ソナーと水中音響の原理：方法、理由、理由

ソナーは水中の物体の検出と研究に使用され、レーダーと呼ばれる同様のデバイスは水面、地上、空中、宇宙の物体の研究に使用されます。 ソナーについて以下に述べられていることの多くは、レーダーにも当てはまるか、明らかに類似しています。



インターネットでは、相互に関連するすべてのプロセスを理解できる言葉で説明する資料がこのトピックにないことに気付きました。 この記事では、水中での音波の伝播の特徴からソナー内部のプロセスに至るまですべてを説明します。 好奇心reader盛な読者と2時間以内に水中音響の口頭試験に合格する必要がある読者の両方に興味を持たせるために、これを簡単かつ明確に行うつもりです。 もちろん、1つまたは別の指定グループの誰かがこのトピックに関する知識を持っていない可能性があるため、すべては基本から始まります。



シェルドンがドップラー効果の理解に役立つずっと前に、私たちは水中環境に潜り、水中環境での音波の伝搬がどのように依存するかを知り始めました。

水中の音の性質

振動は、時間の経過とともにさまざまな程度で繰り返される動きです。 振動体は、そのエネルギーを外部環境に与えることができます。 音は媒体の機械的振動です。 外部環境の粒子（分子）は、互いに弾性的に接続されている小型の振動システムであるため、身体によって生成された振動は、一定の距離で媒体内を伝播できます。 水は、空気とは異なり、非常に長い距離にわたって音の振動を伝播する性質を持っています。これが水中で音波を使用する理由です。 音波の代わりに、電磁波を使用することはできません。それらは水中を伝播しません。



水性媒体中の音波の伝搬は、音波の周波数と振幅、温度、塩分、水の深さ、音の伝搬距離（および関連する音の熱への吸収-吸収）、およびその他の局所的な要因（水中の不均一性）の影響を受けます。 、乱流、水の表面の状態-気泡、雨と風;底部の種類-シルト、砂、砂利または岩）。

温度、塩分、深さ、すなわち 水の密度が高いほど、音の伝播速度が速くなります。 これらの3つのパラメーターを変更すると、水中の音の移動方向の曲率と、伝播の空間角の大きさに影響します。



多くの場合、温帯緯度では、水の表面層の温度が急速に低下し、音速が低下し、音波が特定の深さに焦点を合わせて表面から除去されます。 反対に、表面温度が一定の場合（たとえば、熱帯地方では、水は非常に深く暖まります）、深さだけが音速に影響し、このため、地表水の音速は深さによってのみ増加します。 このような水域では、音は表面近くに集中し、表面から常に反射して再び表面に戻ります。 水中の音の平均速度は1480メートル/秒、境界速度：1450から1540 m / sです。



音の周波数が高いほど、音はより速く消散します。 これは、音響エネルギーの熱への変換、水の不均一性による散逸、および底部（主に底部がシルトまたは砂の場合）または雨、風、気泡などによる表面付近での適切な深さでの減衰によるものです。 ; 穏やかなとき、水の表面は音の99％以上を反射するため、表面の損失は無視できます。



このすべてのデータにより、ソナー設定テンプレートを作成し、音波の可能な時間と軌道を計算し、ソナーを最大効率で構成できます。

ソナーアンテナの設計

ソナー送信アンテナは、音の周波数範囲で振動し、音波を生成します。 音波を放射するアンテナの表面は、開口部と呼ばれます。

開口部は連続的で離散的です。つまり、多くの個別の放射要素があります。

個別の開口部は、多くの連続した開口部を含むと考えることができます。 個別のアパーチャの要素は、互いに一定の距離にあるため、それらから放射される波は異なる時間にターゲットに到達します。 この事実は、反射波の到達時だけでなく、音波の方向で波を生成するときに考慮されます。

開口部から放出される音波は周囲の水層に圧力をかけるため、開口部周囲の音波の圧力分布について話すことができます。これを音響ビームの形状と呼びましょう。 このフォームの例を次に示します。



音の振動は、他の振動と同様に、その弾性の性質により、最小値と最大値を持ち、互いに連続し、振幅が逆になります。 最初、波では、最小値と最大値は時間と空間で互いに一定の距離にあります。つまり、位相がシフトしています。 放射のために、音波は結合する傾向があり、異なる位相にあります。つまり、互いに増幅または相殺します。 これは干渉と呼ばれます。

上記の画像のサイドローブは、アンテナからのエネルギーが正面だけでなく隣接する方向にも分布しているために発生します。 干渉による最小値と最大値があります。 サイドローブは、メインローブとは異なる振幅と周波数を持ち、干渉を引き起こすため、望ましくありません。

ご想像のとおり、ビームは特定の空間角度で開きます。 水平面と垂直面で考えると、これらは2つの角度-垂直（仰角）と水平（方位角）です。 これらの角度を平面上で拡大することにより、梁の形状をより視覚的な形で表示できます。



開口部にはさまざまな幾何学的形状があり、異なるビームを生成します。 たとえば、上の図は、長方形の開口部のビーム形状を示しています。 また、直線状の開口部（一定の長さのセグメントに類似）、または放物面などの3次元形状の開口部もあります。 ビームの形状がどのように見えるか想像できます。 たとえば、円形の開口部の場合、サイドローブは放射状に減少し、上の図のように十字形ではありません。 放物面型の場合、主ローブの増加は、隣接するローブのために発生します。

上の図の中央にセクションがある場合、これが表示されます。





波長は、波が1回の振動で移動する距離です。 そして、彼女がこの距離を移動する時間を期間と呼びます。 ディスクリートアパーチャの2つの音響放射要素間の距離が波長の半分より大きくなると、サイドローブが増加し始め、波長がさらに減少すると、メインローブと同じ振幅の新しいローブが現れ、干渉を引き起こし、望ましくない事実です：信号が受信されると、未知どの花びらが原因です。



すべてのサイドローブがメインローブよりも小さい場合でも、追加の歪みが原因で望ましくありません。サイドローブの波もいくつかのオブジェクトから反射され、ソナーと反対方向に移動します。 したがって、音響放射中の両方のサイドローブと、反射信号を受信した場合の結果を低減する方法が開発されました。 主なアイデア：エネルギーをサイドローブからメインローブに移動させるために信号を生成する必要があります。これにより、振幅のサイドローブのレベルを下げます。 これは、信号が通過する事前定義されたパターン（いわゆる「ウィンドウ」）を使用して行われます。 最も効果的なパターンは、誇らしげに「チェビシェフウィンドウ」と呼ばれます。 以下の例では、チェビシェフウィンドウを通過した信号を斜体で示しています。





空間の特定の領域を探索するために、ソナーは必要な角度で回転し、それによってサウンドビームのメインローブの望ましい方向を実現します。 サウンドビームを正しい方向に向ける微妙な方法があります。



ソナーが信号を受信するように構成されている場合（「パッシブモード」と呼ばれる）、右の図で説明されている方法を使用できます。 調査した方向からの音は、異なる時間間隔で開口部の異なる要素に到達します。 希望するビーム方向に応じて、開口の各要素に対して必要な遅延が計算され、その結果、希望する方向から写真が撮影されます。 この方法は、広範囲の周波数の波が存在する信号、つまり「ブロードバンド」信号の受信に最適です。 ブロードバンド信号を使用する理由については、次の段落で説明します。





1つの周波数の信号、または非常に近い周波数範囲の信号は、狭帯域と呼ばれます。 狭帯域信号では、周期成分が見やすくなります。 このため、信号の1周期後、まったく同じ周期が再び開始されるため、信号が開口のさまざまな要素に到達するさまざまな時間間隔を計算する必要は特にありません。 情報が繰り返されます。 信号が到達する、または開口のさまざまな要素から放出される位相シフトのみを考慮して使用するだけで十分です。 このようにビームの方向を制御すると、アパーチャの要素で、異なる位相遅延で信号が送受信されます。 右側の図では、位相が変化したときにビームのメインビームがどのようにリダイレクトされるかを確認できます。 この方法は位相シェーディングと呼ばれ、パッシブソナーモードとアクティブソナーモードの両方に使用されます。

ソナーの中。 信号処理

内部では、すべてが正弦波パルス発生器から始まります。 一般的なジェネレーターは2つのコンポーネントで構成されています。 第一に、それは増幅器であり、その出力はそれ自体の入力に接続され（「正のフィードバック」）、そのために信号の振動偏差が発生します。 2番目のコンポーネントは電気フィルターです。 フィルターの内部にはインダクターとコンデンサーがあり、その抵抗は供給される信号の周波数に依存します。 特定の周波数では、抵抗が増加し、信号の通過を妨げます。 コイルとコンデンサのさまざまな組み合わせを使用して、発電機の出力で必要な周波数のスクリーニングが構成されます。



次は、説明したものと類似しているが、やや複雑なフィルターのグループです。 それらは振幅と位相のシェーディングに関与し、ビームの方向と形状を形成します（これはすべて上記で説明されています）。 それらの機能のいくつかは、時間の経過とともに検討されます。



信号はアンプとアンテナに送られ、そこで音になります。 放出された音信号は、一定の長さの時間を持ち、パルスと呼ばれます。 インパルスは調査中のオブジェクトに移動し、反射されてソナーに戻ります。 この時点でのソナーはパッシブモードにあり、パルスの戻りを待機します。パルスが再び電気信号に変換されます。 パルス持続時間は、ソナーからターゲットへ、またはその逆へのパルスの移動に費やされるはずの時間よりも短くする必要があります。そうしないと、受信機での結果が発信波と合計されます。

アンテナが放射する前に信号が通過するフィルターとプロセスをもう一度見てみましょう。 ただし、反射信号を受信した後、非常に類似した手順が待機します。

直交変調

音の周波数が高い（=波長が短い）ほど、ソナーの解像度は高くなります（より細かい要素を検出できます）。 一方、高周波は各振動でより少ないエネルギーを運ぶため、ノイズにさらされやすくなり、信号対ノイズ比が低下します。

1つの振動を個別に検討しましょう。 振幅の最大値と最小値を保持します。 この場合、最大振幅は情報を送信しますが、最小振幅は実際には使用されません。 検討中の信号を複製し、位相を90度シフトして元の信号と比較するとどうなりますか？ 2番目の信号の最大値は、最初の信号の最小値と同じレベルになります。 これら2つの信号が1つのチャネルで同時に送信される場合、それらの周波数は同じままですが、情報を送信する最大振幅は2倍頻繁に見つかるため、情報の飽和は2倍になります。 この2つの信号の同時送信は、直交変調と呼ばれます。 これはかなり一般的な手法であり、多くの電子機器で使用されています。

インパルス圧縮

ソナーアンテナの電力レベルは、もちろん、いくつかの制限によって制限されています。 ただし、信号のノイズが信号に与える影響を減らし、それにより分解能を高めるため、信号エネルギーができるだけ高くなることに関心があります。 より長いパルスを使用すると、同じエネルギーレベルを維持しながら、送信パルスのピーク電力を減らすことができます。 受信時、パルスは圧縮されて短いパルスになり、パルスのピーク電力が増加します。 圧縮後のパルスのピーク電力は、圧縮しない場合のピーク電力よりも何倍も高くなります。 送信前に、インパルスは到着時に圧縮されるのと同じ割合で長くなります。

線形周波数変調

左側にあるように信号が送信され、それに応じてセグメントXのように信号が受信されたと仮定します。この信号をセグメントY上の同様の信号と区別するにはどうすればよいですか？ 両方の信号は同じであり、時間だけシフトしているため、これを行うことはできません。 つまり、受信信号が対応する時間間隔の解釈に不確実性があるため、オブジェクトまでの距離に不確実性があります。



信号が右の図のようになっている場合、対応する時間間隔を区別することが可能になります。 この手法は、周波数が線形に増加または減少する場合、線形周波数変調と呼ばれます。

ガウスエンベロープ

前の段落では、干渉の影響下で発生するビーンローブが考慮されました。 これらの花びらは、3次元媒体内の音波の圧力分布を表しています。 低振幅の波はサイドローブに対応することに注意してください。 同時に、振幅は信号伝播範囲から減少します。 これまでのところ、各振動のピークが同じ振幅を持っていることを暗示してきました。 特定のルールに従って各振動の振幅を変更すると便利ですか？ もちろん、この場合、周波数が低減されたサイドローブの信号をさらに区別できるためです。 特定の周波数で送信信号と受信信号の振幅がどのように変化するかを比較し、矛盾を見つけることで、サイドローブから信号を遮断できます。

ドップラー効果

ビープ音が鳴ったときにハンドセットを近づけたり遠ざけたりすると、トーンの滑らかな変化を感じることができます。 これにより、知覚される音の周波数が変わります。 移動中に音の周波数を変更する効果は、ドップラー効果と呼ばれます。 電磁波のドップラー効果は、ここでは考慮されているものとは大きく異なります。なぜなら、電磁波の受信機と送信機の接触における第三者である媒体は存在しないからです。 音にとって、そのような環境は水です。

ソナーが取り付けられている船が動いている、または調査対象が動いていると想像した場合、受信信号の周波数はドップラー効果に従って変化すると結論付けることができます。 この場合、再び線形周波数変調が不確実性の原因であり、誤解を招く可能性があります。信号は周波数の変化によって時間間隔に結び付けられますが、ドップラー効果はこの周波数をさらに変化させます。

不確実性チャート

上記のように、2つの信号変調技術を同時に使用して、対象の研究対象パラメータの2つの不確実性を低減します。 最初の不確実性は、信号の時間遅延（物体までの距離）を区別するソナーの能力に関連し、2番目はドップラー効果（物体の速度）に関連しています。

下の図は、変調されていない信号の不確実性のレベルを示しています。横軸は時間遅延、縦軸は周波数です。 ここで、上記の理由により不確実性が発生します。サイドローブは、ドップラー効果に関連する不確実性を引き起こします（これは横方向の弧として見ることができます）。1つの色の形式は、範囲の推定に不確実性を示します。これは、受信信号が起因する可能性のある時間間隔のあいまいさによって説明されます（一定の周波数での各周期の不変性による）。不確実性チャートはソナーの解像度を直接反映します。



次のグラフは、線形に周波数変調された信号を示しています。時間に比例する周波数により、信号の時間遅延とターゲットまでの距離をより正確に決定することができます。周波数を変更するドップラー効果により、歪みが生じます。また、歪みはサイドローブによって発生します。



次のグラフは、ガウスエンベロープ（振幅変調）で線形に周波数変調された信号を示しています。これで、周波数のサイドローブを削除できます。これは、着信信号と発信信号の振幅を追加で比較し、サイドローブの振幅がメイン信号よりも小さいためです。



オブジェクトの範囲が拡大すると、信号の振幅はオブジェクトとの間で移動する間に比例的に減衰します。ドップラー効果も同じ信号に影響を与える場合、信号がどのような影響を受けたかが不明になります-範囲による振幅の減少（信号は元の周波数と一致してチェックされ、範囲の仮定は振幅の違いによって形成されます）、または（信号は元の振幅でチェックされ、周波​​数の違いによりオブジェクトの速度について結論が出されます）チャート上のこれらの2つの交差する評価戦略は、形状が斜めに引き伸ばされることで明確に表されます。

マッチングフィルター

受信した信号が元の信号と比較されることは何度も言及されています。これはマッチングフィルターで発生し、元の信号のコピーが含まれます。ここで、信号はフラグメントに分割されて比較されるだけでなく、元の信号と合計されるため、ターゲットへの移動中に信号が受けるノイズの量が減少します。ここでは、最初に信号の歪みが評価され、計算が行われます。これが歪みの原因です。たとえば、ターゲットへの移動中にパルスが分散する可能性を考慮した吸収モデルがあり、逆も同様です。ここで、パルスの圧縮が発生します。

高速フーリエ変換

フーリエ変換によれば、任意の信号（ノイズも）は、異なる周波数と位相の正弦波の合計として表現できます（より厳密には、スペクトル密度として表現できます）。周期的な信号である正弦波では、情報は何度も繰り返されます-周期ごとに同じことです。フーリエ変換後、これらの情報の繰り返しは消えます。高速フーリエ変換を使用すると、より少ない計算で変換を実行できます。整合フィルターでの計算は、圧縮された高速フーリエ変換信号で行われます。これには、数学演算を実行する特別なマイクロコントローラーが必要です。

アンテナに到着すると信号に何が起こるかを次に示します。

プリアンプおよびバンドパスフィルター、自動ゲイン制御=>直交復調=>アンチエイリアシングフィルターおよびデジタル変換=>マッチングフィルターへの切り替え（パルス圧縮、上記の手順、動き補償、マイクロナビゲーション、オートフォーカス、解像度を上げるための人工的な方法）=>画像処理（画像部分の形成、それらの組み合わせ、プログラム可能なターゲット検出および分類）=>モニター画面に表示します。

おわりに

どうやら、ダイビングは十分に深かったようですが、面白いと信じたいです。また、すべてが相互に関連してどのように機能するか、すべての詳細に原因と結果があることを示したかった-これが可能であったことを願っています。