Способ профилирования структуры донных осадков Российский патент 2025 года по МПК G01S15/60 

Изобретение относится к способам активной локации с режимом параметрического излучения (РПИ) и может быть использовано для получения информации при профилировании донных осадков, что позволит получить новый объем первичных данных о строении морского дна за счет обработки амплитудных и фазовых признаков эхосигналов.

Способ может быть применен для решения задач определения как точного рельефа, так и структуры морского дна, стратификации донных осадков, поиске заиленных объектов, измерении частотных и угловых зависимостей коэффициентов отражения и рассеяния в широком диапазоне частот и т.д., что обусловлено использованием в качестве источника зондирующих сигналов параметрической излучающей антенны (ПИА). Однако, следует отметить, что для решения указанных выше задач в приемном тракте профилографов до настоящего времени осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, имеющихся в гидроакустическом канале, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать фазовые признаки эхосигналов (см. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н. Использование фазосвязанных сигналов в акустических локационных системах. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008.- 32 с.).

Из уровня техники известен способ параметрического эхолотирования в водной среде на ходу судна, раскрытый в (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, Применение нелинейных эффектов: Параметрическое эхолотирование и профилирование дна, с.258 - 266),

включающий в себя следующие операции:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства судна-носителя обратимый электроакустический преобразователь (ЭАП) накачки и электроакустический преобразователь для приема низкочастотных сигналов, таким образом, что их акустические оси совпадают с осью () перпендикулярной к горизонтальной плоскости () судна-носителя и удерживаются на заданном направлении, реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа как для излучения/приема сигналов накачки ; так и для приема сигналов разностных частот, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность обоих ЭАП за счет использования обратного /прямого пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой /2 = и полосой пропускания , определяющей диапазон циклической волны разностной частоты ;

4) подают на пьезоэлемент ЭАП накачки с выхода излучающего тракта импульсный двухкомпонентный электрический сигнал биений, в котором амплитуды обоих компонент изменяются по гармоническому закону, их величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента, в результате чего пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения и передает частицам водной среды ультразвуковую (УЗ) энергию;

5) создают за счет интерференции волновых процессов с частотами от различных участков пьезоэлемента излучающего ЭАП в водной среде общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия УЗ волн накачки с циклическими частотами и волновыми векторами , называемую «виртуальной» параметрической излучающей антенной (ПИА);

6) генерируют в объеме ПИА за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки «новые» спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и , где «+» - волна суммарной частоты (ВСЧ), «-» - волна разностной частоты (ВРЧ), - волновые векторы волн комбинационных частот соответственно;

7) облучают распространяющимся вдоль вертикали и стабилизированным относительно горизонта зондирующим импульсом как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >], что эквивалентно установлению акустических контактов и отражению части УЗ энергии сигналов как накачки ; так и разностной частоты;

8) обеспечивают за счет движения судна-носителя аппаратуры непрерывное изменение положения обратимого ЭАП накачки и ЭАП для приема низкочастотных сигналов относительно поверхностей участков

- совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде,

- границ раздела «вода-дно» и нижележащих донных слоев ,

что обусловит формирование объемного реверберационного процесса и запаздывающих эхосигналов, которые несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении, а также о глубине нахождения;

9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов обратимого ЭАП накачки и ЭАП для приема низкочастотных сигналов флуктуирующий по амплитуде объемный реверберационный процесс и запаздывающие эхосигналы, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на входы двух приемных трактов аппаратуры, в которых осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов (полосовая фильтрация, усиление, детектирование), что позволяет уточнить глубину нахождения границы раздела «вода-грунт»;

10) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные результаты вертикального профилирования структуры донных осадков, отображающих для разных дистанций изменение отражательной способности совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, дна водоема и слоев донных отложений, под судном -носителем аппаратуры.

К недостаткам способа следует отнести невысокую угловую разрешающую способность и помехозащищенность при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта в условиях мелководья, кроме того, осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать и их фазовые признаки, что приводит к неполному соответствию аналога эксплуатационным требованиям.

Ниже рассмотрим более подробно некоторые как причины, так и последствия указанного несоответствия способа эксплуатационным требованиям:

1) эксплуатационные возможности способа и реализующего его устройства затрудняют получение достоверной информации о подводной акватории при эхолотировании неровного дна на мелководье. Так, область формирования основного лепестка характеристики направленности (ХН) ПИА для сигнала разностной частоты (СРЧ) велика, изменяясь при перестройке СРЧ в значительных пределах, что обусловливает значительность как озвучиваемого водного объема у обратимого ЭАП, так и размер облучаемой донной поверхности, увеличивая размеры разрешаемого элемента пространства;

2) осуществление направленного приема отраженных СРЧ существенно увеличивает массогабаритные характеристики ЭАП. Например, для реализации режима параметрического излучения СРЧ 3 кГц с угловой шириной 4⁰ по уровню 0,7 основного лепестка ХН требуется 0,4 м² площади излучающей апертуры, в то время как для приема эхосигналов с той же угловой разрешающей способностью необходимо уже 40 м² приемной апертуры;

3) разрешающая способность по углу может быть выражена в единицах расстояния, в этом случае она называется тангенциальной разрешающей способностью и определяется произведением , где - дистанция эхолотирования. Данный параметр используется только при вертикальном зондировании и выражает способность устройства различать эхосигналы от точечных объектов, расположенных близко друг к другу на одинаковой глубине по направлению движения судна. Для указанного аналога тангенциальные разрешающие способности для канала приема отраженных СРЧ и режима параметрического излучения не соответствуют друг другу в случае равенства излучающей и приемной апертур (см. пункт 2 выше), данное несоответствие приводит к искажению регистрируемой формы рельефа как дна, так и донных отложений из-за дифракционных явлений, причем, при прохождении судна над дном, имеющем указанные неровности форм рельефов в двух направлениях (по курсу и поперек курса), вся система облученных неровностей дает дифрагированные отраженные волны, что приводит к усреднению рельефа и увеличению погрешности при анализе эхограмм;

4) для получения более полного объема первичных данных о подводной обстановке, в частности, достоверной классификации лоцируемой границы раздела (акустически мягкая или жесткая) и т.п., необходимо использовать фазовые признаки эхосигналов; в частности, в аналоге не предусмотрена возможность регистрации такого информативного параметра облучаемых участков как донной поверхности, так и слоев донного грунта на трассе движения судна как акустическое сопротивление границы раздела, характеризующее ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, что позволяет использовать эту величину в качестве классификационного признака для различения участков донной поверхности.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации при эхолотировании на мелководье толщи донного грунта и исследовании донных отложений, так как перечисленные выше недостатки снижают точность измерения как рельефа, так и структуры донных осадков морского дна, не предусмотрена возможность различения обнаруженных в грунте объектов и границ раздела по такому классификационному признаку как акустическое сопротивление.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства судна-носителя обратимый электроакустический преобразователь (ЭАП) накачки и электроакустический преобразователь для приема низкочастотных сигналов, реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа как для излучения/приема сигналов накачки, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность обоих ЭАП за счет использования обратного /прямого пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск);

4) подают на пьезоэлемент ЭАП накачки с выхода излучающего тракта импульсный электрический сигнал, в котором амплитуда изменяется по гармоническому закону, в результате чего пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения и передает частицам водной среды ультразвуковую (УЗ) энергию;

5) создают за счет интерференции волновых процессов от различных участков пьезоэлемента излучающего ЭАП в водной среде общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия УЗ волн накачки, называемую «виртуальной» параметрической излучающей антенной (ПИА);

6) генерируют в объеме ПИА за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки «новые» спектральные компоненты комбинационных частот;

7) облучают распространяющимся вдоль вертикали и стабилизированным относительно горизонта зондирующим импульсом как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >], что эквивалентно установлению акустических контактов и отражению части УЗ энергии сигналов как накачки ; так и разностной частоты;

8) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов обратимого ЭАП накачки и ЭАП для приема низкочастотных сигналов флуктуирующий по амплитуде объемный реверберационный процесс и запаздывающие эхосигналы, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на входы двух приемных трактов аппаратуры, в которых осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов (полосовая фильтрация, усиление, детектирование);

9) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные результаты вертикального профилирования структуры донных осадков, отображающих для разных дистанций изменение отражательной способности совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, дна водоема и слоев донных отложений, под судном -носителем аппаратуры.

Известен способ активной локации с режимом параметрического излучения (РПИ) и реализующее его устройство, описанные в пат. РФ № 2133047 МКИ 6 G01S 15/60, опубл. 10.07.1999, Бюл №19, и включающий в себя следующие операции:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства движущегося относительно дна судна-носителя ЭАП накачки и два ЭАП для приема низко - и высокочастотных сигналов, таким образом, что их акустические оси совпадают с осью () перпендикулярной к горизонтальной плоскости () судна-носителя и удерживаются на заданном направлении, реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа как для излучения сигналов накачки ; так и для приема сигналов - разностных частот, суммарной частоты , вторых гармоник накачки, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность всех ЭАП за счет использования обратного /прямого пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлементы простой геометрической формы (стержень, пластина, диск), в частности, для излучающего ЭАП накачки с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания , определяющей рабочий диапазон ЭАП для приема сигналов разностной частоты и суммарной частоты , вторых гармоник накачки ;

4) подают на пьезоэлемент ЭАП накачки с выхода излучающего тракта импульсный двухкомпонентный электрический сигнал биений, в котором амплитуды обеих компонент изменяются по гармоническому закону, их величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента, в результате чего пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения и передает частицам водной среды УЗ энергию;

5) создают за счет интерференции волновых процессов с частотами от различных участков пьезоэлемента излучающего ЭАП в водной среде общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия и самовоздействия УЗ волн накачки с циклическими частотами и волновыми векторами , называемую «виртуальной» параметрической излучающей антенной (ПИА);

6) генерируют в объеме ПИА за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки «новые» спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и , где «+» - волна суммарной частоты (ВСЧ), «-» - волна разностной частоты (ВРЧ), - волновые векторы волн комбинационных частот соответственно, а также вторые гармоники накачки;

7) облучают распространяющимся вдоль вертикали и стабилизированным относительно горизонта зондирующим импульсом как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >], что эквивалентно установлению акустических контактов и отражению части УЗ энергии сигналов разностной частоты и суммарной частоты , вторых гармоник накачки;

8) обеспечивают за счет движения судна-носителя аппаратуры непрерывное изменение положения ЭАП накачки и ЭАП для приема НЧ – и ВЧ сигналов относительно поверхностей участков

- совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде,

- границ раздела «вода-дно» и нижележащих донных слоев,

что обусловит формирование объемного реверберационного процесса и запаздывающих эхосигналов, которые несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении, а также их глубине нахождения;

9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП для приема НЧ и ВЧ - флуктуирующий по амплитуде объемный реверберационный процесс и запаздывающие эхосигналы, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на входы НЧ и ВЧ приемных трактов аппаратуры, в которых осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов (полосовая фильтрация, усиление, детектирование), причем, в последнем тракте – дополненная перемножением амплитуд для суммарной частоты и вторых гармоник накачки;

10) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные результаты вертикального профилирования структуры донных осадков, отображающих для разных дистанций изменение отражательной способности совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, дна водоема и слоев донных отложений, под судном -носителем аппаратуры.

К недостаткам аналога следует отнести его несоответствие эксплуатационным требованиям за счет невысокой угловой разрешающей способности и помехозащищенности при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта на рабочих сигналах разностной частоты в условиях мелководья, кроме того, осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать и фазовые признаки.

Ниже рассмотрим более подробно некоторые как причины, так и последствия указанного несоответствия аналога эксплуатационным требованиям:

1) низкая эффективность генерации СРЧ излучающей ПИА, максимальное значение коэффициента полезного действия составляет величину отношения частот ();

2) значительность в низкочастотном диапазоне уровней собственных акустических шумов водоемов, а также звуковых колебаний, создаваемых различными механизмами, снижает отношение сигнал/шум на входе приемного тракта, что эквивалентно уменьшению как дальности действия, так и глубины проникновения УЗ сигналов в донные осадки;

3) интерференционный режим работы приемных ЭАП как ВЧ, так и НЧ каналов обеспечивает наличие значительных боковых лепестков ХН (с нормированными уровнями первых добавочных максимумов – 22% и 13% для ЭАП с равномерным амплитудным распределением прямоугольной и круглой формы соответственно), по которым производится прием переотраженных реверберационных, а также шумовых сигналов, что уменьшает отношение сигнал/шум на входе усилителей;

4) эксплуатационные возможности способа ограничены, так как предусмотрена возможность регистрации только амплитудных информативных параметров эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности на трассе движения судна.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства судна-носителя обратимый электроакустический преобразователь (ЭАП) накачки и электроакустический преобразователь (ЭАП) для приема низкочастотных сигналов, реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа как для излучения/приема сигналов накачки, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность обоих ЭАП за счет использования обратного /прямого пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск);

4) подают на пьезоэлемент ЭАП накачки с выхода излучающего тракта импульсный электрический сигнал, в котором амплитуда изменяется по гармоническому закону, в результате чего пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения и передает частицам водной среды ультразвуковую (УЗ) энергию;

5) создают за счет интерференции волновых процессов от различных участков пьезоэлемента излучающего ЭАП в водной среде общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия УЗ волн накачки, называемую «виртуальной» параметрической излучающей антенной (ПИА);

6) генерируют в объеме ПИА за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки «новые» спектральные компоненты комбинационных частот;

7) облучают распространяющимся вдоль вертикали и стабилизированным относительно горизонта зондирующим импульсом как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >], что эквивалентно установлению акустических контактов и отражению части УЗ энергии сигналов как накачки ; так и разностной частоты;

8) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов обратимого ЭАП накачки и ЭАП для приема низкочастотных сигналов флуктуирующий по амплитуде объемный реверберационный процесс и запаздывающие эхосигналы, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на входы двух приемных трактов аппаратуры, в которых осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов (полосовая фильтрация, усиление, детектирование);

9) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные результаты вертикального профилирования структуры донных осадков, отображающих для разных дистанций изменение отражательной способности совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, дна водоема и слоев донных отложений, под судном-носителем аппаратуры.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ эхо-импульсной локации с режимом параметрического излучения (РПИ), раскрытый в (Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (ч. 2) – Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, 2018. – 176с, Глава 2. Параметрические локаторы с трактами обработки амплитудных, фазовых и частотных признаков эхосигналов, § 2.3. Устройства активной локации как с режимами параметрического излучения, так и приема сигнала разностной частоты, с.83-96), включающий в себя следующие операции:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства движущегося относительно дна судна-носителя два обратимых ЭАП накачки, закрепленных на расстоянии базы друг от друга, – первый и второй - для излучения высокочастотных сигналов, таким образом, чтобы их акустические оси были направлены встречно, совпадали с осью () перпендикулярной к горизонтальной плоскости () судна-носителя, и были выполнены с возможностью их совместного поворота на угол относительно оси , реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа, которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность ЭАП за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлементы простой геометрической формы (стержень, пластина, диск), в частности, с заданной резонансной частотой и полосой пропускания , определяющей рабочий диапазон частот ЭАП;

4) формируют в излучающем тракте импульсный трехкомпонентный электрический сигнал, в котором амплитуды фазосвязанных компонент изменяются по гармоническому закону, их величины кратных частот колебаний , находятся в полосе пропускания пьезоэлемента, причем, величины выбранных коэффициентов деления , … находятся в диапазоне - больше 1, но меньше 2, например, 7/6, 8/6 или 12/11, 13/11 или 14/11, 15/11 и т.д.),

и подают его на пьезоэлемент первого ЭАП, вызывая его колебания на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения, передавая частицам водной среды энергию трехкомпонентной УЗ волны накачки, которая распространяется к донной поверхности на трассе движения судна;

5) создают в водной среде за счет интерференции излученных колебаний от различных участков пьезоэлемента первого ЭАП общую пространственную область коллинеарного распространения фазосвязанных волновых процессов с кратными частотами , , в объеме которой нелинейно взаимодействуют три компоненты УЗ волн накачки с циклическими частотами и волновыми векторами , ,образуя «виртуальную» параметрическую излучающую антенну (ПИА);

6) генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки в объеме ПИА - фазосвязанные спектральные компоненты кратных частот - волны разностных частот , угловое распределение амплитуд звуковых давлений которых определяется произведением характеристик направленности (ХН) первого ЭАП для трехкомпонентной УЗ волны накачки с частотами , ;

7) облучают распространяющимися вдоль вертикали и стабилизированными относительно горизонта зондирующими импульсами как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность водной среды, - скорость звука в водной среде, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной () средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >], что эквивалентно установлению акустических контактов и отражению части УЗ энергии сигналов разностной частоты , а также обеспечивает формирование как объемного реверберационного процесса, так и запаздывающих эхосигналов, которые несут определенную амплитудную и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении, а также о их глубине нахождения;

8) формируют параметрический прием на участке водной среды - базе длиной между первым ЭАП, находящимся в режиме приема, и вторым ЭАП, за счет излучения вспомогательной волны накачки с частотой , что приводит к ее фазовой модуляции отраженным трехкомпонентным сигналом при совместном распространении в пределах базы ;

9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлемента первого ЭАП промодулированный УЗ трехкомпонентный сигнал в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры, в которох осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов (фазовое детектирование, полосовая фильтрация, усиление, амплитудное детектирование, перемножение);

10) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные результаты вертикального профилирования структуры донных осадков, отображающих для разных дистанций изменение отражательной способности совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, дна водоема и слоев донных отложений, под судном -носителем аппаратуры.

Однако эксплуатационные возможности прототипа также ограничены, так как в нем предусмотрена возможность регистрации только амплитудных информативных параметров эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности и границ слоев осадков на трассе движения судна-носителя, в то время как для получения более полного объема первичных данных необходимо дополнительно использовать фазовые признаки эхосигналов.

Следует учитывать, что дно водоема в общем случае представляет собой участки как осадков (наносов), так и выходов коренных пород, каждый из которых обладает различной отражательной способностью как по амплитудным, так и по фазовым параметрам. Так, отдельные участки дна водоемов, например, в озерах и водохранилищах внутренней транспортной системы, содержат различные концентрации органических веществ, разложение которых с образованием газов обусловливает «индивидуальное» распределение пузырьковых областей, накапливающихся внутри данных участков наносов, в отличие от выходов коренных пород, обладающих стабильностью данного параметра. Таким образом, донные поверхности как выходов породы, так и наносов обладают разными акустическими свойствами, что обусловливает различие как амплитудных, так и фазовых признаков эхосигналов от них. Так как обычно верхний слой дна природных водных водоемов образуют глины, которые могут быть в разной степени как водо-, так и газонасыщенными, то при эхолотировании существенно соотношение акустических сопротивлений донной поверхности и водной среды. Так, если в первом случае от слоя наносов практически отсутствует эхосигнал (акустические сопротивления практически одинаковы), то во втором – эхосигнал достаточно велик (акустические сопротивления значительно отличаются). Однако, во втором случае отличить газонасыщенную область наносов от области выхода коренных пород можно за счет дополнительной обработки фазовых признаков эхосигналов от них.

Таким образом, к общим недостаткам прототипа и приведенных аналогов можно отнести недостаточное соответствие эксплуатационным требованиям, в частности, низкую эффективность генерации сигнала разностной частоты излучающей ПА, невысокую угловую разрешающую способность и помехозащищенность при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта в условиях мелководья. При этом осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать и фазовые признаки.

Задачей заявляемого способа профилирования структуры донных осадков является расширение его эксплуатационных возможностей, заключающееся в способности различения облучаемых участков как донной поверхности, так и слоев донного грунта на трассе движения судна.

Технический результат изобретения заключается в обработке не только амплитудных, но и фазовых признаков эхосигналов различных частот, что приводит к возможности классификации обнаруженных границ раздела как дна, так и слоев донных осадков за счет регистрации такого информативного параметра как акустическое сопротивление границ раздела.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что для классификации лоцируемой границы раздела («акустически мягкая или жесткая») используется возможность регистрации такого информативного параметра облучаемых участков как донной поверхности, так и слоев донного грунта на трассе движения судна как акустическое сопротивление границы раздела. Этот параметр характеризует динамическую реакцию границы раздела на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, что позволяет использовать эту величину в качестве классификационного признака для различения участков донной поверхности.

Заявляемый результат достигается тем, что в известный способ эхо-импульсной локации с режимом параметрического излучения (РПИ), основанный на том, что:

1) устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства, движущегося относительно дна судна-носителя два обратимых ЭАП, закрепленных на расстоянии базы друг от друга для формирования параметрического излучения и приема, таким образом, что их акустические оси направлено встречно, совпадают с осью () перпендикулярной к горизонтальной плоскости () судна-носителя, имеется возможность их совместного поворота на угол относительно оси , реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

2) используют ЭАП пьезокерамического типа, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

3) обеспечивают работоспособность ЭАП за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлементы простой геометрической формы (стержень, пластина, диск), в частности, с заданной резонансной частотой и полосой пропускания , определяющей рабочий диапазон частот ЭАП;

4) формируют в излучающем тракте импульсный трехкомпонентный электрический сигнал, в котором амплитуды компонент изменяются по гармоническому закону, их величины частот колебаний , находятся в полосе пропускания пьезоэлемента, причем, величины выбранных коэффициентов деления , … находятся в диапазоне - больше 1, но меньше 2, например, 7/6, 8/6 или 12/11, 13/11 или 14/11, 15/11 и т.д.),

и подают его на пьезоэлемент первого ЭАП, вызывая его колебания на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения, передавая частицам водной среды энергию трехкомпонентной УЗ волны накачки, которая распространяется к донной поверхности на трассе движения судна;

5) создают в водной среде за счет интерференции излученных колебаний от различных участков пьезоэлемента первого ЭАП общую пространственную область коллинеарного распространения волновых процессов с частотами , , в объеме которой нелинейно взаимодействуют три компоненты УЗ волн накачки с циклическими частотами и волновыми векторами , ,образуя «виртуальную» параметрическую излучающую антенну (ПИА);

6) генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки в объеме ПИА - спектральные компоненты комбинационных частот - волны разностных частот , угловое распределение амплитуд звуковых давлений которых определяется произведением характеристик направленности (ХН) первого ЭАП для трехкомпонентной УЗ волны накачки с частотами , ;

7) облучают распространяющимися вдоль вертикали и стабилизированными относительно горизонта зондирующими импульсами как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность водной среды, - скорость звука в водной среде, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной () средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [()≠ () ,< , >];

8) устанавливают акустические контакты за счет отражения части УЗ энергии сигналов разностной частоты , и формируют как объемный реверберационный процесс, так и запаздывающие эхосигналы, которые несут амплитудную и фазовую информацию об объектах и границах раздела, т.е. об их отражательной способности, акустическом сопротивлении, а также о их глубине нахождения;

9) формируют параметрический прием на участке водной среды - базе длиной между первым ЭАП накачки, формирующим параметрическую излучающую антенну, находящимся в режиме паузы, и вторым ЭАП вследствие излучения им к первому ЭАП вспомогательной волны накачки с частотой , т.е. осуществляют ее фазовую модуляцию отраженным трехкомпонентным сигналом при совместном распространении в пределах базы ;

9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлемента первого из ЭАП промодулированный УЗ трехкомпонентный сигнал в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры, в которой осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов, включающих фазовое детектирование, полосовую фильтрацию, усиление, амплитудное детектирование, перемножение;

10) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные распределения изменения амплитуд акустических контактов при вертикальном зондировании - эхограммы, отображающие для разных дистанций - ось - изменение отражательных способностей совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, а также дне и слоях донных отложений водоема, под движущимся судном -носителем аппаратуры,

дополнительно введены следующие операции:

11) осуществляют в приемном тракте последовательную обработку фазовых признаков эхосигналов: полосовую фильтрацию, стробирование, усиление-ограничение электрических сигналов с частотами , а также умножение их частот на соответствующие коэффициенты, осуществляя приведение их к одной частоте , ,…. с сохранением фазовой информации об объектах и границах раздела;

12) отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные распределения изменения фаз акустических контактов при вертикальном зондировании – фазограммы, отображающие для разных дистанций - ось -изменение акустических сопротивлений совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, а также дне и слоях донных отложений водоема, под движущимся судном -носителем аппаратуры.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что для получения дополнительного объема первичных данных и классификации облучаемой границы раздела - «акустически мягкая или жесткая» - используется возможность измерения такого информативного параметра как ее акустическое сопротивление относительно, например, водной среды.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 показана структурная схема эхолота-профилографа, реализующего предлагаемый способ, и схематичное изображение слоистого морского дна с объектами, акустические сопротивления которых отличаются как друг от друга, так и от осадочного материала дна.

На фиг.2 представлены спектры сигналов в схеме эхолота-профилографа, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.3 представлены расчетные характеристики направленности (ХН) приемных параметрических антенн (ППА) для «одночастотной» приемно-излучающей системы (см. а.с. 688104 СССР МКИ G01S 15/04; опубл. 27.12.99; Бюл. 36. (, ; дБ) и «трехчастотного» эхолота-профилографа (, ; дБ).

На фиг.4 представлена структурная схема параметрического локатора.

На фиг. 5 изображены эпюры электрических сигналов в тракте фазовой обработки.

На фиг.6 представлена схема испытаний параметрического локатора для классификации подводных объектов по фазовым признакам эхосигналов.

На фиг.7 изображены графики осевых распределений амплитуд звуковых давлений сигналов кратных частот параметрического локатора, для тракта фазовой обработки параметрического локатора выходные сигналы

На фиг. 8 представлены для тракта фазовой обработки параметрического локатора выходные сигналы - экспериментальные осциллограммы видеоимпульса от границ раздела: 1) акустически «мягкой» - вода – воздух (верхнее фото), 2) акустически «жесткой» - вода- металл (нижнее фото) соответственно.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, - эхолот-профилограф может быть использован для решения задач определения как точного рельефа, так и структуры морского дна, поиска заиленных объектов и т.д. Следует отметить, что для решения указанных выше задач в приемном тракте аналогичных устройств до настоящего времени осуществлялась обработка только амплитудных признаков эхосигналов, имеющихся в гидроакустическом канале, в то время как для получения более полного объема первичных данных, в частности, о строении морского дна и акустическом сопротивлении слоев донных осадков необходим дополнительный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов.

Эхолот-профилограф (фиг.1,2), реализующий заявляемый способ профилирования структуры донных осадков, функционирует следующим образом. Генератор 1 синусоидальных колебаний вырабатывает электрический сигнал с частотой , поступающий на первый вход хронизатора-модулятора 5 и входы делителей частоты 6, …, 7 с коэффициентами деления , …, (величины каждого из которых больше 1, но меньше 2, например, 7/6, 8/6, …, 12/11, 13/11, 14/11, 15/11, … и т.д.), а также на вход второго ЭАП 3. С выходов делителей частоты 6, …, 7 электрические гармонические сигналы , …, с частотами , …, подаются на дополнительных входов хронизатора-модулятора 5, на выходе которого сформирован радиоимпульс , высокочастотное заполнение которого представляет сумму электрических сигналов (), т.е.

(1) Периодичность повторения импульсов посылки определяется максимальной дальностью лоцирования , а длительность радиоимпульса – требуемой величиной разрешающей способности по дальности ( – скорость распространения звука в среде лоцирования). Радиоимпульс через усилитель мощности 8 и коммутатор 9 поступает на вход первого ЭАП 4, полоса пропускания которого позволяет излучать в нелинейную водную среду акустический сигнал , состоящий из трех гармонических составляющих с частотами . При распространении в среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, происходит взаимодействие указанных высокочастотных составляющих, результатом которого является генерация «новых» фазосвязанных компонент спектра в области как высоких, так и низких частот, в частности, нескольких УЗ волн разностных частот , ,…,, угловое распределение амплитуд звуковых давлений которых определяется произведением ХН первого ЭАП 4 для исходных волн накачки с частотами . Ниже рассмотрим реализацию способа с помощью представленного устройства на «новых» фазосвязанных компонентах спектра в области низких частот, т.е. полигармонического УЗ сигнала , состоящего из трех фазосвязанных компонент с разностными частотами , , . Итак, полигармонический зондирующий УЗ сигнал распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, достигает границы раздела «вода-дно», а также расположенных как на донной поверхности, так и в дне объектов с акустическим сопротивлением [()≠(),< - «акустически мягкая» газонасыщенная полость в отложениях, > - «акустически жесткий» выход плотных коренных пород] и отражается от них. Динамическая реакция донной поверхности на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, при соответствующей регистрации фазовых сдвигов оператор устройства будет иметь возможность различать акустическое сопротивление данного участка границы раздела. Если акустическое сопротивление объекта больше акустического сопротивления среды , то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же < , то при отражении они изменяют фазу на 180° (см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд.МГУ, М.,1960,с.35-45). Отраженные УЗ волны несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить о отражательной способности и акустическом сопротивлении, а также о глубине нахождения. Таким образом, при движении судна-носителя многочастотного эхолота-профилографа со скоростью на различных низкочастотных спектральных компонентах отраженного полигармонического сигнала можно фиксировать с необходимой тангенциальной разрешающей способностью детали распределений во времени как подробных изменений глубин как водоема, так и залегания слоев донных отложений (тракт обработки амплитудных признаков эхосигналов), а также изменений акустического сопротивления облучаемых участков дна относительно водной среды (двухканальный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов), находящихся на маршруте следования.

Отраженные УЗ волны, распространяясь обратно, достигают (сигнал ) участка водной среды длиной между ЭАП 4, находящимся в режиме приема, и ЭАП 3 (фиг.1, 2), излучающим в сторону ЭАП 4 вспомогательную волну накачки с частотой . При совместном распространении в пределах базы происходит фазовая модуляция акустического сигнала накачки отраженным от объекта многокомпонентным сигналом (см. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. – Акуст.ж. АН СССР, 1970, т. 16, вып. 2, с. 245-251). Промодулированный акустический сигнал достигает ЭАП 4, преобразуется им в соответствующий электрический сигнал, который через коммутатор 9, усилитель 10 поступает на первый вход фазового детектора 2, второй вход которого соединен с выходом генератора 1. С выхода фазового детектора 2 электрический сигнал , идентичный акустическому эхоимпульсу , через усилитель низкой частоты () поступает на входы () параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосового фильтра (12, 13, …, 14) и амплитудного детектора (15, 16, …, 17). На выходах полосовых фильтров 12, 13, 14 выделяются электрические сигналы: с частотами соответственно, амплитуды которых от угла между волновыми векторами регистрируемых волн разностных частот и накачки описываются аналогичными соотношениями (см. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. – Акуст.ж. АН СССР, 1970, т. 16, вып. 2, с. 245-251)

(2)

где – амплитуды звуковых давлений, взаимодействующих волн разностных и исходной частот , , – расстояние между ЭАП 3 и 4 (база параметрического приема), – плотность воды и скорость распространения звука в ней. С выходов детекторов 15, 16, …, 17 электрические сигналы поступают на входы перемножителя 18, с выхода которого результирующее напряжение подается на первый сигнальный вход индикатора 19, управляющий вход которого соединен с первым дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5.

Выше описано функционирование тракта обработки амплитудных признаков эхосигналов, при применении которого оператор имеет возможность регулировки как угловой разрешающей способности, так и помехозащищенности эхолота-профилографа при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта в условиях мелководья за счет формирования практически однолепестковой ХН параметрической приемной антенны (ППА). Ниже более подробно рассмотрим этот вопрос. Если первый сомножитель в (2) обозначить , отношение – , выражение в круглых скобках – , и учесть что , а , , , то результирующая характеристика направленности приемной параметрической антенны (ППА) рассматриваемого устройства будет описываться соотношением

(3)

Как следует из (3), оператор многочастотного эхолота-профилографа имеет возможность формирования практически однолепестковой ХН ППА за счет подбора значений коэффициентов деления и частоты сигнала при фиксированной базе параметрического приема, что увеличивает величину отношения сигнал/шум на входе усилителя 10 примерно в раз. Здесь – аналитическое выражение (2), описывающее ХН ППА для одной из трех спектральных компонент низкочастотного спектра излучения (например, ). На фиг.3 представлены расчетные ХН ППА для «одночастотной» приемно-излучающей системы (см. а.с. 688104 СССР МКИ G01S 15/04; опубл. 27.12.99; Бюл. 36) (, ; дБ) и «трехчастотного» эхолота-профилографа (, ; дБ). В расчетах использовались следующие численные значения: частота генератора кГц, длина базы приема м, коэффициенты деления и ( кГц, кГц, кГц, кГц, кГц). Для рассмотренного примера тангенциальная разрешающая способность повышена в 1,2 раза, а увеличение отношения сигнал/шум на входе усилителя 10 составляет , что повышает дальность лоцирования и помехоустойчивость в 1,15 и 2,9 раз соответственно при одинаковых мощностях излучения обоих устройств.

Рассмотрим физический принцип работоспособности как первого, так и второго каналов тракта обработки фазовых признаков эхосигналов многочастотного эхолота-профилографа, который основан на применении следующего способа получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) границы раздела, реализуемого с использованием двух когерентных гармонических акустических сигналов и кратных частот и , отличающихся по частоте в целое число раз или , с помощью которых эхолотная система облучает поверхность. Пусть в среду лоцирования антенной эхолотной системы излучаются два акустических сигнала

, (4),(5)

где и - начальные фазы и циклические частоты для соответствующих акустических сигналов. Если отражающая поверхность находится на удалении , то через время к приемной антенне (без учета затухания и расширения фронта волны) придут эхосигналы

, ( 6)

, ( 7)

где и - волновые числа для соответствующих сигналов с частотами и ; - скорость звука в воде; и - величины модулей коэффициентов отражения и приобретаемого фазового сдвига для звукового давления акустических сигналов при отражении от облучаемой поверхности. После обработки в приемных трактах локационного устройства фазосвязанных эхосигналов и (фильтрация, усиление, приведение к одной частоте, фазовое детектирование) можно получить информацию о фазовой характеристике отражающей поверхности цели, определяя фазу одного из эхосигналов путем сравнения с другим эхосигналом, используемым в качестве опорного. Так, например, разность фаз, приведенных к одинаковой частоте фазосвязанных сигналов () кратных частот и будет равна

, ( 8)

т.е. разность фаз приобретенных при отражении фазовых сдвигов не зависит ни от времени распространения сигналов, ни от расстояния до отражающего объекта, а определяется только соотношением акустических сопротивлений поверхности объекта и среды лоцирования (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (часть 2). – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство ЮФУ, 2018. – С.68 - 96). При облучении акустически «жестких» объектов (выход плотных коренных пород, каменистое дно в море, граница раздела «вода-лед») акустическое сопротивление которого больше, чем акустическое сопротивление среды распространения , отражение акустических сигналов и кратных частот происходит без фазового сдвига на радиан, т.е. и . В случае отражения от акустически «мягких» объектов (насыщенный пузырьками газа верхний слой речного грунта, граница раздела «вода-воздух») акустическое сопротивление которых меньше, чем акустическое сопротивление среды распространения , отражение акустических сигналов и кратных частот происходит с фазовым сдвигом на радиан, т.е. и (фиг.5).

В соответствии с вышеизложенным в эхолоте-профилографе двухканальный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов вырабатывает информацию об акустической «мягкости» или «жесткости» объекта лоцирования. Каждый из двух его каналов функционирует следующим образом. С выходов полосовых фильтров 12, 13, 14 (фиг.1) электрические сигналы: поступают на входы стробируемых усилителей-ограничителей 20, 21, …, 22, управляющие входы которых соединены со вторым дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5, на выходах которых появляются «вырезанные» электрические сигналы с одинаковыми амплитудами, но разными частотами , ,…. , причем, стробирование позволяет оператору «вырезать» необходимую часть эхосигнала, соответствующую конкретной границе раздела слоистой структуры донных отложений. Рассмотрим работу первого канала тракта обработки фазовых признаков эхосигналов. Электрический сигнал после умножения по частоте (блок 23, коэффициент умножения ) преобразуется в сигнал с частотой и поступает на второй вход сумматора 26, на первый вход которого после умножения по частоте (блок 24, коэффициент умножения ) подан электрический сигнал с частотой , причем, при поступлении синфазных сигналов сумматор 26 вырабатывает синфазный с ними электрический сигнал , а при поступлении противофазных сигналов – сигнал будет отсутствовать. Выход сумматора 26 соединен как с первым входом схемы совпадения 28, так и с третьим сигнальным входом индикатора 19. Аналогичным образом функционирует и второй канал фазового приемного тракта – электрический сигнал после умножения по частоте (блок 24, коэффициент умножения ) преобразуется в сигнал и поступает на второй вход сумматора 27, на первый вход которого после умножения по частоте (блок 25, коэффициент умножения ) подан электрический сигнал с частотой , причем, при поступлении синфазных сигналов сумматор 27 вырабатывает синфазный с ними электрический сигнал , а при поступлении противофазных сигналов – сигнал будет отсутствовать. Выходы сумматоров 26 и 27 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 28 соответственно, которая является объединительной ступенью двух каналов фазового приемного тракта. Выход схемы совпадения 28 соединен со вторым сигнальным входом индикатора 19, на который поступает результирующий сигнал только в том случае, если обнаруженный объект является акустически «жестким» (, выход плотных коренных пород). Это обусловлено тем, что электрические сигналы , , имеют одинаковые амплитуды и синфазны попарно, что и обеспечивает наличие сигналов , одновременно на двух входах схемы совпадения 28, которая в этом случае вырабатывает информативный сигнал (положительной полярности), поступающий на второй сигнальный вход индикатора 19. Если обнаруженный объект является акустически «мягким» (, газонасыщенная полость в отложениях), то электрические сигналы , , имеют одинаковые амплитуды и противофазны попарно, что приводит к отсутствию сигналов , одновременно на двух входах схемы совпадения 28 и отсутствию информативного сигнала на втором сигнальном входе индикатора 19. Следует отметить, что использование трех спектральных компонент, сформированных в водной среде фазосвязанных сигналов разностных частот , , в данном устройстве обеспечивает получение более полного объема первичных данных, в частности, о строении морского дна и акустическом сопротивлении слоев донных осадков.

Таким образом, эксплуатационные возможности заявляемого способа активной локации с режимом параметрического излучения (РПИ) расширены в связи с тем, что в приемном тракте имеется возможность обработки информативных как амплитудных, так и фазовых признаков эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности и границ слоев осадков на трассе движения судна.

Пример.

Рассмотрим пример реализации способа с помощью экспериментального образца параметрического локатора для классификации подводных объектов по фазовым признакам эхосигналов и проведем результаты его лабораторных испытаний. C помощью устройства (фиг.4,5) способ реализуется следующим образом.

Синхронизатор 29 запускает осциллографы 41, 42, а также генератор 30, вырабатывающий радиоимпульс с частотой заполнения =250 кГц и длительностью, регулируемой в пределах (0,5 – 10) мс. С выхода усилителя мощности 31 этот радиоимпульс поступает на ЭАП 32, излучающий в водную среду с акустическим сопротивлением акустический сигнал с частотой 250 кГц, форма которого при распространении в нелинейной водной среде будет искажаться, т.е. генерироваться фазосвязанные акустические сигналы высших гармоник с частотами 500,750, …кГц. Такой многочастотный сигнал отражается от близкорасположенных объектов 43 и 44, материал которых имеет акустические сопротивления и , и его первая и вторая гармоники (250 и 500 кГц) принимаются ЭАП 33, 34 соответственно (или одним широкополосным ЭАП ). ЭАП 33, 34 соединены через резонансные усилители 35, 36 и ограничители 37, 38 с входами фазового детектора 40, причем, сигнал основной частоты 250 кГц через удвоитель частоты 39. При отражении от акустически «жестких» объектов (, ) не происходит фазового сдвига на радиан для гармонических составляющих сигнала , в результате чего электрические сигналы синфазны и видеоимпульсы , вырабатываемые фазовым детектором 40 имеют положительную полярность. Если же отражение происходит от акустически «мягкого» объекта 43, находящегося на фоне акустически «жесткого» объекта 44, то при отражении от объекта 43 происходит изменение фазы сигналов на 180⁰ (фиг.5). В результате этого электрические сигналы для этого объекта также синфазны, но так как при последующем удвоении по частоте электрического сигнала удваивается и его фазовый сдвиг, который становится равным 360⁰ или 0⁰, то на входы фазового детектора 40 поступают уже противофазные сигналы и видеоимпульс для этого объекта имеет отрицательную полярность. Для акустически «жесткого» объекта 44 видеоимпульс сохраняет положительную полярность. Таким образом, по полярности сигнала и можно судить об акустическом сопротивлении материалов лоцируемых объектов. В устройстве возможна установка в обоих каналах временных селекторов с генераторами селектирующих импульсов для того, чтобы до ограничения эхосигналов и иметь возможность произвести временную селекцию их частей, имеющих наибольшую амплитуду и соответствующих отражению от зеркальных точек объекта. Неодинаковые постоянные фазовые сдвиги, возникающие при прохождении сигналов и через электронные цепи локатора, устранялись при калибровке устройства путем введения в один из каналов фазосдвигающей цепочки.

Экспериментальное исследование реализации способа с помощью параметрического локатора для классификации подводных объектов по фазовым признакам эхосигналов проводилось в гидроакустическом бассейне. В его нижней части располагали приемно-излучающую систему с ЭАП 48, 49, 50, 50' акустические оси которых ориентировали нормально к свободной границе раздела вода-воздух, которая считалась абсолютно «мягкой». Для моделирования реальных границ раздела использовались различные пластины-листы, устанавливаемые в верхней части бассейна на расстоянии 3,5 метров от ЭАП и изготовленные из различных материалов: стали, латуни, титана, пенопласта и т.д. Схема установки для экспериментального исследования способа с помощью параметрического локатора для классификации подводных объектов представлена на фиг.6, где:

45 – гидроакустический бассейн; 46 – водная среда с акустическим сопротивлением ; 47 –пластины-отражатели с акустическими сопротивлениями ; 48 – излучающий ЭАП; 49,50 – приемные резонансные ЭАП; 50'- приемный широкополосный ЭАП.

В излучающем тракте в качестве исходного ЭАП накачки 48 был применен круглый (радиусом = 5 см) плоский ЭАП с близким к гауссовому распределением амплитуды звукового давления у излучающей поверхности 0,5×10⁵ Па, что соответствует удельной акустической мощности 0,07 Вт/см² для исходной волны. ЭАП накачки, для которого длина ближней зоны дифракции накачки составляла ≈ 0,47 м. ЭАП 48 формировал акустические поля сигналов накачки и его второй гармоники со следующими характеристиками: уровень звукового давления сигнала, приведенный к расстоянию 1 метр от преобразователя с учетом пространственного затухания ≈0,23×10⁵ Па×м и ≈0,028×10⁵ Па×м; ширина основного лепестка ХН по уровню 0,7 ≈ 4,3⁰ и ≈ 3⁰. Осевые распределения амплитуд звуковых давлений данных сигналов (нормированные относительно 1 Па) для используемого ЭАП представлены на фиг.7. Из них следует, что для сигнала второй гармоники на расстоянии ~ (1,4 ÷ 1,6) = (0,65 ÷ 0,75) м амплитуда звукового давления достигает максимума, что обусловлено дифракционными процессами для волны накачки и сформировавшейся второй гармоники. Относительное влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на исходные волны поля накачки для ЭАП оценивали, рассчитав безразмерные величины – параметр Хохлова =33; число Рейнольдса =0,7, параметр Заболотской 0,25, где – расстояние образования разрыва плоской волны с циклической частотой (рад/с) и амплитудой звукового давления (Па) у поверхности ЭАП; – длина области дифракции Френеля для волны накачки с центральной частотой (рад/с); – расстояние затухания акустической волны накачки с центральной частотой (м). Для пресной воды коэффициент затухания (Нп/м) связан с частотой (1/c) уравнением: . Из расчетных величин можно сделать вывод о том, что ЭАП накачки работает в слабо нелинейном режиме, соответствующем физической модели ПИА в режиме генерации высокочастотных компонент спектра, в котором предполагается малость нелинейных эффектов () в среде распространения (т.е. нелинейность среды не оказывает существенного влияния на поведение исходных волн накачки).

Осциллограф 41 использовался для визуального контроля пространственно-временной формы и измерения амплитуд электрических сигналов (акустически жесткая граница) и (акустически мягкая граница), поступающих с выходов резонансных усилителей 35,36 и соответствующих эхосигналам от лоцируемых границ раздела – «вода-воздух», «вода-металл» и т.д. при использовании широкополосного приемного ЭАП . В процессе проведения измерений амплитуд электрических сигналов (акустически жесткая граница), электрических сигналов (акустически мягкая граница) и их сопоставлении было установлено следующее: при осуществлении замены пластин – отражателей для моделирования требуемых границ и прочих неизменных условиях испытаний (уровень возбуждающего электрического сигнала ЭАП накачки 32, дальность до границ раздела, неизменная чувствительность в режиме приема ЭАП и т.д.) отношения электрических сигналов (акустически жесткая граница) и (акустически мягкая граница) не остаются равными, причем, первое отношение всегда больше, чем второе. Данное явление может быть объяснено следующим образом: при распространении акустического сигнала в нелинейной водной среде до момента отражения от акустически мягкой границы раздела генерация акустического сигнала второй гармоники происходит за счет энергии сигнала накачки с частотой , а после отражения сигналов и соответствующих фазовых сдвигов начинается обратная перекачка энергии из акустического сигнала второй гармоники в сигнал накачки, в то время как при отражении от акустически жестких границ раздела вследствие отсутствия фазовых сдвигов обратной перекачки энергии не происходит.

В нашем случае рассмотренная особенность физических процессов отражения от акустически мягких границ раздела может позволить получить дополнительный классификационный признак для распознавания таких поверхностей. Поршневой приемный ЭАП 34' имеет диаметр 20 мм и резонансную частоту = 2 МГц, причем, уровень дополнительных максимумов в его характеристике направленности не превышал 20% от величины основного максимума, ширина характеристики направленности по уровню 0,7 и коэффициент концентрации преобразователя для сигнала основной частоты = 250 кГц ≈ 18⁰, =108 и его второй гармоники = 500 кГц ≈ 9,5⁰, = 397.

Формирующиеся акустические поля накачки и второй гармоники не содержат резких осцилляций, причем, именно это и может обусловить предпочтительность использования устройства в исследуемом режиме в сравнении с аналогичными устройствами, в которых применяются «традиционные» интерференционные антенны для осуществления ближнего подводного наблюдения вблизи мешающих границ раздела, проведении гидроакустических измерений в условиях ограниченных пространств и т.д.

Осциллограммы информационного видеоимпульса от модельных границ раздела: 1) акустически «мягкой» - вода – воздух (верхнее фото), 2) акустически «жесткой» - вода- металл (нижнее фото) для макета параметрического локатора представлены на фиг.8. Данные осциллограммы отображают зарегистрированные в аппаратуре распределения изменения фаз акустических контактов при горизонтальном зондировании, которые можно по аналогии с эхограммами назвать фазограммами, которые отображают для разных дистанций - ось - изменение акустических сопротивлений отражающих объектов (модельных границ раздела), распределенных в водной среде. Результаты испытаний показали, что для плоских границ раздела имеет место однозначное соответствие между полярностью информационного видеоимпульса и соотношениями акустических сопротивлений лоцируемых границ раздела относительно акустического сопротивления водной среды ( ). При отражении от взволнованной поверхности воды, а также от искривленных и меняющих свое положение во времени и пространстве различных границ раздела наблюдались флюктуации амплитуды видеоимпульса и изменение в отдельные короткие промежутки времени его полярности на противоположную. Однако введение после фазового детектора 40 дополнительного блока – интегратора - со временем усреднения, большим, чем 3-5 периодов волнения или флюктуаций, позволило получить на его выходе квазипостоянное напряжение с полярностью, зависящей только от соотношений акустических сопротивлений границ и водной среды.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что заявляемый способ позволяет осуществлять не только обнаружение различных объектов, находящихся в зоне лоцирования, но и выполнять их дополнительную классификацию, определяя, является ли объект акустически «мягким» или «жестким», причем, используя принципы обработки фазосвязанных УЗ сигналов кратных частот.

Использование: изобретение относится к способам активной локации с режимом параметрического излучения (РПИ) и может быть использовано для получения информации при профилировании донных осадков, что позволит получить новый объем первичных данных о строении морского дна за счет обработки амплитудных и фазовых признаков эхосигналов. Технический результат: обработка не только амплитудных, но и фазовых признаков эхосигналов различных частот, что приводит к возможности классификации обнаруженных границ раздела как дна, так и слоев донных осадков за счет регистрации такого информативного параметра как акустическое сопротивление границ раздела. Сущность: в способе профилирования структуры донных осадков осуществляют в приемном тракте обработки фазовых признаков эхосигналов последовательно: полосовую фильтрацию, стробирование, усиление-ограничение электрических сигналов с частотами F₁₂=|f₁-f₂|, F₁₃=|f₁-f₃|, F₂₃=|f₂-f₃|, а также умножение их частот на соответствующие коэффициенты, т.е. приведение их к одной частоте f₁=F₂₃/(|1/a-1/b|), f₁=F₁₃/(|1-1/b|), … f₁=F₁₂/(|1-1/a|) с сохранением фазовой информации об объектах и границах раздела; отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные распределения изменения фаз акустических контактов при вертикальном зондировании - фазограммы, отображающие для разных дистанций - ось z - изменение акустических сопротивлений совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, а также дне и слоях донных отложений водоема под движущимся судном-носителем аппаратуры. 8 ил.

Способ профилирования структуры донных осадков, заключающийся в том, что

- устанавливают на стабилизированной платформе поворотно-выдвижного устройства, движущегося относительно дна судна-носителя два обратимых ЭАП, закрепленных на расстоянии базы L друг от друга для формирования параметрического излучения и приема, таким образом, что их акустические оси направленно-встречно совпадают с осью (z), перпендикулярной к горизонтальной плоскости (x, y) судна-носителя, имеется возможность их совместного поворота на угол Θ относительно оси z, реализуя моностатический способ эхолотирования в среде лоцирования;

- используют ЭАП пьезокерамического типа, конструкции ЭАП снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также соединены кабелем с аппаратурой;

- обеспечивают работоспособность ЭАП за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, применяя пьезоэлементы простой геометрической формы (стержень, пластина, диск), в частности с заданной резонансной частотой f₀ и полосой пропускания Δf, определяющей рабочий диапазон частот ЭАП;

- формируют в излучающем тракте импульсный трехкомпонентный электрический сигнал, в котором амплитуды компонент изменяются по гармоническому закону, их величины частот колебаний f₁, f₂=f₁/(a,......f₃ )=f₁/b находятся в полосе пропускания пьезоэлемента, причем величины выбранных коэффициентов деления a,…b находятся в диапазоне - больше 1, но меньше 2, например 7/6, 8/6 или 12/11, 13/11 или 14/11, 15/11 и т.д.),

и подают его на пьезоэлемент первого ЭАП, вызывая его колебания на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения, передавая частицам водной среды энергию трехкомпонентной УЗ волны накачки, которая распространяется к донной поверхности на трассе движения судна;

- создают в водной среде за счет интерференции излученных колебаний от различных участков пьезоэлемента первого ЭАП общую пространственную область коллинеарного распространения волновых процессов с частотами f₁, f₂, f₃, в объеме которой нелинейно взаимодействуют три компоненты УЗ волн накачки с циклическими частотами ω₁=2pf₁, ω₂=2pf₂, ω₃=2pf₃ и волновыми векторами , образуя «виртуальную» параметрическую излучающую антенну (ПИА);

- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных импульсов УЗ волн накачки в объеме ПИА - спектральные компоненты комбинационных частот - волны разностных частот F₁₂=|f₁-f₂|, F₁₃=|f₁-f₃|, F₂₃=|f₂-f₃|, угловое распределение амплитуд звуковых давлений которых определяется произведением характеристик направленности (ХН) первого ЭАП для трехкомпонентной УЗ волны накачки с частотами f1, f2, f3;

- облучают распространяющимися вдоль вертикали и стабилизированными относительно горизонта зондирующими импульсами как объем водной среды, имеющей акустическое сопротивление (Z_СР1=с_ср1с_ср1), где c_cp1 - плотность водной среды, c_cp1 - скорость звука в водной среде, так и различные объекты на пути распространения в водной и донной (Z_СР2=с_ср2с_ср2) средах, имеющие различные величины акустических сопротивлений [Z_ОБ1,2=с_(об1,2)с_(об1,2)]≠(Z_СР2), Z_ОБ1<Z_СР2, Z_ОБ2>Z_СР2 ];

- устанавливают акустические контакты за счет отражения части УЗ энергии сигналов разностной частоты F₁₂=|f₁-f₂|, F₁₃=|f₁-f₃|, F₂₃=|f₂-f₃, и формируют как объемный реверберационный процесс, так и запаздывающие эхосигналы, которые несут амплитудную и фазовую информацию об объектах и границах раздела, включающую их отражательную способность, акустическое сопротивление, и глубин нахождения;

- формируют параметрический прием на участке водной среды - базе длиной L между первым ЭАП накачки, формирующим параметрическую излучающую антенну, находящимся в режиме паузы, и вторым ЭАП вследствие излучения им к первому ЭАП вспомогательной волны накачки с частотой f₁, осуществляя ее фазовую модуляцию отраженным трехкомпонентным сигналом при совместном распространении в пределах базы L;

- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлемента первого из ЭАП промодулированный УЗ трехкомпонентный сигнал в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры, в которой осуществляется обработка амплитудных признаков эхосигналов, включающая фазовое детектирование, полосовую фильтрацию, усиление, амплитудное детектирование, перемножение;

- отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные распределения изменения амплитуд акустических контактов при вертикальном зондировании - эхограммы, отображающие для разных дистанций - ось z - изменение отражательных способностей совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, а также дне и слоях донных отложений водоема, под движущимся судном-носителем аппаратуры,

отличающийся тем, что

- осуществляют последовательно в приемном тракте обработки фазовых признаков эхосигналов полосовую фильтрацию, стробирование, усиление-ограничение электрических сигналов с частотами F₁₂=|f₁-f₂|, F₁₃=|f₁-f₃|, F₂₃=|f₂-f₃|, а также умножение их частот на соответствующие коэффициенты, осуществляя их приведение к одной частоте f₁=F₂₃/(|1⁄a-1/(b|), f₁=F₁₃/(|1-1/(b|),…. f₁=F₁₂/(|1-1/a|) с сохранением фазовой информации об объектах и границах раздела;

- отображают, регистрируют и документируют в аппаратуре полученные распределения изменения фаз акустических контактов при вертикальном зондировании - фазограммы, отображающие для разных дистанций - ось z - изменение акустических сопротивлений совокупностей рассеивателей и отражающих объектов, распределенных в водной среде, а также дне и слоях донных отложений водоема под движущимся судном-носителем аппаратуры.