Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды Российский патент 2023 года по МПК G01S15/60 

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности, к акустическим способам и приборам для измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды методом импульсной эхолокации полигармоническим ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна к границе раздела «вода-воздух».

Изобретение может быть применено для измерения параметров течений слоистой водной среды акустическим способом на основе информации, полученной за счет отражения и рассеяния ультразвука от k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть и пассивно переносимых течениями водной массы. Например, с акустической точки зрения планктон представляет собой совокупность рассеивателей в водной среде, плотность и сжимаемость которых отличается от аналогичных характеристик окружающей жидкости. Эффективность рассеяния ультразвука зависит от того, насколько плотность и сжимаемость рассеивателей отличаются от соответствующих свойств окружающей среды и от того, в каком соотношении находятся размеры рассеивателей и длина ультразвуковой волны.

Из уровня техники известен эхоимпульсный способ определения дистанции , основанный на измерении интервала времени (время распространения сигнала до акустического контакта с объектом и обратно, где - скорость звука в водной среде) между приемом отраженного сигнала и некоторым контрольным сигналом, определяющим момент посылки зондирующего импульса (см. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.:Гидрометеоиздат, 1984. глава 2. § 2.1 Метод эхолотирования, стр. 27-30). Использование данного способа измерения расстояний предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1) установка в необходимой части донной поверхности водоема приемоизлучающего электроакустического преобразователя (далее - ЭАП), который соединен кабелем с аппаратурой, снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, и регулировка пространственного расположения его акустической оси до совпадения с необходимым направлением;

2) генерация в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой , и их преобразование с помощью ЭАП в периодические посылки ультразвуковых (далее - УЗ) волн с необходимой длительностью, которые распространяются в выбранном направлении облучения;

3) облучение снизу вверх УЗ энергией участка границы раздела «вода-воздух» через k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), которые распределены в водном объеме и движутся с различными скоростями течений, и осуществление акустических контактов с ними, что формирует маскирующий объемный реверберационный процесс и запаздывающий эхосигнал;

4) преобразование с помощью ЭАП в режиме приема отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

5) выделение в приемном тракте аппаратуры амплитуд информационных сигналов и получение совокупности параметров, характеризующих смещение участка границы раздела «вода-воздух» и k слоев рассеивателей относительно ЭАП;

6) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Данный способ реализован в эхоимпульсном локаторе ЭПО-10М, с помощью которого методом обращенного эхолота (излучение снизу вверх по нормали к границе раздела «вода-воэдух») измеряется уровень воды в шлюзах, открытых водоемах и т.д., а также параметры ветрового волнения в условиях мелководья (см. Гидролокаторы ближнего действия. А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов. Л.: Судостроение, 1983. с. 167-178).

Эхоимпульсный способ предполагает выполнение определенной последовательности операций в рабочем цикле локатора. Устройство содержит синхронизатор, генератор, приемоизлучающий ЭАП, коммутатор, схему временной автоматической регулировки усиления, фильтр низкой частоты, подавитель нулевой помехи, указатель глубины. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся синхронизирующие импульсы, запускающие генератор и другие блоки локатора. С выхода генератора электрический радиоимпульсный сигнал заданной длительности и частотой заполнения подается через коммутатор на приемоизлучающий ЭАП, резонанс которого совпадает с частотой несущих колебаний. ЭАП излучает кратковременные и распространяющиеся в канале лоцирования со скоростью посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, что позволяет вкладывать в каждую из посылок относительно высокий энергетический уровень при небольшой средней мощности, затрачиваемой на излучение ультразвуковых волн в водную среду. Эхосигналы от границ разделов слоев и «вода-воздух» принимаются ЭАП, ультразвуковые колебания преобразуются в соответствующие им электрические сигналы и через блок временной автоматической регулировки усиления, фильтр низкой частоты, подавитель нулевой помехи поступают на указатель глубины.

Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении, связанные с ограничением диапазона проведения достаточно точных измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения - высоты, длины и периода гравитационной волны, осуществляемых по временной задержке отражений импульсных сигналов от отдельных участков ее профиля. Это обусловлено недостаточной разрешающей способностью по углу и помехоустойчивостью приемоизлучающего ЭАП (поперечный размер «пятна» ~ 1,4м на границе раздела «вода-воздух» при облучении импульсным ультразвуковым сигналом с глубины 10 м). Ограниченность полосы пропускания приемного тракта локатора, реализующим данный способ, приводит к тому, что отраженный от цели импульс не может иметь прямоугольную форму, форма импульса искажается под влиянием помех и происходит смещение момента перехода импульса через пороговый уровень обнаружения, что снижает точность измерений. Данный способ не обеспечивает возможности прямого измерения посредством эффекта Доплера параметров движения слоистой водной среды акустическим способом, например, генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода-воздух», а также параметров горизонтального движения слоев морской среды, за исключением суточных вертикальных перемещений последних вследствие регистрации миграций планктона, который днем из-за светового воздействия опускается вниз, а ночью - вверх. Ограниченность полосы измерений данного способа не соответствует широкому диапазону эквивалентных диаметров и минимальных эффективных частот обнаружения для нерезонансных тел морских растений или животных, образующих совокупный планктон: крупный планктон - (2 - 20) см и (2,5 -25) кГц, мегапланктон - (2 -20) мм и (25 - 250) кГц, макропланктон - (0,2 - 2) мм и (250 - 2500) кГц, микрофитопланктон - (20 - 200) мм и (2,5 - 25)МГц и т.д., в результате чего значительная часть информации о k слойном водном объеме рассеивателей не будет отображена, зарегистрирована и документирована в аппаратуре.

Известен многочастотный эхоимпульсный способ измерения параметров морского волнения и реализующий его акустический волнограф, описанные в пат. № 168083 РФ G01S 15/60, опубл. 17.01.2017, Бюл №2. С помощью устройства - многочастотного акустического волнографа методом обращенного эхолота (излучение снизу вверх по нормали к границе раздела «вода-воздух») измеряются параметры ветрового волнения в условиях мелководья, а также расширяется частотный диапазон измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды методом импульсной эхолокации полигармоническим ультразвуковым сигналом.

Использование данного способа измерения параметров морского волнения предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси их равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;

2) реализация режима измерения параметров морского волнения при осуществлении режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» с использованием ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью;

3) генерация в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой ,

и их преобразование с помощью ЭАП в периодические посылки ультразвуковых (УЗ) волн с необходимой длительностью, которые распространяются в выбранном направлении облучения;

4) формирование в водной среде параметрической излучающей антенны (ПИА), в водном объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

5) облучение снизу вверх УЗ сигналами участка границы раздела «вода-воздух» через k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), которые распределены в водном объеме и движутся с различными скоростями течений,

и осуществление акустических контактов с ними, что формирует маскирующий объемный реверберационный процесс и запаздывающий эхосигнал;

6) получение информации об отражательной способности и дистанции как для k слоев рассеивателей, так и для облучаемого участка границы раздела «вода-воздух» за счет приема и преобразования отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

7) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки (фильтрация, усиление, детектирование, изменение амплитуды) электрических сигналов с последующим перемножением полученных амплитудных характеристик для дискретных частотных составляющих результирующего эхосигнала;

8) выбор как количества регистрируемых спектральных составляющих эхосигнала, так и вариантов их обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, и регулировка основных параметров: остроты направленного действия, угловой ширины основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов характеристики направленности (ХН) ЭАП в режиме приема;

9) регулировка точности измерений для режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и в горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.

Аппаратура акустического волнографа (пат. №168083 РФ G01S 15/60, опубл. 17.01.2017, Бюл №2) содержит коммутатор «прием-передача», а также тракты излучения и приема. В излучающем тракте генератор соединен через последовательно включенные усилитель мощности и коммутатор с ЭАП, расположенным в верхней части многоэлементного донного ПАУ (полусферическая конструкция, расположенная на донной поверхности в заданной точке акватории). Акустическая ось ЭАП расположена вертикально, т.е. облучение по кратчайшему расстоянию короткими ультразвуковыми импульсами взволнованной границы раздела сред « вода - воздух» осуществляется через k слоев рассеивателей, которые распределены в объеме нелинейной водной среды и движутся со различными скоростями течений в k слоях. Эхосигналы принимаются тем же ЭАП в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В приемном тракте аппаратуры волнографа используемый ЭАП соединен через коммутатор со входами параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа) из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на различные спектральные составляющие, амплитудных детекторов и аттенюаторов с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными -входами перемножителя. Выход перемножителя через пороговое устройство и счетчик импульсов соединен с входом запоминающего регистра ЭЦВМ, который также соединен как с входом цифрового табло, так и через цифро-аналоговый преобразователь с входами самописца и интегратора. Два других входа счетчика импульсов соединены с выходами тактового генератора и блока управления, причем, другие дополнительные выходы последнего соединены с управляющими входами генератора, резонансных усилителей и аттенюаторов.

Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении:

1) для получения сведений о закономерности изменения удаления облучаемых границ раздела от ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ, используется только вертикальное направление облучения. Для получения более полного и точного объема сведений о параметрах движения слоистой морской среды, а также характеристиках взволнованной границы раздела «вода-воздух» необходимо также использовать метод импульсной эхолокации полигармоническим ультразвуковым сигналом при наклонном облучении границы раздела;

2) использование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности должно сопровождаться первоначальным определением генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, однако, в способе данная операция неосуществима, что снижает продуктивность проводимых измерений;

3) не реализована возможность классификации по отраженному сигналу параметров процесса морского волнения, а также параметрах движения слоистой морской среды, в частности, при наклонном облучении в широком диапазоне изменения как углов визирования , так и частот ультразвукового зондирования.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности измерения и регистрации параметров движения k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть и пассивно переносимых течениями водной среды, акустическим доплеровским методом, в котором ультразвук излучается со стороны дна к границе раздела «вода-воздух».

В качестве прототипа принят акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения, описанные в пат. №2721307 РФ G01S 15/60, опубл. 18.05.2020, Бюл №14, в котором выполняется следующая последовательность операций:

1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (далее - ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси их равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;

2) реализация режима измерения параметров морского волнения при осуществлении режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» с использованием ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью;

3) генерация в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой , и их преобразование с помощью ЭАП в периодические посылки ультразвуковых (УЗ) волн с необходимой длительностью, которые распространяются в выбранном направлении облучения;

4) формирование в водной среде параметрической излучающей антенны (ПИА), в водном объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

5) облучение снизу вверх УЗ сигналами участка границы раздела «вода-воздух» через k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), которые распределены в водном объеме и движутся с различными скоростями течений, и осуществление акустических контактов с ними, что формирует маскирующий объемный реверберационный процесс и запаздывающий эхосигнал;

6) получение информации об отражательной способности и дистанции как для k слоев рассеивателей, так и для облучаемого участка границы раздела «вода-воздух» за счет приема и преобразования отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

7) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки (фильтрация, усиление, детектирование, изменение амплитуды) электрических сигналов с последующим перемножением полученных амплитудных характеристик для дискретных частотных составляющих результирующего эхосигнала;

8) выбор как количества регистрируемых спектральных составляющих эхосигнала, так и вариантов их обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, и регулировка основных параметров: остроты направленного действия, угловой ширины основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов характеристики направленности (ХН) ЭАП в режиме приема;

9) регулировка точности измерений для режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.

11) осуществление режима проведения измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода-воздух» и выбор двух ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, при этом акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

13) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой и излучение с помощью обоих ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела «вода-воздух»;

14) формирование в водной среде двух параметрических излучающих антенн (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие), и генерирование двух полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ;

15) установление акустических контактов с k слоями рассеивателей, которые распределены в двух водных объемах и движутся с различными скоростями течений, а также с двумя участками взволнованной границы раздела «вода-воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, причем, относительно дна поверхностная ветровая волна приближается - для одного из выбранных ЭАП, в то время как для другого - удаляется;

16) преобразование эхосигналов от двух участков взволнованной границы раздела «вода-воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем, для одного из выбранных ЭАП частота увеличена, в то время как для другого - уменьшена;

17) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраического суммирования частот сигналов, принятых двумя ЭАП, для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот;

18) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжение с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре;

19) выбор следующей пары ЭАП, смещенных относительно первоначально выбранных, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси следующей пары ЭАП имеют те же одинаковые углы наклона относительно горизонта и также находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

20) выполнение последовательно операций по пунктам 11 - 18, осуществляемых до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода - воздух», не достигнет максимального значения, что возможно при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП для данного этапа измерений;

21) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры перехода от значения полученной максимальной доплеровской частоты к значению горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения;

22) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;

23) измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ) для заданных участков границы раздела «вода-воздух», расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла наклона облучения относительно горизонта, причем, величина последнего при измерении АЧХ в рамках отдельной серии остается неизменной;

24) измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта) на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого ультразвука для протяженного участка границы раздела «вода-воздух», соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем, величина выбранного значения частоты излучаемого ультразвука при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной.

Для указанного способа также характерны недостатки, связанные с отсутствием возможности измерения и регистрации параметров движения k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть и пассивно переносимых течениями водной среды, акустическим доплеровским методом, в котором ультразвук излучается со стороны дна к границе раздела «вода-воздух».

Основной задачей изобретения является обеспечение возможности измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды в широкой полосе рабочих частот при облучении ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна.

Технический результат заключается в повышении эффективности измерений и регистрации параметров движения слоистой морской среды в широкой полосе рабочих частот при облучении ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна.

Заявляемый результат достигается тем, что в известный акустический способ измерения параметров морского волнения, включающий:

1) установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого установлена определенным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;

2) реализацию режима измерения параметров морского волнения при осуществлении режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» с использованием ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью;

3) генерацию в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой , и их преобразование с помощью ЭАП в периодические посылки ультразвуковых (УЗ) волн с необходимой длительностью в выбранном направлении облучения;

4) формирование в водной среде параметрической излучающей антенны (ПИА), в водном объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

5) облучение снизу вверх УЗ сигналами участка границы раздела «вода-воздух» через k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), которые распределены в водном объеме и движутся с различными скоростями течений, акустический контакт с которыми формирует маскирующий объемный реверберационный процесс и запаздывающий эхосигнал;

6) получение информации об отражательной способности и дистанции как для k слоев рассеивателей, так и для облучаемого участка границы раздела «вода-воздух» за счет приема и преобразования отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

7) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки (фильтрация, усиление, детектирование, изменение амплитуды) электрических сигналов с последующим перемножением полученных амплитудных характеристик для дискретных частотных составляющих результирующего эхосигнала;

8) выбор как количества регистрируемых спектральных составляющих эхосигнала, так и вариантов их обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, и регулировка основных параметров: остроты направленного действия, угловой ширины основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов характеристики направленности (ХН) ЭАП в режиме приема;

9) регулировка точности измерений для режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.

11) осуществление режима проведения измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода-воздух» и выбор двух ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

12) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой и излучение с помощью обоих ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела «вода-воздух»;

13) формирование в водной среде двух параметрических излучающих антенн (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие), и генерирование двух полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ;

14) установление акустических контактов с k слоями рассеивателей, которые распределены в двух водных объемах и движутся с различными скоростями течений, а также с двумя участками взволнованной границы раздела «вода-воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, причем, относительно дна поверхностная ветровая волна приближается - для одного из выбранных ЭАП, в то время как для другого - удаляется;

15) преобразование эхосигналов от двух участков взволнованной границы раздела «вода-воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем, для одного из выбранных ЭАП частота увеличена, в то время как для другого - уменьшена;

16) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраического суммирования частот сигналов, принятых двумя ЭАП, для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот;

17) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжение с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре;

18) выбор следующей пары ЭАП, смещенных относительно первоначально выбранных, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси следующей пары ЭАП имеют те же одинаковые углы наклона относительно горизонта и также находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

19) выполнение последовательно операций по пунктам 11-18, осуществляемых до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода - воздух», не достигнет максимального значения, что возможно при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП для данного этапа измерений;

20) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры перехода от значения полученной максимальной доплеровской частоты к значению горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения;

21) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;

22) измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ) для заданных участков границы раздела «вода-воздух», расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла наклона облучения относительно горизонта, причем, величина последнего при измерении АЧХ в рамках отдельной серии остается неизменной;

23) измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта) на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого ультразвука для протяженного участка границы раздела «вода-воздух», соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем, величина выбранного значения частоты излучаемого ультразвука при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной;

дополнительно введены следующие операции:

24) осуществление режима проведения измерений и регистрации параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде и выбор двух пар ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимноперпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси четырех ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в двух взаимноперпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У;

25) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой и излучение с помощью четырех ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела «вода-воздух», формируя в водной среде четыре ПИА, в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие);

26) генерирование четырех полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, оппозитно расположенные в парах пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ, их акустические оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в двух вертикальных взаимноперпендикулярных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У;

27) установление акустических контактов с k слоями рассеивателей, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ _{i сл} течений, причем, относительно дна направления векторов скоростей течений υ _{i сл} в k слоях на i горизонтах глубин могут иметь как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, {±υ_{у (i сл)}} относительно осей Х и У;

28) выбор необходимого для измерений количества i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ _{i сл} течений на i горизонтах глубин в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах, за счет выбора характеристик приемного строба (ширина приемного строба и расположение по глубине четырех участков измерений относительно дна) и последовательности его перемещения в заданном диапазоне глубин;

29) задание идентичных параметров стробирования в приемном тракте для получения усредненных по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ _{i сл} течений для имеющихся четырех оппозитно расположенных в парах водных объемов, состоящих из i слоев рассеивателей, которые облучаются ультразвуком;

30) выбор i-го горизонта глубин для получения данных о величине скорости υ _{i сл} течения в i-ом слое водной среды, который включает в себя четыре, выделенные за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, области рассеивателей, которые облучаются ультразвуком и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, {±υ_{у (i сл)}} скорости υ _{i сл} на i-том горизонте глубин относительно осей Х и У, причем, знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся областей рассеивателей относительно дна;

31) преобразование эхосигналов от четырех, выделенных за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, областей рассеивателей, которые пассивно переносятся течением со скоростью υ _{i сл} в i-ом слое водной среды, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем, для одних ЭАП из выбранных оппозитных пар частота будет увеличена (области рассеивателей приближаются), в то время как для других ЭАП из выбранных оппозитных пар - уменьшена (области рассеивателей удаляются);

32) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраического суммирования частот сигналов для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот ,, что позволит произвести для i-го слоя водной среды расчет n значений величин компонент скорости течения {±υ_{х (nf, i сл)}}, {±υ_{у (nf, i сл)}} относительно донных осей Х и У и модуля скорости течения υ _{i сл} в i-ом слое водной среды, а также n значений величин угла смещения α_{(nf, i сл)} направления вектора скорости течения относительно осей Х и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями

полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды;

33) осуществление последовательности операций 31-35 для последующих горизонтов глубин в движущихся слоях водной среды;

34) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжение с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре.

Заявляемый способ поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для реализации способа.

На фиг. 2 представлено пояснение работы в режиме волнографа для устройства, реализующего способ.

Устройство для реализации способа содержит ПАУ 5 (по пат. № 104732 РФ G01S 15/00; опубл. 20.05.2011, Бюл №14), полусферическая поверхность которого состоит из апертур одинаковых ЭАП 4, образующих упорядоченную систему параллелей и меридианов. ПАУ 5 расположено в водной среде 6 на донной поверхности акватории, ориентировано заданным образом относительно сторон света, ЭАП 4 соединены через многоканальный управляемый коммутатор 3 с береговой аппаратурой (фиг. 1, блоки находящиеся внутри штрихового контура), состоящей из излучающего и приемного трактов, включающая в себя каналы как измерений параметров морского волнения в режиме волнографа, так и обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны (измерений параметров движения слоистой морской среды). Совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 через блок управления и настройки 20. В излучающем тракте генератор 1 соединен через последовательно включенные усилитель мощности 2 и многоканальный управляемый коммутатор 3 с необходимым количеством из одинаковых электроакустических преобразователей (ЭАП) 4, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром донного ПАУ 5 полусферической формы. Из меридианов выделен и обозначен на поверхности каждого ПАУ 5 осевой меридиан, проекция которого ориентирована заданным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП 4 снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

Режим нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения (режим волнографа, пат. № 168083 РФ G01S 15/60, опубл. 17.01.2017, Бюл №2) используется ЭАП 4. Акустическая ось ЭАП расположена вертикально, т.е. облучение короткими ультразвуковыми импульсами взволнованной границы раздела 7 (фиг. 1,2) сред «вода - воздух» осуществляется по кратчайшему расстоянию через нелинейную водную среду 6. Эхосигналы принимаются тем же ЭАП 4 в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В режиме волнографа (фиг. 1 и 2) в приемном тракте береговой аппаратуры выход ЭАП 4 соединен через многоканальный управляемый коммутатор 3 с приемным трактом для обработки высокочастотных и низкочастотных спектральных составляющих эхосигнала с частотами и , которые формируются в водной среде за счет нелинейных эффектов как самовоздействия, так и самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения и длительностью , канал включает в себя параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа) из последовательно соединенных резонансных усилителей 8, настроенных на частоты и , амплитудных детекторов 9 и аттенюаторов 10 с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными -входами перемножителя 11. Выход перемножителя 11 через пороговое устройство 12 и счетчик импульсов 13 соединен с входом запоминающего регистра 14 ЭЦВМ, который также соединен как с входом цифрового табло 15, так и через цифро-аналоговый преобразователь 16 с входами самописца 17 и интегратора 18. Два других входа счетчика импульсов 13 соединены с выходами как тактового генератора 19, так и блока управления и регулировок 20, причем, другие дополнительные выходы последнего соединены с управляющими входами генератора 1, многоканального управляемого коммутатора 3, резонансных усилителей 8 и аттенюаторов 10.

Канал обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны содержит два ЭАП 4^/, 4^// расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП 4^/, 4^// имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5. Оба ЭАП 4^/, 4^// соединены через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры - генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг. 1). Импульсный режим излучения ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 (фиг. 2) «вода-воздух», формирует в водной среде 6 две параметрические излучающие антенны (ПИА) (самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем, каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении ультразвуковых волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг. 1), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке - волновой процесс приближается (частота увеличена), а на втором - удаляется (частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП 4^/, 4^// в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные стробируемые усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты , , соединены с двумя входами частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, причем, на оба входа последних подают электрические сигналы парами одного как частотного диапазона, так и доплеровского сдвига (но с разными знаками - «+» и «-»). В частотных дискриминаторах 24, 25, …, 26 происходит перемножение поступающих пар электрических сигналов, а затем выделение низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах , значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. Выходы как частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, так и резонансных стробируемых усилителей 21, 22, …, 23, настроенных на частоты , , соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами, принятых ЭАП 4^/, 4^// для каждой гармоники с частотами , в отдельности, измерение значений полученных наборов доплеровских частот, переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны и т.д.

Поиск генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, соответствующего максимальному значению ее горизонтальной скорости , осуществляется за счет аналогичного использования последующих пар ЭАП 4^/, 4^//, смещенных относительно исходно выбранной пары, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ. Последовательное выполнение этих действий осуществляется до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода - воздух», не достигнет максимального значения. Это имеет место при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП4 для данного этапа измерений. Описанный режим обработки доплеровской информации позволяет выбирать необходимую скоростную чувствительность устройства на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры. Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования резонансного ультразвукового рассеяния, а также провести измерения параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде. Реализация последних измерений потребует выбора двух пар ЭАП4 (одна из которых может соответствовать режиму поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны), которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимноперпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ5. Акустические оси четырех ЭАП4 имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в двух взаимноперпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ5 и проецируемых на дно в виде осей Х и У. Формирование четырех полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, осуществляется за счет нелинейного эффекта самовоздействия, что позволяет установить акустические контакты с k слоями рассеивателей, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ _{i сл} течений, причем, относительно дна направления векторов скоростей течений υ _{i сл} в k слоях на i горизонтах глубин могут иметь как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, {±υ_{у (i сл)}} относительно осей Х и У.

Выбор необходимого для измерений количества i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ _{i сл} течений на i горизонтах глубин, за счет установки идентичных параметров приемного строба резонансных усилителей 21,22, … 23, что позволяет получить усредненные по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ _{i сл} течений.

Режим наклонного облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения. Измерение резонансного ультразвукового рассеяния в режиме волнографа обеспечивает наклонное ультразвуковое облучение с частотами и взволнованной поверхности границы 7 раздела «вода-воздух», которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП 4^/, - либо при изменении угла относительно горизонта за счет коммутации разных «меридиональных» ЭАП 4^/. Для реализация применяются те же излучающий и приемный тракты режима волнографа, отличием приемного тракта является возможность отдельного измерения амплитуд отраженных спектральных компонент сигнала. Для этого в него добавлены последовательно включенные -входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными -входами перемножителя 11, их управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20. Совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора 28 (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки 20.

Работа заявляемого способа осуществляется с помощью устройства (фиг. 1, 2) следующим образом.

По команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 блок управления и настройки 20 вырабатывает синхроимпульс, поступающий на управляющий вход тактового генератора 19, причем, изменение скорости звука в водной среде 6 учитывается с помощью изменения тактовой частоты его выходного сигнала. С выхода тактового генератора 19 начинают поступать импульсы на вход счетчика импульсов 13, причем, одновременно с этим с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 поступают импульсы на управляющие входы как резонансных усилителей 8 («запирают» на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от границы раздела), так и генератора 1, вырабатывающего радиоимпульс длительностью с гармоническим заполнением с частотой . Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП 4, который, являясь составным элементом донного многочастотного приемоизлучающего антенного устройства (ПАУ) 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки в водную среду 6. Водная среда 6 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейных эффектов - самовоздействия и самодемодуляции (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227 - 273), которые можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой в области распространения. Получение достоверной информации о параметрах морского волнения с помощью устройства для реализации акустического способа измерения параметров морского волнения, функционирования в режиме акустического волнографа, обеспечивается применением для облучения границы раздела «вода-воздух» 7 не только сигнала накачки с частотой , но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами , где - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами , , , , , где =1,2,3, …,, - порядковый номер максимума в спектре, - длительность излученного импульса соответственно. Нелинейные эффекты в акустическом поле, формируемом ЭАП 4, позволяют разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (ЭАП 4) и формирования направленного излучения (участок водной среды 6, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного импульса накачки, соответствующие его тональному заполнению и огибающей). В объеме ПИА распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего при небольших поперечных размерах ЭАП 4 генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) акустические сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий сигнал , содержащий спектральные составляющие с частотами , где - порядковый номер гармоники, и , , , , , где =1,2,3, …,, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела «вода-воздух» 7 и отражается от нее, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об облучаемой границе раздела 7, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об отражательной способности, акустическом сопротивлении и кинематических характеристиках границы раздела «вода-воздух» 7, а также и о закономерности изменения ее удаления от ЭАП 4, входящего в состав донного многочастотного ПАУ 5. Отраженный полигармонический сигнал достигает ЭАП 4, находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами и , , , , . Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности и , а также чувствительностями и в режиме приема ЭАП 4 для каждой из рассеянных границей раздела «вода-воздух» акустических волн с указанными выше частотами колебаний, где - угол прихода рассеянных волн, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны. Эффективность направленного действия ЭАП 4 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих, причем, если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая ХН по интенсивности представляет собой среднее арифметическое их ХН для ЭАП 4 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Судостроение, 1988. - 288 с. Глава 1 Направленность судовых акустических антенн, § 1.1 Параметры, характеризующие направленность акустических антенн, с.5 - 16)

где - ХН по давлению на -той частоте дискретной составляющей спектра, - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. На выходе канального приемного тракта обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала после усиления (резонансные усилители 8), детектирования (детекторы 9), изменения амплитуд (аттенюаторы 10) и перемножения (перемножитель 11) выделенных видеоимпульсных сигналов получаем результирующее напряжение соответствующее результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела «вода-воздух», которое подается на вход порогового устройства 12. Перемножение электрических сигналов уровни каждого из которых пропорциональны аналогичным пространственным ХН ЭАП 4, обеспечит сохранение электрических сигналов большой амплитуды, соответствующих основным лепесткам на акустической оси ЭАП 4, и ослабление электрических сигналов малой амплитуды, соответствующих добавочным максимумам для других внеосевых направлений, что эквивалентно уменьшению угловой ширины главного максимума и подавлению дополнительных максимумов в результирующей ХН преобразователя 4. Точность измерения ординат волны в ее вершине и подошве близка к разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях, а на склонах - определяется протяженностью «пятна засветки», причем, повышение точности измерений в режиме волнографа можно осуществить при реализации многоканального приемного тракта, воплощающего подход к обработке эхосигналов спектральных составляющих, описанный соотношением (1). Таким образом, выбор набора регистрируемых частот эхосигналов и алгоритм обработки в многоканальном приемном тракте устройства, реализующего акустический способ измерения параметров морского волнения, позволит регулировать основные параметры в приеме обратимого ЭАП 4: остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН. При функционировании устройства в режиме волнографа передний фронт видеоимпульсного напряжения = соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», используется как характерный признак поступления отраженной от границы раздела «вода-воздух» посылки. Из теории электрических цепей (см. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде. М., Энергия, 1973. Глава 3 Преобразование информационных сигналов в канале приема. §§10, 11 Основные требования к тракту усиления, Аппаратурное время задержки, с. 56-63) известно, что воздействие импульса гармонического колебания с частотой, равной собственной частоте избирательной системы (например, на резонансный усилитель 8) приводит к возникновению переходных процессов, проявляющихся в «затягивании» переднего и заднего фронтов. Так, выходной сигнал описывается следующим выражением , где - коэффициент усиления для сигнала, - постоянная времени системы. Возникновение запаздывания в формировании огибающей установившегося импульсного выходного сигнала (передний фронт) приводит к появлению аппаратурного времени задержки, которое добавляется ко времени пробега измеряемого расстояния упругими волнами и может вносить погрешность в результаты измерений. Аппаратурное время задержки определяется совместным действием двух факторов - полосой пропускания тракта и уровнем дискриминации сигнала при его детектировании. В эхо-импульсных устройствах уровень дискриминации вводится в приемный тракт для исключения ложных показаний устройства при наличии внешних акустических и других помех, для фиксации информативного сигнала необходимо его превышение над установленным порогом дискриминации, причем, увеличение амплитуды информативного сигнала приводит к уменьшению аппаратурного времени запаздывания. Для возможно большего ослабления флуктуаций аппаратурного времени задержки, определяющего величину погрешности проводимых измерений, необходимо как уменьшать порог дискриминации, так и увеличивать уровень полезного информативного сигнала. В устройстве именно использование полигармонического зондирующего ультразвукового сигнала, содержащего как низкочастотные, так и высокочастотные спектральные составляющие, может позволить снизить величину аппаратурного времени запаздывания при увеличении уровня результирующего информативного сигнала за счет перемножения. Обозначив относительный уровень дискриминации , где - абсолютный уровень дискриминации; - установившаяся амплитуда выходного сигнала, а также , запишем выражение для аппаратурного времени задержки . Приведем расчетные значения как времени аппаратурного запаздывания (мксек), так и соответствующего дополнительного расстояния (см) до отражающей границы раздела при относительных уровнях дискриминации 0,5; 0,3; 0,1 от установившейся величины сигнала : 220 мксек и 16,3 см; 114 мксек и 8,1 см; 33 мксек и 2,4 см. Итак, в устройстве полученное видеоимпульсное напряжение , соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», поступает на вход порогового устройства 12, которое срабатывает в момент прихода переднего фронта сигнала и останавливает счетчик импульсов 13. Подсчитанное число тактовых импульсов заносится в запоминающий регистр 14 ЭЦВМ, выдается на цифровое табло 15, а также после цифро-аналогового преобразования в блоке 16 поступает на входы как самописца 17, так и интегратора 18. В устройстве высота волны измеряется прямым методом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды, чем достигается достаточно высокая точность и достоверность измерений. Период волны измеряется в результате обработки серии экспериментальных наблюдений, полученных эхозондированием.

Исследование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения дополнительных сведений о характеристиках взволнованной поверхности должно сопровождаться первоначальным определением генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, в котором - «резонансная» длина взволнованной поверхности является максимальной, причем, получение данной информации обеспечивает функционирование канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры. Для измерений в режиме обработки доплеровской информации используются два ЭАП 4^/, 4^// расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП 4^/, 4^// имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта (фиг. 1 и 2) и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5.

На фиг. 1 представлены два варианта расположения обоих ЭАП 4^/, 4^// на полусферической поверхности донного ПАУ 5, в которых приняты обозначения с нижними индексами: 1) || - параллельно вектору (ЭАП , ЭАП ), 2) - перпендикулярно вектору (ЭАП ,ЭАП ), которые соответствуют взаимному расположению вектора горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны и вертикальных плоскостей (заштрихованы с разным углом наклона), проходящих через ось симметрии (сдвинуты друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости) донного ПАУ 5. Очевидно, что именно первый вариант, когда вектор горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны полностью проецируется на вертикальную плоскость, проходящую через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5, в которой лежат акустические оси обоих ЭАП , ЭАП , может обеспечить при отражении ультразвуковых волн возникновение максимальных сдвигов их частот, обусловленных двойным эффектом Доплера. Это и есть генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны, которое может быть определено «на местности» относительно осевого меридиана ПАУ 5, проекция которого при установке совпадает с осью взлетно-посадочной полосы гидроаэродрома. Положение вектора горизонтальной скорости («туда» или «оттуда») вдоль генерального направления распространения поверхностной ветровой волны (фиг. 1, 2) может быть установлено за счет регистрации изменения частот принимаемых ультразвуковых волн: 1) частота увеличена, т.е. волновой процесс приближается («оттуда», вектор скорости направлен к ЭАП ПАУ 5), 2) частота уменьшена, т.е. волновой процесс удаляется («туда», вектор скорости направлен от ЭАП ПАУ 5). Ниже рассмотрим промежуточное расположение (относительно изображенных на фиг. 1 и 2) обоих ЭАП 4^/, 4^//, соединенных через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры - генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг. 1). Импульсный режим излучения ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 «вода-воздух», формирует в водной среде 6 две параметрические излучающие антенны (ПИА, самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем, каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении ультразвуковых волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг. 2), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке (на фиг. 2 слева) - волновой процесс приближается (частота увеличена), а на втором (на фиг. 2 справа) - удаляется (частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП 4^/, 4^// в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты , , соединены с двумя входами частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, причем, на оба входа последних подают электрические сигналы парами одного как частотного диапазона, так и доплеровского сдвига (но с разными знаками - «+» и «-»)

.

В частотных дискриминаторах 24, 25, …, 26 происходит перемножение поступающих пар электрических сигналов, а затем выделение низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах , значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. Таким образом, частотные дискриминаторы 22, 23, … 24 вырабатывают гармонических электрических сигналов с частотами которые пропорциональны значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. Откуда, на частотах можно вычислить значений горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны относительно поверхности дна по формуле

где - скоростная чувствительность устройства, характеризующая приращение доплеровской частоты при изменении скорости на один узел. Выходы как частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, так и резонансных усилителей 21, 22, …, 23, настроенных на частоты , , соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами, принятых ЭАП 4^/, 4^// для каждой гармоники с частотами , в отдельности, измерение значений полученных наборов доплеровских частот, переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны, преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и индикация значений, сопряжение канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации с внешними регистрирующими устройствами и т.д. Данная информация с выхода блока 27 по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28, поступающей через блок управления и настройки 20 на управляющий вход блока 27, выводится на цифровое табло 15 и самописец 17.

Методика обнаружения генерального направления распространения поверхностной ветровой волны позволяет также провести измерения параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде. Так, для измерений потребуется выбрать две пары ЭАП4 (одна из которых может соответствовать режиму поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны), которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимноперпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ5, образуя по сути дела доплеровские диаметральный и траверзный каналы, например, для надводного судна - носителя гидроакустической аппаратуры.

Полигармонические волновые поля акустических локационных сигналов кратных частот , , , …, , имеющие форму узких соосных пучков с различной угловой шириной , по уровню 0,7, распространяются через данную слоистую структуру водной среды (см. фиг. 2). Таким образом, на каждой из частот , , , …, образуется 4 водных измерительных объемов, облучаемых УЗ сигналами от ЭАП 4 в четырех направлениях. В каждом слое измерительных объемов содержатся отражающие УЗ волны объекты с различной концентрацией и различного происхождения (газовые пузыри, биомассу - водоросли, рыбы, планктон), случайным образом расположенные в слоях и движущиеся со скоростями , , , …, , , вместе с течениями слоев на данных глубинах. Итак, УЗ колебания кратных частот отражаются от движущихся с разными скоростями слоев водной структуры, претерпевая для каждой гармонической компоненты , , , …, соответствующий доплеровский сдвиг частоты . Знак (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения рассеивателей относительно дна - приближению или удалению. Это позволяет рассчитать величины как продольной и поперечной компонент скорости, так и модуля скорости рассеивающих объектов в каждом -том горизонтальном слое (где изменяется в пределах от 1 до ) относительно дна.

Выбор необходимого для измерений количества i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ _{i сл} течений на i горизонтах глубин, достигается за счет установки идентичных параметров приемного строба резонансных усилителей 21,22, … 23, что позволяет получить усредненные по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ _{i сл} течений. В канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки 27 доплеровской информации приемного тракта аппаратуры после алгебраического суммирования частот сигналов для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот ,, производят для i-го слоя водной среды расчет n значений величин компонент скорости течения {±υ_{х (nf, i сл)}}, {±υ_{у (nf, i сл)}} относительно донных осей Х и У и модуля скорости течения υ _{i сл} в i-ом слое водной среды, а также n значений величин угла смещения α_{(nf, i сл)} направления вектора скорости течения относительно осей Х и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями

полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды;

Расчетный пример 1. Проиллюстрируем возможность получения различной точности отображения рельефа взволнованной границы раздела «вода-воздух» с использованием каналов обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ (самовоздействие) и НЧ (самодемодуляция) приемного тракта устройства. Например, по границе раздела со скоростью распространяется поверхностная ветровая волна, у которой облучаются снизу две соседние «подошвы» профиля одинаковой величины, расположенных на расстоянии и разделенных размахом ( - двойная амплитуда) волнового процесса (фиг. 2), отметки, от которых на волнограмме могут сливаться в одну, что может привести к неработоспособности устройства. Рассчитаем величину угла , при отклонении на который в области основного лепестка ХН ЭАП 4, оператор 28 уверенно зафиксирует уменьшение амплитуды сигнала от каждой из соседних «подошв» профиля одинаковой величины, т.е. они будут зарегистрированы раздельно с определенной точностью отображения волнового профиля на границе раздела «вода-воздух». Величиной этого угла характеризуют точность пеленгования, например, для максимального метода пеленгования , где - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05- 0,15); для слухового индикатора - ≥ 0,2 (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с. Глава 8 Параметры аппаратуры в режиме приема. §8.1 Методы и харакеристики пеленгования в режиме приема, с. 129-133). Оценим точность максимального метода пеленгования НЧ и ВЧ амплитудными трактами макета параметрического гидролокатора ближнего действия (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. - Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2018 г. - 176 с. Глава 2 Параметрические локаторы с трактами обработки амплитудных, фазовых и частотных признаков эхосигналов, §2.4 Параметрическая локационная система ближнего действия для обеспечения подледного плавания автономных подводных аппаратов, с. 96-124), который может быть использован в режиме волнографа. В данном устройстве угловая ширина основного лепестка результирующих ХН приемно-излучающей системы по уровню 0,7 составляет: ВЧ канал - при предлагаемой обработке сигналов = 476 кГц, = 456 кГц, = 496 кГц - при отсутствии боковых лепестков; НЧ канал - для сигнала разностной частоты = 20 кГц = 6,4° при наличии боковых лепестков с уровнями до 13%, что должно обеспечить при вертикальном лоцировании с донного ПАУ 5, расположенного на глубине 20 метров, следующие величины разрешающей способности по углу ~ 0,2 м и ~ 0,8 м соответственно. В данном случае при визуальном пеленговании соседних «подошв» профиля одинаковой величины оператором (μ=0,1) с помощью данной локационной системы точность пеленгования будет составлять: для ВЧ тракта при предлагаемой обработке - = 0,28°; для НЧ тракта на сигнале разностной частоты = 20 кГц - = 1,3°.

Расчетный пример 2. Ветровое воздействие на водную поверхность заключается в том, что он создает на ее поверхности давление в направлении своего движения, причем, комбинация поверхностного натяжения и гравитационных сил создает каппилярно-гравитационные волны, для которых соотношение частоты и длины волны в «глубокой» воде (глубина больше половины длины поверхностной волны) описываются следующим выражением (см. К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография: Основы и применения. - Пер. с англ. Под ред.Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. - 580 с. Глава 1. Море с акустической точки зрения § 1.4 Поверхность моря, с. 26-29)

, (5)

где - угловая частота (рад/с), - волновое число, - частота (Гц), - длина волны (м), - ускорение силы тяжести (9,8 м/с²), - поверхностное натяжение, - плотность воды (кг/м³). При малых длинах волн (больших ) в соотношении доминирует второй член и с учетом, что , получается соотношение для капиллярных волн или , т.е. фазовая скорость капиллярных волн возрастает с уменьшением длины волны. Скорость гравитационных волн возрастает с увеличением длины волны в соответствии с выражением или , например, для гравитационных волн при длинах от 1 м до 100 м фазовые скорости находятся в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с соответственно.

Специфические условия эксплуатации устройства в режиме волнографа определяются непрерывным изменением формы отражающей поверхности границы раздела 7 и расстояния до нее. Положение отражающей поверхности «вода-воздух» 7 меняется от горизонтального для гребня или подошвы до крутонаклонного на ее скатах, причем, основной составляющей принимаемого полигармонического сигнала является сигнал зеркального отражения от горизонтальных участков поверхности 7. Предположим, что длина горизонтального участка взволнованной отражающей границы раздела «вода-воздух» - гребня или подошвы гравитационной волны - приблизительно составляет , причем, этому участку «облучения» соответствует угол - острота максимума основного лепестка ХН, в пределах которого каналы приемного тракта устройства нечувствительны к изменению уровней () эхосигналов на используемых спектральных компонентах с частотами и , , , , . Учитывая, что острота максимума основного лепестка ХН плоского поршневого ЭАП 4 на данных сигналах описывается соотношением , где - диаметр преобразователя (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Судостроение, 1988. - 288 с. Глава 1 Направленность судовых акустических антенн § 1.2 Направленность основных типов акустических антенн. с.17 - 27), данные величины можно связать соотношением где - глубина расположения ЭАП 4 относительно границы раздела. Исходя из этого соотношения можно для заданных глубин расположения антенны РПА «Сарган» («обращенный» эхолот) рассчитать диапазон минимальных длин гравитационных волн, «оптимально» регистрируемых методом прямого счета на определенной спектральной составляющей зондирующего полигармонического сигнала. Так, для = 100м при использовании модернизированной антенны «Сарган-ЭМ» (диаметр =0,5 м) спектральным составляющим 40 кГц, 60 кГц, 135 кГц, 270 кГц и 405 кГц соответствуют «оптимально» регистрируемые минимальные длины гравитационных волн - 30 м, 20 м, 8,9 м, 4,5 м и 3 м, которые распространяются со скоростями 6 м/с, 5 м/с, 3 м/с, 2 м/с и 1,6 м/с (расчет) соответственно. Итак, глубины 100м - на спектральной составляющей 405 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 3 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,53°); на спектральной частоте 270 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 4,5 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,6°); на спектральной частоте 135 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 8,9 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,9°) и т.д.

Таким образом, устройство в режиме волнографа позволяет получать достоверную информацию о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин за счет оптимизации характеристик зондирующего ультразвукового поля, в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости ЭАП 4, являющегося элементом донного ПАУ 5, обеспечивая повышение точности и приводя к регистрации уточненных данных.

Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования резонансного ультразвукового рассеяния, в частности, модернизированный режим волнографа обеспечивает наклонное ультразвуковое облучение с частотами и взволнованной поверхности границы 7 раздела «вода-воздух», которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП 4^/, - либо при изменении угла относительно горизонта за счет коммутации разных «меридиональных» ЭАП 4^/; для реализации применяются те же излучающий и приемный тракты режима волнографа, отличием приемного тракта является возможность отдельного измерения амплитуд отраженных спектральных компонент сигнала, в связи, с чем в него добавлены последовательно включенные -входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными - входами перемножителя 11, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20, совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора 28 (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки 20.

Известен расчет конструкции ПАУ 5 для случая использования в качестве излучающих элементов круглых плоских поршневых ЭАП 4 (см. V.Y. Voloshchenko.

“Seadrome: Increasing the safety of takeoff and landing operations in the seaplane basin”, Russian Aeronautics (Iz VUZ), 59(2), 271-276, DOI 10.3103/S1068799816020197, http://link.springer.com/article/10.3103/S1068799816020197, 2016). Угловая ширина основного лепестка (в градусах) на заданном относительном уровне (0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) ХН круглого поршневого ЭАП 4 определяется его волновым размером ( - диаметр преобразователя, - длина волны акустического сигнала с частотой , распространяющегося со скоростью в воде) и может быть рассчитана по формуле где уровням = 0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента = 58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0 (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. пром., 1974. - 275 с. Глава 1 Сплошные антенны § 1 Плоские антенны с круглым раскрывом. с. 15-19). Если акустические оси соседних ЭАП 4 с резонансной частотой кГц (6 мм) для кольцевых рядов разнесены на одинаковый угол , а относительный уровень перекрывания их основных лепестков (), то диаметр ЭАП 4 определяется соотношением , откуда м. В то же время диаметр ЭАП 4 и диаметр несущей полусферической конструкции ПАУ 5 могут быть связаны соотношением , откуда м. Оценим количество ЭАП 4 диаметром , размещаемых на полусфере ПАУ 5 диаметром . Так, для описанного выше варианта конструкции длина окружности нижнего кольцевого ряда составляет 1,98 м, что при диаметре ЭАП 4 0,059 м, дает размещаемое количество ЭАП 4 - 33, причем, для последующих десяти «вышележащих» рядов потребуется - 32, 29, 25, 23, 18, 12, 9, 6, 3 соответственно. Из геометрии полусферической конструкции ПАУ 5 следует соотношение: , где - угол в вертикальной плоскости между направлением облучения и нормалью к облучаемой границе раздела «вода-воздух» (угол визирования), причем, для указанных выше кольцевых рядов углы визирования составят 90°, 81°, 72°, 63°, 54°, 45°, 36°, 27°, 18°, 9°, 0°.

По команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 поступают импульсы на управляющие входы как резонансных усилителей 8 («запирают» на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от границы раздела), так и генератора 1, вырабатывающего радиоимпульс длительностью с гармоническим заполнением с частотой . Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП 4^/ выбранного кольцевого ряда, обеспечивающего необходимый угол визирования , который, являясь составным элементом донного ПАУ 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки в водную среду 6. Водная среда 6 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейных эффектов - самовоздействия и самодемодуляции (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273). Получение достоверной информации о параметрах морского волнения обеспечивается применением для облучения границы раздела «вода-воздух» 7 не только сигнала накачки с частотой , но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами , где - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами , , , , , где =1,2,3, …,, - порядковый номер максимума в спектре, - длительность излученного импульса соответственно. Полигармонический зондирующий сигнал , содержащий спектральные составляющие с частотами , где - порядковый номер гармоники, и , , , , , где =1,2,3, …,, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела «вода-воздух» 7 и отражается от нее, причем, основной вклад в обратно рассеянный сигнал вносят составляющие поверхности с волновым числом , подчиняющиеся условию «резонансного», или избирательного рассеяния, для которых выполняется условие

где - волновое число; - длина излучаемой волны; - угол между направлением облучения и нормалью к поверхности (угол визирования); - «резонансная» длина взволнованной поверхности; - порядок пространственного спектра. Отраженный полигармонический сигнал достигает ЭАП 4^/, находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами и , , , , , среди которых есть и «резонансно» рассеянные компоненты. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными ХН и , чувствительностями и в режиме приема ЭАП 4^/ для каждой из рассеянных границей раздела «вода-воздух» акустических волн с указанными выше частотами колебаний, а также условием «резонансного», или избирательного рассеяния (11). В канальном приемном тракте обработки амплитудных характеристик спектра эхосигнала по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 выбираются «резонансные» дискретные частотные составляющие, электрические сигналы соответствующие которым, через резонансные усилители 8, детекторы 9, аттенюаторы 10 поступают на входов аналогового ключа 29, выход которого соединен со входом индикатора 30. Управляющие входы блоков 29 и 30 соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20, причем, перемножитель 11 по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительного выхода блока управления и настройки 20 отключен, т.е. описанный выше режим волнографа не функционирует. Таким образом, с помощью модернизированного режима волнографа можно как измерять амплитуды отраженного сигнала в приемном тракте аппаратуры, так и анализировать полученные экспериментальные зависимости, причем, при облучении взволнованной поверхности границы раздела «вода-воздух» либо под фиксированным углом относительно горизонта на различных частотах ультразвуковых сигналов, либо при изменении угла относительно горизонта на нескольких фиксированных значениях частот излучаемых ультразвуковых волн.

Пример 3. С целью оценки возможностей применения ЭАП 4^/ из выбранного кольцевого ряда ПАУ 5, для исследования «резонансного» механизма рассеяния были проведены эксперименты в гидроакустическом бассейне, координатное устройство которого позволяло в вертикальной плоскости изменять угол визирования в диапазоне (30°-70°), град при облучении различных плоских пенопластовых образцов достаточных поперечных размеров. Отражающая поверхность образцов имеет синусоидальный профиль с различными как «резонансными» длинами , так и высотами регулярных неровностей. Использовался ЭАП 4^/ с круглым плоским (диаметр 20 мм) пьезоэлементом с резонансной частотой = 2, 5 МГц, которой обеспечивал формирование в режиме параметрической излучающей антенны (ПИА) рабочих ультразвуковых сигналов в диапазоне (50 - 200) кГц. Анализ экспериментальных угловых и частотных зависимостей первых порядков () для нормированных амплитуд отраженного сигнала при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 6 мм и высотой неровности = 2 мм, полученные при различных длинах (кривые 1, 2, 3 - 7,5 мм, 8,57 мм, 10 мм,) ультразвуковых волн в диапазоне изменения угла визирования (от 30° до 65°), а также для фиксированного угла визирования в диапазоне изменения частоты ультразвукового облучения (от 175 кГц до 215 кГц), подтверждает соответствие расположения нормированных максимумов отраженных сигналов условию резонанса (10), причем, совпадение расчета и эксперимента составляет (10 - 20)%. Наряду с резонансами первого порядка наблюдались эффекты высших порядков и : кривые 1 и 2 получены для различных длин = 7,5 мм и 10 мм ультразвуковых волн соответственно при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 12 мм и высотой неровности = 4 мм. Полученные результаты подтверждают наличие резонансного механизма рассеяния и перспективность его использования для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности.

Пример 4. При проектировании режима доплеровского измерения скорости течений необходимо оценить возможное дополнительное информативное уширение доплеровского спектра эхосигналов в тракте, использующем сигналы объемной реверберации на высших гармониках , где - скорость звука в среде, - длина волны акустического сигнала с частотой . Так, в предположении, что рассеиватели пассивно переносятся течением, механизм уширения спектра обусловлен следующими причинами (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, стр. 155-163):

1) турбулентными пульсациями показателя преломления, происходящими в рассеивающем водном объеме со среднеквадратичной скоростью , где - скорость течения в данном объеме. Уширение спектра для рабочих локационных сигналов в данном случае можно рассчитать ,

2)конечностью размера озвучиваемого объема водной среды , где - расстояние до рассеивающего объема, - угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН для ЭАП 4 на кратных частотах, - длительность излучаемого импульса. В данном случае уширение спектра , где - поперечный размер водного объема, рассеивающего акустический сигнал с частотой .

Отсюда следует, что уширение доплеровского спектра эхосигналов кратных частот, имеет значительную величину для более высокочастотных сигналов, обеспечивая большую информативность и чувствительность канала при, соответственно, меньшей величине погрешности измерения. Вышеизложенное позволяет давать практические рекомендации по выбору длины волны ультразвуковых волн для реализации предлагаемого акустического способа.

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к акустическим способам и приборам для измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды методом импульсной эхолокации полигармоническим ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна к границе раздела «вода - воздух». Изобретение может быть применено для измерения параметров течений слоистой водной среды акустическим способом на основе информации, полученной за счет отражения и рассеяния ультразвука от k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть и пассивно переносимых течениями водной массы. Сущность: в способе осуществляют режим проведения измерений и регистрации параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде и выбором двух пар ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси четырех ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У; генерируют несущие колебания с частотой и излучение с помощью четырех ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела «вода - воздух», формируя в водной среде четыре ПИА, в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие); генерируют четыре полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , где n = 1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники; устанавливают акустические контакты с k слоями рассеивателей, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ _{i сл} течений; выбирают необходимое для измерений количество i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ _{i сл} течений на i горизонтах глубин в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах; задают идентичные параметры стробирования в приемном тракте; выбирают i-й горизонт глубин для получения данных о величине скорости υ _{i сл} течения в i-м слое водной среды. Технический результат: повышение эффективности измерений и регистрации параметров движения слоистой морской среды в широкой полосе рабочих частот при облучении ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна. 2 ил.

Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды, включающий:

- установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых электроакустических преобразователей (ЭАП), акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого установлена определенным образом относительно сторон света (1);

- осуществление измерений параметров морского волнения при нормальном облучении ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода - воздух» с использованием ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью (2);

- генерацию в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой , и их преобразование с помощью ЭАП в периодические посылки ультразвуковых (УЗ) волн с необходимой длительностью (3);

- формирование в водной среде параметрической излучающей антенны (ПИА), в водном объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) ультразвуковые сигналы (4);

- облучение снизу вверх ультразвуковыми (УЗ) сигналами участка границы раздела «вода - воздух» через k слоев рассеивателей, которые распределены в водном объеме и движутся с различными скоростями течений, и осуществление акустических контактов с ними, что формирует маскирующий объемный реверберационный процесс и запаздывающий эхосигнал (5);

- получение информации об отражательной способности и дистанции как для k слоев рассеивателей, так и для облучаемого участка границы раздела «вода - воздух» за счет приема и преобразования отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы (6);

- осуществление в -канальном приемном тракте аппаратуры обработки электрических сигналов с последующим перемножением полученных амплитудных характеристик для дискретных частотных составляющих результирующего эхосигнала (7);

- выбор как количества регистрируемых спектральных составляющих эхосигнала, так и вариантов их обработки в -канальном приемном тракте аппаратуры и регулировка основных параметров: остроты направленного действия, угловой ширины основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов характеристики направленности (ХН) ЭАП в режиме приема (8);

- регулировку точности измерений для режима нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода - воздух» за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях (9);

- выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений (10);

- осуществление режима проведения измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода - воздух» и выбор двух ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ (11);

- генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой и излучение с помощью обоих ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела «вода - воздух» (12);

- формирование в водной среде двух параметрических излучающих антенн (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент, и генерирование двух полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ (13);

- установление акустических контактов с k слоями рассеивателей, которые распределены в двух водных объемах и движутся с различными скоростями течений, а также с двумя участками взволнованной границы раздела «вода - воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, причем относительно дна поверхностная ветровая волна приближается для одного из выбранных ЭАП, в то время как для другого - удаляется (14);

- преобразование эхосигналов от двух участков взволнованной границы раздела «вода - воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем для одного из выбранных ЭАП частота увеличена, в то время как для другого - уменьшена (15);

- осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраического суммирования частот сигналов, принятых двумя ЭАП, для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот (16);

- преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжение с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре (17);

- выбор следующей пары ЭАП, смещенных относительно первоначально выбранных, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси следующей пары ЭАП имеют те же одинаковые углы наклона относительно горизонта и также находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ (18);

- выполнение последовательно операций (11) – (17), осуществляемых до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода - воздух», не достигнет максимального значения, что возможно при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП для данного этапа измерений (19);

- осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры перехода от значения полученной максимальной доплеровской частоты к значению горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения (20);

- выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры (21);

- измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-частотных характеристик для заданных участков границы раздела «вода - воздух», расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла наклона облучения относительно горизонта, причем величина последнего при измерении АЧХ в рамках отдельной серии остается неизменной (22);

- измерение в канале волнографа приемного тракта аппаратуры серии амплитудно-угловых характеристик на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого ультразвука для протяженного участка границы раздела «вода - воздух», соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем величина выбранного значения частоты излучаемого ультразвука при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной (23);

отличающийся тем, что

- осуществляют проведение измерений и регистрацию параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде и выбор двух пар ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, а акустические оси четырех ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У (24);

- генерируют с помощью излучающего тракта аппаратуры электрические несущие колебания с частотой и излучение с помощью четырех ЭАП одновременно импульсов ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела «вода - воздух», формируя в водной среде четыре ПИА, в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (25);

- генерируют четыре полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, при этом оппозитно расположенные в парах пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ, их акустические оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в двух вертикальных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У (26);

- устанавливают акустические контакты с k слоями рассеивателей, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ_{i сл} течений, которые могут иметь относительно дна направления векторов скоростей течений υ_{i сл} в k слоях на i горизонтах глубин как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, { ±υ_{у (i сл)}} относительно осей Х и У (27);

- выбирают необходимое для измерений количество i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ_{i сл} течений на i горизонтах глубин в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах, за счет выбора характеристик приемного строба и последовательности его перемещения в заданном диапазоне глубин (28);

- задают идентичные параметры стробирования в приемном тракте для получения усредненных по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ_{i сл} течений для имеющихся четырех оппозитно расположенных в парах водных объемов, состоящих из i слоев рассеивателей, облучаемых ультразвуком (29);

- осуществляют выбор i-го горизонта глубин для получения данных о величине скорости υ_{i сл} течения в i-м слое водной среды, который включает в себя четыре, выделенные за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, области рассеивателей, которые облучаются ультразвуком и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, { ±υ_{у (i сл)}} скорости υ_{i сл} на i-м горизонте глубин относительно осей Х и У , причем знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся областей рассеивателей относительно дна (30);

- преобразуют эхосигналы от четырех, выделенных за счет стробирования и оппозитно расположенных в парах, областей рассеивателей, которые пассивно переносятся течением со скоростью υ_{i сл} в i-м слое водной среды, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем для одних ЭАП из выбранных оппозитных пар частота будет увеличена, в то время как для других ЭАП из выбранных оппозитных пар - уменьшена (31);

- осуществляют в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраическое суммирование частот сигналов для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот ,, позволяющее произвести для i-го слоя водной среды расчет n значений величин компонент скорости течения {±υ_{х (nf, i сл)}}, {±υ_{у (nf, i сл)}} относительно донных осей Х и У и модуля скорости течения υ_{i сл} в i-м слое водной среды, а также n значений величин угла смещения α_{(nf, i сл)} направления вектора скорости течения относительно осей Х и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями:

причем полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды (32);

- осуществляют последовательно операции (30) – (32) для последующих горизонтов глубин в движущихся слоях водной среды (33);

- преобразуют полученную информацию в код индикаторных элементов и сопрягают ее с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре (34).