ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР Российский патент 2003 года по МПК G01S13/32 G01S15/02 G01N29/04 

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах, и классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация.

Известен параметрический локатор, описанный в книге: Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко "Нелинейная гидроакустика", Л., Судостроение, 1981, с. 205-206, содержащий генератор высокочастотных сигналов и генератор низкочастотных сигналов, соединенные со входами амплитудного модулятора, вход которого соединен с сигнальным входом импульсного модулятора, а его управляющий вход соединен с выходом импульсного генератора. Выход импульсного модулятора через усилитель мощности соединен с излучающим преобразователем, находящимся в акустическом контакте через среду лоцирования с приемным преобразователем, соединенным через избирательный усилитель с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора. Генератор высокочастотных (ВЧ) сигналов вырабатывает синусоидальный сигнал частотой f₀, поступающий на один из входов амплитудного модулятора, на второй вход которого с генератора низкочастотных (НЧ) сигналов поступает синусоидальный сигнал частотой F<f₀. С выхода амплитудного модулятора амплитудно-модулированное напряжение частотой f₀ поступает на нормально закрытый импульсный модулятор, который периодически открывается видеоимпульсом, поступающим с выхода импульсного генератора. Импульсы амплитудно-модулированных колебаний поступают с выхода импульсного модулятора на вход усилителя мощности, а с его выхода на излучающий преобразователь, находящийся в акустическом контакте со средой лоцирования. В среду лоцирования излучаются амплитудно-модулированные колебания, спектр которых содержит три гармонические составляющие с частотами f₀, f₀+F, f₀-F (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Сов. радио, 1978). Так как все реальные среды обладают нелинейностью своих упругих параметров, то при распространении в них такого сигнала будет происходить взаимодействие отдельных частотных составляющих сигнала и образование дополнительных составляющих с комбинационными частотами F, 2F и т.д. (см. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболотская Е. А. Параметрическое взаимодействие звуковых пучков. - Акустический журнал. АН СССР, 1979, т. 25, 1, с. 125-127). Акустические сигналы с частотами F и 2F распространяются в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (ρ₀c₀), где ρ₀ - плотность среды, с₀ - скорость звука в ней, достигают расположенных в среде объектов с акустическим сопротивлением (ρ₁c₁)≠(ρ₀c₀), отражаются от них и принимаются приемным преобразователем, эхосигналы с выхода которого через избирательный усилитель поступают на первый вход индикатора, на второй вход которого поступают видеоимпульсы с выхода импульсного генератора. В качестве индикатора может служить, например, осциллограф. При этом видеоимпульсы поступают на вход запуска ждущей развертки осциллографа, а эхосигналы подаются на вход усилителя отклонения луча по оси "Y". При этом на экране осциллографического индикатора наблюдают последовательность эхоимпульсов, по амплитуде которых судят об отражательных способностях объекта, а по их задержке относительно начала развертки об удалении объектов от излучающих и приемных преобразователей локатора.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом, - генератор ВЧ сигналов, импульсный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, избирательный усилитель, индикатор.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что энергия формируемого параметрического сигнала распределяется между двумя частотными составляющими F и 2F, поэтому приемный преобразователь и избирательный усилитель должны пропускать обе составляющие эхосигналов, т.е. быть широкополосными. При этом увеличивается уровень принимаемых акустических шумов, и уровень электрических шумов усилителя. Для расширения полосы пропускания приемного преобразователя его необходимо акустически демпфировать, что снижает его чувствительность. Это снижает в итоге дальность лоцирования локатора. Кроме того данный локатор может определять только дальность до обнаруженного объекта и его отражательную способность для акустических сигналов с частотами F и 2F.

Известен также параметрический акустический локатор, описание которого приведено в работе "Параметрический буксируемый локатор", авторы - Гаврилов А. М. , Голосов С.П., Кабарухин Ю.И., Колягин Н.И., Тимошенко В.И., опубл. Тезисы докладов I-го всесоюзного совещания-семинара молодых ученых "Глубоководные системы и комплексы", часть 1. Черкассы, 1986, с. 64-67, он содержит два генератора ВЧ сигналов, выходы которых подключены соответственно ко входам первого и второго импульсных модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходом импульсного генератора. Выходы импульсных модуляторов через усилители мощности подсоединены с элементами двухчастотного излучающего преобразователя, находящегося в акустическом контакте через среду лоцирования с приемным преобразователем, который через избирательный усилитель соединен с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора. Первый ВЧ генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, поступающий на вход первого импульсного нормально закрытого модулятора, второй ВЧ генератор вырабатывает сигнал с частотой f₂, поступающий на вход второго импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на входы модуляторов и разрешающие прохождение через них ВЧ сигналов, которые затем поступают на входы двух усилителей мощности, а с их выходов на элементы двухчастотного преобразователя, излучающего в среду лоцирования акустические сигналы мощностью f₁ и f₂. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов и формирование сигнала с частотой F = |f₁-f₂|. Этот сигнал достигает объектов, расположенных в среде лоцирования, отражается от них и принимается приемным преобразователем, эхосигналы с которого через избирательный усилитель подаются на первый вход индикатора, на второй вход которого поступает видеоимпульс с выхода импульсного генератора. В качестве индикатора может служить, например, осциллограф.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом, - генератор ВЧ сигналов, импульсный генератор, два импульсных модулятора, два усилителя мощности, излучающий и приемный преобразователи, избирательный усилитель и индикатор.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что при малых дальностях лоцирования сигнал с частотой F еще не сформировался, что ограничивает минимальную дальность лоцирования, локатор может определять только дальность до обнаруженного объекта и его отражательную способность для акустического сигнала с частотой F.

От ряда перечисленных недостатков свободны параметрические акустические локаторы, в которых используют не только сформированные в канале лоцирования акустические сигналы с частотой F, но и исходные сигналы с частотами f₁ и f₂.

Таким локатором является "Параметрический акустический локатор" по пат. США 4308599, G 01 S 15/02, ИЗР 7, 1981 г., имеющий наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым объектом и содержащий два генератора высокочастотных сигналов, соединенных со входами двух импульсных модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходом импульсного генератора, а выходы импульсных модуляторов через последовательно соединенные усилители мощности и коммутаторы соединены с элементами двухчастотного преобразователя, акустически связанного через среду лоцирования с приемным преобразователем, выход которого через избирательный усилитель соединен с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а третий и четвертый входы соединены через избирательные усилители со вторыми выходами коммутаторов.

Первый ВЧ генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, поступающий на вход первого импульсного нормально закрытого модулятора, второй ВЧ генератор вырабатывает сигнал с частотой f₂, поступающий на вход второго импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на управляющие входы модуляторов и разрешающие прохождение через них ВЧ сигналов, которые поступают затем на входы двух усилителей мощности, а с их выходов через коммутаторы на элементы двухчастотного преобразователя, излучающего в среду лоцирования акустические сигналы с частотами f₁ и f₂. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов и формирование сигнала с частотой F = |f₁-f₂|. Этот НЧ сигнал, а также ВЧ сигналы достигают объектов, расположенных в среде лоцирования, отражаются от них и принимаются: ВЧ сигналы - двухчастотным преобразователем, а НЧ сигнал - вторым приемным преобразователем; эхосигналы с него через избирательный усилитель, настроенный на частоту F, поступают на первый вход индикатора, на второй вход которого поступает видеоимпульс с выхода импульсного генератора. Высокочастотные эхосигналы, снимаемые с элементов двухчастотного преобразователя, поступают на коммутаторы и с их вторых выходов через второй и третий избирательные усилители, настроенные соответственно на частоты f₁ и f₂, поступают на третий и четвертый входы индикатора, в качестве которого может служить, например, многоканальный осциллограф или обычный одноканальный осциллограф, на входе которого установлен коммутатор сигналов (см. Иванов Б.С. "Осциллограф - ваш помощник: Приставки к осциллографу", М. : Патриот, 1991; Кузнецов А.С. "Трехканальный осциллограф", М.: Радио и связь, 1981). Причем, видеоимпульс с выхода импульсного генератора поступает на вход запуска ждущей развертки осциллографа (второй вход индикатора), а эхосигналы с выходов избирательных усилителей поступают на входы усилителей отклонения лучей по оси "Y". При этом на экране осциллографического индикатора наблюдают последовательность эхосигналов, амплитуда которых характеризует отражающие способности объектов, а их задержка относительно начала развертки об удалении объектов от преобразователей локатора. Двухчастотный преобразователь представляет собой мозаику из пьезоэлементов с резонансными частотами f₁ и f₂, установленными в общем корпусе. Он описан в работе: Новиков Б.К., Тимошенко В.И. "Параметрические антенны в гидролокации". - Л. , Судостроение, 1989, с. 212-213.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом, - генератор ВЧ сигналов, импульсный генератор, два импульсных модулятора, два усилителя мощности, два коммутатора, двухчастотный преобразователь, приемный преобразователь, три избирательных усилителя и индикатор.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что данный локатор может определять только дальность до обнаруженного объекта и его отражательную способность для акустических сигналов с частотами F, f₁ и f₂.

Для многих случаев лоцирования необходимо определять также и другие параметры объекта, например, является ли он акустически мягким или акустически жестким, т. е. его акустическое сопротивление Z=ρc меньше или больше акустического сопротивления среды Z₀ = ρ₀c₀ (ρ и ρ₀ - плотность материала объекта и среды лоцирования, с и с₀ - скорость распространения в них акустических сигналов). Это важно, например, при лоцировании титановых слитков, когда необходимо классифицировать обнаруженный дефект: является ли он газовым пузырем или вольфрамовым включением (см. Шрайбер Д.С. "Ультразвуковая дефектоскопия", М., Металлургия, 1965, с. 312-313). Для случая гидроакустики по соотношению акустических сопротивлений Z и Z₀ можно классифицировать эхосигнал от придонной рыбы или от металлических конструкций, лежащих на дне. В данном локаторе определение соотношения акустических сопротивлений обнаруженных объектов и среды лоцирования невозможно, что снижает его эксплуатационные возможности.

Задачей данного изобретения является расширение эксплуатационных возможностей локатора, позволяющее дополнительно определять также акустические характеристики обнаруженного объекта.

Технический результат изобретения заключается в возможности получения локатором дополнительной информации о соотношении акустических сопротивлений обнаруженного объекта и среды лоцирования, что значительно расширяет его эксплуатационные возможности.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее генератор высокочастотных сигналов, два импульсных модулятора, управляющие входы которых соединены с выходами импульсного генератора, а выходы модуляторов через последовательно соединенные усилители мощности и коммутаторы соединены с элементами двухчастотного преобразователя, акустически связанного через среду лоцирования с приемным преобразователем, выход которого через избирательный усилитель соединен с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а третий и четвертый входы соединены через второй и третий избирательные усилители со вторыми выходами коммутаторов, дополнительно введены два делителя частоты, два умножителя частоты и фазовый детектор; входы делителей частоты соединены с выходом генератора ВЧ сигналов, а их выходы - со входами импульсных модуляторов; входы умножителей частоты соединены с выходами второго и третьего избирательных усилителей, а их выходы соединены со входами фазового детектора, выход которого соединен с пятым входом индикатора.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг. 2 - спектральные характеристики сигналов, на фиг.3 - эпюры напряжений в различных точках устройства.

Параметрический акустический локатор содержит генератор высокочастотных сигналов 1, соединенный со входами делителей частоты 2 и 3, а их выходы - со входами импульсных модуляторов 4 и 5, управляющие входы которых соединены с выходом импульсного генератора 6, а выходы через усилители мощности 7, 8 и коммутаторы 9, 10 с элементами двухчастотного преобразователя 11, акустически связанного через среду лоцирования с приемным преобразователем 12, выход которого через избирательный усилитель 13 соединен с первым входом индикатора 14, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора 6, а третий и четвертый входы индикатора - с выходами избирательных усилителей 15 и 16, входы которых соединены со вторыми выходами коммутаторов 9 и 10; выходы усилителей 15, 16 также соединены со входами умножителей частоты 17 и 18, выходы которых соединены со входами фазового детектора 19, а его выход соединен с пятым входом индикатора 14.

Генератор высокочастотных сигналов 1 вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, поступающий на входы делителей частоты 2 и 3 с коэффициентами деления n и n+1. На их выходах формируются сигналы U2 и U3 с частотами f₂= f₁/n и f₃=f₁/(n+1), поступающие на входы нормально закрытых импульсных модуляторов 4, 5, на управляющие входы которых с выхода импульсного генератора 6 поступают периодически повторяющиеся видеоимпульсы U4, разрешающие прохождение сигналов U2 и U3 через модуляторы. Период повторения Т видеоимпульсов U4 определяется выражением T>2r_max/c, где r_mах - максимальная дальность лоцирования, с - скорость звука в среде лоцирования. Радиоимпульсы U5 и U6 с выходов импульсных модуляторов после усиления в усилителях мощности 7 и 8 проходят через коммутаторы 9, 10 и поступают на элементы двухчастотного преобразователя 11, излучающего в среду лоцирования акустические сигналы U7 и U8 с частотами f₂ и f₃. Так как реальные среды (жидкости, газы, твердые тела) обладают нелинейностью своих упругих характеристик, то при распространении в них сигналов U7 и U8 будет происходить их взаимодействие и образование сигналов с комбинационными частотами, т.е. появится сигнал U9 с разностной частотой F=f₂-f₃. Сигналы U7, U8 и U9 достигают объекта, расположенного в среде лоцирования и отражаются от него. Если акустическое сопротивление объекта ρ₁c₁ больше акустического сопротивления среды ρс, то отраженные сигналы имеют ту же фазу, что и падающие, если же ρ₁c₁<ρc, то при отражении они изменяют фазу на 180^o (см. С.Н. Ржевкин, "Курс лекций по теории звука", изд. МГУ, М., 1960, с. 35, 45), (ρ и ρ₁ - плотности среды и материала объекта, с и c₁ - скорости звука в них).

Отраженные эхосигналы U10 с частотой F принимаются преобразователем 12 и электрические сигналы с него поступают на первый избирательный усилитель 13, настроенный на частоту F. С его выхода напряжение U11 подается на первый вход индикатора 14, на второй вход которого поступают также видеоимпульсы U4, осуществляющие временную привязку работы импульсных модуляторов 4, 5 и индикатора 14. Эхосигналы U12 и U13 с частотами f₂ и f₃ принимаются элементами двухчастотного преобразователя 11, и соответствующие им электрические сигналы с преобразователя проходят через коммутаторы 9, 10 и с их вторых выходов поступают на вход второго избирательного усилителя 15 с частотой настройки f₂ и на вход третьего избирательного усилителя 16 с частотой настройки f₃. Напряжения U14 и U15 с их выходов поступают на третий и четвертый входы индикатора 14, а также на вход умножителя частоты 17, осуществляющий умножение частоты сигнала U14 в n раз, и на вход умножителя частоты 18, выполняющего умножение частоты сигнала U15 в (n+1) раз. Напряжения U16 и U17 с выходов умножителей частоты 17 и 18 поступают на входы фазового детектора 19, а с его выхода напряжение U18 подается на пятый вход индикатора 14.

В качестве индикатора 14 может служить многоканальный осциллограф, у которого запуск развертки лучей по оси "X" выполняется видеоимпульсом U4, а сигналы U11, U14, U15 и U18 поступают на входы усилителей, отклоняющих лучи осциллографической трубки по оси "Y". Возможно использование и обычного многоканального осциллографа, на входе которого установлен коммутатор сигналов, на вход которого подаются напряжения U11, U14, U15 и U18, а выход соединен со входом усилителя отклонения луча по оси "Y".

На экране осциллографического индикатора при этом наблюдают эхосигналы U11, U14 и U15, амплитуды которых характеризуют отражательную способность обнаруженного объекта для сигналов с частотами F, f₂, f₃, а их задержка относительно начала развертки - расстояние r от преобразователей локатора до объекта где Δt - задержка сигналов U11, U14, U15 относительно начала развертки). Напряжение U18, наблюдаемое также на экране осциллографического индикатора представляет собой видеоимпульс, полярность которого будет зависеть от выполнения условий ρ₁c₁>ρc или ρ₁c₁<ρc.
Напряжения U1, U2 и U3 можно записать в виде следующих выражений:
U1 = U1_max•cos(ω₁t+ϕ₁);


где U_imax - максимальные амплитуды соответствующих напряжений.

Сигналы U5 и U6, а также акустические сигналы U7 и U8 будут представлять собой реализации напряжений U2 и U3, действующие в течение временных интервалов τ.
Следовательно:


Пройдя расстояние r, акустические сигналы U7 и U8 достигают поверхности объекта, отражаются от него, претерпевая при этом изменения фазы α₂ и α₃, проходят еще раз расстояние r и достигают преобразователя 11, сигналы с которого через коммутаторы 9 и 10 поступают на входы избирательных усилителей 15 и 16, на выходе которых вырабатываются напряжения U14 и U15.

Дополнительный фазовый сдвиг для сигналов U14 и U15 будет равен сумме углов α₂ и α₃ и угла βi, характеризующего задержку сигналов при прохождении расстояния 2r, причем:

где
откуда
Для напряжений U14 и U15 можно записать:


Углы α₂ и α₃ в общем случае будут равны:


где - комплексные углы отражения акустических сигналов с частотами f₂ и f₃ от поверхности объекта. Для акустически жестких материалов объекта можно считать, что α₂≈α₃≈0, а для акустически мягких α₂≈α₃≈π. Сигналы U14 и U15 пропускаются затем через умножители частоты 17, 18, где происходит умножение их полного аргумента, соответственно на n и на (n+1). Для сигналов U16 и U17 можно записать:


На выходе фазового детектора 19 формируется напряжение U18, уровень которого зависит от разности фаз между сигналами U16 и U17, т.е.

U18 = D•U16_max•U17_max•cos(α₂•n-α₃(n+1)),
где D - коэффициент передачи фазового детектора, определяемый особенностями его схемных реализации. Для того, чтобы напряжение U18 не зависело от уровней сигналов U16_mах и U17_max, на входах фазового детектора 19 устанавливают ограничители сигналов по уровню (такие ограничители или компараторы, или усилители-ограничители являются составной частью всех фазоизмерительных блоков, см. , например, : Галахова О.П. "Основы фазометрии", Л., Энергия, 1976; Бутеев В. "Электронный фазометр", Радио, 1990, 5, с. 56-58).

Если частоты f₂и f₃ достаточно близки друг к другу (а это условие выполняется практически для всех параметрических акустических локаторов, т.к. для них F<<f₂, F<<f₃, см. Б.К. Новиков, В.И. Тимошенко "Параметрические антенны в гидролокации", Л., Судостроение, 1990, с. 226-237), то α₂≈α₃≈α и окончательно:
U18=K•cosα,
где K=D•U16_max•U17_max и с учетом ограничения уровней U16_max и U17_max K= const, т.е. уровень сигнала U18 для объектов со значениями α=0^o, будет равен U18= +K и для α=180^o, U18=-К. Для промежуточных значений α сигнал U18 будет находиться в пределах -K<U18<+K, и однозначно характеризовать величину α. Этот сигнал поступает на пятый вход индикатора и по нему судят об импедансе отражающей поверхности объекта.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: двух делителей частоты, двух умножителей частоты и фазового детектора; входы делителей частоты соединены с выходом генератора ВЧ сигналов, а их выходы - со входами импульсных модуляторов; входы умножителей частоты соединены с выходами второго и третьего избирательных усилителей, а их выходы - со входами фазового детектора, выход которого соединен с пятым входом индикатора, стало возможным получения дополнительной информации об импедансе материала обнаруженного объекта. Это значительно расширяет эксплуатационные возможности локатора.

Изобретение относится к области гидроакустики, ультразвуковой дефектоскопии, медицине, рыболокации, а также к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах, и классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению. Параметрический акустический локатор содержит генератор высокочастотных сигналов (1), два делителя частоты (2, 3), два импульсных модулятора (4, 5), импульсный генератор (6), два усилителя мощности (7, 8), два коммутатора (9, 10), двухчастотный преобразователь (11), приемный преобразователь (12), три избирательных усилителя (13, 15, 16), индикатор (14), два умножителя частоты (17, 18) и фазовый детектор (19). Достигаемым техническим результатом изобретения является расширение эксплуатационных возможностей локатора. 3 ил.

Параметрический акустический локатор, содержащий генератор высокочастотных сигналов, два импульсных модулятора, управляющие входы которых соединены с выходом импульсного генератора, выходы модуляторов через последовательно соединенные усилители мощности и коммутаторы соединены с элементами двухчастотного преобразователя, акустически связанного через среду лоцирования с приемным преобразователем, выход которого через первый избирательный усилитель соединен с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а третий и четвертый входы соединены через второй и третий избирательные усилители со вторыми выходами коммутаторов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два делителя частоты, два умножителя частоты и фазовый детектор, причем входы делителей частоты соединены с выходом генератора высокочастотных сигналов, а их выходы - со входами импульсных модуляторов, входы умножителей частоты соединены с выходами второго и третьего избирательных усилителей, а их выходы соединены со входами фазового детектора, выход которого соединен с пятым входом индикатора.