Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

ческой проницаемости нет необходимости применять теорию Зоммерфельда в полном виде, если требуется лишь грубая оценка полей под водой. Точнее говоря, нет необходимости вычислять ослабление электромагнитного поля под водой, пользуясь формулой Вейля — Ван-дер-Поля. Дело в том, что, как уже говорилось выше, существен­ ный вклад дает распространение электромагнитных волн под водой только по вертикали. Длина волны под водой сильно укорачивается, и, как вытекает из условий Леонтовича, практически при любом угле падения волны на поверхность моря подводная волна будет распространяться по вертикали.

Пусть имеются две точки А а В (рис. 3.3, а). В точке А (в воздухе) находится излучатель, в точке В — приемник. При указанных выше условиях исключается рассмотрение прохождения волн через

Рис. 3.3. Направление распространения электромагнит­ ной волны в случае расположения источника в воздухе (а) и в воде (б).

воду по прямой АВ. Практически в точку В волны могут поступить только по вертикали, показанной пунктиром. Вообще, на протяжении всей трассы электромагнитные волны проникают в воду только по мере прохождения волны в воздухе над поверхностью моря. Исключение составляют случаи самых низких частот, когда расстоя­ ние АВ сравнимо с глубиной скин-слоя.

Если источник А погружен (рис. 3.3, б), на основании тех же соображений можно считать, что путь волны будет напоминать букву П, если только расстояние и частота не настолько малы, чтобы стал возможен прием по прямому направлению.

Вообще говоря, рассматриваемый случай распространения элек­ тромагнитных колебаний подобен тому случаю акустики, когда надо учитывать распространение звука и через воздух, и через твердые или жидкие тела, т. е. когда наряду с «воздушным» звуком учитывается «структурный» звук и общее поле будет их суперпо­ зицией. Наличие такой суперпозиции ставит серьезные препятствия для вычислений. То же самое имеет место и для большинства задач электромагнитных измерений в море: поле у приемника будет резуль­ татом наложения «воздушной» и «водяной» волн, поступающих по разным трассам.

Рассмотрим теперь случай электромагнитного поля бесконечно длинного прямого кабеля, расположенного на плоской границе воздух—вода, т. е. на поверхности моря. Общая теория излучения кабеля, лежащего на земле, была дана В. А. Фоком. Выберем коорди­ натную систему так, чтобы ось х совпадала с направлением кабеля,

60

а координатная плоскость хОу — с поверхностью моря, на которой

При прохождении через кабель постоянного тока силой I напря­

Здесь К\ (I) = — Ко (£) — функция Бесселя второго рода первого порядка от мнимого аргумента; I — длина кабеля.

61

а главным образом от проводимости морской воды и частоты колеба­ ний. Измерение электромагнитного поля, создаваемого кабелем, может служить для определения волновых чисел с учетом влияния морской воды, грунта (при мелководье), планктона и рыбных косяков. При этом снимают «профиль» волновых чисел — так же, как при электромагнитной геологоразведке [56]. Для съемки профиля ис­ пользуют прямую антенну, параллельную прямому кабелю. В антенне индуцируется э. д. с., выражаемая циркуляцией вектора:

(3.39)

Напряжение с антенны снимают бифилярным проводом. Антенну длиной 2а располагают на участке, который можно приближенно считать однородным. Тогда

(3.40)

Для снятия профиля измерения проводят последовательно по участкам. Их можно осуществлять с борта судна.

Для измерения магнитного поля применяется обычно магнитная рамка.

§ 3.3. РАДИОИЗМЕРЕНИЯ В МОРЕ НА ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТАХ; ИЗМЕРЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ

Радиоизмерения под водой до настоящего времени развиты очень мало. Причиной этого является поглощение радиоволн, обусло­ вленное электропроводностью воды. Только на электромагнитных волнах звуковых частот радиосвязь, хотя и в ограниченной степени, оказывается возможной. Поэтому в данном частотном диапазоне возникают реальные возможности осуществления радиоизмерений. К сожалению, работы по таким радиоизмерениям почти полностью отсутствуют. Полезно наметить их возможное содержание.

62

Любопытной особенностью приема радиоволн служит то, что приемная антенна может располагаться не только под водой, но и над поверхностью моря. Благодаря проникновению низкочастотных радиоволн через толщу воды и через металлические оболочки, несу­ щественно, где находится приемная рамка. Разумеется, установка над водой предпочтительней с точки зрения удобства измерений. Однако при этом требуется экранировка рамки от высокочастотных наводок, для чего ее помещают в металлический бачок, наполненный водой и установленный на борту (на палубе) судна, служащего базой для производства измерений. В других случаях приемная антенна устанавливается на грунте, или в воде, или даже на суше.

Радиоизмерения на море в области звуковых частот проводятся по следующей схеме. Приемная антенна или рамка (петля) воспри­ нимает сигнал, подлежащий измерению. К антенне подключается аппаратура, выбор которой определяется задачами измерений. Эта аппаратура не отличается от электронной аппаратуры, при­ меняемой при электроакустических измерениях — используются те же анализаторы, измерители уровней, самописцы, фильтры, ламповые вольтметры, электронные осциллографы и т. д.

Существенным отличием радиоизмерений от акустических является то, что электромагнитные помехи на море имеют в рассма­ триваемом диапазоне частот высокий уровень. В этом отношении наблюдается сходство с измерениями инфразвука (см. гл. 6).

Наличие помех обусловливает необходимость применения доста­ точно эффективных способов выделения слабых сигналов на фоне помех. Дело, однако, осложняется тем, что во многих случаях сигнал имеет сложное строение, является структурным.

Конструктивные измерения заключаются в установлении образа сигнала, в его классификации. При этом словарь образов, подлежа­ щих распознаванию, заметно увеличивается, потому что кроме эталонов полезных сигналов должны быть определены и эталоны помех.

Метод конструктивного анализа позволяет выделять характерные особенности данного шумового сигнала и классифицировать его.

Основное различие конструктивного анализа от спектрального (в обычном понимании) состоит в том, что элементами разложения служат не гармонические составляющие колебания, а сложные образы. При исследованиях были найдены промежуточные образы, иногда довольно сложные, которые и используются для разложения сигнала. Исследуемый шум представляется как некоторая последо­ вательность таких образов во времени. Эти промежуточные образы и были названы сегментами. Таким образом, в данном случае основой конструктивного метода является сегментация шума.

Процедура конструктивных измерений электромагнитных сигна: лов на море состоит в следующем. Приемная антенна воспринимает сигнал, обладающий каким-то набором признаков. Сигнал можно обозначить как S (аи а2, . . ., ап). Измерительная аппаратура должна произвести разложение сигнала по признакам, т. е. опреде­ лить набор признаков. Если речь идет о спектральных частотно-

63