Для розвитку рибного господарства дуже важливі сучасні гідроакустичні засоби забезпечення рибопромислового флоту, які постійно удосконалюються. Антена відповідальна частина більшості гідроакустичних приладів, обов'язкова складова їх проектування аналіз хвильового поля актуальна, але трудомістка дослідницька задача. Відомі методи її вирішення потребують значних витрат машинного часу на обчислення і не завжди володіють прийнятною точністю. Математична модель, представлена ​​авторами цієї статті, дозволяє більш ефективно вирішувати завдання аналізу хвильового поля гідроакустичної антеною решітки (Гідролокатора), розташованої в неоднорідному фізичному обсязі. В основі запропонованого підходу лежить метод спрямованих функцій Гріна, який дозволяє знизити вимоги до продуктивності обчислювальних машин, використовуваних для моделювання. Для обліку неоднорідностей задіяна класична теорія поширення акустичних хвиль в шаруватих середовищах. Для вирішення розглянутих у статті завдань названий метод застосовується вперше. На базі представленої моделі розроблені розрахункові алгоритми, що дозволяють виробляти чисельне моделювання хвильових полів в шаруватих середовищах. Працездатність пропонованих алгоритмів демонструється на прикладі розрахунку поля простий трьохелементної антеною решітки в морському середовищі, поблизу об'ємних акустичних неоднорідностей (Скупчень риб або інших гідробіонтів). Практичне значення одержаних результатів даного дослідження можливість застосування пропонованих нами алгоритмів для виконання інженерних розрахунків при проектуванні гідроакустичної техніки. Використання запропонованого підходу дозволяє скоротити витрати машинного часу без істотних втрат в точності результатів розрахунку.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Корчака Анатолій Володимирович, Ем Артем Олександрович, Короченцев Володимир Іванович


Mathematical model of fish finder sonar

One of the most important aspects of the development of fishing industry is availability and continuous improvement of up-to-date hydroacoustic means for fishing fleet. The crucial part of most hydroacoustic devices is the antenna. Analysis of its wave field is an integral part of design of any new device. All known methods of solving the aforesaid problem often require considerable computer time for calculations and do not always provide the acceptable accuracy. The purpose of this work is to develop computational algorithms as a solution for the problem of analyzing the wave field of the hydroacoustic antenna array (Sonar), located within inhomogeneous physical volume fishing zone, in the presence of biological clusters (shoals of fish). The proposed approach is based on the method of directed Green's functions, application of which reduces the performance requirements of computers used for modeling. The classical theory of acoustic wave propagation in layered media is applied in order to account for the inhomogeneities. In order to solve the problems considered herein, the said method has been used for the first time. Results have clearly demonstrated that the presented mathematical model is adequate to the purpose, on the basis of which computational algorithms are developed that enable numerical simulation of wave fields in layered environments. The efficiency of the proposed algorithms is demonstrated by the example of calculating the field of a simple three-element antenna array in marine environment, close to considerable volumes of acoustic inhomogeneities (accumulations of hydrobionts). The practical significance of the results of this work consists in the possibility of application of the developed algorithms both for educational purposes and for engineering calculations in the course of design of hydroacoustic equipment. Using the proposed approach allows to reduce the cost of computer time without significant losses in the accuracy of calculation results.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2020
    Журнал: Вісник Інженерної школи Далекосхідного федерального університету

    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ Рибопоїськовоє гідролокатора'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ Рибопоїськовоє гідролокатора»

    ?Фізичні поля корабля і океану

    DOI: http://www.dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2020-1-11 УДК 534.231 -14: 51: 639.2.081.7: 681.883.4

    А.В. Корчака, А.А. Ем, В.І. Короченцев

    КОРЧАКА АНАТОЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ - аспірант, AutorID: 1040423, SPIN: 8836-3439, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    ЕМ АРТЕМ ОЛЕКСАНДРОВИЧ - аспірант, AutorID: 1040463, SPIN: 2053-3840, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    КОРОЧЕНЦЕВ ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ - д.ф.-м.н., професор, завідувач кафедри, AutorID: 69973, SPIN: 5700-3169, ScopusID: 6603474562, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Кафедра приладобудування Інженерної школи Далекосхідний федеральний університет Суханова вул., 8, Владивосток, Росія, 690091

    Математична модель Рибопоїськовоє гідролокатора

    Анотація: Для розвитку рибного господарства дуже важливі сучасні гідроакустичні засоби забезпечення рибопромислового флоту, які постійно удосконалюються. Антена - відповідальна частина більшості гідроакустичних приладів, обов'язкова складова їх проектування - аналіз хвильового поля - актуальна, але трудомістка дослідницька задача. Відомі методи її вирішення потребують значних витрат машинного часу на обчислення і не завжди володіють прийнятною точністю. Математична модель, представлена ​​авторами цієї статті, дозволяє більш ефективно вирішувати завдання аналізу хвильового поля гідроакустичної антеною решітки (гідролокатора), розташованої в неоднорідному фізичному обсязі. В основі запропонованого підходу лежить метод спрямованих функцій Гріна, який дозволяє знизити вимоги до продуктивності обчислювальних машин, використовуваних для моделювання. Для обліку неоднорідностей задіяна класична теорія поширення акустичних хвиль в шаруватих середовищах. Для вирішення розглянутих у статті завдань названий метод застосовується вперше. На базі представленої моделі розроблені розрахункові алгоритми, що дозволяють виробляти чисельне моделювання хвильових полів в шаруватих середовищах. Працездатність пропонованих алгоритмів демонструється на прикладі розрахунку поля простий трьохелементної антеною решітки в морському середовищі, поблизу об'ємних акустичних неоднорідностей (скупчень риб або інших гідробіон-тов). Практичне значення одержаних результатів даного дослідження - можливість застосування пропонованих нами алгоритмів для виконання інженерних розрахунків при проектуванні гідроакустичної техніки. Використання запропонованого підходу дозволяє скоротити витрати машинного часу без істотних втрат в точності результатів розрахунку. Ключові слова: проектування антен, гідроакустичні антенні грати, аналіз хвильового поля, акустична неоднорідність, шарувата среда, функції Гріна, коефіцієнт відображення.

    Вступ

    Освоєння ресурсів Світового океану - одне з найважливіших напрямів економічного розвитку провідних морських держав. У нашій країні запаси багатьох видів водних біоресурсів (наприклад, сайри, оселедця і ін.) Не освоюють в повній мірі. Загальний обсяг видобутку не перевищує половини допустимого до вилову кількості гідробіонтів [4]. В теж

    © Корчака А.В., Ем А.А., Короченцев В.І., 2020 Про статтю: надійшла: 31.10.2019; фінансування: бюджет ДВФУ.

    діюча концепція розвитку рибного господарства України передбачає нарощування обсягів освоєння водних біологічних ресурсів за умови забезпечення раціонального їх використання. Важлива роль тут відводиться моніторингу стану запасів експлуатованих гідробіонтів, їх штучному відтворенню, а також наукових досліджень і розробок в галузі рибного господарства.

    Процес рішення таких задач складно уявити без використання гідроакустичних засобів (далі ГАС). Головні напрямки використання ГАС в промисловому рибальстві - пошук, виявлення та оцінка значущості біологічних скупчень в зоні промислу неможливі без розвитку засобів гідроакустичної телеметрії і телекерування [7]. Друге перспективний напрямок - використання гідроакустичних полів для управління поведінкою водних біооб'єктів з метою підвищення ефективності промислу [9]. Контроль стану запасів гідробіонтів, визначення успішності їх відгодівлі, відтворення і виживання також вимагають застосування гідроакустичної техніки.

    У нашій країні активно розробляються системи автоматичного гідроакустичного моніторингу водних біоресурсів. У загальному випадку така система являє собою мережу дослідних станцій, розташованих на промислових судах, інформація з яких збирається, обробляється і формується в карту, яка відображатиме підводний обстановку в конкретному районі [2, 3, 8].

    У сучасному світі процес проектування ГАС передбачає проведення комп'ютерного моделювання роботи її складових частин і пристрої в цілому. Даний підхід дозволяє на початковому етапі виконати детальний аналіз майбутньої конструкції, зводячи до мінімуму кількість необхідних натурних випробувань, що відповідно знижує вартість розробки. Основним елементом будь-якої ГАС є антенна решітка, орієнтована на отримання заданої діаграми спрямованості. Базова частина моделювання спеціалізованої антеною решітки - рішення задачі аналізу її хвильового поля, тобто визначення тиску в деякій точці (на деякій поверхні) по заданій геометрії і функції збудження.

    Існує безліч класичних методів вирішення названої завдання, значна частина яких докладно розглянута в роботах Н.Д. Смаришева, В.Б., Жукова та ін. Деякі з них порівняно прості і використані в різних інженерних додатках. Разом з тим близькість результатів моделювання хвильового поля до реальних характеристиками майбутньої антени обумовлена, зокрема, повнотою обліку різних чинників морського середовища. Введення обмежень (дно, поверхня води), облік неоднорідностей (скупчення біооб'єктів), облік відображення і заломлення сигналу на кордонах розділів і інші наближення до реальних умов неодмінно ведуть до ускладнення розрахункових моделей. Тут застосування класичних методів стає скрутним через значного збільшення вимог до продуктивності обчислювальних машин і неприпустимо великого часу розрахунку.

    Мета нашого дослідження - представити узагальнену математичну модель, що дозволяє описувати поле, створюване спрямованим випромінювачем в неоднорідному обсязі.

    Для цього нам необхідно вирішити такі завдання:

    - сформувати математичну модель рішення задачі аналізу хвильового поля гідролокатора в неоднорідному обсязі;

    - на основі моделі розробити розрахункові алгоритми чисельного моделювання хвильових полів в шаруватих середовищах.

    Для вирішення даної задачі авторами пропонується використання методу спрямованих функцій Гріна [5, 6], який дозволяє строго вирішити рівняння Гельм-гольця і ​​відповідне хвильове рівняння для замкнутих обсягів з відомими акустичними параметрами. Основний його принцип полягає в апроксимації випромінюваної сферичної хвилі віялом геометричних секторів, що ділять обсяг розташування джерела на кілька незалежних обсягів. При цьому є можливість вико-

    вання виразів для коефіцієнтів відбиття і заломлення, справедливих для кожного кутового сектора, що дозволяє строго розрахувати поле при змінюються від сектора до сектора акустичних параметрах кордону розділу середовищ. Застосування даного методу, ми вважаємо, значно спростить розрахункові формули, що дозволить знизити вимоги до продуктивності комп'ютерів, що використовуються для моделювання. У відомих підходах акустична неоднорідність часто замінюється кордоном розділу двох нескінченних напівпросторів. У даній роботі автори пропонують апроксимувати скупчення промислових об'єктів кінцевим шаром, а множинні скупчення на акваторії - шаруватої середовищем. Для обліку відображення і проходження сигналу ми використовували класичну теорію хвиль в шаруватих середовищах [1]: для вирішення конкретної практичної задачі вона застосовується вперше.

    Математична модель пріемоізлучающей системи

    Нехай в деякому обсязі існують два гармонійних поля, перше з яких створюється набором активних елементів (випромінювач), які віддають енергію в середу, друге -единичная джерелом (приймач), що знаходяться в точці М0 з координатами r0. У лінійному наближенні перше поле описується наступним рівнянням:

    ДФ (г) + k 2Ф (ГО) = -4щ (r). (1)

    Друге поле описується функцією G (r0, r)

    ДG (r0, r) + kG (r0, r) = -4nS {r -r0), (2)

    де

    k = 2n / X = ro / c - хвильове число,

    X - довжина хвилі,

    с - швидкість звуку в середовищі,

    ю - циклічна частота,

    q (r0) - щільність розподілу випромінювачів в обсязі W0,

    - r0) - дельта-функція Дірака.

    Функція Гріна, що задовольняє рівняння (2), буде мати вигляд

    G (r0, r) = g (r0, r) + iy (r), (3)

    де G (r0, r) - поле випромінювання сферичного або циліндричного ненаправленного випромінювача в безмежному просторі; г - вектор, що характеризує координати точки випромінювача; r0 - вектор, що характеризує координати точки спостереження (r і r0 виражаються через три ортогональні координати); у / (r) - функція розсіювання.

    При щ (Т) = 0 простір безмежно. Сферичну хвилю, що випромінюється у вільний простір, представимо у вигляді

    elk \ 7 - r \ eikR

    G (r0, r) = g (r0, r) = i- -i = ~ б ~. (4)

    r -rc | R

    Диаграммная спрямована функція Гріна представляється у вигляді наступного виразу:

    Jkr J до F (TT тт, J (UlX + U2y + гф2 -Щ-U?)

    G<M, M -) = - r = ^ 'l-LLu2VkrUFUr-dUdU ", (5)

    де: U = К cos в, U2 = k0 cos в sin р - узагальнений кутовий інтервал;

    в, ф - кути, що визначають верхню та нижню площині даного сектора;

    106 | www.dvfu.org.ua/vestnikis

    , 2к

    до0 = - хвильове число.

    Сектор спрямованості функції (5) в деякому інтервалі Ді

    1 при ^ < і < і1тах, і2т1П < і 2 < і2тах Г = < 0, в інших заначеніямі і верб зоні видимості (6)

    / (І) - в зоні уявних кутів

    Функція (5) буде основою для проведення чисельних експериментів. Остаточні вирази функцій Гріна для середовища розташування випромінювача (середа 3) і середовища, що знаходиться за зовнішньою межею шару (середа 1, див. Рис. 1), в загальному вигляді будуть даватися формулами (7) і (8) відповідно:

    --е е .ч

    03 (г, Го) = - + Г-, (7)

    До До

    ?к1Кпр

    О1 (Г, Г0) = е-№, (8)

    Я

    пр

    де

    R =

    r - Г

    Rnp =

    r - r

    'Пр' Про

    - координати точки спостереження щодо джерела;

    V - коефіцієнт відбиття хвилі від плоского шару;

    W - коефіцієнт проходження (прозорості) шару. В процесі моделювання поля антеною решітки, орієнтованої на виявлення, визначення щільності і інших параметрів скупчення промислових риб, до суттєвої помилку призводять відбиті сигнали. Відомо, що велика частина промислових гідро-Біонт (оселедець, скумбрія, сайра, та ін.) Веде стайня спосіб життя. Концентрація риб в зграї, як правило, висока. За даними [11, с. 49-54], щільність скупчення ставриди довжиною 16-18 см може досягати 70 особин на 1 м3 при розмірах зграї близько 2000 м3. Горизонтальні розміри скупчень змінюються в межах від десяти до декількох сотень метрів, а вертикальні найчастіше не перевищують 100 м. Біологічно багаті райони мають високу щільністю розподілу скупчень пелагічних риб - на одній акваторії в сотню квадратних кілометрів може існувати до кількох тисяч різнорідних зграй. Знаючи, що акустичні властивості тел риб, що живуть у водах Світового океану, відрізняються від властивостей морського середовища без гідробіонтів, пропонується представляти скупчення морських організмів у вигляді об'ємної океанічної неоднорідності (шару), а ділянку акваторії з множинними скупченнями риб замінити шаруватої середовищем. З огляду на типові розміри біоскопленій, припустимо вважати кордон розділу вода-зграя локально-плоскою і використовувати для розрахунків класичну теорію поширення звуку в шаруватих середовищах [1].

    При заміні скупчення морських організмів шаром імпеданс крайніх середовищ будуть однаковими, тому коефіцієнт відображення від шару набуде вигляду

    Z 2 - Z2

    V = _Z Zl __ (9)

    Z2 + Z22 + 2iZlZ2ctgk2yd

    Вираз для коефіцієнта прозорості шару:

    1+ V

    cos к2 d - i (ZjZ2) (Z2 + Z3) sin k2 d '

    де Zi, Z2, Z3 - імпеданс середовищ;

    d - товщина шару;

    k2 - хвильове число для шару.

    Постановка задачі

    Розглянемо практичну задачу проектування Рибопоїськовоє гідролокатора. Припустимо, що в морській воді з акустичним імпедансом 23 = Z ^, поблизу зграї промислових риб розташована лінійна еквідистантним гідроакустична антенна решітка М0, що складається з трьох елементів, з координатами: х1 = 0,3 м, х2 = 0,4 м, х3 = 0,5 м; в1 = у2 = у3 = 5 м (рис. 1). Хвиля, яку випромінює сукупністю елементів, падає під довільним кутом на об'ємне скупчення риб, яке представимо у вигляді шару завтовшки е з опором Z2. У прямокутній системі координат передбачається, що площину ХГ збігається з верхньою межею шару 2, а площину ху збігається з площиною падіння хвилі.

    Мал. 1. Схематичне зображення розглянутої задачі. Тут і далі малюнки авторів.

    Потрібно визначити:

    а) тиск, що створюється антеною гратами в середовищі її знаходження, в точці М з координатами г;

    б) тиск, що минув крізь шар біологічних об'єктів, в точці Мпр з координатами ГПР .

    Моделювання та результати

    В якості біологічної шару розглядається скупчення морських лучеперих риб сімейства ставридових товщиною 5 м в поперечному перерізі. Щільність і швидкість звуку для шару взяті за даними [10]. Акустичні характеристики морського середовища прийняті в розрахунку: р = 1030 кг / м3, з = 1618 м / с.

    Комп'ютерне моделювання розподілу тиску, створюваного антеною гратами, проводиться в програмному середовищі MathCad. Графічна функція п-го елемента антеною решітки, яка враховує складову, відображену від біологічного шару, має вигляд

    (Х) = ехр (* ((* - *) + (у - *) і Уї - Х ^ і

    (Z1 (х)) 2- (Z 2 (X}) 2

    (Z 2 (х)) 2 + (х)) 2 + 2 ^ 2 (х ^ 1 (х) еог

    л

    к8т (х 2-

    1 360

    хехр (/ ((х-х ") 4К2 -і2) + (у-уп) і) иі, де Рп - тиск, що створюється п-м випромінювачем;

    (11)

    ВІСНИК ІНЖЕНЕРНОЇ ШКОЛИ ДВФУ. 2020. № 1 (42)

    F (U) =

    граничні умови.

    1 ifUmin < U < Uma 0 otherwise Вихідні дані: частота f = 0,5 кГц; довжина хвилі X = 3,236 м; вихідне тиск P = 1 Па;

    координати точки спостереження (М): хм змінюється в межах: 0-1000 м, з кроком 2 м; Розум = 1 м.

    Розрахункова залежність тиску від відстані, створювана першим елементом антеною решітки в точці спостереження М, наведена нижче.

    Графіки розподілу тиску, отримані для другого і третього елемента, мають значну схожість з розподілом (рис. 2) і в цій роботі не наводяться.

    Мал. 2. Розподіл поля першого елемента антеною решітки (х1 = 0,3 м, у1 = 5 м), з урахуванням відображення від шару гідробіонтів.

    Графічне представлення поля, створюваного сукупністю всіх елементів даної антеною решітки в точці спостереження М, наведено на рис. 3.

    Мал. 3. Сумарне поле антеною решітки з урахуванням відображення від шару гідробіонтів.

    Графічна функція п-го елемента антеною решітки, яка використовується для розрахунку розподілу тиску, який пройшов крізь шар гідробіонтів, має вигляд

    Ur F (U) р (x) = 1, \ x Umin V k2 - U2

    1 + V

    cos

    k sin

    f f x

    2n

    \\ Л d

    v V360jj J

    - i

    Z2 (x) Zi (x)

    sin

    k sin

    x

    d

    V v360JJ j

    xexp

    i ((x - x ") Vk2 - U2) + (y - yn) U) dU.

    (12)

    x

    V

    F (U) =

    граничні умови;

    де Pn - тиск, що створюється n-м випромінювачем;

    1 if Umin < U < Um 0 otherwise

    V - коефіцієнт відображення (див. Вирази (9), (11)).

    Початкові дані:

    частота f = 0,5 кГц;

    довжина хвилі X = 3,236 м;

    вихідне тиск P = 1 Па;

    координати точки спостереження (МПР): хмпр змінюється в межах: 0-1000 м, з кроком 2 м; .Умпр = -8 м.

    Результат розрахунку тиску, створюваного першим елементом антеною решітки в середовищі 1 (точка Мпр), наведено на рис. 4. Картини розподілу тиску, створювані другим і третім елементами, схожі з розподілом рис. 4 і не наводяться.

    Мал. 4. Розподіл поля першого елемента антеною решітки (х1 = 0,3 м, у1 = 5 м),

    що пройшов крізь шар гідробіонтів.

    Залежність тиску, що генерується сукупністю трьох елементів в точці спостереження Мпр, від відстані представлена ​​на рис. 5.

    Мал. 5. Сумарне поле антеною решітки з урахуванням відображення від шару гідробіонтів.

    Аналіз графіків (малюнки 2 і 3) показує, що закономірність зниження рівня тиску подібна сферичному закону, що, за попередніми оцінками, відповідає поведінці гідроакустичного сигналу в реальному морському середовищі.

    висновок

    Отже, ми представили узагальнену математичну модель, що дозволяє описувати поле, створюване спрямованим випромінювачем в неоднорідному обсязі. Введено коефіцієнти відображення і прозорості плоского шару. На підставі моделі розроблений рас-

    парний алгоритм вирішення задачі моделювання хвильового поля гідроакустичної антеною решітки, розташованої поблизу зграї промислових риб. Працездатність алгоритму перевірена при моделюванні поля лінійної трьохелементної антеною решітки.

    До переваг розрахункової моделі можна віднести доступність апаратного і програмного забезпечення, швидкість розрахунку, до недоліків - допущення про статичності характеристик шарів, зневага складової поля, що поглинається середовищами.

    Пропоновані нами алгоритми можуть бути використані для теоретичної (попередньої) оцінки розподілу тиску випромінювачів в неоднорідних шаруватих середовищах, а також послужити основою для розробки або удосконалення інженерних методик проектування гідроакустичного обладнання в разі підтвердження їх ефективності результатами натурних експериментів, які ми плануємо провести. Використання запропонованого підходу дозволить скоротити витрати машинного часу без істотних втрат в точності результатів розрахунку.

    Надалі ми припускаємо вдосконалити представлену модель для обліку поглинання, реалізації алгоритму розрахунку швидкості коливань елементів, а також для здійснення зіставлення результатів моделювання з власними експериментальними даними.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Бреховских Л.М. Хвилі в шаруватих середовищах. М .: Наука, 1973. 340 с. URL: http://www.geo-kniga.org/bookfiles/geokniga-brexovskix-lm-volny-v-sloistyx-sredax-2e-izd-nauka-1973ruk300dpi343sgsps.pdf (дата звернення: 15.10.2019).

    2. Дегтев А.І., Шевляков Е.А., Малих К.М., Дубинін В.А. Досвід оцінки чисельності молоді та виробників тихоокеанських лососів гідроакустичним методом на шляхах міграції в прісноводних водоймах // Известия ТІНРО. 2012. Т. 170. С. 113-135.

    3. Долгов А.Н., Гончаров С.М., Кудрявцев В.І. Про створення гідроакустичних засобів для автоматичного моніторингу водних біоресурсів // Известия ПФУ. Технічні науки. 2009. № 6 (95). С. 165-169.

    4. Концепція розвитку рибного господарства Російської Федерації на період до 2020 року: схвалено розпорядженням Уряду Російської Федерації вiд 02 вересня 2003 року, № 1265-р. URL: http://www.szrf.org.ua/szrf/doc.phtml?nb=100&issid = 1002008030000&docid = 106 (дата звернення: 07.05.2019).

    5. Короченцев В.І. Хвильові задачі теорії спрямованих і фокусують антен. Владивосток: Дальнаука, 1998. 192 c. URL: https://search.rsl.org.ua/ru/record/01000575643 (дата звернення: 01.10.2019).

    6. Короченцев В.І., Губко Л.В., Мироненко М.В., Горас І.В. Тривимірна неоднорідна модель морського середовища // Известия ПФУ. Технічні науки. 2016. № 10 (183). С. 65-79.

    7. Кудрявцев В.І. Розвиток засобів гідроакустичної телеметрії і телекерування в рибохо-дарської галузі // Праці ВНИРО. 2018. Т. 170. С. 153-183.

    8. Кузнєцов М.Ю. Гідроакустичні методи і засоби оцінки запасів риб і їх промислу. Ч. 1. гідроакустичні засоби і технології їх використання при проведенні біоресурсних досліджень ТІНРО-Центру // Известия ТІНРО. 2013. Т. 172. С. 20-51.

    9. Кузнєцов М.Ю., Кузнецов Ю.А. Гідроакустичні методи і засоби оцінки запасів риб і їх промислу. Ч. 2. Методи і засоби промисловий біогідроакустікі // Известия ТІНРО. 2016. Т. 184. С. 264-294.

    10. Шишкова Є.В. Дослідження акустичних характеристик тіла риб // Праці ВНИРО. 1958. Т. 36. С. 259-269. URL: http://www.vniro.org.ua/ru/izdatelstvo/periodicheskie-izdaniya/trudy-vniro/ar-khiv-publikatsij (дата звернення: 13.10.2019).

    11. Яржомбек А.А. Спосіб життя і поведінку промислових риб. М .: ВНИРО, 2016. 200 с.

    FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2020. N 1/42

    Physical Fields of Ship and Ocean www.dvfu.org.ua/en/vestnikis

    DOI: http://www.dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2020-1-11 Korchaka A., Yem A., Korochencev V.

    ANATOLY KORCHAKA, Postgraduate, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., ARTYOM YEM, Postgraduate, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    VLADIMIR KOROCHENTSEV, Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Professor, Head of Department, ScopusID: 6603474562, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Department of Instrument Engineering, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091

    Mathematical model of fish finder sonar

    Abstract: One of the most important aspects of the development of fishing industry is availability and continuous improvement of up-to-date hydroacoustic means for fishing fleet. The crucial part of most hydroacoustic devices is the antenna. Analysis of its wave field is an integral part of design of any new device. All known methods of solving the aforesaid problem often require considerable computer time for calculations and do not always provide the acceptable accuracy. The purpose of this work is to develop computational algorithms as a solution for the problem of analyzing the wave field of the hydroacoustic antenna array (sonar), located within inhomogeneous physical volume - fishing zone, in the presence of biological clusters (shoals of fish) . The proposed approach is based on the method of directed Green's functions, application of which reduces the performance requirements of computers used for modeling. The classical theory of acoustic wave propagation in layered media is applied in order to account for the inhomogeneities. In order to solve the problems considered herein, the said method has been used for the first time. Results have clearly demonstrated that the presented mathematical model is adequate to the purpose, on the basis of which computational algorithms are developed that enable numerical simulation of wave fields in layered environments. The efficiency of the proposed algorithms is demonstrated by the example of calculating the field of a simple three-element antenna array in marine environment, close to considerable volumes of acoustic inhomogeneities (accumulations of hydrobionts). The practical significance of the results of this work consists in the possibility of application of the developed algorithms both for educational purposes and for engineering calculations in the course of design of hydroacoustic equipment. Using the proposed approach allows to reduce the cost of computer time without significant losses in the accuracy of calculation results.

    Keywords: antennas designing, hydroacoustic antenna array, analysis of the wave field, acoustic heterogeneity, layered medium, Green's functions, reflection coefficient.

    REFERENCES

    1. Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. Moscow, Nauka, 1973, 340 p. URL: http://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-brexovskix-lm-volny-v-sloistyx-sredax-2e-izd-nauka-1973ruk300dpi343sgsps.pdf - 15.10.2019.

    2. Degtev A.I., Shevlyakov E.A., Malykh K.M., Dubynin V.A. Experience in estimating the number of juveniles and producers of Pacific salmon by hydroacoustic method on migration routes in freshwater reservoirs. Izvestiya TINRO. 2012; 170: 113-135.

    3. Dolgov A.N., Goncharov S.M., Kudryavtsev V.I. On the creation of hydroacoustic means for automatic monitoring of water biological resources. Izvestiya of Southern Federal University. Engineering Sciences. 2009 (95): 165-169.

    4. The concept of development of fishery of the Russian Federation for the period until 2020: approved by the order of the Government of the Russian Federation of September 2, 2003 N 1265-r. URL: http://www.szrf.org.ua/szrf/doc.phtml?nb=100&issid = 1002008030000&docid = 106 - 07.05.2019.

    5. Korochentsev V.I. The wave theory of directed tasks and focusing antenna. Vladivostok, Dalnauka, 1998, 192 p. URL: https://search.rsl.org.ua/ru/record/01000575643 - 01.10.2019.

    6. Korochentsev V.I., Gubko L.V., Mironenko M.V., Gorasev I.V. The three-dimensional heterogeneous model of the marine environment. Izvestiya of Southern Federal University. Engineering Sciences. 2016 року; 10: 65-79.

    7. Kudryavtsev V.I. Development of hydroacoustic telemetry and remote control in the fisheries industry. Trudy VNIRO. 2018 (170): 153-183.

    8. Kuznetsov M.Yu. Hydroacoustic methods and tools for assessing fish stocks and fisheries. Part 1. Hydroacoustic equipment and technologies for their use in conducting biological resources investigations of TINRO-Centre. Izvestiya TINRO. 2013 (172): 20-51.

    9. Kuznetsov M.Yu., Kuznetsov Yu.A. Hydroacoustic methods and tools for assessing fish stocks and fisheries. Part 2. The methods and means of fishery hydroacoustics. Izvestiya TINRO. 2016 року; 184; 264-294.

    10. Shishkova E.V. Investigation of the acoustic characteristics of the fish body. Trudy VNIRO. 1958; 36: 259-269. URL: http://www.vniro.org.ua/ru/izdatelstvo/periodicheskie-izdaniya/trudy-vni-ro/arkhiv-publikatsij - 13.10.2019.

    11. Jarzombek A.A. Lifestyle and behavior of commercial fish. Moscow, VNIRO, 2016, 200 p.


    Ключові слова: ПРОЕКТУВАННЯ АНТЕН / Гідроакустичні антенними гратами / АНАЛІЗ хвильового поля / АКУСТИЧНА неоднорідність / шаруватого середовища / ФУНКЦІЇ ГРІНА / КОЕФІЦІЄНТ ВІДБИТТЯ / ANTENNAS DESIGNING / HYDROACOUSTIC ANTENNA ARRAY / ANALYSIS OF THE WAVE FIELD / ACOUSTIC HETEROGENEITY / LAYERED MEDIUM / GREEN'S FUNCTIONS / REFLECTION COEFFICIENT

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити