АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к акустическим локационным системам и может быть использовано в параметрических приборах для обнаружения объектов, расположенных в различных средах, и классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению.

Известен рыбопоисковый эхолот, позволяющий различать эхо-сигналы от рыбных скоплений на фоне сигналов, отраженных от акустически жестких объектов, например от скалистого дна. Работа устройства основана на том факте, что при отражении звуковой волны от твердого предмета с акустическим сопротивлением большим, чем акустическое сопротивление воды, форма отраженной волны не изменяется, т. е. не изменяется полярность волны. Если же отражающим предметом является плавательный пузырь рыбы, который имеет акустическое сопротивление меньшее, чем вода, то отраженный сигнал меняет полярность.

Передающий тракт о эхолота формирует и излучает в воду сигнал, состоящий из 1-й и 2-й гармоник (f₁ и f₂ 2f₁), положительный и отрицательный полупериоды которого имеют равную форму. Эхо-сигналы частот f₁ м 2f₁ принимаются раздельно приемными преобразователями, нормируются по амплитуде ограничителями и поступают на входы суммирующего усилителя. Результирующий сигнал после усиления для анализа полярности подается параллельно на триггеры Шмидта, имеющие пороговые уровни +Y и -Y. Выход триггера с пороговым уровнем +Y соединен с обычным входом двоичного счетчика, а выход триггера с пороговым уровнем -Y соединен с установочным входом этого же счетчика. Таким образом, счетчик вырабатывает выходной сигнал только от сигналов, отраженных от рыб. Выходные сигналы от счетчика регистрируются детектором.

Недостатками этого устройства являются
малая дальность действия, ограниченная затуханием волн частотой f₂ 2f₁;
наличие области, примыкающей к излучающему преобразователю (область дифракции Френеля излучаемых волн), в которой фазовые измерения теряют смысл из-за непредсказуемости результата, так как осцилляции амплитуд и фаз излучаемых сигналов в этой области приводят к паразитным относительным фазовым сдвигам волн частот f₁ и f₂ 2f₁;
невозможность обнаружения и классификации объектов в сильнопоглощающих средах из-за быстрого затухания волн частотой f₂ 2f₁;
невозможность классифицировать объекты, фаза коэффициента отражения от которых отлична от значения 0^о и 180^о, например от объектов со слоистой структурой, границ раздела сред, обладающих потерями и т.д.

Наиболее близким техническим решением является способ различения эхо-сигналов от отражающих тел с различной акустической жесткостью при подводной эхо-локации и устройство для осуществления способа. Принцип действия устройства заключается в том, что по направлению к объекту излучают два связанных по фазе колебания частотами f₁ и f₂ 2f₁. Эхо-сигналы принимают раздельными приемниками. Сигнал частотой f₁ поступает на вход удвоителя частоты. В результате удвоения частоты сигнала происходит и удвоение его фазового сдвига, обусловленного отражением от объекта. Сигналы с выхода удвоителя частоты и с выхода второго приемника поступают на вход фазового детектора, где происходит измерение фазового сдвига между ними. Измеренный фазовый сдвиг характеризует акустическую жесткость отражающего объекта.

Недостатками этого технического решения являются:
малая дальность действия, ограниченная затуханием волн частотой f₂ 2f₁;
невозможность классификации объектов, если они находятся в пределах области дифракции Френеля излучающего преобразователя, так как в этой области наблюдаются интерференционные осцилляции амплитуд и фаз излучаемого сигнала f₁, которые приводят к паразитным относительным сдвигам фаз волн f₁ и 2f₁;
быстрое затухание рабочих волн в сильновязких средах, что делает невозможным обнаружение и классификацию объектов, находящихся в морском грунте, речных отложениях и т.п.

невозможность классифицировать объекты, фаза коэффициента отражения от которых отлична от значений 0^о и 180^о, например от объектов со слоистой структурой, границ раздела сред, обладающих потерями и т.д.

Цель изобретения увеличение дальности действия локатора; обеспечение возможности классификации объектов, находящихся на малых расстояниях от излучающего преобразователя; обеспечение возможности обнаружения и классификации объектов в сильновязких средах; обеспечение возможности классификации объектов с произвольным значением фазы коэффициента отражения.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, подключенный к его выходу индикатор, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, к выходу которого параллельно подключены последовательно включенные первый усилитель-ограничитель, удвоитель частоты, и последовательно включенные второй фильтр и второй усилитель-ограничитель, введены формирователь радиоимпульса с амплитудно-модулированным заполнением, включенный между синхронизатором и излучающим преобразователем, и фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу удвоителя частоты, второй вход подключен к выходу второго усилителя-ограничителя, а выход соединен с входом индикатора.

Возможность достижения технического результата изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами. При распространении в нелинейной среде, обладающей квадратичной нелинейностью (какой является вода), радиоимпульса с амплитудно-модулированным заполнением
P(x,t) P1+m cost- xcost- x,
(1)
где m коэффициент модуляции
Р₀ амплитуда звукового давления несущей АМ-сигнала;
происходит квадратичное детектирование АМ-сигнала, т.е. генерация двух низкочастотных волн частотами Ω и 2 Ω так называемые первая и вторая волны разностной частоты (ВРЧ), которые можно представить в виде
P_Ω(x,t) P_Ωmcost- x
(2)
P_2Ω(x, t) P_2Ωmcos2Ωt- x где Р_Ωm и Р_2Ωm амплитуды звукового давления 1-й и 2-й ВРЧ.

Генерируемые 1-я и 2-я ВРЧ жестко связаны между собой по фазе. Принятые после отражения от объекта эхо-сигналы обеих ВРЧ будут иметь вид
P(2l,t) VP_Ωmcost- 2l+
(3)
P(2l,t) VP_2Ωmcos2Ωt- 2l+
(4) где V и ϕ_o модуль и фаза коэффициента отражения
l расстояние до объекта.

Величина ϕ_o, в частности, равна нулю для акустически жесткого объекта, когда его акустический импеданс Z₃ является чисто активным и больше акустического импеданса среды Z₂. При Z₃ < Z₂ величина ϕ_o равна 180^о. Для сравнения фаз эхо-сигналов 1-й и 2-й ВРЧ их частоты приводят к одному значению: для этого частота 1-й ВРЧ удваивается удвоителем частоты и на его выходе подучается сигнал
P (x=2l,t) VPcos2Ωt- 2l+2
(5)
Сравнивая фазы Р_2Ω' и Р_Ω' с помощью фазового детектора
Δϕ -= 2Ωt- 2l+2-2Ωt- 2l+ ϕ_o,
можно получить значение фазы коэффициента отражения от объекта.

Излучение в среду АМ волны позволяет использовать в качестве носителей информации об отражающем объекте генерирующиеся в среде две ВРЧ с кратными частотами Ω и 2 Ω связанные между собой по фазе. При равенстве частот излучаемых волн (в известном техническом решении частота заполнения радиоимпульса, в предлагаемом устройстве частота несущей АМ волны) увеличение дальности действия в предлагаемом устройстве обусловлено использованием в качестве рабочих низкочастотных сигналов 1-й и 2-й ВРЧ вместо высокочастотных сигналов f₁ и 2f₁ в прототипе. Так как дальность действия определяется протяженностью области затухания наиболее высокочастотной из используемых двух волн, то в прототипе она определяется затуханием сигнала с частотой 2f₁, а в нашем случае затуханием 2-й ВРЧ с частотой 2Ω В параметрических антеннах отношение частоты исходной волны ω₁= 2π f₁ и частоты ВРЧ, как правило, удовлетворяет условию ω₁/Ω≥ 5. Учитывая квадратичный характер зависимости вязкого поглощения звука в реальных средах, дальность действия предложенного устройства будет в
n ≥ 6 раз больше, чем у прототипа. С ростом ω/Ω величина n становится еще больше.

Возможность классификации объектов на малых расстояниях в предлагаемом устройстве обусловлена отсутствием осцилляций амплитуд и фаз 1-й и 2-й ВРЧ, несущих информацию об объекте, в прилегающей к излучающему преобразователю области. Присущая волнам разностной частоты монотонность пространственных распределений амплитуды и фазы на всем протяжении звукового поля исключает неопределенность классификации объектов. В известном техническом решении одним из информационных сигналов является излучаемый передающим преобразователем сигнал частоты f₁. В пределах прилегающей к излучающему преобразователю области дифракции Френеля наблюдаются непредсказуемые осцилляции амплитуд и фаз этого сигнала. Это исключает достоверную классификацию устройством-прототипом объектов, находящихся в пределах области дифракции.

Возможность обнаружения и классификации объектов в сильновязких средах предлагаемым устройством обусловлена использованием низкочастотных волн разностной частоты в качестве носителей информации. Так как глубина проникновения волны в вязкую среду определяется протяженностью ее области затухания, то при квадратичном характере частотной зависимости вязкого поглощения соотношение глубин проникновения радиоимпульса с несущей частотой ω₁ и 2-й ВРЧ, как наиболее высокочастотной из двух ВРЧ, определяется выражением
. Увеличивая ω₁/Ω до 20 и более, получим h_2Ω/hω₁≥ 100. Радиоимпульс с несущей частотой ω₁ затухнет практически сразу в приповерхностном слое сильновязкой среды Z₂, волны же с частотами Ω и 2 Ω проникнут на значительную глубину в среду Z₂, отразятся от объекта и вернутся в среду Z₁.

Возможность классификации объектов c произвольным значением фазы коэффициента отражения обеспечивается введением фазового детектора, амплитуда сигнала на выходе которого пропорциональна приведенной разности фаз 1-й и 2-й ВРЧ.

На фиг. 1 приведена структурная схема локатора; на фиг. 2 эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 структурная схема формирователя радиоимпульсов с АМ заполнением.

Акустический импульсный локатор состоит из синхронизатора 1, формирователя радиоимпульов с АМ заполнением 2, излучающего преобразователя 3, включенных последовательно. К выходу низкочастотного широкополосного приемного преобразователя 4 подключены последовательно, во-первых, первый фильтр 5, первый усилитель-ограничитель 7, удвоитель частоты 8, во-вторых, второй фильтр 6, второй усилитель-ограничитель 9. Выход усилителя-ограничителя 9 и выход удвоителя частоты 8 соединены с входами фазового детектора 10. К выходу фазового детектора 10 подключен индикатор 11, синхронизируемый синхронизатором 1.

Работает схема следующим образом (см. фиг. 1 и 2). Синхронизатор 1 запускает развертку индикатора 11 и формирователь радиоимпульса с амплитудно-модулированным заполнением 2. Сформированный АМ сигнал с выхода формирователя 2 (напряжение U₁) подается на излучающий преобразователь 3, который излучает в среду радиоимпульс с амплитудно-модулированным заполнением (частота несущей ω₁, частота модуляции Ω ). За счет квадратичного характера нелинейности в среде происходит акустическое детектирование излученного сигнала, т. е. генерация двух волн разностной частоты (ВРЧ) с частотами Ω и 2 Ω Обе ВРЧ отражаются от объекта с акустическим импедансом Z₃ и приобретают в результате отражения дополнительный фазовый сдвиг ϕ_o, равный по величине фазе коэффициента отражения от объекта. Сигналы обеих ВРЧ принимаются низкочастотным широкополосным приемным преобразователем 4 и с помощью фильтров 5 и 6, настроенных соответственно на Ω и 2 Ω разделяются на эхо-сигналы частотой Ω (U₂) и частотой 2Ω (U₃). Сигнал 1-й ВРЧ частотой Ω (U₂) с выхода фильтра 5 подается на первый усилитель-ограничитель 7, с выхода которого поступает на вход удвоителя частоты 8. С выхода удвоителя частоты 8 эхо-сигнал 1-й ВРЧ с удвоенной частотой 2Ω (U₄) подается на первый вход фазового детектора 10. Сигнал 2-й ВРЧ с частотой 2Ω (U₃) с выхода фильтра 6 поступает на второй усилитель-ограничитель 9, с выхода которого (U₅) поступает на второй вход фазового детектора 10. Фазовый детектор вырабатывает видеоимпульс, амплитуда которого пропорциональная величине фазы коэффициента отражения от объекта. Видеоимпусы напряжения, вырабатываемые фазовым детектором 10, подаются на индикатор 11.

Формирователь радиоимпульсов с АМ заполнением 2 (см. фиг. 3) содержит два генератора непрерывных колебаний 12 и 13 с частотами U₁ и Ω выходы которых подключены к входам амплитудного модулятора 14, выход которого соединен с сигнальным входом ключа 15. К управляющему входу ключа 15 подключен выход ждущего мультивибратора 17, а к выходу ключа подключен усилитель 16. Вход ждущего мультивибратора 17 является входом формирователя 2, а выход усилителя 16 является его выходом.

Работает схема формирователя следующим образом.

Генераторы 12, 13 вырабатывают непрерывные гармонические колебания частот ω₁ и Ω, которые подаются на входы амплитудного модулятора 14, на выходе которого получается непрерывный АМ сигнал с несущей частотой ω₁ и частотой модуляции Ω. Сигнал с выхода модулятора 14 подается на сигнальный вход ключа 15, который управляется прямоугольными видеоимпульсами с выхода ждущего мультивибратора 17, который запускается короткими синхроимпульсами от синхронизатора 1. В результате на выходе ключа 15 будут вырабатываться радиоимпульсы с АМ заполнением. Сигнал с выхода ключа 15 усиливается до необходимой величины усилителем 16, с выхода которого он подается на передающий преобразователь 3 локатора.

Фазовый детектор может быть выполнен по известным схемам на основе интегральных аналоговых перемножителей.

Использование параметрического режима при излучении амплитудно-модулированного сигнала позволяет снизить влияние диссипативных потерь на волны, несущие информацию об импедансных свойствах объекта локации. В результате этого как минимум в шесть раз увеличивается дальность действия устройства и реализуется возможность проникновения информационных волн в сильновязкие среды и получения информации об импедансных свойствах находящихся там объектов. Использование волн разностной частоты, имеющих монотонные пространственные распределения амплитуды и фазы на всем протяжении звукового поля, обеспечивает возможность классификации объектов в прилегающей к излучающему преобразователю области. Использование фазового детектора позволяет проводить измерение фазы коэффициента отражения и, следовательно, классификацию объектов с произвольным значением фазы коэффициента отражения.

Использование: в гидроакустике, а именно в акустических локационных системах и параметрических приборах различного назначения. Сущность изобретения: в устройство, содержащее синхронизатор 1, подключенный к его выходу индикатор 11, излучающий преобразователь 3, приемный преобразователь 4, к выходу которого параллельно подключены последовательно соединенные первый фильтр 5, первый усилитель-ограничитель 2, удвоитель частоты 8 и последовательно соединенные второй фильтр 6 и второй усилитель-ограничитель 9, введены формирователь радиоимпульсов 2 с амплитудно-модулированным заполнением, включенный между синхронизатором 1 и излучающим преобразователем 3, и фазовый детектор 10, первый вход которого подключен к выходу удвоителя частоты 8, второй вход подключен к выходу второго усилителя-ограничителя 9, а выход соединен с входом индикатора 11. Цель изобретения увеличение дальности действия локатора, ообеспечение возможности классификации объектов, находящихся на малых расстояниях от излучающего преобразователя, обеспечение возможности классификации объектов в сильновязких средах, обеспечение возможности классификации объектов с произвольным значением фазы коэффициента отражения. 3 ил.

АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР, содержащий синхронизатор, подключенный к его выходу индикатор, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, к выходу которого параллельно подключены последовательно включенные первый фильтр, первый усилитель-ограничитель, удвоитель частоты и последовательно включенные второй фильтр и второй усилитель-ограничитель, отличающийся тем, что в него введены формирователь радиоимпульса с амплитудно-модулированным заполнением при 1<m<2, включенный между синхронизатором и излучающим преобразователем, и фазовый детектор, первый вход которого подключен к удвоителю частоты, второй вход к выходу второго усилителя-ограничителя, а выход к входу индикатора.