Система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде Российский патент 2017 года по МПК G01S15/88 

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно может быть использовано в системах комплексного мониторинга полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. Научно-техническим решением изобретения является разработка системы гидроакустической томографии информационных полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде на основе технологий дальнего параметрического приема волн различной физической природы, измерения и формирования их спектров в формате 2D и (или) 3D, а так же непрерывного контроля их пространственно-временной динамики. Измеряемые информационные волны регистрируются в широком диапазоне частот, составляющем сотни-десятки-единицы-доли герц, включая диапазон СНЧ-колебаний движущихся объектов и гидродинамических неоднородностей морской среды как целого.

В последние десятилетия в решении задач мониторинга полей океанской среды эффективно применяются научно-технические разработки методов и средств низкочастотной нелинейной просветной гидроакустики. При этом актуальной проблемой низкочастотной гидроакустики остается разработка методов и средств дальней гидроакустической томографии гидрофизических и геофизических полей, формируемых источниками в морской среде. В более широком смысле - это разработка методов гидроакустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических и геофизических полей, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в условиях протяженного канала с переменными характеристиками среды и границ. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - технологий реконструкции образов по данным измерений характеристик информационных волн, формируемых источниками в морской среде. К информационным волнам источников относятся поля присутствующих в среде объектов, а так же неоднородностей морской среды и дна как природного, так и искусственного происхождения.

Известные научно-технические разработки систем акустической томографии объектов основаны на реконструкции их пространственной структуры. Формирование образов объектов и неоднородностей среды в таких системах выполняется по акустическим измерениям их проекций и последующей обработкой данных, что обеспечивает возможность формирования и наблюдения пространственных контуров объектов (см. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. Акустическая томография океана. - Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997. - С. 5-13). Следует отметить, что выражение «акустическая томография» океанской среды применялось в связи с тем, что она была только высокочастотная, следовательно, ограниченная по дальности обнаружения объектов и неоднородностей среды. При восстановлении геометрических образов объектов использовались только рассеянные и (или) отраженные ими волны зондирующих акустических сигналов. С развитием теории и практики гидроакустики в решении задач дальнего обнаружения полей объектов и неоднородностей среды в условиях протяженного гидроакустического канала с переменными характеристиками среды и границ назрела необходимость применения нового выражения, а именно - «гидроакустическая томография» полей объектов и среды.

Дальняя гидроакустическая томография полей объектов и неоднородностей морской среды может быть эффективно решена на основе разработок закономерностей и измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики (НПГА). Нелинейная просветная гидроакустика, как новое многофункциональное научно-техническое направление, объединяющее активную, пассивную гидролокацию и высокочастотную нелинейную гидроакустику, в последние десятилетия интенсивно разрабатывается и внедряется в системах дальнего параметрического приема полей объектов и среды различной физической природы. Физико-математические основы и измерительные технологии НПГА широко опубликованы в изданиях различного уровня и изложены в монографии (см. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы: Монография / Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Василенко A.M. и др. - Владивосток: Изд. Дальневост. ун-та, 2014. - 404 с.).

Измерительные технологии НПГА обеспечивают дальний параметрический прием информационных полей искусственных и естественных источников атмосферы, морской среды и морского дна. Они защищены патентами на изобретение. Так, например, известны способы и системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, реализуемые методом нелинейной просветной гидроакустики: RU 2158029 15.12 1998, RU 2167454 15.12.1998, RU 2453930 11.10.2010, RU 2452040 11.10.2010, RU 2452041 11.10.2010, RU 2472236 15.06.2011, RU 2472116 15.06.2011, RU 2474793 15.06.2011, RU 2474794 15.06.2011, RU 2503977 18.07.2012, RU 2503036 17.07.2012, RU 25.36836 29.10.2014, RU 2536837 29.10.2014, RU 2550588 10.03.2015.

Общим недостатком указанных изобретений является отсутствие в них технических решений непрерывного измерения, формирования и представления информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянного контроля их пространственно-временной динамики. Исходя из этого, предметом разработок предлагаемого изобретения является решение задачи дальней гидроакустической томографии характеристик и пространственно-временной динамики измеряемых информационных полей.

Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является патент №2472116 RU от 15.06.2011 (МПК G01H 3/00, G10K 11/00) «Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде», выбранный в качестве системы-прототипа.

Система-прототип включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн; при этом излучающий тракт системы, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых просветных сигналов накачки среды, включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем; а приемный тракт системы, обеспечивающий усиление мощности принимаемых просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, их узкополосный спектральный анализ и определение в выделяемых спектрах дискретных составляющих измеряемых информационных волн, включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов.

Недостатками системы-прототипа являются отсутствие в ней специальных блоков и их связей с существующими блоками, которые должны обеспечивать непрерывное измерение, формирование и представление спектральных характеристик измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Кроме того, система-прототип не обеспечивает возможность эффективного параметрического приема информационных полей атмосферы, океана и земной коры и томографии их спектров. Реализация этой задачи требует применения в системе мониторинга дополнительных линий излучения - приема акустических просветных волн и их специального размещения относительно оси подводного звукового канала (ПЗК).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке структурной схемы системы-прототипа для ее реализации как системы дальней гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде. Система должна обеспечивать дальний параметрический прием и измерение спектров информационных полей, формирование и представление их в формате 2D и (или) 3D, а так же контроль их пространственно-временной динамики.

Следует отметить, что отсутствие этого решения в известных аналогах и в системе-прототипе обусловлено использованием в них специального блока обработки сигналов, обеспечивающего перенос частотно-временного масштаба принимаемых просветных сигналов в высокочастотную область. Указанная операция увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов и при обработке повышает эффективность выделения из них признаков информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной гидроакустической томографии измеряемых информационных полей. Для реализации измерительных технологий гидроакустической томографии информационных полей в систему гидроакустической томографии информационных полей, основанную на преобразовании частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, необходимо включать дополнительные блоки и их связи с известными блоками.

Дополнительные блоки должны обеспечивать: многоканальный (от 1-го до n-го каналов) прием задержанных (смещенных) на половину длины волны просветных сигналов, преобразование их масштаба в высокочастотную область, формирование из них непрерывного сигнала путем поочередного и цикличного переключения гидрофонов, узкополосного спектрального анализа в полосе параметрического преобразования, выделения в спектрах верхних и (или) нижних боковых полос, определения в них составляющих измеряемых информационных волн и определения их пространственно-временной динамики для всех сформированных в среде линий излучения - приема просветных сигналов как параметрических антенн.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке системы дальней просветной гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, обеспечивающей измерение, формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Система осуществляет мониторинг акваторий протяженностью десятки-сотни километров. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ-колебаний движущихся объектов и неоднородностей среды как целого.

Для решения поставленной задачи система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн; при этом излучающий тракт системы, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых просветных сигналов накачки среды, включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем; а приемный тракт системы, обеспечивающий усиление мощности принимаемых просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, их узкополосный спектральный анализ и определение в выделяемых спектрах дискретных составляющих измеряемых информационных волн, включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов.

Предлагаемая измерительная система отличается тем, что в ней излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно; причем рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн; дополнительно введен в состав системы информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок; при этом каждый элемент (гидрофон) линейных дискретных приемных антенн соединен с соответствующим входом многоканальных предварительных антенных усилителей, а выходы усилителей через многожильный подводный кабель соединены с входами блока выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сигналов и далее с входом блока узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором спектров и соединен с передающим радиоблоком приемного тракта и далее с приемным радиблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ), при этом вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта, а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта системы через приемный радиоблок излучающего тракта, а так же вход ИАТ соединен с внешним (не системным) блоком, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром (РИЦ) и (или) системой навигации «ГЛОНАСС». Кроме того, число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной приемной антенне устанавливается в количестве 10 элементов, а расстояния между ними выбираются равными половине длины просветной акустической волны.

Кроме того, масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливается в соответствии с числом n приемных каналов антенны. Кроме того, совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи. Кроме того, периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяются задачами системы и спецификой контролируемого района. Кроме того, контролируемая среда озвучивается просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно; причем рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных антенн», обеспечивают возможность дальнего параметрического приема информационных волн источников океана, атмосферы и земной коры в морской среде на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «дополнительно введен в состав системы информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок», обеспечивают расширение функциональных возможностей системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «каждый элемент (гидрофон) линейных дискретных приемных антенн соединен с соответствующим входом многоканальных предварительных антенных усилителей, а выходы усилителей через многожильный подводный кабель соединены с входами блока выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов», обеспечивают решение начальной последовательности операций гидроакустической томографии информационных полей в морской среде за счет многоканального приема просветных сигналов на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, выборочного подключения трех линейных дискретных приемных антенн и цикличного (от 1-го до n-го каналов, n раз) переключения их приемных гидрофонов, частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «выход блока формирования непрерывных сигналов соединен с входом широкополосного усилителя сигналов и далее с входом блока узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором спектров», обеспечивают возможность измерения спектров нелинейно преобразованных просветных сигналов, выделения в них дискретных составляющих измеряемых информационных волн, представления их в формате 2D и (или) 3D.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «выход блока спектрального анализа соединен с передающим радиоблоком приемного тракта и далее с приемным радиоблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ)», обеспечивают расширение функциональных возможностей системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта, а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта системы через приемный радиоблок излучающего тракта», обеспечивают оперативность эксплуатации системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде как широкомасштабной.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «вход ИАТ соединен так же с внешним (не системным) блоком, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром (РИЦ) и (или) системой навигации «ГЛОНАСС», обеспечивают дополнительное расширение информационных возможностей системы гидроакустической томографии, а так же оперативность эксплуатации в реальных условиях работы при создании ее как широкомасштабной. Это достигается за счет постоянного использования информации о полях морских и воздушных источников, а так же сейсмической и синоптической обстановки на обследуемой акватории и за ее пределами, поступающей от системы «ГЛОНАСС» (см. Перов А.И., Харисов В.Н. Принципы построения и функционирования «ГЛОНАСС». - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.).

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной приемной антенне устанавливается в количестве 10 элементов, а расстояния между ними выбираются равными половине длины просветной акустической волны», обеспечивает эффективный прием просветных волн, что соответствует принципам построения и работы дискретных гидроакустических антенн (см. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. - Л.: Судостроение, 1973. - С. 140-152).

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливается в соответствии с числом n приемных каналов антенны», обеспечивает заключительную реализацию операций формирования непрерывной акустической томографии при использовании частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи», обеспечивает синхронную работу указанных блоков системы гидроакустической томографии.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяются задачами системы и спецификой контролируемого района», обеспечивает качественное выполнение системой мониторинга задач гидроакустической томографии.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «контролируемая среда озвучивается просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц», обеспечивает возможность дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы для их последующего представления операциями гидроакустической томографии.

Исходя из совокупности отличительных признаков изобретения обобщенная формулировка технического решения может быть изложена в следующем виде. Разработаны структура и принципы эксплуатации системы дальней гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками и опасными явлениями в морской среде, а так же непрерывного контроля их пространственно-временной динамики в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная схема системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде. Макеты экспериментальных систем прошли морские испытания на протяженных просветных трассах Дальневосточных морей.

На фигурах 2 и 3 показаны результаты испытаний системы гидроакустической томографии геофизических (сейсмических) полей, сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин. На фиг. 2 представлены частотно-временные характеристики спектра сейсмического фона, на фиг. 3 - частотно-временные характеристики спектра сильного землетрясения, прошедшего в районе Курильской гряды в 2014 г.

На фигурах 4 и 5 показаны результаты испытаний системы гидроакустической томографии гидрофизических (акустических и гидродинамических) полей морского судна с представлением их спектральных характеристик в формате 2D. Испытания проводились на трассах протяженностью 45 км (фиг. 4) и 310 км (фиг. 5).

На фиг. 6а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна, записи выполнены на просветной трассе Берингова моря протяженностью 45 км.

На фиг. 7а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитных и акустических (вально-лопастных) излучений морского судна на просветной трассе протяженностью 30 км (п-в Камчатка, Авачинский залив).

На фиг. 8 и 9 в формате 3D представлены спектрограммы сейсмического фона и сильного землетрясения, произошедшего в районе Курильской гряды в 2013 г.

На фиг. 10 представлена частотно-временная картина дискретных составляющих шумового поля морского судна в формате 2D. Параметрические измерения выполнены в переходной зоне Охотского и Японского морей на трассе протяженностью 345 км. На спектрограмме наблюдаются дискретные резонансные колебания корпуса судна и их СНЧ-модуляция колебаниями как целого в установившемся режиме движения.

На фиг. 11 - спектрограмма шумового излучения воздушного источника (летательного аппарата).

На фиг. 12 - спектрограмма сигналов синоптических возмущений поверхности моря за время прохождения циклона в переходной зоне Охотского и Японского морей, протяженность просветной трассы составляла 345 км.

Система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, реализующая предлагаемое изобретение, показана на фиг. 1, где:

1 - излучающий тракт;

2а, 2б, 2в - акустические преобразователи;

3а, 3б, 3в - линейные дискретные приемные антенны;

4а, 4б, 4в - многоканальные предварительные антенные усилители;

5 - акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения (волны) морских судов;

6 - геофизические волны морского дна;

7 - волны источников атмосферы;

8 - приемный тракт;

9 - генератор акустических сигналов стабилизированной частоты (генератор излучающего тракта);

10 - усилитель мощности излучаемых просветных сигналов;

11 - трехканальный блок согласования;

12 - блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов);

13 - блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область;

14 - блок формирования непрерывных сигналов;

15 - усилитель сигналов с учетом параметрического и частотно-временного преобразований (широкополосный усилитель);

16 - блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D (блок спектрального анализа);

17 - регистратор спектров;

18 - передающий радиоблок приемного тракта;

19 - информационно-аналитический тракт;

20 - приемный радиоблок аналитического тракта;

21 - блок информационно-аналитического комплекса (ИАК);

22 - передающий радиоблок ИАК;

23 - приемный радиоблок излучающего тракта;

24 - внешний (не системный) блок, обеспечивающий связь с Региональным информационным центром и (или) системой навигации «ГЛОНАСС»;

25 - морская среда;

26 - морская поверхность;

27а, 27б, 27в - области нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн;

28 - ось подводного звукового канала;

29 - морское дно;

30 - излучающий блок, сформированный из трех акустических преобразователей 2а, 2б, 2в;

31 - приемный блок, сформированный из трех линейных дискретных приемных антенн 3а, 3б, 3в.

Для реализации предлагаемой системы необходим аппаратный комплекс, содержащий излучающий тракт 1, обеспечивающий формирование и усиления низкочастотных просветных сигналов стабилизированной частоты, снабженный акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в, излучающими просветные сигналы накачки среды на частоте десятки-сотни герц. Приемный тракт системы 8, соединенный с линейными дискретными приемными антеннами 3а, 3б, 3в, обеспечивает прием и анализ нелинейно преобразованных просветных сигналов и выделение из них признаков информационных волн источников атмосферы, океана и земной коры.

В качестве источников информационных волн 5, 6, 7 использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также волны сейсмических и синоптических процессов и явлений.

Конструктивно излучающий тракт 1 представляет собой электронную схему, содержащую генератор акустических сигналов стабилизированной частоты 9, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 10 и трехканальный блок согласования 11 выхода усилителя 10 с кабелем и далее с акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в (см. фиг. 1).

Конструктивно тракт приема 8 информационных волн представляет собой электронную схему, включающую: многоканальные предварительные антенные усилители 4а, 4б, 4в, включенные в линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в, выходы усилителей посредством многожильных подводных кабелей соединены с входами блока 12 выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область 13, выходы которого соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов 14, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сигналов 15 и далее с входом блока спектрального анализа 16, обеспечивающего измерение, формирование и представление пространственно-временных характеристик спектров информационных волн в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором сформированных пространственных спектров 17 и соединен с передающим радиоблоком приемного тракта 18 и далее с приемным радиоблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ) системы 19, включающей последовательно соединенные: приемный радиоблок 20, информационно-аналитический комплекс (ИАК) 21 и передающий радиоблок 22, при этом вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта 18 соединен с блоком спектрального анализа 16 и с внешним (не системным) блоком 24, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром и (или) системой навигации «ГЛОНАСС», а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта 9 через его приемный радиоблок 23.

Излучающие акустические преобразователи 2а, 2б, 2в, а так же линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в объединены в общие конструкции 30 и 31 соответственно, которые удерживаются на заданных горизонтах и в местах установки с помощью приповерхностных буев и донных якорей.

Измерительная система реализуется следующим образом. Излучающий блок 30 и приемный блок 31 размещают на противоположных границах контролируемой среды и устанавливают их на заданных горизонтах с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. При этом протяженные линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в размещают в направлении излучающих акустических преобразователей 2а, 2б, 2в и удерживают на заданных горизонтах с использованием приповерхностных буев и донных якорей. Это обеспечивает эффективное формирование и использование областей 27а, 27б, 27в нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн на протяженной просветной трассе.

Работа источников информационных волн 5, 6, 7 на линии излучения - приема просветных сигналов приводит к изменению механистических характеристик проводящей жидкости (плотности, температуры, теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности изменяют фазовую скорость просветных сигналов, что приводит к их амплитудно-фазовой модуляции. Спектр упругой просветной волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные дискретные составляющие. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные признаки амплитуды и фазы просветных волн. Модуляционные составляющие информационных волн являются неразрывно связанной компонентой просветной волны, вследствие этого они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоке спектрального анализа приемного тракта системы.

Дальний параметрический прием гидрофизических волн в морской среде

Физическая сущность дальнего параметрического приема информационных волн в морской среде и их реализация технологиями гидроакустической томографии может быть представлена на основе следующих закономерностей. Известно, что влияние гидрофизических полей на просветные сигналы осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды, что и обеспечивает нелинейное взаимодействие и параметрический прием информационных волн.

По своей физической сущности параметрический прием сигналов в системе предусматривает специальное изменение плотности и (или) температуры водной среды на пути распространения сигналов в морской среде. Изменение этих параметров можно производить различными способами, но основным из них является формирование протяженной нелинейной области в заданном направлении излучения-приема волн.

Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят нелинейные параметры среды. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°С величина коэффициента нелинейности Е составляет порядка 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично. В этом случае необходимо применять иные способы и средства повышения нелинейного взаимодействия волн.

Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с информационной волной в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн пространственной параметрической антенны, как просветной гидроакустической линией, можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве. Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу

где - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;

υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью можно получить следующее выражение для фазовой скорости

Из приведенного выражения следует, что изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре t приводят к изменению фазовой скорости звука во времени C_(t). Это происходит в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой волной через проводящую электрический ток морскую среду. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C_(t) также будет меняться с той же частотой. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа. Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого изобретения, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования (модуляции) нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными волнами, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты и их гармоник).

Технический результат заявляемого изобретения представляет собой разработку практических путей построения широкомасштабной системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, обеспечивающей измерение, формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Что достигается за счет формирования протяженного объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия информационных волн с низкочастотными просветными сигналами в нелинейной морской среде. Рабочая зона взаимодействия волн в этом случае представляет собой многолучевую просветную параметрическую антенну.

Система осуществляет мониторинг акваторий протяженностью десятки-сотни километров. Протяженность системы гидроакустической томографии обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды низкочастотными просветными сигналами в диапазоне частот десятки-сотни герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ-колебаний движущихся объектов и неоднородностей среды как целого.

Система гидроакустической томографии информационных полей реализуется существующими средствами излучения и приема просветных сигналов, в качестве которых могут быть использованы радиогидроакустические средства морского приборостроения, создаваемые в СКБ САМИ ДВО РАН.

Технические решения изобретения подтверждены морскими испытаниями макетов экспериментальной системы просветной гидроакустической томографии информационных полей различной физической природы в морской среде.

Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов.

Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.

Заявляемая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно может быть использовано для построения и эксплуатации системы гидроакустической томографии информационных полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде на основе технологий дальнего параметрического приема волн различной физической природы, обеспечивающей измерение и формирование их спектров в формате 2D и (или) 3D, а так же непрерывный контроль их пространственно-временной динамики. Система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн. Излучающий тракт системы включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем. Приемный тракт системы включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов. Предлагаемая система принципиально отличается тем, что излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно. Рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и из трех линейных дискретных антенн. Совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи. Периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяются задачами предлагаемой системы и спецификой контролируемого района. Система дополнительно содержит так же информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, который соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта системы, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок, который соединен с генератором излучающего тракта системы и с внешним информационным блоком Регионального информационного центра и (или) системой навигации «ГЛОНАСС». Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в решении задачи дальней просветной гидроакустической томографии характеристик гидрофизических и геофизических полей, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в условиях протяженного канала с переменными характеристиками среды и границ, а так же непрерывного наблюдения их пространственно-временной динамики на акваториях протяженностью десятки-сотни километров, в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц, включая диапазон СНЧ-колебаний движущихся объектов и неоднородностей среды как целого. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, включающая в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн; при этом излучающий тракт системы, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых просветных сигналов накачки среды, включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем; а приемный тракт системы, обеспечивающий усиление мощности принимаемых просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, их узкополосный спектральный анализ и определение в выделяемых спектрах дискретных составляющих измеряемых информационных волн, включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов, отличающаяся тем, что излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно; причем рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн; дополнительно введен в состав системы информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок; при этом каждый элемент (гидрофон) линейных дискретных приемных антенн соединен с соответствующим входом многоканальных предварительных антенных усилителей, а выходы усилителей через многожильный подводный кабель соединены с входами блока выборочного подключения линейных дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сигналов и далее с входом блока узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором спектров и соединен с передающим радиоблоком приемного тракта и далее с приемным радиблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ), при этом вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта, а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта системы через приемный радиоблок излучающего тракта, а так же вход ИАТ соединен с внешним (не системным) блоком, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром (РИЦ) и (или) системой навигации «ГЛОНАСС».

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной приемной антенне устанавливается в количестве 10 элементов, а расстояния между ними выбираются равными половине длины просветной акустической волны.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливается в соответствии с числом n приемных каналов антенны.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы и (или) океана и (или) земной коры определяются задачами системы и спецификой контролируемого района.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контролируемая среда озвучивается просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц.