1.2. Реверберационная помеха

В различных эхолокационных устройствах важным и опасным видом помех является реверберационная помеха [3]. Реверберационная помеха – это случайный нестационарный процесс, вызываемый рассеянием излученного информационной системой сигнала на статистических неоднородностях среды (пузырьки воздуха, водоросли, живые организмы в морской среде; зерна металла, неоднородности композитных материалов, керамики в дефектоскопии и др.). Она встречается довольно часто, например при приеме телевизионных сигналов в условиях плотной застройки. Реверберационная помеха сильнее всего сказывается в акустических локационных системах, а также в радиоволновых эхолокационных системах неразрушающего контроля (НРК). Действительно, хотя в радиолокации и есть помеха, в некотором роде подобная реверберации и называемая фоном от местных предметов, распространение радиоволн происходит в основном в относительно однородной среде. В то же время в гидроакустике и в неразрушающем контроле сигналы распространяются, как правило, в сильно неоднородных средах. Поэтому если в радиолокации реверберационная помеха учитывается только в некоторых специальных задачах, в гидроакустике и дефектоскопии она является, как правило, доминирующей помехой при работе эхолокационных систем.

Вместе с тем, в ряде практических задач наличие реверберационной помехи является полезным. Так, при прозвучивании металлических изделий реверберация несет информацию о среднем размере зерен металла, что позволяет проводить анализ структуры материала.

В дефектоскопии реверберационную помеху часто называют структурной. Следует отметить, что в ряде случаев трудно установить четкую границу между структурными неоднородностями и дефектами. Действительно, для ряда применений крупнокристаллическая структура металла является недопустимой. Недопустимой зачастую является и межкристаллитная коррозия, когда происходит окисление границ отдельных кристаллитов. Хотя здесь нет дефектов в обычном понимании, такое явление приводит к значительному снижению прочности материала и подлежит выявлению.

В гидроакустике реверберационную помеху часто разделяют на три основных вида:

1. Объемная реверберация, обусловленная рассеянием зондирующего сигнала на структурных, температурных и иных неоднородностях среды во всем объеме, озвучиваемом зондирующими сигналами.

2. Граничная или поверхностная реверберация, обусловленная рассеянием на неровностях границ среды, в которой происходит распространение акустических сигналов.

3. Реверберация от слоя, обусловленная рассеянием на неоднородностях, распределенных в относительно тонком слое, полностью охватываемом характеристикой направленности излучающей системы.

В системах НРК наибольшее значение имеет первый вид реверберационной помехи – объемная. Граничная реверберация имеет место в случае, когда сигнал распространяется вдоль поверхности изделия, имеющей неровности, например если контроль ведется на поверхностных или нормальных волнах. Наконец, реверберация от слоя обычно рассматривается не как помеха, а как полезный сигнал, так как слой с повышенным содержанием неоднородностей зачастую должен рассматриваться как дефект.

Рассмотрим механизм образования объемной реверберационной помехи. Простейшей моделью здесь является дискретная каноническая модель. При этом реверберационная помеха представляется как сумма элементарных сигналов, рассеянных однородно распределенными рассеивателями. Обычно считают, что вторичное рассеяние отсутствует, т. е. элементарный рассеянный сигнал от i-го рассеивателя на своем пути к приемнику не встречается с другими рассеивателями. Это условие достаточно хорошо выполняется практически во всех задачах гидроакустики. При большой концентрации рассеивателей такое предположение дает согласующиеся с экспериментом результаты в случае, когда средние размеры элементарных рассеивателей значительно меньше длины волны. В этом приближении сигнал реверберации

где N(t) – число элементарных рассеянных сигналов, образующих сигнал реверберации в момент t; s_ip(t) – сигнал, создаваемый в точке приема i-м рассеивателем.

Если элементарные рассеиватели настолько малы, что не изменяют форму зондирующего сигнала s(t), то

где _i – случайный коэффициент рассеивания для i -го рассеивателя, t_i – случайный момент прихода в точку приема i-го сигнала; M(t_i) – функция, описывающая убывание амплитуды сигнала в процессе распространения в среде, обычно детерминированная функция, учитывающая дифракционное расхождение фронта волны и ее затухание (t_i – двойное время распространения фронта сигнала; но в момент t будет приниматься также “хвост” сигнала от отражателя, время распространения до которого и обратно t_i < t ) . При этом полный сигнал реверберации

.

Если зондирующий сигнал записать как аналитический:

,

то сигнал реверберации в точке приема

.

Исключая отсюда множитель , можно получить выражение для комплексной огибающей сигнала реверберации

,

где – комплексная огибающаяi-го рассеянного сигнала; – комплексная огибающая зондирующего сигнала;– множитель, учитывающий задержку прихода i-го сигнала.