Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде



Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде

 

G10K11 - Способы и устройства для передачи, проведения или направления звука вообще; способы или устройства для защиты от воздействия шума или других акустических колебаний вообще или для их подавления (звукоизоляция для транспортных средств B60R 13/08; звукоизоляция для самолетов B64C 1/40; звукоизоляционные материалы см. в соответствующих подклассах, например C04B 26/00- C04B 38/00; уменьшение шума на верхнем строении путей E01B 19/00; поглощение передаваемого по воздуху шума с дорог или железнодорожных путей E01F 8/00; звукоизоляция, поглощение или отражение шума в строительных сооружениях E04B 1/74; акустика помещений E04B 1/99; звукоизоляция полов E04F 15/20; глушители шума и выхлопные устройства

Владельцы патента RU 2474793:

Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах контроля протяженных морских акваторий и комплексного мониторинга гидрофизических полей среды различной физической природы. Сущность: формируют, как минимум, три зоны нелинейного взаимодействия и используют их как просветные параметрические антенны. Для этого излучающий и, как минимум, три приемных преобразователя измерительной гидроакустической системы размещают в горизонтальной плоскости пространства контролируемой среды, которую облучают низкочастотным акустическим излучателем накачки. Причем между излучающим и приемными преобразователями формируют три просветные параметрические антенны. При этом приемные преобразователи располагают в углах горизонтального треугольника так, что боковые преобразователи размещены в противоположных углах сектора приема информационных волн, а центральный размещен на его оси и расположен ближе к излучающему преобразователю. Параметрически преобразованные волны накачки принимают указанными приемными преобразователями, трехканально усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ. В результате узкополосного спектрального анализа выделяют параметрические составляющие боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки среды восстанавливают исходные характеристики информационных волн. Кроме того, в выделенных параметрических составляющих измеряют корреляционные функции сигналов, принимаемых центральным и боковыми преобразователями. Далее измеряют функцию их взаимной корреляции, по которой в моменты проявления максимумов и соответствующих им временных задержек определяют направления на источники широкополосных излучений. Технический результат: увеличение дальности приема, расширение частотного диапазона и обеспечение возможности определения направления на источники. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах дальнего измерения, комплексного мониторинга характеристик гидрофизических полей среды различной физической природы и их динамики, формируемых естественными и искусственными источниками, движущимися морскими, воздушными объектами и гидродинамическими возмущениями в диапазоне низких, инфранизких и дробных частот.

Известен способ параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающий формирование вблизи приемника рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе способа заложена закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).

Недостатками этого технического решения являются низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) различной физической природы в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, а также практическая невозможность приема таких волн в морской среде, сформированных удаленными береговыми и/или прибрежными или надводными источниками.

Известен также способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в контролируемой зоне среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн акустической накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.).

Известное решение является способом приема упругой волны в морской воде, при этом рабочая зона параметрического приема (параметрическая антенна) формируется вблизи приемника. Нелинейные параметры этой зоны повышают с использованием дополнительных, более высокочастотных (чем принимаемый сигнал) волн иной физической природы (например, формированием газовых включений, температурными изменениями, вводом химических примесей или гидродинамическими возмущениями от управляемых взрывов). Модуляционные возмущения используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне параметрического приема. При этом изменение параметра нелинейности среды за счет непосредственного воздействия измеряемых волн в расчет не принимается. Кроме того, не определяются направления на источники излучений информационных волн (сигналов). В случае приема широкополосных информационных волн названного диапазона решение этой задачи усложняется дополнительно.

Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкая чувствительность и, как следствие, ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот, а также невозможность определения направлений (углов прихода волн) от источников широкополосного излучения рассматриваемого диапазона частот.

Это обусловлено низким коэффициентом их нелинейного преобразования в рабочей зоне морской среды (основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит, так называемый, нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен). Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°С величина Е равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Невозможно также и обычное определение направления на источники широкополосного излучения волн рассматриваемого диапазона. В этом случае необходимы дополнительные решения и операции при приеме и обработке принимаемых информационных сигналов.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в увеличении дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы в звуковом, инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот, при обеспечении возможности определения направлений (углов прихода) на источники их широкополосного излучения.

Определение направления на источники излучения волн применяется в известных гидроакустических системах (гидролокаторах и шумопеленгаторах) (см. А.К.Новиков. Корреляционные измерения в корабельной гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1971). В заявляемом изобретении корреляционный метод обработки сигналов отличается тем, что он в сочетании с узкополосным анализом спектра сигнала обеспечивает дополнительное измерение корреляционных функций параметрических составляющих боковых полос волн накачки принимаемых пространственно разнесенными приемниками, с последующим измерением функции их взаимной корреляции, по которой затем определяется направление на источники излучения.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении общего эффекта нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн в объеме протяженной рабочей зоны контролируемой среды. Это увеличивает протяженность и объем рабочей зоны пространственной параметрической системы контроля среды до десятков-сотен километров (т.е. позволяет сформировать протяженную пространственную параметрическую антенну соответствующей длины). Тем самым обеспечивается увеличение масштаба дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы (до сотен километров) и расширение нижней границы их частотного диапазона до единиц-долей Герца. При этом возможность определения направления на источники широкополосного излучения достигается путем приема волн тремя разнесенными в горизонтальной плоскости преобразователями, с последующим измерением функции корреляции сигналов, принимаемых центральным и боковыми преобразователями, а затем функции их взаимной корреляции.

Для решения поставленной задачи способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в контролируемой среде зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн акустической накачки с измеряемыми информационными, отличается тем, что на контролируемом участке среды формируют, как минимум, три зоны нелинейного взаимодействия и используют их как просветные параметрические антенны, для чего излучающий и, как минимум, три приемных преобразователя измерительной гидроакустической системы размещают в горизонтальной плоскости пространства контролируемой среды, которую облучают низкочастотным акустическим излучением накачки, с формированием между излучающим и приемными преобразователями трех просветных параметрических антенн, при этом приемные преобразователи располагают в углах горизонтального треугольника так, что боковые преобразователи размещены в противоположных углах сектора приема информационных волн, а центральный размещен на его оси и расположен ближе к излучающему преобразователю, причем параметрически преобразованные волны накачки принимают названными приемными преобразователями, трехканально усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ, при котором выделяют из них параметрические составляющие боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки среды восстанавливают исходные характеристики информационных волн, кроме того, в выделенных параметрических составляющих измеряют корреляционные функции сигналов, принимаемых центральным и боковыми преобразователями, далее измеряют функцию их взаимной корреляции, по которой в моменты проявления максимумов и соответствующих им временных задержек определяют направления на источники широкополосных излучений. Кроме того, волны накачки формируют акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни Герц.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «на контролируемом участке среды формируют, как минимум, три зоны нелинейного взаимодействия и используют их как просветные параметрические антенны» обеспечивают возможность дальнего параметрического приема информационных волн рассматриваемого диапазона частот и, кроме того, обеспечивают возможность определения направления на источник этих волн.

Признаки «излучающий и, как минимум, три приемных преобразователя измерительной гидроакустической системы размещают в горизонтальной плоскости контролируемой среды, которую облучают низкочастотным акустическим излучением накачки, с формированием между излучающим и приемными преобразователями, параметрических антенн» обеспечивают формирование параметрических антенн с возможностью однозначной интерпретации результатов приема измеряемых широкополосных сигналов и определения направлений на их источники.

Признаки «излучающий и, как минимум, три приемных преобразователя измерительной гидроакустической системы размещают в горизонтальной плоскости пространства контролируемой среды, которую облучают низкочастотным акустическим излучением накачки, с формированием между излучающим и приемными преобразователями трех просветных параметрических антенн» обеспечивают реализацию исходных принципов способа дальнего параметрического приема информационных волн рассматриваемого диапазона частот и последующее определение направление приходов этих волн. При этом формирование зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами посредством излучения в нее низкочастотного акустического излучения, обеспечивает повышение дальности приема (протяженности зоны прозвучивания морской среды), поскольку такое излучение является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами.

Признаки, указывающие, что «приемные преобразователи располагают в углах горизонтального треугольника так, что боковые преобразователи размещены в противоположных углах сектора приема информационных волн, а центральный размещен на его оси и расположен ближе к излучающему преобразователю», обеспечивают возможность определения направления на источники широкополосного излучения информационных волн при достаточно простом математическом аппарате и используемых технических средств для интерпретации результатов измерений.

Признаки, указывающие, что «параметрически преобразованные волны накачки принимают названными приемными преобразователями, трехканально усиливают в полосе параметрического преобразования,» обеспечивают возможность последующего решения задачи дальнего измерения характеристик информационных сигналов по закономерностям их амплитудно-фазовой модуляции. Кроме того, они обеспечивают также повышение точности и достоверности информации получаемой при обработке принимаемых волн накачки и выделения из них информационных сигналов.

Признаки, указывающие, что частотно-временной масштаб волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами «переносят в высокочастотную область», обеспечивает возможность эффективного выделения параметрических составляющих инфразвукового и дробного диапазонов частот информационных волн с использованием существующих методов и средств спектрального анализа или специальных блоков цифровой обработки сигналов. Теоретические и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии даны в работе В.М.Черницер, Б.Г.Кадук. - Преобразователи временного масштаба. - М.: Сов. радио, 1972, с.3-16.

Признаки, указывающие, что «проводят узкополосный спектральный анализ (волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами), при котором выделяют из них параметрические составляющие боковых полос (параметрических составляющих суммарной или разностной частоты)» обеспечивают при использовании известных методов и средств узкополосного спектрального анализа и последующее восстановление частоты исходных информационных сигналов.

Признаки, указывающие, что по параметрическим составляющим боковых полос «с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки среды восстанавливают исходные характеристики информационных волн» обеспечивают возможность окончательного восстановления исходных характеристик принимаемых информационных сигналов известными методами и средствами их обработки.

Признаки, указывающие, что «в выделенных параметрических составляющих измеряют корреляционные функции сигналов, принимаемых центральным и боковыми преобразователями, далее измеряют функцию их взаимной корреляции, по которой в моменты проявления максимумов и соответствующих им временных задержек определяют направления на источники широкополосных излучений» обеспечивают определение направлений на источники широкополосных излучений.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повышение дальности (протяженности) зоны прозвучивания морской среды, поскольку такое излучение является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами. Кроме того, они конкретизируют частотный диапазон волн накачки, оптимальный для реализации заявленного способа на протяженных морских акваториях.

Таким образом, совокупность отличительных признаков (низкочастотная накачка всей протяженности контролируемой среды в заданном секторе углов с формированием в ней протяженного пространственного объема зоны взаимодействия волн накачки и информационных сигналов в виде трех параметрических антенн) обеспечивает реализацию основной задачи изобретения «увеличение дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот». Параметрический прием информационных волн тремя параметрическими антеннами обеспечивает последующую возможность определения направлений на источники их формирования. При этом необходимо отметить, что упомянутый частотный диапазон характерен для приема волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками воздушной и морской среды, а также гидродинамическими возмущениями среды на протяженных морских акваториях, порождаемых течениями, вихрями, сейсмическими и синоптическими явлениями, движущимися морскими и воздушными источниками.

Совокупность признаков заявляемого изобретения, указывающих на пространственное расположение приемных преобразователей в форме горизонтального треугольника, обеспечивает прием информационных волн в заданном горизонтальном секторе углов наблюдения. Последующая трехканальная параметрическая обработка принимаемых волн накачки в совокупности с измерением корреляционных функций обеспечивает обобщающий результат (технический эффект) изобретения - дальний направленный прием информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических), формируемых источниками, движущимися объектами воздушной и морской среды, в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот.

Надо отметить, что заявляемый способ направленного параметрического приема волн может быть использован в решении задач упреждающего приема совокупности волн различной физической природы, переносимых предвестниками сильных землетрясений. Такие волны, как показано современными исследованиями, передаются на большие расстояния через воздушную, водную среду и морской грунт и надежно могут быть приняты протяженными просветными гидроакустическими системами (см. Короченцев В.И. Математическая модель генерации упругих и электромагнитных волн землетрясений // Известия Южного Федер. Ун-та. Технические науки. 2009. №7. с.206-215).

Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды.

По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и/или температуры контролируемой водной среды и распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое обеспечивается воздействием на среду измеряемыми информационными сигналами.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема реализации заявляемого способа, которая представляет собой реальную систему контроля и мониторинга гидрофизических полей морских акваторий, обеспечивающую реализацию заявленного способа. На фиг.2 приведена спектрограмма просветных сигналов накачки среды с частотой 380 Гц, промодулированных излучениями морского судна и его гидродинамическими волнами в диапазоне инфразвуковых и дробных частот. Протяженность контролируемой трассы составляла 45 км. Наблюдаются акустические и гидродинамические волны (излучения) морского судна инфранизкочастотного и дробного диапазонов частот. На фиг.3 приведен узкополосный спектр просветных сигналов с частотой около 400 Гц, промодулированных электромагнитными излучениями морского судна с частотой около 395 Гц. Протяженность трассы - 45 км. Наблюдаются параметрические составляющие суммарной и разностной частоты взаимодействующих волн. На фиг.4 приведены спектр и спектрограмма «несущей» просветных сигналов с частотой около 20 кГц и ее гармоники, промодулированных излучениями воздушного источника (летательного аппарата). Излучения воздушного источника проявляются как параметрические составляющие боковых полос сигналов накачки. Протяженность просветной гидроакустической линии составляла 2 км. Наблюдаемые на спектрограммах дискретные составляющие просветного сигнала и его гармоник, как верхние и нижние боковые составляющие спектра, характеризуются резким вступлением, кратковременным проявлением и затем таким же резким спаданием, что объясняется проявлением критического угла преломления волн при пересечении границы «воздух-вода» и обратно. На фиг.5 приведена спектрограмма «огибающей» просветных сигналов суммарной частоты (100 Гц, 236 Гц, 404 Гц, 1000 Гц), промодулированных излучениями воздушного источника. Наблюдается звукоряд гармонических составляющих информационных волн на частотах 2,5 Гц, 5,0 Гц, 7,5 Гц, 10 Гц. Протяженность просветной линии составляла около 200 км. Кратковременное наблюдение волн воздушного источника (резкое вступление, ограниченное по времени наблюдение и резкое спадание) объясняется аналогично измерениям, приведенным на фиг.4 - критическим углом преломления волн при прохождении границы «воздух-вода» и обратно. На фиг.6 приведены корреляционная (а) и взаимокорреляционная (б) функции для широкополосных излучений морского источника, принятых тремя пространственно разнесенными ненаправленными преобразователями (радиогидроакустическими буями). Протяженность параметрической измерительной линии составляла 20 км. Пространственное разнесение приемных баз по горизонтали - около 1 км. На фиг.7 приведены корреляционная (а) и взаимокорреляционная (б) функции широкополосных информационных сигналов, принятых тремя пространственно разнесенными приемными базами (радиогидроакустическими буями). Протяженность измерительной просветной линии - около 30 км. Пространственное разнесение приемных баз (буев) составляла около 2 км. Следует отметить, что приведенные на фиг.6, 7 корреляционные, взаимокорреляционные функции, проявления на них характерных максимумов и соответствующих им временных задержек могут быть измерены с точностью до долей миллисекунд. Это обеспечивает последующее определение соответствующих им углов прихода волн от источника формирования с высокой точностью.

Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду.

Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промоделированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки изменяется, в нем появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие (за счет нелинейного взаимодействия). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов.

Теоретически процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.

Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу

,

где - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;

υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью βs=Gυ/Gpβt, можно получить следующее выражение для фазовой скорости

Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую среду. То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, использующихся в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны.

Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ωэм, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C(t) также будет меняться с той же частотой Ωзвэм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.

Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты). Такое проявление закономерностей нелинейного взаимодействия волн различной физической природы при их совместном распространении в морской среде особенно актуально при решении задач широкомасштабного мониторинга гидрофизических полей протяженных морских акваторий, формируемых сейсмическими, синоптическими и гидродинамическими процессами, а также их взаимодействия с полями воздушной и космической среды, формируемыми летательными аппаратами.

Натурные испытания предлагаемого способа были проведены на стационарных гидроакустических трассах протяженностью десятки-сотни км. Просветные гидроакустические сигналы стабилизированной частоты около 400 Гц излучались стационарными преобразователями, в качестве которых использовались подводные маяки наведения (ПЗМ-400). В качестве приемных систем использовались донные базы с ненаправленными преобразователями. Излучающая и приемная базы посредством глубоководных кабелей соединялись с береговыми лабораториями. В качестве источников электромагнитных волн использовались морские суда (электромагнитные поля на частоте электропитания около 400 Гц), которые, маневрируя, многократно пересекали контролируемую среду и модулировали акустические сигналы накачки среды. В экспериментах использовались также воздушные источники излучений, в том числе и летательные аппараты.

Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный излучателем 2 (для протяженных морских трасс, например, подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400, излучающим на частоте около 400 Гц), приемные преобразователи 3, 4, 5, в качестве которых могут быть использованы приемные радиогидроакустические буи или измерительные радиогидроакустические станции, снабженные ненаправленными преобразователями. Приемные преобразователи 3, 4, 5 могут быть радиорелейно связаны с трактом приема, обработки и регистрации сигналов 6. При установке на судне или на стационарных прибрежных объектах приемные преобразователи 3, 4, 5 тракт приема и обработки 6 могут составлять единый аппаратный комплекс системы контроля морских акваторий.

В качестве источников информационных сигналов (волн) 16 использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, летательных аппаратов, а также излучения специальных источников формирования волн различной физической природы. Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты или иных сложных сигналов 12, тиристорный инвертор 13 и блок согласования его выхода с кабелем 14 и далее с подводным излучателем 2 (см. фиг.1).

Конструктивно тракт приема, предварительной обработки и регистрации сигналов 6 представляет электронную схему, содержащую трехканальный широкополосный предварительный усилитель 7, входы которого связаны с приемными преобразователями 3, 4, 5 блок преобразования частотно-временного масштаба принимаемых сигналов 8, трехканальный узкополосный спектроанализатор 9, цифровой блок измерения корреляционной функции 10 и рекордер 11. Кроме того, на чертеже показаны: угловой сектор приема информационных волн 15, информационные излучения морской среды 16, излучения воздушной среды 17, рабочая зона (параметрические антенны) 18, контролируемая морская среда 19.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Излучатель 2 с приемными преобразователями 3, 4, 5 размещают с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале, что обеспечивает эффективное формирование и использование областей взаимодействия просветных и информационных сигналов. Излучения морских и воздушных источников информационных сигналов 16 и 17 приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности и (или) температуры и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности модулируют сигналы накачки. При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы контроля среды.

Трехканально принятые и усиленные в полосе параметрического преобразования и перенесенные в высокочастотную область просветные сигналы проходят узкополосный спектральный анализ. Выделенные боковые полосы параметрических составляющих проходят корреляционную, а затем взаимно корреляционную обработку. Такая обработка выполняется для трех приемников, горизонтально расположенных в секторе углов наблюдения. Последняя операция (измерение функций взаимной корреляции) является завершающей. Временные задержки проявления на ней характерных максимумов определяют направления на морские и воздушные источники широкополосных излучений с повышенной точностью.

Техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема волн различной физической природы низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов, а также определения направления на источники информационных волн обоснованы и реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы контроля и комплексного мониторинга гидрофизических полей различной физической природы в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот на морских акваториях протяженностью десятки-сотни километров. При этом определяются направления на источники широкополосного излучения в рассматриваемом диапазоне частот.

Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами. Измерения корреляционной функции выполняется существующими радиотехническими приборами, а также специальными цифровыми блоками обработки гидроакустических сигналов.

Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны взаимодействия волн, что обеспечивает также решение известной проблемы дальнего параметрического приема «волн малых амплитуд».

Результатами натурных экспериментов подтверждены основные положения и отличительные признаки заявляемого изобретения, которые заключаются в следующем.

Решена задача дальнего и сверхдальнего параметрического приема и измерения характеристик информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов, формируемых морскими, воздушными источниками. Дальность параметрического приема волн и протяженность активно-пассивной (просветной) системы контроля среды составляла десятки-сотни километров, что подтверждает решение поставленной задачи изобретения, поскольку масштаба дальности параметрического приема волн достиг сотен километров, по сравнению с существующими дальностями, составляющими сотни метров - единицы километров. При этом дополнительно решена сложная задача определения направления на морские и воздушные источники широкополосного излучения информационных волн рассматриваемого диапазона частот.

Таким образом, показанная на фиг.1 схема реализации заявляемого способа, а также результаты его натурных испытаний (фиг.2-7) представляют собой разработанную и реализованную низкочастотную просветную параметрическую систему дальнего измерения и комплексного мониторинга полей морских, воздушных объектов и среды различной физической природы низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов, определения направлений на источники излучений этих волн с высокой точностью.

1. Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в контролируемой среде зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн акустической накачки с измеряемыми информационными, отличающийся тем, что на контролируемом участке среды формируют, как минимум, три зоны нелинейного взаимодействия и используют их как просветные параметрические антенны, для чего излучающий и, как минимум, три приемных преобразователя измерительной гидроакустической системы размещают в горизонтальной плоскости пространства контролируемой среды, которую облучают низкочастотным акустическим излучением накачки, с формированием между излучающим и приемными преобразователями трех просветных параметрических антенн, при этом приемные преобразователи располагают в углах горизонтального треугольника так, что боковые преобразователи размещены в противоположных углах сектора приема информационных волн, а центральный размещен на его оси и расположен ближе к излучающему преобразователю, причем параметрически преобразованные волны накачки принимают названными приемными преобразователями, трехканально усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ, при котором выделяют из них параметрические составляющие боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки среды восстанавливают исходные характеристики информационных волн, кроме того, в выделенных параметрических составляющих измеряют корреляционные функции сигналов, принимаемых центральным и боковыми преобразователями, далее измеряют функцию их взаимной корреляции, по которой в моменты проявления максимумов и соответствующих им временных задержек определяют направления на источники широкополосных излучений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что волны накачки формируют акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни Герц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкционным слоистым изолирующим материалам, которые могут быть использованы как вибро-, звуко-, теплоизолирующие материалы в различных областях техники.

Изобретение относится к многослойным армированным виброшумодемпфирующим покрытиям (МАВШП), предназначенным для снижения структурного шума тонколистовых панелей кузова автотранспортных средств (АТС).

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических системах гидролокации или передачи информации в виде сигналов различной физической природы, в широкой полосе частот, а также измерительных приемоизлучающих комплексах.

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для использования в активно-пассивных и параметрических системах контроля протяженных морских акваторий, измерения характеристик гидрофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, инженерными сооружениями, а также стихийными морскими явлениями, например, внутренними волнами, землетрясениями или цунами.

Изобретение относится к устройствам для звуковиброизоляции в широком диапазоне частот и может быть использовано в морском, речном и наземном транспорте. .

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к средствам гидроакустической защиты - гидроакустическим покрытиям (ГАП), применение которых обеспечивает снижение уровней первичного и вторичного акустических полей защищаемого объекта, находящегося в воде при воздействии гидростатического давления.

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для использования в активно-пассивных и параметрических системах контроля протяженных морских акваторий, измерения характеристик гидрофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, инженерными сооружениями, а также стихийными морскими явлениями, например, внутренними волнами, землетрясениями или цунами.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для регистрации инфранизкочастотных колебаний в морской воде. .
Изобретение относится к передатчикам параметра процесса, преимущественно, чтобы управлять или наблюдать за производственными процессами. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и регистрации механических колебаний различных объектов, оборудования и сооружений, например на атомных электростанциях, а также на объектах с вредными условиями труда.
Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для качественной оценки распределения плотностей ультразвуковой энергии в ультразвуковых ваннах и других технологических объемах с водой, повергаемой действию ультразвука.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для исследований параметров первичных гидроакустических полей надводных и подводных плавсредств.

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения. .

Изобретение относится к технологии и технике связи, например идентификации тональных сигналов для автоматического определения номера (АОН) телефона вызывающего абонента в коммутируемых каналах сетей передачи информации.

Изобретение относится к измерительной технике в области гидроакустики и может быть использовано для определения уровня звукового давления в полосе частот судна, проходящего над гидроакустической измерительной системой (ГИС).

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения характеристик шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме. .

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах контроля протяженных морских акваторий и комплексного мониторинга гидрофизических полей среды различной физической природы
Наверх