УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЛЕЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН Российский патент 2003 года по МПК G01S15/00 G01S3/80 

Изобретение касается способов реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, в частности параметрических антенн с трехволновым механизмом взаимодействия плоских волн, и может быть использовано для контроля областей взаимодействия волн, определения их границ, протяженности поля бестелесной антенны, а также для определения основных энергетических параметров антенн: характеристик направленности и коэффициентов концентрации и полезного действия.

Полем гидроакустической интерференционной антенны считают совокупность первичных измерительных преобразователей, которые обеспечивают непрерывное или дискретное преобразование нормальной составляющей колебательной скорости активной поверхности от точки к точке антенны. Соответственно антенны называют непрерывными или дискретными. Пространственная избирательность таких гидроакустических антенн образуется вследствие интерференции - сложения гармонических сигналов, имеющих одинаковую частоту, но в общем случае различные амплитуды и фазы.

Поэтому и непрерывные, и дискретные антенны по конфигурации геометрического образования - поля антенны, объединяющего активные преобразующие элементы антенны, - подразделяют на линейные, поверхностные и объемные.

Конфигурацию поля интерференционных гидроакустических антенн выбирают либо из конструктивных соображений, либо из условий соответствия волновому полю, создаваемому внешним источником [1]. Поэтому полем антенны считают также внешнее изотропное пространство в момент времени t, которое характеризуется звуковым давлением P(r, t) и вектором колебательной скорости V(r, t), где r - расстояние. Расчет поля осуществляется суммированием полей отдельных точечных источников звуковых колебаний.

Таким образом, в последнем случае задача определения поля антенны разрешается математически и сводится к нахождению решения Гельмгольца в частных производных, зависящего от координат внешнего пространства, условий излучения излучателя, а также от граничных условий [2]. Другим аналитическим подходом к определению поля является подход, основанный на применении математического аппарата функции Грина, устанавливающей соотношение между поверхностным и объемным интегралами, определяющее потенциал скорости в точке г внешнего пространства через значения потенциалов и его производных на поверхности S и плотности G(r) источников звука в некотором объеме, т.е. если потенциал скорости источников звука в объеме внешнего по отношению к антенне пространства известен, то функция Грина определяет параметры поверхности через значения потенциала и его производной [3].

Параметрическими антеннами (бестелесными) называют такие, пространственная избирательность которых образуется в области взаимодействия волн разностной частоты, излучаемых на близких частотах мощным генератором накачки, и сигнальной волны слабого источника, возникающей при нелинейном механизме интерференции [4].

Нелинейная параметрическая антенна содержит излучающий преобразователь сигнала накачки - мощный источник звуковых волн и приемный преобразователь антенны, расположенные на расстоянии L (базе) антенны и обычно скрепленные друг с другом так, чтобы их линия центров совпадала с их акустической осью. Высокочастотный излучатель накачки создает в среде пучок интенсивных волн, обычно двух близких по частоте, изменяющих параметры среды в сторону нелинейных соотношений. Под некоторым углом к акустической оси антенны распространяется сигнальная волна, которая энергетически взаимодействует с волной накачки в нелинейной среде, в результате чего параметры сигналов изменяются. Приемный преобразователь антенны принимает модулированную волну накачки (параметрический усилитель) или сложную волну с частотой, трансформированной в иную область частотного спектра (параметрический генератор или параметрический фильтр) - это зависит от условий взаимодействия, среды, соотношения энергий, частот и других параметров, после обработки которой схемами селекции выделяют волну сигнала.

Таким образом, в отличие от "телесных" антенн параметрические антенны не имеют поля антенны как совокупности электроакустических преобразователей, однако поле антенны существует в виде совокупности элементарных энергетических ячеек взаимодействия волн - акустических фононов, которые при параметрическом процессе возникают как продукт распада энергии волн при трехволновом взаимодействии.

Фонон - квант колебательного движения атомов [5]. Волну колебаний можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой ω, зависящей от k. Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу Ф. Колебательная энергия атомов может принимать значения, равные

где ε₀ - энергия основного состояния квазичастицы,
ℏ︀ - постоянная Планка.

Это означает, что при фононном образовании энергий каждая элементарная ячейка является квазиэлементарным излучателем.

У параметрической антенны также определяют характеристику направленности как нормированное поперечное распределение амплитуды волны разностной частоты [6].

Таким образом, полем гидроакустической параметрической антенны является область взаимодействия волн, где протекают процессы фононного распада.

Известен способ [1] для определения поля линейных интерференционных антенн, состоящий в эмпирическом выборе конфигурации и параметров поля антенны исходя из конструктивных соображений.

Недостатком этого способа является невозможность его применения для параметрической приемной антенны, поскольку последняя является бестелесной.

Известен также способ [1] для определения поля антенны аналитически либо путем вычисления поля внешнего источника посредством уравнения Гельмгольца, либо посредством функции Грина [3].

Недостатком аналитических способов является необходимость знать внешний по отношению к антенне источник, параметры которого априори неизвестны и могут произвольно изменяться. Кроме того, при определении поля антенны обязательно предполагается, что объемные источники звука отсутствуют, что является лишь частным случаем условий генерации звука в гидроакустическом волноводе. В случае же нелинейной параметрической приемной антенны пока вообще не разработан адекватный математический аппарат идентификации параметров нелинейной среды, параметров и энергетических процессов фононного распада в условиях нелинейного акустического взаимодействия волн объемным и/или поверхностным характеристикам поля параметрической антенны.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [9] для локализации источников звука по величинам векторов интенсивности плотности потоков акустической мощности, основанное на направленном приеме акустических волн в точках пространства двумя приемниками звукового давления, совмещенными в одном преобразователе, расположенными на малом расстоянии друг от друга и содержащими соединенные последовательно предварительные усилители, полосовые фильтры и аналого-цифровые преобразователи, подключенные к выходам приемников. Выход одного из аналого-цифровых преобразователей подключен к входу блока регистрации через соединенные последовательно своим первым входом первый сумматор, интегратор, блок умножения и блок усреднения и к первому входу второго сумматора, выход которого соединен с другим входом блока умножения. Выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом второго сумматора и с инверсным входом первого.

Данным устройством осуществляется приближенное определение колебательной скорости частиц в направлении распространения звука путем интегрирования по времени разностей звукового давления в двух точках с известным взаимным расстоянием. После усиления, полосовой фильтрации и квантования определяются значения, пропорциональные сумме и разности значений звукового давления, которые делятся на пропорциональные значения расстояний между приемниками. В результате вычисляются значения колебательной скорости в отдельных частотных полосах.

Произведения колебательных скоростей и давления образуют векторы интенсивности звука, которые зависят от ориентации приемников.

Максимальные и минимальные значения величин интенсивности получаются, если акустические оси приемников совпадают или ортогональны линии, соединяющей акустический центр источника звука, и линии, соединяющей приемники.

С помощью этого устройства можно определить направление положения источника акустического сигнала по вектору интенсивности плотности потока мощности, являющегося энергетической характеристикой источника колебаний.

Недостатком данного устройства [9] является невозможность определения координат местоположения источника и, следовательно, невозможность реконструкции пространственных изображений полей параметрических приемных антенн в гидроакустической среде.

Целью изобретения является определение пространственных координат местоположения элементарных излучателей - акустических фононов в нелинейной области взаимодействия волн - полей параметрических приемных антенн, а также реконструкция и визуализация изображения поля как совокупности координат местоположения фононов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн снабжено вторым аналогичным направленным приемным блоком, вторым мультиплексором и вторым аналого-цифровым преобразователем, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока, а к входу второго аналого-цифрового преобразователя подключен выход второго мультиплексора, соединенного своими входами с выходами второго направленного приемного блока, причем каждый направленный приемный блок снабжен дополнительно двумя преобразователями колебательной скорости, блоком ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, первым, вторым, третьим и четвертым предварительными усилителями, первым, вторым и третьим полосовыми фильтрами, первым и вторым блоками умножения и первым, вторым и третьим блоками вычисления фазы, устройство снабжено также блоком определения угла азимута, первым и вторым блоками определения угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, блоком ввода установок величины базового расстояния параметрической приемной антенны и блоком ввода установок величины базового расстояния направленных приемных блоков, а также пятым, шестым, седьмым, восьмым и девятым предварительными усилителями, выход преобразователя давления первого направленного приемного блока соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения и первого и второго блоков вычисления фазы через соединенные последовательно первый предварительный усилитель и первый полосовой фильтр, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам первого мультиплексора и являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами первого направленного приемного блока, выход блока ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя и приемного преобразователя параметрической приемной антенны соединен с шестым входом первого мультиплексора и является шестым выходом первого направленного приемного блока, причем выход первого преобразователя колебательной скорости первого направленного приемного блока подключен к второму входу первого блока умножения и к вторым входам первого и третьего блоков вычисления фазы через соединенные последовательно второй предварительный усилитель и второй полосовой фильтр, выход второго преобразователя колебательной скорости первого направленного приемного блока подключен к вторым входам вторых блоков умножения и вычисления фазы и к первому входу третьего блока вычисления фазы через соединенные последовательно третий предварительный усилитель и третий полосовой фильтр, первым, вторым, третьим и четвертым входами первого направленного приемного блока являются соответственно входы преобразователя давления, первого и второго преобразователей колебательной скорости и вход блока ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, выходы блоков определения угла азимута, первого и второго блоков определения угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, блоков ввода установок величин базовых расстояний параметрической приемной антенны и направленных приемных блоков соединены соответственно с седьмым, восьмым, девятым, десятым и одиннадцатым входами первого мультиплексора через включенные последовательно соответственно пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый предварительные усилители.

Устройство снабжено n парами направленных приемных блоков, n мультиплексорами, n аналого-цифровыми преобразователями, причем выходы направленных приемных блоков подключены через последовательно соединенные мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи к входам вычислительного блока.

Авторам не известны устройства, обладающие свойствами заявленного, а также имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное устройство от прототипа.

Поэтому авторы считают, что предложенное устройство при его практическом применении позволит точно определять пространственные объемы и формы полей параметрических приемных антенн, реконструировать и визуализировать их изображение со сколько угодно высокой разрешающей способностью, а также определять основные энергетические характеристики полей: их диаграммы направленности, коэффициенты концентрации и коэффициенты полезного действия за счет:
- двух направленных преобразователей колебательной скорости, расположенных в одной плоскости на известном фиксированном расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по два приемника колебательной скорости - векторных приемников, диаграмма направленности одного из векторных приемников совпадает с осью направленного приема, а другого - ортогональна ей, и приемников давления, совмещенных с центрами каждого из направленных приемников, что обеспечивает определение в точках поля антенны пространственно-временных энергетических характеристик его элементарных излучателей - фононов и пространственных координат этих излучателей;
- введения блоков ориентации оси приема по углам направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, что обеспечивает определение относительных пространственных координат излучателей на длине базы антенны;
- блоков ввода углов ориентации направленного приема к плоскости горизонта с каждой из сторон поля параметрической приемной антенны относительно плоскости, проведенной через нормаль к линии центров, - угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, что обеспечивает определение относительных пространственных координат элементарных излучателей в плоскости сечения поля антенны по углам к горизонту;
- введения блока измерения азимутального угла положения базы параметрической приемной антенны и соответственно базы направленных приемных преобразователей, что позволяет определять относительные географические координаты положения излучателей;
- снабжения каждого направленного приемного блока дополнительно первым и вторым блоками умножения, а также первым, вторым и третьим блоками вычисления фаз, что обеспечивает непосредственное и точное определение векторов интенсивности плотности потоков мощности как произведений величин колебательной скорости на величину давления в точках приема первым и вторым приемниками колебательной скорости в соответствующих частотных полосах, а также учет фаз между сигналами давления и колебательной скорости и между включенными ортогонально первым и вторым приемниками колебательной скорости, что повышает точность определения направленного приема путем учета знака величины фаз по квадрантам;
- изменения 1...n направлений приема сигналов первым направленным преобразователем по углам к линии центров излучателя накачки и приемного преобразователя параметрической антенны в плоскостях относительно плоскости горизонта с углами от -π до π и управляемого по алгоритму равенства производительности (объемной скорости) элементарных излучателей изменения направлений приема второго, что позволяет неограниченно варьировать разрешающей способностью определения координат точек местоположения излучателей, реконструировать пространственное изображение поля параметрической антенны как совокупности точек местоположения излучателей и визуализировать реконструированное изображение в форме несимметричного, в общем случае, тела вращения;
- снабжения устройства n парами направленных приемных преобразователей с различными 1. . . n величинами базовых расстояний между приемниками, что обеспечивает достоверность определений координат излучателей в статистическом смысле и минимизирует погрешность определения координат точек излучений.

Сущность функционирования предложенного устройства заключается в том, что в точках с известными фиксированными координатами первого и второго направленных приемных блоков, расположенных вне поля параметрического взаимодействия волны накачки и сигнальной волны параметрической приемной антенны, принимают и измеряют сигналы акустического давления, а сигналы колебательной скорости принимают и измеряют в соответствующих частотных полосах по предварительно ориентированным осям направленного приема, лежащим в одной плоскости. По измеренным сигналам определяют векторы интенсивности плотности потоков акустической мощности в точках измерений с учетом знаков фаз между значениями колебательной скорости и давления, по которым находят пространственные координаты элементарных излучателей сигналов и их производительности, по парам траекторий лучей образуют плоскости сечений поля параметрической приемной антенны с соответствующими им излучателями, а пространственное изображение поля параметрической приемной антенны реконструируют по совокупности мест положения излучателей на каждой из плоскостей сечений.

Основным физическим механизмом, объясняющим сущность параметрической приемной антенны, является механизм трехволнового взаимодействия. Если имеются две волны с частотами ω₁ и ω₂ и волновыми числами k₁ = ω₁/c₁, k₂ = ω₂/c₂, которые создают третью волну ω₃, k₃ = ω₃/c₃, где c₁, с₂, c₃ - скорости волн, то в квантовомеханическом представлении этот процесс можно объяснить как процесс слияния плоских волн ω₁, k₁ и ω₂, k₂ с энергиями фононов ℏ︀ω₁, ℏ︀ω₂ и квазиимпульсами ℏ︀k₁, ℏ︀k₂, где ℏ︀ - постоянная Планка.

Одна из волн ω₁ - волна накачки, или высокочастотная, или низкочастотная. Она должна быть мощной. Для этих волн должно выполняться соотношение ω₁±ω₂ = ω₃, k₁±k₂=k₃, представляющее собой закон сохранения фононов.

В случае слияния двух фононов образуется результирующий фонон ω₃, k₃, причем должны быть выполнены условия синхронизма. Однако условия синхронизма возникают тогда, когда среда обладает дисперсионными свойствами.

Перетекание энергии волны накачки в слабую волну сигнала представляет собой распадный процесс, т.е. фонон ℏ︀k₁ распадается на два фонона ℏ︀k₂ и ℏ︀k₃, [8].

Таким образом, возникающие поверхностные и объемные продольные и поперечные волны, образующиеся при распадном фононном механизме взаимодействия, создают поле колебаний - поле параметрической антенны, у которого невозможно выделить пакеты регулярных волн, соответствующих отражающим и преломляющим горизонтам.

Однако определение энергетических характеристик поля [9] путем одновременного измерения в точках приема сигналов акустического давления Р и сигналов колебательной скорости V и вычисления векторов интенсивности плотности потока мощности Умова-Пойтинга как произведения I(t)=P(t)•V(t) позволяет установить координаты точки возникновения волны - элементарного излучателя по пересечению векторов измеренных в различных точках вне поля антенны.

Для этого волны излучателей принимают по предварительно ориентированным по сторонам света и определенным по углам осям V_Xi, V_Yi (i - номер точки приема) и вычисляют значения векторов интенсивности плотности потоков акустической мощности:



по направлениям которых из точек приема определяются координаты точек возбуждения.

Поскольку измерение сигналов осуществляется в точках пространства с предварительно установленными относительными географическими координатами, то это позволяет точно определить взаимные расстояния между всеми i-точками приема. Зная направление векторов интенсивности плотности потоков мощности в каждой из i-точек приема и взаимные расстояния между ними, можно сочетать их попарные комбинации, которые позволяют образовывать треугольники ABS - плоскости сечения с известными пространственными углами α и β по направлениям векторов в точках А и В приема и с известными l-сторонами между ними. Решения треугольников ABS для каждой из пар комбинаций позволяют определить пространственные координаты третьей вершины S_i треугольника - точки возбуждения волны в поле антенны.

Если x₁, y₁, z₁ и x₂, y₂, z₂ - соответственно пространственные координаты первой и второй точек приема, a соответственно компоненты векторов интенсивности в первой и второй точках приема, то пространственные координаты третьей вершины (x₀, y₀, z₀) треугольника определяются из решения системы уравнений

Точное знание координат третьей вершины для комбинаций пар точек приема при изменении плоскостей сечений поля антенны углами поворота θ осей направленного приема позволяет реконструировать полное поле параметрической антенны как совокупности точек местоположения элементарных излучателей в объеме.

Таким образом, плоскости, образованные парами прямых, секут пространство поля антенны.

Перемещение по плоскости сечения поля антенны положения точек излучателей волн при фотонном распаде может достигаться различными средствами: как путем переноса направленных приемных блоков параллельно линии центров антенны, так и перемещением направлений углов α их осей приема в соответствующей плоскости сечения поля антенны и в вертикальной плоскости для изменения плоскости сечения по величине угла θ к плоскости горизонта.

В поле измерений из m•n точек приема и точек излучения источников сигналов может быть образовано множество плоскостей по парам сочетаний из m приемников по два. Совместное распределение плоскостей сечений и точек излучателей образуют первое приближение поля параметрической приемной антенны. Последующие приближения будут получены при изменении в пространстве координат либо приемников, либо источников, либо и тех и других как последовательно, так и одновременно.

Таким образом, относительно малое число приемных средств позволяет получить сколько угодно большое число данных для реконструкции изображения поля антенны.

Данное устройство позволяет избежать недостатков, свойственных известным устройствам, его практическая реализация достигается путем измерения величины давления в той же точке пространства, где измеряется колебательная скорость, причем измерения колебательной скорости должны проводиться по осям, предварительно ориентированным в пространстве.

Кроме того, для реконструирования трехмерного изображения поля антенны положение точек приема относительно точек излучения сигналов необходимо изменять так, чтобы начала линий проекций секущих плоскости образовывали бы некоторую замкнутую кривую, например окружность. Тогда поле антенны может быть реконструировано в форме некоторого тела вращения.

Данное устройство принципиально может быть реализовано с помощью всего лишь двух блоков направленных приемных преобразователей, однако повышение точности и достоверности результатов реконструкции изображения поля антенны будет достигаться с увеличением числа приемных блоков, которое может быть неограниченно большим числа дискретных значений координат их положения в пространстве, а также с увеличением числа наблюдений точек излучения.

На чертеже приведена схема измерений и обработки результатов, представляющая собой пример конкретной реализации устройства.

Устройство включает в себя следующие блоки.

На некоторой глубине Z, вблизи поля 1 параметрической приемной антенны, образованной излучателем 2 сигналов накачки и приемным преобразователем 3 параметрической приемной антенны, соединенными между собой жесткой связью 4 так, чтобы линия центров излучателя и приемника не могла изменить своего положения, в пределах чувствительности первого 5 и второго 6 направленных приемных блоков, с левой или с правой стороны поля антенн размещают опускаемый блок 7, который устанавливают параллельно плоскости, проходящей через линию центров и нормаль к ней.

Первый 5 и второй 6 направленные приемные блоки содержат соответственно первые 8, 10 и вторые 9, 11 преобразователи колебательной скорости - векторные приемники, причем диаграммы направленности первых 8 и 10 векторных приемников совпадают с осью направленного приема, а вторых векторных приемников 9 и 11 ортогональны оси направленного приема первых. Первый 5 и второй 6 направленные приемные блоки установлены на внешней поверхности опускаемого блока 7 и могут неодновременно изменять свое пространственное положение на любые углы соответственно α и β от -π до π, находясь только в одной плоскости. Направленные приемные блоки 4 и 5 содержат также преобразователи давления соответственно 12 и 13, совмещенные с центрами направленных приемных блоков 5 и 6.

Плоскости расположения направленных приемных блоков 5 и 6 относительно горизонта могут составлять углы θ и изменяться также в пределах от -π до π посредством как изменения глубины Z положения опускаемого блока 7, так и по управлению положением приемных блоков.

После подачи на вход излучателя 2 мощного сигнала накачки и при поступлении под некоторым углом ϕ к линии центров антенны слабого сигнала от внешнего источника 14, например от подводной лодки, в пространстве между излучателем сигналов накачки 2 и приемным преобразователем 3 параметрической приемной антенны возникает поле 1 бестелесной антенны в соответствии с механизмом трехволнового взаимодействия.

Устройство, реализующее алгоритмы реконструкции пространственного изображения поля бестелесной антенны, содержит также блоки 15 определения угла азимута, служащего для привязки визуализированного изображения поля 1 параметрической приемной антенны к сетке географических координат, блок 16 ввода установок величины L - базового расстояния параметрической приемной антенны, первый 17 и второй 18 блоки определения углов наклона θ секущей плоскости относительно плоскости горизонта, учитывающие положения плоскостей сечения поля 1 антенны, а также левую или правую сторону относительно вертикальной плоскости, проведенной через нормаль к линии центров излучателя 2 сигналов накачки и приемного преобразователя 3 параметрической приемной антенны, и блок 19 ввода установок величины базового расстояния направленных приемных блоков, учитывающий l_q базы направленных приемников 5 и 6, если параметр их базы может изменяться или если направленных приемников q пар.

Значения углов α и β направленного приема - осей первого 5 и второго 6 направленных приемных блоков соответственно - устанавливаются в блоках 20 и 24 ориентации по углам направленного приема относительно линии центров излучателя и приемного преобразователя параметрической приемной антенны перед измерением и регистрацией направленными приемными блоками 5 и 6 данных по каждой точке пространства поля 1.

Блоки 25, 26 и 27 соответственно - преобразователь давления, первый и второй преобразователи колебательной скорости второго направленного приемного блока 6.

Выходы блоков 21-23 соединены с входами соответствующих блоков 25-27 первого, второго и третьего предварительных усилителей, выходы которых подключены к входам первого, второго и третьего полосовых фильтров 28-30. Выходы блоков 29 и 30 второго и третьего полосовых фильтров соединены с вторыми входами первого 31 и второго 32 блоков умножения, выходы которых подключены к первому и второму входам первого мультиплексора 36 и соответственно являются первым и вторым выходами первого направленного приемного блока 5. К первым входам первого 31 и второго 32 блоков умножения, а также к первым входам первого 33 и второго 34 блоков вычисления фазы подключен выход первого полосового фильтра 28.

Первый 33 и третий 35 блоки вычисления фазы своими вторыми входами соединены с выходом второго полосового фильтра 29, а второй блок вычисления фазы 34 соединен с выходом третьего полосового фильтра 30, причем к первому входу третьего блока вычисления фазы подключен выход третьего полосового фильтра 30.

Выходы первого 33, второго 34 и третьего 35 блоков вычисления фазы соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами первого мультиплексора и являются соответственно третьим, четвертым и пятым выходами первого направленного приемного блока 5. Шестым выходом первого направленного приемного блока является выход четвертого предварительного усилителя, вход которого соединен с выходом блока 20 ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, а выход подключен к шестому входу первого мультиплексора 36.

Седьмым, восьмым, девятым, десятым и одиннадцатым входами первого мультиплексора являются соответственно выходы блоков 37, 38, 39, 40 и 41 соответственно пятого, шестого, седьмого, восьмого и девятого предварительных усилителей, входы которых соединены соответственно с выходами блока 15 определения угла азимута, блока 16 установок величины базового расстояния параметрической приемной антенны, блоков 17 - первым и 18 - вторым определения угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, а также с выходом блока 19 ввода величины установок базового расстояния направленных приемных блоков.

Выход первого мультиплексора 36 подключен к первому входу вычислительного блока 43 через соединенный последовательно первый 42 аналого-цифровой преобразователь. К второму входу вычислительного блока 43 подключен выход второго мультиплексора 44 через соединенный последовательно второй аналого-цифровой преобразователь 45, выходы второго направленного приемного блока 6 соединены с входами второго мультиплексора 44, выход вычислительного блока 43 подключен к входу регистратора 46.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устанавливают первую плоскость сечения поля 1 антенны, например, путем опускания блока 7 на глубину Z₁ с одной из сторон поля. При этом угол наклона плоскости приема - угол сечения поля относительно плоскости горизонта - будет составлять величину θ₁, значение величины которого соответственно измеряют в блоке 17 или 18. Устанавливают угол α₁ ориентации оси направленного приема первого 5 направленного приемного блока относительно линии центров излучателя и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, значение которого измеряют в блоке 20.

В вычислительном блоке 43 также регистрируют величину угла азимута положения поля параметрической антенны по показаниям на выходе блока 15 определения угла азимута, вводят величину установки базового расстояния параметрической антенны на вход блока 16 и величину установки базового расстояния направленных приемных блоков 5 и 6 на вход блока 19 - это начальные исходные данные.

Включают первый 5 направленный приемный блок. С выходов первого 8 и второго 9 приемников колебательной скорости и с выхода преобразователя давления 12 поступают временные выборки сигналов, которые после усиления в блоках предварительных 24-27 поступают на входы первого 28, второго 29 и третьего 30 полосовых фильтров. Дальнейший анализ данных будет осуществляться в установленных частотных полосах анализа.

Однако полоса анализа может быть изменена, если полосы фильтров будут выбраны другими. Выбор полос анализа определяется частотными параметрами сигналов накачки и сигнала от объекта 14.

Сигналы с выхода первого полосового фильтра 28 - сигналы, выражающие собой текущую величину давления во времени, поступают на первые входы первого 31 и второго 32 блоков умножения и на первые входы первого 33 и второго 34 блоков вычисления фазы. На вторые входы первого 31 и второго 32 блоков умножения поступают сигналы параметров колебательной скорости во времени, принятые по направлению α₁ после усиления в первом 26 и втором 27 предварительных усилителях и после полосовой фильтрации на первом 29 и втором 30 полосовых фильтрах. Частотные полосы первого 28, второго 29 и третьего 30 полосовых фильтров выбирают одинаковыми.

Таким образом, на первых и вторых входах первого 31 и второго 32 блоков умножения образуются сигналы соответственно давления и колебательной скорости, причем на втором входе второго 32 блока умножения сигнал колебательной скорости будет представлять собой величину, равную ортогональной составляющей величины колебательной скорости на втором входе первого блока умножения 31. На выходах первого 31 и второго 32 блоков умножения образуются сигналы, выражающие собой величину произведения колебательных скоростей на давление, равную модулю вектора интенсивности плотности потоков мощности в соответствии с формулой

I(t)= P(t)•V(t), направление которого соответствует углу α₁ в плоскости θ₁.
Сигналы с выходов первого 31 и второго 32 блоков умножения поступают на первый и второй входы первого мультиплексора 36 и соответственно являются первым и вторым выходами первого направленного приемного блока 5.

В первом 33 и втором 34 блоках вычисления фаз осуществляется вычисление разности фаз сигналов давления и колебательной скорости, а в третьем 35 блоке вычисления фаз вычисляется разность фаз между сигналами с выхода первого приемника колебательной скорости 22 и второго 23. Для этого на вторые входы первого 33 и второго 34 блоков вычисления фаз подаются сигналы соответственно с выходов первого полосового фильтра 29 и второго 30. На второй и первый входы третьего блока вычисления фаз 35 подаются сигналы соответственно с выходов первого 29 и второго 30 полосовых фильтров. Сигналы, равные разности величин фаз между текущим значением величины давления во времени и значениями колебательной скорости с выходов полосовых фильтров первого 22 и второго 23 векторных приемников, а также между первым и вторым векторными приемниками, поступают соответственно на третий, четвертый и пятый входы первого мультиплексора 36 и соответственно являются третьим, четвертым и пятым выходами первого направленного приемного блока 5.

Шестым выходом первого направленного приемного блока 5 и соответственно шестым входом первого мультиплексора 36 является сигнал с выхода четвертого предварительного усилителя 24, численно равный значению угла α₁, преобразованного в соответствующую величину напряжения.

После мультиплексирования сигналов на входах первого мультиплексора 36 и аналого-цифрового преобразования в блоке 42 первого аналого-цифрового преобразователя цифровые отсчеты сигналов поступают в вычислительный блок 43, где осуществляется вычисление вектора интенсивности плотности потока акустической мощности как среднее за период значение потока мощности

Средняя за период проекция I₁ на направление r математически определяется одним из выражений

Символ { }t выражает усреднение по времени t, кратному периоду или существенно большему периода колебаний. Р_эф, V_эф - эффективные значения звукового давления и проекции колебательной скорости на направление r. ϕ(P, V_r) = Δϕ_pr - разность фаз между давлением и колебательной скоростью, символ * означает комплексно сопряженную величину.

Реактивная плотность акустической энергии, сосредоточенная в определенной точке среды, рассчитывается по формуле

i=(x, y, z).

Из этих формул видно, что амплитудные и разностно-фазовые соотношения между давлением и колебательной скоростью отражают все особенности формируемого акустического поля в точке i (x_i, y_i, z_i), в частности, в поле плоской бегущей волны в однородном изотропном пространстве волны P = P₀exp(j(ωt-kr)), k = ω₀/c₀ - волновое число, вектор потока акустической мощности направлен вдоль распространения волны r и численно равен
W_R = P20

Реактивная плотность акустической энергии равна нулю, W₁=0.

Поскольку поле параметрической приемной антенны в квантовоэнергетическом представлении фононных взаимодействий представляет собой поле сложной конфигурации, то для количественного выражения этих энергетических соотношений необходимо использовать адекватные математические выражения. Считаем поле излучателя фононного распада сосредоточенным излучателем типа монополь с потенциалом

где Q - производительность излучателя (объемная скорость), которая вычисляется из соотношений (j - мнимая) [7].

В этой системе из двух уравнений два неизвестных - Q и r, которые находятся путем совместных решений уравнений, причем V_r - проекция колебательной скорости на направление r_A1, совпадающее в данном случае с направлением приема и определяемое углами приема α, θ и γ.
В вычислительном блоке 43, таким образом, будет определена объемная скорость излучателя Q₁ для первой точки S(x₁, y₁, z₁) поля 1 параметрической приемной антенны и ее радиус-вектор r₁ от точки приема А.

Повышение точности работы устройства достигается также и тем, что диаграммы направленности приемников колебательной скорости - векторных приемников первого и второго направленных приемных блоков 4 и 6 - включены ортогонально, причем каждый из блоков направленных преобразователей содержит приемник давления. В этом случае неоднозначность углового положения источника звука может быть устранена путем учета знака разности фаз между сигналами, получаемыми с выходов приемников 12 и 13 звукового давления и одного из векторных приемников в соответствии со следующим алгоритмом (см. таблицу).

Напряжения на выходах скрещенных под углом 90^o векторных приемников будут либо коррелированны по фазе в одной паре противоположных квадрантов, либо антикоррелированны в другой. Таким образом, неоднозначность определения направления г устраняется полностью.

Учет знака фазы осуществляется также в вычислительном блоке 43.

После определения в вычислительном блоке 43 производительности излучателя Q_A1 и радиуса вектора r_A1 направления положения первого элементарного излучателя в точке S₁(x₁, y₁) первым направленным приемным блоком 5 включают второй направленный приемник 6 с произвольным пока углом β₁ и вычисляют первое значение вектора интенсивности I₂ и соответствующую ему величину производительности излучателя Q_B1 и радиус-вектор r_B1, решая совместно уравнения системы (2).

При этом сигналы с выходов второго направленного приемного блока 6 поступают на соответствующие входы второго мультиплексора 44, с выхода которого они поступают на вход второго аналого-цифрового преобразователя 45, с выхода которого числовые отсчеты сигналов подаются на второй вход вычислительного блока 43.

В вычислительном блоке 43 производительности Q_A1 и Q_B1 сравниваются и в случае их неравенства значение угла β второго направленного приемного блока 6 изменяют так, чтобы по величине потока мощности W_R минимизировать величину разности Q_A1-Q_B1. После необходимого и достаточного числа итераций при равенстве величин производительностей источников фиксируют значение угла β_i и в соответствии с системой уравнений (1) находят пространственные координаты первой S₁(x, y, z) излучающей точки поля 1 антенны.

Данные вычислений пространственных координат первой излучающей точки S₁ поступают для визуализации в блок 46 регистрации, где отображаются в соответствующих географических координатах.

Угол α оси направленного приема первого 5 направленного приемного блока изменяют n раз, каждый раз вычисляют I_1,n векторы интенсивности потоков мощности и производительности Q_An и посредством соответствующих изменений углов β второго 6 направленного приемного блока находят равные им производительности Q_Bn излучателей. Координаты n-точек излучений в секущей плоскости, соответствующей углу θ₁, определяют в вычислительном блоке 43 посредством вышеуказанных процедур вычислений. Полученные данные координат n-точек излучений регистрируют в регистраторе 46.

Для получения пространственного трехмерного представления поля 1 параметрической приемной антенны D_k раз изменяют угол сечения θ, причем для каждого k-го значения угла θ повторяют n раз процедуры вычисления координат точек излучений S_n(x, y, z).

Таким образом, благодаря предложенным алгоритмам вычислений и соответствующих им блоков устройства может быть экспериментально измерено, зафиксировано и визуализировано поле ППА в форме некоторого тела вращения, поверхность которого образована совокупностью координат точек элементарных излучателей. При соединении точек кривыми в пределах плоскостей сечений для зафиксированных временных интервалов могут быть получены годографы состояний поля параметрической приемной антенны.

Устройство принципиально может быть реализовано только двумя направленными приемными блоками, однако увеличение их числа ускоряет процедуру реконструкции и визуализации изображения поля. В случае увеличения q числа пар направленных преобразователей с q величинами баз между ними могут быть существенно повышены достоверность и точность реконструкции изображения за счет статистических усреднений.

При числе приемных блоков больше двух число возможных решений треугольников определяется числом сочетаний из множества m приемных блоков по 2, т.е. величиной

В этом случае повышается доверительная вероятность определения каждой из точек излучения за счет статистического накопления результатов, а также повышаются скорость и достоверность реконструкции изображения, определяемые числом пар плоскостей.

Реконструированное изображение поля, получаемое данным способом, имеет форму пространственного тела вращения, образованного множеством точек излучений. Начало и окончание каждой образующей определяются трехмерными координатами, а численные значения каждой из его точек определяются величинами интенсивности плотности потоков мощности. По значениям величин интенсивности в соответствии с известными [1, 6, 7] аналитическими соотношениями могут быть определены характеристики направленности и энергетические характеристики поля параметрической антенны.

Практическая реализация способа реконструкции изображения и визуализации поля параметрической приемной антенны может быть осуществлена при следующих параметрах сигнала генератора накачки и сигнала объекта, а также средств приема и регистрации сигналов волн излучения.

Частота сигнала накачки для параметрических антенн в морской среде лежит в диапазоне 50-150 кГц, частота сигнальной волны - в диапазоне 50-5000 Гц.

Так как функционирование устройства возможно, если обеспечивается выделение полезного сигнала S(ω) на фоне шумов то для выделения полезного сигнала требуется либо накопление (суммирование) сигнала, либо увеличение амплитуды A(ω), либо и то и другое вместе. Поскольку при суммировании-накоплении сигнала отношение 2S/2N=2, тo для того, чтобы A=10N, где N - средняя амплитуда фона для данного региона, достаточно, чтобы средняя мощность источника сигнала накачки лежала в диапазоне 10-100 Вт. Кроме того, требуется, чтобы А была бы много больше суммы шумов аппаратуры S_а и шумов квантования S_к, поэтому если S_а и S_к - аддитивные случайные процессы с нормальным и равномерным соответственно распределениями и нулевым средним, то динамический диапазон аппаратуры не должен быть менее 60 dB.

Чувствительность приемных преобразователей колебательной скорости и давления должна быть порядка 100 мкВ/Па на частоте 500 Гц при модуле полного электрического сопротивления 2•10⁷ Ом.

При указанных параметрах сигналов возбуждения и средств приема база параметрической антенны может составлять десятки метров.

Таким образом, предложенное устройство при его применении позволит точно определять пространственные объемы и формы поля параметрической приемной антенны, а также реконструировать и визуализировать их пространственные изображения со сколько угодно высокой разрешающей способностью. Кроме того, данное устройство позволяет также определять и изучать свойства поля по его образующим, а также решать другие задачи, связанные с дальностью обнаружения подводных объектов и их классификацией.

Источники информации
1. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Библиотека инженера-гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1984. - 304 с.

2. Скучик Е. Основы акустики. Т.1-2. - М.: Мир, 1976.

3. Морс Ф., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Т.1-2. - М., 1960.

4. Новиков Ю.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981.

5. Рейсленд Д. Физика фононов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1975.

6. Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. - Издательство Московского университета. 1984. 102 с.

7. Векторно-фазовые методы в акустике. АН СССР. Дальневосточное отделение. Тихоокеанский океанологический институт. Ответственный редактор акад. Ильичев В.И. - М.: Наука, 1989.

8. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М.: Главная ред. физ.-мат. литературы, 1984, 399 с.

9. Система для анализа интенсивности звука. Модель 3360. - Фирма Брюльи Къер. Каталог. 1989.

Изобретение относится к области техники реконструкции и устройствам для реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн. Устройство состоит из двух направленных приемных блоков в точках с известными фиксированными координатами, каждый из которых выполнен в виде преобразователя давления, двух приемников колебательной скорости, блока ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, двух блоков умножения, четырех предварительных усилителей, трех полосовых фильтров, а также трех блоков вычисления фазы. Кроме того, устройство в целом снабжено блоком определения угла азимута, двумя блоками определения углов наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, блоком ввода установок величины базового расстояния параметрической приемной антенны, блоком ввода установок величины базового расстояния направленных приемных блоков, а также пятью предварительными усилителями. Достигаемым техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности и достоверности определения поля антенны. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устройство для реконструкции пространственных изображений полей гидроакустических параметрических приемных антенн, содержащее направленный приемный блок, выполненный в виде преобразователя давления, выходы которого подключены к блоку регистрации через последовательно соединенные своими входами мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок, отличающееся тем, что оно снабжено вторым аналогичным направленным приемным блоком, вторым мультиплексором и вторым аналого-цифровым преобразователем, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока, а к входу второго аналого-цифрового преобразователя подключен выход второго мультиплексора, соединенного своими входами с выходами второго направленного приемного блока, причем каждый направленный приемный блок снабжен дополнительно двумя преобразователями колебательной скорости, блоком ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, первым, вторым, третьим и четвертым предварительными усилителями, первым, вторым и третьим полосовыми фильтрами, первым и вторым блоками умножения и первым, вторым и третьим блоками вычисления фазы, устройство снабжено также блоком определения угла азимута, первым и вторым блоками определения угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, блоком ввода установок величины базового расстояния параметрической приемной антенны и блоком ввода установок величины базового расстояния направленных приемных блоков, а также пятым, шестым, седьмым, восьмым и девятым предварительными усилителями, выход преобразователя давления первого направленного приемного блока соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения и первого и второго блоков вычисления фазы через соединенные последовательно первый предварительный усилитель и первый полосовой фильтр, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам первого мультиплексора и являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами первого направленного приемного блока, шестым выходом первого направленного приемного блока и соответственно шестым входом первого мультиплексора является выход четвертого предварительного усилителя, вход которого соединен с выходом блока ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, причем выход первого преобразователя колебательной скорости первого направленного приемного блока подключен ко второму входу первого блока умножения и ко вторым входам первого и третьего блоков вычисления фазы через соединенные последовательно второй предварительный усилитель и второй полосовой фильтр, выход второго преобразователя колебательной скорости первого направленного приемного блока подключен ко вторым входам вторых блоков умножения и вычисления фазы и к первому входу третьего блока вычисления фазы через соединенные последовательно третий последовательный усилитель и третий полосовой фильтр, выход третьего блока вычисления фазы соединен с пятым входом первого мультиплексора и является пятым выходом первого направленного приемного блока, первым, вторым, третьим и четвертым входами первого направленного приемного блока являются соответственно входы преобразователя давления, первого и второго преобразователей колебательной скорости и вход блока ориентации по углу направленного приема относительно линии центров излучателя сигналов накачки и приемного преобразователя параметрической приемной антенны, выходы блоков определения угла азимута, первого и второго блоков определения угла наклона секущей плоскости относительно плоскости горизонта, блоков ввода установок величин базовых расстояний параметрической приемной антенны соединены соответственно с седьмым, восьмым, девятым, десятым и одиннадцатым входами первого мультиплексора через включенные последовательно соответственно пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый предварительные усилители. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено n парами направленных приемных блоков, n мультиплексорами, n аналого-цифровыми преобразователями, причем выходы направленных приемных блоков подключены через последовательно соединенные мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи к входам вычислительного блока.