Изобретение относится к области океанографических исследований, в частности к акустическим способам и приборам для измерения и регистрации трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории. Получение информации обеспечивается по схемам как моностатической, так и мультистатической эхолокации «снизу-вверх» полигармоническими ультразвуковыми (УЗ) сигналами, которые генерируются в водной среде с использованием эффектов нелинейной акустики при использовании антенных устройств, установленных на заданном участке дна обследуемой акватории. Область использования – гидроакустика, океанография.
Изобретение может быть применено на прибрежной акватории для исследования динамики изменения: 1) параметров течений в объеме слоистой водной среды за счет отражения и рассеяния ультразвука от k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п. пассивно переносимые течениями водной массы), имеющих как «индивидуальную» плотность распределения в заданных областях облучения, так и нейтральную плавучесть, 2) характеристик гидроусловий (генеральное направление бега поверхностной волны, ее амплитуда и длина волны и т.д.).
Известен многочастотный эхоимпульсный способ измерения параметров морского волнения и реализующий его акустический волнограф, раскрытый в патенте № 168083 РФ G01S 15/60, опубл. 17.01.2017. С помощью устройства – многочастотного акустического волнографа методом моностатического 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 моностатической импульсной эхолокации полигармоническим УЗ-сигналом.
Использование данного способа измерения параметров морского волнения предполагает выполнение следующей последовательности операций:
1) установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из 
одинаковых обратимых 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 должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый обратимый ЭАП может быть использован по моностатической схеме эхопоиска, снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;
2) измерение параметров морского волнения при осуществлении режима обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода – воздух, с использованием обратимого 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 обратимого ЭАП в периодические посылки УЗ-волн с необходимой длительностью, которые распространяются в выбранном вертикальном 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 ч низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ-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 переносятся течениями в слоях с различными скоростями,
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 обратимым ЭАП отраженных УЗ-волн в электрические сигналы;
7) осуществление для режима обращенного моностатического эхолота 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) обратимого ЭАП в режиме приема;
9) регулировка точности измерений для режима обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух, за счет изменения разрешающих способностей как по дальности, так и по углу;
10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения для режима обращенного моностатического эхолота в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.
Данный способ имеет следующие недостатки и ограничения в применении:
1) для получения сведений о закономерности изменения удаления облучаемых границ раздела от обратимого ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ, используется только вертикальное направление облучения, что является его пространственным ограничением. Это связано с тем, что непрерывные замеры во время бега поверхностной ветровой волны обеспечивают только двумерность регистрации изменения ее профиля во времени, причем непосредственно над данным ПАУ. Для получения более полного и точного объема сведений о параметрах движения слоистой морской среды, а также характеристиках взволнованной границы раздела вода - воздух над большей площадью донной поверхности необходимо также использовать наклонное облучение границы раздела полигармоническим УЗ-сигналом снизу-вверх при моностатической схеме эхопоиска. Однако в обоих случаях способ не позволяет измерять и регистрировать трехмерную картину течений в слоистой морской среде, а также динамику изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории большой площади.
2) не обеспечена возможность прямого измерения с использованием эффекта Доплера параметров движения слоистой водной среды, 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.
3) в способе не предусмотрено определение генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, что снижает продуктивность проводимых измерений;
4) в способе не реализована возможность классификации по отраженному сигналу параметров процесса морского волнения, а также характеристик движения слоистой морской среды.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности измерения и регистрации трехмерной картины течений как движения k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть, в слоистой морской среде, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории большой площади.
Из уровня техники известен акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения, описанные в патенте №2721307 РФ G01S 15/60, опубл. 18.05.2020, из которого следует:
1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых обратимых 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 должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый обратимый ЭАП может быть использован по моностатической схеме эхопоиска, снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;
2) измерение параметров морского волнения при осуществлении режима обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух с использованием обратимого 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 обратимого ЭАП в периодические посылки 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 низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ-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 УЗ-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 обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела «вода- воздух», за счет изменения разрешающих способностей как по дальности, так и по углу;
10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.
11) осуществление измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух за счет их наклонного облучения снизу -вверх при моностатической схеме эхопоиска и выбор двух обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси обоих обратимых 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 обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-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 водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, 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 обратимых 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 обратимых 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 суммирования частот сигналов, принятых двумя обратимыми 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 для режима наклонного облучения снизу-вверх при моностатической схеме эхопоиска;
18) применение моностатической схемы эхопоиска для режима проведения измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух за счет их наклонного облучения снизу-вверх следующей парой обратимых 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 обратимых 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 действий по пунктам 11 – 18, осуществляемых до тех пор, пока для режима наклонного моностатического облучения в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, измеряемое значение доплеровской частоты для УЗ-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 обратимых ЭАП для данного этапа моностатических измерений;
20) осуществление для режима наклонного моностатического облучения в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры преобразования значения полученной максимальной доплеровской частоты к величине горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения;
21) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации для режима наклонного моностатического облучения на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;
22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения 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 режиме наклонного моностатического облучения амплитудно–угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта) на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого УЗдля протяженного участка границы раздела вода - воздух, соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем величина выбранного значения частоты излучаемого УЗ при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной.
Данный способ имеет также недостатки и ограничения в применении:
1) нормальное облучение УЗ-импульсами границы раздела вода - воздух с использованием обратимого ЭАП, т.е. схема обращенного моностатического эхолота, обеспечивает ограниченную площадь обзора на водной поверхности, определяемую угловой шириной основного лепестка ХН обратимого ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ. Таким образом, используется только вертикальное направление облучения, это является его пространственным ограничением. Дело в том, что непрерывные замеры во время бега поверхностной ветровой волны обеспечивают только двумерность регистрации изменения ее профиля во времени. 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 наклонное облучение границы раздела полигармоническим УЗ-сигналом снизу-вверх при моностатической схеме эхопоиска. Однако в обоих случаях способ не позволяет измерять и регистрировать трехмерную картину течений в слоистой морской среде, а также динамику изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.
2) способ не обеспечивает возможности измерения параметров течений в объеме слоистой водной среды за счет отражения и рассеяния УЗ от k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п. пассивно переносимые течениями водной массы), имеющих как «индивидуальную» плотность распределения в заданных областях облучения, так и нейтральную плавучесть;
3) состояние реальной взволнованной морской поверхности может быть описано как результат суперпозиции волновых процессов в широком диапазоне частот капиллярных и гравитационных волн, причем волны могут иметь различные как амплитуды, так и направления распространения, однако, данный аналог не обеспечивает получение данной информации, что снижает продуктивность проводимых измерений.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности измерения и регистрации трехмерной картины течений движения k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть, в слоистой морской среде, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.
Наиболее близким к заявляемому способу является акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды, раскрытый в патенте № 2801053 РФ G01S 15/60, опубл.01.08.2023, бюл. №22, из которого следует:
1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых обратимых 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 должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый обратимый ЭАП может быть использован по моностатической схеме эхопоиска, снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;
2) измерение параметров морского волнения при осуществлении режима обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух с использованием обратимого 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 обратимого ЭАП в периодические посылки УЗ-волн с заданной длительностью, которые распространяются в выбранном вертикальном 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 низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ-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 переносятся течениями в слоях с различными скоростями,
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 обратимым ЭАП отраженных УЗ-волн в электрические сигналы;
7) осуществление для режима обращенного моностатического эхолота 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 обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух, за счет изменения разрешающих способностей как по дальности, так и по углу;
10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения для режима обращенного моностатического эхолот в приемном канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений;
11) осуществление измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух за счет их наклонного облучения снизу -вверх при моностатической схеме эхопоиска и выбор двух обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси обоих обратимых 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 обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-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 водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, 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 обратимых 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 обратимых 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 суммирования частот сигналов, принятых двумя обратимыми 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 для режима наклонного облучения снизу -вверх при моностатической схеме эхопоиска ;
18) применение моностатической схемы эхопоиска для режима проведения измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода - воздух» за счет их наклонного облучения снизу-вверх следующей парой обратимых 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 обратимых 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 для режима наклонного моностатического облучения в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, измеряемое значение доплеровской частоты для УЗ-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 обратимых ЭАП для данного этапа моностатических измерений;
20) преобразование значения полученной максимальной доплеровской частоты к величине горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения, в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры;
21) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации для режима наклонного моностатического облучения на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;
22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения 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 режиме наклонного моностатического облучения амплитудно–угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта) на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого УЗ для протяженного участка границы раздела вода - воздух, соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем величина выбранного значения частоты излучаемого УЗ при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной;
24) осуществление процесса измерений и регистрации параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде, в режиме наклонного моностатического облучения за счет использования доплеровского метода
и выбора двух пар обратимых ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси четырех обратимых 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;
25) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой
и излучение с помощью четырех обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-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, формируя доплеровские измерительные каналы в слоистой водной среде для режима наклонного моностатического облучения;
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 {±υх (i сл)}, { ±υу (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, в которых при облучении УЗ сформированы доплеровские измерительные каналы для режима наклонного моностатического облучения;
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 УЗ и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υх (i сл)}, { ±υу (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 в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения;
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 обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар частота будет увеличена (области рассеивателей приближаются), в то время как для других обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар – уменьшена (области рассеивателей удаляются);
32) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры 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 {±υх (nf, i сл)}, {±υу (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
,
,
α(nf, i сл)=arctg[
/
] = arctg[/]
и
,
полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды;
33) осуществление последовательности операций по п.п.30 – 32 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 для режима наклонного моностатического облучения.
Между тем недостатки ближайшего аналога, аналогичные недостаткам других аналогов препятствуют достижению заявляемого технического результата. Это связано с отсутствием возможности измерения и регистрации трехмерной картины течений как движения k слоев рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.), имеющих нейтральную плавучесть, в слоистой морской среде, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории большой площади.
Основной задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры для океанографических исследований за счет применения эффектов нелинейной акустики.
Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения, на заданном участке дна обследуемой акватории в широкой полосе рабочих частот при облучении УЗ-сигналами со стороны дна.
Заявляемый результат достигается тем, что в известный акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды, включающий
1) установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из одинаковых обратимых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимирует плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый обратимый ЭАП использован по моностатической схеме эхопоиска, снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;
2) измерение параметров морского волнения при осуществлении режима обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода- воздух с использованием обратимого 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 обратимого ЭАП в периодические посылки УЗ-волн с заданной длительностью, которые распространяются в выбранном вертикальном 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 низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ-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 переносятся течениями в слоях с различными скоростями,
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 обратимым ЭАП отраженных УЗ-волн в электрические сигналы;
7) осуществление для режима обращенного моностатического эхолота 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) регулировку точности измерений в режиме обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух, за счет изменения разрешающих способностей как по дальности, так и по углу;
10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном канальном тракте аппаратуры в режиме обращенного моностатического эхолота с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений;
11) осуществление измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух за счет их наклонного облучения снизу - вверх при моностатической схеме эхопоиска и выбор двух обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, причем акустические оси обоих обратимых 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 обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-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 водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, 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 обратимых 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 обратимых 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 суммирования частот сигналов, принятых двумя обратимыми 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 для режима наклонного облучения снизу -вверх при моностатической схеме эхопоиска ;
18) проведение измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела «вода - воздух» в режиме моностатической схемы эхопоиска за счет наклонного облучения снизу - вверх следующей парой обратимых 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 обратимых 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 для режима наклонного моностатического облучения в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, измеряемое значение доплеровской частоты для УЗ-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 обратимых ЭАП для данного этапа моностатических измерений;
20) преобразование значения полученной максимальной доплеровской частоты к величине горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения, в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, функционирующей в режиме наклонного моностатического облучения;
21) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации для режима наклонного моностатического облучения на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;
22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения 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 режиме наклонного моностатического облучения амплитудно–угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта) на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого УЗ для протяженного участка границы раздела вода - воздух, соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем величина выбранного значения частоты излучаемого УЗ при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной;
24) осуществление процесса измерений и регистрации параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде, для режима наклонного моностатического облучения за счет использования доплеровского метода
и выбора двух пар обратимых ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси четырех обратимых 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;
25) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой
и излучение с помощью четырех обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-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 взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ и проецируемых на дно в виде осей Х и У, формируя доплеровские измерительные каналы в слоистой водной среде для режима наклонного моностатического облучения;
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 {±υх (i сл)}, { ±υу (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, в которых при облучении УЗ-сформированы доплеровские измерительные каналы для режима наклонного моностатического облучения;
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 УЗ-и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υх (i сл)}, { ±υу (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 в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения;
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 обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар частота будет увеличена - области рассеивателей приближаются, в то время как для других обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар – уменьшена - области рассеивателей удаляются;
32) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры 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 {±υх (nf, i сл)}, {±υу (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
,
,
α(nf, i сл)=arctg[/] = arctg[/]
и
,
полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды;
33) осуществление последовательности операций по п.п.30 – 32 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 для режима наклонного моностатического облучения,
дополнительно введены
35) размещение на донной поверхности прибрежной акватории восьми периферийных ПАУ вокруг имеющегося ПАУ, таким образом, что последний стал центром пространственной структуры квадратной формы, длины сторон которой равны двойной глубине водоема, места размещения периферийных – вершины и середины противолежащих сторон, а направления их соединяющие, соответствуют восьмиконечной розе компаса, т.е. восьми направлениям основных ветров, – север (С), 0° (360°); северо-восток (СВ), 45°; восток (В), 90°; юго-восток (ЮВ), 135°; юг (Ю), 180°; юго-запад (ЮЗ), 225°; запад (З), 270°; северо-запад (СЗ), 315°,
для всех ПАУ проекции поверхностных осевых меридианов установлены единообразно относительно сторон света,
ПАУ электрически соединены друг с другом и управляются через аппаратуру берегового поста, что заключается в поочередной реализации двух вариантов использования бистатической схемы зондирования для измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом 
наклона относительно горизонта участков взволнованной границы раздела вода - воздух, расположение которых на водной поверхности соответствуют взаимно перпендикулярным направлениям,
как основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270° ,
так и полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315° соответственно;
36) реализация в аппаратуре берегового поста режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с пунктом 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180° и восток (В), 90° - запад (З), 270° , т.е. вдоль линий, которые соединяют середины противолежащих сторон плоской пространственной структуры квадратной формы;
37) выбор четырех обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных меридианов полусферической поверхности центрального донного ПАУ, для которых акустические оси имеют одинаковые углы наклона =45° относительно горизонта и находятся в двух вертикальных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через оси симметрии пяти донных ПАУ - центрального и четырех периферийных, причем последние попарно оппозитно расположены относительно центрального;
38) генерация в излучающем тракте аппаратуры центрального донного ПАУ амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой и длительностью 
соответственно
и их преобразование с помощью выбранных четырех обратимых ЭАП центрального донного ПАУ в периодические посылки УЗ-волн, осуществляя синхронный запуск в береговой аппаратуре приемных трактов четырех периферийных ПАУ;
39) формирование в водной среде четырех параметрических излучающих антенн (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются, в частности, низкочастотные (НЧ) УЗ-сигналы кратных частот - спектральные составляющие с частотами 
…,
- за счет эффекта самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения и длительностью , которые распространяются в направлении четырех взаимно перпендикулярных участков взволнованной границы раздела вода - воздух;
40) установление акустических контактов с данными четырьмя участками взволнованной границы раздела вода - воздух, в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна с длиной 
и высотой неровностей 
, что приводит к переизлучению НЧ УЗ-сигналов кратных частот
– самодемодулированных спектральных составляющих с частотами …, ,
каждое из четырех переизлученных УЗ-полей является суперпозицией двух компонент – регулярной (вблизи направления зеркального отражения) и случайной (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу), причем превалирование одной компоненты над другой позволяет однозначно оценить степень взволнованности поверхности моря;
41) использование обратимых ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ, для приема и преобразования в электрические сигналы как отраженных, так и рассеянных компонент переизлученных УЗ-полей от четырех оппозитных участков взволнованной границы раздела вода - воздух;
42) осуществление в 
канальных приемных трактах аппаратуры обработки совокупности электрических сигналов с выходов обратимых ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ: - фильтрация на выбранных оператором частотах из набора …,, усиление, детектирование, измерение амплитудно-угловых зависимостей звуковых давлений в переизлученных УЗ-полях, т.е. получение нормированного распределения, которое определяется соотношением 
, т.е. высоты неровностей поверхностной ветровой волны и длины волн из набора 
, 
,…, 
;
43) оценка степени взволнованности на четырех оппозитных участках границы раздела вода - воздух за счет преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжения с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре для первого варианта бистатической схемы зондирования с соблюдением направлений основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270°;
44) реализация в аппаратуре берегового поста режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с пунктом 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315°, т.е. по линиям, которые соединяют противолежащие вершины плоской пространственной структуры квадратной формы;
45) выполнение последовательно операций по пунктам 37 – 43 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315° ;
46) выполнение последовательно операций по пунктам 2 – 10 для всех периферийных ПАУ в режиме обращенного моностатического эхолота т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух с использованием обратимого ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью;
47) выполнение последовательно операций по пунктам 11 – 34 для всех периферийных ПАУ в режиме наклонного моностатического облучения,
48) анализ полученного массива данных для всех донных ПАУ по пунктам 10, 34, 44, 46 - 47 с последующим отображением, регистрацией и документированием трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.
Заявляемый способ поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена схема размещения на донной поверхности 4 прибрежной акватории девяти одинаковых ПАУ 1, связанных как друг с другом, так и береговым постом 5 шиной 3, – их которых восемь периферийных образуют вокруг центрального - плоскую пространственную структуру квадратной формы с длинами сторон равными двойной глубине. Геометрия построения структуры соответствует восьмиконечной розе компаса (восьми направлениям основных ветров 2).
На фиг.2 схематически представлены особенности функционирования предлагаемого способа, состоящее в том, что в областях расположения каждого ЭАП реализуется несколько режимов широкополосного облучения УЗ-сигналами со стороны дна обследуемой акватории: - обращенного моностатического эхолота (синий цвет), наклонного моностатического (зеленый цвет) и бистатического облучения (красный цвет).
На фиг.3 схематически отображены особенности функционирования предлагаемого способа, состоящие в том, что в областях расположения каждого ЭАП для i-тых слоев водной среды получены значения величин компонент скорости течения {±υх (nf, i сл)}, {±υу (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.
На фиг.4 представлена информация, поясняющая особенности функционирования предлагаемого способа и устройства, его реализующего, радиоэлектронная аппаратура которого размещена на береговом посту.
На Фиг.5 изображены особенности функционирования предлагаемого способа в части измерения скоростей течений в слоистой водной среде.
На фиг.6 изображен энергетический спектр низкочастотного самодемодулированного сигнала, сформировавшегося в воде для РПА «Сарган-ЭМ», излучающего в штатном высокочастотном (ВЧ) режиме зондирующего импульса с частотой заполнения 135 кГц.
На фиг.7 изображена расчетная зависимость для осевого распределения уровня звукового давления, формирующегося в воде самодемодулированного импульса при работе в режиме параметрического излучения (РПИ) РПА «Сарган-ЭМ».
На фиг.8 изображены экспериментальные угловые распределения уровней звукового давления рабочих сигналов РПА «Сарган-М» для режимов: параметрического излучения (кривая 2), на высокой 135 кГц (кривая 1) и низкой 20 кГц (кривая 3) частотах.
На фиг.9, 10 представлены экспериментальные угловые (фиг.9) и частотные (фиг.10) зависимости 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, фиг.9) УЗ-волн в диапазоне изменения угла визирования 
( от 30° до 65°), а также для фиксированного угла визирования 
(фиг.10) в диапазоне изменения частоты УЗ-облучения (от 175 кГц до 215 кГц).
На фиг.11 изображены резонансные кривые для кратных эффектов высших порядков 
и 
: кривые 1 и 2 получены для различных длин = 7,5 мм и 10 мм УЗ-волн соответственно при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 12 мм и высотой неровности = 4 мм.
На фиг.12 изображена зависимость добротности для режима резонансного рассеяния, определяемой шириной резонансной кривой, от расстояния между излучателем и поверхностью с синусоидальным профилем. Видно, что добротность возрастает с увеличением числа облучаемых элементов поверхности.
На фиг.13 и 14 представлены экспериментальные результаты измерений угловых распределений относительных уровней переизлученных моделями взволнованной поверхности УЗ-полей, являющихся суперпозицией двух компонент – регулярной (вблизи направления зеркального отражения) и случайной (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу), причем на фиг.13 превалирует регулярная компонента, в то время как на фиг.14 случайная.
Улучшение эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры для океанографических исследований за счет применения эффектов нелинейной акустики, в частности, предлагаемого способа для измерения и регистрации трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения, достигается за счет широкополосного облучения УЗ-сигналами со стороны дна обследуемой акватории. Как следует из фиг.1, на донной поверхности прибрежной акватории размещены девять одинаковых ПАУ, связанных как друг с другом, так и береговым постом, – из которых восемь периферийных образуют вокруг центрального - пространственную структуру квадратной формы с длинами сторон равными двойной глубине. Геометрия построения структуры соответствует восьмиконечной розе компаса (восьми направлениям основных ветров), причем для всех ПАУ проекции поверхностных осевых меридианов установлены единообразно относительно сторон света. Основой для реализации способа является ПАУ, полусферическая поверхность которого состоит из апертур одинаковых ЭАП, образующих упорядоченную систему параллелей и меридианов. ПАУ выполнено в соответствии с пат. № 104732 РФ G01S 15/00; опубл. 20.05.2011, Бюл №14. ЭАП во всех ПАУ соединены через многоканальный управляемый коммутатор с радиоэлектронной аппаратурой берегового поста. Это позволяет оператору (или автоматической системе принятия решений) берегового поста в областях расположения каждого ЭАП реализовывать несколько режимов широкополосного облучения УЗ-сигналами со стороны дна обследуемой акватории: - обращенного моностатического эхолота, наклонного моностатического и бистатического облучений (фиг.2,3). Получаемая «зональная» информация обеспечивает возможность интегральной обработки для регистрации трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также получения уточненных данных о характеристиках поверхностного волнения на обследуемой прибрежной акватории (фиг.3). Устройство для реализации способа содержит ПАУ 5 (фиг.4), 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.4, 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 обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-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), в котором используется ЭАП 4. Акустическая ось ЭАП расположена вертикально, т.е. облучение короткими УЗ-импульсами взволнованной границы раздела 7 (фиг.4,5) 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.4) 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.4,5). Импульсный режим излучения УЗ-волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 (фиг.4,5) вода - воздух, формирует в водной среде 6 две параметрические излучающие антенны (ПИА) (самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка УЗ-сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении УЗ-волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг.5), 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 УЗ-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.
Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования резонансного УЗ-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 взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ5. Акустические оси четырех ЭАП4 имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ5 и проецируемых на дно в виде осей Х и У. Формирование четырех полигармонических пучков УЗ-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 {±υх (i сл)}, { ±υу (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 моностатического облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух обеспечивает канал измерений параметров морского волнения. Измерение резонансного УЗ-рассеяния в режиме волнографа обеспечивает наклонное УЗ-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.
Акустический способ измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории реализуется следующим образом (фиг.1, 2, 3, 4). 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 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 УЗ-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 «бестелесной» параметрической излучающей антенны (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 УЗ-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)
, (1)
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 ЭАП 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 на прибрежной акватории, 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 обращенного моностатического эхолота» (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 УЗ-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 УЗ-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 отдельного донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП 4/, 4// имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта (фиг.4 и 5) и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5.
На фиг.4, 5 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 УЗ-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 должна быть установлена определенным образом относительно сторон света. Положение вектора горизонтальной скорости («туда» или «оттуда») вдоль генерального направления распространения поверхностной ветровой волны (фиг.4) может быть установлено за счет регистрации изменения частот принимаемых УЗ-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 3) обоих ЭАП 4/, 4// , соединенных через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры – генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг.4). Импульсный режим излучения УЗ-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 УЗ-сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении УЗ-волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг.4, 5), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке (на фиг.4, 5 слева) – волновой процесс приближается ( частота увеличена), а на втором (на фиг.4, 5 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 «-»)
(2)
.
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 электрическиx 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
, (3)
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.
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.4, 5), 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 - і0,2 (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 характеристики 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, 2018г.- 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 (m=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°.
Пример 2.
Рассмотрим работоспособность и эффективность излучающего тракта устройства в режиме волнографа на основе анализа результатов испытаний рыбопоисковой аппаратуры (РПА) серии «Сарган» в штатных режимах, так как мощность излучения обратимой антенны достаточна для проявления нелинейности упругих свойств водной среды при распространении импульсного сигнала конечной амплитуды с частотой заполнения , т.е. формирования полигармонического зондирующего сигнала как с высокочастотными 
(самовоздействие), так и низкочастотными (самодемодуляция) спектральными составляющими. Двухчастотная антенна РПА «Сарган-К» позволяет излучать в водную среду УЗ-сигнал основной частоты = 19,7 кГц или 135 кГц, причем предусмотрена возможность облучения разных по величине водных объемов (режимы «Широкая диаграмма направленности (ДН)» и «Узкая диаграмма направленности (ДН)») на каждой из данных частот за счет электрического возбуждения как центральной части, так и всех пьезоэлементов, составляющих ее поршневую апертуру.
Известны (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения.- Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2018г.- 176 с. Глава 1 Многочастотный режим РПА для оценки отражательной способности объектов промысла, §1.3 Пространственные характеристики акустических полей зондирующих сигналов, излучаемых антеннами РПА, с.29 - 42 ) экспериментальные характеристики (ХН) антенны РПА «Сарган», где 
– расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; 
– диаметр антенны, абсолютная погрешность измерения угловой ширины основного лепестка ХН по уровню 0,7 составляла (±0,2)°. Из них следует, что для сигнала основной частоты и его высших гармоник, формирующихся в воде: 1) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Широкая ДН» имеет: на частоте = 135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 
= 4,7° и уровень бокового излучения 
=(- 15,5 дБ); на частоте = 270 кГц - 
=3,2° и 
= (- 20 дБ); на частоте 
= 405 кГц - 
=2,8° и 
=(-50 дБ); 2) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» имеет: на частоте =135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 =2,1° и уровень бокового излучения 
=(- 9 дБ); на =270 кГц - 
=1,7° и =(-16 дБ);на =405 кГц -
=1,3° и =(-33 дБ). Антенна комплекса «Сарган-К» в режиме излучения низкочастотного сигнала имеет: на частоте = 19,7 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 = 16° и уровень бокового излучения = (-13 дБ); на частоте = 39,4 кГц - =11,7° и =(-20 дБ); на частоте = 59,1 кГц - = 9,6° и = (-28 дБ). Из представленных данных следует, что угловая ширина основного лепестка по уровню 0,7 и уровень бокового поля ХН антенн для формирующихся в водной среде УЗ-сигналов кратных частот 
уменьшаются, причем при увеличении порядкового номера гармоники данные эффекты проявляются в большей степени. Следует отметить, что режим параметрического излучения (РПИ) на эффекте самодемодуляции был внедрен в РПА «Сарган-К», «Сарган-ЭМ» (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.: Судостроение, 1986.–272с. Глава 7 Параметры аппаратуры в режиме излучения, §7.8 Основные характеристики излучения параметрических антенн, с.112-129), что расширило эксплуатационные возможности изделия при несложных доработках схемных решений. Например, в РПА «Сарган-ЭМ» при излучении в штатном высокочастотном (ВЧ) режиме зондирующего импульса с частотой заполнения 135 кГц в воде формируется низкочастотный самодемодулированный сигнал, энергетический спектр которого имеет максимумы и минимумы (фиг.6), расстояние между которыми на оси частот обратно пропорционально длительности излученного импульса, а также зависит от времен как нарастания, так и спада его фронтов. Один из максимумов энергетического спектра приходится на второй резонанс (19,7 кГц) амплитудно-частотной характеристики обратимой антенны РПА, что и позволяет осуществлять в режиме параметрического излучения эхопоиск за счет регистрации данной спектральной компоненты отраженного низкочастотного сигнала. Рассмотрим подробно численный расчет характеристик режима параметрического излучения (РПИ) в серийной РПА «Сарган-ЭМ», в частности, как энергетического спектра самодемодулированного импульса (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.: Судостроение, 1986.–272с. рис.7.23 на стр.128), так и осевого распределения уровня звукового давления формирующегося в воде сигнала (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. – Л.: Судостроение, 1986. – 272 с., рис.7.24 на стр.128). Из первого графика (рис.7.23 на стр.128) следует, что при излучении эхолотом «Сарган-ЭМ» импульсов с частотой заполнения 135 кГц (длительность излученного импульса =175 мкс, длительности как нарастания, так и убывания фронтов 
58 мкс, частота следования импульсов 
=6,67 кГц) формируется за счет нелинейности упругих свойств водной среды распространения низкочастотный широкополосный сигнал, в спектре которого в областях частот (2,85 кГц, 8,57 кГц, 12,85 кГц, 19,95 кГц,…, , где =1,2,3, …. - порядковый номер максимума в спектре) содержатся максимумы энергии, причем четвертый максимум энергии самодемодулированного импульса (заштрихован на рис.7.23 на стр.128)) соответствует одной из резонансных частот (19.7 кГц) обратимой интерференционной антенны. Из графиков (рис.7.24 на стр.128) следует, что осевые распределения уровней звукового давления как в пресной (фиг.7, кривая 1), так и соленой (фиг.7, кривая 2) водной среде аналогичны известным характеристикам для параметрических излучающих антенн (ПИА). Интересно сопоставить угловые распределения уровней звукового давления рабочих сигналов РПА «Сарган-М» (фиг.8) для режимов: параметрического излучения (кривая 2), на высокой 135 кГц (кривая 1) и низкой 20 кГц (кривая 3) частотах (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. – Л.: Судостроение, 1989. – 256 с. Глава 6 Параметрические антенны в режиме самодетектирования, § Диаграммы направленности, рис.6.14 на стр.174). Итак, в РПИ самодемодулированное излучение практически не имеет бокового поля, основной лепесток близок к главному максимуму излучения на частоте 135 кГц, причем по уровню 0,7 основной лепесток практически в пять раз уже в сравнении с главным максимумом излучения на частоте 20 кГц.
Рассмотрим динамику изменения помехоустойчивости 
ЭАП 4 в режиме приема, входящего в состав донного ПАУ 5, характеризующей его способность в силу пространственной избирательности выделять информативный сигнал с частотой используемой спектральной компоненты полигармонического эхосигнала от взволнованной границы раздела вода - воздух на фоне помех. Итак, помехоустойчивость определяется отношением как мощностей 
сигнала и помех на выходе преобразователя, так и интенсивностей сигнала и помехи 
, измеренных в месте нахождения преобразователя при условии его отсутствия, а также его коэффициентом осевой концентрации 
для направления 
, которое в нашем случае совпадает с вертикально стабилизированной в пространстве акустической осью ХН 
. Известно эмпирическое соотношение (см. В.А. Зарайский, А.М. Тюрин, Теория гидролокации, Л., 1975, 604 с, Глава 1 Основные соотношения для характеристик направленности при излучении колебаний одной частоты, § 5 Приближенный расчет коэффициента концентрации, с.31 - 35), позволяющее осуществить приближенный расчет коэффициента концентрации 
, причем как следует из приведенных выше данных величина знаменателя уменьшается с ростом частоты используемой спектральной составляющей, т.е. увеличивается как коэффициент концентрации , так и помехоустойчивость .
Пример 3.
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 капиллярно-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)
, (4)
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 = 100 м 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, способ и устройство, его реализующее в режиме обращенного моностатического эхолота, позволяет получать достоверную информацию о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин за счет оптимизации характеристик зондирующего УЗ-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 УЗ-рассеяния (фиг.5). Режим наклонного моностатического облучения устройства обеспечивает наклонное УЗ-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, 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, 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.
Известен расчет конструкции ПАУ 5 для случая использования 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. - 275с. 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
; 
, (5)
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 УЗ-волн с указанными выше частотами колебаний, а также условием «резонансного», или избирательного рассеяния (5). 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 режима наклонного моностатического облучения устройства 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 УЗ-сигналов, либо при изменении угла относительно горизонта на нескольких фиксированных значениях частот излучаемых УЗ-волн.
Пример 4.
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 УЗ-сигналов в диапазоне (50 – 200) кГц. Анализ экспериментальных угловых (фиг.9) и частотных (фиг.10) 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, фиг.9) УЗ-волн в диапазоне изменения угла визирования ( от 30° до 65°), а также для фиксированного угла визирования (фиг.10) в диапазоне изменения частоты УЗ-облучения (от 175 кГц до 215 кГц), подтверждает соответствие расположения нормированных максимумов отраженных сигналов условию резонанса (5), причем совпадение расчета и эксперимента составляет (10 – 20)%. Наряду с резонансами первого порядка наблюдались эффекты высших порядков и (фиг. 11): кривые 1 и 2 получены для различных длин = 7,5 мм и 10 мм УЗ-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.
На фиг.12 представлена расчетная зависимость добротности Q образцов поверхности синусоидального профиля (кривая 1 - = 6 мм и = 7,5 мм, кривая 2 - = 20 мм и = 12 мм) от числа 
элементов пространственной структуры поверхности на облучаемой площадке, т.е. исследовалась зависимость ширины резонансной кривой от расстояния между ЭАП 4/ и образцом поверхности синусоидального профиля. Видно, что добротность Q возрастает с увеличением числа , что соответствует физике явления. При этом добротность тем больше, чем меньше длина облучающей волны при одной и той же величине облучаемой площади. Исследовалась также зависимость резонансного рассеяния от соотношения между высотой неровностей и длиной облучаемой волны . При увеличении отношения 
, начиная с >1, резонансная картина становится менее выраженной, уменьшалась добротность резонансных пиков, возрастал уровень отражений в промежутках между резонансными частотами, для максимумов отраженного сигнала не соблюдалось резонансное условие (5).
Вышеизложенное позволяет давать практические рекомендации по выбору длины волны УЗ-волн для реализации предлагаемого акустического способа измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории при использовании режима наклонного моностатического облучения.
Пример 5.
С целью оценки возможностей применения ЭАП 4/ из выбранного кольцевого ряда ПАУ 5 в варианте бистатической схемы для зондирования участков взволнованной границы раздела вода - воздух, на которой распространяется поверхностная ветровая волна, были проведены эксперименты в гидроакустическом бассейне. Диапазон изменения в вертикальной плоскости угла скольжения составлял (5° – 40°), град при облучении различных моделей-отражателей - 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 = 2,12 МГц, которой обеспечивал формирование в режиме параметрической излучающей антенны (ПИА) рабочих УЗ-сигналов в диапазоне (50 – 200) кГц, отличительной особенностью которой является однолепестковая характеристика направленности (ХН) практически без бокового поля.
Отметим, что в отражении звука от неровной поверхности важную роль имеет соотношение между длиной падающей звуковой волны и размерами неровностей этой поверхности. Так, пучок звуковых волн, падая на любую неровную поверхность, от различных точек этой поверхности отражается по законам геометрической акустики – угол падения равен углу отражения. Отдельные элементарные звуковые волны, отраженные от точек неровной поверхности, суммируясь в точке сложения отраженное звуковое поле, характер которого будет зависеть от разности фаз 
элементарных волн, одновременно пришедших в рассматриваемую точку. Очевидно, что условие, при котором отражающая поверхность может считаться акустически ровной, т.е. отражающей зеркально: 
.
Как показывает опыт, переизлученное УЗ-поле (на фиг.13, фиг.14 справа внизу) является суперпозицией двух компонент – регулярной (вблизи направления зеркального отражения) и случайной (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу), причем превалирование одной компоненты над другой позволяет однозначно оценить степень неровности поверхности моря. Ниже проведем анализ экспериментальных угловых (фиг.13 и 14) зависимостей для нормированных амплитуд переотраженного сигнала для варианта бистатической схемы зондирования, т.е. при облучении модельных образцов поверхностей синусоидального профиля с длиной поверхностной волны 
= 30 мм и разными высотами неровностей = 2 мм и 20 мм, полученные при заданных длинах УЗ-волн облучения.
Как следует из фиг.13, сформировавшееся перед переотражением УЗ-поле параметрической излучающей антенны испытало практически зеркальное синфазное отражение, что следует из неизменности формы основного лепестка ХН при имеющихся условиях эксперимента, в частности, малых величинах соотношений длин УЗ-волны и размеров неровностей (2 мм) модельной поверхности – ( от 0,19 до 0,26). В то же время, при прочих равных условиях осуществления эксперимента, применение модельной поверхности с большими размерами неровностей (20 мм) привело к «расфазировке» переотраженного УЗ-сигнала, до отражения сформированного параметрической излучающей антенной (ПИА), что наглядно следует из «разрушения» основного лепестка ХН. Как видно из фиг.14, для больших соотношений длин УЗ-волны и размеров неровностей (20 мм) модельной поверхности – ( от 1,9 до 2,7) имеющееся УЗ-поле расфазировано и испытывает значительные флюктуации, что делает невозможным проведение измерений в данном случае, в отличие от предыдущего (фиг.13). Видно, что случайная компонента (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу) при рассеянии превалирует над регулярной составляющей (вблизи направления зеркального отражения). Однако это может быть преодолено за счет увеличения длины волны зондирующего УЗ, что позволяет осуществить широкополосность излучения ПИА.
Таким образом, и в случае использования вариантов бистатической схемы для зондирования участков взволнованной границы раздела «вода - воздух» можно давать практические рекомендации по выбору длины волны УЗ-волн для реализации предлагаемого акустического способа измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории.
Использование заявляемого способа позволит обеспечить возможность измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения, на заданном участке дна обследуемой акватории в широкой полосе рабочих частот при облучении УЗ-сигналами со стороны дна.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды | 2022 |
|
RU2801053C1 |
| Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения | 2019 |
|
RU2721307C1 |
| Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде | 2022 |
|
RU2795579C1 |
| МНОГОЧАСТОТНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ | 2022 |
|
RU2795577C1 |
| Корреляционный способ измерения параметров тонкой структуры водной среды | 2022 |
|
RU2799974C1 |
| СПОСОБ ПРОВОДКИ БЕСПИЛОТНОГО ГИДРОСАМОЛЁТА НА АКВАТОРИИ ЛЁТНОГО БАССЕЙНА | 2018 |
|
RU2705475C1 |
| Способ измерения скорости подводных течений | 2022 |
|
RU2804343C1 |
| Способ абсолютной градуировки излучающих и приемных электроакустических преобразователей антенного блока акустического доплеровского профилографа течений | 2023 |
|
RU2821706C1 |
| СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЛЕТНОГО БАССЕЙНА ГИДРОАЭРОДРОМА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ВЗЛЕТА И ПРИВОДНЕНИЯ ГИДРОСАМОЛЕТА | 2011 |
|
RU2464205C1 |
| СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ ЛЕТНОГО БАССЕЙНА ГИДРОАЭРОДРОМА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ВЗЛЕТА И ПРИВОДНЕНИЯ ГИДРОСАМОЛЕТА | 2013 |
|
RU2539039C1 |
Изобретение относится к области океанографических исследований, в частности к акустическим способам и приборам для измерения и регистрации трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории. Новым в акустическом способе измерения параметров движения слоистой морской среды на прибрежной акватории является - установка на донной поверхности прибрежной акватории восьми периферийных ПАУ вокруг имеющегося ПАУ, таким образом, чтобы последний стал центром пространственной структуры квадратной формы, длины сторон которой равны двойной глубине водоема, места размещения периферийных – вершины и середины противолежащих сторон, а направления их соединяющие, соответствовали восьмиконечной розе компаса, соответствующей восьми направлениям основных ветров, - север (С), 0° (360°); северо-восток (СВ), 45°; восток (В), 90°; юго-восток (ЮВ), 135°; юг (Ю), 180°; юго-запад (ЮЗ), 225°; запад (З), 270°; северо-запад (СЗ), 315°, при этом для всех ПАУ проекции поверхностных осевых меридианов установлены единообразно относительно сторон света, причем ПАУ электрически соединены друг с другом и управляются через аппаратуру берегового поста, осуществляющую поочередную реализацию двух бистатических схем зондирования для измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом 
наклона относительно горизонта участков взволнованной границы раздела вода - воздух, расположение которых на водной поверхности соответствуют взаимно перпендикулярным направлениям, как основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270° , так и полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315° соответственно; - осуществление в аппаратуре берегового поста режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с пунктом 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180° и восток (В), 90° - запад (З), 270° , т.е. вдоль линий, которые соединяют середины противолежащих сторон плоской пространственной структуры квадратной формы; - выбор четырех обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных меридианов полусферической поверхности центрального донного ПАУ, для которых акустические оси имеют одинаковые углы наклона ИД=45° относительно горизонта и находятся в двух вертикальных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через оси симметрии пяти донных ПАУ - центрального и четырех периферийных, причем последние попарно оппозитно расположены относительно центрального; - генерация в излучающем тракте аппаратуры центрального донного ПАУ амплитудно-импульсные модулированные электрические колебания, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой f и длительностью 
соответственно и преобразование их с помощью выбранных четырех обратимых ЭАП центрального донного ПАУ в периодические посылки УЗ-волн, осуществляя синхронный запуск в береговой аппаратуре приемных трактов четырех периферийных ПАУ; - формирование в водной среде четырех параметрических излучающих антенн (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются, в частности, низкочастотные (НЧ) УЗ-сигналы кратных частот - спектральные составляющие с частотами 
…
- за счет эффекта самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения f и длительностью , которые распространяются в направлении четырех взаимно перпендикулярных участков взволнованной границы раздела вода - воздух; - установку акустических контактов с данными четырьмя участками взволнованной границы раздела вода - воздух, в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью 
поверхностная ветровая волна с длиной 
и высотой неровностей h, что приводит к переизлучению НЧ УЗ-сигналов кратных частот; - самодемодулированных спектральных составляющих с частотами 
…
, каждое из четырех переизлученных УЗ-полей является суперпозицией двух компонент – регулярной (вблизи направления зеркального отражения) и случайной (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу), причем превалирование одной компоненты над другой позволяет однозначно оценить степень взволнованности поверхности моря; - использование обратимых ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ, для приема и преобразования в электрические сигналы как отраженных, так и рассеянных компонент переизлученных УЗ-полей от четырех оппозитных участков взволнованной границы раздела вода - воздух;
- осуществление в (N) канальных приемных трактах аппаратуры обработку совокупности электрических сигналов с выходов обратимых ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ, включающих фильтрацию на выбранных оператором частотах из набора , усиление, детектирование, измерение амплитудно-угловых зависимостей звуковых давлений в переизлученных УЗ-полях, т.е. получение нормированного распределения, которое определяется соотношением 
т.е. высоты неровностей h поверхностной ветровой волны и длины волн из набора 
…
- оценку степени взволнованности на четырех оппозитных участках границы раздела вода - воздух за счет преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжения с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре для первого варианта бистатической схемы зондирования с соблюдением направлений основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270°; - осуществление в аппаратуре берегового поста действия для режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с пунктом 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315°. Использование заявляемого способа позволит обеспечить возможность измерения и регистрации параметров движения слоистой морской среды, а также динамики изменения характеристик поверхностного волнения, на заданном участке дна обследуемой акватории в широкой полосе рабочих частот при облучении УЗ-сигналами со стороны дна. 14 ил.
Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды на прибрежной акватории, включающий
1) установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из 
одинаковых обратимых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимирует плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый обратимый ЭАП использован по моностатической схеме эхопоиска, снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединен кабелем с аппаратурой;
2) измерение параметров морского волнения при осуществлении режима обращенного моностатического эхолота, в результате нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух с использованием обратимого 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 f и их преобразование с помощью обратимого ЭАП в периодические посылки УЗ-волн с заданной длительностью, которые распространяются в выбранном вертикальном 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 низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ-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 переносятся течениями в слоях с различными скоростями,
и осуществление акустических контактов с ними;
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 обратимым ЭАП отраженных УЗ-волн в электрические сигналы;
7) осуществление для режима обращенного моностатического эхолота в (n+m) канальном приемном тракте аппаратуры обработки, осуществляющего фильтрацию, 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 (n+m) канальном приемном тракте аппаратуры, и регулировка основных параметров, включающих остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов характеристики направленности (ХН) ЭАП в режиме приема;
9) регулировка точности измерений в режиме обращенного моностатического эхолота, включающая нормальное облучение УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух, за счет изменения разрешающих способностей как по дальности, так и по углу;
10) выделение полезного информационного сигнала по параметрам морского волнения в приемном (n+m) канальном тракте аппаратуры в режиме обращенного моностатического эхолота с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений;
11) осуществление измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух за счет их наклонного облучения снизу - вверх при моностатической схеме эхопоиска и выбор двух обратимых ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, причем акустические оси обоих обратимых ЭАП имеют одинаковые углы наклона Qд 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 f и излучение с помощью обоих обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-сигналов с частотами f, 2f, 3f,…if,…nf, где n = 1,2,3,…,i,… - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона Qд 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 водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, 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 обратимых 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 обратимых 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 суммирования частот сигналов, принятых двумя обратимыми ЭАП, для каждой гармоники с частотами f, 2f, 3f,…if,…nf 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 для режима наклонного облучения снизу-вверх при моностатической схеме эхопоиска;
18) проведение измерений по обнаружению генерального направления распространения морских волн на взволнованной границе раздела вода - воздух в режиме моностатической схемы эхопоиска за счет наклонного облучения снизу-вверх следующей парой обратимых 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 обратимых ЭАП имеют те же одинаковые углы наклона Qд относительно горизонта и также находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;
19) выполнение последовательно действий по пп. 11-18, осуществляемых до тех пор, пока для режима наклонного моностатического облучения в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, измеряемое значение доплеровской частоты для УЗ-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 обратимых ЭАП для данного этапа моностатических измерений;
20) преобразование значения полученной максимальной доплеровской частоты к величине горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения, в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры, функционирующей в режиме наклонного моностатического облучения;
21) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации для режима наклонного моностатического облучения на гармониках с частотами f, 2f, 3f,…if,…nf в приемном тракте аппаратуры;
22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот f,…, if, …nf для заданных участков границы раздела вода - воздух, расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла Qд наклона облучения относительно горизонта, причем величина последнего при измерении АЧХ в рамках отдельной серии остается неизменной;
23) измерение в режиме наклонного моностатического облучения амплитудно-угловых характеристик (АУХ), представляющих зависимости амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов Qд наклона облучения относительно горизонта, на нескольких выбранных и различных частотах излучаемого УЗ для протяженного участка границы раздела вода - воздух, соответствующего генеральному направлению распространения поверхностной ветровой волны, причем, величина выбранного значения частоты излучаемого УЗ при измерении АУХ в рамках отдельной серии остается неизменной;
24) осуществление процесса измерений и регистрации параметров движения рассеивателей, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде, для режима наклонного моностатического облучения за счет использования доплеровского метода
и выбора двух пар обратимых ЭАП, которые в парах оппозитно расположены на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных осевых меридианов полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси четырех обратимых ЭАП имеют одинаковые углы наклона Qд 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;
25) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой f и излучение с помощью четырех обратимых ЭАП одновременно импульсов УЗ-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 УЗ-сигналов с частотами f, 2f, 3f,…nf, где n = 1,2,3,… - порядковый номер гармоники, оппозитно расположенные в парах пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ, их акустические оси имеют одинаковые углы наклона Qд 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, формируя доплеровские измерительные каналы в слоистой водной среде для режима наклонного моностатического облучения;
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 ui сл течений, причем относительно дна направления векторов скоростей течений ui сл в k слоях на i горизонтах глубин могут иметь как положительные, так и отрицательные проекции {±uх (i сл)}, { ±uу (i сл)} относительно осей Х и У;
28) выбор необходимого для измерений количества i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями ui 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 υi сл течений для имеющихся четырех оппозитно расположенных в парах водных объемов, состоящих из i слоев рассеивателей, в которых при облучении УЗ сформированы доплеровские измерительные каналы для режима наклонного моностатического облучения;
30) выбор i-го горизонта глубин для получения данных о величине скорости ui сл течения в i-том слое водной среды, который включает в себя четыре, выделенные за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, области рассеивателей, которые облучаются УЗ и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±uх (i сл)}, { ±uу (i сл)} скорости ui сл на i-том горизонте глубин относительно осей Х и У, причем знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся областей рассеивателей относительно дна в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения;
31) преобразование эхосигналов от четырех, выделенных за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, областей рассеивателей, которые пассивно переносятся течением со скоростью ui сл в i-том слое водной среды, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем для одних обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар частота будет увеличена (области рассеивателей приближаются), в то время как для других обратимых ЭАП из выбранных оппозитных пар - уменьшена (области рассеивателей удаляются);
32) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры суммирования частот сигналов для каждой гармоники с частотами f, 2f, 3f,…nf в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот f(D(nf)_(Y) ,
, что позволит произвести для i-го слоя водной среды расчет n значений величин компонент скорости течения {±uх (nf, i сл)}, {±υу (nf, i сл)} относительно донных осей Х и У и модуля скорости течения ui сл в i-том слое водной среды, а также n значений величин угла смещения a(nf, i сл) направления вектора скорости течения 
относительно осей Х и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями
,
,
a(nf, i сл)=arctg[
/
] = arctg[
/]
и
,
полученные расчетные значения n величин арифметически усредняются для i-го слоя водной среды;
33) осуществление последовательности действий по пп.30-32 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 для режима наклонного моностатического облучения,
отличающийся тем, что
35) устанавливают на донной поверхности прибрежной акватории восемь периферийных ПАУ вокруг имеющегося ПАУ, таким образом, чтобы последний стал центром пространственной структуры квадратной формы, длины сторон которой равны двойной глубине водоема, места размещения периферийных – вершины и середины противолежащих сторон, а направления их соединяющие, соответствовали восьмиконечной розе компаса, соответствующей восьми направлениям основных ветров, - север (С), 0° (360°); северо-восток (СВ), 45°; восток (В), 90°; юго-восток (ЮВ), 135°; юг (Ю), 180°; юго-запад (ЮЗ), 225°; запад (З), 270°; северо-запад (СЗ), 315°,
при этом для всех ПАУ проекции поверхностных осевых меридианов установлены единообразно относительно сторон света,
причем ПАУ электрически соединены друг с другом и управляются через аппаратуру берегового поста, осуществляющую поочередную реализацию двух бистатических схем зондирования для измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом 
наклона относительно горизонта участков взволнованной границы раздела вода - воздух, расположение которых на водной поверхности соответствуют взаимно перпендикулярным направлениям,
как основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270° ,
так и полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315° соответственно;
36) осуществляют в аппаратуре берегового поста режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с п. 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180° и восток (В), 90° - запад (З), 270°, т.е. вдоль линий, которые соединяют середины противолежащих сторон плоской пространственной структуры квадратной формы;
37) выбирают четыре обратимые ЭАП, расположенные на пересечениях заданной параллели и двух взаимно перпендикулярных меридианов полусферической поверхности центрального донного ПАУ, для которых акустические оси имеют одинаковые углы наклона 
=45° относительно горизонта и находятся в двух вертикальных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через оси симметрии пяти донных ПАУ - центрального и четырех периферийных, причем последние попарно оппозитно расположены относительно центрального;
38) генерируют в излучающем тракте аппаратуры центрального донного ПАУ амплитудно-импульсные модулированные электрические колебания, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой 
и длительностью 
соответственно
и преобразуют их с помощью выбранных четырех обратимых ЭАП центрального донного ПАУ в периодические посылки УЗ-волн, осуществляя синхронный запуск в береговой аппаратуре приемных трактов четырех периферийных ПАУ;
39) формируют в водной среде четыре параметрические излучающие антенны (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются, в частности, низкочастотные (НЧ) УЗ-сигналы кратных частот - спектральные составляющие с частотами 
…,
- за счет эффекта самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения и длительностью , которые распространяются в направлении четырех взаимно перпендикулярных участков взволнованной границы раздела вода-воздух;
40) устанавливают акустические контакты с данными четырьмя участками взволнованной границы раздела вода - воздух, в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью 
поверхностная ветровая волна с длиной 
и высотой неровностей 
, что приводит к переизлучению НЧ УЗ-сигналов кратных частот
– самодемодулированных спектральных составляющих с частотами …, ,
каждое из четырех переизлученных УЗ полей является суперпозицией двух компонент – регулярной (вблизи направления зеркального отражения) и случайной (направления которой охватывают всю нижнюю полусферу), причем превалирование одной компоненты над другой позволяет однозначно оценить степень взволнованности поверхности моря;
41) используют обратимые ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ, для приема и преобразования в электрические сигналы как отраженных, так и рассеянных компонент переизлученных УЗ-полей от четырех оппозитных участков взволнованной границы раздела вода - воздух;
42) осуществляют в 
канальных приемных трактах аппаратуры обработку совокупности электрических сигналов с выходов обратимых ЭАП, плоскости апертур которых образуют двумерные антенные решетки на облучаемых поверхностях четырех периферийных ПАУ, включающих фильтрацию на выбранных оператором частотах из набора …,, усиление, детектирование, измерение амплитудно-угловых зависимостей звуковых давлений в переизлученных УЗ-полях, т.е. получение нормированного распределения, которое определяется соотношением 
, т.е. высоты неровностей поверхностной ветровой волны и длины волн из набора 
, 
,…, 
;
43) оценивают степень взволнованности на четырех оппозитных участках границы раздела вода - воздух за счет преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжения с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре для первого варианта бистатической схемы зондирования с соблюдением направлений основных ветров - север (С), 0° (360°) - юг (Ю), 180°; восток (В), 90° - запад (З), 270°;
44) осуществляют в аппаратуре берегового поста действия для режима измерения параметров морского волнения на прибрежной акватории над пространственной структурой за счет облучения снизу вверх под заданным углом наклона относительно горизонта четырех участков взволнованной границы раздела вода - воздух в соответствии с п. 35 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315°;
45) осуществляют действия по пп. 37-43 для бистатической схемы зондирования при заданных направлениях полуветров - северо-восток (СВ), 45° - юго-запад (ЮЗ), 225°; юго-восток (ЮВ), 135° - северо-запад (СЗ), 315°;
46) осуществляют последовательно действия по пп. 2-10 для всех периферийных ПАУ в режиме обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ-импульсами участка границы раздела вода - воздух с использованием обратимого ЭАП, акустическая ось которого совпадает с вертикалью;
47) реализуют последовательно действия по пп. 11-4 для всех периферийных ПАУ в режиме наклонного моностатического облучения,
48) анализируют полученный массив данных для всех донных ПАУ по пп. 10, 34, 44, 46-47 с последующим отображением, регистрацией и документированием трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.
| Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды | 2022 |
|
RU2801053C1 |
| Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения | 2019 |
|
RU2721307C1 |
| СРЕДСТВО ДЛЯ ОТПУГИВАНИЯ ГРЫЗУНОВ | 0 |
|
SU168083A1 |
| Корреляционный способ измерения параметров тонкой структуры водной среды | 2022 |
|
RU2799974C1 |
| John C | |||
| Osler, Paul C | |||
| Hines, Mark V | |||
| Trevorrow, Acoustic and In-Situ Techniques for Measuring the Spatial Variability of Seabed Geoacoustic Parameters in Littoral Environments, Impact of Littoral Environmental Variability of Acoustic | |||
