СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S5/02 G01S15/66 

Изобретение относится к области звуколокации и радиолокации и может быть использовано для решения прикладных задач, в частности для обнаружения косяков рыб, рифов и других подводных объектов.

Область техники

Известен, [1], метод смещения (искажения) интерференционного минимума, образующегося при сложении опорного и исследуемого сигналов. Предварительно, при помощи фазовращателя и аттенюатора сигналы в двух каналах складываются в противофазе, так что образуется минимум или нуль интерференционной картины, который обычно наблюдают с помощью измерительной линии.

Когда в одно из плеч вносится неоднородность (исследуемый объект), то положение минимума (нуля) смещается на определенную величину и, таким образом, можно определить параметры неоднородности: ее электрическую длину и комплексный коэффициент передачи. Благодаря тому, что этот метод является разностным, он характеризуется очень высокой чувствительностью, таким способом можно наблюдать очень слабые искажения в исследуемом сигнале. Однако электромагнитные волны быстро затухают в воде и практически не применимы для обнаружения подводных объектов.

Известен способ обнаружения подводных объектов с помощью звуковых волн, называемый гидролокация, [2], стр.120. В этом способе излученный источником звуковой сигнал отражается от объекта и регистрируется приемником, например, в перерывах между излученными импульсами. По известной скорости распространения звуковой волны в воде и по времени прихода отраженного сигнала, можно определить наличие подводного объекта и расстояние до него. Этот способ обнаружения подводных объектов может быть выбран за прототип.

Недостатки прототипа

Однако такой способ определения подводных объектов имеет малую дальность обнаружения, это связано с его низкой чувствительностью.

Физическая величина, характеризующая звук, - это его интенсивность I, она измеряется в единицах: Вт/м². Для плоской синусоидальной волны имеем:

$$I=p^2/2\rho c,\left(\text{1}\right)$$

где p - амплитуда звукового давления, ρ - плотность среды, с - скорость звука в среде. Для морской воды имеем: ρ=10³ кг/м³, c=1.5 км/с.

Обычные излучатели имеют интенсивность, [2], стр.119, порядка 10⁵ Вт/м² и звуковое давление, согласно формуле (1) равно:

$$p_1={\left(I*2\rho c\right)}^{1/2}=5*{10}^5\text{ Па}\text{. }\left(\text{2}\right)$$

Пусть излучатель имеет радиус 1 м, волна от излучателя идет сферическая, давление в ней ослабевает как 1/r, на расстоянии в 30 км звуковое давление в волне уменьшится в 3*10⁴ раз. Для частоты звуковой волны f_звука= 10 кГц давление еще уменьшится в 10 раз за счет затухания, [3], так, что интенсивность падающей на объект волне составит примерно р₂=1.7 Па.

При коэффициенте отражения звуковой волны от объекта к_отр=10^-2 давление в отраженной волне составит: р₃=1.7*10^-2 Па. После возвращения в исходную точку давление в звуковой волне упадет еще в 3*10⁴ раз и с учетом затухания составит: р₄=5*10^-8 Па, что невозможно детектировать.

Чувствительность лучших гидрофонов, [4], составляет величину порядка 10^-4 В/Па так, что давления порядка р₄ для них недоступны.

Минимальное звуковое давление, воспринимаемое нормальными людьми в возрасте от 18 до 25 лет, составляет величину порядка, [5], 10^-5 Па. Электроакустические преобразователи (гидрофоны) пока еще не достигли чувствительности людей. Видно, что давление р₄ много меньше, чем p₀≈10^-3 Па, - минимальное давление в звуковой волне, которое может быть зарегистрировано техникой, этим, собственно и ограничивается чувствительность метода.

Техническая задача, которую решает данный способ, состоит в устранении этого недостатка, то есть в повышении чувствительности способа, а именно в увеличении дальности обнаружения подводных объектов.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что отраженную звуковую волну регистрируют, облучая поверхность воды радиоволнами, получаемыми от генераторов, расположенных на одной группе самолетов, а детектируют отраженные от поверхности воды радиоволны приемниками, расположенными на другой группе самолетов, на Допплеровски сдвинутой частоте, при этом по радиоволнам, отраженным от поверхности воды, определяют координаты подводного объекта.

Связь отличительных признаков с положительным эффектом

Распространяться звуковые волны в воде могут на достаточно большие расстояния, [3], причем, чем ниже частота звука, тем дальше он распространяется. Ослабление давления в звуковой волне в данном случае определяется как затуханием, так и тем, что волна, распространяясь, «захватывает» все большее пространство.

Пусть в океане находится корабль, который излучает звуковую волну, с частотой f_звук, создавая тем самым вокруг себя некоторое звуковое поле. Для определенности пусть частота звука равна: f_звук=10 кГц, так что длина звуковой волны при этом равна: $$\Lambda$$ _звук=с/f_звук=15 см. Пусть подводный объект цилиндрической формы находится примерно на глубине h₁=400 м от поверхности.

Рассеяние плоской звуковой волны на цилиндре хорошо известно, [6]. Наиболее эффективно рассеяние, когда длина волны звука $$\Lambda$$ _звук примерно равна периметру цилиндра. В этом случае интенсивность рассеянной волны примерно в 2 раза меньше падающей, полярные диаграммы рассеяния приведены в [6]. Для коротких, по сравнению с периметром объекта, длин волн, в обратную полусферу также рассеивается достаточно большая часть мощности падающей волны, [6].

Давление звуковой волны будет создавать, за счет сжимаемости воды, периодические изменения плотности и, в конечном итоге, периодические изменения относительной диэлектрической проницаемости ε.

Осуществление изобретения. Работа комплекса аппаратуры

На Фиг.1 приведена схема комплекса аппаратуры. Находящийся в океане корабль 1, с помощью специального излучателя 2, генерирует звуковые волны 3. Рассеиваясь на подводном объекте 4, волны трансформируются в цилиндрические 5. Эти звуковые волны образуют дифракционную решетку 6. Самолеты 7, на которых находятся излучатели электромагнитных волн, облучают различные участки поверхности воды радиоволнами 8. Радиоволны 9, рассеянные на решетке, созданной звуковой волной, регистрируются приемной аппаратурой, расположенной на другой группе самолетов 10.

1. Отражение радиоволн от поверхности воды

Формулы Френеля, [2], стр.833, связывают коэффициент отражения электромагнитной волны по мощности с параметрами среды. Для нормального падения имеем, [2],

$$r_{отр}={\left(n_2-n_1\right)}^2/{\left(n_2+n_1\right)}^2,\left(\text{3}\right)$$

где n₁ - показатель преломления первой среды, n₂ - показатель преломления второй среды. В нашем случае n₁=1 - воздух, n₂=10 - вода, [7].

Подставляя цифры в формулу (3), найдем, что из-за разности показателей преломления воздуха и воды, для случая нормального падения только 1/3 часть падающей из воздуха мощности пройдет в воду. Такие же потери мощности будут, когда радиоволны будут выходить из воды в воздух, поскольку коэффициент отражения не зависит от того, с какой стороны границы раздела приходит падающая радиоволна.

2. Преломление радиоволн

Пусть, для определенности, угол падения на водную поверхность радиоволн с нормалью составляет 30°. Тогда, из-за разности показателей преломления воздуха и воды преломленный луч будет распространяться под углом к нормали, синус которого в 10 раз меньше, чем sin 30°=0.5. Этот угол с нормалью будет составлять 3°.

Выберем длину волны радиоволн λ_радио=3 м, соответственно частота радиоволн будет равна: f_радио=10⁸ Гц. За счет десятикратной разницы в показателях преломления воды и воздуха, длина волны радиоволн в воде будет равна: λ_радио1=0.3 м.

3. Условие Брэгговского отражения

Нетрудно видеть, что в этом случае выполняется условие Брэгговского отражения радиоволн от звуковых:

$$2{\Lambda }_{зв}*\sin {\Theta }_{Б}={\lambda }_{радио1},\left(\text{4}\right)$$

где Θ_Б=87° - угол падения радиоволн на звуковую волну, sinΘ_Б≈1, $$\Lambda$$ _зв=15 см, λ_радио1=30 см.

Таким же будет угол отражения радиоволн от звуковых волн и, выйдя из воды в воздух, эти радиоволны будут распространяться под углом 30° к нормали, и могут быть зарегистрированы приемником.

4. Интенсивность Брэгговского отражения

Формула для интенсивности Брэгговского отражения I₁ в первом порядке хорошо известна, [8],

$$I_1=I_{00}*{\sin }^2\left(\pi p{n}^3{S}_{0}L/4{\lambda }_{радио}\right),\left(\text{5}\right)$$

где I₀₀ - интенсивность падающего радиоизлучения, p=(ε₀-ε)/ε₀ ²S, упругооптическая постоянная, ε₀ - диэлектрическая проницаемость невозмущенной среды, ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется звуковая волна. S₀ - амплитуда деформации в звуковой волне, L - длина области акустооптического взаимодействия, n - показатель преломления для радиоволны.

Диэлектрическая проницаемость для воды на этой частоте, [7], равна: ε₀=10². Диэлектрическую проницаемость ε воды, в которой распространяется звуковая волна можно определить из следующих соображений.

Для воды коэффициент сжимаемости равен, [9], стр.71, k_воды=5*10^-10 Па^-1. Для звукового давления P_{1 Па}=1 Па=10 дн/см², на частоте f_звук=10 кГц, можно найти скорость частиц из соотношения:

$$P_{1\text{ Па}}=1\text{ Па}={\rho }_{\text{воды}}{\text{*V}}^{\text{2}}/2.\left(\text{6}\right)$$

Откуда найдем, что скорость смещения частиц в звуковой волне равна:

$$V=\left(2P_{1\text{ Па}}/{\rho }_{воды}\right)=\mathrm{4,5}\text{ см/с}\text{, }\left(\text{7}\right)$$

соответствующее смещение S может быть найдено из соотношения:

$$V=S*2\pi {\text{ f}}_{\text{звук}},\left(\text{8}\right)$$

и оно равно: S=V/2πf_звук=7.1*10^-5 см. Смещение S₀ в цилиндрической, рассеянной на подводном объекте, звуковой волне, с давлением р₃=1.7*10^-2 Па, будет равно: S₀=2.8*10^-5 см.

Теперь можно вычислить упругооптическую постоянную p=(ε₀-ε)/ε₀ ²S. Для звукового давления P=1 Па плотность воды, а с ней и диэлектрическая проницаемость будут отличаться от ε₀ на величину 5*10^-10. Упругооптическая постоянная для воды, таким образом, может быть оценена как:

$$p=\left({\epsilon }_0-\epsilon \right)/{\epsilon }_0{}^{2}S=5*{10}^{-10}/\left({10}^4*7.1*{10}^{-5}\right)=7*{10}^{-10}.\left(\text{9}\right)$$

Значение величины pS₀, входящей в аргумент синуса, равно: pS₀=2*10^-14.

При малых значениях аргумента функцию sin x можем заменить на х и, таким образом, выражение (4) для интенсивности радиоволн в первом порядке дифракции может быть записано в виде:

$$I_1=I_{00}*{\left(\pi p{n}^3{S}_{0}L/4{\lambda }_{радио}\right)}^2,\left(\text{10}\right)$$

из этой формулы видно, что эта интенсивность очень мала, по сравнению с падающей на поверхность воды интенсивностью радиоволн.

5. Глубина проникновения радиоволн в морскую воду

Оценим величину L - длину области взаимодействия радиоволн со звуком, фактически глубину проникновения звука в морскую воду.

Проводимость морской воды, в единицах (Ом*м)^-1 [9], стр.1000, равна: 5*10^-2. Это значит, что удельное электрическое сопротивление морской воды, при солености 4 промилле (4 грамма соли на литр) равно: ρ_{морс.воды}=2*10³ Ом*см и ее проводимость в единицах 1/с равна:

$${\sigma }_{морс.воды}=9*{10}^{11}/{\rho }_{морс.воды}=4.5*{10}^8\text{ 1/c}\text{. }\left(\text{11}\right)$$

Теперь можно вычислить глубину скин слоя.

$$L={\delta }_{морс.воды}=1/2\pi \left({\sigma }_{морс.воды}*f_{радио}\right)=0.22\text{ м}\text{. }\left(\text{12}\right)$$

Таким образом, отношение L/λ_радио=7*10^-2, то есть глубина проникновения радиоволн в соленую воду на этой частоте составляет примерно 0.1 длины волны в вакууме. Для случая пресной воды, из-за большого поглощения радиоволн этого диапазона молекулами воды, глубина проникновения составит, [7], несколько длин волн.

Такое маленькое отношение дифрагированной мощности к падающей получилось по двум причинам. Первая - очень мала интенсивность отраженных от подводного объекта звуковых волн, что связано с малой величиной падающей звуковой мощности и малым коэффициентом отражения звука от подводного объекта. Вторая причина, это малая область взаимодействия радиоизлучения с рассеянными звуковыми волнами, что связано с малой глубиной проникновения радиоволн в морскую воду.

Вычислим интенсивность дифрагированных радиоволн по формуле (10),

I₁=I₀₀*(πpn³S₀L/4λ_радио)²=I₀₀*(3.14*2*10^-14*10³*7*10^-2/4)²=I₀₀*10^-24,

где n=10 показатель преломления воды для радиоволн этой частоты, [7].

Интересно, отметить, что в нашем случае, интенсивность дифрагированного излучения, рассчитанная по формуле Рамана-Ната

$$I_1=I_{00}*J_1{}^2\left(\pi p{n}^3{S}_{0}L/2{\lambda }_{радио}\right),\left(\text{13}\right)$$

даст точно такое же значение для дифрагированного излучения, рассчитанного по формуле Брэгга. Это связано с тем, что асимптотическое разложение функции Бесселя первого порядка при малом значении аргумента J₁(x) равно x/2, а асимптотическое разложение sin (x/2) также равно x/2. Двойной угол Брэгга - угол отклонения луча от первоначального направления, равен углу дифракции в случае дифракции Рамана-Ната.

6. Принимаемая мощность

Пусть диаметр излучающей радиоволны антенны, равен:

d_ант=30 м, так, что угол раствора конуса радиоизлучения равен:

Θ_рад=λ_радио/d_ант=0.1. Тогда, при высоте полета самолета h_сам=3 км, облучаемый радиоволнами участок будет иметь диаметр

d_уч=h_сам*Θ_рад=300 м.

Пусть импульсная мощность генератора равна: I_радио=5*10⁸ Вт, длительность импульса τ_имп=10 мс, частота следования импульсов F_триод=10 Гц. Как мы помним, только 1/3 падающей мощности пройдет в воду и 1/3 дифрагированного излучения из воды выйдет, из-за отражения от границы раздела воздух - вода и вода - воздух. Тогда дифрагированная мощность радиоволн составит величину:

$$I_{диф}=I_{радио}*{10}^{-25}\text{. }\left(\text{14}\right)$$

Чувствительность метода. Возможные помехи

В данном способе обнаружения подводных объектов требуется, чтобы самолеты облучали поверхность воды и принимали отраженные сигналы. Видно, что корабль в океане способен генерировать излучение, занимающее в пространстве область порядка d_исс=30 км. Цилиндрическая звуковая волна наиболее сильно проявится в квадрате со стороной примерно d_кв=300 м. Таким образом, всю исследуемую область можно представить себе как 10⁴ небольших квадратов, от каждого из которых, за время пролета самолета, нужно зарегистрировать отраженные радиоволны.

Поскольку ширина луча радиоизлучения составляет Θ_рад=0.1, то, при расстоянии между излучающими радиоволны и принимающими их самолетами, вдоль направлений распространения радиоволн, равном: S_сам=6 км, уширение радиолуча составит Δh_радио=Θ_рад*S_сам=600 м. Пусть принимающая антенна имеет такой же диаметр, как и излучающая, d_ант=30 м, то есть ее площадь равна S_ант=700 м². Такая антенна принимающая антенна поглотит π*Δh² _радио/4S_ант=2*10^-3 дифрагированного излучения.

Окончательно, принимаемая мощность будет равна:

$$I_{диф}=I_{радио}*{10}^{-25}*2*{10}^{-3}=5*{10}^8*2*{10}^{-28}={10}^{-19}\text{ Вт}\text{, }\left(\text{15}\right)$$

Можно определить минимальную мощность шумов приемника как: ΔW=kTΔf, где k - постоянная Больцмана: k=1.38*10^-23 Дж/град для Т=2 градуса Кельвина (жидкий гелий) и Δf_рез=10² Гц, имеем: ΔW=3*10^-21 Вт, так что для приемника, у которого входной контур является сверхпроводящим резонатором, собственные шумы помехой являться не будут. Видно, что в этом случае мощность принимаемого сигнала (15) будет превосходить мощность шумов в резонаторе.

Делать полосу приема уже, чем Δf=100 Гц нецелесообразно, так как она соответствует длительности импульса излучения: τ_из=1/Δf=10 мс. Пусть время, затрачиваемое на просмотр одного участка, составляет τ_уч=0.1 с. Тогда, общее время обследования всей области с размерами 30×30 км, состоящей из 10⁴ небольших участков составит: τ_общ=10⁴*0.1=10³ с или примерно 20 минут.

Не вызовет проблем и зеркальное отражение радиоволн от водной поверхности. Коэффициент такого зеркального отражения может составлять десятки процентов, что примерно на 25 порядков превосходит мощность дифракционного отражения радиоволн от дифракционной решетки, созданного рассеянной на подводном объекте цилиндрической звуковой волной. Однако благодаря тому, что дифракция происходит на бегущей решетке, отраженные от нее радиоволны будут иметь Допплеровский сдвиг на частоту звуковой волны, [7], то есть на Δf_радио=f_звук=10 кГц, что при ширине полосы приемника Δf_рез=10² Гц, проблемы с помехами от зеркального отражения не составит.

Современные сверхпроводящие резонаторы имеют добротность порядка Q=10¹⁰, [10]. Это означает, что собственная полоса такого резонатора составляет сотые доли Герца, Δf_рез=f₀/Q, и потребуется специальное ее расширение для того, чтобы принимаемые сигналы можно было достаточно быстро обработать. Что касается регистрации без помех излучения, сдвинутого на 100 Гц, относительно резонансной частоты такого контура, то эта задача представляется технически вполне разрешимой.

Литература

1. Ф.Тишер, Техника измерений на сверхвысоких частотах, Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1963, стр.190.

2. Физический энциклопедический словарь, под ред. А.М. Прохорова, Москва, Советская энциклопедия, 1983, стр.120.

3. http://www.akin.ru/spravka/s_ocean.htm.

4. http://www.zetms.ru/catalog/vibrodats/hydrophone.php.

5. Дж.Кэй и Т.Лэби, Таблицы физических и химических постоянных, ГИФМЛ, Москва, 1962, стр.73.

6. http://corpuscul.net/teoriya-zvuka-2/rasseyanie-zvuka/.

7. http://www.meteolab.ru/projects/dielectric/.

8. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1076.html.

9. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К. Кикоина, Москва, Атомиздат, 1976.

10. http://www.linearcollider.org/about/Publications/Reference-Design-Report.

Использование: изобретение относится к области звуколокации и радиолокации и может быть использовано для решения научных и прикладных задач, в частности для обнаружения подводных объектов. Сущность: в некоторой точке океана располагается надводный или подводный корабль, который излучает звуковую волну с мощностью I_изл=5*10⁵ Вт/м², на частоте f_звук=10 кГц. Это излучение распространяется во все стороны и на расстоянии L_дет=30 км от корабля создает звуковое давление порядка p₁=17 Вт/м². Звуковая волна, отражаясь от подводного объекта с коэффициентом отражения к_отр=10^-2, за счет сжимаемости воды создает дифракционную решетку, соответствующую цилиндрической звуковой волне. Высокочастотные генераторы, с мощностью Р_ген=500 МВт, работающие на частоте f_радио=10⁸ Гц, расположенные на одной группе самолетов, облучают отдельные участки поверхности воды узким лучом радиоволн. Отражение в первом порядке от дифракционной решетки, созданной цилиндрической звуковой волной приводит к появлению отраженных волн. Приемники распространяющегося в узком луче излучения, расположенные на другой группе самолетов, с чувствительностью 3*10^-21 Вт, при площади антенн S_ант=700 м², регистрируют мощность принимаемого излучения ~10^-19 Вт. Благодаря тому, что рассеяние происходит на бегущей решетке, отраженная от нее электромагнитная волна оказывается Допплеровски сдвинутой на величину δf=100 Гц. По зарегистрированному ифракционному излучению определяют координаты подводного объекта. Технический результат: увеличения дальности обнаружении подводных объектов. 1 ил.

Способ обнаружения подводных объектов, включающий излучение генератором звуковой волны и регистрацию отраженной звуковой волны, отличающийся тем, что отраженную звуковую волну регистрируют, облучая поверхность воды радиоволнами, получаемыми от генераторов, расположенных на одной группе самолетов, а детектируют отраженные от поверхности воды радиоволны приемниками, расположенными на другой группе самолетов, на допплеровски сдвинутой частоте, при этом по радиоволнам, отраженным от поверхности воды, определяют координаты подводного объекта.