531/RU/11 (CCAUV/W-S1) сличений КООМЕТ.
Подготовленные по результатам успешного применения программноаппаратного комплекса в пилотных 473/RU09 и последовавших за ними дополнительных COOMET/W-S1 сличений предложения по расширению CMC данных
«ВНИИФТРИ» в области подводной акустики одобрены на 9 совещании ТК1.2
КООМЕТ и направлены на согласование в CCAUV CIPM.
1.10 Положения, выносимые на защиту
1) Метод построения адаптированного к отражениям режектирующего
пространственного фильтра последовательными скользящими усреднениями в
частотных интервалах двух первых отражений и последующим скользящим
8
усреднением в частотном интервале максимума второго бокового лепестка полученной функции пропускания позволяет уменьшить вызванные отражениями
искажения измеряемой частотной характеристики до величин, не превосходящих
0,5 %.
2) Метод измерения частотных зависимостей передаточного импеданса пары излучатель - приемник при излучении квадратурно дополненных ЛЧМ сигналов позволяет получать комплексные частотные зависимости пары, исключив
операции гетеродинирования, детектирования, низкочастотной фильтрации и
связанные с ними источники погрешностей.
3) Метод предварительной обработки экспериментальной частотной зависимости пары излучатель - приемник в реверберационном звуковом поле математическим редактированием на основе априорной, либо получаемой в ходе эксперимента, информации об искомой частотной характеристике пары в свободном поле, позволяет при излучении ЛЧМ сигнала в отражающем бассейне с минимальным размером 6 м градуировать гидрофоны по полю на частотах от
250 Гц включительно с суммарной расширенной неопределенностью 0,4 дБ.
4) Применение ЛЧМ сигнала при реализации условий свободного поля методом СКВУ позволяет ослабить влияние переходного процесса и измерять амплитудно- и фазочастотные характеристики чувствительности приемника градиента давления в частотном диапазоне от 500 Гц до 12,5 кГц.
1.11 Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию
Содержание диссертации отражено в 21 печатной работе, список которых
приведен в конце автореферата. Из них 9 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент РФ на изобретение. В совместных публикациях личный вклад автора по теме диссертационной работы является определяющим. Личный вклад автора в разработку метода СКВУ состоит в предложенных им методе конструирования адаптированного к отражениям режектирующего фильтра и методов априорного и апостериорного математического редактирования.
Все экспериментальные результаты применения и исследования метода
СКВУ получены лично автором с использованием разработанной им программно-аппаратной реализации.
2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
списка цитируемой литературы из 56 наименований, приложения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны цели и
задачи исследования, сформулированы выносимые на защиту основные положения, практическая значимость и личный вклад автора, приведен обзор литерату-
9
ры и анализ методов, реализующих градуировку в реверберационном поле лабораторного бассейна.
В главе 1 поясняется принцип получения частотной зависимости по полю
методом СКВУ. Описана процедура построения пространственного режектирующего фильтра, при реализации скользящего взвешенного усреднения частотной
зависимости выходного напряжения пары излучатель - приемник в поле отражающего бассейна Излучение квадратурно дополненных ЛЧМ сигналов выбрано
как простой и доступный способ получения подробной частотной зависимости,
обладающий высокими помехозащищенностью и разрешением по частоте. Приводится описание разработанной программно-аппаратной реализации СКВУ на
ЛЧМ сигналах, приведены результаты ее экспериментальных исследований и
применения для градуировки гидрофонов, выявлены характерные источники погрешности.
Для получения частотной зависимости по полю методом СКВУ предложен
метод конструирования режектирующего пространственного фильтра последовательными скользящими усреднениями в частотных интервалах двух первых
отражений и последующим скользящим усреднением в частотном интервале, соответствующем максимуму второго бокового лепестка полученной функции
пропускания. Преимуществом такого режектирующего фильтра является адаптированность к сценарию отражений в эксперименте: нули функции пропускания соответствуют временам прихода отражений, в области пропускания отражения отсутствуют, после третьего нуля функция пропускания затухает не менее
чем на 46 дБ, что оказывается достаточно для точных измерений.
Для реализации метода СКВУ предложено использовать комплексный ЛЧМ
сигнал x(t)  exp [j(t)] , где (t)  2π(f 0t  St 2 / 2) , f0 – начальная частота, S – скорость
изменения частоты сигнала. Квадратурно дополненные (сдвинутые на π/2) ЛЧМ
сигналы xRe(t)  cos ((t)) и xIm(t)  sin((t)) излучают в бассейне через реверберационную паузу. Излученный x(t) и принятый y (t) комплексные сигналы получают
объединением их действительной и мнимой части: x(t)  xRe(t)  jx Im(t) и
y(t)  y Re(t)  jy Im(t) , где y Re(t) и y Im(t) означают реакции на x Re(t) и x Im(t) соответственно. Такой подход позволяет получать комплексную частотную зависимость
 (f) в поле отражающего бассейна делением (с
пары излучатель - приемник U PH
учетом времени распространения звуковой волны τ) принятого сигнала y (t) на
излученный x(t) , тем самым исключив гетеродинирование (характерно для СВЗ)
и детектирование (обязательно для СВЗ и тонально-импульсного метода) и связанные с ними источники погрешностей. Искомую частотную характеристику
пары излучатель-приемник U PH (f) в свободном поле получают скользящим ком (f) . Предложенная измериплексным взвешенным усреднением зависимости U PH
тельная процедура изображена на рисунке 1.
10
Рисунок 1 – Реализация метода СКВУ на квадратурно дополненных ЛЧМ сигналах: Р – излучатель, Н – приемник, τ – время распространения звуковой волны
Процедура реализована в виде программно-аппаратного комплекса для градуировки гидрофонов в частотном диапазоне от 250 Гц до 300 кГц, главное диалоговое окно которого приведено на рисунке 2.
Рисунок 2 – Главное окно программного комплекса градуировки гидрофонов методом СКВУ
Аппаратную часть комплекса составляют: усилитель мощности Tabor 9400,
предусилитель SR 560, устройство коммутационное УК, устройство входного
11
усилителя УВ, автоматизированная система позиционирования, набор излучателей и обратимых преобразователей, управляющая система эталонной установки
Э-4 ГЭТ. Управляющая ПЭВМ дооснащена виртуальными генератором и осциллографом на базе одноканального устройства АЦП-ЦАП 14/2 фирмы ZetLab.
Экспериментальные исследования описанной измерительной процедуры в
бассейне ГЭТ показали, что в результате применения режектирующего пространственного фильтра, настроенного на подавление трех первых значимых отражений, к частотной зависимости пары излучатель – приемник, остаточные искажения частотной характеристики отражениями не превышают 0,5 %.
Экспериментально подтверждены неизменность характеристик направленности и соблюдение закона обратно пропорциональной зависимости звукового
давления при изменении расстояния до излучателя и высокая помехозащищенность разработанной реализации метода СКВУ, что объясняется как свойствами
ЛЧМ сигнала (большая энергия сигнала, излучаемого продолжительное время),
так и подавлением случайной помехи режектирующим пространственным фильтром.
Возможность применять СКВУ к компактному фрагменту частотной зависимости позволяет «собирать» частотную характеристику чувствительности из
участков, измеренных в различных частотных диапазонах, подбирать в каждом
диапазоне скорость развертки ЛЧМ сигнала, излучатель (ограничивать динамический диапазон принимаемого сигнала), использовать оптимальное накопление
сигнала. Все это, в совокупности с приемами, изложенными в главе 2, позволило
расширить в сторону низких частот на 11 третьоктав диапазон градуировки гидрофона по полю в бассейне с минимальным размером 6 м.
Использование ЛЧМ сигнала позволило удовлетворить требованиям регламента международных сличений, который предусматривает выполнение калибровок на произвольных частотах.
На рисунке 3 приведены частотные характеристики чувствительности гидрофона ГГ-26, измеренные при излучении ЛЧМ сигналов (кривая 1) и на
1/48-октавных частотах (кривая 2) тонально-импульсным методом. Измерения
тонально-импульсным методом заняли почти 6 рабочих дней. Измерения на
ЛЧМ сигналах продолжались 1 ч, при этом полученную частотную зависимость
прореживали до 1/48 октавы. Многократное сокращение времени измерений является преимуществом предложенной измерительной процедуры, поскольку
обеспечивает неизменность условий градуировки.
Различия зависимостей на рисунке 3 в целом не превосходят 0,03 дБ. Исключения составляют участки резких изменений частотной зависимости, выделенные на рисунке 3 окружностями. Несовпадения на этих участках соизмеримы
либо незначительно превышают типичную погрешность градуировки гидрофона
1,0 дБ, и явно указывают на присущий методу измерений источник погрешности
при восстановлении неравномерных участков измеряемой частотной характери-
12
стики. Это заставило провести дополнительные исследования источников погрешности разработанной программно-аппаратной реализации метода СКВУ,
рассмотренные в главе 2.
Рисунок 3 – Результаты градуировки гидрофона на 1/48-октавных частотах при
излучении тональных импульсов – 1 и ЛЧМ сигналов – 2
В главе 2 исследованы источники погрешности предложенной процедуры
измерений, изучено влияние неравномерности искомой частотной зависимости,
скорости развертки ЛЧМ сигнала на высоких и низких частотах, времени запаздывания отражения в точку приема при измерениях в области резонансов.
Неравномерность искомой частотной зависимости проявляет себя в чрезмерных искажениях вследствие «выглаживания» и ухудшения подавления влияния отражений. Чем более искривлена искомая зависимость Z PH (f) , тем больше
остаточные искажения в результате СКВУ. Чтобы уменьшить эти искажения,
экспериментальную зависимость перед применением СКВУ подвергают такой
предварительной математической обработке (редактированию), что получаемая
в результате СКВУ частотная зависимость была как можно ближе к горизонтальной прямой. Редактирование выполняют как на основе априорной информации о поведении искомой зависимости, так и апостериорно, на основе информации, получаемой и уточняемой в процессе обработки.
Для построения редактирующей функции на низких частотах предложено
использовать: частотные характеристики излучателя и приемника, частотную зависимость тока через излучатель, частотные характеристики трактов эталонной
установки. Влияние редактирующей функции исключают обратным редактированием зависимости, полученной после СКВУ.
На рисунке 4 показано получение частотной зависимости Z PH (f) редактированием по току излучателя. С уменьшением частоты расхождение кривых, полученных с применением (кривая 7) и без применения редактирования (кривая 5)
13
экспериментальной частотной зависимости, увеличивается, и выигрыш в точности от редактирования достигает величины, превышающей 1,0 дБ.
Рисунок 4 – Выходной ЛЧМ ток излучателя – 1; частотная зависимость амплитуды ЛЧМ тока – 2; передаточный импеданс пары излучатель - приемник в поле
отражающего бассейна – 3; частотная зависимость передаточного импеданса после ее редактирования по току излучателя – 4; оценка СКВУ передаточного импеданса пары излучатель - приемник в свободном поле, полученная без редактирования – 5 и по отредактированной частотной зависимости – 6; расхождения
зависимостей на низких частотах, полученных без – 5 и с использованием редактирования – 7
Эффективность априорного редактирования проверяли сравнением результатов градуировок гидрофона в диапазоне частот от 0,25 до 1,0 кГц по полю и по
давлению в камере малого объема на международных сличениях. Различие результатов не превысило 0,13 дБ.
На высоких частотах и в области выраженных резонансов предложен другой прием – многошаговое СКВУ. В качестве редактирующей функции используют комплексную частотную зависимость, обратную полученной (без редактирования) первым применением СКВУ. Полученную повторным применением
СКВУ зависимость умножают на редактирующую функцию и рассматривают
как улучшенную оценку искомой частотной характеристики по полю. Эти операции можно повторять, уточняя редактирующую функцию, при этом СКВУ
становится многошаговой процедурой, на каждом шаге которой уточняется и
учитывается информация о поведении искомой частотной характеристики. Экспериментальные исследования показали, что такой прием апостериорного редактирования позволяет существенно уменьшить погрешность на участках значительной неравномерности искомой частотной характеристики. Уменьшение различий (менее 0,3 дБ) с результатами тонально-импульсного метода в области резонансов дало основания судить о высокой эффективности апостериорного редактирования.
Экспериментально подтверждено, что применение СКВУ совместно с ЛЧМ
сигналом подавляет случайную помеху значительно эффективнее когерентного
14
накопления тональных импульсов. В частотном интервале СКВУ усреднению
подвергается несколько тысяч отсчетов ЛЧМ сигнала. Для одиночного ЛЧМ
сигнала дополнительный выигрыш в подавлении помехи составляет 20-30 дБ,
при этом не исключается возможность когерентного накопления.
Установлено, при низкочастотных измерениях с использованием ЛЧМ сигнала целесообразно применять традиционный критерий S∙ttr << 1, где ttr – время
установления сигнала. На высоких частотах скорость S следует выбирать, исходя
из геометрии измерительного эксперимента и формы искомой частотной зависимости. При этом скорость развертки должна быть такой, чтобы изменение частоты ЛЧМ сигнала за время запаздывания отражения S·Δτrefl не превышало частотный интервал усреднения Δfeff..
При исследованиях в бассейнах различной формы и многократно отличающихся по размерам, установлено, что форма бассейна не оказывает существенного влияния на эффективность метода СКВУ. Однако, уменьшение размеров
бассейна увеличивает частотный интервал усреднения, и в области резонансов
искажения частотной зависимости возрастают. Эти искажения показаны на рисунке 5.
Рисунок 5 – Частотная характеристика пары излучатель-приемник, измеренная в
бассейне с минимальным размером 6 м тонально-импульсным методом – 1, методом СКВУ при излучении ЛЧМ сигнала – 2, измеренная в бочке диаметром
0,5 м методом СКВУ при излучении ЛЧМ сигнала – 3, рассчитанная СКВУ по
зависимости, измеренной в бассейне с использованием параметров усреднения
для бочки – 4
В главе 3 приведены результаты международных сличений калибровок
гидрофонов по полю с использованием разработанной процедуры измерений на
ЛЧМ сигналах. Проведенные исследования показали целесообразность ее применения в ГЭТ с целью расширения возможностей эталона. Это потребовало
обоснования бюджета неопределенностей и его подтверждения с помощью международных сличений.
15
Особенностями проведенных сличений являются: калибровки по полю на
частотах, ниже указанных в СМСs данных, использование гидрофонов с типовыми и специальной частотными характеристиками, проверка калибровок по полю калибровками в камерах малого объема. В сличениях 473/RU/09 использовались метод СКВУ («ВНИИФТРИ») и тонально-импульсный метод (HAARI,
КНР). Участники сличений 531/RU/11 использовали метод СКВУ при излучении
ЛЧМ сигналов. HAARI выполнял калибровки в бассейне с отражающей поверхностью и заглушенными стенками, вдвое превосходящем по габаритам бассейн
«ВНИИФТРИ».
Целью сличений 473/RU/09 была проверка сопоставимости результатов калибровок гидрофонов по полю, полученных различными методами в отражающем бассейне, а также возможности расширить диапазон калибровок по полю в
сторону низких частот. Для достижения этой цели дополнительно использовали
гидрофон VN40 с преднамеренно созданной неравномерностью характеристики
на частотах ниже 2 кГц.
Расширенные неопределенности калибровок (k = 2) составляют: 0,6 дБ во
«ВНИИФТРИ» и 0,7 – 0,9 дБ в HAARI. Наибольшее расхождение результатов не
превысило 0,35 дБ, что при заявленных неопределенностях позволило оценить
сходимость результатов как очень высокую. Результаты низкочастотной градуировки гидрофонов B&K 8104 и TC 4033 приведены на рисунке 6. Треугольником
показано полученное «ВНИИФТРИ» контрольное значение чувствительности в
камере малого объема.
а)
б)
Рисунок 6 – Результаты низкочастотной калибровки гидрофонов B&K 8104 (а) и
TC 4033 (б)
На рисунке 7 представлены данные калибровки гидрофона VN40, полученные «ВНИИФТРИ» в камере малого объема на частотах от 100 Гц до 3,15 кГц
(кривая 1), в бассейне на частотах от 250 Гц до 25 кГц методом СКВУ с использованием априорного (на частотах ниже 4 кГц) и апостериорного (на частотах
выше 8 кГц) редактирования (кривая 2), тонально-импульсным методом (кривая
3) на частотах от 1,25 до 25 кГц.
16
Зависимости наглядно показывают на значительное увеличение погрешностей калибровки в камере малого объема на частотах выше 500 Гц и тональноимпульсного метода на частотах ниже 2 кГц и преимущества редактирования в
методе СКВУ. Априорное редактирование обеспечило совпадение результатов
калибровок по полю и в камере малого объема, апостериорное редактирование –
совпадение на высокочастотном участке с перегибами частотной характеристики.
Рисунок 7 – Результаты калибровки гидрофона VN40 в камере малого объема –
1, в бассейне с использованием техники СКВУ на ЛЧМ сигналах – 2 и излучении
тональных импульсов – 3
Целью сличений 531/RU/11 стало обоснование расширения СМС данных в
область низких частот. Расширенная неопределенность калибровок в HAARI составила 1,0 дБ на частотах ниже 800 Гц и 0,7 – 0,9 дБ на частотах от 800 Гц до
8 кГц. Расширенная неопределенность калибровок во «ВНИИФТРИ» составила
0,4 дБ.
Различие результатов HAARI и «ВНИИФТРИ» не превысило 0,3 дБ (см. рисунок 8), что свидетельствует об успешности сличений.
Рисунок 8 – Результаты калибровки гидрофона ТС 4033, выполненные:
«ВНИИФТРИ» методом СКВУ с использованием априорного редактирования –
1 и в камере малого объема – 2; HAARI методом СКВУ – 3
17
Расхождение результатов калибровок «ВНИИФТРИ» по полю и по давлению (кривые 1 и 2) почти в три раза меньше в сравнении с приведенными на рисунке 6. Существенное уменьшение достигнуто применением априорного редактирования по току через излучатель. Отсутствие редактирования при применении метода СКВУ в HAARI наглядно показывают остаточные осцилляции кривой 3 на частотах ниже 2 кГц.
Международные сличения подтвердили бюджет неопределенностей, стали
успешной независимой апробацией разработанной программно-аппаратной реализации, показали обязательность редактирования на основе априорной информации. Предложенные приемы построения редактирующих функций позволили
уменьшить влияние индивидуальных особенностей частотной характеристики
пары излучатель - приемник и освоить для градуировки по полю низкочастотный
диапазон от 250 Гц.
В главе 4 приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований разработанной программно-аппаратной реализации применительно к
измерению фазочастотных характеристик, градуировке гидроакустических приемников векторных величин, исследованию акустического качества конструкций
приемников для измерения уровней ПШ на морском полигоне и их градуировке.
Излучая ЛЧМ сигналы, впервые в отечественной практике удалось реализовать комплексную градуировку методом взаимности, измерить амплитудно- и
фазочастотную характеристики чувствительности, исключив неоднозначность
фазовых углов, исследовать смещения акустического центра преобразователя.
Эти возможности положены в основу Технического Задания на НИР по расширению калибровочных и измерительных возможностей ГЭТ в части воспроизведения и передачи единицы компонентам многоэлементных гидроакустических
приемно-излучающих антенн.
Разработанная программно-аппаратная реализация применена для градуировки комбинированного приемника КГП 10 (каналов звукового давления и градиента давления) абсолютным методом и методом сличения с опорным гидрофоном. Для априорного редактирования предложено использовать произведение
мгновенных значений комплексного тока излучателя iP (t ) и степенной функции
частоты ЛЧМ сигнала, что позволило выполнить в отражающем бассейне градуировки комбинированного приемника по полю на частотах до 500 Гц включительно.
Экспериментально установлено, что эффективно подавляя влияние отражений, предложенная реализация метода СКВУ дает возможность выделять как
скалярную, так и векторную величину поля прямой звуковой волны, что позволяет градуировать векторный приемник по полю в условиях, соответствующих
измерениям в море.
На рисунке 9 кривыми показаны частотные характеристики чувствительности канала градиента давления КГП 10: кривая 1 – полученная по полю методом
18
сличения, наклонная прямая 3 – наилучшее приближение кривой 1, кривая 2 –
измеренная методом колеблющегося столба жидкости в камере малого объема.
Рисунок 9 – Частотные характеристики чувствительности канала градиента давления к звуковому давлению в поле эквивалентной плоской волны
Представленные данные демонстрируют хорошее совпадение чувствительностей, полученных независимыми методами в различных акустических условиях. Значительное расхождение результатов на частотах выше 630 Гц объясняется
резким возрастанием погрешности градуировки в камере малого объема.
Для абсолютной градуировки канала градиента звукового давления применена разновидность процедуры комплексной градуировки методом взаимности
по полю с тремя преобразователями. В качестве приемника (третьего преобразователя) использовали градуируемый канал КГП 10, который рассматривали как
направленный приемник звукового давления. Амплитудно- и фазочастотную характеристики чувствительности канала к градиенту звукового давления рассчитывали, основываясь на связи звукового давления и градиента звукового давления в сферической волне. Правильность измерений контролировали по неизменности чувствительности обратимого преобразователя.
Использование разработанной программно-аппаратной реализации позволило выявить искажения амплитудно- и фазочастотных частотных характеристик КГП 10 вследствие недокомпенсации акселерометров, а также влияние кабельного соединителя, обнаружить которые в камере малого объема невозможно.
Возможность получать фазовую характеристику дает новый инструмент для
выявления конструктивных особенностей и совершенствования технологии изготовления на этапе создания опытного образца векторного приемника, позволяет решить проблему неполноты модели приемника и привлекать фазовую характеристику как для совершенствования существующих, так и для разработки новых векторно-фазовых алгоритмов обработки измерительной информации.
Полученные результаты позволили инициировать предложение по включению приемников векторных величин в классификатор CCAUV МБМВ (одобрено
ТК 1.2 КООМЕТ и принято совещанием региональных метрологических органи-
19
заций CCAUV в BIPM в 2013 г.), положены в основу НИР по созданию ГЭТ единицы колебательной скорости водной среды в диапазоне частот 5 – 10000 Гц.
Способность получать непрерывные частотные характеристики по полю дала новые возможности при исследованиях и градуировке приемников ПШ. На
рисунке 10 приведены частотные характеристики, измеренные на ЛЧМ сигналах
при исследованиях экспериментальной конструкции приемника. Кривая 3 представляет частотную характеристику гидрофона, кривая 1 – частотную характеристику гидрофона, установленного штатно на экспериментальном образце носителя, кривая 2 – то же со снятым обтекателем. Размах и частота осцилляций зависимостей 1 и 2 со всей очевидностью демонстрируют, что градуировка приемника на третьоктавных частотах не имеет смысла, и, чтобы уменьшить погрешность измерений уровней подводного шума, необходимо измерять при градуировке и применять при измерениях в море чувствительность приемника в третьоктавных полосах частот.
Реализация метода СКВУ на ЛЧМ сигналах была применена:
- для оценки акустических свойств элементов конструкции носителя и их
влияния на частотные характеристики приемника;
- при измерениях чувствительности и характеристик направленности приемника в третьоктавных полосах частот.
Рисунок 10 – Результаты градуировки гидрофона ГИ 54, установленного штатно
на носителе – 1, при снятом обтекателе – 2, собственная частотная характеристика гидрофона – 3
На основе разработанного программно-аппаратного комплекса модернизированы рабочие эталоны МБ1 и МБ2, что позволило увеличить их производительность и достоверность результатов градуировки в полосах частот, эффективность исследований акустических свойств существующих и разрабатываемых
приемников ПШ.
В заключении приводятся результаты и выводы о проделанной работе.
20
3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ
В диссертационной работе содержится решение задачи по созданию на основе метода СКВУ и применения ЛЧМ сигналов высокопроизводительной техники измерений, обеспечивающей расширение номенклатуры поверяемых характеристик и возможностей точной градуировки по полю гидроакустических
приемников. Изложены научно обоснованные и подтвержденные экспериментально технические решения, имеющие важное значение для совершенствование
эталонной базы страны в области гидроакустических измерений.
Разработана программно-аппаратная реализация измерений с использованием ЛЧМ сигнала методами сличения и взаимности, что позволило применить метод СКВУ в метрологической практике и получать непрерывные комплексные
характеристики чувствительности преобразователей по полю в реверберационном поле лабораторного бассейна.
В результате диссертационной работы создан эффективный инструмент для
градуировки гидроакустических преобразователей по полю, сочетающий в себе
простоту реализации, малое время измерений, высокие помехозащищенность и
качество подавления искажений, вызванных отражениями, до 99,5 %.
Разработанные методы уменьшения погрешности на основе учета априорной и апостериорной информации позволили, не уступая в точности другим методам, продлить вниз частотный диапазон установки Э-4 ГЭТ на 11 третьоктав
до 250 Гц, что обеспечило необходимое перекрытие частотных диапазонов воспроизведения и передачи единицы звукового давления по полю и по давлению.
Выполненные исследования метрологических характеристик, выявление и
минимизация составляющих неопределенности позволили инициировать и
успешно провести первые международные пилотные 473/RU/09 и дополнительные 531/RU/11 сличения результатов низкочастотных калибровок гидрофонов по
полю и подтвердить суммарную расширенную неопределенность 0,4 дБ.
Предложенная реализация метода СКВУ позволяет выделять не только скалярную (звуковое давление), но и векторную (градиент давления) величину поля
прямой звуковой волны, что дает возможность изучения и выработки численных
критериев качества локально-плоской волны не на основании закона 1/r, а по
близости фаз звукового давления и колебательной скорости.
Созданная программно-аппаратная реализация позволила повысить информативность исследований акустических свойств приемника ПШ, достоверность
оценок погрешности и эффективность процедур градуировки приемника. Результаты работы положены в основу технических заданий на разработку специализированных эталонных установок для воспроизведения и передачи единицы
звукового давления в водной среде, а также метрологических установок для исследований и испытаний конструкции гидрофонов и приемников на их основе.
21
4 ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Исаев, А. Е. Два подхода к градуировке гидрофона по полю при непрерывном излучении в незаглушенном бассейне / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Измерительная техника. – 2008. – № 12. – С. 47-51.
2. Матвеев, A. Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Акустический
журнал. – 2009. – Т. 55. – № 2. – C. 1-10.
3. Исаев, А. Е. Повышение частотного разрешения при обработке акустических сигналов методом скользящего комплексного взвешенного усреднения / А.
Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Акустический журнал. – 2010. – Т. 56. – № 2. – С. 277283.
4. Матвеев, A. Н. Применение метода скользящего комплексного взвешенного усреднения для восстановления неравномерной частотной характеристики
приемника / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Акустический журнал. – 2010. – Т. 56.
– № 5. – С. 651-654.
5. Еняков, А. М. Российско-китайские пилотные сличения результатов калибровок гидрофонов в диапазоне частот от 250 Гц до 200 кГц / А. М. Еняков, А.
Е. Исаев, А. Н. Матвеев и др. // Измерительная техника. – 2011. – № 6. – C. 33-37.
6. Исаев, А. Е. Измерение фазочастотной характеристики чувствительности
гидрофона по полю методом взаимности / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев, А. М. Поликарпов, Н. Г. Щерблюк // Измерительная техника. – 2013. – № 6. – С. 56-58.
7. Исаев, А. Е. Градуировка приемника градиента давления по полю в отражающем бассейне с применением ЛЧМ сигнала / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев, Г.
С. Некрич, А. М. Поликарпов // Акустический журнал. – 2013. – Т. 59. – № 6. –
С. 773-781.
8. Исаев, А. Е. Государственный первичный специальный эталон единицы
звукового давления в водной среде ГЭТ 55-2011 / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев [и
др.] // Измерительная техника. – 2013. – № 7. – С. 3-5.
9. Исаев, А. Е. Комплексная градуировка приемника градиента давления с
использованием процедуры метода взаимности / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев, Г.
С. Некрич, А. М. Поликарпов // Акустический журнал. – 2014. – Т. 60. – № 1. –
C. 48-55.
Патент
10. Пат. № 2390968, Российская Федерация, С2. Кл. H04R 29/00. Способ
градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев, С. В. Сильвестров; опубл. 27.05.2010, БИ № 15.
22
Публикации в других изданиях
11. Матвеев, А. Н. К вопросу использования ЛЧМ сигналов для градуировки
гидрофонов / А. Н. Матвеев // Исследования в области физико-технических и радиотехнических измерений : труды ФГУП «ВНИИФТРИ». – М.: ВНИИФТРИ. –
2005. – Вып. 51. – С. 83-89.
12. Isaev, A. E. The effective size and effective frequency band of the measuring
water tank at «free-field» calibration with use the continuous radiation mode / A. E.
Isaev, A. N. Matveyev // Proc. of 2nd International Conference and Exhibition «Underwater Acoustic Measurements: Technologies & Results». – Heraklion ; F.O.R.S. –
2007. – P. 445-449.
13. Matveev, A. The hydrophone free-field calibration in the non-anechoic water
tank using continuous radiation mode / A. Isaev, A. Matveev // Proc. of the 9th European Conference on Underwater Acoustics. – Paris. – 2008. – P. 133-135.
14. Матвеев, А. Н. О различии двух подходов к градуировке гидрофонов по
полю при непрерывном излучении в бассейне с отражениями / А. Е. Исаев, А. Н.
Матвеев // Материалы седьмой Всероссийской НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации». – Мытищи : Союз
метрологов и приборостроителей. – 2008. – Ч. 1. С. 157-158
15. Исаев, А. Е. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в бассейне с отражениями / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Системи-2008:
метрологiя, стандартизацiя, сертифiкацiя : материалы НТК. – Львiв. – 2008. – С.
160-164.
16. Исаев, А. Е. Исследование возможностей метода скользящего комплексного взвешенного усреднения / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Измерения в гидроакустике и акустике : сб. научн. тр. – Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». – 2009.
– № 57 (149). – С. 65-76.
17. Матвеев, A. Н. Применение метода СКВУ для восстановления частотной
характеристики пары излучатель-приемник, существенно неравномерной в частотном интервале взвешенного усреднения / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев // Измерения в гидроакустике и акустике : сб. научн. тр. – Менделеево: ФГУП
«ВНИИФТРИ». – 2009. – № 57 (149). – С. 77-84.
18. Chen, Y. The COOMET Pilot Comparison 473/RU-a/09: Comparison of hydrophone calibrations in the frequency range 250 Hz to 200 kHz / Y. Chen, A. N.
Matveev [and al.]. – Metrologia Tech. Suppl. – 2011. – Vol. 48. – 09004.
19. Matveev, A. N. Minimization of uncertainty of free-field hydrophone calibration in reverberant water tank when CMWA technique is used / A. E. Isaev, A. N.
Matveev // Proc. of the 11th European Conference on Underwater Acoustics. – Edinburgh. – 2012. – P. 1129-1133.
20. Matveev, Anton The measurement of the phase angle of the complex hydrophone sensitivity for the hydrophone acoustic center by the reciprocity method / Alexander Isaev, Anton Matveev, Nikolay Shcherbluck // Proc. of 1th International Confer-
23
ence and Exhibition on Underwater Acoustics. – Corfu Island ; Greece. – 2013. – P.
1647-1654.
21. Матвеев, А. Н. Использование процедуры метода взаимности для абсолютной градуировки приемника градиента давления по полю / А. Е. Исаев, А. Н.
Матвеев, Г. С. Некрич // Метрология гидроакустических измерений : материалы
всероссийской НТК. – Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». – 2013. – Т. 1. – С.
148-151.
22. Некрич, Г. С. Градуировка приемника градиента давления по полю в отражающем бассейне / А. Е. Исаев, А. Н. Матвеев, Г. С. Некрич // Метрология
гидроакустических измерений : материалы всероссийской НТК. – Менделеево:
ФГУП «ВНИИФТРИ». – 2013. – Т. 1. – С. 171-173.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа