Автоматизированная система моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде Российский патент 2025 года по МПК G01H3/00 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в системах морского мониторинга волн различной физической природы, создаваемых естественными и искусственными источниками. В частности, для эффективного формирования в морской среде пространственно-развитых параметрических антенн с учетом многолучевого распространения волн в гидроакустических каналах с переменными характеристиками границ и среды.

Известна «Система параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде» (пат. № 2536836 RU, МПК G01V 1/38 от 01.07.2013 г.). Система включает в себя размещенные в среде и выполненные с возможностью формирования между ними параметрической антенны излучающий и приемный акустические преобразователи и соединенные с ними соответственно тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема, усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, причем протяженность рабочей зоны системы соответствует половине протяженности обследуемой акватории, для чего излучающий преобразователь размещен в центре обследуемой акватории и содержит низкочастотный и инфранизкочастотный излучатели, первый из которых размещен в водной среде с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, а инфранизкочастотный излучатель размещен на дне с возможностью накачки морского грунта, причем тракт формирования и усиления излучаемых сигналов водной среды и грунта сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и инфранизкочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блок согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, при этом приемный преобразователь установлен на судне-носителе, размещенном с возможностью перемещения по периметру акватории, и включает два вертикально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с приемным трактом системы, содержащим последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз параметрически преобразованных просветных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов, кроме этого система содержит блок спутниковой связи, выполненный с возможностью дистанционного контроля и управления ее работой из центрального поста, и средства определения местоположения излучающих и приемных преобразователей.

Недостатком указанной системы является недостаточная эффективность формирования в морской среде пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, что влияет на дальность параметрического приема волн на контролируемом участке акватории.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде (пат. № 2472116 RU, МПК G01H 3/00, G10K 11/00 от 15.06.2011 г.), которая включает в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки среды с принимаемыми информационными, размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними тракт формирования и усиления излучаемых сигналов, тракт приема, обработки, выделения и регистрации принимаемых информационных сигналов, при этом длина рабочей зоны гидроакустической системы равна протяженности контролируемого участка морской среды, для чего низкочастотные излучающий и приемный преобразователи акустических волн накачки размещены на его противоположных границах, при этом излучающий преобразователь соединен кабелем с выходом тракта излучения сигналов, который содержит последовательно соединенные генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с кабелем, а приемный преобразователь соединен кабелем с входом тракта приема информационных сигналов, который содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки, преобразователь частотно-временного масштаба, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор информационных волн.

Недостатком указанной системы является недостаточная эффективность формирования в морской среде пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, что влияет на дальность параметрического приема волн на контролируемом участке акватории.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в дальнейшей разработке структуры системы, как автоматизированной системы моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности формирования параметрической антенны в морской среде с учетом многолучевого распространения волн в гидроакустических каналах с переменными характеристиками, что способствует увеличению объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и преобразования волн и, как следствие, увеличению дальности параметрического приема волн.

Параметрические антенны обеспечили решение задачи широкополосного направленного излучения в гидроакустике, повысили чувствительность приема волн. При этом дальность приема волн в гидроакустических системах с высокочастотными параметрическими антеннами (сигналы накачки среды с частотой десятки кГц, чаще сотни кГц) оставалась незначительной и составляла сотни метров и только в отдельных случаях единицы километров (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в системах гидролокации. - Л.: Судостроение. - 1990. - С. 17-40, 203-225). Эти недостатки параметрических антенн ограничили возможность их применения в стационарных и корабельных гидроакустических комплексах. Устранение недостатков высокочастотных параметрических антенн достигнуто в системах морского мониторинга с низкочастотной накачкой среды, формирующих в морской среде многолучевую пространственно-развитую параметрическую антенну (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды: монография. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. - 173 с.).

Для решения указанной задачи разработана автоматизированная система моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде, включающая в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, размещенные в морской среде излучатель и приемный преобразователь, при этом излучатель соединен кабелем с выходом тракта формирования и усиления сигналов, который содержит последовательно соединенные генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с кабелем, а приемный преобразователь соединен кабелем с входом тракта приема, обработки и регистрации сигналов, который содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки, преобразователь частотно-временного масштаба, узкополосный анализатор спектров и регистратор.

Принципиальным отличием от прототипа является то, что дополнительно введен блок управления и регулирования параметров системы, вход которого соединен с выходом узкополосного анализатора спектров тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а выход соединен с входом генератора сигналов накачки низкой стабилизированной частоты тракта формирования и усиления сигналов, и дополнительно введен тракт имитации характеристик гидроакустических каналов, который содержит последовательно соединенные блок автоматизированной подготовки данных, блок моделирования характеристик гидроакустического канала, блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля, при этом вход блока автоматизированной подготовки данных соединен с выходом блока управления и регулирования параметров системы, а выход блока накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля соединен с входом блока управления и регулирования параметров системы.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема автоматизированной системы моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде. На фиг. 2 приведен спектр сигнала накачки среды с частотой 390Гц.

Фиг. 1 содержит следующие элементы:

1. Тракт формирования и усиления сигналов.

1.1. Генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты.

1.2. Усилитель мощности.

1.3. Блок согласования.

2. Излучатель.

3. Тракт приема, обработки и регистрации сигналов.

3.1. Широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки.

3.2. Преобразователь частотно-временного масштаба.

3.3. Узкополосный анализатор спектров.

3.4. Регистратор.

4. Приемный преобразователь.

5. Блок управления и регулирования параметров системы.

6. Тракт имитации характеристик гидроакустических каналов.

6.1. Блок автоматизированной подготовки данных.

6.2. Блок моделирования характеристик гидроакустического канала.

6.3. Блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля.

7. Рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн (многолучевая параметрическая антенна).

8. Контролируемый участок морской среды.

9. Источник излучения волн различной физической природы.

Как показано на фиг. 1, конструктивно тракт формирования и усиления сигналов 1 включат в себя последовательно соединенные генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты 1.1, усилитель мощности 1.2, блок согласования 1.3 выхода усилителя мощности 1.2 с кабелем, соединяющим излучатель 2 с выходом тракта формирования и усиления сигналов 1.

Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 3 включает в себя широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки 3.1, вход которого связан кабелем с приемным преобразователем 4, а выход с входом преобразователя частотно-временного масштаба 3.2 сигналов в высокочастотную область, выход которого соединен с входом узкополосного анализатора спектров 3.3, выход которого соединен с входом регистратора 3.4.

Блок управления и регулирования параметров системы 5, вход которого соединен с выходом узкополосного анализатора спектров 3.3 тракта приема, обработки и регистрации сигналов 3, а выход соединен с входом генератора сигналов накачки низкой стабилизированной частоты 1.1 тракта формирования и усиления сигналов 1.

Конструктивно тракт имитации характеристик гидроакустических каналов 6 содержит последовательно соединенные блок автоматизированной подготовки данных 6.1 канала распространения звука, блок моделирования характеристик гидроакустического канала 6.2, блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля 6.3. При этом вход блока автоматизированной подготовки данных 6.1 соединен с выходом блока управления и регулирования параметров системы 5, а выход блока накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля 6.3 соединен с входом блока управления и регулирования параметров системы 5.

Многолучевая параметрическая антенна 7, сформированная на контролируемом участке морской среды 8, функционирует на основе закономерностей нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн при их совместном распространении в морской среде, а также на основе закономерностей многолучевого распространения волн в протяженном гидроакустическом канале с переменными характеристиками среды и границ.

Источник излучения волн различной физической природы 9 (акустические, электромагнитные и гидродинамические волны).

На фиг. 2 приведен спектр сигнала накачки среды с частотой 390Гц, промодулированный электромагнитными излучениями морского судна, протяженность контролируемого участка среды составляла 45 км. Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет увеличения объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн.

Автоматизированная система моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде работает следующим образом.

По команде блока управления и регулирования параметров системы 5 тракт имитации характеристик гидроакустических каналов 6 строит адекватную модель гидроакустического канала и его цифровой образ для контролируемого участка морской среды 8.

Для этого в тракте имитации характеристик гидроакустических каналов 6 блок автоматизированной подготовки данных 6.1 выполняет выборку профилей скорости звука и рельефа дна из баз, основанных на обобщении многолетней информации (Информационное обеспечение расчета пространственного расположения радиогидроакустических средств в Японском море. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018618118. Опубл. 10.07.2018 А.М. Василенко, В.А. Пятакович, М.В. Мироненко). Затем передает данные в блок моделирования характеристик гидроакустического канала 6.2, который формирует модель гидроакустического канала с переменными по трассе профилями скорости звука и рельефом дна (Программа имитационного моделирования процесса распространения гидроакустических сигналов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2017664296. Опубл. 20.12.2017 А.М. Василенко, В.А. Пятакович).

Далее блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля 6.3 создает цифровой образ гидроакустического канала, который определяет место и глубины погружения излучателя 2 и приемного преобразователя 4 на контролируемом участке морской среды 8.

Блок управления и регулирования параметров системы 5 обрабатывает данные тракта имитации характеристик гидроакустических каналов 6 и вычисляет новые значения управляющих сигналов для блоков тракта формирования и усиления сигналов 1.

По команде блока управления и регулирования параметров системы 5 генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты 1.1 тракта формирования и усиления сигналов 1 генерирует низкочастотный сигнал накачки, который формирует в морской среде многолучевую параметрическую антенну 7, в рабочей зоне которой наблюдается эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования низкочастотного сигнала накачки и волн, порождаемых источником излучения волн различной физической природы 9.

Возникающие в результате нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки, и будут выделены в блоках тракта приема, обработки и регистрации сигналов 3.

В тракте приема, обработки и регистрации сигналов 3 широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки 3.1 усиливает сигнал с приемного преобразователя 4, преобразователь частотно-временного масштаба 3.2 преобразовывает его частотно-временной масштаб в высокочастотную область, узкополосный анализатор спектров 3.3 выполняет узкополосный спектральный анализ, а регистратор 3.4 фиксирует спектры сигналов. Результаты спектрального анализа поступают в блок управления и регулирования параметров системы 5, где вычисляются новые значения управляющих сигналов (команд) и передаются на вход трактов 1 и 6.

Таким образом, созданная автоматизированная система моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде позволяет строить адекватную модель и цифровой образ гидроакустического канала для адаптации системы к различным пространственно-временным условиям и увеличения дальности параметрического приема волн различной физической природы за счет эффективного формирования в морской среде пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны (рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн) увеличенного объема.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности формирования параметрической антенны в морской среде с учетом многолучевого распространения волн в гидроакустических каналах с переменными характеристиками, что способствует увеличению объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и преобразования волн, и как следствие, увеличению дальности параметрического приема волн.

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

Использование: изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в системах морского мониторинга волн различной физической природы, создаваемых естественными и искусственными источниками. В частности, для эффективного формирования в морской среде пространственно-развитых параметрических антенн с учетом многолучевого распространения волн в гидроакустических каналах с переменными характеристиками границ и среды. Технический результат: повышение эффективности формирования параметрической антенны в морской среде с учетом многолучевого распространения волн в гидроакустических каналах с переменными характеристиками, что способствует увеличению объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и преобразования волн и, как следствие, увеличению дальности параметрического приема волн. Сущность: в автоматизированную систему моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде, дополнительно введен блок управления и регулирования параметров системы, вход которого соединен с выходом узкополосного анализатора спектров тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а выход соединен с входом генератора сигналов накачки низкой стабилизированной частоты тракта формирования и усиления сигналов. И дополнительно в структуру системы введен тракт имитации характеристик гидроакустических каналов, который содержит последовательно соединенные блок автоматизированной подготовки данных, блок моделирования характеристик гидроакустического канала, блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля. При этом вход блока автоматизированной подготовки данных соединен с выходом блока управления и регулирования параметров системы, а выход блока накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля соединен с входом блока управления и регулирования параметров системы. 2 ил.

Автоматизированная система моделирования характеристик гидроакустических каналов и приема волн различной физической природы в морской среде, включающая в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, размещенные в морской среде излучатель и приемный преобразователь, при этом излучатель соединен кабелем с выходом тракта формирования и усиления сигналов, который содержит последовательно соединенные генератор сигналов накачки низкой стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с кабелем, а приемный преобразователь соединен кабелем с входом тракта приема, обработки и регистрации сигналов, который содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки, преобразователь частотно-временного масштаба, узкополосный анализатор спектров и регистратор, отличающаяся тем, что дополнительно введен блок управления и регулирования параметров системы, вход которого соединен с выходом узкополосного анализатора спектров тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а выход соединен с входом генератора сигналов накачки низкой стабилизированной частоты тракта формирования и усиления сигналов, и дополнительно введен тракт имитации характеристик гидроакустических каналов, который содержит последовательно соединенные блок автоматизированной подготовки данных, блок моделирования характеристик гидроакустического канала, блок накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля, при этом вход блока автоматизированной подготовки данных соединен с выходом блока управления и регулирования параметров системы, а выход блока накопления и анализа информации о параметрах гидроакустического поля соединен с входом блока управления и регулирования параметров системы.