УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПЕЛЕНГОВАНИЯ НИЗКИХ ЗВУКОВЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ МОРСКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2000 года по МПК G01S15/04 G01S15/96 

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в рыбопоисковых гидроакустических средствах, имеющих в своем составе параметрические приемные антенны (ППА).

Известно устройство для обнаружения низкочастотных (НЧ) гидроакустических сигналов, содержащее последовательно электрически соединенные задающий генератор широкополосного сигнала, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, выполняющий роль излучателя накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который подключен к электронному блоку обработки сигналов, включающему в себя: полосовой фильтр, соединенный с несколькими идентичными каналами, состоящими из корреляторов, полосовых фильтров и устройств с регулируемой временной задержкой, выходы каналов соединены с сумматором /Патент США N 3882444, МКИ G 01 S 9/66, 1975/.

К недостаткам данного устройства относятся:
1. Низкое соотношение сигнал/помеха (с/п) из-за использования ненаправленного гидрофона в качестве приемного элемента ППА.

2. Сложность схемы обработки сигналов в связи с использованием широкополосного сигнала накачки для обеспечения электронного сканирования характеристики направленности (ХН) антенны.

3. Значительный уровень прямого сигнала накачки, являющегося, с другой стороны, собственной помехой ППА.

4. Невозможность обнаружения сигналов в низком звуковом диапазоне (НЗД) частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторных фильтров и фазового детектора.

Известно устройство для обнаружения НЧ гидроакустических сигналов, содержащее последовательно электрически соединенные генератор случайной последовательности ВЧ импульсов, усилитель мощности и излучатель ВЧ сигнала накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который, в свою очередь, последовательно электрически соединен с процессором, включающим в себя набор узкополосных режекторных фильтров и блок сравнения сигналов, принимаемых гидрофоном, с задержанными по времени реализациями излученного ВЧ сигнала накачки /Патент США N 3866159, МКИ G 01 S 9/66, 1975/.

К недостаткам данного устройства относятся:
1. Низкое соотношение с/п из-за использования ненаправленного гидрофона в качестве приемного элемента ППА.

2. Сложность схемы обработки сигналов в связи с использованием сложного сигнала накачки для обеспечения электронного сканирования ХН антенны.

3. Значительный уровень прямого сигнала накачки, являющегося, с другой стороны, собственной помехой ППА.

4. Невозможность обнаружения гидроакустических сигналов в НЗД частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторных фильтров и фазового детектора.

Наиболее близким к заявляемому объекту по своей технической сущности относится устройство для обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений морских биологических объектов, содержащее последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель ВЧ сигнала накачки, механически соединенный с многоэлементной приемной антенной, электроакустические преобразователи которой соединены с соответствующими входами сумматора, а выход сумматора соединен с входом электронного блока обработки сигналов, содержащего последовательно электрически соединенные режекторный фильтр, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ сигнала накачки, усилитель, фазовый детектор, фильтр низких частот (ФНЧ) и усилитель низких частот (УНЧ), при этом УНЧ является выходом электронного блока обработки сигналов и подключен к входу спектроанализатора, а также специальное устройство для электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости /Rogers Р.Н., Parametric Acoustic Array // J.S.V., 1973, Vol. 28, p. 764-768/.

К недостаткам устройства-прототипа относятся:
1. Низкая помехозащищенность из-за использования в многоэлементной приемной антенне электроакустических преобразователей, не имеющих в своих амплитудно-частотных характеристиках ВЧ акустических резонансов. Данное обстоятельство приводит к тому, что прямой НЧ сигнал попадает на вход блока обработки сигналов и взаимодействует в нем с ВЧ сигналом накачки, т.е. происходит "паразитная" модуляция сигналов.

2. Недостаточная помехоустойчивость, обусловленная использованием ненаправленного излучателя ВЧ сигнала накачки.

3. Недостаточная помехоустойчивость, обусловленная отсутствием в конструкции устройства, обеспечивающего сканирование ХН антенны в вертикальной плоскости для пеленгования наиболее энергонесущих лучей НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности.

4. Сложность схемы обработки сигналов в связи с необходимостью обеспечения электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости.

5. Значительный уровень прямого сигнала накачки, являющегося, с другой стороны, собственной помехой самого устройства.

6. Невозможность обнаружения сигналов в НЗД частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторного фильтра и фазового детектора.

Задача, которая решается изобретением, заключается в повышении помехоустойчивости и помехозащищенности устройства, расширении (вниз) частотного диапазона принимаемых сигналов и упрощении конструкции устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений морских биологических объектов, содержащем последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель ВЧ сигнала накачки, механически соединенный с многоэлементной приемной антенной, электроакустические преобразователи которой соединены с соответствующими входами сумматора, а выход сумматора соединен с входом электронного блока обработки сигналов, включающего последовательно электрически соединенные фильтр высоких частот, усилитель, детектор, ФНЧ и УНЧ, при этом УНЧ является выходом электронного блока обработки сигналов и подключен к входу спектроанализатора, и средство для сканирования ХН антенны, согласно изобретению, многоэлементная приемная антенна выполнена в виде прямоугольника с электроакустическими преобразователями, имеющими в своих амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) ВЧ резонансы, в качестве излучателя высокочастотного сигнала накачки использован направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель, в качестве фильтра высоких частот использован полосовой фильтр, центральная частота которого соответствует одному из ВЧ резонансов в АЧХ электроакустических преобразователей, в качестве детектора установлен амплитудный детектор, в качестве средства для сканирования ХН антенны использованы приспособления для механического сканирования антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Использование направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя ВЧ сигнала накачки позволяет повысить акустическую мощность излучения в заданном направлении, что повышает эффективность нелинейного взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала, обеспечивая тем самым повышение помехоустойчивости ППА.

Выполнение многоэлементной приемной антенны в виде прямоугольника облегчает механическое сканирование ХН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях при требуемой ширине основного максимума ХН (из-за волновых размеров антенны в соответствующей плоскости) антенны.

Включение в многоэлементную приемную антенну электроакустических преобразователей, имеющих в своих АЧХ высокочастотные резонансы, позволяет подавлять прямой НЧ сигнал уже до электронного блока обработки сигналов, что повышает помехоустойчивость устройства.

Применение амплитудного детектора позволяет расширить (вниз по частоте) диапазон регистрируемых сигналов (ниже 35 Гц).

Использование приспособлений для механического сканирования ХН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях облегчает регистрацию НЧ многолучевого сигнала и упрощает конструкцию устройства.

Заявляемое устройство иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг. 1 - структурная схема устройства. Фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика электроакустического преобразователя многоэлементной антенны. Фиг. 3 - внешний вид подводной части заявляемого устройства. Фиг. 4 - схема проведения эксперимента, где 4а - взаимное расположение судов, 4б - вертикальное распределение скорости звука в точке излучения сигналов при проведении испытаний, 4в - вертикальное распределение скорости звука в точке приема сигналов при проведении испытаний. Фиг. 5 - спектрограмма НЧ многолучевого сигнала 800 Гц. Фиг. 6 - спектрограмма НЧ сигнала 28,5 Гц, 6а - для заявляемого устройства, 6б - для устройства-прототипа.

Устройство для обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений содержит последовательно электрически соединенные генератор 1, усилитель мощности 2, направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель ВЧ сигнала накачки 3, механически соединенный с многоэлементной приемной антенной 4, выполненной в виде прямоугольника, электроакустические преобразователи 5 которой имеют в своих АЧХ высокочастотные резонансы и подключены к соответствующим входам сумматора 6, а выход сумматора 6 подсоединен к входу электронного блока обработки сигналов 7, содержащего последовательно электрически соединенные полосовой фильтр 8, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ сигнала накачки и одному из ВЧ резонансов в АЧХ электроакустических преобразователей, усилитель 9, амплитудный детектор 10, ФНЧ 11 и УНЧ 12, при этом УНЧ 12 является выходом электронного блока обработки сигналов 7 и подключен к входу спектроанализатора 13. Сканирование антенны 4 в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется при помощи приспособлений для механического сканирования антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях 14 и 15 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от требуемой ширины основного максимума ХН ППА для обнаружения и пеленгования источника НЧ многолучевого сигнала по результатам предварительных измерений выбирают частоту ВЧ сигнала накачки, соответствующую одному из наиболее высокочастотных резонансов в АЧХ электроакустических преобразователей многоэлементной приемной антенны.

Как видно из фиг. 2, в АЧХ электроакустического преобразователя в диапазоне частот от единиц Гц до 200 кГц наблюдается 6 резонансных частот, в качестве ВЧ сигнала накачки в процессе проведения экспериментальных исследований выбирают 6-й резонанс.

С помощью генератора 1 формируют, в усилителе 2 мощности усиливают и при помощи направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя 3 ВЧ сигнала накачки излучают ВЧ волну накачки на частоте, соответствующей одному из ВЧ резонансов в АЧХ электроакустических преобразователей многоэлементной приемной антенны 4 и близкой (или соответствующей ей) к резонансной частоте рассеивателей звука (фазовых включений), доминирующих в объеме взаимодействия акустических волн. В нелинейной водной среде происходит взаимодействие ВЧ волны накачки с НЧ волной многолучевого сигнала с образованием ВЧ волн комбинационных частот. По максимальному соотношению с/п осуществляют пеленгование ВЧ многолучевого сигнала комбинационных частот. Принятый ВЧ сигнал комбинационных частот с максимальным соотношением с/п поступает с выходов электроакустических преобразователей 5 на соответствующие входы сумматора 6. С выхода сумматора 6 ВЧ сигнал комбинационных частот поступает на вход электронного блока обработки сигналов 7. В полосовом фильтре 8, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ сигнала накачки и одному из ВЧ резонансов в АЧХ электроакустических преобразователей, происходит уменьшение НЧ и ВЧ помех. Далее ВЧ сигнал комбинационных частот поступает на усилитель 9, где происходит его усиление. В амплитудном детекторе 10 осуществляют выделение НЧ полезного сигнала из ВЧ сигнала комбинационных частот методом детектирования. В ФНЧ 11 осуществляют уменьшение влияния ВЧ помех, а в УНЧ 12 - усиление НЧ полезного сигнала. Далее сигнал поступает на вход спектроанализатора 13, где происходит спектрально-временной анализ принятого НЧ полезного сигнала и определяются его основные параметры (частота, амплитуда и др. ). Сканирование антенны 4 в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляют при помощи приспособлений для механического сканирования в вертикальной и горизонтальной плоскостях 14 и 15 соответственно.

Подтверждением "промышленной применимости" заявляемого устройства служат результаты натурной экспертизы. На фиг. 3 показан внешний вид опускаемой части макета разработанного устройства, который использовался в нескольких экспедициях на научно-исследовательских и рыбопоисковых судах.

Примеры:
Во время проведения натурной экспертизы разработанного устройства в Японском море использовался источник НЧ полезного сигнала 800 Гц, расположенный на расстоянии 138 км от ППА (фиг. 4 а). Носителями данных акустических систем (излучаемых и приемных) являлись научно-исследовательские суда, находившиеся на якорях. При испытаниях в разработанном устройстве (фиг. 1 и 3) использовался направленный (за счет своих волновых размеров) в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель ВЧ сигнала накачки поршневого типа. Частота сигнала накачки соответствовала 6-му резонансу в АЧХ электроакустического преобразователя (фиг. 2) и составляла величину 192 кГц.

Пример 1. С помощью разработанного устройства были зарегистрированы 5 направлений прихода в вертикальной плоскости НЧ многолучевого сигнала 800 Гц: +9, +7, +1. . . -1, -12 градусов (фиг. 5). При этом удалось не только выделить группу лучей с максимальным (до 20 дБ) соотношением с/п (+1...-1 градус), но и определить координаты излучателя НЧ сигнала путем решения обратной лучевой задачи из "мнимого" источника, местом которого является место расположения ППА. В то время как при помощи устройства-прототипа удалось зарегистрировать всего лишь одно направление прихода НЧ сигнала (под углом 0 градусов) с соотношением с/п 3 дБ.

Пример 2. На фиг. 6 показаны результаты обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений с помощью разработанного устройства (фиг. 6а) и устройства-прототипа (фиг. 6б). Как видно из фиг. 6 а, зарегистрировать сигнал на частоте 28,5 Гц удалось только с помощью разработанного устройства. При этом соотношение с/п составляло величину 20...24 дБ (фиг. 6а).

Из примера 1 следует, что заявляемое устройство позволяет обнаруживать и пеленговать НЧ (800 Гц) многолучевой (5 направлений прихода в вертикальной плоскости) гидроакустический сигнал из дальних (138 км) зон акустической освещенности. Пример 2 наглядно подтверждает, что заявляемое устройство позволяет регистрировать гидроакустические сигналы в диапазоне частот ниже 35 Гц (28,5 Гц).

Учитывая результаты проведенных модельных исследований с источниками НЧ гидроакустических сигналов (примеры 1, 2), можно с уверенностью констатировать, что заявляемое устройство способно обнаруживать и пеленговать гидроакустические излучения морских биологических объектов в диапазоне от единиц Гц (ниже 35 Гц) и выше, так как именно в этом диапазоне частот содержатся наиболее информативные признаки шумоизлучений большинства промысловых объектов. В таблице представлен диапазон частот некоторых пузырьковых рыб, в котором сосредоточена наибольшая энергия их шумоизлучений /Сорокин М.А. Слуховые способности некоторых дальневосточных рыб// Автореферат диссерт. к.б.н.-М.: ИЭМЭК, 1984, 28 с./.

Благодаря простоте и возможности обнаруживать и пеленговать низкие звуковые гидроакустические излучения морских биологических объектов на больших расстояниях с высокой помехоустойчивостью и помехозащищенностью, заявляемое устройство должно найти широкое использование в рыбопоисковых гидроакустических средствах, применяемых на рыбопромысловых судах.

Преимущества разработанного устройства перед устройством-прототипом заключаются в следующем:
1. Повышается помехозащищенность ППА за счет использования в многоэлементной приемной антенне электроакустических преобразователей, имеющих в своих амплитудно-частотных характеристиках ВЧ акустические резонансы. Данное обстоятельство приводит к тому, что прямой НЧ сигнал не попадает на вход блока обработки сигналов, что исключает его "паразитное" взаимодействие с ВЧ сигналом накачки. Другими словами используются "фильтрующие" свойства самого электроакустического преобразователя.

2. Повышается помехоустойчивость ППА за счет использования направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя ВЧ сигнала накачки. Данное обстоятельство, с одной стороны, ограничивает объем взаимодействующих волн в вертикальной плоскости ("экономит" акустическую мощность), а, с другой стороны, увеличивает его протяженность в горизонтальной плоскости (увеличивает базу ППА).

3. Дополнительно повышается помехоустойчивость ППА за счет включения в ее конструкцию приспособления для сканирования ХН антенны в вертикальной плоскости и пеленгования наиболее энергонесущих лучей НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности.

4. Упрощается схема обработки сигналов в связи с отсутствием необходимости обеспечения электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости.

5. Уменьшается уровень прямого сигнала накачки, являющегося, в определенном смысле, собственной помехой для ППА, за счет использования направленного в обеих плоскостях излучателя ВЧ сигнала накачки, а также резонансных свойств электроакустических преобразователей многоэлементной приемной антенны.

6. Расширяется (вниз) частотный диапазон принимаемых сигналов (ниже 35 Гц) за счет исключения из схемы обработки сигналов режекторного фильтра и фазового детектора, а также включения в схему полосового фильтра и амплитудного детектора.

7. У разработанного устройства появляются новые свойства. Например, возможность принимать отдельные акустические лучи НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности, а затем определять координаты источника НЧ сигнала путем решения обратной лучевой задачи.

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в рыбопоисковых гидроакустических средствах, имеющих в своем составе параметрические приемные антенны. Устройство содержит последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности, направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях, излучатель высокочастотного сигнала накачки, направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях, механически соединенный с многоэлементной приемной антенной, электроакустические преобразователи которой имеют в своих амплитудно-частотных характеристиках высокочастотные резонансы, сумматор, электронный блок обработки сигналов, содержащий последовательно электрически соединенные полосовой фильтр высоких частот, центральная частота которого соответствует частоте высокочастотного сигнала накачки и одному из высокочастотных резонансов в амплитудно-частотной характеристике электроакустических преобразователей, усилитель, амплитудный детектор, фильтр низких частот и усилитель низких частот, при этом усилитель низких частот является выходом электронного блока обработки сигналов и подключен к входу спектроанализатора. Механическое сканирование антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется при помощи специальных приспособлений. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и помехозащищенности. 6 ил., 1 табл.

Устройство для обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений, содержащее последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель высокочастотного сигнала накачки, механически соединенный с многоэлементной приемной антенной, электроакустические преобразователи которой соединены с соответствующими входами сумматора, а выход сумматора соединен с входом электронного блока обработки сигналов, содержащего последовательно электрически соединенные фильтр высоких частот, усилитель, детектор, фильтр низких частот и усилитель низких частот, являющийся выходом электронного блока обработки сигналов и подключенный к входу спектроанализатора, и средство для сканирования характеристики направленности антенны, отличающееся тем, что многоэлементная приемная антенна выполнена в виде прямоугольника с электроакустическими преобразователями, имеющими в своих амплитудно-частотных характеристиках высокочастотные резонансы, в качестве излучателя высокочастотного сигнала накачки установлен направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель, в качестве фильтра высоких частот использован полосовой фильтр, центральная частота которого соответствует одному из высокочастотных резонансов в амплитудно-частотной характеристике электроакустических преобразователей, в качестве детектора использован амплитудный детектор, в качестве средства для сканирования характеристики направленности антенны использованы приспособления для механического сканирования антенны в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.