Способ обнаружения движущихся объектов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к системам обнаружения объектов по электромагнитному полю, создаваемому их движением, и предназначено для обнаружения глубоководных аппаратов и других объектов, скрытых от прямого наблюдения. Изобретение основано на измерении магнитной или электрической составляющей переменного магнитного поля турбулентности и/или ударной волны, порожденной движением объекта, а также на одновременном измерении модуля вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, определении на основании результатов измерений частоты процессии протонов в магнитном поле Земли ω и магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля на частоте w по величине которых оценивается присутствие движущегося объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам обнаружения объектов по электромагнитному полю, создаваемому их движением, и предназначено для обнаружения батискафов, глубоководных аппаратов и других объектов, скрытых от прямого наблюдения.

Известны способ и устройство обнаружения движущихся объектов по создаваемому ими электромагнитному полю, широко используемые в магнитных минах и индукционных взрывателях ракет [1] Недостаток этого способа состоит в небольшой дальности обнаружения, обусловленной быстрым затуханием электромагнитного поля на больших дальностях.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором обнаружение подводных лодок, находящихся в погруженном состоянии, или загоризонтных низколетящих самолетов осуществляется путем измерения магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударными волнами, возникающими в процессе движения объекта [2] Устройство для осуществления этого способа содержит индукционный магнитоприемник, усилительную схему и блок индикации.

Однако этот способ и устройство для его осуществления характеризуется недостаточной дальностью обнаружения. Измерения выполняются в широкой полосе частот от 10 Гц до 100 кГц, что не соответствует физическим процессам формирования электромагнитного поля, энергия которого сосредоточена в основном в узких спектральных полосах. Необоснованно широкая полоса частот служит источником повышенного уровня шумов и обусловливает низкую помехоустойчивость, вследствие чего дальность обнаружения невелика.

Задача предлагаемого изобретения повышение дальности обнаружения.

Для этого в способе обнаружения движущихся объектов, включающем измерение магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударной волной, дополнительно измеряют модуль вектора магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, по измеренному значению модуля вектора магнитной индукции В определяют частоту прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω γ В, где γ гидромагнитное отношение протона, определяют значение магнитной (или электрической) составляющей переменного электромагнитного поля на частоте ω и по значениям упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта.

Решение задачи достигается также тем, что в схему устройства для реализации способа обнаружения движущихся объектов, содержащего индукционный магнитоприемник, усилительную схему, блок индикации и регистрации, введены преобразователь магнитной индукции в частоту, делитель частоты, 90-градусный фазовращатель, первый и второй фазочувствительные детекторы (ФЧД), блок вычисления модуля и пороговое устройство, причем информационные входы первого и второго ФЧД соединены с выходом усилителя, выход преобразователя магнитной индукции в частоту соединен с входом делителя частоты, к выходу которого подключен синхронизирующий вход первого ФЧД и через 90-градусный фазовращатель синхронизирующий вход второго ФЧД, к входам первого и второго ФЧД подключены входы блока вычисления модуля, выход которого соединен с входами блока индикации и регистрации непосредственно и через пороговое устройство.

Сущность способа и устройства характеризуется следующим составом признаков и последовательностью их осуществления: измеряют магнитную составляющую переменного электромагнитного поля, например, по сигналам индукционного магнитоприемника или электрическую составляющую переменного электромагнитного поля по сигналам разнесенных в пространстве электродов (операция прототипа); измеряют значение модуля вектора В магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, например, по сигналам квантового магнитометра (операция новая); определяют частоту прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω γ В (операция новая); определяют значение измеряемой составляющей переменного электромагнитного поля на частоте ω (операция новая); по значению упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта (операция прототипа с новым содержанием измеренного параметра).

Введение в известный способ новых операций обеспечивает повышение дальности. Значение составляющей электромагнитного поля определяется на частоте ω прецессии протонов водной массы. На этой частоте сосредоточена основная часть энергии электромагнитной волны, генерируемой турбулентностью и/или ударными волнами, порожденными движением объекта. Вместо широкой полосы частот прототипа измерения выполняются на наиболее информативной частоте, что обеспечивает существенное снижение уровня шумов и повышает помехоустойчивость. Обеспечивается возможность выделения слабых сигналов, обусловленных движением объектов на больших дальностях.

Теоретические основы предлагаемого способа состоит в следующем. Под воздействием турбулентности и ударных волн, порожденных движением объекта, происходит магнитная поляризация ансамбля атомов среды, например водной, при которой среда приобретает избыточный магнитный момент. Возникает прецессия магнитного момента вокруг вектора магнитного поля Земли, причем частота прецессии определяется значением модуля вектора магнитной индукции В и гиромагнитным отношением протона γ в соответствии с зависимостью ω γ В. (1) Так, с учетом значения γ 2,6751301˙10⁸ в магнитном поле Земли В 50 000 нТл, частота прецессии составляет 2128,8 Гц. Под влиянием теплового движения атомов избыточный магнитный момент разрушается и интенсивность прецессии падает по экспоненциальному закону и вновь возобновляется под влиянием новых турбулентностей и ударных волн. Гиромагнитное отношение протона является физической константой, известной с высокой точностью. Следовательно, для определения частоты прецессии достаточно измерить значение модуля вектора магнитной индукции В, который определяется по сигналу модульного магнитометра с высокой точностью. Этого достаточно для определения ω в соответствии с зависимостью (1) и избирательного детектирования сигнала прецессии на частоте максимальной энергии электромагнитной волны. Магнитная поляризация, порождаемая ударными волнами, принципиально может быть обнаружена непосредственно по показаниям модульного магнитометра путем измерения приращений магнитной индукции, однако эти приращения малы и их обнаружение на фоне шумов затруднительно. В отличие от прямого измерения магнитной поляризации по изменению модуля вектора магнитной индукции, измерения на частоте прецессии протонов возможны при более высоком отношении полезного сигнала к шумам, поскольку на частоте индукционный магнитоприемник обладает более высокой чувствительностью, по сравнению с модульным магнитометром, а уровень шумов при синхронном детектировании на фиксированной частоте достаточно низок.

На чертеже приведена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства для осуществления способа.

Устройство содержит индукционный магнитоприемник 1, усилитель 2, первый фазочувствительный детектор (ФЧД) 3, второй ФЧД 4, преобразователь 5 магнитной индукции в частоту, делитель 6 частоты, 90-градусный фазовращатель 7, блок 8 вычисления модуля, пороговое устройство 9 и блок 10 индикации и регистрации.

К выходу индукционного магнитоприемника 1 через усилитель 2 подключены информационные входы первого 3 и второго 4 ФЧД. К выходу преобразователя 5 магнитной индукции в частоту подключен делитель 6 частоты, выход которого соединен с синхронизирующим входом первого ФЧД 3 и через 90-градусный фазовращатель 7 соединен с синхронизирующим входом второго ФЧД 4. Выходы первого 3 и второго 4 ФЧД соединены с входами блока 8 вычисления модуля, выход которого через пороговое устройство 9 соединен с первым выходом блока 10 индикации и регистрации и соединен непосредственно с вторым входом блока 10 индикации и регистрации, являющегося выходным блоком устройства.

Принцип действия устройства состоит в следующем.

Индукционный магнитоприемник 1 выполнен в виде многовитковой рамки или катушки с ферромагнитным сердечником или без него. На выходе индукционного магнитоприемника формируется электрический сигнал в виде переменного напряжения с частотами электромагнитного поля, пропорционального его амплитудным значениям. Он представляет сумму полезного сигнала U_s(t) и помех U_n(t), создаваемых грозами, хозяйственной деятельностью, а также собственными шумами индукционного магнитоприемника
U(t) U_s(t) + U_n(t).

Полезный сигнал обусловлен магнитной составляющей переменного электромагнитного поля прецессии протонов морской среды, поляризованной ударными волнами, создаваемыми движением объекта. После усиления усилителем 2 сигнал поступает на информационные входы первого 3 и второго 4 ФЧД. Одновременно преобразователь 5 магнитной индукции в частоту, выполненный в виде квантового самогенерирующего магнитометра с оптической накачкой, формирует электрический сигнал в виде переменного напряжения, частота которого пропорциональна значению модуля вектора магнитной индукции. С выхода преобразователя 5 магнитной индукции в частоту сигнал поступает на вход делителя 6 частоты. Коэффициент деления частоты выбран таким образом, чтобы частота сигала на выходе делителя частоты ω была равна частоте прецессии протонов вокруг вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Сигнал с выхода делителя 6 частоты поступает на синхронизирующий вход первого ФЧД 3 и через 90-градусный фазовращатель 7 поступает на синхронизирующий вход второго ФЧД 4. Благодаря тому что частота напряжения, поступающего на синхронизирующие входы ФЧД 3 и 4, равна частоте прецессии, из суммы сигнала и помех выделяется только полезный сигнал в сумме с той незначительной частью помех, частота которой совпадает с частотой полезного сигнала. Сигналы, продетектированные каждым из двух ФЧД в отдельности, еще не служат однозначной характеристикой полезного сигнала, поскольку продетектированные сигналы зависят не только от амплитуды сигнала, но и от его фазы, которая неизвестна и может изменяться с течением времени. Это обусловлено тем, что значения модуля вектора магнитной индукции в морской среде, где возникает прецессия, и в месте нахождения преобразователя магнитной индукции в частоту могут отличаться вследствие неоднородности геомагнитного поля. Для исключения указанной неопределенности в устройстве вычисляется модуль полезного сигнала по двум его составляющим. Сигналы с выходов первого и второго ФЧД U₃ и U₄поступают на входы блока 8 вычисления модуля. Этот блок выполнен в виде микросхемы, представляющей собой программируемую микроЭВМ с аналоговыми устройствами ввода и вывода для цифровой обработки информации в реальном масштабе времени. Сигналы U₃ и U₄, поступившие на входе микросхемы, преобразуются в соответствующие их значениям коды и поступают на входы микроЭВМ. В соответствии с программой, записанной в ее память, выполняется вычисление модуля сигнала по двум его составляющим на основе соотношения
U
После преобразования кода в напряжение сигнал с выхода блока 8 поступает на вход порогового устройства 9, где сравнивается с пороговым значением, и в случае превышения порогового значения на выходе порогового устройства 9 формируется сигнал обнаружения, поступающий на первый вход блока 10 индикации и регистрации. Одновременно на второй вход блока 10 поступают сигналы U, пропорциональные значению модуля, что позволяет оператору идентифицировать объект путем сравнения сигнала с априорно известными сигналами от движущихся объектов разных классов.

Таким образом, в устройстве реализуется предлагаемый способ и благодаря синхронному детектированию сигнала на частоте прецессии протонов обеспечивается существенное повышение отношения полезного сигнала к уровню шумов, благодаря чему повышается дальность обнаружения.

При движении объекта в район с другим значением модуля вектора магнитной индукции изменяется частота полезного сигнала. Одновременно изменяется частота сигнала на выходе преобразователя магнитной индукции в частоту, в силу чего частота сигнала на синхронизирующих входах ФЧД остается равной частоте полезного сигнала и сохраняются условия оптимального приема несмотря на изменения частоты полезного сигнала в широком диапазоне.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения движущихся объектов, включающий измерение магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударной волной, отличающийся тем, что дополнительно измеряется модуль вектора магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, по измеренному значению модуля вектора магнитной индукции В определяется частота прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω = γB , где γ гидромагнитное отношение протона, определяют значение магнитной (или электрической) составляющей переменного электромагнитного поля на частоте w и по значениям упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта.

2. Устройство для обнаружения движущихся объектов, содержащее индукционный магнитоприемник, усилительную схему, блок индикации и регистрации, отличающееся тем, что в него введены преобразователь магнитной индукции в частоту, делитель частоты, 90-градусный фазовращатель, первый и второй фазочувствительные детекторы (ФЧД), блок вычисления модуля и пороговое устройство, причем информационные входы первого и второго ФЧД соединены с выходом усилителя, выход преобразователя магнитной индукции в частоту соединен с входом делителя частоты, к выходу которого подключен синхронизирующий вход первого ФЧД и через 90-градусный фазовращатель синхронизирующий вход второго ФЧД, к выходам первого и второго ФЧД подключены входы блока вычисления модуля, вход которого соединен с входами блока индикации и регистрации непосредственно и через пороговое устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1