Способ гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде Российский патент 2017 года по МПК G10K11/00 

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 результатом изобретения является разработка измерительных технологий способа гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, обеспечивающего дальний параметрический прием информационных полей различной физической природы в морской среде, формирование и представление их пространственных спектров в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики на акваториях, протяженностью десятки-сотни километров. Информационные волны измеряются и 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 проблеме мониторинга и освоения океанской среды все более актуальным направлением являются исследования и научно-технические разработки методов и средств низкочастотной гидроакустики. При этом наиболее сложной проблемой низкочастотной гидроакустики океана является развитие методов гидроакустической томографии морской среды, а в более широком смысле - разработка методов гидроакустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических полей объектов и неоднородностей среды в протяженном океаническом волноводе. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - технологии реконструкции по данным измерений характеристик информационных полей морской среды. К таким характеристикам среды относятся, например, вертикальный профиль скорости звука, поля присутствующих в среде объектов, а также скоплений биологических организмов морской среды и неоднородностей морского дна.

Известны разработки способов и систем акустической томографии пространственных образов неоднородностей и объектов океанской среды, которые основаны на реконструкции их пространственной структуры. Восстановление пространственных образов объектов и неоднородностей морской среды в этих разработках выполняется по акустическим измерениям их проекций с последующей специальной обработкой измеряемых данных и формированием контуров. (См. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. «Акустическая томография океана». - Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997. - С. 5-13).

В этой связи следует отметить, что используемое в указанных работах выражение «акустическая томография» океанской среды применялось в связи с тем, что она была только высокочастотная, ограниченная по дальности обнаружения объектов и неоднородностей среды, при этом характеристики среды в ней практически не учитывались. К таким характеристикам относятся нелинейные свойства и проводимость морской среды, а также многолучевое распространение звука в условиях переменных по трассе распространения сигналов гидрологических свойств морской среды и ее границ. 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 информационных полей объектов и неоднородностей морской среды реализуется в условиях многолучевого распространения акустических волн и в этой связи должна учитывать указанные характеристики и использовать для зондирования низкочастотные акустические сигналы с учетом переменных по трассе распространения гидроакустических сигналов характеристик морской среды.

Задача дальней гидроакустической томографии 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 классические направления активной, пассивной и высокочастотной нелинейной акустики, в последние десятилетия интенсивно разрабатывается и внедряется в системах дальнего параметрического приема полей малых амплитуд, формируемых акустически слабозаметными объектами и средой различной физической природы. Научно-технические разработки по созданию систем нелинейной просветной гидроакустики и результатов их морских испытаний широко опубликованы в изданиях различного уровня и изложены в монографиях (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.

Представленные способы и системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде являются аналогами предлагаемого изобретения, но имеют общий недостаток, который будет устранен в предлагаемом изобретении. Общим недостатком приведенных технических решений является отсутствие в них возможности измерения спектров информационных полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы, формирование и представление их в формате 2D и (или) 3D, а также постоянного контроля их пространственно-временной динамики.

Итак, в известных способах и системах дальнего параметрического приема информационных волн объектов и среды отсутствует решение задачи гидроакустической томографии спектральных характеристик информационных полей, формируемых источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры, формирования и представления их в формате 2D и (или) 3D, а также контроля их пространственно-временной динамики.

Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» патент № 2453930 RU от 11.10.2010 г. (МПК G10K 11/00, G01S 15/02), который выбран в качестве способа-прототипа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке способа-прототипа для его реализации как способа просветной гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде. При этом способ должен обеспечивать измерение, формирование и представление спектральных характеристик измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Следует отметить, что этот недостаток (постоянное измерение спектров информационных полей и контроль их пространственно-временной динамики) в решениях аналогов и способа-прототипа обусловлен использованием в них операции частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов и переноса их масштаба в высокочастотную область (см. Черницер В.Г., Кадук Б.Г. Преобразователи временного масштаба - М.: Сов. Радио, 1972. - 144 с.). В способах и системах параметрического приема информационных волн операция частотно-временного преобразования увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, а при обработке повышает эффективность (в том числе и помехоустойчивость) выделения из них информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной гидроакустической томографии информационных полей. Следует отметить, что в способах и системах нелинейной просветной гидроакустики информационные поля не принимаются и не измеряются непосредственно, они выделяются при анализе принимаемых просветных сигналов из боковых полос измеряемого частотного спектра. Указанные технологии обработки принимаемых просветных сигналов обеспечивают также подавление интенсивных помех среды (см. Прончатов Н.В. Разработка эффективных методов и средств акустического наблюдения // Ослабление зондирующего поля и шумов при их наблюдении. - Н. Новгород: НГУ, 2006. - С. 30-35). Рассмотренные примеры свидетельствуют о преимуществах выбора технологий НПГА как способа - прототипа. Исходя из проведенного анализа, для реализации технологий непрерывной гидроакустической томографии информационных полей в предлагаемом способе необходимо применять дополнительные операции обработки принимаемых просветных сигналов, а также использовать изменения последовательности их реализации, что обосновывается и рассматривается в описании заявки на изобретение.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке измерительных технологий способа просветной гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, обеспечивающего дальний параметрический прием информационных полей различной физической природы в морской среде, формирование и представление их пространственных спектров в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики на акваториях, 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 способ гидроакустической томографии информационных полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде включает в себя формирование низкочастотного излучающего, а также приемного трактов измерительной системы с их акустическими преобразователями, размещение акустических преобразователей на противоположных границах контролируемой среды, озвучивание среды низкочастотными просветными сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн, прием преобразованных просветных волн, усиление их в полосе нелинейного преобразования, узкополосный спектральный анализ и выделение из боковых полос спектров дискретных составляющих измеряемых информационных волн, отличается тем, что излучающий блок формируют из трех акустических преобразователей, которые размещают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок формируют из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по п элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещают в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно, между излучающим и приемным блоками формируют рабочую зону (нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн) из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн; сначала принимаемые гидрофонами антенн просветные сигналы предварительно усиливают, далее посредством многожильных кабелей передают в приемный тракт измерительной системы, в котором сигналы последовательно суммируют на каждом цикле выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), формируют непрерывные сигналы, затем их усиливают в полосе параметрического и частотно-временного преобразования, переносят в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, далее выделяют в спектрах верхние и (или) нижние боковые полосы, формируют и представляют спектры принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, регистрируют и передают по радиоканалу связи в информационно-аналитический тракт (ИАТ), где определяют признаки измеряемых информационных полей атмосферы и(или) океана и (или) земной коры, а также характеристики их пространственно-временной динамики, с учетом частотно-временного и параметрического преобразования принимаемых сигналов в приемном тракте и информации, поступающей от Регионального информационного центра и (или) системы «ГЛОНАСС». Кроме того, число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними делают равными половине длины просветной акустической волны. Кроме того количество элементов n антенны устанавливают в соответствии с масштабом частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов. Кроме того, операцию узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D синхронизируют с режимом выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), а также операцией частотно-временного преобразования (переноса) многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область и операцией формирования непрерывных сигналов. Кроме того, периодичность подключения приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяют в соответствии с задачами измерительной системы и спецификой контролируемого района. Кроме того, контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц.

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

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «излучающий блок формируют из трех акустических преобразователей, которые размещают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок формируют из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещают в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно, между излучающим и приемным блоками формируют рабочую зону (нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн) из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн» обеспечивают дальний параметрический прием информационных волн атмосферы, океана и земной коры в морской среде, что реализуется в условиях протяженного океанического канала с переменными характеристиками среды и границ.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «принимаемые гидрофонами антенн просветные сигналы предварительно усиливают, далее посредством многожильных кабелей передают в приемный тракт измерительной системы» обеспечивают выполнение последующих операций обработки и анализа просветных сигналов способа гидроакустической томографии.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «сигналы последовательно суммируют на каждом цикле выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), формируют непрерывные сигналы, затем их усиливают в полосе параметрического и частотно-временного преобразования, переносят в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, далее выделяют в спектрах верхние и (или) нижние боковые полосы, формируют и представляют спектры принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D» обеспечивают последующее выполнение операций непрерывного анализа принимаемых просветных сигналов, а именно частотно-временного преобразования многоканально принимаемых просветных сигналов, формирования непрерывного сигнала, измерение спектральных характеристик и выделение в спектрах дискретных составляющих информационных полей, формирование и представление спектров в формате 2D и (или) 3D.

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «спектры информационных полей регистрируют и передают по радиоканалу связи в информационно-аналитический тракт (ИАТ), где определяют признаки измеряемых информационных полей атмосферы и (или) океана и (или) земной коры, а также характеристики их пространственно-временной динамики, с учетом частотно-временного и параметрического преобразования принимаемых сигналов в приемном тракте и информации, поступающей от Регионального информационного центра и (или) системы «ГЛОНАСС» обеспечивают достижение заключительного эффекта изобретения, а также расширение функциональных возможностей способа гидроакустической томографии информационных полей различной физической природы в морской среде за счет получения вешней информации от «ГЛОНАСС» (см. «ГЛОНАСС»: принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. - 3-е изд. - М: Радиотехника, 2005. - 688 с. ISBN 5-93108-076-7).

Дополнительный признак «число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними делают равными половине длины просветной акустической волны» обеспечивает выполнение предварительной операции приема просветных сигналов с временными задержками равными половине длины волны для их последующего фазового сложения. Принципы формирования и эксплуатации линейных дискретных гидроакустических антенн разработаны и изложены в монографии, (см. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. - Л.: Судостроение, 1973. - С. 140-152).

Дополнительный признак «количество n элементов антенны устанавливают в соответствии с масштабом частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов» обеспечивает продолжение дальнейшего выполнения операций гидроакустической томографии путем их синхронизации.

Дополнительный признак «операцию узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D синхронизируют с режимом выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), а также операцией частотно-временного преобразования (переноса) многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область и операцией формирования непрерывных сигналов» обеспечивает управление и синхронную работу измерительной системы в соответствии с временем измерения и формирования спектров информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также временем контроля их пространственно-временной динамики.

Дополнительный признак «периодичность подключения приемных блоков, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительности процессов томографии полей атмосферы и (или) океана и (или) земной коры определяют в соответствии с задачами измерительной системы и спецификой контролируемого района» обеспечивает возможность оптимального режима работы системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде.

Дополнительный признак «контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц» обеспечивает возможность дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы и их последующего представления технологиями гидроакустической томографии.

Технический эффект изобретения заключается в разработке измерительных технологий способа гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде. Способ обеспечивает дальний параметрический прием информационных полей различной физической природы в морской среде, формирование и представление пространственных спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Протяженность обследуемых акваторий составляет 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.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 показана структурная схема системы, реализующей заявленный способ гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде с представлением пространственно-временных характеристик их спектров в формате 2D и (или) 3D. На фигурах 2 и 3 показаны результаты испытаний способа акустической томографии геофизических (сейсмических) полей. Представлены пространственно-временные характеристики спектров сейсмического фона (фиг. 2), а также сильного землетрясения (фиг. 3) в формате 3D. Сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин, место зарождения землетрясения - Курильская гряда. На фигурах 4, 5 показаны результаты испытаний способа акустической 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 и 6б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна в формате 2D, 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, прошедшего в районе Курильской гряды в 2013 г. Регистрация сигналов проводилась на береговом посту о. Сахалин. 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 приведена спектрограмма шумового излучения воздушного источника (летательного аппарата). 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.

Элементы гидроакустической системы мониторинга, реализующей заявленный способ гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, показаны 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 заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления низкочастотных просветных сигналов стабилизированной частоты 1, снабженный акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в, излучающими просветные сигналы на частоте десятки-сотни герц. Конструктивно излучающий тракт 1 представляет собой электронную схему, содержащую: генератор акустических сигналов стабилизированной частоты 9, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 10 и блок согласования 11 его выхода с подводным кабелем и далее с акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в, установленными на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК соответственно (см. фиг. 1).

Приемный тракт системы 8, соединенный с линейными дискретными приемными антеннами 3а, 3б, 3в установленными аналогично излучающим преобразователям 2а, 2б, 2в, обеспечивает прием нелинейно преобразованных просветных сигналов на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК соответственно. Каждая линейная дискретная приемная антенна включает по 10 разнесенных на половину длинны просветной волны гидрофонов, подключенных к входам многоканальных предварительных антенных усилителей 4а, 4б, 4в соответственно.

Конструктивно тракт приема и анализа просветных сигналов, выделения и регистрации информационных волн представляет собой электронную схему, включающую последовательно соединенные: блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов) 12, блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область 13, блок формирования непрерывных сигналов 14, блок усиления сигналов с учетом параметрического и частотно-временного преобразований 15, блока блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D 16, регистратор спектров 17. Выход блока спектрального анализа 16 посредством передающего радио блока 18 соединен с информационно-аналитическим трактом 19 системы, реализующий предлагаемый способ, включающим последовательно соединенные: приемный радиоблок 20, блок информационно-аналитического комплекса 21 и передающий радиоблок связи 22 с излучающим трактом 1 измерительной системы через приемный радиоблок 23, который соединен с генератором излучающего тракта 9. На вход радиоблока 20 от блока 24, обеспечивающего связь с Региональным информационным центром и (или) системой навигации «ГЛОНАСС», также поступает информация о полях источников информационных волн в морской среде. Акустические преобразователи 2а, 2б, 2в, а также линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в объединены в общие конструкции 30 и 31 соответственно.

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.

Кроме того, на чертеже показаны: области нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн 27а, 27б, 27в, морское дно 29, морская среда 25, морская поверхность 26 и ось подводного звукового канала (ПЗК) 28.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Акустические преобразователи (излучатели) просветных сигналов 2а, 2б, 2в, а также линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в размещают на противоположных границах контролируемой морской среды и устанавливают их на оси ПЗК, выше и ниже его соответственно. Горизонты установки определяются с учетом закономерностей распространения просветных акустических волн в протяженном гидроакустическом канале. Установленные излучающий и приемный блоки 30 и 31 удерживаются на заданных горизонтах с помощью донных якорей и поверхностных буев. Это обеспечивает эффективное формирование и использование областей взаимодействия просветных и информационных волн (просветных параметрических антенн), формируемых источниками атмосферы, океана и земной коры на протяженной трассе.

Работа источников информационных волн на линии излучения-приема просветных сигналов приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности и (или) температуры и (или) 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 волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие 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 в блоках приемного тракта системы.

Технический результат заявляемого способа представляет собой разработку измерительных технологий способа гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде. Способ обеспечивает дальний параметрический прием информационных полей различной физической природы в морской среде, формирование и представление пространственных спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Протяженность обследуемых акваторий составляет 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.

Макеты экспериментальных систем гидроакустической томографии полей объектов и среды, реализующие заявляемый способ, прошли морские испытания и подтвердили свою эффективность.

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

Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов. Заявляемый способ не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Сущность: способ гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, включающий в себя формирование низкочастотного излучающего, а также приемного трактов измерительной системы с их акустическими преобразователями, размещение акустических преобразователей на противоположных границах контролируемой среды, озвучивание среды низкочастотными просветными сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн, прием преобразованных просветных волн, усиление их в полосе нелинейного преобразования, узкополосный спектральный анализ и выделение из боковых полос спектров дискретных составляющих измеряемых информационных волн. Излучающий блок формируют из трех акустических преобразователей, которые размещают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок формируют из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещают в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно. Рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн формируют между излучающим и приемным блоками из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн. Просветные акустические сигналы многоканально принимают, предварительно усиливают и посредством многожильных кабелей передают в приемный тракт измерительной системы, в котором сигналы последовательно суммируют на каждом цикле выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), формируют непрерывные сигналы, которые затем усиливают в полосе параметрического и частотно-временного преобразования, переносят в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, далее выделяют в спектрах верхние и (или) нижние боковые полосы, формируют и представляют спектры принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D. Операцию узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D синхронизируют с режимом выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), а также операцией частотно-временного преобразования (переноса) многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область и операцией формирования непрерывных сигналов. Спектры измеряемых информационных полей регистрируют и по радиоканалу связи передают в информационно-аналитический тракт, где определяют признаки измеряемых информационных полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры, а также характеристики их пространственно-временной динамики, с учетом частотно-временного и параметрического преобразования принимаемых сигналов в приемном тракте и информации, поступающей от Регионального информационного центра и (или) системы «ГЛОНАСС». Техническим результатом изобретения является обеспечение дальнего параметрического приема информационных полей различной физической природы в морской среде, формирование и представление их пространственных спектров в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики на акваториях, протяженностью десятки-сотни километров. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ гидроакустической томографии информационных полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, включающий в себя формирование низкочастотного излучающего, а также приемного трактов измерительной системы с их акустическими преобразователями, размещение акустических преобразователей на противоположных границах контролируемой среды, озвучивание среды низкочастотными просветными сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн, прием преобразованных просветных волн, усиление их в полосе нелинейного преобразования, узкополосный спектральный анализ и выделение из боковых полос спектров дискретных составляющих измеряемых информационных волн, отличающийся тем, что излучающий блок формируют из трех акустических преобразователей, которые размещают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок формируют из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещают в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно, между излучающим и приемным блоками формируют рабочую зону (нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования акустических просветных и измеряемых информационных волн) из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн; сначала принимаемые гидрофонами антенн просветные сигналы предварительно усиливают, посредством многожильных кабелей передают в приемный тракт измерительной системы, в котором сигналы последовательно суммируют на каждом цикле выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), формируют непрерывные сигналы, затем их усиливают в полосе параметрического и частотно-временного преобразования, переносят в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, далее выделяют в спектрах верхние и (или) нижние боковые полосы, формируют и представляют спектры принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, регистрируют и передают по радиоканалу связи в информационно-аналитический тракт (ИАТ), где определяют признаки измеряемых информационных полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры, а также характеристики их пространственно-временной динамики, с учетом частотно-временного и параметрического преобразования принимаемых сигналов в приемном тракте и информации, поступающей от Регионального информационного центра и (или) системы «ГЛОНАСС».

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10 элементов, а расстояния между ними делают равными половине длины просветной акустической волны.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество n элементов антенны устанавливают в соответствии с масштабом частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операцию узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D синхронизируют с режимом выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), а также операцией частотно-временного преобразования (переноса) многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область и операцией формирования непрерывных сигналов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодичность подключения приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяют в соответствии с задачами измерительной системы и спецификой контролируемого района.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц.