КОМПЛЕКСНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОИСКА ГИДРОБИОНТОВ

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована для поиска крабов, креветок и других гидробионтов.
В настоящее время для поиска крабов и креветок используют методы пассивной шумопеленгации и активной гидролокации.
Известен «Шумопеленгатор для поиска скоплений крабов» [1], который может быть использован для поиска промысловых скоплений крабов по их шумовому полю, а также для обнаружения немаркированных (утерянных и браконьерских) порядков крабовых ловушек.
Шумопеленгатор состоит из последовательно соединенных приемной антенны, блока обработки сигналов, блока индикации, блока идентификации обнаруженных объектов и блока управления, соединенного также с остальными блоками.
2
При практической реализации шумопеленгатора его приемная антенна имела габариты 100х100 см и состояла из 14 линейных дискретных антенн, ориентированных вдоль диаметральной плоскости судна. Каждая из антенн состояла из 14 гидрофонов и формировала диаграмму направленности, ориентированную по нормали в сторону дна. Сигналы с каждого элемента антенны поступали в блок обработки сигналов, где усиливались, фильтровались в полосе частот 0,1-12 кГц или 5-10 кГц. Затем выполнялся спектральный анализ сигнала, результаты которого передавались в блоки индикации и идентификации. В процессе работы формировались два веера узких аддитивных характеристик направленности ориентированных в плоскости мидель-шпангоута в секторе ±45° от нормали, что давало возможность при высокой помехоустойчивости обеспечить значительную ширину обследуемой полосы (160 м на глубине 60 м). Поисковая скорость судна 6 узлов обеспечивала производительность поиска 1,7 км/ч. В блоке идентификации решалась задача идентификации обнаруженных объектов.
При обнаружении сигналов, идентифицированных как сигналы крабов (крабовых скоплений) вырабатывался сигнал, поступающий на остальные системы судна, например, на блок электронной карты, на которой обозначались координаты идентифицированного сигнала.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности шумопеленгатора, обусловленные тем, что при значительном уровне внешних шумов (волнение моря, шумы носителя, а также других судов) обнаружение крабов и других объектов становится невозможным. Кроме того, так как гидробионты излучают акустические шумовые сигналы в низкочастотном диапазоне, элементы антенны пеленгатора имеют значительные габариты и сложность конструкции.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом - приемная антенна, блок обработки сигналов, блок индикации, блок идентификации обнаруженных объектов и блок управления.
В патенте [2] предложен «Способ пеленгации гидробионтов и устройство для его осуществления», в котором для увеличения точности пеленгации и повышения помехозащищенности выполняется двухканальный прием гидроакустических сигналов с последующей их обработкой в каждом канале и определение направления на гидробионты по результатам сравнения обработанных гидроакустических сигналов. Предложенное устройство, а также аналогичные ему [3-4], имеют, однако сложную конструкцию, значительные габариты и при наличии маскирующих шумов не могут выполнять процесс обнаружения гидробионтов.
От ряда перечисленных недостатков свободны, например пеленгаторы, использующие параметрический способ приема акустических сигналов, в которых элементом принимающим шумы гидробионтов является сама среда их распространения, то есть - вода.
В патенте [5] предложен «Акустический параметрический приемник», который может быть использован для направленного приема шумов гидробионтов. Он имеет генератор электрических колебаний, который вырабатывает электрический высокочастотный сигнал, поступающий на излучающий преобразователь и на один из входов фазового детектора. Акустический высокочастотный сигнал излучается преобразователем в среду и достигает приемного преобразователя. Под воздействием внешнего низкочастотного акустического сигнала, распространяющегося также в среде, происходит изменение параметров высокочастотного сигнала, в результате чего он будет промодулирован по фазе низкочастотным сигналом. Этот сигнал снимается с приемного преобразователя, усиливается резонансным усилителем и поступает на второй вход фазового детектора. Кроме того в среде при распространении высокочастотного сигнала с конечной амплитудой будут формироваться гармоники высокочастотного сигнала, причем амплитуда гармоник будет зависеть от значений параметров нелинейности среды. Эти гармоники усиливаются вторым резонансным усилителем, детектируются амплитудным детектором, и напряжение с его выхода поступает на управляющий вход первого резонансного усилителя и изменяет его коэффициент передачи таким образом, чтобы коэффициент его усиления уменьшался при увеличении нелинейных характеристик среды. Таким образом, на выходе фазового детектора формируется напряжение, однозначно характеризующее принимаемый низкочастотный акустический сигнал, подаваемое затем на вход индикатора. Параметрический приемник имеет малые габариты, простую конструкцию и высокую направленность.
В патенте [6] предложен «Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений», позволяющий принимать с высокой направленностью низкочастотные акустические сигналы. Задача, которая решается изобретением, заключается в обнаружении низкочастотных гидроакустических сигналов, а также осуществлении сканирования характеристики направленности (ХН) антенны относительно простым способом в условиях подвижного носителя. Способ реализуется следующим образом. С помощью n излучателей, расположенных на корпусе судна излучается высокочастотный сигнал накачки на n частотах (n = 2, 3, 4 и т.д.) в направлении дна моря. Рассеиваясь дном, этот сигнал возвращается в направлении судна и одновременно модулируется низкочастотным полезным сигналом. Он принимается с помощью n приемников, расположенных также на корпусе судна, а в n-канальном блоке обработки осуществляется выделение низкочастотного сигнала из данных промодулированных высокочастотных сигналов. С помощью компенсатора осуществляется формирование и сканирование ХН в заданной плоскости. Производя спектральный анализ сигналов и сравнивая принятый сигнал с эталонным, принимают решение о количественных и качественных характеристиках источников низкочастотных гидроакустических излучений.
Параметрические приемники имеют более простую конструкцию по сравнению с линейными гидроакустическими пеленгаторами, однако также имеют ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности приема шумов гидробионтов при наличии различных маскирующих акустических сигналов.
Поэтому наряду с пассивными гидроакустическими способами поиска гидробионтов (крабов и креветок) было предложено использовать для их поиска и активные методы гидролокации. Первые опробования применения для этих целей эхолотов с простыми одночастотными зондирующими сигналами столкнулись со значительными трудностями, обусловленными сложностью выделения эхо-сигналов от придонных объектов, экранируемых донными сигналами [7].
Перспективным является использование для этих целей методов активной гидролокации с использованием широкополосных зондирующих сигналов, имеющих сложную структуру и позволяющих получать дополнительные квалификационные признаки обнаруженных объектов. Стандартные способы локации, использующие обычные линейные гидроакустические антенны с ограниченной полосой пропускания не позволяют получать широкополосные сигналы. Для получения таких сигналов целесообразно использовать параметрические методы, при которых формирование низкочастотного акустического широкополосного сигнала осуществляется в самой среде при взаимодействии двух или более высокочастотных сигналов накачки [8]. При этом получают также значительное уменьшение габаритов акустической антенны, и возможность формирования узконаправленных низкочастотных акустических пучков. Для надежного обнаружения скоплений крабов, креветок и других гидробионтов необходимо сочетать как активные методы гидролокации, так и пассивные методы пеленгации излучаемых ими акустических шумов. Анализ используемых для этих целей отдельных специализированных гидроакустических систем показал, что в них имеются совпадающие блоки, которые дублируют друг друга. Кроме того, набор блоков, из которых состоят отдельные активные и пассивные гидролокационные системы, функционально используется не полностью.
Поэтому предлагается комплексная гидроакустическая система для поиска гидробионтов, сочетающая как пассивные, так и активные способы локации, имеющая по сравнению с аналогичными системами расширенные функциональные возможности, а также более простую конструкцию за счет устранения дублирования блоков и за счет их многократного использования при различных вариантах поиска крабов, креветок и других гидробионтов.
На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемой комплексной гидроакустической системы для поиска гидробионтов.
Предлагаемая система содержит блок управления 1 соединенный с управляющими входами формирователя сигналов 2, блока обработки и индикации 3, блока аналого-цифрового преобразования (АЦП) 4, приемных трактов 5-1,  5-2 гидролокаторов бокового обзора (ГБО) 6 и 7, низкочастотного приемного тракта 8 параметрического гидролокатора (ПГЛ) 9 и высокочастотного приемного тракта 10; выходы формирователя сигналов 2 соединены с входами усилителей мощности ГБО 11-1 и 11-2, с входом усилителя мощности ПГЛ 12, а также с входами трех фазовых детекторов 13-1, 13-2 и 14; выход усилителя мощности 11-1 соединен с входом коммутатора 15-1, к двунаправленному выходу которого подключена акустическая приемоизлучающая антенна 16-1, выход коммутатора 15-1 соединен с входом приемного тракта 5-1, выход которого соединен с входом АЦП 4 и со вторым входом фазового детектора 13-1, выход которого соединен также с входом АЦП 4, выход которого соединен с сигнальным входом блока обработки и индикации 3. Блоки 5-1, 11-1, 13-1, 15-1 и 16-1 образуют ГБО 6 работающий на одну сторону судна, блоки 5-2, 11-2, 13-2, 15-2 и 16-2 с такими же связями образуют ГБО 7 работающий на другую сторону судна. Выход усилителя мощности 12 ПГЛ через коммутатор 17 соединен с высокочастотной акустической антенной 18, к выходу коммутатора 17 подсоединен вход высокочастотного приемного тракта10, выход которого соединен с входом блока АЦП 4 и со вторым входом фазового детектора 14, выход которого соединен с входом АЦП 4, выход низкочастотного приемного тракта 8 также соединен с одним из входов АЦП 4, а сигнальный вход тракта 8 соединен с низкочастотной акустической антенной 19.
Блок управления 1 вырабатывает периодически повторяющиеся сигналы U1 разрешающие работу формирователя сигналов 2, а также сигналы, поступающие на управляющие входа блоков 3, 4, 5-1, 5-2, 8 и 10, определяющие режимы работы комплексной гидроакустической системы. Рассмотрим возможные режимы работы системы.
Режим ГБО. Формирователь 2 вырабатывает радиоимпульсы U2 и/или U3 с длительностями, определяемыми разрешающей способностью гидролокаторов бокового обзора 6 и 7. Сигналы U2 или U3 усиливаются усилителями мощности 11-1, 11-2 и через коммутаторы 15-1, 15-2 поступают на акустические приемоизлучающие антенны 16-1, 16-2, излучающие в среду лоцирования (воду) акустические сигналы, которые распространяются в среде, отражаются от гидробионтов находящихся в канале лоцирования, а также от элементов дна. Эхо-сигналы принимаются теми же антеннами 16-1, 16-2 и соответствующие им электрические сигналы U4, U5 с выходов коммутаторов 15-1, 15-2 поступают на входа приемных трактов 5-1 и 5-2, где выполняется их обработка по заданному алгоритму (усиление, фильтрация, нормализация уровня в соответствии с законом ВАРУ (временная автоматическая регулировка усиления) отсечка, и другие) [9]. С выходов приемных трактов 5-1 и 5-2 сигналы U6 и U7 поступают на входы АЦП 4, с выхода которого цифровые сигналы поступают на вход блока обработки и индикации 3 представляющего необходимую информацию о гидробионтах находящихся в канале лоцирования. Сигналы U8, U9, U10 и U11, вырабатываемые в блоке управления 1 обеспечивают при этом необходимые временные режимы работы всех блоков ГБО.
Гидролокаторы бокового обзора 6 и 7 позволяют выполнять поиск крабовых скоплений и одиночных крабов на большой площади. Их положительными качествами являются: высокая разрешающая способность, большая площадь обзора, возможность установки на любых носителях. Применение интерферометрического режима позволит определять придонные скопления и одиночные особи, находящиеся на дне и измерять их вертикальные размеры, применение многолучевого режима позволит определять точные координаты обнаруженных объектов.
Режим параметрического шумопеленгатора. Гидролокаторы бокового обзора 6 и 7 могут также использоваться и в режиме параметрического приема акустических низкочастотных шумов излучаемых гидробионтами. Для этого формирователь 2 вырабатывает высокочастотные электрические радиоимпульсные сигналы U2 и U3 с большой длительностью, но с длительностью меньшей, чем время двойного распространения акустических сигналов до дна в направлении измерения. Эти сигналы усиливаются усилителями 11-1, 11-2, через коммутаторы 15-1, 15-2 поступают на акустические антенны 16-1, 16-2 излучающие в воду соответствующие им акустические сигналы, которые распространяются в воде по направлению, определяемому диаграммами направленности антенн 16-1, 16-2, отражаются от дна и отраженные эхо-сигналы принимаются теми же антеннами 16-1 и 16-2. При обратном распространении отраженных высокочастотных сигналов происходит их взаимодействие с низкочастотными шумоподобными акустическими сигналами излучаемыми гидробионтами, находящимися на данном участке дна и эти сигналы модулируют высокочастотные сигналы по фазе [5, 6, 8]. Электрические высокочастотные фазомодулированные сигналы U4, U5 с выходов коммутаторов 15-1, 15-2 поступают на входа приемных трактов  5-1, 5-2, а с их выходов на вторые входа фазовых детекторов 13-1, 13-2, где происходит их детектирование и выделение низкочастотных шумоподобных сигналов U8, U9 поступающих на АЦП 4, а затем на блок обработки и индикации 3, анализирующий эти сигналы и выдающий информацию о наличии гидробионтов. При этом на другие входа фазовых детекторов 13-1, 13-2 с формирователя 2 поступают опорные сигналы U12, U13 с такой же частотой, что и высокочастотные сигналы U2 и U3. Таким образом, ГБО 6 и 7 путем добавления дополнительно фазовых детекторов 13-1, 13-2 и изменения параметров сигналов U2 и U3 выполняют также функции высоконаправленного параметрического приема низкочастотных шумоподобных сигналов гидробионтов. Приемная параметрическая антенна локационного типа позволяет за счет взаимодействия звуков, издаваемых объектами промысла, с отраженной от дна волной накачки определять наличие шумящих объектов и их расположение. Узкий луч приемной параметрической антенны в плоскости движения носителя позволит разрешить места нахождения объектов, а широкий, в перпендикулярной плоскости, увеличить производительность поиска.
Режим параметрического гидролокатора. Параметрический гидролокатор (ПГЛ) может выполнять лоцирование на низких частотах узким пучком, который формируется в самой среде лоцирования при взаимодействии двух или более высокочастотных акустических сигналов [8]. Кроме того ПГЛ может использовать широкополосные зондирующие сигналы, получая при этом дополнительные классификационные признаки при обнаружении гидробионтов.
Формирователь сигналов 2 вырабатывает периодически повторяющиеся радиоимпульсы U14 содержащие две или более высокочастотные компоненты, поступающие на вход усилителя 12, а с его выхода через коммутатор 17 на высокочастотную антенну 18, излучающую в воду акустический сигнал, содержащий несколько частотных компонент. В воде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, происходит взаимодействие этих компонент и формирование низкочастотного сигнала с разностной частотой, который имеет малую апертуру и узкую диаграмму направленности [8]. Этот сигнал отражается от гидробионтов и от элементов дна и принимается низкочастотной приемной антенной 19, сигналы с которой обрабатываются в приемном низкочастотном тракте 8, а с его выхода поступают на вход АЦП 4, а затем на блок обработки и индикации 3, представляющий необходимую информацию об обнаруженных гидробионтах. Сигнал U21 поступающий на управляющий вход низкочастотного тракта 8 определяет при этом временные и другие режимы работы систем тракта 8, например, таких как ВАРУ, отсечка и другие. В отличие от линейных гидролокационных систем ПГЛ выполняет лоцирование с высоким разрешением на низкой частоте, используя при этом сложные широкополосные сигналы, захватывающие резонансные частоты элементов гидробионтов, что позволяет получать дополнительную информацию об обнаруженных объектах.
Режим высокочастотного гидролокатора. Формирователь сигналов 2 вырабатывает периодически повторяющиеся радиоимпульсы U14 с длительностью определяемой требуемой разрешающей способностью локатора, содержащие одну, две или более высокочастотные компоненты, поступающие на вход усилителя 12, а с его выхода через коммутатор 17 на высокочастотную антенну 18, излучающую в воду акустический сигнал, содержащий эти компоненты. Высокочастотный сигнал распространяется в воде, отражается от гидробионтов и от элементов дна и принимается той же высокочастотной антенной 18. Электрические сигналы U15 соответствующие этим эхо-сигналам с выхода коммутатора 17 поступают на вход высокочастотного приемного тракта 10, где выполняется их обработка по заданному алгоритму (усиление, фильтрация, нормализация уровня в соответствии с законом ВАРУ отсечка, и другие) [9]. С выхода высокочастотного приемного тракта 10 сигналы U17 поступают на вход АЦП 4, а затем на блок обработки и индикации 3, представляющий необходимую информацию об обнаруженных гидробионтах. Сигнал U16 поступающий на управляющий вход высокочастотного тракта 10 определяет при этом режимы работы систем тракта, например, таких как ВАРУ, отсечка и другие. В этом режиме выполняется высокочастотное лоцирование, дополняющее высокочастотное лоцирование выполняемое ГБО 6 и 7, что расширяет зону поиска гидробионтов.
Режим параметрического шумопеленгатора с высоким разрешением. Имеющиеся блоки параметрического гидролокатора при введении дополнительной фазовой обработки эхо-сигналов позволяют выполнять шумопеленгацию гидробионтов с высоким разрешением. В этом случае формирователь 2 вырабатывает высокочастотный радиоимпульсный сигнал U14 с большой длительностью, но с длительностью меньшей, чем время двойного прохождения акустического сигнала до дна по направлению лоцирования и содержащий одну частотную компоненту. Этот сигнал усиливается усилителем 12, через коммутатор 17  поступает на акустическую антенну 18 излучающую в воду акустический сигнал, который распространяется в воде по направлению, определяемому диаграммой направленности антенны 18, отражается от дна и отраженный эхо-сигнал принимается той же антенной 18. При обратном распространении отраженного высокочастотного сигнала происходит его взаимодействие с низкочастотными шумоподобными акустическими сигналами излучаемыми гидробионтами, находящимися на данном участке дна и эти сигналы модулируют высокочастотный сигнал по фазе [5, 6, 8]. Электрический высокочастотный фазомодулированный сигнал U15 с выхода коммутатора 17 поступает на вход высокочастотного приемного тракта 10, а с его выхода на второй вход фазового детектора 14, где происходит его детектирование и выделение низкочастотных шумоподобных сигналов U19 поступающих на АЦП 4, а затем на блок обработки и индикации 3, анализирующий эти сигналы и выдающий информацию о наличии гидробионтов. При этом на другой вход фазового детектора 14 с формирователя 2 поступает опорный сигнал U18 с такой же частотой, что и высокочастотный сигнал U14. Таким образом, ПГЛ путем добавления дополнительно фазового детектора 14 и изменения параметров сигнала U14 выполняют также функции высоконаправленного параметрического приема низкочастотных шумоподобных сигналов гидробионтов. При этом прием низкочастотных сигналов выполняется с высокой направленностью с локальных участков дна.
Режим низкочастотного шумопеленгатора. Отдельные блоки и связи, имеющиеся в заявляемой системе, позволяют выполнять непосредственно направленный прием низкочастотных акустических сигналов излучаемых гидробионтами. Эти сигналы принимаются низкочастотной приемной акустической антенной 19, и соответствующие им электрические сигналы U20 поступают на вход низкочастотного приемного тракта, где выполняется их обработка (фильтрация, усиление и другие операции), затем они подаются на вход блока АЦП 4, а с его выхода на блок обработки и индикации 3 анализирующий эти сигналы и выдающий информацию о наличии гидробионтов.
Техническая реализация предложенной комплексной гидроакустической системы не представляет сложностей. Все его электронные блоки являются стандартными, используемыми в различных гидроакустических локационных системах. Ряд блоков системы (блоки управления, АЦП, формирователя сигналов, обработки, индикации и другие) могут быть реализованы на основе микроконтроллерных систем или персональных ЭВМ.  Реализация антенн системы также не вызывает сложностей. Натурные испытания отдельных частей заявляемой системы, таких как гидролокаторы бокового обзора, параметрические гидролокаторы, параметрические акустические приемники, проведенные в НПП «НЕЛАКС» показали их применимость для решения задач поиска гидробионтов - крабов, креветок и других.
Информационные источники
1. Патент RU2240577 «Шумопеленгатор для поиска скоплений крабов», МПК G01S15/02, G01S15/96, опубликован 20.11.2004 г.
2. Патент RU2064683 «Способ пеленгации гидробионтов и устройство для его осуществления», МПК G01S15/96, опубликован 27.07.1996 г.
3. Патент RU2093856 «Способ пеленгации гидробионтов и устройство для его осуществления», МПК G01S15/00, опубликован 20.10.1997 г.
4. Патент RU2196362 «Способ определения направления на источник гидроакустического сигнала (варианты)», МПК G10K11/00, G01S15/06, G01S3/80, опубликован 10.01.2003 г.
5. Патент RU702852 «Акустический параметрический приемник», МПК G01S3/80, опубликован 20.12.1999 г.
6. Патент RU2096808 «Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений», МПК G01S15/04, опубликован 20.11.1997 г.
7. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики.- М.: Пищевая промышленность, 1977.- 247 с.
8. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.
9. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.