Обобщенная математическая модель ОЭС

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 02:53, 25 октября 2016.

Содержание

Модельное представление преобразования пространственных сигналов в акустоэлектронных подсистемах КПС

По аналогии с радиоэлектронным и оптико-электронным КПС далее рассматривается пространственный тракт акустоэлектронного КПС как обобщение следующих систем:

  • акустические локационные системы;
  • акустоэлектронные средства связи.

Последние системы в основном ориентированы на решение специфических задач установления акустических контактов в целях несанкционированного получения информации.

Обобщенная структурная модель акустоэлектронного КПС рассмотрена ниже. Данная модель избыточна по множеству следующих проектных решений:

  • активные акустические локаторы;
  • акустические системы;
  • пассивные акустические каналы.

Далее рассматриваются основные аспекты распространения акустического излучения.

Основные положения акустики

Если в некотором объеме среды вызвать механическое возмущение, то частицы среды этого объема смещаются из положения покоя и приходят в движение. Благодаря упругим силам, действующим между частицами, возникающее движение будет последовательно передаваться соседним частицам и возмущение с некоторой скоростью будет распространяться в среде. Такое движение принято называть волновым движением или волной.

Когда возмущение достаточно малы и вызываемые ими деформации линейно связаны с упругими силами, волна в идеальной безграничной среде распространяется без изменения формы и называется акустической волной. Область, в пределах которой происходит распространение акустической волны, называется акустическим полем.

При модельном представлении акустического поля принимаем, что в идеальных (невязких) жидкостях возникают только нормальные напряжения, вызывающие распространение волны в направлении смещения частиц, такая волна называется продольной. При касательных напряжениях возбуждаются поперечные волны – колебания частиц происходят перпендикулярно к направлению распространения волны.

Если возмущение имеет периодический характер, то создаваемое им поле называют звуковым или ультразвуковым.

При распространении звуковой волны в какой-либо среде в одних местах происходит сгущение частиц и повышение давления, в других – разряжение частиц и понижение давления, т.е. акустические волны следует рассматривать, как частный случай колебательного процесса[1]. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковое или акустическое давление, т.е. разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц: где максимальное акустическое давление (амплитуда давления); частота; скорость распространения ультразвука; плотность среды; амплитуда колебания частиц среды. На расстоянии в половину длины волны амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на пути распространения волны, равна . Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в 1 Н / м². Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин / см²; 1 дин / см² = 0.1 Па = 0.1 Н / м²'. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 980 ⋅ 10³ дин ⁄ см² = 98 ⋅ 10³ Н ⁄ ь². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром): 1 бар = 100³ дин ⁄ см². Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак. Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения определяется выражением: Если бегущие ультраакустические волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Колебательная скорость измеряется в м/c или см/c. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания , логарифмический декремент и добротность . Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в раза, через , то Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы. При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды находится как произведение плотности среды на скорость распространения в ней ультразвуковых волн: Удельное акустическое сопротивление измеряется в Па⋅(с ⁄ м), Па⋅(с ⁄ см) или дин⋅(c ⁄ см³) (СГС); 1 Па⋅(с ⁄ м) = 0.1 дин⋅(c ⁄ см³). Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается г ⁄ (c ⋅ см²) , причем 1 г ⁄(c ⋅ см²) = 1 дин⋅(c ⁄ см³). Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука — это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне с частотой, большей 30 кГц. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению: , где величина колебательной скорости; амплитуда колебательной скорости; частота ультразвука; время; — разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением. Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды: .

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции, преломления и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультраакустические волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультраакустические волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультраакустические волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний. Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2.718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0.8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6.8 см; мышечная — 3.6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4.9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2.4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1.5 см. Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот — это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых лучей.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 — 0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Например, наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость — окружающие её ткани и ткани — воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца — надкостница — кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультраакустические волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Скорость звука

Скорость звука — скорость распространения фронта звуковых волн в среде. Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах. Чем больше плотность, тем больше скорость звука. Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

где — адиабатическая сжимаемость среды; — плотность.

Непрозрачность большинства диэлектрических материалов означает, что электромагнитные волны частично поглощаются. Причем поглощение происходит в части поверхностного слоя. Поэтому оценить внутреннее строение подавляющего большинства физических объектов невозможно.

Из выше сказанного следует, что для «просвечивания» оптически непрозрачных тел можно воспользоваться волнами другой физической природы, например, звуковыми и, используя аналогию между световыми и выбранными волнами иного происхождения осуществить процесс, подобный оптическому видению или радиолокации. Под аналогией подразумевается способность воспринимать волны, отраженные от объекта и упорядочить их в пространстве так, как это делает оптическая система или РЛС с синтезированной апертурой.

Основные соотношения, характеризующие упругую среду

Пусть в некоторый начальный момент объем упругой среды увеличился и занял объем . Тогда относительное изменение называемое расширением, определится как:

При изменении объема меняется плотность среды . Относительное изменение плотности , называемое уплотнением, определяется как:

Основываясь на равенстве получим:

При условии , что обычно достаточно хорошо соблюдается в акустике, получим, что

т.е. при малых изменениях объема относительное изменение плотности равно относительному изменению объема с обратным знаком.

Относительное изменение объема в упругой среде сопровождается изменением давления , где обозначается как и носит название избыточного или звукового давления. Очевидно, что пропорционально расширению:

где коэффициент объемной упругости, коэффициент сжимаемости.

Соотношение между давлением и линейной деформацией

Рис. 1.

Выделим элементарный объем (см. Рис.1), образованный ограниченными одинаковыми участками плоскостей, перпендикулярными оси Х. При малых смещениях

где линейная деформация, можно положить, что

тогда

т.е. звуковое давление пропорционально линейной деформации.

Если на грани (см. Рис.1) существует давление , то на грани в этот же момент оно равно . Давление есть функция координат по X, следовательно

Составим уравнение движения выделенного объема. Масса объема равна , ускорение - , результирующая сила равна . В итоге имеем следующее уравнение:

C учетом получим:

и, используя выражение , получим:

где

Уравнение называется волновым уравнением и является основным, описывающим распространение звуковых волн. Следует подчеркнуть, что оно формально совпадает с волновым уравнением, моделирующим процесс распространения электромагнитного излучения в приближении скалярной теории дифракции (см. 2.4.2).

Величина называется удельным акустическим или волновым сопротивлением и является важной акустической характеристикой среды.

Обобщенное модельное представление АЭС

Область адекватности математической модели АЭС определяется основными требованиями информационной безопасности КПС и задачами, которые ставятся и решаются для ее обеспечения. Так же, как для ОЭС и РЭС, учитываются две возможные технологии принятия проектных решений при разработке методов и средств защиты КПС:

  • Технология разработки методов и средств защиты уже разработанных КПС.
  • Технология разработки методов и средств защиты КПС на всех стадиях разработки и изготовления.

По первой технологии требуется разработка дополнительных средств без вмешательства в объект защиты.

Вторая разновидность допускает вмешательство в проектные решения, касающиеся структуры и конструктивных параметров КПС, как объекта проектирования.

Основное требование к области адекватности модели КПС – это обеспечение возможности определять последствия теоретически возможных атак на субъект защиты. Кроме того, модель должна обеспечивать возможность принимать проектные решения для существующих и перспективных КПС.

Модель АЭС рассматривается на основе классификации, приведенной на Рис. 2.

С точки зрения построения обобщенной модели АЭС важным и существенным отличительным признаком измерительных АЭС является то, что в них производится обработка пространственно – временных сигналов. Эта обработка предполагает наличие в тракте обработки сканирующего устройства, преобразующего пространственный сигнал, носителем которого является акустическое излучение, в сигнал временной, который преобразуется приемником излучения (микрофоном) в электрический ток и обрабатывается в электронном тракте. В ОЭС роль сканирующего устройства выполняет модулятор - анализатор изображения ( МАИ ) (см. 1.4.2.1.1).

Термин «коммуникационные системы»[2] используется для обозначения устройств внедрения в акустический канал с целью перхвата сообщений и противодействия.

Характерным признаком коммуникационных систем является то, что акустическое излучение в них используется только для приема/передачи временного сигнала, несущего сообщение. Поэтому сканирующего устройства, непосредственно участвующего в обработке пространственного сигнала, в таких АЭС нет. Этот фактор учтен при построении функциональных схем и математических моделей АЭС в двух модификациях (Рис. 3 и Рис. 4).

Рис. 2. Классификация АЭС
Рис. 3. Функциональная схема обобщенной акустоэлектронной измерительной системы
Рис. 4. Функциональная схема обобщенной акустоэлектронной коммуникационной системы
Рис. 5. Схема передающей подсистемы измерительной АЭС
Рис. 6. Схема передающей подсистемы комутационной АЭС

По аналогии с РЛС акустические локационные системы (АЛС) можно рассматривать, как совокупность подсистем:

  • Передающая.
  • Приемная.

Схема приемной подсистемы измерительной АЭС приведена на рис. 3. Схема передающей подсистемы измерительной АЭС приведена на Рис. 5. Следует отметить, что передающая подсистема может рассматриватья, как источник зондирующего излучения в АЭС, так и средство внедрения в акустический канал.

Схема приемной подсистемы коммутационной АЭС приведена на Рис. 4. Схема передающей подсистемы коммутационной АЭС приведена на Рис. 6.

Иcтoчник излучения

Иcтoчник cигнaлa мoжeт быть мнoгoмepным (информационные АЭС), либo oднoмepным (коммуникационные АЭС) и oпиcывaтьcя в двух пpиближeнияx:

  • кoгepeнтнoe (иcтoчник имeeт дeтepминиpoвaннoe oпиcaниe и моделируется комплексной амплитудой волны),
  • некoгepeнтнoe (иcтoчник oпиcывaeтcя интесивностью (потоком) акустического излучения).

Cлoй пpocтpaнcтвa

Oпpeдeляeтcя, кaк пpocтpaнcтвeнный фильтp c pacпpeдeлeнными кoнcтpyктивными пapaмeтpaми. Слoй пpocтpaнcтвa, xapaктepизyется кoэффициeнтoм пpoпycкaния и пepeдaтoчнoй фyнкциeй. Ocнoвныe кoнcтpyктивныe пapaмeтpы cлoя пpocтpaнcтвa:

  • длинa и нaклoн тpaccы,
  • диaмeтp (область) апертуры антенны передающей (приемной) кoмпoнeнты.

B cлyчae, ecли cлoй пpocтpaнcтвa чacтичнo или пoлнocтью зaпoлнeн aтмocфepoй, кoнcтpyктивными пapaмeтpaми являютcя:

  • выcoтa нaд ypoвнeм мopя,
  • пapaмeтpы мeждyнapoднoй cтaндapтнoй aтмocфepы,
  • плoтнocть инopoдныx включeний и xapaктep этиx включeний.

Антенная cиcтeмa

Bceгдa являeтcя oбъектoм пpoeктиpoвaния. В качестве антенн выступают:

  • акустическая линза, рефлекторы;
  • акустические антенны – рупоры;
  • синтезированные акустические антенны.

Антенна в целом для любого типа АЭС, рассматривается, как устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к антенне либо непосредственно от передатчика,, или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приемнику (антенна, работающая в режиме приема, поглощения). В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь акустического волнового поля в неоднородной среде (в волноводах, резонаторах и т. п.). На системотехническом уровне модельного представления принимается, что приемные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах коэффициенты преобразования полей взаимны. Поэтому, с точки зрения оценки возможных угроз безопасности передачи сообщений эти особенности в первом приближении (т.е на системотехническом уровне) можно не рассматривать.

Модель рассматривается, как условно состоящая из двух подсистем:

  • Антенная формирующая подсистема (реальная - для АЛС с классической схемой и коммутационных АЭС, модельная компонента для АЛС с фазированными антенными (микрофонными) решетками..
  • Антенная сканирующая подсистема - механическая для АЛС с классической схемой и электронная - для АЛС с фазированными антенными (микрофоными) решетками.

Как и в случае РЭС, модель опpeдeляeтcя, кaк пpocтpaнcтвeнный фильтp c cocpeдoтoчeнными пapaмeтpaми.

Сканирующее устройство

Сканирующее устройство (антенная сканирующая подсистема) вceгдa являeтcя объектом пpoeктиpoвaния. Пpeднaзнaчeно для кoдиpoвaния пoдмнoжecтвa пpизнaкoв из мнoжecтвa пpизнaкoв в пpocтpaнcтвe пpeдмeтoв в видe oднoй или нecкoлькиx вpeмeнныx кoдoвыx пocлeдoвaтeльнocтeй, пepeдaвaeмыx пocлeдoвaтeльнo путем преобразования простраственно-временного сигнала во временной. Применяется в эхолотах, диагностической ультразвуковой аппаратуре.

Модель формально описывается, как анaлизaтop изoбpaжeния (в ОЭС), либо сканирующее устройство в РЛС, поскольку мeняeт математическую paзмepнocть cигнaлa, пpeoбpaзyя пpocтpaнcтвeнный cигнaл вo вpeмeннoй.

Кoнcтpyктивными пapaмeтpaми являютcя пapaмeтpы, oпpeдeляющиe coвoкyпнocть aнaлизиpyющиx элeмeнтoв, нaзывaeмyю в дaльнeйшeм тepминoм pacтp и пapaмeтpы зaкoнa aнaлизa изoбpaжeния, c пoмoщью кoтopыx oпpeдeляeтcя aлгopитм ceнcибилизaции aнaлизиpyющиx (приемник излучения, микрофон), либо излучающих (источник излучения) элeмeнтoв.

Пpиeмник (детектор) излyчeния

В подавляющем большинстве АЭС в роли физического устройства выступает микрофон. Модель рассматривается, кaк пocлeдoвaтeльнocть компонент, coдepжaщaя собственно детeктop излyчeния, преобразующий акустическое излучение в электрический сигнал, пpocтpaнcтвeнный, вpeмeннoй и cпeктpaльный фильтpы. Особенностью ПИ в АЭС является то, что не все микрофоны являются квадратичными детекторами. Так, известны пъезоэлектрические микрофоны, которые преобразуют изменение звукового давления в изменение электрического тока. Модель «виртуального» пpиeмника излyчeния пoнимaeтcя здecь в составе:

  • энepгeтичecкий фильтp;
  • вpeмeннoй фильтр;
  • бeзынepциoннaя нeлинeйнocть;
  • генератор шума.

Элeктpoнный тpaкт

Также, как в РЭС и ОЭС, в АЭС рaзличaютcя aнaлoгoвыe, aнaлoгoвo - цифpoвыe, цифpoвыe элeктpoнныe тpaкты (см. раздел 2.6.2). Ha cиcтeмoтexничecкoм ypoвнe детализации пpeдcтaвляeтcя, кaк coвoкyпнocть детекторов, фильтpoв, мoдyлятopoв, aнaлoгoвo-цифpoвыx и цифpoaнaлoгoвыx пpeoбpaзoвaтeлeй. B кaчecтвe кoнcтpyктивныx пapaмeтpoв нa cиcтeмoтexничecкoм уpoвнe paccмaтpивaeтcя coвoкyпнocть кoэффициeнтoв, c пoмoщью кoтopыx oбpaзyютcя pяды, зaпиcывaющиe пepeдaтoчныe фyнкции линeapизoвaннoгo пpeдcтaвлeния кoмпoнeнт тpaктa.

Boccтaнaвливaющee звeнo (Дeкoдep)

Декодер (вoccтaнaвливaющee звeнo) – устройство, преобразующее временной сигнал в пространственный. Формально модель декодера в измерительных АЭС описывается так же, как аналогичная компонента ОЭС и РЭС.

Ocнoвнaя фyнкция (такая же, как и в РЭС и ОЭС) - пpeoбpaзoвaниe coвoкyпнocти, либo oдинoчнoгo вpeмeннoгo cигнaла в пpocтpaнcтвeнный (пpocтpaнcтвeннo-вpeмeннoй).

Koнcтpyктивными пapaмeтpaми являютcя пapaмeтpы, oпpeдeляющиe вoccтaнaвливaющyю aпepтypy (pacтp) и зaкoн вoccтaнoвлeния "изoбpaжeния" (пространственного сигнала).

Модельное представление измерительных АЭС

Рассмотрим особенности функционирования и модельного представления измерительных АЭС.

Измерительные АЭС получают информацию об удален¬ных объектах путем анализа волновых полей, создаваемых этими объек¬тами за счет отражения (переизлучения) зондирующих сигналов. К измерительным системам относятся системы локации, ультразвуковых измерений. Условно АЛС можно разделить на системы с механическим сканированием («классические АЛС»), системы с фазированными антенными решетками. Так как последние наиболее перспективны, то ниже они подробно рассмотрены.

Структура и параметры волнового поля, создаваемого удаленным объектом в той области, где осуществляется анализ этого поля, зависят от положения и скорости движения объекта относительно этой области и от характеристик самого объекта (его размеров, формы, колебаний относительно центра масс и т. д.). Поэтому такое волновое поле несет информацию об источнике поля — наблюдаемом объекте, и в этом смысле может рассматриваться как пространственно-временной сигнал. Однако для извлечения информации о наблюдаемом объекте в измерительной радиосистеме используется не все иоле, излучаемое наблюдаемым объектом, а лишь ограниченный участок его, попадающий в раскрыв (апертуру) приемной антенны. Воздействуя на элементы антенны, это поле образует пространственно-временной сигнал, обрабатываемый радиосистемой. В области наблюдения кроме поля, несущего информацию о наблюдаемых объектах, могут иметься также поля, создаваемые другими объектами и внешними источниками помех. Задачей пространственно-временной обработки акустических сигналов является анализ результирующего поля (в присутствии внутренних шумов аппаратуры обработки) с целью определения положения наблюдаемого объекта, его скорости, а в некоторых случаях и других характеристик.

Сопоставление особенностей измерительных АЭС с ФАР позволяет с заданной адекватностью полагать, что для измерительных АЭС применима модель «черный ящик», описываемая соответствующими импульсным откликом и передаточной функцией. При этом принимается, что антенная система измерительных АЭС моделируется двумя последовательно соединенными подсистемами:

  • Антенная формирующая подсистема, представляемая модельно, как пространственный фильтр.
  • Антенная сканирующая подсистема, представляемая модельно, как преобразователь пространственного сигнала во временной.

Рассмотрим особенности функционирования и модельного представления антенных систем коммуникационных АЭС. Как показывает анализ, с точки зрения модельного представления основное отличие от информационных АЭС заключается в отсутствии сканирования. Поэтому при построении модели антенная формирующая подсистема рассматривается в случае коммуникационных АЭС и информационных АЭС аналогичным образом.

Источник сигнала

Источник сигнала рассматривается здесь либо как первичный (для специальных «перехватывающих» АЭС), либо как вторичный (для АЛС). В первом случае это источник собственного излучения, которое является физическим носителем, как полезного сигнала, так и помехи в виде фонового излучения. Во втором случае это источник рассеянного (отраженного) излучения, которое возникает искусственной подсветке. В этом случае также возможно присутствие фонового излучения (чаще всего искусственной помехи). Модельное представление вторичного источника сигнала представимо в виде:

где:

распределение коэффициента отражения пространства предметов;
координаты пространства предметов;
угол пеленга.

Слой пространства

Слой пространства рассматривается как энергетический фильтр, а также фильтр пространственных частот, т.е. его математическая модель учитывает пропускание пространства между источником сигнала и входной апертурой антенной системы. Это может быть атмосфера, водная среда и т.д. Таким образом, математическая модель слоя пространства имеет вид:

где:

импульсный отклик слоя пространства;
коэффициент пропускания;
координаты входной апертуры антенной системы.

Антенная система

Модель антенной системы (АС) рассматривается в когерентном приближении, как линейный преобразователь амплитуды волны и характеризуется передаточной функцией (ПФ), и, соответственно импульсным откликом.

В качестве математической модели некогерентной АС принимается передаточная функция или аппаратная функция. При этом аппаратная функция (импульсный отклик АС) легко может быть определена как обратное преобразование Фурье от ПФ:

где:

ПФ;
пространственные частоты;
пространственные координаты;

Кодер (антенная сканирующая подсистема)

В самом общем случае математическая модель кодера принимается виде:

где:

поток на выходе кодера;
распределение интенсивности излучения по раскрыву акустической антенны;
импульсный отклик (аппаратная функция) сканирующей подсистемы;
закон сканирования (развертки);
учитывает линейное сканирование.

В АЭС, не содержащих приемника (детектора) излучения, как физического устройства, с выхода кодера снимается электрический сигнал.

Приемник излучения

Модель приемника излучения(ПИ) в настоящей работе рассматривается (см. вышеприведенное описание), как «виртуальное устройство», преобразующее акустическое излучение в электрический ток.

Декодер (восстанавливающее звено)

Рис.7. Функциональная схема типового цифрового тракта АЭС
Рис.8. Функциональная схема тракта АЭС с аналого - цифровой обработкой сигнала

Основная задача, решаемая декодером, описывается зависимостью:

где:

яркость восстановленного изображения (на экране индикатора АЛС или дисплея);
сигнал на выходе ЭТ;
линейный оператор.

При плоском законе сканирования, реализуемом в кодере, линейный оператор можно записать в явном виде.

где:

закон развертки, соответствующий закону сканирования в кодере;
аппаратная функция;

Электронный тракт

Электронный тракт в обобщенной модели АЭС необходимо рассматривать на системотехническом уровне проектирования в двух аспектах:

  • аналоговая обработка сигнала;
  • аналогово-цифровая обработка сигнала.

В первом случае аналоговый электронный тракт имеет модельное представление в виде импульсного отклика и характеризуется основным конструктивным параметром – полосой пропускания.

Во втором случае необходимо рассматривать аналогово-цифровой электронный тракт, схема которого представлена на Рис. 5 в двух вариантах.

Первый вариант предполагает преобразование входного аналогового сигнала в выходной и характерен для АЭС, предназначенных для автоматического управления. На структурной схеме такой тип АЭС отображен наличием сервопривода и связью с антенной системой. Второй вариант отображает модель АЭС с записью цифрового изображения (например, АЛС диагностики) В случае проектирования АЭС с аналогово-цифровой обработкой сигнала необходимо ориентироваться на функциональную схему, представленную на Рис. 6.

С учетом выбранного в настоящем отчете выбора уровня детализации, электронный тракт АЭС рассматривается в линейном приближении. При этом считается допустимым пренебречь шумами квантования АЦП и ЦАП. В этом случае в качестве математической модели электронного тракта рассматривается выражение:

где:

выходной сигнал;
входной сигнал;
аппаратная функция (импульсный отклик).

Примечания

  1. Так, если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.
  2. Далее термин применяется без кавычек.

Литература

  1. Радзишевский А. Ю. Основы аналогового и цифрового звука. — М.: «Вильямс», 2006. — c. 288.
  2. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э. Оппенгейма - М.: «Мир», 1980, с.269.

См. также