Радиогидроакустическая система параметрического приема волн источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде

Использование: изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике и может быть использовано при формировании пространственно-развитых просветных радиогидроакустических систем мониторинга акустических, гидродинамических и электромагнитных полей, формируемых искусственными и естественными источниками, опасными явлениями атмосферы, океана и земной коры в диапазоне частот, охватывающем сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся объектов и неоднородностей морской среды. Сущность: радиогидроакустическая система параметрического приема волн источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде включает в себя: установленные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и как минимум три приемных акустических преобразователя, соединенные с излучающим и приемным трактами соответственно, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн. Предлагаемая радиогидроакустическая система принципиально отличается тем, что рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна. Для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенных в центре акватории и установленных на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК). Приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории. При этом выход приемного тракта через передающий радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирования сигналов излучающего тракта системы. Многоканальную просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии. Расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками структуры просветного акустического поля. Просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи. Технический результат: обеспечение дальнего параметрического приема в морской среде волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, явлениями и процессами атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот принимаемых волн различной физической природы составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся объектов как целого. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно предназначено для формирования пространственно-развитых просветных радиогидроакустических систем мониторинга акустических, гидродинамических и электромагнитных полей, формируемых искусственными и естественными источниками, а также опасными явлениями атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот измеряемых полей составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные (СНЧ) волны, формируемые колебаниями движущихся объектов и неоднородностей морской среды как целого.

Разработки гидроакустических систем мониторинга полей объектов и среды на основе приемных параметрических антенн (ППА) в России, а также в зарубежных странах (преимущественно в США и Японии) интенсивно проводились еще в прошлом столетии. В России параметрические антенны разрабатывались и были успешно реализованы акустиками Таганрогского политехнического института, что широко опубликовано в изданиях различного уровня и изложено в монографиях (Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. С. 17-40, 203-225). Параметрические антенны и реализующие их радиотехнические системы основаны на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. В протяженных ППА, буксируемых морскими суднами, дополнительно к нелинейным свойствам морской среды используются нелинейные свойства области кильватерного следа судна-носителя. Во всех указанных случаях применялась только высокочастотная акустическая накачка среды, частота которой составляла десятки, чаще сотни кГц. Параметрические антенны расширили возможности приема информационных волн в низкочастотную область, а также повысили чувствительность приема таких волн. При этом дальность приема волн в системах с высокочастотными параметрическими антеннами оставалась незначительной и составляла сотни метров и только в отдельных случаях более одного километра. Основными недостатками параметрических систем с высокочастотными приемными антеннами являются ограниченная дальность приема информационных полей и ограниченная возможность измерения их пространственно-временных характеристик.

Сформулируем принципиальные недостатки высокочастотных параметрических антенн, которые необходимо устранить в предлагаемом изобретении.

1. Малый объем рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн накачки среды и измеряемых информационных, что особенно ограничивает возможность эффективного приема волн инфранизкого и дробного диапазонов частот, которые формируются явлениями в атмосфере, океане и земной коре.

2. Малая протяженность параметрической антенны и формирование ее объема только вблизи приемных блоков, что также ограничивает возможность дальнего приема информационных сигналов как волн «малых амплитуд».

3. Не используются закономерности многолучевого распространения волн накачки среды и информационных волн на протяженных трассах, что, в свою очередь, не обеспечивает эффективный параметрический прием информационных волн, формируемых в воздушной и морской среде, а также в донном грунте за счет их взаимодействия с просветными волнами на протяженных трассах их распространения.

4. Отсутствует контролируемая взаимосвязь работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга предпочтительно по каналам радиосвязи. Это исключает возможность оперативной подстройки режимов работы системы к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн, а также к многообразному проявлению измеряемых информационных волн.

Устранение этих недостатков и достижение новых положительных эффектов в предлагаемом изобретении может быть достигнуто на основе научно-технических разработок нелинейной просветной гидроакустики за счет формирования низкочастотной просветной системы мониторинга как пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью контролируемой акватории, что представляется в последующем изложении материалов заявки.

Известна гидроакустическая система, реализующая способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде (патент №2474794 RU, МПК G01H 3/00, G10K 11/00, от 15.06.2011 г.). Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде включает в себя разнесенные на противоположные границы контролируемой среды излучающий и приемные акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и информационных волн различной физической природы, соединенные с преобразователями, соответственно, излучающий тракт, который включает последовательно соединенные блоки формирователя просветных сигналов стабилизированной частоты, усилителя мощности и акустического преобразователя (излучателя) сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает в себя последовательно соединенные блоки двухканального усилителя просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, измерителя их разности фаз, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, регистратора информационных сигналов (рекордера). Идентификация выделяемых информационных сигналов проводится с учетом их частотно-временного и параметрического преобразования в приемном тракте и морской среде.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является гидроакустическая просветная система, реализующая способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде (патент №2474793 RU, МПК G01H 3/00, G10K 11/00, от 15.06.2011). Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой морской среды излучающий и три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн (просветные параметрические антенны), соединенные с излучающим и приемными преобразователями соответственно, а также излучающий тракт системы, который включает последовательно соединенные блоки формирователя сигналов стабилизированной звуковой частоты, усилителя мощности и акустического преобразователя (излучателя) сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает последовательно соединенные блоки: трехканального усилителя просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера); при этом выходы приемных преобразователей соединены также с входами блока измерения функций корреляции сигналов между средним и крайними приемниками, далее с блоком функции их взаимной корреляции и регистратором. Идентификация выделяемых при анализе информационных волн проводится с учетом частотно-временного и параметрического преобразования просветных волн в приемном тракте системы и в рабочей зоне среды. Рассмотренная гидроакустическая система выбрана в качестве прототипа, но имеет недостатки, которые будут устранены в заявляемом изобретении. Исходя из этого, рассмотрим их сущность.

Недостатками системы-прототипа и приведенной выше гидроакустической системы являются ограниченные возможности параметрического приема волн, формируемых в атмосфере, океанской среде и земной коре, в том числе формируемых вне зоны размещения параметрической просветной системы. Это выражается также в недостаточной чувствительности приема и, как следствие, дальности приема, но особенно характерно это проявляется при приеме волн, поступающих в морскую среду из атмосферы и земной коры (морского грунта). Не решается также задача подстройки режимов работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к многообразию проявления источников информационных волн. Основной причиной перечисленных недостатков является то, что просветная система мониторинга не рассматривается как пространственно-развитая по объему и протяженности среды многолучевая параметрическая антенна, в которой используются закономерности многолучевого распространения волн на протяженных морских трассах в наблюдаемых секторах контролируемой акватории.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в увеличении дальности параметрического приема информационных волн, формируемых естественными и искусственными источниками, а также процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в звуковом, инфразвуковом, дробном и сверхнизкочастотном (СНЧ) диапазонах. Подстройка согласованного режима работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к проявлениям информационных волн решается путем введения в систему мониторинга информационно-аналитического центра (ИАЦ), обеспечивающего оперативный анализ многоканально принимаемой многофункциональной информации. ИАЦ дополнительно к управлению работой системы мониторинга обеспечивает также оперативный обмен измеряемой информацией о полях атмосферы, океана и земной коры. Это особенно необходимо при формировании системы мониторинга как широкомасштабной в пределах смежных акваторий, например акваторий Охотского моря и Курильской островной гряды. Именно на этих акваториях были получены используемые в заявке материалы морских исследований макетов экспериментальных систем мониторинга.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в разработке и реализации радиогидроакустической просветной системы мониторинга как многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с протяженностью пространства контролируемой среды. Система обеспечивает дальний параметрический прием в морской среде волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, явлениями и процессами атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот принимаемых волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая СНЧ колебания движущихся объектов как целого. Система обеспечивает также возможность оперативной подстройки режимов своей работы к изменениям условий среды распространения просветных волн, а также к проявлению признаков источников информационных волн.

Для решения поставленной задачи радиогидроакустическая система параметрического приема волн, источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде включает в себя установленные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и как минимум три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн как просветные параметрические антенны, а также соединенные с излучающим и приемными преобразователями соответственно излучающий тракт, который включает в себя последовательно соединенные блоки формирователя сигналов стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц, усилителя мощности сигналов и акустического преобразователя как излучателя сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает в себя последовательно соединенные блоки: трехканального полосового усилителя просветных сигналов, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, измерителя функций корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, далее блока выделения функции их взаимной корреляции и регистратора сигналов. Предлагаемая радиогидроакустическая система принципиально отличается тем, что рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна, для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенных в центре акватории и установленных на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории. При этом приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и включает один канал (линию) спектрального анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера). При этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединены с тремя линиями корреляционного и взаимно-корреляционного анализа измерительной системы, а выходы каналов (линий) спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой комплексной информации, выход которого через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром системы мониторинга. Информационно-аналитический центр содержит последовательно соединенные: приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирователя сигналов передающего тракта системы мониторинга. Кроме того, многоканальная просветная параметрическая система сформирована как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии, что обеспечивает формирование общей пространственно-развитой параметрической системы мониторинга. Кроме того, расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков, размещенных в вертикальной плоскости, устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками вертикальной структуры просветного акустического поля. Кроме того, широкомасштабная просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем мониторинга, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий на то, что «рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна», обеспечивает возможность решения всех последующих отличительных признаков, а по их совокупности решение обобщенной задачи изобретения. Многолучевое распространение просветных волн в протяженной морской среде наиболее эффективно реализуется при приеме волн искусственных и естественных источников, поступающих из атмосферы или с морского дна. Необходимо отметить также, что расположение излучающих и приемных акустических преобразователей в вертикальной плоскости основывается на закономерностях многолучевого распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. В мелководной среде распространения акустических волн с переходом в глубоководную зону, расположение преобразователей будет определяться в соответствии с указанными отличительными свойствами канала распространения волн (Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 340 с.).

Признак, указывающий на то, что «для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенные в центре акватории и установленные: на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории», обеспечивает технологию размещения излучающих и приемных блоков для реализации работы создаваемой просветной системы мониторинга.

Признак, указывающий на то, что «приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и включает один канал (линию) спектрального анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера)», обеспечивает технологию выделения из принимаемых просветных сигналов информационных волн в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц, включая СНЧ колебания движущихся объектов.

Признак, указывающий на то, что «одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединены с тремя линиями корреляционного и взаимно-корреляционного анализа измерительной системы», обеспечивает возможность приема информационных волн атмосферы, океана и земной коры на основе корреляционного и взаимно-корреляционного анализа для разделения лучей просветных сигналов «сверху и снизу», принимаемых блоками системы, расположенными выше оси, на оси и ниже оси ПЗК.

Признак, указывающий на то, что «выходы каналов (линий) спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой комплексной информации», обеспечивает обобщение и предварительный анализ комплексной информации, а также ее подготовку для передачи по каналам связи в информационно-аналитический центр.

Признак, указывающий на то, что «выход блока анализа комплексной информации через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром системы мониторинга, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирователя сигналов передающего тракта системы мониторинга», обеспечивает обобщающий технический результат создаваемой пространственно развитой просветной системы мониторинга полей различной физической природы атмосферы, океана и земной коры в широком диапазоне частот. Это заключается в том, что блок системного анализа многоканально измеряемой многофункциональной информации завершает анализ и идентификацию источников формирования волн атмосферы, океана и земной коры с последующей выработкой управляющих (корректирующих) команд (сигналов) и их передачей по каналам связи в передающий тракт системы мониторинга.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «многоканальная просветная параметрическая система формируется как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии», обеспечивает возможность формирования системы мониторинга как пространственно-развитой по всему пространству контролируемой акватории.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков, размещенных в вертикальной плоскости, устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками вертикальной структуры просветного акустического поля», обеспечивает помехоустойчивое выделение информационных сигналов и надежность работы системы мониторинга в условиях многолучевого распространения просветных акустических волн на протяженных трассах.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем мониторинга, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи», обеспечивает возможность ее наращивания в пределах соседних акваторий.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная схема широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга.

На фиг. 2 приведена схема пространственного расположения излучающего и приемных трактов (блоков) системы мониторинга на контролируемой акватории.

На фиг. 3-5 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морской среды (источников полей океана). При этом на фиг. 3 - спектрограмма упругих резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды составляла 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км. Фиг. 4 - спектр электромагнитных излучений морского судна. Измерения проводились параметрическим просветным способом, частота подсветки - 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км. Фиг. 5 - спектр и спектрограмма шумового излучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). На чертеже представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. На просветной трассе протяженностью 30 км наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна.

Фиг. 6, 7 - запись сигнала предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и спектр в формате 3D (поля источников земной коры). Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений в районах Курильской островной гряды и их приему на измерительном поле о. Сахалин, протяженность трассы составляет около 200 км.

На фиг. 8, 9 представлены спектр и две спектрограммы шумового излучения атмосферного источника (летательного аппарата).

На фиг. 10 - спектрограмма сигналов синоптических возмущений морской среды за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км (возмущения морской среды атмосферным полем). Измерения выполнялись на акустическом просветном поле, оборудованном в переходной зоне Охотского и Японского морей.

На фиг. 11 - спектр и спектрограмма сейсмических излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья (м. Сосунова), протяженность просветной трассы составляла 310 км.

На фиг. 12 представлены атмосферные радиолокационные измерения волнений поверхности моря при наличии и отсутствии движущегося подводного объекта. Измерения выполнялись разнесенными в атмосфере радиолокационными станциями.

На фиг. 13 - спектрограмма просветных сигналов (400 Гц), модулированных гидродинамическими волнами и СНЧ колебаниями движущегося морского судна на трассе протяженностью 345 км.

Фиг. 14 - объемная структура зон Френеля между точками излучения и приема акустических волн.

Фиг. 15 - лучевая структура просветного акустического поля в гидроакустическом канале распространения волн.

Радиогидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемое изобретение, показана на фиг.1, где:

1 - излучающий тракт;

2 - генератор стабилизированной частоты;

3 - усилитель мощности;

4 - трехканальный блок согласования;

5-7 - излучающие блоки;

8-10 - приемные блоки;

11 - приемный тракт;

12 - блок коммутации и переключения линий анализа принимаемых сигналов;

13-16 - линии корреляционного и спектрального анализа;

13-1, 14-1, 15-1, 16-1 - широкополосные усилители сигналов;

13-2, 13-3, 14-2, 14-3, 15-2, 15-3 - блоки измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками;

13-4, 14-4, 15-4 - блоки измерения функции взаимной корреляции;

16-2 - преобразователь временного масштаба сигналов в высокочастотную область;

16-3 - узкополосный анализатор спектров;

17 - блок регистрации измеряемых функций;

18 - регистратор выделяемых информационных сигналов;

19 - блок анализа комплексной информации;

20, 24 - передающие радиоблоки;

21 - информационно-аналитический центр;

22 - блок системного анализа измеряемой информации;

23, 25 - приемные радиоблоки;

26 - источник излучения гидрофизических информационных волн;

27 - волны атмосферных источников;

28 - источник излучения геофизических информационных волн;

29 - морское дно;

30 - поверхность моря;

31 - среда многолучевого распространения волн;

32 - излучения береговых источников;

33 - рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн.

Как показано на фиг. 1, излучающий тракт 1 радиогидроакустической системы представляет собой электронную схему, содержащую последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты 2, усилитель мощности 3 и трехканальный блок согласования 4 выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 5-7. Измерительная система включает также многоканальный приемный тракт выделения и регистрации информационных волн 11, входы которого соединены с приемными блоками 8-10, сформированными из трех расположенных в вертикальной плоскости по треугольникам преобразователей каждый. Приемный тракт системы 11 представляет собой многоканальную электронную схему, включающую блок коммутации и переключения линий анализа принимаемых сигналов 12, соединенный с четырьмя линиями корреляционного и спектрального анализа 13-16, каждый канал спектрального анализа включает последовательно соединенные широкополосные усилители 13-1, 14-1, 15-1, далее с блоками измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками блоки 13-2, 13-3, 14-2, 14-3, 15-2, 15-3, далее выходы блоков измерения функций корреляции сигналов соединены с блоками измерения функции взаимной корреляции 13-4, 14-4, 15-4, а их выходы соединены с блоком регистрации измеряемых функций 17, а также с входами блока анализа комплексной информации 19 и далее с радиоблоком передачи измеряемой информации 20 в ИАЦ 21. При этом линия спектрального анализа 16 включает последовательно соединенные широкополосный усилитель сигналов 16-1, вход которого через блок переключения каналов 12 соединен с акустическими преобразователями приемных блоков 8-10, а выход широкополосного усилителя соединен с преобразователем временного масштаба сигналов в высокочастотную область 16-2, далее с узкополосным анализатором спектров 16-3 и функционально связанным с ним регистратором (рекордером) выделяемых информационных сигналов 18, а также с входами блока анализа комплексной информации 19. Информационно аналитический центр (ИАЦ) 21 системы мониторинга включает блок системного анализа измеряемой информации 22, соединенный с выходом приемного радиоблока 23 и входом передающего радиоблока 24, выход которого по радиоканалу через приемный радиоблок 25 связан с излучающим трактом системы мониторинга 1.

Кроме того, на фиг. 1 показаны: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения волн) 31; источники излучения гидрофизических и геофизических информационных волн 26 и 28; источники атмосферных и береговых волн 27 и 32, морское дно 29, поверхность моря 30, рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн 33.

Работа просветной радиогидроакустической системы освещения обстановки и мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры осуществляется следующим образом. Излучатели подсветки среды 5-7 и приемные блоки 8-10 разносят по контролируемой акватории на необходимое расстояние (десятки-сотни километров) и размещают (заглубляют и устанавливают) на оси ПЗК, а также ниже и выше оси ПЗК, что обеспечивает формирование в ней пространственно развитой многолучевой параметрической антенны 33. Измерение признаков проявления информационных волн атмосферы, донных морских, а также береговых источников проводится параллельно и одновременно, а их идентификация осуществляется по характерным признакам спектров и пространственно временной динамики, принимаемых и анализируемых в блоке анализа комплексной информации 19 и окончательно в ИАЦ 21. Для геофизических волн, например волн предвестников землетрясений, может также проводится специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего динамику пространственно-временных характеристик спектральных составляющих как характерных информационных признаков зарождения и прохождения сейсмических возмущений земной коры (Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. - Нижний Новгород, 2007. - 113 с.).

Создаваемая радиогидроакустическая система может входить в общую региональную систему освещения морской обстановки посредством объединения комплексной информации в блоке ИАЦ 21. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность подстройки формируемых в излучающем тракте 1 просветных сигналов с учетом состояния среды распространения просветных волн. Кроме того, это обеспечивает возможность подстройки режимов работы системы мониторинга как широкомасштабной к изменяющимся условиям среды распространения просветных сигналов, а также к многообразию проявления источников информационных волн.

Основными закономерностями нелинейной просветной гидроакустики, которые использовались при разработке изобретения, являются: параметрическая модель просветной гидроакустики, принципы формирования просветных параметрических антенн в условиях протяженного канала распространения акустических волн, а также нелинейное взаимодействие волн различной физической природы в морской среде. Исходя из этого проведем их анализ.

Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации в условиях протяженного океанического волновода

Формируемая пространственно-развитая параметрическая система является просветной многолучевой параметрической (бестелесной) антенной. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации как параметрической с низкочастотной подсветкой контролируемой среды или рубежа рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема.

На фиг. 16 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон (1…hn) в пространстве образует эллипсоиды вращения. Первая зона образует область пространства, которая в основном определяет перенос энергии просветных акустических волн из точки излучения А в точку приема В. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В распространяется в пределах области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.

Действие всех остальных зон в результате их попарной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть для получения в точке приема энергии сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями или преобразования рассеивающими неоднородностями. Радиус h зоны номера n определяется по формуле Френеля

,

где R1, R2 - расстояния, определяющие положение объекта на линии излучения - приема; λ - длина просветной акустической волны; n - номер зон Френеля (достаточно взять нечетное число зон, например три или пять).

В случае расположения в пределах пространства первой зоны Френеля излучающего объекта с сопутствующей нелинейной неоднородностью среды будет происходить не только экранирование проходящих волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на этой неоднородности. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной параметрической просветной антенны бегущей волны накачки. Особенностью реализации просветного метода гидролокации как параметрического в океаническом волноводе является то, что гидроакустическая система контроля среды в этом случае представляет собой многолучевую приемоизлучающую антенну, как показано на фиг. 17, обоснование преимуществ которой является предметом рассмотрения.

Формирование просветных пространственно-развитых параметрических антенн в условиях многолучевого распространения акустических волн в морской среде

Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по трассам контролируемой морской акватории обеспечивает достижение нового эффекта, а именно дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также донном грунте.

Формирование совокупности просветных линий по трассам контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает получение соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории пространственно-развитой просветной параметрической антенны. В просветной системе мониторинга для формирования многолучевой пространственно-развитой антенны используется три ненаправленных излучателя (преобразователя), которые располагают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК. Приемные блоки, состоящие из трех ненаправленных преобразователей, располагают в вертикальной плоскости по треугольнику. В каждом приемном блоке измеряют функции корреляции принимаемых просветных сигналов между средним и крайними (верхним и нижним) преобразователями, затем измеряют функции их взаимной корреляции, по которым затем определяют направления приема информационных волн по просветным лучам сверху и снизу с повышенной точностью. Определение углов прихода просветных лучей сверху и снизу тремя приемными блоками обеспечивает наблюдение и контроль всех горизонтов трассы, кроме тех горизонтов, которые попадают в зоны тени, где просветное поле формируется слабыми отраженными от дна и морской поверхности лучами (Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975). При этом пологие лучи, распространяющиеся вдоль оси ПЗК, обеспечивают сплошную засветку пространства на горизонте оси канала. Формирование зон освещенности по трассе распространения просветных волн обеспечивается специальным расположением излучающих преобразователей системы мониторинга. Точное размещение излучающих блоков по глубине определяется путем расчетов лучевой структуры просветного поля по разработанным программам (Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность» программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ на программу №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003; Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН. Св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004). Большой пространственный объем просветных параметрических антенн, а также их протяженность по контролируемой акватории (десятки-сотни километров) обеспечивает возможность дальнего параметрического приема волн различной физической природы в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц.

Взаимодействие волн различной физической природы в морской среде

В отличие от классических параметрических устройств излучения и приема сигналов просветная система контроля морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной акустики, представляет собой многоканальную широкомасштабную параметрическую антенну с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных и информационных сигналов, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам нелинейной области, которая имеет достаточно большие величины (например, в случае возмущения среды кильватерным следом она может составлять единицы кубических километров). Переходя к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн с упругими информационными волнами, отметим, что классические выражения взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не могут быть использованы непосредственно. В этом случае взаимодействие может происходить на больших удалениях от приемника (десятки-сотни километров). Исходя из этого, в классических выражениях взаимодействия просветных волн с объектными волнами следует учитывать:

- затухание просветной волны Pn, обусловленное ее расхождением при распространении в волноводе в соответствии с известными принципами, которое обратно пропорционально квадрату расстояния Pn/R2;

- взаимодействие волн по объему нелинейно-возмущенной среды V;

- повышенную степень нелинейности среды в объеме взаимодействия γ;

- малое отличие частот просветных волн ωn и полезного сигнала ωс, которое в этом случае находится в пределах одного порядка и обеспечивает их более интенсивное взаимодействие.

С учетом этих поправок, аналитические зависимости для амплитуд комбинационных волн и индекса фазовой модуляции могут быть представлены в следующем виде:

; ,

где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации; γ - коэффициент нелинейности морской среды.

Как видно из выражений, давление комбинационных волн и индекс фазовой модуляции аналогичны классической зависимости, но в этом случае возрастет полезная фазовая модуляция просветных сигналов измеряемыми низкочастотными, что обусловлено усилением взаимодействия волн в объеме среды с повышенной нелинейностью.

Характеристика направленности просветной параметрической антенны подобна пространственной антенне бегущей волны и, в этой связи, обладает высокой направленностью и помехозащищенностью.

Она может быть представлена в виде

.

Таким образом, ширина характеристики направленности просветной параметрической антенны ограничивается пределами первых зон Френеля, которые, в свою очередь, определяются длиной волны просветных сигналов и протяженностью просветной трассы между излучающими и приемными преобразователями. Из этого следует, что направленность и помехозащищенность приемной просветной антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить классические. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.

Перейдем к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн информационными волнами различной физической природы. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры. Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемая система предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды. Распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн) является следствием воздействия на морскую среду измеряемых информационных полей, формируемых комплексом сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями, будут проявляться аналогичным образом.

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 модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Параметрический прием информационных волн просветной гидроакустической системой можно объяснить уравнениями гидродинамики, разработанными для вязкой жидкости, при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов», Электромеханика, - №4, -1995; Шостак СВ., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. ст. - Владивосток: ТОВМИ. - Вып. 22, 2001, С. 82-88; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио. Май 2000. - С. 105-109).

Качественно, любые изменения плотности и давления в морской среде при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, 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 будет меняться с той же частотой Ωзвэм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.

Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность так называемого «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде:

,

где P(t), P(t) - результирующее (модулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; 2ω - частота нелинейно сформированной волны; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; t - текущее время; Jn - функции Бесселя n-го порядка; А - амплитуда модулированной волны; mp - коэффициент модуляции.

Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω, равной сумме частот взаимодействующих волн, значения частот которых отличаются от 2ω на nΩ, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением

Jn(2A/P)·0,5P2.

Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции mp спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами, в том числе с волнами «малых амплитуд», сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить, что преобразование просветных акустических волн может осуществляться излучениями (волнами) различной физической природы (акустическими, электромагнитными, гидродинамическими). Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты эффективно выделяются при спектральном анализе как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов. Предлагаемая в изобретении просветная параметрическая система, основанная на низкочастотной подсветке контролируемой среды, формируется по каждому отдельному акустическому лучу, при этом каждый луч просветной системы представляет собой протяженную параметрическую антенну, обеспечивающую эффективное решение задачи дальнего параметрического приема волн различной физической природы в широком диапазоне частот. Совокупность сформированных в среде «лучевых трубок» в вертикальной плоскости обеспечивает формирование многолучевой параметрической антенны пространственно развитой по протяженности и пространству контролируемой акватории. Расположение излучающих преобразователей системы относительно ПЗК на горизонтах выше, ниже и на его оси обеспечивает формирование зон освещенностей вблизи поверхности моря и дна, а также вдоль оси канала ПЗК. Секторное расположение вертикальных просветных антенн по кругу или периметру контролируемой акватории при стационарно расположенном в центре излучателе обеспечивает формирование пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью пространства контролируемой среды. Кроме того, круговое горизонтальное разнесение вертикальных многолучевых параметрических антенн целесообразно устанавливать через 45 град, т.е. в количестве не менее 8-ми штук, что соответствует реализации корреляционных свойств антенн, принимающих просветные сигналы стабилизированной частоты, и обеспечивает подавление помех среды с низкой корреляцией как случайных сигналов. Преимуществом разработок широкомасштабной радиогидроакустической просветной параметрической системы является простота ее создания и эксплуатации. Излучающий и приемный тракты системы могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ - 400. Приемные блоки как направленные корреляционные системы могут быть сформированы из протяженных многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых Специальным конструкторским бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН.

Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов, так как оно может быть использовано в радиогидроакустических системах параметрического приема волн различной физической природы источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде.

Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.

Заявляемая радиогидроакустическая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.

1. Радиогидроакустическая система параметрического приема волн источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде, включающая в себя установленные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и как минимум три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн как просветные параметрические антенны, а также соединенные с излучающим и приемными преобразователями соответственно излучающий тракт, который включает в себя последовательно соединенные блоки формирователя сигналов стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц, усилителя мощности сигналов и акустического преобразователя как излучателя сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает в себя последовательно соединенные блоки трехканального полосового усилителя просветных сигналов, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, измерителя функций корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, далее блока выделения функции их взаимной корреляции и регистратора сигналов, отличающаяся тем, что рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно-развитая просветная параметрическая антенна, для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенных в центре акватории и установленных на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК, аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории; при этом приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и включает один канал (линию) спектрального анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера); при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединены с тремя линиями корреляционного и взаимно- измерительной системы, а выходы каналов (линий) спектрального и корреляционного анализов анализпринимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой комплексной информации, выход которого через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром системы мониторинга, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирователя сигналов передающего тракта системы мониторинга.

2. Радиогидроакустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что многоканальная просветная параметрическая система формируется как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии, что обеспечивает формирование общей пространственно-развитой параметрической системы мониторинга.

3. Радиогидроакустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков, размещенных в вертикальной плоскости, устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками вертикальной структуры просветного акустического поля.

4. Радиогидроакустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что широкомасштабная просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем мониторинга, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области определения одной из основных характеристик шумоизолирующих материалов - коэффициента их звукопоглощения. Способ оценки звукопоглощения волокнисто-пористых материалов заключается в измерении удельного сопротивления протеканию потоком воздуха RS и определении коэффициента звукопоглощения α на заданной частоте по регрессионным уравнениям, связывающим RS и α.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля положения поглощающих стержней различного функционального назначения в активной зоне реактора, а также различных механических узлов и оборудования, например, на атомных электростанциях.
Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для качественной оценки распределения плотностей ультразвуковой энергии в технологических объемах с водной средой, подвергаемой действию ультразвука.

Использование: для контроля ультразвукового датчика по характеристики импеданса датчика. Сущность изобретения заключается в том, что сенсорное устройство содержит датчик, прежде всего ультразвуковой датчик, имеющий средства генерирования и обнаружения звуковых волн, причем средства обнаружения преобразуют принимаемые звуковые волны в электрические сигналы, анализируемые посредством блока обработки сигналов, при этом оно содержит устройство функционального контроля, выполненное с возможностью определения характеристики импеданса датчика в зависимости от частоты возбуждения, причем устройство функционального контроля выполнено таким образом, чтобы во время измерения импеданса возбуждать колебания с амплитудой, меньшей по сравнению с результатом обычного измерения, или таким образом, чтобы проводить измерения импеданса в промежутках между периодами работы датчика в обычном режиме измерений.

Настоящая группа изобретений относится к измерительной камере (6) для ультразвуковой ванны (1) или для емкости, которая оборудована низкочастотным источником (2) ультразвука для выработки кавитации и способу для определения кавитационной энергии.

Изобретение относится к способу и устройству для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров.

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.

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.

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. .

Использование: гидрофизика, геофизика и радиофизика. Сущность изобретения: способ параметрического приема волн различной физической природы источников атмосферы, океана и земной коры в морской среде включает в себя пространственно-разнесенные по контролируемой акватории на десятки-сотни километров излучающие и приемные акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн, соединенные с преобразователями, соответственно, излучающий тракт формирования, усиления и излучения сигналов подсветки среды, а также тракт приема усиления, спектрального анализа нелинейно преобразованных просветных сигналов, выделения в спектрах верхней и (или) нижней боковых полос, определение и регистрации информационных сигналов, отличается тем, что рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн формируют как многолучевую пространственно-развитую просветную параметрическую антенну, соизмеримую с протяженностью контролируемой акватории, для чего излучающий преобразователь располагают в центре акватории и включают в него три всенаправленных блока и устанавливают их на оси ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемный преобразователь формируют аналогично излучающему преобразователю из трех одинаковых блоков, которые располагают по кругу или периметру на противоположной границе акватории и размещают их относительно ПЗК аналогично излучающим блокам, при этом каждый приемный блок формируют из трех одиночных гидрофонов, которые размещают в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, а их вершины направляют в сторону излучающих преобразователей, за счет этого совместно с излучающими преобразователями формируют просветную многолучевую параметрическую антенну, при этом в излучающий тракт измерительной системы включают последовательно соединенные блоки: звукового генератора стабилизированной частоты, усилителя мощности, трехканального блока согласования выхода усилителя с подводными кабелями и далее с излучающими акустическими преобразователями, а приемный тракт измерительной системы формируют как многоканальный и многофункциональный, который включает один канал анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки: полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера), а также три канала измерения функций корреляции между средним и крайними гидрофонами приемных блоков, далее функций их взаимной корреляции для последующего измерения углов прихода многолучевых сигналов «сверху и снизу» по направлениям сформированных в вертикальной плоскости просветных параметрических антенн для каждого приемного блока, при этом в каждый из трех каналов корреляционного анализа включают последовательно соединенные: полосовые усилители, два параллельных блока измерения корреляционных функций сигналов между центральным и крайними гидрофонами приемных блоков, далее блоки измерения функций взаимной корреляции, выходы которых соединяют с общим блоком регистратора (рекордером), а также с блоком вычисления траектории лучей, как просветных параметрических антенн, и точек их пересечения на акватории (ЭВМ), при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединяют с многоканальным приемным трактом измерительной системы. Кроме того, нелинейно преобразованные просветные сигналы от каждого излучающего преобразователя принимают одиночными приемниками всех приемных блоков, что обеспечивает прием приходов просветных сигналов по отдельным лучам как параметрическим антеннам и их последующее разделение по углам приходов блоками корреляционного и взаимно корреляционного анализа. Кроме того, просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн и располагают их по кругу или периметру среды через 45 градусов, ориентируют их радиально от излучающего центра к периферии, что обеспечивает формирование общей пространственно-развитой параметрической системы мониторинга. Кроме того, расположенными в вертикальной плоскости приемными блоками совместно с излучающими блоками формируют многолучевые вертикальные параметрические антенны, при этом расстояние между преобразователями приемных блоков и их гидрофонов в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля. Кроме того, в приемный и излучающий тракты системы включают блоки радиосвязи и обеспечивают согласование работы излучающего и приемного трактов измерительной системы и ее вхождения по каналам связи, предпочтительно спутниковой, в информационно-аналитический центр анализа многозвенной информации и управления системой. Кроме того, просветную радиогидроакустическую систему мониторинга наращивают (масштабируют) по пространству за счет объединения аналогичных подсистем мониторинга, разворачиваемых на других акваториях, и объединяют их по каналам радиосвязи (предпочтительно космической) в едином информационно-аналитическом центре, содержащем блок системного анализа информации, излучающий и приемный радиоблоки, и обеспечивают их двухстороннюю связь излучающим и приемным трактами системы освещения и мониторинга. Технический результат: разработка широкомасштабной радиогидроакустической просветной системы мониторинга как пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с протяженностью контролируемой среды, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием в морской среде волн различной физической природы атмосферы, океана и земной коры, формируемых естественными и искусственными источниками, явлениями и процессами в диапазоне частот, охватывающих десятки-единицы килогерц, сотни-десятки-единицы-доли Герца, включая сверхнизкочастотные, а также определение мест (дистанции и глубины) морских источников, возможности оперативной подстройки режимов работы системы к изменениям среды распространения просветных волн, а также к многообразию проявления информационных волн. 4 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к областям гидроакустики, гидрофизики и геофизики. Способ формирования и применения пространственно развитой просветной параметрической антенны в морской среде включает в себя формирование просветной приемной параметрической антенны как многолучевой, соизмеримой с пространственной протяженностью контролируемой морской среды, для этого используют ненаправленные излучающие преобразователи, которые располагают в центре акватории и размещают их на оси подводного звукового канала, выше и ниже его, а три приемных блока формируют из трех ненаправленных акустических преобразователей каждый, размещенных в вертикальной плоскости по треугольникам, а по глубине располагают аналогично излучающим преобразователям, при этом вершины треугольников направляют в сторону излучателей, при этом нелинейно преобразованные просветные сигналы многоканально принимают одиночными преобразователями трех приемных блоков и посредством подводных кабелей через блок коммутации, и переключения каналов анализа сигналов подают на входы многоканального и многофункционального приемного тракта, в котором измеряют характеристики просветных сигналов каждым приемным блоком, определяют направления их приходов в вертикальной плоскости контролируемого сектора, для этого принимаемые блоками просветные сигналы усиливают в полосе частот их параметрического преобразования, измеряют корреляционные функции сигналов между средним и крайними преобразователями, затем измеряют их взаимно корреляционные функции, по характерным максимумам которых определяют направления приходов информационных сигналов «сверху и снизу», далее на основе алгоритма решения «обратной лучевой задачи» формирования структуры просветного акустического поля определяют точки пересечения лучей по направлениям наблюдаемых секторов для каждого приемного блока как места расположения морских источников излучения информационных волн, далее в сигналах взаимно корреляционных функций с выходов каждой линии анализа измеряют узкополосные спектры, по которым с учетом параметрического преобразования в среде и частотно-временного преобразования в приемном тракте определяют частоту измеряемых информационных волн и их принадлежность (идентификацию) к атмосферным, морским или донным. Техническим результатом является повышение чувствительности и дальности параметрического приема волн различной физической природы. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, как в натурных, так и в лабораторных условиях, например для определения микро возмущений (порядка десятков микрон) водной поверхности при наличии низкочастотных волн значительной амплитуды (порядка пяти-десяти сантиметров). В предлагаемом устройстве в качестве датчика поверхностного волнения (возмущения) использован бесконтактный емкостной датчик, представляющий собой конденсатор. Одна обкладка конденсатора выполнена в виде пластины из проводящего материала (например, в виде металлического диска), а второй обкладкой является проводящая жидкость (например, вода), волнение (возмущение) поверхности которой измеряется. Пластина бесконтактного емкостного датчика закреплена на подвижной относительно поверхности жидкости штанге подъемно-опускного механизма. В подъемно-опускном механизме обеспечивается поддержание постоянного заданного расстояния между пластиной датчика и поверхностью жидкости за счет применения отрицательной обратной связи. Технический результат заключается в возможности измерения высокочастотных микро колебаний водной поверхности при наличии низкочастотных возмущений большой амплитуды. Устройство может быть использовано для определения корреляции между данными, полученными радиолокационными методами исследованиями водной поверхности и ее реальным состоянием. 1 ил.

В изобретении представлены научно-технические разработки и технологии многофункционального экологического мониторинга районов нефтегазодобычи, расположенных на морском шельфе. Технические решения изобретения основаны на закономерностях и измерительных технологиях нелинейной просветной гидроакустики, а их реализация осуществляется с использованием радиогидроакустических средств морского приборостроения, в качестве которых использован комплекс «Аквазонд». Используется также текущая информация спутниковых систем навигации «Глонасс» и связи «Гонец». Радиогидроакустическая система экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи включает в себя размещенные в обследуемой среде излучающий и приемный акустические блоки, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки среды с измеряемыми информационными, соединенные с акустическими блоками тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных сигналов накачки, их усиление, обработка и анализ с выделением в них характеристик измеряемых информационных волн, отличается тем, что измерительная система включает размещенные в центре акватории блок всенаправленного облучения среды просветными акустическими сигналами близкой стабильной частоты, а также блок излучения сложных (ЛЧМ или ФМ) сигналов, а приемные блоки в количестве 8-и изделий размещают по ее периметру (или кругу) через 45° относительно излучающего центра, при этом в каждый приемный блок системы включены по три гидрофона, которые размещены в углах горизонтальных (предпочтительно, равнобедренных) треугольников, а их вершины направлены в сторону излучающих блоков, при этом приемные гидрофоны каждого приемного блока подключены к расположенным на поверхности моря радиогидроакустическим буям (РГБ), выходы которых по каналам связи через многоканальный приемный радиоблок, далее блок переключения приемных каналов соединены с многоканальным и многофункциональным приемным трактом системы мониторинга, а в ее излучающий тракт включен генератор сигналов близкой стабильной частоты и генератор сложных сигналов (ЛЧМ или ФМ), выходы которых соединены со входом двухканального усилителя мощности, а его выходы с двухканальным блоком согласования выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими блоками (акустическими преобразователями), при этом приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и многофункциональный, включающий один канал спектрального анализа и выделения сигналов разностной и (или) суммарной частоты, содержащий последовательно соединенные блоки: полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера), при этом в приемный тракт измерительной системы включены также 8 каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов, для этого в каждый из них включены последовательно соединенные блоки - полосовые усилители, по два параллельно подключенных блока измерения корреляционных функций между сигналами центрального и крайних, расположенных в вершинах треугольников гидрофонов, далее блоки измерения функций их взаимной корреляции сигналов, выходы которых соединены с блоком определения точек пересечения сигналов взаимно-корреляционных функций (ЭВМ). Кроме того, многофункциональный блок измерения экологических характеристик среды первоначально расположен в месте излучающих блоков и размещен на судне-носителе, который затем перемещают и устанавливают в местах обнаруженных экологических изменений характеристик среды. Кроме того, блок формирования просветных сигналов близкой частоты обеспечивает облучение среды в диапазоне единиц килогерц. Кроме того, контролируемую среду с заданной периодичностью, дополнительно, по заданной программе озвучивают сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией в полосе единицы-десятки килогерц. Кроме того, мониторинг и охрана обследуемого района в зависимости от поставленной задачи проводится в заданном относительно излучающего центра секторе углов приема просветных сигналов. Кроме того, в систему экологического мониторинга и контроля включен блок информационно-аналитического центра (ИАЦ), который по каналам связи соединен с блоками передачи информации от спутниковых систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец» об экологическом состоянии поверхности обследуемой акваторий, а также о сейсмической и синоптической обстановке за ее пределами. Технический эффект изобретения заключается в разработке эффективных технологий обнаружения признаков проявления в среде и на ее поверхности нефтегазовых скоплений, проведении многофункционального экологического мониторинга среды, а также охраны акватории от проникновения нарушителей и оповещении о вероятном вступлении в обследуемый район опасных явлений. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

В изобретении представлены научно-технические разработки и технологии способа многофункционального экологического мониторинга районов нефтегазодобычи на морском шельфе. Сущность: способ экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи, включает в себя размещение излучающего и приемного блоков измерительной системы на противоположных границах контролируемой среды, облучение ее акустическими сигналами стабильной частоты и формирование рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, прием нелинейно преобразованных просветных волн и усиление в полосе преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область и проведение их узкополосного спектрального анализа и выделение в спектрах параметрических составляющих суммарной и (или) разностной частоты и восстановление по ним, с учетом временного и параметрического преобразования, исходных характеристик измеряемых информационных волн. Дополнительно в нем проводят многофункциональный экологический мониторинг обследуемой среды, а так же охрану акватории от нарушителей и диверсантов, для этого в месте установки излучающего блока системы мониторинга размещают расположенный на судне-носителе блок многофункционального измерения экологических характеристик среды «Аквазонд», который затем перемещают в место обнаруженного экологического проявления скоплений, для чего контролируемую среду облучают просветными акустическими сигналами близкой стабильной частоты, а рабочую зону нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн формируют по всему пространству обследуемой акватории, для этого излучающий блок системы мониторинга размещают в центре акватории, а приемные блоки - по ее периметру (или кругу) через 45° относительно излучающего центра, при этом в каждый приемный блок системы включают по три гидрофона, которые располагают в углах горизонтальных (предпочтительно, равнобедренных) треугольников, а их вершины направляют в сторону излучающего блока, при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока подключают к расположенными на поверхности моря радиогидроакустическим буям (РГБ), принимаемые просветные сигналы, с выходов которых по каналам связи через многоканальный приемный радиоблок, далее через блок переключения приемных каналов соединяют с многофункциональным приемным трактом системы мониторинга, при этом в излучающий тракт системы мониторинга включают генератор сигналов близкой стабильной частоты, а также генератор сигналов с частотно-временной (или фазовой) модуляцией, двухканальный усилитель мощности сигналов, двухканальный блок согласования выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими акустическими преобразователями, а приемный тракт измерительной системы формируют как многоканальный и многофункциональный, в который включают один канал спектрального анализа и выделения информационных сигналов разностной и (или) суммарной частоты, формируемых нелинейными областями движущихся объектов-нарушителей, содержащий последовательно соединенные блоки: полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера), при этом в приемный тракт измерительной системы включают также восемь каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа принимаемых сигналов, при этом в каждый из восьми каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа сигналов включают последовательно соединенные: полосовые усилители, два параллельных блока измерения корреляционных функций между сигналами центрального и крайних гидрофонов, расположенных в вершинах треугольников, далее блоки измерения функций взаимной корреляции сигналов, выходы которых соединяют с блоком определения точек пересечения сигналов взаимно корреляционных функций (ЭВМ), как мест проявления нефтегазовых скоплений или мест расположения объектов-нарушителей, в которые затем размещают блок многофункционального экологического измерителя «Аквазонд», а измеряемые сигналы по радиоканалу передают на вход блока ЭВМ. Кроме того, контролируемую среду облучают акустическими сигналами близкой стабильной частоты в диапазоне единиц килогерц. Кроме того, контролируемую среду дополнительно, с заданной периодичностью, озвучивают сложными сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией в полосе частот единицы - десятки килогерц, при этом облучение среды сигналами близкой частоты или сложными сигналами проводят по заданной программе мониторинга и контроля акватории в соответствии с обстановкой на акватории и за ее границами. Кроме того, мониторинг и охрану обследуемого района в зависимости от поставленной задачи проводят в заданном, относительно излучающего центра, секторе углов приема просветных сигналов. Кроме того, в систему мониторинга включают информационно-аналитический центр (ИАЦ), в который поступает информация от внешних источников наблюдения, включая спутниковые системы навигации «Глонасс» и связи «Гонец», об экологическом состоянии поверхности обследуемой акватории, а также сейсмической и синоптической обстановки за ее пределами. Технический эффект изобретения заключается в разработке технологий обнаружения признаков проявления в среде и на ее поверхности нефтегазовых скоплений, проведение многофункционального экологического мониторинга среды, а также охраны акватории от нарушителей и оповещение о вероятном вступлении в обследуемый район опасных явлении. 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Использование: изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике и может быть использовано при формировании пространственно-развитых просветных радиогидроакустических систем мониторинга акустических, гидродинамических и электромагнитных полей, формируемых искусственными и естественными источниками, опасными явлениями атмосферы, океана и земной коры в диапазоне частот, охватывающем сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся объектов и неоднородностей морской среды. Сущность: радиогидроакустическая система параметрического приема волн источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде включает в себя: установленные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и как минимум три приемных акустических преобразователя, соединенные с излучающим и приемным трактами соответственно, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн. Предлагаемая радиогидроакустическая система принципиально отличается тем, что рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна. Для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенных в центре акватории и установленных на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала. Приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и периметру на противоположной границе акватории. При этом выход приемного тракта через передающий радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирования сигналов излучающего тракта системы. Многоканальную просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии. Расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками структуры просветного акустического поля. Просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи. Технический результат: обеспечение дальнего параметрического приема в морской среде волн различной физической природы, формируемых естественными и искусственными источниками, явлениями и процессами атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот принимаемых волн различной физической природы составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся объектов как целого. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

Наверх