Способ формирования и применения пространственно развитой просветной параметрической антенны в морской среде

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 гидроакустике, гидрофизике и геофизике. Формируемая пространственно-развитая параметрическая антенна представляет собой многолучевую просветную измерительную систему, обеспечивающую параметрический прием волн различной физической природы, создаваемых искусственными источниками, естественными процессами и явлениями атмосферы, океана, и земной коры, действующей на основе закономерностей их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования в морской среде. Преимущество и принципиальное отличие предлагаемой просветной параметрической системы от известных систем, заключается в том, что она формируется и функционирует с использованием закономерностей многолучевого распространения просветных акустических волн в протяженном гидроакустическом канале и их нелинейного взаимодействия с информационными волнами при их совместном распространении в морской среде. Реализация этих закономерностей обеспечивает повышение чувствительности и увеличение дальности параметрического приема информационных волн, а также их последующей идентификации как источников атмосферы, океана или земной коры. Параметрическую антенну мониторинга информационных полей морской среды и объектов формируют как пространственно-развитую измерительную систему, соизмеримую с протяженностью контролируемой акватории и ограничивающих ее пространств атмосферы и земной коры, а так же с возможностью ее масштабирования в пределах смежных акваторий. Сформированная пространственно-развитая антенна обеспечивает дальний и сверхдальний параметрический прием, постоянное наблюдение и контроль пространственно-временных характеристик указанных волн в диапазоне частот десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли Герца, включая сверхнизкочастотные (СНЧ) колебания движущихся объектов и неоднородностей среды, как целого.

Разработки 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 были разработаны и реализованы акустиками в г. Таганроге. Материалы научно-технических разработок широко опубликованы в изданиях различного уровня и изложены в монографиях авторов. (См. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.:Судостроение, 1990, с. 17-40, 203-225). Разрабатываемые параметрические антенны и реализующие их радиотехнические системы основаны на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. При использовании буксируемых за морским судном многоэлементных ППА, дополнительно к естественным свойствам среды, используются нелинейные свойства его кильватерного следа. Накачка среды в указанных случаях применялась только высокочастотная акустическая, частота которой составляла десятки, чаще сотни кГц. Параметрические антенны расширили возможности приема информационных волн в низкочастотной области, 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 известных приемных параметрических систем, работа которых основана на высокочастотной акустической накачке среды являются - малая дальность параметрического приема информационных волн и ограниченная возможность измерения их пространственно-временных характеристик, что особенно характерно проявляется при приеме акустических, электромагнитных и гидродинамических волн инфразвукового и дробного диапазонов частот. Указанные недостатки высокочастотных параметрических антенн обусловлены малым объемом и ограниченной протяженностью рабочей зоны взаимодействия волн накачки и измеряемых информационных волн в морской среде.

Устранение указанных недостатков и достижение новых положительных эффектов, которые предполагается получить в техническом решении изобретения может быть достигнуто за счет формирования низкочастотной просветной антенны, представляющей собой многолучевую пространственно развитую приемную параметрическую систему. Исходя из этого, сформулируем конкретные 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 малых амплитуд инфразвукового и дробного диапазонов частот.

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

3. Не используется закономерность многолучевого распространения волн в морской среде, что не обеспечивает прием информационных волн указанного диапазона, формируемых в воздушной и морской среде, а также в донном грунте. Что может быть реализовано за счет их взаимодействия с просветными волнами в приповерхностном и придонном слоях морской среды.

4. Не предусмотрена возможность использования закономерностей многолучевого распространения просветных сигналов и связанного с ней формирования характеристик направленности параметрических антенн по направлениям приходов многолучевых сигналов «сверху и снизу», обеспечивающих при дальнейшей обработке информации возможность определения мест источников излучения (дистанции и глубины) на контролируемой акватории.

5. Не используется возможность многолучевого распространения просветных сигналов для реализации фазового сложения приходов их энергии по лучам «сверху и снизу» (суммарного приема энергии волн), что должно существенно повышать чувствительность и дальность параметрического приема информационных волн, формируемых источниками атмосферы, океана и земной коры.

6. Не предусмотрена возможность масштабирования параметрической антенны в пределах смежных акваторий и применения ее как широкомасштабной системы.

Исходя из рассмотренных недостатков классических параметрических способов и реализующих их высокочастотных параметрических антенн, рассмотрим закономерности формирования пространственно-развитых параметрических антенн, основанных на низкочастотной подсветке среды, проведем обоснование практических путей получения принципиально новых измерительных технологий. Покажем, что существенное (в десятки - сотни раз) увеличение дальности параметрического приема информационных волн в просветных параметрических системах достигается за счет низкочастотной акустической подсветки (накачки) среды слабозатухающими при распространении низкочастотными акустическими сигналами, обеспечивающими формирование протяженных объемных нелинейных зон взаимодействия сигналов, как лучевых трубок, получивших название «кластеров».

В этой связи, проанализируем необходимость выбора формулировки названия заявки предлагаемого изобретения, а именно «…пространственно-развитая многолучевая параметрическая антенна…». Такое выражение в гидроакустике возникло и утверждалось в 90-х годах прошлого столетия в связи с интенсивными разработками, созданием и внедрением протяженных донных (до 200 м), вертикальных забортных (до 0,5 км), а также буксируемых (более 1 км) антенн. Протяженные гидроакустические антенны разрабатывались и применялись на флоте в связи с необходимостью увеличения дальности приема информационных волн. Разработки протяженных акустических антенн обеспечили возможность работы существующих гидроакустических станций в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот. Окончательный выбор выражения «пространственно-развитая гидроакустическая антенна» был положен разработками сотрудников конструкторского бюро «Шторм» при Киевском политехническом институте. Антенна КБ «Шторм» представляла собой вертикальную (до 1 км) и горизонтальную (до 1,5 км) ветви, состоящие из секций по 30-ть метров каждая. Вертикальные и горизонтальные ветви антенны объединялись в донном модуле (сборном пункте), который посредством морского кабеля соединялся с береговой лабораторией. Такие антенны были созданы, установлены в Дальневосточных морях и продемонстрировали свои высокие измерительные характеристики, но показали низкую надежность работы в морских условиях. Проработав около одного сезона, антенны вышли из строя. В связи с распадом СССР они не восстанавливались, а их дальнейшие разработки были прекращены. Аналогичными результатами закончились разработки сверх протяженных буксируемых корабельных антенн. Конструкторские и эксплуатационные трудности, а также низкая надежность антенн в морских условиях сформировали идею разработки принципиально новой антенны, а именно, низкочастотной просветной параметрической, бестелесной, которая как, будет показано в материалах заявки, является надежной и обладает более высокими измерительными характеристиками.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке способа формирования и применения пространственно развитой приемной параметрической антенны в морской среде, как многолучевой параметрической системы, обеспечивающей повышение чувствительности и дальности параметрического приема, расширения ее пространственной протяженности, а так же возможности ее масштабирования в пределах смежных акваторий. Создаваемая пространственно-развитая многолучевая параметрическая антенна, как широкомасштабная система мониторинга и контроля, должна обеспечивать дальний и сверхдальний параметрический прием информационных волн различной физической природы. В итоге, формируемая многолучевая параметрическая антенна должна представлять собой гидроакустическую систему обеспечивающую комплексный мониторинг полей различной физической природы, формируемых техническими объектами, естественными процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в звуковом, инфразвуковом, дробном и СНЧ диапазонах частот, а также определение мест их источников (дистанции и глубины) на контролируемой акватории.

Поставленная задача представляет собой совокупность технических решений по формированию и реализации низкочастотных просветных параметрических антенн, частные решения которых использованы в способах и системах дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде. Разработки идеи построения и применения приемных параметрических антенн, как протяженных просветных проведены и представлены в патентах авторов «Способы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде»: RU 2452040 С1 от 11.10. 2010, RU 2452041 С1 от 11.10. 2010, RU 2453930 С1 от 11.10.2010, RU 2472116 С1 от 15.06.2011, RU 2472236 С1 от 15.06.2011, RU 2474793 С1 от 15.06.2011, RU 2474794 от 15.06.2011.

Перечисленные патенты на изобретение представляют собой частные технические решения совокупности задач, решаемых в предлагаемом изобретении. Дальнейшее совершенствование просветной приемной параметрической антенны, реализуемое в предлагаемом изобретении, заключается в разработке ее, как пространственно - развитой многолучевой, соизмеримой со средой контролируемой акватории. Пространственно - развитая приемная параметрическая антенна должна реализовывать эффект многолучевого распространения просветных акустических волн в протяженном гидроакустическом канале путем фазового сложения энергии их приходов «сверху и снизу». При этом пространственно-развитая приемная многолучевая антенна должна иметь возможность масштабирования в пределах смежных акваторий и обеспечивать:

фазовое сложение энергии приходов просветных сигналов «сверху и снизу», обеспечивающее дальний и сверхдальний параметрический прием волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами, и явлениями атмосферы, океана и земной коры в диапазоне частот, составляющим десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли Герца;

идентификация источников их формирования волн по их принадлежности к атмосферным, морским или донным излучениям;

определение места (дистанции и глубины) источников формирования гидрофизических волн на контролируемой акватории.

В этой связи, наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» RU 2474793 от 15.06.2011, который может быть представлен следующей формулировкой.

Способ формирования и применения пространственно развитой просветной параметрической антенны в морской среде, включает в себя, ограничение контролируемой среды излучающими и приемными акустическими преобразователями, озвучивание среды низкочастотными просветными сигналами стабилизированной частоты и формирование рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн, прием и усиление просветных волн в полосе их нелинейного преобразования, перенос частотно-временного масштаба в высокочастотную область и последующий спектральный анализ.

Недостатками способа-прототипа, реализуемого формирование и применение просветной параметрической антенны, являются ограниченные возможности параметрического приема волн, формируемых источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. Это проявляется в низкой чувствительности параметрического приема информационных волн и, как следствие, малой дальности приема, что особенно характерно при приеме волн проступающих в морскую среду из атмосферы и земной коры (морского грунта). Основной причиной указанных недостатков является то, что просветная система мониторинга не рассматривается как пространственно-развитая многолучевая параметрическая антенна, в ней не используются закономерности многолучевого распространения волн на протяженных трассах контролируемых секторов. Следует отметить, что измерение углов прихода лучей «сверху и снизу» при последующем решении обратной лучевой задачи формирования пространственной структуры просветного поля, обеспечивает дополнительную возможность определения места (дистанции, глубины) морских источников на контролируемой трассе, что в прототипе так же не решается.

Эффект многолучевого распространения волн наиболее значимо реализуется при приеме волн поступающих в морскую среду из атмосферы и морского дна. Возможность использования многолучевого распространения волн достигается за счет расположения излучателей и приемников просветной системы на горизонтах выше и ниже оси подводного звукового канала (ПЗК). Фазовое сложение приходов энергии многолучевых сигналов «сверху и снизу» обеспечивает существенное увеличение чувствительности и, как следствие, дальности параметрического приема информационных волн. Достижение масштабности (общего увеличения протяженности и объема рабочей зоны) контролируемой среды обеспечивается за счет формирования секторов наблюдения по периметру или кругу контролируемой акватории.

Технический результат изобретения заключается в разработке способа формирования и применения пространственно развитой параметрической антенны в морской среде, как многолучевой приемной параметрической системы, соизмеримой с пространственной протяженностью контролируемой среды, масштабируемой в пределах смежных акваторий, обеспечивающей дальний и сверхдальний прием волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. В способе так же обеспечивается существенное расширение диапазона частот принимаемых волн, а именно в полосе десятки-единицы килогерц, сотни-десятки-единицы-доли Герца, включая СНЧ волны, формируемые колебаниями движущихся объектов и неоднородностей среды как целого, а также определение дистанции и глубины морских источников волн на контролируемой акватории.

Для решения поставленной задачи - способ формирования и применения пространственно развитой просветной параметрической антенны в морской среде, включает в себя, ограничение контролируемой среды излучающими и приемными акустическими преобразователями, озвучивание среды низкочастотными просветивши акустическими сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочей зоны, нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн, прием нелинейно преобразованных просветных волн, усиление их в полосе параметрического преобразования и перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосный спектральный анализ, выделение в спектрах нижней и (или) верхней боковых полос, восстановление по ним с учетом параметрического и частотно-временного преобразования в среде и приемном тракте исходных характеристик измеряемых информационных волн отличается тем, что приемную параметрическую антенну формируют и применяют как многолучевую просветную параметрическую систему, соизмеримую с пространственной протяженностью контролируемой среды, для этого в системе используют три ненаправленных излучающих преобразователей, которые располагают в центре акватории и размещают их по одному в вертикальной плоскости: на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже его, а также используют три приемных блока, которые формируют из трех ненаправленных преобразователей каждый, которые размещены в вертикальной плоскости по треугольникам, а по глубине приемные блоки располагают аналогично излучающим преобразователям, при этом вершины треугольников направляют в сторону излучателей, далее нелинейно преобразованные просветные сигналы многоканально принимают одиночными приемными 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 корреляционные и взаимно корреляционные функции просветных сигналов, каждым приемным блоком, по которым определяют направления приходов просветных сигналов в вертикальной плоскости контролируемого сектора среды, для этого принимаемые каждым блоком просветные сигналы усиливают в полосе частот их параметрического преобразования и измеряют корреляционные функции сигналов среднего и крайних преобразователей, затем измеряют их взаимно корреляционные функции, по характерным максимумам которых определяют направления приходов просветных сигналов «сверху и снизу». Далее с учетом алгоритма для решения «обратной лучевой задачи» закономерностей формирования вертикальной структуры просветного акустического поля, определяют точки пересечения лучей по направлениям наблюдаемых секторов для каждого приемного блока, как места расположения морских источников информационных волн. Далее измеряют узкополосные спектры сигналов взаимно корреляционных функций с выхода каждой линии корреляционного анализа, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования в среде и приемном тракте определяют частоту измеряемых информационных волн и их принадлежность к атмосферным, морским или донным источникам. Кроме того, вертикальную многолучевую параметрическую антенну формируют в количестве восьми одинаковых устройств и размещают их относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45 градусов. Кроме того, из расположенных на заданных горизонтах трех приемных блоков, по три преобразователя в каждом, формируют многоэлементную антенну, которую объединяют в общую конструкцию и устанавливают в контролируемых секторах с помощью буев и донных якорей. Кроме того, приемные блоки, содержащие по три вертикально расположенных по треугольнику, три преобразователя в каждом, объединяют в общую вертикальную антенну и устанавливают ее с помощью буев и якорей. Кроме того, расстояния между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с гидроакустическими характеристиками канала распространения волн и корреляционными свойствами просветного поля, что обеспечивает помехоустойчивый прием просветных сигналов.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие на то, что «параметрическую антенну формируют как многолучевую просветную систему, соизмеримую с пространственной протяженностью контролируемой среды», обеспечивают решение всех последующих признаков изобретения.

Признаки, указывающие на то, что «для этого используют три ненаправленных излучающих преобразователя, которые располагают в центре акватории и размещают по одному в вертикальной плоскости: на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже его», обеспечивают оптимальную установку в контролируемой среде излучающих преобразователей для последующего формирования многолучевой структуры просветного поля в контролируемой среде и реализации измерительных технологий параметрической антенны.

Признаки, указывающие на то, что «три приемных блока системы формируют из трех ненаправленных преобразователей каждый, размещенных в вертикальной плоскости по треугольникам, а по глубине располагают аналогично излучающим преобразователям, при этом вершины треугольников направляют в сторону излучателей», обеспечивают эффективный прием волн сформированного в среде многолучевого просветного поля, а совместно с излучающими преобразователями это обеспечивает формирование и применение в среде пространственно-развитой многолучевой просветной параметрической антенны.

Признаки, указывающие на то, что «нелинейно преобразованные просветные сигналы многоканально принимают одиночными приемными 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 корреляционные и взаимно корреляционные характеристики просветных сигналов каждым приемным блоком, по которым затем определяют направления приходов просветных сигналов в вертикальной плоскости контролируемого сектора среды», обеспечивают возможность выделения информации для последующего определения дистанции и глубины источников излучения информационных волн в контролируемом секторе среды, а так же предварительной информации о принадлежности информационных волн к атмосферным, водным или донным источникам.

Признаки, указывающие на то, что «принимаемые каждым блоком просветные сигналы усиливают в полосе частот их нелинейного преобразования и измеряют корреляционные функции сигналов со среднего и крайних преобразователей, затем измеряют их взаимно корреляционные функции, по характерным максимумам которых определяют направления приходов просветных сигналов «сверху и снизу»», обеспечивают получение данных для последующего определения места источников информационных волн в контролируемом секторе морской среды. При этом измерение корреляционных и взаимно корреляционных функций обеспечивают возможность фазового сложения приходов энергии принимаемых сигналов «сверху и снизу» и их последующий спектральный анализ, в свою очередь, повышают чувствительность и увеличивают дальность параметрического приема информационных волн. (См. М.В. Мироненко, А.Е. Малашенко, Л.Э. Карачун, A.M. Василенко. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды / Владивосток. СКБ САМИ ДВО РАН - 2006. С. 12-31.)

Признаки, указывающие на то, что «с учетом алгоритма решения «обратной лучевой задачи» по формированию вертикальной структуры акустического поля, определяют точки пересечения лучей по направлениям наблюдаемых секторов для каждого приемного блока, как места расположения морских источников информационных волн», обеспечивают завершение операции определения дистанции и глубины источников информационных волн в контролируемом секторе морской среды. Алгоритм решения «обратной лучевой задачи» подтвержден авторским свидетельством на изобретение (см. Василенко A.M., Малиновский В.Э. Программа расчета параметров гидроакустического поля в неоднородном акустическом волноводе «Дальность». Авт.Св. РФ на программу №2003611941.2003).

Признаки, указывающие на то, что «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 источникам», обеспечивают завершение процесса мониторинга и контроля обстановки в наблюдаемом секторе морской среды.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «вертикальную многолучевую параметрическую антенну формируют в количестве восьми экземпляров и размещают их относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45 градусов», обеспечивает возможность формирования просветной параметрической системы мониторинга, как широкомасштабной, например, в пределах Охотского и (или) Японского морей.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «из расположенных на заданных горизонтах приемных блоков, формируют многоэлементную антенну, которую объединяют в общую конструкцию и устанавливают в контролируемых секторах с помощью буев и донных якорей, обеспечивает надежность и эффективность применения многолучевой пространственно - развитой параметрической антенны в морских условиях.

Дополнительный признак, указывающий на то, что «расстояния, между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости, устанавливают в соответствии с гидроакустическими характеристиками канала распространения волн и корреляционнымисвойствами просветного поля», обеспечивает помехоустойчивый прием просветных сигналов и эффективность выделения информационных волн. (См. Williams R.E., Wei С.Н. The Correlation of Acoustic Wavefront and Signal Time-Base Instabilities in the Ocean, J. Acoust. Soc. Amer., 59,1310-1316, 1976.)

Заявленное изобретение иллюстрируется Фиг. 1-13.

На фиг. 1 приведена структурная схема просветной многолучевой параметрической системы мониторинга полей различной физической природы источников, процессов и явлений атмосферы, океана и земной коры, реализующая способ формирования и применения пространственно-развитой приемной параметрической антенны в морской среде. На фиг. 2-4 приведены узкополосные спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий. При этом на фиг. 2 - спектр резонансных излучений корпуса и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды составляла 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км. Фиг. 3 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде. Фиг. 4 - спектр шумового излучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). На фигуре 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. 5, 6 - записи сигналов предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и спектр в формате 3D. Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений морской среды в районах Курильской гряды и их приему на расстоянии более 1000 км от о. Сахалин. На фиг. 7, 8 - спектры шумового излучения воздушного источника (летательного аппарата). Фиг. 9 - спектр сигналов синоптических возмущений поверхности моря за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км. Фиг. 10 - спектр сейсмических излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья, протяженность линии около 310 км. Фиг. 11, 12 - записи суммарных просветных сигналов с приемных блоков 9-11 (фиг. 1), а также примеры функций взаимной корреляции сигналов (фиг. 12 а, б, в) с приемных блоков, определяющие направления приходов просветных сигналов. Фиг. 13 - спектрограмма просветных сигналов (400 Гц) модулированных гидродинамическими волнами и СНЧ колебаниями движущегося морского судна на трассе протяженностью 345 км.

Структурная схема параметрической системы приема и измерения характеристик гидрофизических и геофизических полей на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемый способ, показана на фиг. 1. Система включает тракт формирования низкочастотных просветных сигналов стабилизированной частоты 1, соединенный посредством подводных кабелей с подводными излучателями просветных сигналов 5-7. Измерительная система мониторинга полей среды включает также многоканальный тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 11, входы которого соединены с приемными блоками 8-10, сформированными из трех расположенных в вертикальной плоскости треугольников каждый.

Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды 1 представляет собой электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генератор стабилизированной частоты 2; усилитель мощности формируемых просветных сигналов 3 и трехканальный блок согласования 4, выходы которого через подводные кабели соединены с излучающими блоками 5-7 (см. фиг. 1).

Приемный блок измерительной системы 11 (фиг. 1) представляет собой многоканальную электронную схему включающую блок коммутации и переключения линий анализа 12-1, соединенный с четырехканальной линией анализа 13-16, каждый канал которой включает последовательно соединенные широкополосные усилители 13.1, 14.1, 15.1, 16.1, далее с блоками измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками блок 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 анализа многоканально измеряемой информации (ЭВМ) 17 и далее с регистратором 18. Сигналы функций взаимной корреляции с выходов линий 13-15 через блок переключения линий анализа 12-2 подают на линию спектрального анализа сигналов взаимно корреляционных функций 16. При этом линия спектрального анализа 16 включает последовательно соединенные блоки - усилитель сигналов взаимно корреляционных функций 16-1, поступающих с выходов линий 13-15 через второй блок переключения каналов 12-2, а выход усилителя 16-1 соединен с преобразователем временного масштаба сигналов в высокочастотную область 16-2, далее с узкополосным анализатором спектров 16-3, а так же с блоком анализа информации 17 и с функционально связанным с ним регистратором выделяемых спектров 19.

Кроме того, на фиг. 1 показаны: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения волн) 31; источники излучения водных гидрофизических волн 26, донных геофизических волн 28, волны атмосферных 27 и береговых источников 32, поверхность моря 30, морское дно 29.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Преобразователи (излучатели) подсветки среды 5-7 и приемные блоки 8-10 размещают (заглубляют и устанавливают) на оси ПЗК, ниже и выше оси ПЗК, что обеспечивает засветку всех горизонтов контролируемой акватории и формирование в ней пространственно развитой многолучевой параметрической антенны. 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 информационных сигналов. Для геофизических волн (например, предвестников землетрясений) может также проводится специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего наблюдение динамики пространственно-временных характеристик спектральных составляющих, как характерных информационных признаков (См. Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 113 С). Принципиально новым измерительным признаком в заявляемой системе мониторинга является определение места (дистанции и глубины) источников излучения на контролируемой акватории, эта операция в свою очередь, осуществляется вертикально расположенными по треугольнику приемными блоками 8-10, сигналы, с одиночных приемников которых, через блок переключения каналов 12-1, далее через широкополосные усилители 13.1, 14.1, 15.1 поступают на блок измерения функций корреляции между средними и крайними приемными преобразователями 13.2, 13.3, 14.2, 14.3, 15.2, 15.3, далее поступают на блоки измерения функций взаимной корреляции 13.4, 14.4, 15.4, которые обеспечивают измерение новых признаков, а именно углов прихода сигналов от морских источников информационных волн. Это, в свою очередь, путем расчетов обеспечивает возможность определения мест пересечения лучей на акватории. Далее сигналы взаимно корреляционных функций, представляющие собой «дважды фазируемые сигналы, принимаемые «сверху и снизу» через блок переключения каналов 12-2, подаются на линию узкополосного спектрального анализа 16. Расчет многолучевой структуры акустического просветного поля по трассам контролируемой акватории с заданными гидролого-акустическими характеристиками среды осуществляется по специально разработанным программам (См. Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность». Программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003 г. Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКВ САМИ ДВО РАН. Св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004). Следует отметить, что идея определения места объекта на акватории по углам пересечения лучей, принимаемых цепочкой приемных преобразователей «сверху и снизу» в первоначальном (упрощенном) варианте, была предложена и реализована американским акустиком Робертом Дж. Уриком (См. Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222 от 21.09.1976). В представляемом изобретении идея Дж. Урика существенно доработана применительно к ее реализации в протяженном океаническом канале распространения волн и представлении лучей как параметрических антенн (пространственных трубок) обеспечивающих создание пространственно-развитой параметрической антенны соизмеримой с протяженностью пространства акватории. Далее в описании заявки рассматриваются закономерности: формирования просветной параметрической антенны в морской среде, формирование параметрической антенны в условиях протяженного гидроакустического канала распространения волн с переменными характеристиками среды и ее границ, как многолучевой антенны, закономерности нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде.

Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации в условиях протяженного океанического волновода.

Формируемая пространственно-развитая приемная параметрическая антенна является просветной многолучевой системой гидролокации информационных волн. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации, как параметрической с низкочастотной накачкой (подсветкой) контролируемой морской среды или водного рубежа, рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема. (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С.)

На фиг. 14 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон (1…hn) в пространстве образуют 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 п 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 (бестелесной) параметрической просветной антенны бегущей волны накачки. Принципиальной особенностью просветного метода гидролокации, как параметрического, является то, что система мониторинга в этом случае представляет собой многолучевую приемоизлучающую просветную антенну, как показано на фиг. 15, обоснование преимуществ которой является предметом разработки изобретения.

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

Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по озвучиваемым трассам контролируемой акватории обеспечивает достижение принципиально нового эффекта, а именно - дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также донном грунте. Такой эффект может быть достигнут, как будет показано в описании изобретения за счет формирования зон акустической освещенности в приповерхностных слоях, на оси подводного звукового канала (ПЗК) и вблизи дна морской среды. Формирование зон освещенности по трассе распространения просветных волн обеспечивается за счет расположения излучающих преобразователей системы мониторинга на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, при этом точное размещение излучающих блоков по глубине определяется путем расчетов лучевой структуры поля по трассе распространения волн, что выполняется по специально разработанным программам. (См. 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.)

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, исключающей недостатки прототипа, а также классических антенн.

Большой пространственный объем просветных параметрических антенн, а также их протяженность по контролируемой акватории протяженностью десятки-сотни километров, обеспечивает эффективный прием информационных волн малых амплитуд звукового, инфразвукового, дробного и СНЧ диапазонов частот, формируемых источниками, процессами и явлениями морской среды, атмосферы и земной коры (морского дна).

Таким образом, построение протяженных многолучевых просветных параметрических систем в морской среде обеспечивается за счет формирования многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием волн различной физической природы в диапазоне частот десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли Герца. Формирование совокупности просветных линий по трассам (секторам) контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает формирование соизмеримой с про-странственным объемом и протяженностью акватории низкочастотной просветной многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, исключающей недостатки классических высокочастотных антенн и получение принципиально новых измерительных характеристик.

Решение задачи определения мест источников излучения на трассах контролируемой акватории дано в изобретении американского акустика Роберт Дж. Урика «вертикальная цепочка гидрофонных блоков». (См. Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222 от 21.09.1976.) Указанное решение основано на измерениях углов прихода сигналов шумового излучения на блоки приемной антенны «сверху и снизу», при этом точки пересечения лучей определяют места (глубину и дистанцию) объектов. Рассмотренное решение применимо только на ближних (порядка 10-ти км) от приемных антенн дистанциях. В предлагаемом изобретении представлено решение дальнего (десятки-сотни км) приема информационных волн методом низкочастотной просветной параметрической гидролокации. (См. Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222 от 21.09.1976. 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.) В просветной измерительной системе используется три ненаправленных излучателя (преобразователя), которые располагают на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК. Приемные блоки просветной системы, 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 приходов просветных лучей сверху и снизу тремя приемными блоками обеспечивает наблюдение и контроль всех горизонтов, кроме тех, которые попадают в зоны тени, где просветное поле формируется слабыми отраженными от дна и морской поверхности лучами (См. 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 гидроакустического канала, как показано на фиг. 15.

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).

Рассматривая закономерности нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн в морской среде следует отметить, что классические выражения взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не могут быть использованы. 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 Рn, 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 ωc, 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 (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С. Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012. 263 С):

где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации; у -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 принимаемыми сигналами, 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 барьерной линии. Исходя из этого, можно считать, что направленность и помехоустойчивость просветной параметрической антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить характеристики классических антенн. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.

Теоретическое обоснование возможностей реализации закономерностей нелинейной акустики в предлагаемом параметрическом способе заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, 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 заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфразвуковые волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами) будут надежно зарегистрированы (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С. Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012. 263 С).

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

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) 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. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (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. статей. - 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, давления 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, 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 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 (См. Шостак СВ., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып. 22, 2001. С. 82-88):

где Р*(t), Р - 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 n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением:

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 суммарной центральной частоты 2ω и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами «малых амплитуд» сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить также, 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 при обработке эффективно выделяются, как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов.

Как видно из рассмотренных закономерностей, просветная приемная параметрическая антенна, 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 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 и ниже 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.

Таким образом, в материалах заявки на изобретение проведено теоретическое обоснование, представлены разработки практических путей формирования пространственно-развитой приемной параметрической антенны, как широкомасштабной многофункциональной просветной системы мониторинга пространственно-временных характеристик волн различной физической природы, формируемых искусственными объектами и естественными процессами. Разработки такой системы проведены на основе закономерностей нелинейной гидроакустики, ее параметрической модели и взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. Параметрическая антенна обеспечивает дальний параметрический прием волн малых амплитуд в сплошном диапазоне частот, охватывающий сотни - десятки - единицы - доли Герца включая сверхнизкочастотные колебания движущихся тел и неоднородностей морской среды. Преимуществом разработок пространственно-развитой приемной параметрической антенны, как измерительной системы, является простота ее создания и эксплуатации. Излучающий и приемный тракты антенны могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ - 400. Многоэлементные приемные блоки, как направленные корреляционные системы, могут быть сформированы из протяженных многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых и изготавливаемых заявителем изобретения (ФГБУН СКБ САМИ ДВО РАН).

1. Способ формирования и применения пространственно развитой просветной параметрической антенны в морской среде, включающий в себя ограничение контролируемой акватории излучающими и приемными акустическими преобразователями, озвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочих зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн различной физической природы, прием нелинейно преобразованных волн и усиление их в полосе параметрического преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область и узкополосный спектральный анализ, отличающийся тем, что просветную приемную параметрическую антенну формируют как многолучевую, соизмеримую 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 (ПЗК), 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сформированную в вертикальной плоскости многолучевую параметрическую антенну в количестве восьми одинаковых изделий размещают относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45 градусов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сформированную многоэлементную антенну объединяют в общую конструкцию и устанавливают с помощью буев и якорей, а посредством кабеля соединяют с входами блока переключения каналов приемного тракта.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояния между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с гидроакустическими характеристиками канала распространения волн и корреляционными свойствами просветного акустического поля на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.
Наверх