Способ реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн (ппа)

 

Изобретение относится к области способов реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, в частности параметрических антенн с трехволновым механизмом взаимодействия плоских волн, и может быть использовано для контроля областей взаимодействия волн, определения их границ: протяженности поля бестелесной антенны, а также для определения основных энергетических параметров антенн: характеристик направленности и коэффициентов концентрации и полезного действия. В точках с известными фиксированными координатами приемников принимают и измеряют сигналы акустического давления и сигналы колебательной скорости по установленному направлению, определяют векторы интенсивности потоков мощности, по которым образуют плоскости сечений поля антенны и находят пространственные координаты местоположения элементарных акустических фононов, а изображение поля реконструируют по совокупности мест положения фононов на каждой из плоскостей сечений. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности определения поля антенны. 2 з.п.ф-лы, 1 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к области способов реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, в частности параметрических антенн с трехволновым механизмом взаимодействия плоских волн, и может быть использовано для контроля областей взаимодействия волн, определения их границ, протяженности поля бестелесной антенны, а также для определения основных энергетических параметров антенн: характеристик направленности и коэффициентов концентрации и полезного действия.

Полем гидроакустической интерференционной антенны считают совокупность первичных измерительных преобразователей, которые обеспечивают непрерывное или дискретное преобразование нормальной составляющей колебательной скорости активной поверхности от точки к точке антенны. Соответственно антенны называют непрерывными или дискретными. Пространственная избирательность таких гидроакустических антенн образуется вследствие интерференции - сложения гармонических сигналов, имеющих одинаковую частоту, но в общем случае различные амплитуды и фазы.

Поэтому и непрерывные и дискретные антенны по конфигурации геометрического образования - поля антенны, объединяющего активные преобразующие элементы антенны, подразделяют на линейные, поверхностные и объемные.

Конфигурацию поля интерференционных гидроакустических антенн выбирают либо из конструктивных соображений, либо из условий соответствия волновому полю, создаваемому внешним источником [1]. Поэтому полем антенны считают также внешнее изотропное пространство в момент времени t, которое характеризуется звуковым давлением P(r,t) и вектором колебательной скорости V(r,t), где r - расстояние. Расчет поля осуществляется суммированием полей отдельных точечных источников звуковых колебаний.

Таким образом, в последнем случае задача определения поля антенны разрешается математически и сводится к нахождению решения Гельмгольца в частных производных, зависящего от координат внешнего пространства, условий излучения излучателя, а также от граничных условий [2]. Другим аналитическим подходом к определению поля является способ, основанный на применении математического аппарата функции Грина, устанавливающей соотношение между поверхностным и объемным интегралами, определяющее потенциал скорости в точке r внешнего пространства через значения потенциалов и его производных на поверхности S и плотности G(r) источников звука в некотором объеме, т.е. если потенциал скорости источников звука в объеме внешнего по отношению к антенне пространства известен, то функция Грина определяет параметры поверхности через значения потенциала и его производной [3].

Параметрическими антеннами (бестелесными) называют такие, пространственная избирательность которых образуется в области взаимодействия волн разностной частоты, излучаемых на близких частотах мощным генератором накачки, и сигнальной волны слабого источника, возникающей при нелинейном механизме интерференции [4].

Нелинейная параметрическая антенна содержит излучающий преобразователь сигнала накачки - мощный источник звуковых волн и приемный преобразователь антенны, расположенные на расстоянии L (базе) антенны и обычно скрепленные друг с другом так, чтобы их линия центров совпадала с их акустической осью. Высокочастотный излучатель накачки создает в среде пучок интенсивных волн, обычно двух близких по частоте, изменяющих параметры среды в сторону нелинейных соотношений. Под некоторым углом к акустической оси антенны распространяется сигнальная волна, которая энергетически взаимодействует с волной накачки в нелинейной среде, в результате чего параметры сигналов изменяются. Приемный преобразователь антенны принимает модулированную волну накачки (параметрический усилитель) или сложную волну с частотой, трансформированной в иную область частотного спектра (параметрический генератор или параметрический фильтр) - это зависит от условий взаимодействия, среды, соотношения энергий, частот и др. параметров, после обработки которой схемами селекции выделяют волну сигнала.

Таким образом, в отличие от "телесных" антенн параметрические антенны не имеют поля антенны как совокупности электроакустических преобразователей, однако поле антенны существует в виде совокупности элементарных энергетических ячеек взаимодействия волн - акустических фононов, которые при параметрическом процессе возникают как продукт распада энергии волн при трехволновом взаимодействии.

Фонон - квант колебательного движения атомов [5]. Волну колебаний можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой, зависящей от k. Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу Ф. Колебательная энергия атомов может принимать значения, равные где ε₀ - энергия основного состояния квазичастицы, ћ - постоянная Планка.

Это означает, что при фононном образовании энергий каждая элементарная ячейка является квазиэлементарным излучателем.

У параметрической антенны также определяют характеристику направленности как нормированное поперечное распределение амплитуды волны разностной частоты [6].

Таким образом, полем гидроакустической параметрической антенны является область взаимодействия волн, где протекают процессы фононного распада.

Известен способ [1] для определения поля линейных интерференционных антенн, состоящий в эмпирическом выборе конфигурации и параметров поля антенны, исходя из конструктивных соображений.

Недостатком способа является невозможность его применения для параметрической приемной антенны, поскольку последняя является бестелесной.

Известен способ [1] для определения поля антенны аналитически либо путем вычисления поля внешнего источника посредством уравнения Гельмгольца, либо посредством функции Грина [3].

Недостатком аналитических способов является необходимость знать внешний по отношению к антенне источник, параметры которого априори неизвестны и могут произвольно изменяться. Кроме того, при определении поля антенны обязательно предполагается, что объемные источники звука отсутствуют, что является лишь частным случаем условий генерации звука в гидроакустическом волноводе. В случае же нелинейной параметрической приемной антенны пока вообще не разработан адекватный математический аппарат идентификации параметров нелинейной среды, параметров и энергетических процессов фононного распада в условиях нелинейного акустического взаимодействия волн объемным и/или поверхностным характеристикам поля параметрической антенны.

Наиболее близким к предлагаемому является энергетический способ [9], используемый для локализации источников звука по величинам векторов интенсивности плотности потоков акустической мощности, основанный на направленном приеме акустических волн в точках пространства двумя приемниками звукового давления, совмещенных в одном преобразователе, расположенными на малом расстоянии друг от друга и содержащими соединенные последовательно предварительные усилители, полосовые фильтры и аналого-цифровые преобразователи, подключенные к выходам приемников. Выход одного из аналого-цифровых преобразователей подключен к входу блока регистрации через соединенные последовательно своим первым входом первый сумматор, интегратор, блок умножения и блок усреднения, и к первому входу второго сумматора, выход которого соединен с другим входом блока умножения. Выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом второго сумматора и с инверсным входом первого.

Данным способом осуществляется приближенное определение колебательной скорости частиц в направлении распространения звука путем интегрирования по времени разностей звукового давления в двух точках с известным взаимным расстоянием. После усиления, полосовой фильтрации и квантования определяются значения, пропорциональные сумме и разности значений звукового давления, которые делятся на пропорциональные значения расстояний между приемниками. В результате вычисляются значения колебательной скорости в отдельных частотных полосах.

Произведения колебательных скоростей и давления образуют векторы интенсивности звука, которые зависят от ориентации приемников.

Максимальные и минимальные значения величин интенсивности получаются, если акустические оси приемников совпадают или ортогональны линии, соединяющей акустический центр источника звука и линии, соединяющей приемники.

Этим способом можно определить направление положения источника акустического сигнала по вектору интенсивности плотности потока мощности, являющегося энергетической характеристикой источника колебаний.

Недостатком данного способа [9] является невозможность определения координат местоположения источника и, следовательно, невозможность реконструкции пространственных изображений полей параметрических приемных антенн в гидроакустической среде.

Целью изобретения является определение пространственных координат местоположения элементарных излучателей - акустических фононов в нелинейной области взаимодействия волн - полей параметрических приемных антенн, а также реконструкция и визуализация изображения поля как совокупности координат местоположения фононов.

Поставленная цель достигается тем, что по способу реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, заключающемуся в приеме и измерении приемниками с известными фиксированными координатами в "m" точках на лучевых траекториях от источника внутри области поля сигналов колебательной скорости и давления и построении в тех же координатах кривых годографов поля, сигналы колебательной скорости измеряют двумя приемниками направленного действия, расположенными в одной плоскости на известном фиксированном расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по два векторных приемника, диаграмма одного из векторных приемников совпадает с осью направленного приема, а другого - ортогональна ей, и приемников давления, приемники давления совмещены с центрами направленных приемников, направление приема одного из приемников колебательной скорости выбирают по углу ориентации оси направленного приема к линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны и по углу относительно плоскости горизонта, по измеренным сигналам определяют вектор интенсивности плотности потока акустической мощности в точке измерений и производительность элементарного излучателя, и, сканируя углами от -π до π ориентации направленного приема другого преобразователя, по величине потока акустической мощности добиваются равенства производительностей элементарных излучателей первого и второго преобразователей, по величине расстояния между направленными приемниками и углам ориентации направленного приема находят пространственные координаты первого источника сигналов, "n" раз изменяют угол направленного приема первого преобразователя и, сканируя углами приема второго, находят пространственные координаты 2...n источников сигналов, по траекториям лучей образуют плоскость сечений поля параметрической приемной антенны, пространственное изображение поля антенны строят по совокупности пространственных координат точек элементарных излучателей для плоскостей одноименных сечений. Углы положения направленных приемников к плоскости горизонта изменяют в пределах от -π до π с каждой из сторон поля параметрической приемной антенны относительно плоскости, проведенной через нормаль к линии центров. Прием акустических сигналов осуществляют по "q" парам направленных преобразователей с "l_q" базовыми расстояниями между ними.

Авторам не известны способы, обладающие свойствами заявленного, а также имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявленный способ от прототипа.

Поэтому авторы считают, что предложенный способ при его практическом применении позволит точно определять пространственные объемы и формы полей параметрических приемных антенн, реконструировать и визуализировать их изображение со сколько угодно высокой разрешающей способностью, а также определять основные энергетические характеристики полей: их диаграммы направленности, коэффициенты концентрации и коэффициенты полезного действия за счет: - двух направленных преобразователей колебательной скорости, расположенных в одной плоскости на известном фиксированном расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по два векторных приемника, диаграмма направленности одного из векторных приемников совпадает с осью направленного приема, а другого - ортогональна ей, и приемников давления, совмещенных с центрами каждого из направленных приемников, что обеспечивает определение в точках поля антенны пространственно - временных энергетических характеристик его элементарных излучателей - фононов и пространственных координат этих излучателей; - введения блоков ориентации оси приема направленных приемников по углам к линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, что обеспечивает определение относительных пространственных координат излучателей на длине базы антенны; - блоков ввода углов ориентации направленного приема к плоскости горизонта с каждой из сторон поля параметрической приемной антенны относительно плоскости, проведенной через нормаль к линии центров, что обеспечивает определение относительных пространственных координат элементарных излучателей в плоскости сечения поля антенны по углам к горизонту; - введения блока измерения азимутального угла положения базы параметрической приемной антенны и соответственно базы направленных приемных преобразователей, что позволяет определять относительные географические координаты положения излучателей; - непосредственного и точного определения векторов интенсивности плотности потоков мощности как произведений величин колебательной скорости на величину давления в точках приема первого и второго направленных приемников и производительностей элементарных излучателей, построения по ним плоскостей сечений поля антенны и определения пространственных координат местоположения точек элементарных излучателей; - изменения 1...n направлений приема сигналов первым направленным преобразователем по углам к линии центров излучателя накачки и приемного преобразователя параметрической антенны в плоскостях относительно плоскости горизонта с углами от -π до π и управляемого по алгоритму равенства производительностей элементарных излучателей, изменения направлений приема второго, что позволяет неограниченно варьировать разрешающей способностью определения координат точек местоположения излучателей, реконструировать пространственное изображение поля параметрической антенны как совокупности точек местоположения излучателей и визуализировать реконструированное изображение в форме несимметричного, в общем случае, тела вращения;
- использования "q" пар направленных приемных преобразователей с различными "l_q" величинами базовых расстояний между приемниками, что обеспечивает достоверность определений координат излучателей в статистическом смысле и минимизирует погрешность.

Сущность предложенного способа заключается в том, что в точках с известными фиксированными координатами первого и второго приемников, расположенных вне поля параметрического взаимодействия волны накачки и сигнальной волны параметрической приемной антенны, принимают и измеряют сигналы акустического давления, а сигналы колебательной скорости принимают и измеряют по предварительно ориентированным осям направленного приема, лежащим в одной плоскости, по измеренным сигналам определяют вектор интенсивности плотности потока акустической мощности первого приемника в первой точке поля и производительность первого элементарного излучателя, и, сканируя углами направленного приема второго, по величине потока мощности находят излучатель с той же производительностью, что и первого, по которым находят пространственные координаты элементарного излучателя сигналов, по парам траекторий лучей образуют плоскости сечений поля параметрической приемной антенны с соответствующими им излучателями, а пространственное изображение поля параметрической приемной антенны реконструируют по совокупности мест положения излучателей на каждой из плоскостей сечений.

Основным физическим механизмом, объясняющим сущность параметрической приемной антенны, является механизм трехволнового взаимодействия. Если имеются две волны с частотами ω₁ и ω₂ и волновыми числами k₁ = ω₁/c₁, k₂ = ω₂/c₂, которые создают третью волну ω₃, k₃ = ω₃/c₃, где c₁, c₂, с₃ - скорости волн, то в квантовомеханическом представлении этот процесс можно объяснить как процесс слияния плоских волн ω₁, k₁ и ω₂, k₂ с энергиями фононов ћω₁, ћω₂ и квазиимпульсами ћk₁, ћk₂, где ћ - постоянная Планка.

Одна из волн ω₁ - волна накачки, или высокочастотная, или низкочастотная. Она должна быть мощной. Для этих волн должно выполняться соотношение ω₁±ω₂ = ω₃, k₁±k₂=k₃, представляющее собой закон сохранения фононов.

В случае слияния двух фононов образуется результирующий фонон ω₃, k₃, причем должны быть выполнены условия синхронизма. Однако условия синхронизма возникают тогда, когда среда обладает дисперсионными свойствами.

Перетекание энергии волны накачки в слабую волну сигнала представляет собой распадный процесс, т.е. фонон ћk₁ распадается на два фонона ћk₂ и ћk₃, [8].

Таким образом, возникающие поверхностные и объемные продольные и поперечные волны, образующиеся при распадном фононном механизме взаимодействия, создают поле колебаний - поле параметрической антенны, у которого невозможно выделить пакеты регулярных волн, соответствующих отражающим и преломляющим горизонтам.

Однако определение энергетических характеристик поля [7] путем одновременного измерения в точках приема сигналов акустического давления Р и сигналов колебательной скорости V и вычисления вектора интенсивности плотности потока мощности Умова-Пойтинга как произведения I(t)=P(t)•V(t) и определение производительности элементарного излучателя как решения системы уравнений

позволяет установить направление и величину радиуса-вектора r₁ до точки возникновения волны - местоположения элементарного излучателя от первой точки приема.

Сканируя углами направленного приема второго направленного приемника и измеряя соответствующие величины давления и колебательной скорости для второй точки приема, направления вектора потока мощности и величину радиуса-вектора r₂, можно определить по величине потока акустической мощности во второй точке приема из условия равенства, [7],

полагая производительности Q источника, измеренные из первой и второй точек, равными.

Для этого волны излучателей принимают по предварительно ориентированным по сторонам света и определенным по углам осям V_x, V_y, V_z (i - номер точки приема), и вычисляют значения векторов I_i - интенсивности плотности потоков акустической мощности:



по направлениям которых из точек приема определяются координаты точек возбуждения.

Поскольку измерение сигналов осуществляется в точках пространства с предварительно установленными относительными географическими координатами, то это позволяет точно определить взаимные расстояния между всеми i - точками приема. Зная направление векторов - интенсивности плотности потоков мощности в каждой из i - точек приема и взаимные расстояния между ними, можно сочетать их попарные комбинации, которые позволяют образовывать треугольники ABS - плоскости сечения с известными пространственными углами α и β по направлениям векторов в точках А и В приема и с известной l - стороной между ними. Решения треугольников ABS для каждой из пар комбинаций позволяют определить пространственные координаты третьей вершины s_i треугольника - точки возбуждения волны в поле антенны.

Если x₁, y₁, z₁ и x₂, y₂, z₂ - соответственно пространственные координаты первой и второй точек приема, a -соответственно компоненты векторов интенсивности в первой и второй точках приема, то пространственные координаты третьей вершины (x₀, у₀, z₀) треугольника определяются из решения системы уравнений:

Точное знание координат третьей вершины для комбинаций пар точек приема при изменении плоскостей сечений поля антенны углами поворота Θ осей направленного приема позволяет реконструировать полное поле параметрической антенны как совокупности точек местоположения элементарных излучателей в объеме.

Таким образом, плоскости, образованные парами прямых, секут пространство поля антенны.

Перемещение по плоскости сечения поля антенны положения точек излучателей волн при фононном распаде может достигаться различными средствами: как путем переноса направленных приемных блоков параллельно линии центров антенны, так и перемещением направлений углов α их осей приема в соответствующей плоскости сечения поля антенны и в вертикальной плоскости Θ для изменения плоскости сечения по величине угла Θ к плоскости горизонта.

В поле измерений из m•n точек приема и точек излучения источников сигналов может быть образовано множество плоскостей по парам сочетаний из "m" приемников по два. Совместное распределение плоскостей сечений и точек излучателей образуют первое приближение поля параметрической приемной антенны. Последующие приближения будут получены при изменении в пространстве координат либо приемников, либо источников, либо и тех и других как последовательно, так и одновременно.

Таким образом, относительно малое число приемных средств позволяет получить сколько угодно большое число данных для реконструкции изображения поля антенны.

Данный способ позволяет избежать недостатков, свойственных известным способам, его практическая реализация достигается путем измерения величины давления в той же точке пространства, где измеряется колебательная скорость, причем измерения колебательной скорости должны проводиться по осям, предварительно ориентированным в пространстве.

Кроме того, для реконструирования трехмерного изображения поля антенны положение точек приема относительно точек излучения сигналов необходимо изменять, чтобы начала линий проекций секущих плоскости образовывали бы некоторую замкнутую кривую, например, окружность. Тогда поле антенны может быть реконструировано в форме некоторого тела вращения.

Данный способ принципиально может быть реализован с помощью всего лишь двух блоков направленных приемных преобразователей, однако повышение точности и достоверности результатов реконструкции изображения поля антенны будут достигаться с увеличением числа приемных блоков, которое может быть неограниченно большим, числа дискретных значений координат, их положения в пространстве, а также с увеличением числа наблюдений точек излучения.

На чертеже приведена схема измерений и обработки результатов, представляющая собой пример конкретного выполнения способа.

Способ реализуется следующим образом.

На некоторой глубине Z, вблизи поля параметрической приемной антенны 1, образованной излучателем 2 накачки и приемным преобразователем 3 антенны, соединенных между собой жесткой связью 7 так, чтобы линия центров излучателя и приемника не могла изменить своего положения, в пределах чувствительности первого 4 и второго 5 направленных приемников, с левой или с правой стороны поля антенн размещают опускаемый блок 6, который устанавливают параллельно плоскости, проходящей через линию центров и нормаль к ней.

Первый 4 и второй 5 направленные приемные преобразователи содержат соответственно первые 8, 10 и вторые 9, 11 приемники колебательной скорости - векторные приемники, причем диаграммы направленности первых 8 и 10 векторных приемников совпадают с осью направленного приема, а вторых векторных приемников 9 и 11 ортогональны оси направленного приема. Первый 4 и второй 5 направленные приемные преобразователи установлены на внешней поверхности опускаемого блока 6 и могут неодновременно изменять свое пространственное положение на любые углы соответственно α и β от -π до π, находясь только в одной плоскости. Направленные преобразователи 4 и 5 содержат также приемники давления соответственно 12 и 13, совмещенные с центрами преобразователей.

Плоскости расположения приемных преобразователей 4 и 5 относительно горизонта могут составлять углы Θ и изменяться также в пределах от -π до π посредством как изменения глубины Z положения опускаемого блока 6, так и по управлению положением приемников.

После подачи на вход излучателя 2 мощного сигнала накачки и при поступлении под некоторым углом ϕ к линии центров антенны слабого сигнала от внешнего источника 14, например, от подводной лодки, в пространстве между излучателем 2 и приемником 3 параметрической приемной антенны возникает поле 1 бестелесной антенны в соответствии с механизмом трехволнового взаимодействия.

Система, реализующая алгоритмы реконструкции пространственного изображения поля бестелесной антенны, содержит также блоки 15 установок угла γ - азимута, служащего для привязки визуализированного изображения поля 1 параметрической приемной антенны к сетке географических координат, блок 16 величины L - базы антенны, блоки 17, 18 углов Θ, учитывающие положения плоскостей сечения поля 1 антенны и сторону относительно вертикальной плоскости, проведенной через нормаль к линии центров излучателя 2 и приемника 3, и блок 19, учитывающий l_q базы направленных приемников 4 и 5, если параметр их базы может изменяться или если направленных приемников q - пар.

Значения углов α и β направленного приема - осей первого 4 и второго 5 приемных преобразователей соответственно - устанавливаются в блоках 20 и 21 перед измерением и регистрацией направленными приемниками 4 и 5 данных по каждой точке пространства поля 1.

Выходы блоков 15-21 соединены с соответствующими входами блока 22 предварительных усилителей, выходы которого подключены к входам мультиплексора 23.

Выход мультиплексора 23 соединен с входом регистратора 26 через подключенные последовательно аналого-цифровой преобразователь 24 и вычислительный блок 25.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

Вначале устанавливают первую плоскость сечения поля 1 антенны, например, путем опускания блока 6 на глубину Z1 с одной из сторон поля.

При этом угол наклона плоскости приема - сечения поля будет составлять величину Θ₁, значение величины которого соответственно измеряют в блоках 17 или 18. Устанавливают угол α₁ оси приема первого 4 направленного приемника, измеряют в блоке 20 и фиксируют в вычислительном блоке 25 начальные исходные данные. Также измеряют и фиксируют и другие исходные начальные условия: величину угла азимута в блоке 15, базы L и l в блоках 16 и 19 соответственно.

Включают первый 4 направленный приемный преобразователь. С выходов первого 8 и второго 9 приемников колебательной скорости и с выхода датчика давления 12 принимают временные выборки сигналов, которые после соответствующего усиления в блоке 22, мультиплексирования в блоке 23 и аналого-цифрового преобразования в блоке 24 регистрируют в вычислительном блоке 25. После измерения и регистрации данных в блоке 25 в соответствии с формулой

вычисляют величину вектора интенсивности плотности потока мощности I₁, направление которого соответствует углу α₁ в плоскости Θ₁, а также производительность излучателя Q_A1.

Включают второй направленный приемник 5 с произвольным пока углом β и вычисляют первое значение вектора интенсивности I₂ и производительность излучателя Q_B1.

Производительности Q_A1 и Q_B1 первого и второго векторов сравнивают и в случае их неравенства изменяют значение угла β направленного приема второго преобразователя 5 так, чтобы минимизировать разность производительностей по величине потока акустической мощности во второй точке приема. После достаточного числа итераций при равенстве производительностей излучателей фиксируют значение угла β_i и в соответствии с системой уравнений 1 находят пространственные координаты первой S₁(x,y,z) излучающей точки поля антенны 1. Данные вычислений пространственных координат первой излучающей точки S₁ поступают для визуализации в блок 26 регистрации, где отображаются в соответствующих географических координатах.

Угол α оси направленного приема первого 4 приемного преобразователя изменяют n раз, каждый раз вычисляют I_1,n векторы интенсивности потоков мощности и производительности и посредством соответствующих изменений углов β второго 5 направленного приемника находят равные им соответствующие векторы интенсивности 1_2,n. Координаты n точек излучений в секущей плоскости, соответствующей углу Θ_i, определяют в вычислительном блоке 25 посредством процедур вычислений по системе уравнений 1. Полученные данные координат n точек излучений регистрируют в регистраторе 26.

Для получения пространственного трехмерного представления поля 1 параметрической приемной антенны D_k раз изменяют угол сечения Θ, причем для каждого k-значения угла Θ повторяют n раз процедуры вычисления координат точек излучений S_n(x,y,z).

Таким образом, благодаря предложенным алгоритмам вычислений и процедурам последовательных операций может быть экспериментально измерено, зафиксировано и визуализировано поле ППА в форме некоторого тела вращения, поверхность которого образована совокупностью координат точек элементарных излучателей. При соединении точек в пределах плоскостей сечений для зафиксированных временных интервалов могут быть получены годографы состояний поля параметрической приемной антенны.

Осуществление способа принципиально может быть реализовано только двумя приемными блоками, однако увеличение их числа ускоряет процедуру реконструкции и визуализации изображения поля. В случае увеличения q-числа пар направленных преобразователей с l_q-величинами баз между ними могут быть существенно повышены достоверность и точность реконструкции изображения за счет статистических решений.

При числе приемных блоков больше двух число возможных решений треугольников определяется числом сочетаний из множества "m" приемных блоков по 2, т. е. величиной

В этом случае повышается доверительная вероятность определения каждой из точек излучения за счет статистического накопления результатов, а также повышается скорость и достоверность реконструкции изображения, определяемые числом пар плоскостей.

Повышение точности предложенного способа достигается также и тем, что диаграммы направленности приемников колебательной скорости - векторных приемников направленных приемных преобразователей 4 и 5 включены ортогонально, причем каждый из направленных преобразователей содержит приемник давления. В этом случае неоднозначность углового положения источника звука может быть устранена путем учета знака разности фаз между сигналами, получаемыми с выходов приемников звукового давления и одного из векторных приемников в соответствии с правилом, указанным в таблице.

Напряжения на выходах скрещенных под углом 90^o векторных приемников будут либо коррелированы по фазе в одной паре противоположных квадрантов, либо антикоррелированы в другой. Таким образом, неоднозначность определения направления устраняется полностью посредством одновременного измерения звукового давления в той же точке приема, где установлены приемники колебательной скорости.

Реконструированное изображение поля, получаемое данным способом, имеет форму пространственного тела вращения, образованного множеством точек излучений. Начало и окончание каждой образующей определяются трехмерными координатами, а численные значения каждой из его точек определяются величинами интенсивности плотности потоков мощности. По значениям величин интенсивности в соответствии с известными [1, 6, 7] аналитическими соотношениями могут быть определены характеристики направленности и энергетические характеристики поля параметрической антенны.

Практическая реализация способа реконструкции изображения и визуализации поля параметрической приемной антенны может быть осуществлена при следующих параметрах сигнала генератора накачки и сигнала объекта, а также средств приема и регистрации сигналов волн излучения.

Частота сигнала накачки для параметрических антенн в морской среде лежит в диапазоне (50-150) кГц, частота сигнальной волны в диапазоне (50-5000) Гц.

Так как функционирование устройства, реализующего данный способ, возможно, если обеспечивается выделение полезного сигнала S(ω) на фоне шумов N(ω), то для выделения полезного сигнала требуется либо накопление (суммирование) сигнала, либо увеличение амплитуды А(ω), либо и то и другое вместе. Поскольку при суммировании-накоплении сигнала отношение 2S/2N=2, то для того, чтобы А=10N, где N - средняя амплитуда фона для данного региона, достаточно, чтобы средняя мощность источника сигнала накачки лежала в диапазоне (10-100) Вт. Кроме того, требуется, чтобы А была бы много больше суммы шумов аппаратуры S₁ и шумов квантования S₂, поэтому если S₁ и S₂ аддитивные случайные процессы с нормальным и равномерным соответственно распределениями и нулевым средним, то динамический диапазон аппаратуры не должен быть менее 60 дБ.

Чувствительность приемных преобразователей колебательной скорости и давления должна быть порядка 100 мкВ/Па на частоте 500 Гц при модуле полного электрического сопротивления (2•10⁷) Ом.

При указанных параметрах сигналов возбуждения и средств приема база параметрической антенны может составлять десятки метров.

Таким образом, предложенный способ при его применении позволит точно определять пространственные объемы и формы поля параметрической приемной антенны, а также реконструировать и визуализировать их пространственные изображения со сколько угодно высокой разрешающей способностью. Кроме того, данный способ позволяет также определять и изучать свойства поля по его образующим, а также решать другие задачи, связанные с дальностью обнаружения подводных объектов и их классификацией.

Источники информации
1. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Библиотека инженера-гидроакустика. Л.: Судостроение, 1984, 304 с.

2. Скучик Е. Основы акустики, т.1-2. М.: Мир, 1976.

3. Морс Ф., Фешбах Г. Методы теоретической физики, т.1-2. М., 1960.

4. Новиков Ю.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981.

5. Рейсленд Д. Физика фононов / Пер. с англ. М.: Мир, 1975.

6. Зарембо Л. К. , Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. М.: изд-во МГУ. 1984. 102 с.

7. Векторно-фазовые методы в акустике. АН СССР. Дальневосточное отделение. Тихоокеанский океанологический институт. Ответственный редактор академик Ильичев В.И. М.: Наука, 1989.

8. Красильников В. А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Главная ред. физ.-мат. литературы, 1984, 399с.

9. Система для анализа интенсивности звука. Модель 3360. Фирма Брюльи Къер. Каталог 1989.

Формула изобретения

1. Способ реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, заключающийся в приеме и измерении приемниками с известными фиксированными координатами в m точках на лучевых траекториях от источника внутри области поля сигналов колебательной скорости и давления и построении в тех координатах кривых годографов поля, отличающийся тем, что сигналы колебательной скорости измеряют двумя приемниками направленного действия, расположенными в одной плоскости на известном фиксированном расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по два векторных приемника, диаграмма направленности одного из векторных приемников совпадает с осью направленного приема, а другого ортогональна ей, и приемников давления, приемники давления совмещены с центрами направленных приемников, направление приема одного из направленных приемников выбирают по углу ориентации оси направленного приема к линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны и по углу относительно плоскости горизонта, по измеренным сигналам определяют вектор интенсивности плотности потока акустической мощности в точке измерений и производительность элементарного излучателя, и сканируя углами от -π до π ориентации направленного приема другого приемника, по величине потока акустической мощности добиваются равенства производительностей элементарных излучателей первого и второго преобразователей, по величине расстояния между направленными приемниками и углам ориентации направленного приема находят пространственные координаты первого источника сигналов, n раз изменяют угол направленного приема первого преобразователя и, сканируя углами приема второго, находят пространственные координаты 2. . . n источников сигналов, по траекториям лучей образуют плоскость сечений поля параметрической приемной антенны, пространственное изображение поля антенны строят по совокупности пространственных координат точек элементарных излучателей для плоскостей одноименных сечений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что углы положения направленных приемников к плоскости горизонта изменяют в пределах от -π до π с каждой из сторон поля параметрической приемной антенны относительно плоскости, проведенной через нормаль к линии центров.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прием акустических сигналов осуществляют по q парам направленных преобразователей с l_q величинами базовых расстояний между ними.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2