Акустический способ для исследования поля скорости течений и морского волнения на прибрежной акватории Российский патент 2025 года по МПК G01S15/60 

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 схеме моностатической 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 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, 2) характеристик гидроусловий (генеральное направление бега поверхностной волны, ее амплитуда и длина волны и т.д.).

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

1) установка в необходимой части донной поверхности водоема приемоизлучающего электроакустического преобразователя (ЭАП), который соединен кабелем с аппаратурой, а также снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) регулировка пространственного расположения акустической оси приемоизлучающего ЭАП до совпадения с вертикалью, что обеспечивает облучение снизу вверх границы раздела вода-воздух;

3) осуществление с помощью излучающего тракта аппаратуры генерирование электрических колебаний и их кодирование - преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту ƒ;

4) преобразование с помощью ЭАП в режиме излучения кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, которые распространяют в направлении участка контролируемой границы объекта, в частности, границы раздела вода-воздух;

5) установление акустического контакта с участком контролируемой поверхности объекта, что обусловит отражение посылок УЗ волн;

6) преобразование с помощью ЭАП в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы;

7) в приемном тракте аппаратуры выделение амплитуды информационного сигнала, полученного при отражении в частности, выбранного участка границы раздела вода-воздух, позволяя судить об его отражательной способности;

в частности, выбранного участка границы раздела вода-воздух относительно ЭАП;

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

Данный способ и реализующее его устройство имеют недостатки и ограничения в применении, связанные с ограничением диапазона проведения достаточно точных измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения - высоты, длины и периода гравитационной волны, осуществляемых по временной задержке отражений импульсных сигналов от отдельных участков ее профиля. Это обусловлено недостаточной как разрешающей способностью по углу, так и помехоустойчивостью приемоизлучающего ЭАП (поперечный размер «пятна» ~ 1,4 м на границе раздела «вода-воздух» при облучении импульсным ультразвуковым сигналом с глубины 10 м). Ограниченность полосы пропускания приемного тракта локатора, реализующего данный способ, приводит к тому, что отраженный от цели импульс не может иметь прямоугольную форму, форма импульса искажается под влиянием помех и происходит смещение момента перехода импульса через пороговый уровень обнаружения, что снижает точность измерений. Данный способ и реализующее его устройство не обеспечивают возможность прямого измерения генерального направления распространения морских волн и использование резонансного механизма УЗ рассеяния для получения сведений о характеристиках движения как взволнованной поверхности, так и слоистой водной среды.

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 последовательности операций:

1) установку на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из m 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 ƒ, 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 низкочастотные (самодемодуляция) и высокочастотные (самовоздействие) УЗ сигналы;

5) облучение снизу вверх УЗ сигналами участка границы раздела вода-воздух через к 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 к 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 (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 (n+m) 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 (n+m) канальном тракте аппаратуры с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений.

Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении:

1) для получения сведений о закономерности изменения дистанции до облучаемых границ раздела и слоев водной среды от обратимого ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ, используется только вертикальное направление облучения. Это является ограничением способа, так как обеспечивается получение информации в виде «амплитуда - дистанция», причем, только непосредственно над этим 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;

2) не обеспечена возможность 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;

3) в способе предполагается применение низкочастотных спектральных составляющих, генерируемых за счет нелинейного эффекта самодемодуляции (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.), частоты которых F_M⋅m=(2m-1)/2τ_и обратно пропорциональны длительности излученного импульса τ_и, где m=1,2,3, …, j, - порядковый номер максимума в спектре. При проведении измерений на мелководье это накладывает ограничения на подбор частот зондирующих УЗ сигналов. Проанализируем расчетные значений величин частот, кГц /длин волн, м (F_M⋅m/Λ_М⋅m) для первых трех максимумов самодемодулированного спектра при длительностях излученного импульса τ_и, мс длины импульса l_и в воде, м (τ_и/l_и). Так, при длительности излучения импульса

τ_и=10 мс / длине импульса в воде l_и=15 м имеем - F_M1 = 0,05 кГц/Λ_Mm = 30 м, F_M2 = 0,15 кГц/Λ_Mm=10 м, F_M3 = 0,25 кГц/Λ_Mm=6 м;

при τ_и = 1 мс/l_и = 1,5 м - F_M1 = 0,5 кГц/Λ_Mm = 3 м, F_M2 = 1,5 кГц/Λ_Mm=1 м, F_M3=2,5 кГц/Λ_Mm=0,6 м;

при τ_и=0,1 мс/l_и=0,15 м - F_M1 = 5 кГц/Λ_Mm = 0,3 м, F_M2 = 15 кГц/Λ_Mm=0,1 м, F_M3=25 кГц/Λ_M2 = 0,06 м.

4) в способе не реализована возможность классификации по отраженному сигналу параметров процесса морского волнения, например, избирательного обратного рассеяния ультразвуковых волн, а также характеристик движения слоистой морской среды, например, обнаруженной взаимосвязи пространственного распределения звукорассеивающих слоев (ЗРС) с крупномасштабной морской циркуляцией.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности измерения и регистрации трехмерной картины течений движения к 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.

Наиболее близким к заявляемому способу является акустический способ измерения параметров морского волнения, раскрытый в патенте №2721307 РФ G01S 15/60, опубл. 18.05.2020, Бюл №14, из которого следует:

1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из m 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 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;

3) генерация в излучающем тракте аппаратуры амплитудно-импульсных модулированных электрических колебаний, огибающая которых имеет прямоугольную форму с несущей частотой ƒ, 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 к 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 (n+m) 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 (n+m) канальном приемном тракте аппаратуры, и регулировка основных параметров: остроты направленного действия, угловой ширины основного лепестка, количества, направлений и величин дополнительных максимумов 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 (n+m) 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 θ_Д 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 ƒ 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 ƒ, 2ƒ, 3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=1,2,3,…,i,… - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона θ_Д 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 ƒ, 2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ 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 θ_Д 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) 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 2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ в приемном тракте аппаратуры;

22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения амплитудно частотных характеристик (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ƒ,…iƒ,…nƒ) для заданных участков границы раздела вода- воздух, расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла θ_Д 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 θ_Д 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.

Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении:

1) для получения сведений о закономерности изменения удаления облучаемых границ раздела и слоев водной среды от обратимого ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ, используется вертикальное направление облучения. Это является ограничением способа, так как обеспечивается получение информации в виде «амплитуда- дистанция», причем, только непосредственно над 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. Способ не позволяет измерять и регистрировать трехмерно-объемную картину течений в слоистой морской среде, а также динамику изменения характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.

2) в способе не предусмотрена возможность измерения параметров течений в объеме слоистой водной среды за счет регистрации рассеяния УЗ от к слоев совокупностей рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, мега- и микропланктон - с оптимальными частотами обнаружения (1-10) и (10-100) кГц соответственно и т.п.), которые пассивно переносятся течениями водной массы. Например, сонограммы планктона, имеющего «индивидуальную» плотность распределения в заданных областях облучения и нейтральную плавучесть, позволяют визуализировать распространяющиеся в водной среде внутренние волны, а обработка и анализ доплеровского спектра эхосигналов от ЗРС могут позволить получить информацию о турбулентности водных масс на глубинных горизонтах;

3) режим наклонного моностатического облучения подводных объемов акватории для измерения и регистрации трехмерно-объемной картины течений в слоистой морской среде предполагает увеличение рабочих дистанций r эхозондирования. Эффективность эхоконтактов с рассеивателями в данном случае может быть обеспечена за счет снижения частоты зондирующего сигнала, в то время как применение высших гармоник соответствует задачам наклонной локации при небольших углах падения на границу раздела вода-воздух над ПАУ. Это видно из соотношения для расчета потерь при распространении высокочастотного УЗ сигнала ПР=20lgr+0,02(0,219ƒ+0,00164ƒ²)r, которое входит в уравнение гидролокации справедливое для доплеровского измерителя скорости течений УП=УИ-ПР+S_V+10lgV_peв. Здесь УП, УИ - уровни принятого и излученного сигналов, S_V - сила рассеяния объемной реверберации, - облучаемый реверберирующий объем. Таким образом, для режима наклонного моностатического облучения больших объемов прибрежных акваторий целесообразно использовать низкочастотные УЗ остронаправленный пучки, причем, при использовании малогабаритных ЭАП.

4) фактором, ограничивающим возможности доплеровского измерителя скорости, является уровень бокового поля ЭАП. Число рассеивателей, охваченных основным лепестком ХН ЭАП, составляет лишь малую долю рассеивателей в озвученном объеме на данной дистанции. Поэтому, несмотря на относительно низкий уровень бокового поля, его вклад в эхосигнал значителен. В результате доплеровский спектр эхосигнала расширяется, что приводит к ухудшению точности измерения доплеровского сдвига частоты. Влияние бокового поля может быть резко уменьшено при использовании параметрической излучающей антенны (ПИА) в специализированных режимах, например, излучения многокомпонентного фазосвязанного сигнала накачки. Главным достоинством ПИА является возможность формирования в значительном диапазоне ВРЧ однолепестковой ХН с неизменными параметрами при небольших массогабаритных данных ЭАП накачки, что является справедливым и для указанного выше режима.

Режим функционирования параметрической излучающей антенны (ПИА) с многокомпонентным сигналом накачки применяется для повышения энергетического потенциала на формирующихся низкочастотных сигналах ВРЧ кратных длин волн при неизменной ширине основного лепестка характеристики направленности (ХН). Это достигается за счет использования в качестве сигнала накачки фазированных спектральных составляющих, находящихся в полосе пропускания излучающего ЭАП, причем, разность их частот и определяет состав полигармонического низкочастотного сигнала, генерирующегося в водной среде. Данный способ формирования ПИА позволяет увеличить эффективность генерации зондирующих сигналов именно в длинноволновом диапазоне, что актуально при осуществлении измерений параметров движения слоистой морской среды.

Таким образом, 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 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 обследуемой акватории в широкой полосе рабочих частот при облучении ВРЧ сигналами со стороны дна, которые формируются ПИА.

Заявляемый результат достигается тем, что в известный акустический способ измерения параметров морского волнения, описанный в патенте №2721307 РФ (https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=RU&NR=2721307C1&KC=С1&FT=D&ND=3&date=20200518&DB=&locale=en_ЕР) G01S 15/60, опубл. 18.05.2020, Бюл №14, в котором предусмотрена следующая последовательность операций:

1) установка на донной поверхности акватории приемоизлучающего устройства (ПАУ) полусферической формы, которое выполнено из m 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 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 ƒ, 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 (n+m) 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 (n+m) 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 (n+m) 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 θ_Д 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 ƒ 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 ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=1,2,3…,i,… - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ и их оси имеют одинаковые углы наклона θ_Д 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 ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ 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 θ_Д 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) 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 2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ в приемном тракте аппаратуры;

22) измерение в режиме наклонного моностатического облучения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ƒ,…iƒ,…nƒ) для заданных участков границы раздела вода- воздух, расположение которых на генеральном направлении распространения поверхностной ветровой волны определяется несколькими значениями угла θ_Д 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 θ_Д 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 дополнительно введены следующие операции:

24) регистрируют в режиме наклонного моностатического облучения отсутствие акустических контактов с к слоями рассеивателей, которые распределены в водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, при измерении амплитудно-частотных (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ƒ,…iƒ,…nƒ) и амплитудно-угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов θ_Д наклона облучения относительно горизонта);

25) генерируют в излучающем тракте береговой гидроакустической аппаратуры электрический многокомпонентный сигнал возбуждения

где ω_m=ω₁+(N-1)Ω/2 - средняя циклическая частота накачки, N - число суммируемых колебаний с одинаковыми как амплитудами, так и начальными фазами в момент времени (t=0), а также близкими частотами, находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента ЭАП;

26) преобразуют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры электрический многокомпонентный сигнал с циклическими частотами ω₀,ω₀ + Ω,ω₀ + 2Ω,ω₀ + 3Ω,…ω₀ + NΩ, где Ω=2πF_ - первая гармоника ВРЧ, в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные радиоимпульсы прямоугольной формы, усиливают по мощности полученные радиоимпульсы;

27) синхронно подают усиленные по мощности радиоимпульсы на пьезоэлементы ЭАП, которые излучают импульсы УЗ многокомпонентных волн накачки в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела вода-воздух, формируя в водной среде четыре ПИА с повышенной эффективностью нелинейного взаимовоздействия фазосвязанных волн накачки с циклическими частотами ω₀,ω₀ + Ω,ω₀ + 2Ω,ω₀ + 3Ω,…ω₀ + NΩ;

28) генерируют четыре полигармонических пучка гармоник ВРЧ с кратными циклическими частотами Ω, 2Ω, 3Ω,…NΩ, пучки оппозитно расположены в парах и разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ, их акустические оси имеют одинаковые углы наклона θ_Д относительно горизонта, находясь в двух вертикальных взаимноперпендикулярных 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;

29) устанавливают на частотах Ω, 2Ω, 3Ω,…NΩ 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 имеют как положительные, так и отрицательные проекции относительно осей X и У;

30) выбирают необходимое для измерений количество i слоев рассеивателей, движущихся с различными скоростями υ_{i сл} течений на i горизонтах глубин в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах, за счет выбора характеристик приемного строба (ширина приемного строба τ_{i сл} и расположение по глубине четырех участков измерений относительно дна) и последовательности его перемещения в заданном диапазоне глубин;

31) задают идентичные параметры стробирования в приемном тракте для получения усредненных по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ_{i сл} течений для имеющихся четырех оппозитно расположенных в парах водных объемов, состоящих из i слоев рассеивателей, в которых при облучении УЗ сформированы доплеровские измерительные каналы для режима наклонного моностатического облучения;

32) выбирают i-тый горизонт глубин для получения данных о величине скорости и; 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 скорости υ_{i сл} на i-том горизонте глубин относительно осей X и У, причем, знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся областей рассеивателей относительно дна в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения;

33) используют для эхозондирования в сформированных парах доплеровских измерительных каналов для осей X и У одинаковые величины частот гармоник ВРЧ Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ, причем, в каждой паре направленный прием отраженных колебаний для увеличения отношения сигнал/помеха осуществляется совокупностями обратимых ЭАП, размещенных на полусфере ПАУ, которые попадают в проекцию обратного облучения рассеянными УЗ полями;

34) преобразуют эхосигналы от четырех, выделенных за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, областей рассеивателей, которые пассивно переносятся течением со скоростью υ_{i сл} в i-м слое водной среды, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем, если для одних совокупностей обратимых ЭАП, попадающих в проекции обратного облучения рассеянными УЗ полями, - частота будет увеличена, так как области рассеивателей приближаются, то для других уменьшена, так как области рассеивателей удаляются;

35) осуществляют в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры суммирования частот сигналов для каждой гармоники ВРЧ с циклическими частотами Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ, 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 относительно донных осей X и У и модуля скорости течения υ_{i сл} в i-ом слое водной среды, а также N значений величин угла смещения направления вектора скорости течения относительно осей X и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями

и

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

36) осуществляют последовательность операций по п.п. 30-35 для последующих горизонтов глубин в движущихся слоях водной среды;

37) преобразуют полученную информацию в код для сопряжения с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.

Заявляемый способ поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, с помощью которой поясняются особенности функционирования. На фиг. 2 поясняется принцип избирательного интерференционного усиления УЗ сигнала при обратном рассеянии модельной границей раздела с синусоидальным профилем неровностей. На фиг. 3 представлен спектр многокомпонентного (N=5) сигнала накачки в полосе пропускания пьезоэлемента ЭАП, указанном штриховой линией. На фиг. 4 в графическом виде представлены экспериментальные результаты калибровки ПИА в режиме повышенной эффективности нелинейного взаимовоздействия фазосвязанных волн накачки с циклическими частотами ω₀,ω₀ + Ω,ω₀ + 2Ω,ω₀ + 3Ω,…ω₀ + NΩ, где N=5.

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 6, а также характеристик поверхностного волнения 35, достигается за счет широкополосного облучения УЗ сигналами со стороны дна 34 обследуемой акватории. Как следует из фиг. 1, на донной поверхности 34 прибрежной акватории размещено ПАУ 5, соединенное с береговой аппаратурой (отмечена штриховым контуром). ПАУ 5 выполнено в соответствии с пат. №104732 РФ G01S 15/00; опубл. 20.05.2011, Бюл №14. Получаемая информация обеспечивает возможность интегральной обработки для регистрации трехмерной картины течений в слоистой морской среде 6 над ПАУ 5, а также получения уточненных данных о характеристиках поверхностного волнения 35 на обследуемой прибрежной акватории (фиг. 1). Береговая аппаратура состоит из излучающего и приемного трактов, включает в себя каналы как измерений параметров морского волнения в режиме волнографа, так и обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны 35 (измерений параметров движения слоистой морской среды 6). 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 m одинаковых 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 ПАУ 5 осевой меридиан, проекция которого ориентирована заданным образом относительно сторон света.

Режим обращенного моностатического эхолота, т.е. нормального облучения УЗ импульсами участка границы раздела 7 вода - воздух обеспечивает канал измерений параметров морского волнения 35 (режим волнографа, пат. №168083 РФ G01S 15/60, опубл. 17.01.2017, Бюл №2), в котором используется ЭАП 4. Акустическая ось ЭАП 4 расположена вертикально, т.е. облучение короткими УЗ импульсами 31 взволнованной границы раздела 7 (фиг. 1) осуществляется по кратчайшему расстоянию через нелинейную водную среду 6. Эхосигналы принимаются тем же ЭАП 4 в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В режиме волнографа (фиг. 1) 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 ƒ,2ƒ,3ƒ,…nƒ и F_l=1/2τ₃,F₂=3/2τ₃, F_M=(2m-1)/2τ₃, которые формируются в водной среде 6 за счет нелинейных эффектов как самовоздействия, так и самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения ƒ и длительностью τ₃. Канал включает в себя (n+m) параллельно включенных цепочек (где n=1,2,3, i, и m=1,2,3, j, - целые числа) из последовательно соединенных резонансных усилителей 8, настроенных на частоты ƒ,2ƒ,3ƒ,…nƒ и F_l=1/2τ₃,F₂=3/2τ₃, F_M=(2m-1)/2τ₃, амплитудных детекторов 9 и аттенюаторов 10 с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными (n+m) - 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 35 содержит два ЭАП расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона θ_Д относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ 5. Оба ЭАП соединены через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры - генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг. 1). Импульсный режим излучения УЗ волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 (фиг. 1) вода - воздух, формирует в водной среде 6 две параметрические излучающие антенны (ПИА) (самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка 32 УЗ сигналов с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=1,2,3…,i,… - порядковый номер гармоники. Каждый пучок 32 локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении УЗ волн 32 возникновение сдвигов их частот обусловлено эффектом Доплера (фиг. 1), так как относительно ПАУ 5 на первом участке волновой процесс приближается (частота увеличена), а на втором удаляется (частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные стробируемые усилители 21, 22, 23, настроенные на частоты ƒ, 2ƒ,…nƒ, соединены с двумя входами 71 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 n пар электрических сигналов, а затем выделение n низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах ƒ, 2ƒ,…nƒ n значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35. Выходы как частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, так и резонансных стробируемых усилителей 21, 22, …, 23, настроенных на частоты ƒ, 2ƒ,…nƒ, соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами, принятых ЭАП для каждой гармоники с частотами ƒ, 2ƒ,…nƒ 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 , смещенных относительно исходно выбранной пары, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ 5. 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 7 вода воздух, не достигнет максимального значения. Это имеет место при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны 35 в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП4 для данного этапа измерений.

Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны 35 позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности 7 за счет использования обратного избирательного УЗ рассеяния (фиг. 2), а также провести измерения параметров движения рассеивателей 33, пассивно переносимых k течениями в слоистой морской среде 6. Реализация последних измерений потребует выбора двух пар ЭАП4 (одна из которых может соответствовать режиму поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны 35), 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 θ_Д относительно горизонта и находятся в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ5 и проецируемых на дно 34 в виде осей X и У. Формирование четырех полигармонических пучков УЗ сигналов с частотами ƒ, 2ƒ,3ƒ,…nƒ, где n=1,2,3,… - порядковый номер гармоники, осуществляется за счет нелинейного эффекта самовоздействия, что позволяет установить акустические контакты с k слоями рассеивателей 33, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ_{i сл} течений, причем, относительно дна направления векторов скоростей течений υ_{i сл} в k слоях на i горизонтах глубин могут иметь как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{x(i сл)}}, {±υ_{y(i сл)}} относительно осей X и У.

Выбор необходимого для измерений количества i слоев рассеивателей 33, движущихся с различными скоростями υ_{i сл} течений на i горизонтах глубин, за счет установки идентичных параметров приемного строба резонансных усилителей 21, 22,…23, настроенных на соответствующих частотах, что позволяет получить усредненные по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ_{i сл} течений.

Режим наклонного моностатического облучения УЗ импульсами участка границы 7 раздела вода - воздух обеспечивает канал измерений параметров морского волнения. Измерение обратного избирательного УЗ рассеяния в режиме волнографа обеспечивает наклонное УЗ облучение с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…nƒ и F₁=1/2τ₃,F₂=3/2τ₃, F_M=(2m-1)/2τ₃ взволнованной поверхности границы 7 раздела вода - воздух, которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле θ_Д относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП - либо при изменении угла θ_Д относительно горизонта за счет коммутации разных «меридиональных» ЭАП 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 (n+m) - входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными (n+m) - 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 для исследования поля скорости течений и 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 U1 длительностью τ₃ с гармоническим заполнением с частотой ƒ. Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП 4, который, являясь составным элементом донного ПАУ 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки U2 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 6 на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой ƒ в области распространения. Получение достоверной информации о параметрах морского волнения с помощью устройства для реализации акустического способа для исследования поля скорости течений и морского волнения на прибрежной акватории, функционирование в режиме акустического волнографа, обеспечивается применением для облучения границы раздела вода - воздух 7 не только сигнала накачки с частотой ƒ, но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами 2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=2,3,…,i… - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2r₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃, где m=1,2,3,…,j, - порядковый номер максимума в спектре, τ₃ - 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 1/3, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…nƒ, где n=1,2,3,…i. - порядковый номер гармоники, и F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃, где m=1,2,3,…,j, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела вода - воздух 7 и отражается от нее. Отраженные составляющие полигармонического сигнала несут 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 ПАУ 5. Отраженный полигармонический сигнал U4 достигает ЭАП 4, находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ и F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности R_p.ƒ(θ),R_p.2ƒ(θ),R_p.3ƒ(θ),…R_p.iƒ и а также чувствительностями и в режиме приема ЭАП 4 для каждой из рассеянных границей раздела 7 вода - воздух УЗ волн с указанными выше частотами колебаний, где θ - угол прихода рассеянных волн, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны. Эффективность направленного действия ЭАП 4 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих, причем, если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая ХН по интенсивности представляет собой среднее арифметическое их ХН для ЭАП 4 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с. Глава 1 Направленность судовых акустических антенн, §1.1 Параметры, характеризующие направленность акустических антенн, с. 5 - 16)

где R_p.ji(θ) - ХН по давлению на j,i-той частоте дискретной составляющей спектра, (n+m) - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. На выходе (n+m) 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 U5 (ƒ), U6 (2ƒ), … U7 (F_M1), U8 (F_M2), … получаем результирующее напряжение U9=U5×U6×…×U7×US8×…, соответствующее результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела вода - воздух 7, которое подается на вход порогового устройства 12. Перемножение электрических сигналов U5×U6×…×U7×US8×…, 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 U9=U5×U6×…×U7×U8×…, 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: U_вых=U_вх⋅κ⋅(1-е^-α⋅t)sin ω₀t, где κ - коэффициент усиления для сигнала, α=2π⋅Δƒ - 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 ε=U_Д/U_{вых.уст}, где U_Д - абсолютный уровень дискриминации; U_{вых.уст} - установившаяся амплитуда выходного сигнала, а также ε=U_Д/κ⋅U_вx, запишем выражение для аппаратурного времени задержки τ_а=[-1/(2π⋅Δƒ)]×ln(1-U_{вых.уст}⋅ε/U_Д). 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 U9, 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 обратного избирательного рассеяния УЗ (фиг. 2) для получения дополнительных сведений о характеристиках взволнованной поверхности должно сопровождаться первоначальным определением генерального направления распространения поверхностной ветровой волны 35, в котором Λ_рез - «резонансная» длина взволнованной поверхности является максимальной. 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 расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона θ_Д относительно горизонта (фиг. 1) и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5.

На фиг. 1 представлены два варианта расположения обоих ЭАП на полусферической поверхности донного ПАУ 5, в которых приняты обозначения с нижними индексами: 1) - параллельно вектору перпендикулярно вектору которые соответствуют взаимному расположению вектора горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35 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 35 полностью проецируется на вертикальную плоскость, проходящую через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5, в которой лежат акустические оси обоих может обеспечить при отражении УЗ волн возникновение максимальных сдвигов их частот, обусловленных эффектом Доплера. Это и есть генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны 35, 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 35 (фиг. 1) может быть установлено за счет регистрации изменения частот принимаемых УЗ волн: 1) частота увеличена, т.е. волновой процесс приближается («оттуда», вектор скорости направлен к ПАУ 5), 2) частота уменьшена, т.е. волновой процесс удаляется («туда», вектор скорости направлен от ПАУ 5).

Ниже рассмотрим промежуточное расположение (относительно изображенных на фиг. 1) обоих соединенных через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры генератором 1 и усилителем мощности 2. Импульсный режим излучения УЗ волн 32, 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 ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=1,2,3,…i,… - - порядковый номер гармоники. Каждый пучок 32 локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении УЗ волн возникновение сдвигов их частот обусловлено эффектом Доплера (фиг. 1), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке (на фиг. 1 слева) - волновой процесс приближается (частота увеличена), а на втором (на фиг. 1 справа) - удаляется (частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты ƒ,2ƒ,…nƒ, соединены с двумя входами n 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 n пар электрических сигналов, а затем выделение n низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах ƒ,2ƒ,…nƒ значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35. Таким образом, частотные дискриминаторы 22, 23, … 24 вырабатывают n гармонических электрических сигналов с частотами ƒ_{D(nƒ)ЭАП4} = ƒ_ЭАП4^-_(nƒ) - ƒ_ЭАП4^/_(nƒ) = 4nƒυ_(nƒ)ЭАП4 ⋅ cos θ_Д/c, которые пропорциональны значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35. Откуда, на частотах ƒ,2ƒ,3ƒ……,nƒ можно вычислить n значений горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35 относительно поверхности дна 34 по формуле

где K_(nƒ) - 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 ƒ, 2ƒ,…nƒ, соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами, принятых ЭАП для каждой гармоники с частотами ƒ, 2ƒ,…nƒ в отдельности, измерение значений полученных наборов доплеровских частот, переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны 35, 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.

Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны 35 позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования избирательного обратного рассеяния УЗ. Геометрия интерференционного усиления при обратном избирательном рассеянии ВРЧ представлена на фиг. 2. Режим наклонного моностатического облучения устройства обеспечивает наклонное УЗ облучение с частотами ƒ, 2ƒ,3ƒ,…nƒ и F₁=1/2τ₃,F₂=3/2τ₃, F_M=(2m-1)/2τ₃ взволнованной поверхности границы 7 раздела вода - воздух, которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле θ_Д относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП - либо при изменении угла θ_Д относительно горизонта за счет коммутации разных «меридиональных» ЭАП 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 (n+m) - входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными (n+m) - 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.

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 U1 длительностью τ₃ с гармоническим заполнением с частотой ƒ. Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП выбранного кольцевого ряда, обеспечивающего необходимый угол визирования β=90° - θ_Д, который, являясь составным элементом донного ПАУ 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки U2 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 ƒ, но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами 2ƒ, 3ƒ,…iƒ,…nƒ, где n=2,3,…,i,… - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃, где m=1,2,3,…,j, - порядковый номер максимума в спектре, τ₃ - длительность излученного импульса соответственно. Полигармонический зондирующий сигнал УЗ, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…nƒ, где n=1,2,3,…i. - порядковый номер гармоники, и F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃, где m=1,2,3, …,j, - 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 χ_p, подчиняющиеся условию «резонансного», или избирательного рассеяния, для которых выполняется условие:

где k=2π/А - волновое число; λ - длина излучаемой волны; β - угол между направлением облучения и нормалью к поверхности (угол визирования); Λ_рез - «резонансная» длина взволнованной поверхности; n - порядок пространственного спектра. Отраженный полигармонический сигнал U4 достигает ЭАП находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,…nƒ и F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃, среди которых есть и «резонансно» рассеянные компоненты. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными ХН R_p.ƒ(θ),R_p.2ƒ(θ),R_p.3ƒ(θ),…R_p.iƒ и чувствительностями и в режиме приема ЭАП для каждой из рассеянных границей раздела вода - воздух УЗ волн с указанными выше частотами колебаний, а также условием «резонансного», или избирательного рассеяния (5). В (n+m) 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 U5 (ƒ), U6 (2ƒ), … U7 (F_M1), U8 (F_M2) соответствующие которым, через резонансные усилители 8, детекторы 9, аттенюаторы 10 поступают на (n+m) 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 θ_Д относительно горизонта на различных частотах УЗ сигналов, либо при изменении угла θ_Д относительно горизонта на нескольких фиксированных значениях частот излучаемых УЗ волн.

Как отмечено выше, получение информации о параметрах морского волнения обеспечивается применением для облучения 32 границы раздела вода - воздух 7 УЗ сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов, что объединяет в устройстве активного действия возможности ближней и дальней локации. Например, для ближней локации на высших гармониках nƒ основные равенства активного гидролокатора имеют вид

где I_{C (nƒ)}, P_{C (nƒ)} - интенсивности и звуковые давления эхосигналов на частотах nƒ в точке приема; I_{П (nƒ)}, P_{П (nƒ)} - интенсивности и звуковые давления помех на частотах nƒ в точке приема, δ - коэффициент распознавания, определяющий отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта, которое обеспечивает регистрацию сигнала U4 с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги. Сомножители в правой части уравнений (6) определяются параметрами приемного и излучающего трактов и помеховой обстановкой. Если принять, что шумовая помеха значительно превышает реверберационную, то акустическое давление помех будет определяться только шумовой помехой, маскирующей информативный сигнал U4 от i слоев рассеивателей 33, движущихся с различными скоростями υ_{i сл} течений на i горизонтах глубин водной среды 6.

Уровни акустического давления помех на рабочих частотах локатора в полосе приемного тракта рассчитывается по формуле

где nƒ - рабочая частота локационного сигнала, кГц; Δƒ - полоса пропускания приемного тракта, Гц; - коэффициент концентрации приемной акустической антенны на рабочей частоте локационного сигнала; S - площадь поверхности антенны, м²; λ_(nƒ) - длина волны рабочего локационного сигнала, м; P_ПО(nƒ) - суммарный уровень помех на рабочей частоте nƒ локационного сигнала в месте установки антенны, приведенный к стандартным условиям, Па. Очевидно, что и для НЧ составляющих можно составить уравнения вида (6), (7). Режим наклонного моностатического облучения подводных объемов акватории для измерения и регистрации трехмерно-объемной картины течений в слоистой морской среде предполагает увеличение рабочих дистанций r эхозондирования. Эффективность эхоконтактов с совокупностями рассеивателей 33 в данном случае может быть обеспечена за счет снижения частоты зондирующего сигнала, в то время как применение высших гармоник соответствует задачам наклонной локации при небольших углах падения на границу раздела 7 вода - воздух над ПАУ 5. Это видно из соотношения для расчета потерь при распространении высокочастотного УЗ сигнала ПР=20lgr+0,02(0,219ƒ+0,00164ƒ²)r, которое входит в уравнение гидролокации справедливое для доплеровского измерителя скорости течений УП=УИ-ПР+S_V+10lgV_рев. Здесь УП, УИ - уровни принятого и излученного сигналов, S_V - сила рассеяния объемной реверберации, - облучаемый реверберирующий объем. Таким образом, для режима наклонного моностатического облучения больших объемов прибрежных акваторий целесообразно использовать низкочастотные УЗ остронаправленный пучки 32, причем, при использовании ПАУ 5, объединяющего малогабаритные ЭАП, которые генерируют зондирующие сигналы ВРЧ с необходимой амплитудой звукового давления. Как следует из (7), уровень звукового давления помех на ВРЧ в точке приема можно снизить за счет осуществления приема эхосигналов совокупностью обратимых ЭАП, образующих «квазисферическую» апертуру, что повысит γ_пр коэффициент концентрации в приеме. Итак, при возникновении в режиме наклонного моностатического облучения пропусков акустических контактов с k слоями рассеивателей, распределенных в водном объеме и переносимых течениями в слоях с различными скоростями, 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 (перестройка на циклические частоты Ω, 2Ω, 3Ω,… NΩ), так и генератора 1. В излучающем тракте береговой гидроакустической аппаратуры генератор 1 формирует для ЭАП 4 электрический многокомпонентный сигнал возбуждения:

где ω_m=ω₁+(N-1)Ω/2 - средняя циклическая частота накачки, N - число суммируемых колебаний с одинаковыми как амплитудами, так и начальными фазами в момент времени (t=0), а также близкими циклическими частотами ω₀,ω₀+Ω,ω₀+2Ω,ω₀+3Ω,…ω₀+NΩ, находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента ЭАП (фиг. 3), где Ω=2πF_ - первая гармоника ВРЧ.

В результате нелинейного взаимодействия многокомпонентного сигнала накачки формируется широкополосный многокомпонентный сигнал ВРЧ (фиг. 4, наклонная штриховая линия - изменение ширины основного лепестка всех ВРЧ по уровню 0,7; сплошные вертикальные линии - амплитуды звукового давления гармоник ВРЧ в дБ), угловые распределения уровней звуковых давлений для данных спектральных составляющих соответствуют известным зависимостям - узкий основной лепесток ХН - угловая ширина по уровню 0,7 около 2° (~ 1.8° для 16,5 кГц и 2,3° для 82,5 кГц - без бокового поля в широкой полосе частот (диапазоне длин волн в водной среде) (см. пат. WO 2020263111 H01Q 3/42; опубл. 30.12.2020). В модельном эксперименте использовался ЭАП 10 с круглым плоским пьезоэлементом диаметром 20 мм с резонансной частотой 1,98 МГц (длина ближней зоны l_Д ~ 0,15 м) и полосой пропускания 200 кГц, что позволило использовать от двух до шести спектральных составляющих (последовательно отстоящие друг от друга на F_=16,5 кГц фазосвязанные компоненты) при формировании многокомпонентного сигнала накачки.

Итак, радиоимпульс с заполнением (8) после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на четыре ЭАП 4, которые, являясь составным элементом донного ПАУ 5, синхронно излучают в водную среду 6 мощные УЗ многокомпонентные волны накачки U2 в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела 7 вода - воздух. Это формирует в водной среде 6 четыре ПИА с повышенной эффективностью нелинейного взаимовоздействия фазосвязанных волн накачки с циклическими частотами ω₀,ω₀+Ω,ω₀+2Ω,ω₀+3Ω,…ω₀+NΩ, что позволяет генерировать четыре полигармонических пучка 32 гармоник ВРЧ с кратными циклическими частотами Ω, 2Ω, 3Ω,… NΩ. Полигармонические пучки 32 гармоник ВРЧ оппозитно расположены в парах и разнесены относительно оси симметрии ПАУ 5, их акустические оси имеют одинаковые углы наклона θ_Д относительно горизонта, находясь в двух вертикальных взаимноперпендикулярных плоскостях, проходящих через ось симметрии донного ПАУ 5 и проецируемых на дно 34 в виде осей X и У. В результате это позволяет сформировать доплеровские измерительные каналы в слоистой водной среде 6 для режима наклонного моностатического облучения, устанавливая на частотах Ω, 2Ω, 3Ω,… NΩ акустические контакты с k слоями рассеивателей 33, которые распределены в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах 6 на i горизонтах глубин и движутся с различными скоростями υ_{i сл} течений. Заметим, что относительно дна 34 направления векторов скоростей течений υ_{i сл} в k слоях на i горизонтах глубин могут иметь как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х(i сл)}}, {±υ_{y(i сл)}} относительно осей X и У.

Задачей предлагаемого способа является измерение и регистрация трехмерной (наклонная дальность, глубина по вертикали и удаление по дну 34) картины течений в слоистой морской среде 6, что обусловливает необходимость выбора необходимого количества i слоев совокупностей рассеивателей 33, движущихся с различными скоростями υ_{i сл} течений на i горизонтах глубин в четырех оппозитно расположенных в парах водных объемах. Данная пространственная селекция определяется выбором как характеристик приемного строба (ширина приемного строба τ_{i сл}, т.е. расположение по глубине четырех участков измерений относительно дна), так и последовательности его перемещения в заданном диапазоне глубин. Предпочтителен вариант задания 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 совокупностей рассеивателей 33. В частности, выбирают i-тый горизонт 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 33. Они облучаются УЗ и пассивно переносятся течением относительно дна 34, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х(i сл)}}, {±υ_{y(i сл)}} скорости υ_{i сл} на i-том горизонте глубин относительно осей X и У, причем, знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся совокупностей рассеивателей 33 относительно дна 34 в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения. Для эхозондирования в сформированных парах доплеровских измерительных каналов для осей X и У используют одинаковые величины частот гармоник ВРЧ Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ, причем, в каждой паре направленный прием отраженных колебаний для увеличения отношения сигнал/помеха осуществляется совокупностями обратимых ЭАП 4, размещенных на полусфере ПАУ 5, которые попадают в проекцию обратного облучения рассеянными УЗ полями. Например, при регистрации отраженного сигнала 10 кГц (длина волны в водной среде 15 см) с помощью обратимого ЭАП 4 (диаметр 65 мм) имеется всенаправленность приема, а с помощью совокупности ЭАП, образующей практически сферическую апертуру (диаметр 0,65 м), - ширина основного лепестка ХН по уровню 0,7 - около 12°.

Итак, эхосигналы 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, поступают в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, а соответствующие электрические сигналы через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты гармоник ВРЧ Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ, поступают на два входами N 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 N пар электрических сигналов, а затем выделение N низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ значениям проекции {±υ_{х(i сл)}}, {±υ_{y(i сл)}} скорости υ_{i сл} на i-том горизонте глубин относительно осей X и У. Таким образом, осуществляют в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры суммирования частот сигналов для каждой гармоники ВРЧ с циклическими частотами Ω или 2Ω или 3Ω или … NΩ, в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот что позволит произвести для i-го слоя водной среды расчет N значений величин компонент скорости течения {±υ_{х(i сл)}}, {±υ_{y(i сл)}} относительно донных осей X и У и модуля скорости течения υ_{i сл} в i-ом слое водной среды, а также N значений величин угла смещения α_{(NΩ, i сл)} направления вектора скорости течения υ_{(NΩ, i сл)} относительно осей X и У и осевого меридиана ПАУ в соответствии с выражениями

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

Пример 1.

Проиллюстрируем возможность получения различной точности отображения рельефа взволнованной границы раздела 7 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 35, у которой облучаются (фиг. 1, пучок 31) снизу две соседние «подошвы» профиля, расположенных на расстоянии λ_пов волнового процесса (фиг.1), отметки, от которых на волнограмме могут сливаться в одну, что может привести к неработоспособности устройства. Рассчитаем величину угла Δθ, 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 7 вода - воздух. Величиной этого угла Δθ характеризуют точность пеленгования, например, для максимального метода пеленгования где μ - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05-0,15), (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, 2018 г. - 176 с. Глава 2 Параметрические локаторы с трактами обработки амплитудных, фазовых и частотных признаков эхосигналов, §2.4 Параметрическая локационная система ближнего действия для обеспечения подледного плавания автономных подводных аппаратов, с. 96 - 124), который может быть использован в режиме волнографа. В данном устройстве угловая ширина основного лепестка результирующих ХН приемно-излучающей системы по уровню 0,7 составляет: ВЧ канал - при предлагаемой обработке сигналов ƒ₊ = 476 кГц, 2ƒ₁ = 456 кГц, 2ƒ₂ = 496 кГц - θ_{0,7 ВЧ рез} = 1,6° при отсутствии боковых лепестков; НЧ канал - для сигнала разностной частоты F = 20 кГц θ_{0,7 НЧ} = 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 D_ВЧрез ~ 0,2 м и D_НЧ ~ 0,8 м соответственно. В данном случае при визуальном пеленговании соседних «подошв» профиля одинаковой величины оператором (μ=0,1) с помощью данной локационной системы точность пеленгования Δθ будет составлять: для ВЧ тракта при предлагаемой обработке - Δθ_{ВЧ рез} = 0,28°; для НЧ тракта на сигнале разностной частоты F = 20 кГц - Δθ_НЧ = 1,3°. Таким образом, применение трех ВЧ компонент спектра позволило улучшить угловую разрешающую способность практически в четыре раза, т.е. устройство позволяет регулировать точность измерений в режиме обращенного моностатического эхолота.

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 ƒ, т.е. формирования полигармонического зондирующего сигнала как с высокочастотными 2ƒ,3ƒ,…,nƒ (самовоздействие), так и низкочастотными (самодемодуляция) спектральными составляющими. Двухчастотная антенна РПА «Сарган-К» позволяет излучать в водную среду УЗ сигнал основной частоты ƒ=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, 2018 г. - 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 z - расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; 2α - 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 ƒ=135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 θ_0,7(ƒ) = 4,7° и уровень бокового излучения PБП(ƒ)=(-15,5 дБ); на частоте 2ƒ=270 кГц - θ_0,7(2ƒ)=3,2° и Р_БП(2ƒ) = (-20 дБ); на частоте 3ƒ = 405 кГц - θ_0,7(3ƒ)=2,8° и Р_БП(3ƒ)=(-50 дБ); 2) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» имеет: на частоте ƒ=135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 θ_0,7(ƒ)=2,1° и уровень бокового излучения P_БП(ƒ)=(- 9 дБ), на 2ƒ=270 кГц - θ_0,7(2ƒ)=1,7° и P_БП(2ƒ)=(-16 дБ), на 3ƒ=405 кГц - θ_0,7(3ƒ)=1,3° и P_БП(3ƒ)=(-33 дБ). Антенна комплекса «Сарган - К» в режиме излучения низкочастотного сигнала имеет: на частоте ƒ=19,7 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 θ_0,7(ƒ)=16° и уровень бокового излучения P_БП(ƒ)=(-13 дБ), на частоте 2ƒ=39,4 кГц - θ_0,7(2ƒ)=11,7° и P_БП(2ƒ)=(-20 дБ); на частоте 3ƒ=59,1 кГц - θ_0,7(3ƒ)=9,6° и P_БП(3ƒ)=(-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 nƒ уменьшаются, причем, при увеличении порядкового номера n 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. - 272 с. 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 самодсмодулированный сигнал, энергетический спектр которого имеет максимумы и минимумы, 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 с амоде модулированного импульса (см. Кобяков Ю.С, Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. -Л: Судостроение, 1986. - 272 с. 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 τ₃=175 мкс, длительности как нарастания, так и убывания фронтов τ₁+τ₂=58 мкс, частота следования импульсов ƒ_сл=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, F_M=(2m-1)/2τ₃, где m=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. 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. Недостатком режима самодемодулированного излучения является низкая эффективность генерации, амплитуда звукового давления примерно пропорциональна квадрату частоты спектральной компоненты. В этой связи в устройстве, реализующем предлагаемый способ, предложено использовать многокомпонентный фазосвязанный сигнал накачки, что позволит без изменения общей излучаемой энергии накачки увеличить энергию первой гармоники ВРЧ практически в четыре раза (при резком приращении энергий также и кратных гармоник ВРЧ в сравнении с режимом бигармонической накачки).

Оценим динамику изменения помехоустойчивости χ ЭАП 4 в режиме приема, входящего в состав донного ПАУ 5, характеризующей его способность в силу пространственной избирательности выделять информативный сигнал с частотой ƒ,2ƒ,3ƒ,…iƒ,……nƒ используемой спектральной компоненты полигармонического эхосигнала от взволнованной границы раздела вода - воздух на фоне помех. Итак, помехоустойчивость χ определяется отношением как мощностей Р_c,Р_n сигнала и помех на выходе преобразователя, так и интенсивностей сигнала и помехи I_c, I_n, измеренных в месте нахождения преобразователя при условии его отсутствия, а также его коэффициентом осевой концентрации K₀ для направления которое в нашем случае совпадает с вертикально стабилизированной в пространстве акустической осью ХН χ=Р_с/Р_n=(I_с/I)×K₀. 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 ƒ,2ƒ,3ƒ,…,iƒ,…nƒ используемой спектральной составляющей, т.е. увеличивается как коэффициент концентрации K₀, так и помехоустойчивость χ.

Пример 3.

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 Λ_пов/14, причем, этому участку «облучения» соответствует угол Δθ_MAX(ƒi,Fj) - острота максимума основного лепестка ХН, в пределах которого каналы приемного тракта устройства нечувствительны к изменению уровней эхосигналов на используемых спектральных компонентах с частотами ƒ,2ƒ,3ƒ,….,iƒ,…nƒ и F_M1=1/2τ₃, F_M2=3/2τ₃, F_M3=5/2τ₃, F_MJ=(2j-1)/2τ₃, F_Mm=(2m-1)/2τ₃. Учитывая, что острота максимума Δθ_MAX(ƒi,Fj) основного лепестка ХН плоского поршневого ЭАП 4 на данных сигналах описывается соотношением где d - 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 z - глубина расположения ЭАП 4 относительно границы раздела. Исходя из этого соотношения можно для заданных глубин z 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 z=100 м при использовании модернизированной антенны «Сарган-ЭМ» (диаметр d=0,5 м) спектральным составляющим 40 кГц, 60 кГц, 135 кГц, 270 кГц и 405 кГц соответствуют «оптимально» регистрируемые минимальные длины гравитационных волн Λ_пов - 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, с глубины 100 м - 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.

Использование: 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. Сущность: получение информации обеспечивается по схеме моностатической 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 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, 2) характеристик гидроусловий (генеральное направление бега поверхностной волны, ее амплитуда и длина волны и т.д.). 4 ил.

Акустический способ для исследования поля скорости течений и морского волнения 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 аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого установлена определенным образом относительно сторон света, причем каждый 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 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) 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 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;

отличающийся тем, что:

24) регистрируют в режиме наклонного моностатического облучения отсутствие акустических контактов с k слоями рассеивателей, которые распределены в водном объеме и переносятся течениями в слоях с различными скоростями, при измерении амплитудно-частотных (АЧХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в полосе частот ) и амплитудно-угловых характеристик (АУХ - зависимостей амплитуд эхосигналов в диапазоне изменения величин углов наклона облучения относительно горизонта);

25) генерируют в излучающем тракте береговой гидроакустической аппаратуры электрический многокомпонентный сигнал возбуждения ,

где - средняя циклическая частота накачки, - число суммируемых колебаний с одинаковыми как амплитудами, так и начальными фазами в момент времени , а также близкими частотами, находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента ЭАП;

26) преобразуют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры электрический многокомпонентный сигнал с циклическими частотами , где - первая гармоника ВРЧ, в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные радиоимпульсы прямоугольной формы, усиливают по мощности полученные радиоимпульсы;

27) синхронно подают усиленные по мощности радиоимпульсы на пьезоэлементы ЭАП, которые излучают импульсы УЗ многокомпонентных волн накачки в направлении выбранных четырех, оппозитно расположенных в парах, участков границы раздела вода - воздух, формируя в водной среде четыре ПИА с повышенной эффективностью нелинейного взаимовоздействия фазосвязанных волн накачки с циклическими частотами ;

28) генерируют четыре полигармонических пучка гармоник ВРЧ с кратными циклическими частотами , пучки оппозитно расположены в парах и 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;

29) устанавливают на частотах 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 имеют как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, {±υ_{у (i сл)}} относительно осей Х и У;

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

31) задают идентичные параметры стробирования в приемном тракте для получения усредненных по i горизонтам глубин данных о величинах скоростей υ_{i сл} течений для имеющихся четырех оппозитно расположенных в парах водных объемов, состоящих из i слоев рассеивателей, в которых при облучении УЗ сформированы доплеровские измерительные каналы для режима наклонного моностатического облучения;

32) выбирают i-й горизонт глубин для получения данных о величине скорости υ_{i сл} течения в i-м слое водной среды, который включает в себя четыре, выделенные за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, области рассеивателей, которые облучаются УЗ и пассивно переносятся течением относительно дна, имея как положительные, так и отрицательные проекции {±υ_{х (i сл)}}, {±υ_{у (i сл)}} скорости υ_{i сл} на i-м горизонте глубин относительно осей Х и У, причем знаки «+»/«-» соответствуют приближению/удалению движущихся областей рассеивателей относительно дна в сформированных доплеровских измерительных каналах для режима наклонного моностатического облучения;

33) используют для эхозондирования в сформированных парах доплеровских измерительных каналов для осей Х и У одинаковые величины частот гармоник ВРЧ , причем в каждой паре направленный прием отраженных колебаний для увеличения отношения сигнал/помеха осуществляется совокупностями обратимых ЭАП, размещенных на полусфере ПАУ, которые попадают в проекцию обратного облучения рассеянными УЗ полями;

34) преобразуют эхосигналы от четырех, выделенных за счет стробирования и оппозитно расположенные в парах, областей рассеивателей, которые пассивно переносятся течением со скоростью υ_{i сл} в i-м слое водной среды, в электрические сигналы, частоты которых изменены на величину доплеровского сдвига частоты, причем, если для одних совокупностей обратимых ЭАП, попадающих в проекции обратного облучения рассеянными УЗ полями, - частота будет увеличена, так как области рассеивателей приближаются, то для других - уменьшена, так как области рассеивателей удаляются;

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

,

,

α_{(NΩ , i сл)=arctg[}/] = _arctg[/]

и

,

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

36) осуществляют последовательность операций по пунктам 30)-35) для последующих горизонтов глубин в движущихся слоях водной среды;

37) преобразуют полученную информацию в код для сопряжения с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений трехмерной картины течений в слоистой морской среде, а также характеристик поверхностного волнения на прибрежной акватории.