СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2002 года по МПК G01S3/80 H04B10/00 

Изобретение относится к способам регистрации акустических волн, и может быть использовано в системах обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы.

Известен способ регистрации акустических волн от движущихся объектов с помощью звукоулавливателя [1], основанный на обработке информации о звуковом портрете движущегося объекта, оказывающем несбалансированное воздействие на воздушную среду. Распространение фронта волны от источника звука происходит в виде продольной волны сжатия, которая передает механическую или акустическую энергию от точки излучения. Диаграмму направленности приемной антенны (ДНА), образованную парой акустических рупоров, ориентируют на источник звукового сигнала. Меняя положение диаграммы направленности рупоров, разнесенных на заданное расстояние в пространстве, оператор добивается того, чтобы звук у него в наушниках был одинаковой интенсивности, и таким образом определяется направление на источник звука. Для повышения качества работы аппаратуры в данном диапазоне устанавливаются резонансные и перестраиваемые фильтры. Если цель находится в направлении максимума ДНА, то сигналы обоих рупоров при смешивании взаимно уничтожаются. Аналогичные процедуры производятся и в угломестной плоскости. Следовательно, при наведении ДНА на цель звуковой сигнал усиливается, фильтруется на фоне высокочастотных помех и поступает на устройство сравнения, где осуществляется обнаружение цели и определение направления на нее. В качестве чувствительного элемента, определяющего уровень звукового давления, используется человеческое ухо. Оценка местоположения и параметров движения объекта осуществляется с помощью известных методов с использованием измеренных данных: азимутального и угломестного положения объекта в определенные моменты времени и его доплеровской частоты.

Однако для аналога характерны следующие недостатки: необходимо слежение за положением объекта в пространстве, например, посредством перемещения диаграммы направленности антенны с помощью синхронно следящих приводов по азимуту и углу места, создания множества позиций для установки звуколокаторов и сети связи между ними и пунктами контроля (управления). Кроме того, указанная процедура требует участия в процессе обнаружения человека-оператора, например, для эксплуатации оборудования и его охраны.

В то же время известны волоконно-оптические датчики - измерители звукового давления [2] . Среди используемых принципов действия датчиков следует отметить изменение коэффициента пропускания среды, нарушение полного внутреннего отражения [3]. Учитывая то, что в настоящее время наблюдается развитие сетей связи с волоконно-оптическими кабелями воздушной прокладки, протяженные световоды этих кабелей могут быть использованы в качестве регистрирующих устройств звуковой волны, излучаемой движущимся объектом.

Наиболее близким по большинству существенных признаков и назначению является способ регистрации акустической волны [4], который и принят за прототип. Он заключается в том, что формируют оптический сигнал, акустическим полем воздействуют на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению k_i, достигаемому оболочкой волоконного световода, аппроксимируемое выражением
k_i = k_0i+k_1i•cos(d_iz+ϕ_i),
где d_i - заданные параметры; k_0i,k_1i,ϕ_i - параметры аппроксимации; z - текущая координата вдоль оси кабеля; i - порядковый индекс световода. В световоды вводят когерентный свет от лазера и регистрируют изменение фазы светового потока измерителем фазы оптического сигнала в каждом световоде, как функцию времени Δϕ_i(t). Осуществляют временной спектральный анализ полученных сигналов анализатором спектра. По величине ω - гармоники сигнала, полученного из i-го световода, определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой ω и направление распространения, составляющее угол θ с линией кабеля, определяемый выражением
θ = arccos(d_iν/ω),
где ν - скорость распространения акустической волны.

Способ регистрации акустической волны, описанный в прототипе, основан на особенностях воздействия акустического давления на механические и эластооптические характеристики протяженных оптических световодов с распределенными параметрами. Эти особенности заключаются в том, что изменение оптической длины таких световодов под действием акустического давления происходит неодинаково по длине световода. На каждом бесконечно малом участке световода удельное изменение оптической длины определяется как мгновенным значением акустического поля в данной точке волокна p(r, t), так и значением коэффициента чувствительности световода к акустическому давлению в этой точке кабеля k(z), и пропорционально их произведению. Изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля в каждый момент времени определяется суммированием удельных изменений оптической длины во всех точках волокна и пропорционально

где L - длина оптического кабеля. В прототипе изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля измеряется путем подачи в световод когерентного света и регистрации изменения разности фаз Δϕ(t) как функции времени. Поскольку распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению по длине кабеля в способе выбрано определенным образом, то регистрируемые со световодов сигналы Δϕ(t) определяются интегралами вида

т. е. представляют собой d_i компоненту пространственного преобразования Фурье акустического поля по координате, направленной вдоль линии оптического кабеля.

Таким образом, каждый световод в известном способе обладает собственной диаграммой направленности при приеме гармонических акустических волн. В общем случае временной спектральный анализ позволяет получить набор спектров сигнала из каждого канала. При этом ω - гармоника сигнала, полученного из i канала, оказывается пропорциональной амплитуде плоской составляющей воздействующего на систему акустического поля с собственной частотой ω и направлением распространения, составляющим угол θ = arccos(d_iν(ω)) с линией оптического кабеля. Угол в данном случае может изменяться от 0 до π/2 рад.

Недостатками прототипа являются:
- необходимость использования для регистрации акустической волны одновременно нескольких световодов и измерителей фазы на приемной стороне;
- технически и технологически трудно изготовить световоды, каждый из которых имеет распределение (по всей длине кабеля) коэффициента чувствительности к акустическому давлению, достигаемому оболочкой волоконного световода, аппроксимируемого сложной тригонометрической функцией;
- используемые в качестве чувствительной среды световоды должны быть строго параллельны друг другу и геометрически оптический кабель в пространстве должен представлять собой прямую линию;
- в световоды необходимо вводить когерентный свет, что приводит к необходимости осуществления дополнительных операций над оптическим излучением лазера.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение процесса регистрации акустической волны, излучаемой движущимся объектом, за счет использования одного из световодов волоконно-оптического кабеля (ВОК) воздушной прокладки в качестве чувствительной среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем, создаваемым движущимся объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного оптического кабеля, включающем формирование оптического сигнала, ввод его в световод, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление временного спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, дополнительно осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с "Порогом", заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом "Порога" t_н и t_к соответственно, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала, и момент времени t_∂, при котором частота Доплера в спектре сигнала равна нулю, и вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле

где с - скорость распространения света в световоде, кроме того, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала, частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н,t_∂ или t_н,t_∂,t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала.

Отличительными признаками заявленного способа регистрации акустической волны являются: модуляция оптического сигнала на передающем конце внешним дискретным сигналом известной структуры, фильтрация принятого сигнала после преобразования его в электрический для выделения обнаруженного звукового сигнала на фоне помех, осуществление дискретизации и квантования полученного сигнала, сравнение его с пороговым уровнем, фиксация определенных моментов времени с помощью высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала, определение точки пересечения движущимся объектом оптического кабеля и построение траектории движения объекта на основе зафиксированных моментов времени.

Благодаря наличию этих признаков достигается упрощение процедуры регистрации акустической волны, создаваемой движущимся объектом, за счет использования широко распространенных волоконно-оптических кабелей воздушной прокладки, а также возможность определения траектории его движения.

Способ регистрации акустической волны, создаваемой движущимся объектом, осуществляется следующим образом. При движении объект представляет собой источник акустического сигнала. Создаваемое им звуковое давление воздействует на протяженный волоконно-оптический кабель. В результате этого воздействия в кабеле возникают следующие явления: световоды в волоконно-оптическом кабеле начинают совершать колебания в направлении распространения звуковой волны; изменяется коэффициент преломления из-за микроизгибов волокон; нарушается прямолинейность оптического волокна из-за скрутки и появляются напряжения скручивания и неоднородности внутренней поверхности волокна из-за сжатия защитной трубки кабеля и взаимного давления соседних волокон внутри кабеля [5] . Указанные процессы увеличивают затухание оптического сигнала в кабеле, поэтому как, например, показано в работе [6], коэффициент пропускания оптического канала в световоде может достигать 0,2-0,4. В рассматриваемом случае протяженный кабель является датчиком звукового давления объекта. Излучаемый объектом во время движения акустический сигнал оказывает воздействие на чувствительную среду - световод оптического кабеля и преобразуется в ней в приращение оптического сигнала формируемого, например, с помощью лазера. Сформированный оптический сигнал модулируется внешними дискретными сигналами известной структуры, например, сигналами импульсно-кодовой модуляции телефонных каналов. Основным требованием к этим сигналам является отсутствие спектральных составляющих в области акустических (звуковых) частот. При необходимости, составляющие спектра внешнего дискретного сигнала могут быть дополнительно отфильтрованы. Оптическое излучение вводят в торец световода и передают на приемную сторону, где сигналы оптического диапазона преобразуются в электрические и фильтруются для выделения обнаруженного звукового сигнала на фоне помех. Ширина полосы частот фильтрации определяется спектром излучаемых объектом частот. Например, для воздушных объектов он находится в диапазоне (50-10000) Гц [7]. Отфильтрованные сигналы квантуются по амплитуде и дискретизируются во времени. Затем измеряется амплитуда электрического сигнала и сравнивается с "Порогом". Величина "Порога" определяется в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, исходя из заданного уровня ложных тревог. Моменты времени, характеризующие процессы перехода цифровым сигналом значения "Порога", в реальном масштабе времени фиксируют и привязывают к текущему времени для вычисления места пересечения объектом чувствительной среды - оптического кабеля. Формирование временной шкалы осуществляется из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала. Например, при использовании в качестве чувствительной среды волоконно-оптического кабеля воздушной прокладки цифровой системы передачи абонентских линий (ЦСП) в качестве цикловых импульсов могут быть выбраны синхросигналы временного группообразования с частотой 8 кГц или в 2^'' раз ниже n=1,2,3,... , а в качестве тактовых - импульсы с частотой следования 2,048 МГц или 8,448 МГц [8] . Период цикловых импульсов должен быть больше времени распространения высокочастотного сигнала по всей длине чувствительной среды. Период и стабильность частоты тактовых импульсов, уровень шума в полезном звуковом сигнале, в основном, определяют погрешность измерения временного положения моментов t_н, t_к прохождения электрического сигнала через порог, времени t_м минимального уровня электрического сигнала и времени t_∂, при котором частота Доплера ω_∂ в его спектре равна нулю. Расстояние L до места пересечения объектом линии, образованной проекцией оптического кабеля воздушной прокладки на поверхность Земли, рассчитывают по формуле

где с - скорость света в световоде. Положение точки пересечения полностью определяет ее место в выбранной системе координат, например прямоугольной, т.к. используемые для передачи оптические линии связи в большинстве стационарны. Топографическая погрешность привязки их к местности составляет единицы метров [6].

Определение величины частоты Доплера в моменты времени t_i, формирование акустического портрета объекта, выделение характерных составляющих из спектра видеосигнала осуществляется после выполнения временного спектрального анализа.

В момент пересечения объектом проекции на поверхность Земли волоконно-оптического кабеля, частота ω_∂ стремится к нулю, а затем восстанавливает свое значение, но с противоположным знаком. Фиксация этого момента времени t_∂ позволяет не только определить место пересечения объектом проекции на поверхность Земли оптического кабеля, но и прогнозировать траекторию его полета. Например, если траектория движения прямолинейная, то по известному положению на ВОК проекции начальной точки R_н входа объекта в зону обнаружения датчика и средней радиальной скорости движения объекта

где λ - длина волны характерной составляющей акустического сигнала, можно рассчитать положение в пространстве точки R_н как точки, находящейся на пересечении окружности радиуса, равного ν_p(t_∂-t_н), и перпендикуляра, восстановленного из проекции на оптический кабель начальной точки обнаружения объекта. Затем по двум точкам можно экстраполировать траекторию движения объекта. Третье измерение частоты Доплера в момент времени t_к - выхода объекта из зоны чувствительности датчика позволит уточнить траекторию полета объекта. Направление прихода акустической волны θ_i совпадает с траекторией движения объекта при движении с дозвуковой скоростью.

По знаку ω_∂ определяют направление акустической волны θ_i: при положительной величине ω_∂ объект приближается к оптическому кабелю, при отрицательной величине ω_∂ - удаляется от него.

Таким образом, в результате использования заявляемого способа можно не только регистрировать акустические волны, излучаемые движущимся объектом, но и определить траекторию движения последнего. Каждая из операций, указанных выше, необходима, а все в совокупности достаточны для достижения поставленной цели.

Заявленный способ регистрации акустической волны может быть реализован в системе, включающей передающие оптические модули, обеспечивающие формирование и модуляцию оптического сигнала [9], волоконно-оптический кабель, например, марки ОКПН (ТУ 16.К71-026-88), фотоприемное устройство, например ФПУ-02 [9], анализатор спектра типа СК4-72, аналого-цифровой преобразователь на ИМС серии 1108 для измерения амплитуды сигнала, устройство для фильтрации сигнала на ИМС серии 298, а также сигнальный процессор TMS320C10 или ПЭВМ типа IBM PC для осуществления операций сравнения, фиксирования определенных моментов времени, определения направления и построения траектории движения объекта. Выделение синхросигналов из внешнего дискретного сигнала может быть проведено, например, с помощью кварцевых фильтров, как в цифровой системе передачи [8].

Литература
1. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1988.

2. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Волоконная оптика и приборостроение /Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П.; Под общ. ред. М.М.Бутусова. - Л.: Машиностроение, - 1987.

4. А. с. 1818604 А1. Способ регистрации акустической волны, МКИ G 01 13/80, Петров М.П., Фотиади А.А. (СССР), 1991 - прототип.

5. Гуляев Ю.В., Меш М.Я. Проклов В.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. - М.: Радио и связь, 1991.

6. Немировский А. С., Рыжков Е.В. Системы связи и радиорелейные линии: Учебник для электротехнических институтов связи. - М.: Связь 1980.

7. Авиационная акустика в 2-х ч. Ч. 1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов / Мунин А.Г., Самохин В.Ф., Шипов Р.А. и др.; Под ред. А.Г. Мунина. - М.: Машиностроение, 1986.

8. Цифровая система передачи. Техническое описание - ННИИРТ, Н. Новгород, 1995.

9. Изделия волоконно-оптической техники. Каталог. - М., 1993.

Изобретение относится к способам регистрации акустических волн и может быть использовано в системах обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы. Достигаемым техническим результатом является упрощение процесса регистрации акустической волны. В способ регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем, создаваемым движущимся объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного оптического кабеля, включающий формирование оптического сигнала и ввод его в световод оптического кабеля, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление временного спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, дополнительно осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с "Порогом", заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом "Порога" t_н и t_к соответственно, момент времени, соответствующий минимальному уровню сигнала t_м и момент времени, при котором частота Доплера в спектре сигнала равна нулю t_∂, вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле где с - скорость распространения света в световоде, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала, частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н, t_∂, t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала.

Способ регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем, создаваемым движущимся объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного оптического кабеля, включающий формирование оптического сигнала и ввод его в световод оптического кабеля, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление временного спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с "Порогом", заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом "Порога" t_н и t_к соответственно, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала и момент времени t_∂, при котором частота Доплера в спектре сигнала равна нулю и вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле

где с - скорость распространения света в световоде,
кроме того, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала, частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н,t_∂ или t_н,t_∂,t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала.