Система акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде

Предлагаемое техническое решение представляет собой разработку структуры и принципов эксплуатации системы дальней (просветной) акустической томографии характеристик гидрофизических и геофизических полей среды и морского дна, а также контроль их пространственно-временной динамики. Информационные поля измеряются и регистрируются в широком диапазоне частот, составляющем сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герц, включая диапазон СНЧ-колебаний движущихся объектов как целого. Система акустической томографии гидрофизических и геофизических полей морской среды включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемого участка среды излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн накачки среды с измеряемыми информационными, соединенные с преобразователями излучающий и приемный тракты системы мониторинга, при этом излучающий тракт системы включает в себя последовательно соединенные генератор сигналов стабилизированной звуковой частоты, усилитель мощности формируемых сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим преобразователем, а приемный тракт системы включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель нелинейно преобразованных просветных сигналов накачки, узкополосный анализатор спектра и функционально связанный с ним регистратор выделяемых анализатором информационных сигналов. Согласно изобретению приемный преобразователь измерительной системы сформирован как линейная дискретная антенна, включающая n элементов (гидрофонов), горизонтально размещенных в направлении излучающего блока системы, при этом каждый элемент антенны соединен с соответствующим входом n-канального предварительного усилителя, выходы которого через многожильный подводный кабель соединены с входами n-канального блока частотно-временного преобразования сигналов в высокочастотную область, а его выходы - с входами блока переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя. Кроме того, число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной приемной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними - половине длины просветной акустической волны. Кроме того, масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливают в соответствии с числом приемных каналов n. Кроме того, блок узкополосного анализа спектров функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала. Кроме того, контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне частот десятки - сотни герц. Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в решении задачи просветной акустической томографии характеристик гидрофизических и геофизических полей среды и морского дна, а также наблюдении их пространственно-временной динамики на акваториях протяженностью десятки - сотни километров, в диапазоне частот десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герц. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и может быть использовано в решении задач комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями океана и земной коры. Такие поля формируются морскими объектами, динамическими и сейсмическими, а также синоптическими процессами и опасными явлениями. Научно-техническим решением изобретения является разработка параметрической системы дальнего параметрического приема информационных полей морских объектов и среды, измерения их амплитудно-фазовой структуры, а также контроля их пространственно-временной динамики с последующим представлением измеряемых характеристик в формате 2D и (или) 3D. Предлагаемое техническое решение представляет собой разработку структуры и принципов функционирования системы низкочастотной просветной акустической томографии характеристик гидрофизических и геофизических полей морской среды, а также контроль их пространственно-временной динамики. Информационные поля измеряются и регистрируются в широком диапазоне частот, составляющем сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герц, включая диапазон СНЧ-колебаний движущихся объектов и гидродинамических неоднородностей морской среды как целого, что является общей задачей гидрофизики и геофизики.

В последние десятилетия в проблеме мониторинга и освоения океанской среды все более актуальным направлением являются исследования и научно-технические разработки методов и средств низкочастотной акустики. При этом наиболее сложной и актуальной проблемой низкочастотной акустики океана является развитие методов акустической томографии морской среды, а в более широком смысле - разработка методов акустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических полей объектов и неоднородностей среды в протяженном океаническом волноводе. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - реконструкции по данным измерений характеристик гидрофизических и геофизических полей контролируемой морской среды. К таким характеристикам среды относятся, например, неоднородный по трассе вертикальный профиль скорости звука, поля присутствующих в среде объектов, а также неоднородностей и скоплений морской среды и морского дна природного или искусственного происхождения в широком диапазоне частот.

Известные в настоящее время разработки способов и реализующих их систем акустической томографии пространственных образов неоднородностей и объектов океанской среды основаны на реконструкции их пространственной структуры. При этом, восстановление образов объектов и неоднородностей среды выполняется по акустическим измерениям их проекций с последующей специальной обработкой измеряемых данных, обеспечивающей формирование их пространственного контура (См. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. в кн. Акустическая томография океана. Н. Новгород. ИПФ РАН, 1997, с. 5-13).

Рассмотренные разработки не исчерпывают известного многообразия практических задач акустической томографии океана. К таким задачам, прежде всего, относится разработки технологий дальней низкочастотной томографии полей объектов и неоднородностей морской среды различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в широком диапазоне формируемых ими частот. Такая задача акустической томографии может быть эффективно решена на основе разработок измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики (НПГА), как низкочастотной и многофункциональной. В настоящее время нелинейная просветная гидроакустика, как новое научно-техническое направление в области гидрофизики и геофизики интенсивно разрабатывается и внедряется в системах мониторинга полей различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками морской среды. (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M., Леоненков Р.В. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С.).

Разрабатываемые на основе закономерностей НПГА измерительные технологии обеспечивают дальний параметрический прием информационных полей объектов, морской среды и морского дна, которые защищены патентами на изобретение. Так, например, известны «Способы и системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде», реализуемые методом нелинейной просветной гидроакустики: RU 2158029 С2, 15.12 1998, RU 2167454 С2, 15.12.1998, RU 2453930 С1, 11.10.2010, RU 2452040 С1, 11.10.2010, RU 2452041 С1, 11.10.2010, RU 2472236 С1, 15.06.2011, RU 2472116 С1, 15.06.2011, RU 2474793 С1, 15.06.2011, RU 2474794 С1, 15.06.2011, RU 2503977 С1, 18.07.2012, RU 2503036 С1, 17.07.2012, RU 25.36836 С1, 29.10.2014, RU 2536837 С1, 29.10.2014, RU 2550588 С1, 10.03.2015.

Общим недостатком указанных технических решений является отсутствие в них возможности представления пространственно-временной структуры измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также постоянного наблюдения и контроля их пространственно-временной динамики. Таким образом, в известных технических решениях по созданию способов и реализующих их систем дальнего параметрического приема информационных гидрофизических и геофизических полей объектов и среды отсутствует решение задач дальней акустической томографии характеристик измеряемых информационных полей, а также наблюдение их пространственно-временной динамики, что является предметом научно-технической разработки предлагаемого изобретения.

Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является «Система параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде» RU №2472116 от 15.06.2011 г., которая выбрана в качестве системы-прототипа.

Система-прототип включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемого участка морской среды - излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн накачки среды с измеряемыми информационными, соединенные с преобразователями излучающий тракт, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых сигналов накачки среды, а также приемный тракт, обеспечивающий прием, обработку просветных сигналов, выделение из них и регистрацию информационных волн, при этом излучающий тракт системы включает в себя последовательно соединенные генератор сигналов низкой звуковой частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим преобразователем, а приемный тракт системы включает в себя блоки приема, анализа и регистрации измеряемых информационных волн. Недостатками системы-прототипа являются отсутствие в нем блоков и их связей с существующими блоками, которые должны обеспечивать непрерывное измерение, формирование и представление спектральных характеристик информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке структуры системы-прототипа для ее реализации как системы акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде. При этом система должна обеспечивать дальний параметрический прием и измерение спектров гидрофизических и геофизических полей, формируемых объектами, морской средой и морским дном, формирование и представление их спектральных характеристик полей в формате 2D и (или) 3D, а также наблюдение и контроль их пространственно-временной динамики.

Следует отметить, что отсутствие этого решения в известных аналогах и в системе-прототипе обусловлено использованием в них блока, обеспечивающего преобразование принимаемых просветных сигналов (перенос их частотно-временного масштаба) в высокочастотную область, что преобразует принимаемый просветный сигнал в отдельные отрезки. Указанная операция увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, а при обработке повышает эффективность выделения из них информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной акустической томографии измеряемых информационных полей. Для реализации измерительных технологий просветной акустической томографии информационных полей в систему мониторинга полей, основанную на преобразовании частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, необходимо включать дополнительные блоки и их связи с известными блоками. Дополнительные блоки должны обеспечивать многоканальный прием смещенных (запаздывающих) по времени сигналов, преобразование их масштаба в высокочастотную область, формирование из них непрерывного сигнала, который затем анализируют и выделяют в нем признаки информационных волн и их пространственно-временную динамику.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в решении задачи дальней акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в среде, а также постоянное наблюдение и контроль их пространственно-временной динамики на акваториях протяженностью десятки - сотни километров в диапазоне частот, составляющим сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герц.

Для решения поставленной задачи система акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемого участка морской среды излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных сигналов с измеряемыми информационными сигналами, соединенные с преобразователями излучающий и приемный тракты системы мониторинга, при этом излучающий тракт включает в себя последовательно соединенные генератор сигналов стабильной звуковой частоты, усилитель мощности формируемых сигналов, блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим преобразователем, а приемный тракт системы включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель нелинейно преобразованных просветных сигналов, узкополосный анализатор их спектра и функционально связанный с ним регистратор выделяемых информационных волн, отличается тем, что приемный акустический преобразователь измерительной системы сформирован как линейная дискретная антенна, включающая n элементов (гидрофонов), которые горизонтально размещены в направлении излучающего блока, при этом каждый элемент антенны соединен с соответствующим входом n-канального предварительного усилителя, а выходы усилителя через многожильный подводный кабель соединены с входами n-канального блока частотно-временного преобразования сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала, выход которого соединен с широкополосным усилителем. Кроме того, число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной антенне целесообразно использовать в количестве 10 элементов, а расстояния между ними - половине длины просветной акустической волны. Кроме того, масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливают в соответствии с числом приемных каналов n. Кроме того, блок узкополосного анализа спектров функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала. Кроме того, контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне частот десятки - сотни герц.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Отличительный признак, заключающийся в том, что «приемный преобразователь системы сформирован как линейная дискретная антенна из n элементов (гидрофонов), которые горизонтально размещены в направлении излучающего блока» обеспечивает возможность последующей реализации измерительной системой непрерывного наблюдения и анализа принимаемых просветных сигналов. Это обеспечивается за счет многоканального приема смещенных (запаздывающих) по времени просветных сигналов, их последующего частотно-временного преобразования и последовательного сложения, сокращенных по времени сигналов и формирования из них, путем непрерывного и цикличного переключения непрерывных для каждого цикла временных отрезков принимаемого просветного сигнала.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной антенне целесообразно использовать в количестве 10 элементов, а расстояния между ними - половине длины просветной акустической волны» обеспечивают эффективную работу дискретной антенны, сформированной в соответствии с известными в гидроакустике правилами.

Отличительные признаки изобретения, заключающиеся в том, что «каждый элемент дискретной антенны соединен с соответствующим входом n-канального предварительного усилителя, выходы которого через многожильный подводный кабель соединены с входами n-канального блока преобразователя частотно-временного масштаба принимаемых просветных сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входом блока переключения каналов и формирования непрерывного сигнала, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя», обеспечивают решение основной задачи создаваемой системы - реализацию технологий просветной акустической томографии измеряемых информационных полей.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной приемной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними устанавливают равным половине длины просветной акустической волны» обеспечивает эффективный прием просветных волн, что также соответствует принципам построения и работы дискретных гидроакустических антенн (см. марышев М.Д. Линейные дискретные антенны. В кн. Направленность гидроакустических антенн. Л., Судостроение, 1973, с. 140-152).

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливают в соответствии с числом приемных каналов n, обеспечивает заключительную реализацию операций формирования непрерывной акустической томографии при использовании частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «блок узкополосного анализа спектров функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала», обеспечивает возможность управления работой измерительной системы в соответствии с формированием спектров информационных полей в формате 2D и (или) 3D и контроля их пространственно-временной динамики.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц» обеспечивает реализацию измерительной системой дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы и их представления технологиями акустической томографии.

Исходя из совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения, обобщенная формулировка технического решения (эффекта) может быть изложена в следующем виде. Разработана гидроакустическая система дальней акустической томографии гидрофизических и геофизических полей, включая акустические, электромагнитные и гидродинамические волны в морской среде, а также непрерывного контроля их пространственно-временной динамики в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот.

Физическая сущность дальнего параметрического приема гидрофизических волн в морской среде и их реализация технологиями акустической томографии может быть представлена на основе следующих закономерностей. Известно, что параметры морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, изменяются (модулируются) под ее влиянием. Исходя из этого, считается, что влияние гидрофизических полей на просветные сигналы осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды, что и обеспечивает нелинейное взаимодействие и параметрический прием информационных волн.

По своей физической сущности параметрический прием сигналов в системе предусматривает специальное изменение (увеличение или уменьшение) плотности и (или) температуры водной среды и распределение этих величин на пути распространения упругих сигналов в морской среде (по линии просветной трассы). Изменение этих параметров в сторону увеличения можно производить различными способами, но основным из них является формирование в заданном направлении излучения - приема волн протяженной нелинейной области. Для биологических скоплений - это пузырьковая область организмов, например рыб, для морских судов - это пузырьковый кильватерный след. Такие изменения могут быть внесены также другими специальными способами и средствами.

Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят так называемые нелинейные параметры среды, которые невелики. Для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 10°C; 3,5 - при 20°C; 3,7 - при 40°C. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°C величина Е составляет порядка 3,6. Последние экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов в настоящее время в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично. В этом случае необходимо применять иные способы и средства повышения нелинейного взаимодействия волн.

Проведем анализ закономерностей взаимодействия в морской среде упругих (акустических) и электромагнитных волн, а также теоретических положений нелинейной акустики, используемых в заявляемой системе. Математическое объяснение процесса закономерностей распространения электромагнитной волны описывается уравнением диффузии, которое выводится на базе теории взаимодействия электромагнитной волны и проводящей жидкости, приблизительно описывающей электропроводящую морскую среду.

Закономерности параметрического формирования электромагнитных колебаний в проводящей морской среде и их измерение, как модуляционных признаков просветных акустических волн, 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 в диапазоне частот (от единиц Гц - до сотен Гц), может составлять от 10-20 до 100-200 м. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 м. 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 и практические пути реализации рассматриваемой закономерности заключаются 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 механистические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы 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.

Процесс формирования параметрического приема волн пространственной параметрической антенны, как 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

Из приведенного выражения следует, что любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени. Это происходит в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой волной через проводящую электрический ток морскую среду. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются 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 изобретения, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования (модуляции) нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными волнами, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты и их гармоник).

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема гидроакустической системы акустической томографии гидрофизических и геофизических полей морской среды с представлением пространственно-временных характеристик их спектров в формате 2D и (или) 3D. Экспериментальные макеты системы прошли морские испытания на протяженных просветных трассах Дальневосточных морей.

На фиг. 2 и 3 показаны результаты испытаний системы акустической томографии геофизических (сейсмических) полей. Представлены пространственно-временные характеристик спектров сейсмического фона (фиг. 2), а также сильного землетрясения (фиг. 3) в формате 3D. Сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин, место зарождения - Курильская островная гряда, расстояние около 500 км, 2014 г. На фиг. 4, 5 показаны результаты испытаний системы акустической томографии гидрофизических (акустических и гидродинамических) полей морского судна с представлением и спектральных характеристик в формате 2D. Испытания проводились на трассах протяженностью 45 км (фиг. 4) и 310 км (фиг. 5).

На фиг. 6а и 6б представлены результаты испытаний системы для акустической томографии электромагнитного поля морского судна, реализованного методом нелинейной просветной гидроакустики на трассе протяженностью 45 км с представлением пространственно-временных характеристик измеряемого информационного поля в формате 2D. На фиг. 6а и 6б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна в формате 2D, записи выполнены на просветной трассе Берингова моря протяженностью 45 км. На фиг. 7а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитных и акустических (вально-лопастных) излучений морского судна (в формате 2D) на просветной трассе протяженностью 30 км (Камчатка, Авачинский залив). На фиг. 8 и 9 представлены спектрограммы сейсмического фона и сильного землетрясения (в формате 3D), прошедшего в районе Курильской гряды в 2013 году. Регистрация сигналов на морском поле о. Сахалин. На фиг. 10 представлена пространственно-временная картина дискретных составляющих спектра шумового поля морского судна в формате 2D. Параметрические измерения выполнены в переходной зоне Охотского и Японского морей на трассе протяженностью 345 км. На спектрограмме наблюдаются дискретные резонансные колебания корпуса судна и их СНЧ-модуляция колебаниями как целого в установившемся режиме движения.

Для реализации системы-изобретения необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления низкочастотных просветных сигналов стабильной частоты 1, снабженный излучающим блоком (акустическим преобразователем) 2, излучающим просветные сигналы на частоте десятки - сотни герц. Приемный тракт системы 5, соединенный с линейной дискретной антенной 4, обеспечивающий прием и анализ нелинейно преобразованных просветных сигналов и выделение из них признаков информационных гидрофизических и геофизических полей.

В качестве источников информационных волн 3а и 3б использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также волны сейсмических процессов и явлений.

Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 6, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 7 и блок согласования его выхода с кабелем 8 и далее с подводным блоком (акустическим преобразователем) 2 (см. фиг. 1).

Конструктивно тракт приема, обработки и анализа просветных сигналов, выделения из них и регистрации информационных волн 5 представляет собой электронную схему, включающую многоканальный предварительный усилитель 4а, линейную дискретную антенну 4, входы усилителя посредством многожильного подводного кабеля соединены с входами многоканального блока 9 преобразования сигналов в высокочастотную область, далее с входами блока переключения каналов и формирования непрерывного сигнала 10, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сформированного просветного сигнала 11, а его выход соединен с входом блока узкополосного анализа и выделения информационных сигналов 12, обеспечивающего измерение и формирование пространственно-временных характеристик спектров информационных волн в формате 2D и (или) 3D, а также функционально связанный с ним регистратор сформированных спектров 13. При этом блок анализа 12 функционально связан с блоком переключения каналов и формирования непрерывного сигнала 10. Кроме того, на чертеже показаны: область нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн 14, морское дно 15, морская среда 16, морская поверхность 17.

Система акустической томографии реализуется следующим образом.

Излучатель просветных акустических сигналов 2 и линейную приемную антенну 4 размещают на противоположных границах контролируемой среды и устанавливают их на горизонтах с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. При этом протяженную линейную антенну размещают в направлении излучающего блока и удерживают на заданном горизонте с использованием буев и якорей. Это обеспечивает эффективное формирование и использование области взаимодействия просветных и информационных волн на просветной трассе.

Работа источников информационных волн 3а 3б на линии излучения - приема просветных сигналов приводит к изменению механистических характеристик проводящей жидкости (плотности и (или) температуры и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности изменяют фазовую скорость, просветные сигналы, что приводит к их амплитудно-фазовой модуляции. 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 просветных волн. Модуляционные составляющие информационных волн являются неразрывно связанной компонентой просветной волны, вследствие этого они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках приемного тракта системы мониторинга.

Технические решения изобретения подтверждены морскими испытаниями экспериментальных систем просветной акустической томографии информационных полей. Разработаны практические пути построения широкомасштабной системы мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и морской среды, а также наблюдения и контроля их амплитудно-фазовой структуры и пространственно-временной динамики методом акустической томографии. Информационные поля различной физической природы, формируемые объектами и средой, измеряются технологиями нелинейной просветной гидроакустики, далее формируются их пространственные спектры, которые представляются в формате 2D и (или) 3D. Способ обеспечивает мониторинг пространственно-временных характеристик информационных полей в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот на акваториях протяженностью десятки-сотни километров.

Протяженность рассматриваемой системы акустической томографии (большой масштаб дальности параметрического приема волн) и возможность дальней акустической томографии информационных полей обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды низкочастотными просветными сигналами в диапазоне частот десятки-сотни Герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами и методами современной цифровой обработки сигналов.

1. Система акустической томографии гидрофизических и геофизических полей морской среды, включающая в себя размещенные на противоположных границах контролируемой акватории излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн накачки с измеряемыми информационными, соединенные с преобразователями излучающий и приемный тракты системы, при этом излучающий тракт включает последовательно соединенные блоки: генератор сигналов низкой звуковой частоты, усилитель мощности сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем, а приемный тракт включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель нелинейно преобразованных просветных сигналов, узкополосный анализатор спектра и функционально связанный с ним регистратор выделяемых информационных сигналов, отличающаяся тем, что приемный преобразователь измерительной системы сформирован как многоэлементная линейная дискретная антенна, включающая n элементов (гидрофонов), горизонтально размещенных в направлении излучающего блока, при этом каждый элемент антенны соединен с соответствующим входом n-канального предварительного усилителя антенны, выходы которого через многожильный подводный кабель соединены с входами n-канального блока частотно-временного преобразования принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы - с входами блока переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной приемной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними - половине длины просветной акустической волны.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливают в соответствии с числом приемных каналов n.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок узкополосного анализа спектров функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования времени возникновения землетрясения. Сущность: ежесуточно забирают воду в глубинной воде Байкала и в двух самоизливающихся скважинах.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования возможности сейсмического события на материковых зонах субдукции и островах.

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения человека, определения его местоположения в контролируемой зоне по создаваемым им сейсмическим колебаниям.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для исследования подземных структур. Раскрыт способ оценивания распределений температур по геологической среде на основании трехмерной модели теплопроводности для геологического пласта.

Изобретение относится к способу и схеме обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы. Техническим результатом является повышение эффективности обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы шахты.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении сейсморазведочных работ. Предложен способ вибрационной сейсморазведки, основанный на возбуждении и регистрации вибрационных сейсмических колебаний и включающий в себя коррекцию возбуждаемых сигналов путем уменьшения относительной интенсивности компонент спектра для колебаний, не представляющих разведочного интереса.

Способ автоматического обнаружения морских животных, выполняемый с помощью устройства обнаружения: этап получения измерений (1) акустических сигналов, собранных с помощью, по меньшей мере, одного акустического датчика в подводной среде; по меньшей мере, одну из первой ветви (3) для обнаружения частотно-модулированных звуков и второй ветви (4) для обнаружения импульсных звуков; причем каждая ветвь содержит этап обнаружения звуков с помощью: реализации параллельно нескольких каналов обнаружения, каждый из которых имеет различное фиксированное значение, по меньшей мере, для одной степени свободы; выбора канала обнаружения, имеющего максимальное отношение сигнал/шум; и сравнения отношений сигнал/шум выбранного канала обнаружения с установленным порогом; этап (32, 42, 5) принятия решения о сигнале тревоги, указывающем на присутствие, по меньшей мере, одного морского животного, в зависимости от выходного сигнала первой ветви и/или выходного сигнала второй ветви.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для измерения предвестников землетрясений. Сущность: система содержит множество первичных датчиков-фотометров (1) контроля оптической плотности атмосферы, функционирующих в режиме отслеживания превышения сигнала установленного порогового уровня.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, преимущественно к скважинным геофизическим приборам. Скважинный источник плазменно-импульсного воздействия содержит корпус, в котором расположен блок управления, накопитель энергии и плазменный излучатель, устройство подачи металлического проводника, смонтированное на отдельном основании и содержащее средство протягивания металлического проводника, средство передачи движения и бобину с навитым на нее металлическим проводником.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки опасности возникновения высокоэнергетических толчков. Согласно предложенному способу производятся измерения колебаний (EpomI) на поверхности трехмерными датчиками колебаний (4) и измерения параметров толчков (EpomII) под землей шахтной сейсмической системой локализации толчков (12), а также измерения перемещений (Upom) на поверхности трехмерными датчиками перемещений точек поверхности (9) с периодической корректировкой тахеометрическим измерительным комплектом (B).
Наверх