СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR PARAMETRIC RECEPTION OF WAVES OF DIFFERENT PHYSICAL NATURE IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических системах комплексного дальнего мониторинга характеристик инфранизкочастотных, сверхнизкочастотных полей протяженных морских акваторий, облучаемых береговыми и прибрежными источниками.
Известен способ параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающий формирование вблизи приемника рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе способа заложена закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).
Недостатками этого технического решения являются низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, а также практическая невозможность приема таких волн в морской среде, сформированных удаленными береговыми и прибрежными источниками.
Известен также способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.).
Известное решение является способом приема упругой волны в морской воде, при этом зона параметрического приема (параметрическая антенна) формируется в ближней зоне приемника. Причем модуляционные возмущения используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне параметрического приема. При этом изменение параметра нелинейности среды за счет непосредственного воздействия измеряемых волн в расчет не принимается.
Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкая чувствительность и ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) в инфранизкочастотном и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах, при этом практически невозможен дальний прием в морской среде и измерения характеристик (например, частотной, а также пространственно-временной (угловой) и спектральной структуры) информационных сигналов (волн), формируемых источниками и объектами, расположенными в прибрежной и береговой зонах в заданном секторе углов наблюдения (приема). Эти недостатки рассматриваемого способа приема упругих информационных сигналов (волн) в морской среде обусловлены низким эффектом их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования с волнами накачки (просветными волнами), которые заключается в следующем.
Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит, так называемый, нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°C; 3,5 - при 20°C; 3,7 - при 40°C. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°C величина E равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности E в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Исходя из этого, необходимо применить другие методы усиления эффекта взаимодействия и параметрического преобразования волн, например, за счет использования в качестве рабочей зоны протяженной области контролируемой среды, а также усиления (модуляции) параметра нелинейности среды измеряемыми информационными волнами, что существенно повышает общий эффект нелинейного взаимодействия волн и увеличивает дальность параметрического приема. Дальнее измерение в морской среде пространственно-временных и спектральных характеристик суммарного инфранизкочастотного и дробного излучения, формируемого береговыми и прибрежными источниками, требует применение иных, нетрадиционных, технических решений формирования измерительных параметрических систем и их реализации в условиях протяженных морских акваторий. Для этого можно воспользоваться, например, перемещающимся в заданном секторе горизонтальных углов излучением волн накачки, формирующим сканирующую низкочастотную параметрическую антенну.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в достижении дальнего и сверхдальнего параметрического приема в морской среде и измерения пространственно-временных (угловых) и спектральных характеристик информационных волн в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых береговыми и прибрежными источниками на дистанциях десятки-сотни километров.
Технический результат - достижение дальнего и сверхдальнего приема в морской среде и измерения пространственно-временной (угловой), а также спектральной структуры суммарного поля инфразвукового и дробного излучения береговых и прибрежных источников, что достигается использованием низкочастотной накачки (прозвучивания) протяженного пространства контролируемой среды, что позволяет увеличить протяженность объема пространственной параметрической системы контроля среды до десятков-сотен километров (т.е. сформировать протяженную пространственную параметрическую антенну соответствующей длины), тем самым обеспечивается дальний и сверхдальний параметрический прием волн, создаваемых сейсмическими, синоптическими и другими возмущениями морских акваторий в инфразвуковом и дробном диапазонах частот.
Для решения поставленной задачи способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в среде рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами, отличается тем, что в зоне действия приемной антенны формируют сканирующую в горизонтальной плоскости пространственную параметрическую антенну, для чего, в названной зоне, в заданном секторе углов приема информационных полей, предпочтительно на удалении от приемной антенны соответствующем протяженности контролируемого участка морской среды, перемещают подвижный излучатель волн накачки, посредством которого непрерывно облучают среду низкочастотными сигналами накачки, при этом волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными полями принимают в непрерывном режиме, усиливают в полосе частот параметрического преобразования, переносят их временной масштаб в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, выделяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней боковой полосы, а по ним с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также местоположения параметрической антенны восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, например частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры. Кроме того, контролируемую среду прозвучивают широкополосными низкочастотными акустическими сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией. Кроме того, волны накачки формируют акустическими сигналами с частотой в диапазоне десятки-сотни герц.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «в зоне действия приемной антенны формируют сканирующую в горизонтальной плоскости пространственную параметрическую антенну» обеспечивают формирование сплошной пространственно-временной зоны измерения пространственно-временной и спектральной структуры информационных сигналов (волн) формируемых береговыми и прибрежными источниками.
Признаки, указывающие, что в зоне действия приемной антенны «в заданном секторе углов приема информационных полей, предпочтительно на удалении от приемной антенны соответствующем протяженности контролируемого участка морской среды», обеспечивают возможность максимального (по территории) охвата и контроля береговых и прибрежных источников формирования измерительных сигналов (волн), составляющих информационные поля контролируемой акватории (контролируемого участка морской среды).
Признак «перемещают подвижный излучатель волн накачки, посредством которого непрерывно облучают среду низкочастотными сигналами накачки» обеспечивает формирование сканирующей параметрической антенны. При этом использование низкочастотного акустического излучения обеспечивает повышение дальности (протяженности) зоны прозвучивания морской среды, поскольку такое излучение является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами.
Признаки, указывающие, что «волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными волнами, принимают в непрерывном режиме», обеспечивают возможность последующего решения задачи дальнего измерения характеристик информационных полей (сформированных береговыми и прибрежными источниками информационных сигналов) по закономерностям их амплитудно-фазовой модуляции, кроме того, они обеспечивают возможность сканирующего режима работы параметрической антенны.
Признак, указывающий, что волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными полями, «усиливают в полосе частот параметрического преобразования», обеспечивают повышение точности и достоверности информации, получаемой при обработке принятых информационных сигналов.
Признаки, указывающие, что частотно-временной масштаб волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными полями «переносят в высокочастотную область», обеспечивают последующую возможность выполнения узкополосного спектрального анализа в диапазонах инфранизких и дробных частот существующими методами и радиотехническими приборами. Теоретические и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии даны в работе В.М.Черницер, Б.Г.Кадук «Преобразователи временного масштаба». М.: Сов. радио, 1972, с.3-16.
Признаки, указывающие, что «измеряют узкополосные спектры, выделяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней боковой полосы», обеспечивают при использовании известных методов узкополосного спектрального анализа восстановление частоты исходных информационных сигналов.
Признаки, указывающие, что при использовании выявленных параметров частоты исходных информационных сигналов «с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также местоположения параметрической антенны (т.е. данных сканирования характеристики направленности параметрической антенны) восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, например, частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры», обеспечивают восстановление характеристик измеряемых информационных полей при использовании известных методов обработки информационных сигналов, а также являются завершающими признаками в решении задачи дальнего параметрического приема и измерения характеристик волн различной физической природы, формируемых береговыми и прибрежными источниками.
Признаки, указывающие, что восстанавливают и фиксируют частотный диапазон, интенсивность, пространственно-временную и спектральную структуры измеряемых информационных полей, уточняют перечень фиксируемых характеристик.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повышение информационных возможностей параметрической системы, которые достигаются при обработке сигналов. Например, за счет резонансных эффектов взаимодействующих волн, что, в свою очередь, позволяет судить о принадлежности информационных волн к вероятным источникам или объектам их формирования.
Признаки третьего пункта формулы изобретения конкретизируют частотный диапазон волн накачки, оптимальный для реализации заявленного способа.
Совокупность отличительных признаков (низкочастотная накачка контролируемой среды, формирование в ней протяженного пространственного объема взаимодействия волн) обеспечивает последующую реализацию задачи изобретения - «дальний и сверхдальний параметрический прием поля сигналов инфранизкочастотного и дробного диапазонов (включая единицы-доли герца)», что характерно для информационных волн, порождаемых пространственно-распределенными прибрежными, береговыми источниками и объектами, а также сейсмическими явлениями.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведена схема измерительной системы, реализующей способ дальнего параметрического приема в морской среде и измерения суммарно инфранизкочастотного излучения береговых прибрежных источников. Она представляет собой функциональную схему реальной системы дальнего параметрического измерения характеристик суммарного поля излучения береговых и прибрежных источников. На фиг.2 приведена схема широкомасштабного морского эксперимента на трассе м. Сосунова (Приморье) - о.Сахалин (р-н г.Невельска). Протяженность измерительной трассы составляла более 300 км. Буксировка забортного излучателя накачки с частотой около 400 Гц осуществлялась исследовательским судном. На фиг.3 приведены пространственно-временная (угловая) структура интенсивности и спектрального состава информационных полей излучений, приходящих со стороны о. Сахалин.
Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды и распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом измерительных сигналов, воздействующих на акваторию. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы.
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.
Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду.
Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения.
Спектр упругой (акустической) волны накачки изменяется, в нем появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие (за счет нелинейного взаимодействия). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов.
Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
,
где  - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
υ - удельный объем.
s
p
t
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gυ/Gβ, можно получить следующее выражение для фазовой скорости
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления P при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую среду.
То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны.
эм
(t)
зв
эм
Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C также будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты).
Натурные испытания предлагаемого способа были проведены в Татарском проливе (Охотоморский регион) на трассе протяженностью более 300 км. Сигналы накачки среды с частотой 400 Гц излучались забортным излучателем опытового испытательного судна. Прием просветных сигналов накачки осуществлялся дрейфующими радиогидроакустическими буями, установленными с другого испытательного судна.
На чертежах показаны тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1, местоположения излучателя 2, приемная антенна 3, тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4, генератор стабилизированной частоты 5, тиристорный инвертор 6, блок согласования его выхода с кабелем 7, широкополосный усилитель 8, вход которого связан с, преобразователь частотно-временного масштаба волн 9, блок узкополосного спектрального анализа 10 и функционально связанные с ним рекордер 11 и самописец 12. Кроме того, на чертежах показана поверхность 13, области нелинейного взаимодействия волн накачки и измерительных сигналов (волн), т.е. рабочие зоны 14, источники 15 береговых информационных волн, угол дальнего горизонтального измерения информационных волн 16, контролируемая морская среда 17, траектория перемещения излучателя 2.
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 5, тиристорный инвертор 6, блок согласования его выхода с кабелем 7 и далее с излучателем 2 (см. фиг.1).
Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4 представляет собой электронную схему, содержащую широкополосный усилитель 8, вход которого связан с приемной антенной 3, преобразователь частотно-временного масштаба волн 9, блок узкополосного спектрального анализа 10 и функционально связанные с ним рекордер 11 и самописец 12.
В качестве излучателя 2 использован подводный звуковой маяк марки ПЗМ-400, излучающий на частоте около 400 Гц, в качестве приемной антенны 3 использован приемный радиогидроакустический буй.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Излучатель 2 и приемную антенну 3 размещают по отношению к источникам 15 береговых информационных сигналов (волн) по траектории 18 так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области нелинейного взаимодействия волн. Понятно, что при контроле акватории большой площади с большим количеством береговых источников 15 измерительных сигналов, удаленность от приемника 3 траектории 18 перемещения излучателя 2 должна быть максимальной, для получения более точной картины информационного поля акватории. Воздействие источников 15 информационных волн приводит к изменению механических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой низкочастотной просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы контроля среды.
Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение инфранизкочастотных и дробных информационных волн существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и последующей регистрации их на носителях.
Таким образом, техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема и измерения характеристик волн низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы контроля и комплексного мониторинга полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых береговыми и прибрежными источниками. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни герц, что подтверждено результатами натурного морского эксперимента.