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

Конструктивные измерения электромагнитного излучения судогьх механизмов напоминают исследование уровня шума на городских улицах, в жилых зданиях и в особенности в заводских цехах. Они дают карту распределения амплитуд напряженности магнитного поля по помещениям и отсекам. Для отметки уровней принимается децибельная шкала; за 0 дБ целесообразно принять уровень, соответ­ ствующий напряженности магнитного поля на частоте 1000 Гц, равной 1 мкА/м. Стены и перегородки, а также палубы могут рассма­ триваться как экраны, ослабляющие электромагнитное поле. По аналогии со звукоизоляцией можно ввести в рассмотрение электро­ магнитную изоляцию («эмизоляцию») Э, определяемую формулой

Приведенная формула (как и формулы для звукоизоляции) является условной и еще не характеризует ослабление поля в самой перегородке: она выражает некоторый общий эффект ослабления, зависящий от многих факторов. Если в электромагнитном излучении преобладают дискретные компоненты (например, поле переменного тока 50 Гц), эмизоляция может быть получена усреднением амплитуд

В качестве среднего следует брать среднеквадратичное значение напряженности.

Соответствуют ли отсчеты шкалы эмизоляции на 50 Гц отсчетам шкалы на 1000 Гц? Эти шкалы надо привести в соответствие, по­ скольку ослабление на различных частотах получается разным. Частотная зависимость эмизоляции выражается формулой

если электропроводность считать не зависящей от частоты /, изме­ ряемой в герцах.

Когда излучение не является однотональным, оценка эмизоляции производится с учетом спектральных данных. При этом может оказаться полезной двойная сегментация. Она состоит в определении сегментов конфигурации поля по двум объемам (первого и второго помещений) и сегментов спектрального разложения электромагнит­ ного поля в этих объемах. Подобные задачи будут рассмотрены в дальнейшем.

§ 2.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ АТМОСФЕРНЫХ И БЕРЕГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

На море существуют многочисленные источники электромагнит­ ного излучения звукового диапазона частот: береговые базы и насе­ ленные пункты, радиостанции и радиомаяки, атмосферные радио­

38

помехи; наконец, само море создает электромагнитный шум, зави­ сящий от балльности. Эти помехи могут восприниматься в воздухе над поверхностью моря, под водой, а также в судовых помещениях. Проникновение электромагнитных волн в такую поглощающую среду, как морская вода, и через металлические стенки судовых отсеков объясняется низкой частотой электромагнитного поля. В пределах толщины скин-слоя, которая при этом относительно

велика, электропроводящие среды уже нельзя принимать за идеальные экраны.

Измерение помех являет­ ся одной из задач радио­ измерений на судах. Исполь­ зование для решения этой задачи приемной рамки во многих случаях не достигает

цели. Диаграмма направленности рамки имеет форму восьмерки, так как определяется множителем cos 0, но такая характеристика направленности слишком тупая. Поскольку исследование источни­ ков помех требует направленного приема, должен быть применен приемник с более острой диаграммой направленности, например так называемый приемник из узкого сектора.

Приемник из узкого сектора построен по компенсационной схеме (рис. 2.2). Имеются две скрещенные рамки: одна принадлежит рабочему каналу, другая — компенсационному. В обоих каналах имеются усилители низкой частоты, за ними следует компенсацион­ ный блок, куда электрические напряжения с обоих каналов по­ даются в противофазе. Это приводит к тому, что диаграмма напра­ вленности представляет собой вместо двух восьмерок узкий сектор. На рис. 2.3 приводится построение, поясняющее сказанное. Пока­ заны две взаимно перпендикулярные восьмерки диаграммы напра­ вленности, разные по масштабу: в компенсационном канале усиление больше, поэтому и диаграмма направленности представлена более крупной восьмеркой. Поскольку напряжения от двух приемников находятся в противофазе, в тех местах, где площади, охватываемые

39

характеристиками направленности, накладываются, прием отсут­ ствует. Только в узких секторах АВС и BDF (заштрихованы на рисунке) рабочий сигнал может быть воспринят. Фон помех, дей­ ствующих из широкого сектора, не оказывает влияния на измерения. При нестационарности фазы помех узкий сектор направленности будет деформироваться и точность измерений будет уменьшаться.

Для осуществления сканирования рамки должны периодически поворачиваться так, чтобы узкий сектор пробегал угол поиска источника. Такое сканирование может быть выполнено и электри­ ческим путем, с помощью известных методов электрического упра­ вления направленностью антенны. Электрическое сканирование обеспечивает большую быстроту поиска. При сканировании постоянно действующие источники помех фиксируются и их можно отличить от источников непостоянных или подвижных. После выделения рабочего сигнала приемником из узкого сектора он поступает на измерительные и анализирующие устройства, выбор которых зависит от поставленной задачи.

При измерении электромагнитных помех береговых источников с установлением пеленга производится определение уровня и спек­ трального состава излучения. Схемы для измерений, а также вхо­ дящие в них приборы, являются стандартными.

Обратимся к измерению помех в виде электромагнитных излу­ чений, создаваемых береговыми источниками. В этом случае изме­ рительный комплекс содержит такие приборы, как измерительные усилители низкой частоты, электронные вольтметры (которые по­ казывают пиковые, средние и эффективные значения напряжений), частотомеры, спектрометры и спектрографы звуковых частот, само­ писцы, регистраторы уровней, осциллографы и т. д. Целью измерений является определение уровня напряженности магнитного поля, выражаемой или в амперах на метр, или в децибелах по отношению к избранному уровню сравнения, в качестве которого может быть взят уровень 0 дБ 1 мкА/м. Другая цель измерений — запись сигнала на магнитную ленту с помощью магнитофона для последу­ ющей измерительной обработки в лабораторных условиях. Если соответствующие возможности созданы и в морских условиях,

записываются с помощью регистратора уровней. Такая запись осу­ ществляется как в аналоговой, так и цифровой форме.

Остановимся на специфическом для проблемы измерения бере­ говых помех вопросе об отделении помех случайных от системати­ ческих. Пусть на линии горизонта или на берегу имеются некоторый неподвижный источник помех А, закономерно движущийся источник помех В и серия случайных некоррелированных ни в пространстве, ни во времени источников помех С. Для разделения воспринимаемых помех необходимо дополнить измерительный комплекс аналоговой и цифровой электронными вычислительными машинами. Каждый

из источников Л, В, С должен давать излучение, которое отличается от излучения другого источника по некоторым признакам. Первый

40

этап программы состоит в определении этих признаков. Второй этап заключается в выделении на основе повторяемости и корреля­ ционных связей сигнала фиксированного источника, в выявлении закономерности перемещения подвижного источника, в отделении сигналов случайных источников. Последние могут быть исключены посредством корреляционного метода, и наоборот, тем же путем они могут быть выделены, а сигналы от регулярных источников исклю­ чены. Все операции должны быть заложены в программу ЭЦВМ. Аналоговые ЭВМ применяются для подготовки кодовых (цифровых) данных, характеризующих излучение каждого из упомянутых видов источников, и выдают угловые координаты и дру­ гие данные. Измерители же уровней, анализа­ торы и другие приборы играют роль входных устройств, поставляющих входные сигналы для аналоговой ЭВМ. Эти приборы могут быть сами цифровыми, т. е. для указанной цели могут быть использованы цифровые вольтметры, цифровые спектрометры, отдельные запоминающие устрой­ ства, регистраторы событий, магнитные записы­ вающие системы и т. д.

На рис. 2.4 представлена структурная схема измерительного комплекса для исследования по­ мех. Построение программы ЭЦВМ во многом соответствует процедуре автоматического распоз­ навания сигналов. Этот вопрос уже был затронут в § 1.4, где было показано, что задача обнару­ жения и пеленгования сигнала на фоне помех относится к проблеме автоматического распоз­ навания образов. Иллюстрацией этого положе­ ния может служить измерение низкочастотных электромагнитных помех от разного вида источ­ ников. Задача распознавания в самом общем случае состоит в выделении из некоторого сло­ варя А ъ А 2, А3, . . ., Аг такого слова Ak, ко­

торое. может служить эталоном для некоторого распознаваемого

что при распознавании слова Bt остальные слова можно рассматри­ вать как помехи, потому что они ошибочно могут быть приняты за эталонное слово Ak. Отсюда вытекает естественное обобщение прин­

гие за помехи. Сопоставление со словарем означает распознавание и сигнала, и помех. Разумеется, в ряде задач сигналы и помехи меняются местами. Например, собственный шум судна является помехой при измерениях, производимых на его борту, и сигналом, если задача касается обнаружения судна в море.

Обратимся теперь к методам измерения атмосферных помех, для чего также применяется остронаправленный приемник.

41

Как известно, атмосферные радиопомехи — в основном грозового происхождения (в этом случае они называются атмосфериками). Частотно-амплитудный спектр атмосферных помех занимает широкий диапазон частот вплоть до УКВ; однако наиболее важной является низкочастотная часть, приходящаяся на звуковой диапазон, рас­ смотрением которого мы и ограничимся.

Осциллограммы атмосферных помех в звуковом диапазоне имеют весьма разнообразный характер. Можно выделить класс тональных атмосфериков, характеризующихся наличием периодической части колебаний. Наблюдаются также и апериодические, и шумовые сиг­ налы. Этим видам атмосфериков присущи различные частотно­ амплитудные спектры.

Однако определенным типам атмосфериков не присущи какиелибо неизменные типы спектров. Поэтому атмосферики следует анализировать методом конструктивного анализа, производя их сегментацию. Анализ и распознавание классов атмосфериков в прин­ ципе близки к анализу и классификации акустических образов, а именно некоторых звуков речи. Наличие периодической компоненты в тональных атмосфериках сближает их с гласными звуками; импульс­ ные атмосферики похожи на смычные, или фрикативные, фонемы и т. д. [81 ].

Для измерения атмосферных радиопомех могут служить те же самые измерительные комплексы, которые применяются для изме­ рения шумов. Приемник из узкого сектора применяется ввиду напра­ вленности излучения атмосферных помех: источником служат гро­ зовые очаги. К приемникам подключаются приборы — измеритель­ ные усилители, регистраторы уровней, спектрометры, анализаторы, осциллографы и т. д. Наиболее важным является измерительный комплекс, в состав которого входят некоторые из упомянутых при­

При измерении атмосфериков с борта судна измерительный ком­ плекс должен содержать также моторно-исполнительную часть, осуществляющую в соответствии с программой обзор горизонта, стабилизацию при волнении путем пуска гироскопических устройств и другие операции. При отсутствии на судне условий для работы полного измерительного комплекса осуществляется многоканальная запись атмосфериков с целью последующей обработки в лаборатории. Для такой записи применяется система разнесенных остронапра­ вленных приемников или же просто рамочных антенн. В каждом канале имеется преобразователь аналог — код, например в виде цифрового милливольтметра. Кодовый, соответствующий цифро­ вому выходной сигнал вводится в удобной форме в запоминающее устройство или регистратор событий или записывается на ленте.

При измерениях на море представляет интерес прием электро­ магнитных помех под водой. Методика такого приема не отличается от описанной выше. Изменяется только конструкция приемного устройства. Скрещенные катушки приемника заключают в водоне­

42