Эхолокатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна

 

Изобретение относится к акустическим локационным системам и предназначено для поиска объектов вблизи протяженной поверхности раздела в рыбном промысле придонной и приповерхностной рыбы, для поиска плавающих объектов, в морской археологии, геологии (поиск железно-марганцевых конкреций), для контроля подводных коммуникаций (трубопроводы, кабели и т. п.) и др. Для повышения надежности обнаружения полупогруженных и погруженных объектов, увеличения дстанции поиска, повышения производительности и снижения трудоемкости поисковых работ в устройство, содержащее генаратор низкой частоты и генератор высокой частоты, приемник, индикатор, последовательно соединенные ключ, усилитель мощности, коммутатор прием-излучение и обратимый электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, вход которого подключен к второму выходу коммутатора, стабилизированную платформу, механически соединенную с обратимым электроакустическим преобразователем, введены балансный модулятор, два входа которого соединены с выходами генераторов, низкочастотный звукоприемник, к выходу которого подключен приемник, соединенный с индикатором, к выходу индикатора подключены импульсный генератор и измеритель временных интервалов, к выходу которого последовательно подключены преобразователь время-напряжение и усилитель постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом генератора низкой частоты, пороговая схема, включенная между выходом предварительно усилителя и вторым входом измерителя временных интервалов, выход импульсного генератора соединен с управляющим входом ключа. 3 ил.

Изобретение относится к акустическим локационным системам и предназначено для поиска объектов вблизи протяженной поверхности раздела (дно, поверхность вода/воздух и др.): в рыбном промысле (придонной и приповерхностной рыбы), для обнаружения плавающих объектов, в морской археологии, в морской геологии (при поиске и оценке залежей железо-марганцевых конкреций (ЖМК)), при прокладке и эксплуатации подводных коммуникаций (трубопроводы, кабели и др.), в поисковых работах, в неразрушающем контроле.

Известны способ и устройство геофизической разведки морского дна, предназначенные для поиска на дне ЖМК. Дно исследуется посредством излучения с буксируемого транспортного средства двух первичных звуковых пучков с близкими по величине частотами, которые наклонены вниз под углом 20-65^о и перпендикулярно направлению движения. Пучки перекрываются в небольшом секторе, направленном вертикально вниз, и образуют в нем параметрическую антенну. Энергия обратного рассеяния первичных пучков принимается и отображается на регистраторе, ее интенсивность указывает на наличие или отсутствие на дне конкреций. Эхо-сигналы разностной частоты используются для построения профиля поддонной области.

Недостатком описанного устройства является мешающее влияние сильного эхо-сигнала от дна, приходящего одновременно со слабыми сигналами от конкреций, что вызвано наличием вертикально ориентированных пересекающихся секторов, дающих сильный эхо-сигнал от дна. Недостатком также является невозможность применения в первичных пучках достаточно низких для проникновения в грунт частот и обнаружения там объектов, что вызвано ограниченными весогабаритными возможностями буксируемого носителя и трудностями реализации эффективного взаимодействия на низких частотах. Невозможен также поиск объектов на дне с больших расстояний из-за расширения озвучиваемого пятна на поверхности дна и увеличения мешающего эхо-сигнала от дна, что выразилось в использовании буксируемого транспортного средства. Кроме того низкая эффективность обнаружения полупогруженных или полностью погруженных в дно объектов, что объясняется малой площадью обратного рассеивания частично скрытых в грунте объектов при наклонном падении звукового пучка и угловой зависимостью коэффициента прохождения звуковых сигналов через границу вода/дно.

Известен интерференционный гидролокатор нелинейного типа, предназначенный для обнаружения объектов вблизи дна (морских мин), содержащий два разнесенных преобразователя для одновременного излучения двух высокочастотных сигналов с частотами f₁ и f₂. Прием эхо-сигналов осуществляется на разностной частоте решеткой из гидрофонов, сигнал с которых после обработки подается на индикатор. Волны частотой f₁ излучаются обоими преобразователями синфазно, а волны частотой f₂ излучаются этими же преобразователями противофазно. Это приводит к образованию многолепестковой интерференционной характеристики направленности на разностной частоте.

К недостаткам описанного устройства следует отнести ограниченную область применения, а именно поиск объектов вблизи дна и исключительно над дном, поскольку поиск на дне и в грунте исключен из-за наличия мешающего влияния донных эхо-сигналов от различных лепестков характеристики направленности.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является обнаружитель морских мин. Устройство состоит из стабилизированной платформы на буксируемом устройстве, двучастотного излучающего тракта и двучастотного приемного тракта, которые через коммутатор прием-излучение соединены с обратимым электроакустическим преобразователем, свзязанным механически с электродвигателем сканирования и преобразователем параметров движения в напряжение, программатора, связанного с приемным и излучающим трактами и электродвигателем, индикатора, связанного с программатором, выходом приемного тракта и преобразователем параметров сканирования в напряжение.

Излучающий тракт устройства состоит из последовательно соединенных первого генератора, первого ключа, предварительного усилителя и усилителя мощности, выход которого нагружен на коммутатор прием/излучение, последовательно соединенных второго генератора и второго ключа, нагруженного на выход предварительного, первой линии задержки, нагруженной на управляющий вход второго ключа, вход которой соединен с управляющим входом первого ключа.

В приемный тракт входят усилитель, к выходу которого подключены, во-первых, последовательно соединенные первый фильтр, первый приемник и третий ключ, во-вторых, последовательно соединенные второй фильтр, второй приемник и четвертый ключ, первая схема ВАРУ, подключенная к управляющему входу первого приемника, вторая схема ВАРУ, подключенная к управляющему входу второго приемника, первый мультивибратор, соединенный одним выходом с управляющим входом третьего ключа, а вторым выходом соединен с вторым мультивибратором, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа.

В программатор входят последовательно соединенные тактовый генератор, генератор развертки, первый дифференциатор, третий мультивибратор, второй дифференциатор, вторая линия задержки, нагруженная на управляющий вход тактового генератора, третья и четвертая линии задержки, соединенные с выходом тактового генератора, компьютер, первый вход которого соединен с датчиком глубины, второй вход с генератором сигнала сканирования, а выход соединен с управляющим входом второй линии задержки и электродвигателем, выход третьего мультивибратора соединен с управляющим входом первой линии задержки, выход генератора развертки соединен с входом развертки индикатора, выход тактового генератора соединен с управляющим входом первого мультивибратора, выход третьей линии задержки соединен с входом первой схемы ВАРУ, выход четвертой линии задержки с входом второй схемы ВАРУ.

Выход преобразователя параметров сканирования в напряжение соединен с информационным входом индикатора. Выходы третьего и четвертого ключей соединены с сигнальным входом индикатора.

Излучающий тракт обнаружителя мин формирует и излучает в воду следующие друг за другом два импульса с достаточно сильно разнесенными частотами. Для расширения полосы поиска на дне звуковой пучок направлен под углом к поверхности дна и сканирует в секторе 120^о. Сигнал высокой частоты предназначен для поиска объектов над дном и на дне, а сигнал низкой частоты используется для обнаружения погруженных в дно объектов. С целью расширения обследуемой полосы дна буксируемый носитель движется на небольшом удалении от дна. О наличии или отсутствии объекта судят по амплитуде эхо-сигналов. Аномальное увеличение амплитуды свидетельствует о наличии объекта.

Недостатками прототипа являются невозможность эффективного поиска с больших расстояний, поскольку из-за большого времени распространения сигнала поперечное сканирование звуковым пучком приводит к частичной или полной потере эхо-сигналов направленным звукоприемником; низкая надежность обнаружения полупогруженных и погруженных объектов, обусловленная мешающим влиянием эхо-сигналов от дна и уменьшением коэффициента прохождения сигнала через границу вода/дно с увеличением угла падения; низкая производительность и высокая трудоемкость поисковых работ с помощью описанного устройства, обусловленные наличием буксируемого носителя, что предполагает трудоемкие операции его спуска, подъема, буксировки на заданном расстоянии от дна с помощью специальных механических устройств, а также ограничениями на погодные условия, при которых возможна буксировка.

Цель изобретения обеспечить надежное обнаружение объектов специального и хозяйственного назначения в области морского дна при условии мешающего влияния эхо-сигнала от дна, особенно на дне и в грунте; исключить жесткую привязку к поверхности дна приемоизлучающих антенн, обеспечить возможность обследования дна с борта надводного судна или другого надводного носителя; упростить процесс поиска, свести к минимуму эксплуатационные расходы и непроизводительные потери времени.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности обнаружения полупогруженных и погруженных в дно объектов, увеличение дистанции поиска, увеличение производительности и снижение трудоемкости поисковых работ.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее генератор низкой частоты и генератор высокой частоты, приемник, индикатор, последовательно соединенные ключ, усилитель мощности, коммутатор прием-излучение и обратимый электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, вход которого подключен к второму выходу коммутатора, стабилизированную платформу, механически соединенную с электроакустическим преобразователем, введены балансный модулятор, два входа которого соединены с выходами генераторов, низкочастотный звукоприемник, к выходу которого подключен приемник, соединенный с индикатором, к выходу индикатора подключены, во-первых, импульсный генератор, во-вторых, измеритель временных интервалов, к выходу которого последовательно включены преобразователь время/напряжение и усилитель постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом генератора низкой частоты, пороговая схема включена между выходом предварительного усилителя и вторым входом измерителя временных интервалов, выход импульсного генератора соединен с управляющим входом ключа.

Известно, при нормальном падении на плоскую границу и отражении от нее волны со сферическим волновым фронтом на поверхности границы образуются фазовые зоны, называемые зонами Френеля, в виде колец радиусами r_n (1) где λ- длина волны; h расстояние между излучателем, границей и приемником; n номер зоны.

Эхо-сигналы от соседних зон Френеля в точке приема, находящейся на акустической оси пучка и совпадающей с фазовым центром излучателя, имеют фазы, отличающиеся на 180^о. Если падающая на дно волна со сферическим фронтом ограничена внутри конуса, в основании которого сформировалась совокупность из первых двух зон (области А и Б на фиг. 1), то амплитуда эхо-сигнала в точке приема будет равна нулю, поскольку эхо-сигналы от первой и второй зон противофазны и вычитаются. Таким образом достигается устранение мешающего эхо-сигнала от поверхности отражающей границы. При наличии перед границей, на границе или за границей (полагаем ее полупроницаемой для звуковых волн) объекта с иными отражательными свойствами (волновое акустическое сопротивление, геометрическая форма, конечные волновые размеры и др.), чем у озвучиваемого участка границы, амплитуда эхо-сигнала в точке приема будет отлична от нуля и пропорциональна разнице отражательных свойств дна и объекта (объект С на фиг. 1). Таким образом, любой объект, на поверхности которого в силу какой-либо из причин не сформировались две зоны Френеля, вызовет отклик в виде эхо-сигнала в точке приема, эхо-сигнал от дна будет предельно ослаблен при выполнении условия F k , (2) где F частота рабочей воны; С₀ скорость звука в среде (в воде);
h расстояние до дна;
2 Θ угол раскрыва ограничивающего конуса (угол раскрыва характеристики направленности излучающей антенны);
k ≈ (0,7-1,5) экспериментально определяемая постоянная.

Роль ограничивающего конуса для излучаемой волны выполняет лепесток характеристики направленности параметрической антенны (ПА). В качестве рабочей волны в ПА используется волна разностной частоты (ВРЧ), частота которой равна разности частот волн накачки F f₂ f₁. Оба условия использование ПА и ВРЧ позволяет выполнить условие (2) благодаря известному свойству ПА сохранение постоянной ширины характеристики направленности (2Θ) (ВРЧ) в широком диапазоне разностной частоты F. Если расстояние до дна изменяется в силу рельефа, то равенство (2) будет сохраняться, если при условии 2 Θ соnst частота ВРЧ будет изменяться в противоположном направлении. Для перестройки частоты ВРЧ достаточно незначительно изменить частоту накачки, что достигается изменением частоты модуляции балансно-модулированного сигнала, используемого в качестве накачки. Значение частоты ВРЧ согласно условию (2) зависит от расстояния до дна, которое определяется по величине задержки эхо-сигнала накачки от дна. Задержка эхо-сигнала накачки в каждом конкретном случае значения расстояния до дна Δt служит мерой для изменения частоты модуляции.

Таким образом, предлагаемый эхо-локатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна не имеет ограничений, связанных с расстоянием до дна и взаимным расположением объекта и дна, поскольку положенный в основу его работы способ устранения мешающего влияния эхо-сигналов от дна не зависит от расстояний излучатель/дно и дно/объект. Использование нормального лоцирования дна исключает потери энергии эхо-сигналов от погруженных в дно объектов, связанные с угловой зависимостью коэффициента прохождения звуком границы вода/дно. Поскольку для нормальной работы эхо-локатора не нужен буксируемый вдоль дна носитель, то отпадает необходимость бортового оборудования для спуска, подъема и буксировки, исключаются непроизводительные затраты времени на опускание и подъем носителя, а также простой оборудования в период неблагоприятных для буксирования погодных условий.

На фиг. 1 приведена структурная схема эхо-локатора; на фиг. 2 спектрограммы, показывающие динамику частот накачки (f₁, f₂) и ВРЧ (F) при изменении расстояния до дна (h₂ > h₁); на фиг. 3 эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Эхо-локатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна состоит из генератора высокой частоты 1 и генератора низкой частоты 2, выходы которых подключены к первому и второму входам балансного модулятора 3, последовательно соединенного с импульсным генератором 5, усилителем мощности 6, коммутатором прием-излучение 7 и обратимым электроакустическим преобразователем 8. К второму выходу коммутатора 7 последовательно присоединены предварительный усилитель 9, пороговая схема 10, измеритель временных интервалов 11, преобразователь время/напряжение 12 и усилитель постоянного тока 13, выход которого соединен с управляющим входом генератора низкой частоты 2. Низкочастотный звукоприемник 14 последовательно соединен с приемником 15 и индикатором 16, выход которого соединен, во-первых, с импульсным генератором 5 и, во-вторых, с вторым входом измерителя 11. Стабилизированная платформа 17 механически связана с преобразователем 8 и звукоприемником 14.

Работает схема следующим образом.

Непрерывные электрические колебания U₁ высокой частоты f₀ с выхода генератора высокой частоты 1 и непрерывные электрические колебания U₂ низкой частоты (F/2) с выхода генератора низкой частоты 2 поступают на балансный модулятор 3. Непрерывный балансно-модулированный сигнал U₃ (двучастотный сигнал f₁ и f₂, см. фиг. 2) с выхода модулятора 3 поступает на ключ 4, где под действием управляющего сигнала U₄ с выхода импульсного модулятора 5 преобразуется в радиоимпульсы с балансно-модулированным заполнением U₅. Радиоимпульсы усиливаются усилителем мощности 6 и после прохождения коммутатора 7 поступают на электроакустический преобразователь 8 и излучаются в среду. За счет квадратичного характера нелинейности в среде происходит квадратичное акустическое детектирование излученного сигнала (сигнала накачки), т.е. генерация волны разностной частоты (ВРЧ) частотой F f₂ f₁. Эхо-сигналы ВРЧ, отразившиеся от объектов, расположенных над дном U_6.1 и в приповерхностном слое дна U_6.2, принимаются низкочастотным звукоприемником 14, расположенным на акустической оси преобразователя 8, проходят обработку в приемнике 15 и поступают на индикатор 16. В индикаторе 16 эхо-сигналы от объектов отображаются и регистрируются. Эхо-сигналы накачки принимаются преобразователем 8, проходят коммутатор 7, усиливаются в предварительном усилителе 9 и поступают на пороговую схему 10, которая срабатывает только на сильные эхо-сигналы от дна U_7.2, не пропуская слабые эхо-сигналы U_7.1 (от рыб и других объектов над дном). Выходной сигнал пороговой схема 10 U₈ поступает на вход триггерной схемы измерителя измерения временных интервалов 11. На второй вход измерителя 11 подается синхроимпульс U₉ с выхода индикатора 16. Измеритель временных интервалов 11 вырабатывает импульс U₁₀ длительностью, равной времени задержки эхо-сигнала накачки от дна U_7.2 относительно момента излучения. В преобразователе вре- мя-напряжение 12 импульс U₁₀ преобразуется в постоянное напряжение U₁₁, которое усиливается в усилителе постоянного тока 13 и подается на управляющий вход генератора низкой частоты 2. Низкочастотный генератор 2 вырабатывает частоту F/2, которая соответствует условию (2) формирования на поверхности дна двух зон Френеля. При изменении расстояния до дна автоматически изменяется частота генератора 2 (см. фиг. 2). Индикатор 16 осуществляет синхронизацию работы устройства и задает частоту следования импульсов излучения синхроимпульсами, подаваемыми на импульсный генератор 5. Стабилизирующая платформа 17 удерживает электроакустический преобразователь 8 и низкочастотный звукоприемник 14 ориентированными акустической осью по нормали к поверхности дна, устраняет влияние качки корабля.

Формула изобретения

ЭХОЛОКАТОР ДЛЯ ПОИСКА ОБЪЕКТОВ ВБЛИЗИ ДНА, НА ДНЕ И В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДНА, содержащий генератор низкой частоты и генератор высокой частоты, приемник, индикатор, последовательно соединенные ключ, усилитель мощности, коммутатор прием излучение и обратный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, вход которого подключен к второму выходу коммутатора, стабилизированную платформу, механически соединенную с электроакустическим преобразователем, отличающийся тем, что в него введены балансный модулятор, два входа которого соединены с выходами генераторов, низкочастотный звукоприемник, к выходу которого подключен приемник, соединенный с индикатором, к выходу индикатора подключены импульсный генератор и измеритель временных интервалов, к выходу которого последовательно подключены преобразователь время напряжение и усилитель постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом генератора низкой частоты, пороговая схема, включенная между выходом предварительного усилителя и вторым входом измерителя временных интервалов, выход импульсного генератора соединен с управляющим входом ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3