ГОРИЗОНТАЛЬНО-РАЗВИТАЯ РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОБЪЕКТОВ И МОРСКОЙ СРЕДЫ
HORIZONTALLY DEVELOPED RADIO HYDRO-ACOUSTIC SYSTEM OF THE OBJECTS AND MARINE ENVIRONMENT HYDROPHYSICAL AND GEOPHYSICAL FIELDS MONITORING

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для использования в параметрических системах контроля, обеспечивающих мониторинг характеристик гидрофизических и геофизических полей, формируемых техногенными и естественными источниками, сейсмическими процессами и опасными явлениями (например, внутренними волнами, сильными землетрясениями или цунами) на широкомасштабной морской акватории.
Интенсивное развитие это направление получило в разработках гидроакустических систем, основанных на закономерностях и технологиях нелинейной просветной гидроакустики. (Монография. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М. - Владивосток: ДВО РАН, 2006. 173 С.). Заявляемое техническое решение направлено на дальнейшее развитие указанного направления с целью расширения функциональных возможностей известных просветных параметрических систем и представляет ее как горизонтально развитую мультистатическую, обеспечивающую мониторинг характеристик информационных полей объектов и среды различной физической природы на широкомасштабной морской акватории.
Известен способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде осуществляемый системой, включающей в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки среды с измеряемыми информационными сигналами, размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними тракт формирования и усиления излучаемых сигналов, а также тракт приема, обработки, выделения и регистрации принимаемых информационных сигналов. (Патент RU №2453930, МПК G01H3/00, G10K 11/00, опубл. 2012 г.).
Недостатком указанной системы являются ограниченная дальность параметрического приема информационных волн, составляющая единицы километров, что особенно проявляется в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде. Система включает в себя, размещенные на противоположных границах контролируемой морской среды, излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними при помощи подводного кабеля тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды и тракт приема, обработки и регистрации принимаемых информационных сигналов, сформированную между преобразователями рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн накачки среды с измеряемыми информационными сигналами. Приемный тракт включает в себя последовательно соединенные генератор низкочастотных сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с подводным кабелем, а тракт приема, обработки, выделения и регистрации информационных волн включает в себя линию узкополосного спектрального анализа, включающую последовательно соединенные низкочастотный приемный преобразователь волн накачки среды, широкополосный усилитель нелинейно преобразованных волн накачки, блок частотно-временного преобразования сигналов, узкополосный анализатор спектра, и регистратор информационных волн (рекордер). (Патент RU №2472116, МПК G01H 3/00, G10K 11/00, опубл. 2011 г.)
Данная система имеет ряд недостатков: ограниченная дальность и площадь обследуемой акватории; низкая помехоустойчивость параметрического приема просветных волн и выделения из них информационных волн в условиях протяженного канала распространения просветных акустических сигналов; отсутствие операций измерения и точного определения места (координат) источников формирования информационных полей на обследуемой акватории; отсутствие операций оперативного анализа многофункциональной информации; ограниченные измерительные и информационные возможности; отсутствие в системе-прототипе блоков передачи многоканально измеряемой информации по каналам радиосвязи в информационно-вычислительный центр, что исключает возможность ее применения, как горизонтально развитой мультистатической.
Задачей заявляемого изобретения является разработка просветной параметрической системы мониторинга, как горизонтально развитой мультистатической, обеспечивающей дальний параметрический прием и измерение характеристик гидрофизических и геофизических полей технических и естественных источников и опасных явлений на широкомасштабной акватории, а также увеличение информационной емкости измерительной системы.
Поставленная задача решается тем, что в гидроакустической системе параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающей рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн накачки среды с измеряемыми информационными сигналами, размещенные на противоположных границах контролируемой морской акватории, излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними тракт формирования, усиления излучаемых сигналов накачки среды и тракт приема, обработки и регистрации информационных сигналов, включающий линию спектрального анализа и регистратор информационных волн, согласно изобретению рабочая зона сформирована посредством трех излучающих преобразователей и трех приемных блоков, включающих по три преобразователя, которые объединены в горизонтально расположенные треугольники с вершинами, направленными противоположно излучающим преобразователям, приемный тракт системы дополнительно содержит три линии корреляционного и взаимно корреляционного анализа принимаемых сигналов, которые вместе с линией узкополосного спектрального анализа подключены к приемным блокам измерительной системы через общий блок переключения и коммутации принимаемых сигналов, при этом приемный тракт системы снабжен блоком переключения линий корреляционного анализа, который расположен между выходами линий корреляционного анализа и входом линии спектрального анализа, при этом во все линии корреляционного и взаимно корреляционного анализа измерительной системы включены последовательно соединенные широкополосные усилители, блоки измерения функций корреляции информационных сигналов между средним и крайним приемниками, блоки измерения функции взаимной корреляции, выходы которых соединены с входами блока анализа комплексной информации, выход которого соединен с регистратором измеряемой информации, а также через радиоблок передачи измеряемой информации с информационно-аналитическим центром, включающим последовательно соединенные радиоблок принимаемых сигналов, блок системного анализа измеряемой информации и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу через приемный радиоблок соединен с блоком формирования просветных сигналов излучающего тракта.
Технический результат изобретения заключается в достижении возможности формирования и применения просветной гидроакустической системы мониторинга в морской среде, как пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с пространством обследуемой акватории, обеспечивающей широкомасштабный мониторинг характеристик гидрофизических и геофизических полей различной физической природы искусственных и естественных источников и явлений в морской среде в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот, а также определении координат их источников на обследуемой акватории.
Технический результат достигается путем согласованного режима работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга по регистрации изменений гидрофизических полей, и последующего оперативного анализа комплексной информации и выработки команд для управления работой излучающего и приемного трактов измерительной системы в соответствии с условиями и задачами длительного мониторинга информационных полей на широкомасштабной акватории.
Рабочую зону нелинейного взаимодействия просветных и измеряемых информационных волн накачки среды формируют посредством установки на свалах глубин противоположных границ обследуемой акватории трех излучателей и не менее трех приемных блоков, включающих по три преобразователя, объединенных в горизонтально ориентированные треугольники, вершинами направленными противоположно излучателям. Формируемые каждым из преобразователей просветные параметрические антенны создают рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн как комплексную горизонтально разнесенную по обследуемой акватории параметрическую антенну. Такая установка способствует оптимальному излучению, распространению и приему просветных сигналов в условиях взаимодействия протяженного гидроакустического канала распространения волн с переменными гидрофизическими полями среды в пределах границ акватории, и обеспечивает формирование широкомасштабной и мультистатической системы мониторинга, как единой параметрической антенны, а также возможность ее эффективной реализации в задачах мониторинга информационных полей, измерения их спектральных характеристик, определения места источников их формирования на широкомасштабной акватории.
Большой масштаб дальности параметрического приема волн обеспечивается накачкой среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки-сотни герц. Возможность дальнего параметрического приема информационных волн звукового и инфразвукового диапазонов частот достигается за счет формирования протяженного объема взаимодействия волн (пространственной параметрической антенны).
За счет фазового приема и обработки просветных сигналов с пространственно-разнесенных приемных блоков устраняется низкая помехоустойчивость приема и выделения информационных волн в условиях протяженного гидроакустического канала с переменными характеристиками среды и границ.
Многоканальный и многофункциональный прием, обработка и анализ принимаемых информационных сигналов искусственных и естественных источников, процессов и явлений в широком диапазоне частот существенно расширяют информационные возможности системы мониторинга и ее практическую значимость.
В отличие от высокочастотных классических параметрических устройств излучения и приема сигналов, просветная система мониторинга морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной просветной гидроакустики, представляет собой единую (многоканальную) широкомасштабную параметрическую антенну с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных и информационных сигналов, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути их совместного распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам нелинейной области, которая имеет достаточно большие величины (например, в случае возмущения среды кильватерным следом она может составлять единицы кубических километров). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов.
Качественно любые изменения плотности и давления в морской среде при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны будет меняться с той же частотой.
Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность, так называемого, «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например, сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями, распространяющимися в среде просветных акустических волн.
Совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами, в том числе с волнами «малых амплитуд», сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Преобразование просветных акустических волн может осуществляться излучениями (волнами) различной физической природы (акустическими, электромагнитными, гидродинамическими). Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты выделяются при спектральном анализе, как признаки фазовой модуляции, что подтверждено результатами морских экспериментов. Создаваемая просветная параметрическая система, основанная на низкочастотной подсветке контролируемой среды, формируется по каждому отдельному акустическому лучу, при этом каждый луч просветной системы представляет собой протяженную параметрическую антенну, обеспечивающую дальний параметрический прием волн различной физической природы в широком диапазоне частот. Совокупность сформированных «лучевых трубок» в вертикальной плоскости среды распространения просветных волн обеспечивает создание горизонтальной параметрической системы, пространственно-развитой по протяженности и пространству контролируемой акватории, содержащей большой спектр параметров данной акватории, что дает возможность получить более емкую характеристику контролируемой среды.
Возможность параметрического приема информационных волн инфразвукового и дробного диапазонов частот достигается за счет формирования протяженного объема взаимодействия волн (пространственной параметрической антенны). Применение в тракте приема и обработки, преобразования временного масштаба волн накачки в высокочастотную область, а также узкополосный спектральный анализ просветных сигналов разности фаз пространственно-разнесенных приемников, обеспечивают помехоустойчивое выделение информационных полей. Включение в приемный тракт линий корреляционного и взаимно корреляционного анализа обеспечивает измерение направлений на источники формирования информационных волн, как источников широкополосного излучения, а также определение точек их пересечения (координат источников на акватории), что выполняется расчетами на ЭВМ. Многоканальная корреляционная и взаимно корреляционная обработка обеспечивает возможность определения места источников информационных волн на широкомасштабной акватории.
Информационно-аналитический центр системы мониторинга соединен с блоком формирования просветных сигналов излучающего тракта, что обеспечивает возможность подстройки работы излучающего тракта в соответствии с задачами и условиями ведения длительного мониторинга.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема просветной радиогидроакустической системы мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и среды, реализуемая посредством аппаратного комплекса, включающего излучающий и приемный тракты, а также их подводные блоки.
Тракт формирования, усиления излучаемых сигналов накачки среды (излучающий тракт) 1 содержит последовательно соединенные модули: приемный радиоблок 2, формирователь низкочастотных сигналов стабилизированной частоты 3, трехканальный усилитель мощности сигналов 4, трехканальный блок согласования 5 выходов усилителя с подводными силовыми кабелями и далее с тремя подводными излучающими преобразователями 6, 7, 8.
Тракт приема, обработки и регистрации информационных сигналов (приемный тракт) 9 сформирован как многоканальный и состоит из трех линий корреляционного и взаимно корреляционного анализа 10, 11, 12, каждая из которых включает последовательно соединенные широкополосные усилители 10.1, 11.1, 12.1, блоки измерения функций корреляции информационных сигналов между средним и крайним приемниками 10.2, 10.3, 11.2, 11.3, 12.2, 12.3 и блоки измерения функции взаимной корреляции 10.4, 11.4, 12.4, выходы которых соединены с входами блока анализа комплексной информации 13 (ЭВМ), выход которого соединен с регистратором измеряемой информации 14, а также с радиоблоком передачи измеряемой информации 15 с информационно-аналитическим центром 16. Приемный тракт снабжен блоком переключения линий корреляционного анализа 17, обеспечивающим выборочное измерение узкополосных спектров информационных волн со всех приемных блоков системы, который включен между выходами линий корреляционного анализа и входом линии спектрального анализа 18, включающего последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель 18.1, блок измерения сигналов разности фаз 18.2, преобразователь временного масштаба сигналов в высокочастотную область 18.3, узкополосной анализатор спектров 18.4 и функционально связанный с ним регистратор (рекордером) информационных волн 19, а также с входами блока анализа комплексной информации (ЭВМ) 13. Три линии корреляционного и взаимно корреляционного анализа 10, 11, 12 через общий блок коммутации и переключения принимаемых сигналов 20 соединены с тремя подводными приемными блоками 21, 22, 23, каждый из которых включает по три преобразователя (гидрофона), объединенные в горизонтально расположенные треугольники, с вершинами направленными противоположно излучающим преобразователям.
Информационно-аналитический центр 16 системы мониторинга включает последовательно соединенные радиоблок принимаемых сигналов 24, блок системного анализа измеряемой информации 25, передающий радиоблок 26, выход которого по радиоканалу через приемный радиоблок 2 соединен с блоком формирования просветных сигналов 3 излучающего тракта 1 системы мониторинга. Кроме того на схеме обозначены контролируемые сигналы среды: источников геофизических волн 27, источников гидрофизических волн 28, береговых источников 29.
Работа система осуществляется следующим образом.
Подводные излучающие преобразователи 6, 7, 8 и приемные блоки 21, 22, 23 (не менее трех) горизонтально разносят по противоположным границам свалов глубин обследуемой акватории на необходимое расстояние (десятки-сотни километров) с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале, и раскрепляют их поверхностными радиобуями и донными якорями, что обеспечивает оптимальное распространение просветных сигналов и акустическую подсветку среды. При этом гидрофоны приемных блоков в горизонтальной плоскости разносятся на расстояния не менее 100 метров, что обеспечивает возможность использования корреляционных характеристик просветных сигналов в горизонтальной плоскости среды, и помехоустойчивое выполнение мониторинга информационных полей при проведении фазовой обработки пространственно-разнесенных просветных сигналов.
Из излучающего тракта 1 подают эталонные сигналы на подводные излучающие преобразователи 6, 7, 8, которые излучают в контролируемую морскую среду низкочастотные просветные акустические сигналы стабильной частоты. Под действием этих сигналов в толще воды формируется протяженная область возбуждения физических параметров морской среды, которая выступает в качестве объемной бестелесной антенны. Контролируемые сигналы среды (источников геофизических волн 27, источников гидрофизических волн 28, береговых источников 29) взаимодействуют с этой антенной, модулируя ее сигналы своими параметрами, и совместно формируют общую антенну, содержащую большой спектр параметров исследуемой акватории, что дает возможность получить более емкую характеристику контролируемой среды.
Результирующие колебания, поступают на приемный тракт 9, где через блок переключения и коммутации принимаемых сигналов 20 подаются на три линии корреляционного и взаимно корреляционного анализа и одну линию спектрального анализа. В линиях корреляционного анализа происходит широкополосное усиление сигналов, измерение разности фаз сигналов, поступивших с горизонтально разнесенных приемников, преобразование временного масштаба измеренных сигналов в высокочастотную область, узкополосный спектральный анализ и регистрация измеряемых спектров на общем для трех линий блоке регистрации 14. После комплексного анализа полученной информации (в блоке 13) данные поступают на радиоблок передачи 15, откуда по радиоканалу - в информационно-аналитический центр 16, где с использованием блока системного анализа измеряемой информации 25 определяют принадлежность измеряемых волн к источникам их формирования и места их проявления на широкомасштабной акватории, а также вырабатывают управляющие сигналы (команды) для подстройки работы излучающего тракта 1 в процессе длительного мониторинга.
Основными закономерностями нелинейной просветной гидроакустики, которые положены в основу технического решения изобретения являются: параметрическая модель просветной гидроакустики, нелинейное взаимодействие просветных волн и информационных волн (полей) различной физической природы в нелинейной морской среде. Фазовый прием нелинейно преобразованных просветных волн пространственно-разнесенными приемниками, их обработка и выделение спектральных компонент измеряемых информационных волн.
Формируемая пространственно-развитая параметрическая система является просветной многолучевой параметрической (бестелесной) антенной. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации, как параметрической с низкочастотной подсветкой контролируемой среды или рубежа, рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема.
На фиг. 2 представлена качественная картина пространственной структуры зоны Френеля между точками излучения и приема просветных акустических волн, как рабочей зоны нелинейного взаимодействия просветной и измеряемых полей (параметрической антенны бегущей волны). Каждая из зон в пространстве образует эллипсоид вращения. Первая зона образует область пространства, которая в основном определяет перенос энергии просветных акустических волн из точки излучения А в точку приема В. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В распространяется в пределах области, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.
Действие всех остальных зон в результате их попарной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть, для получения в точке приема энергии сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями.
В случае расположения в пределах пространства первой зоны Френеля излучающего объекта с сопутствующей нелинейной неоднородностью среды будет происходить не только экранирование проходящих волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на этой неоднородности. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной параметрической просветной антенны бегущей волны накачки. Особенностью реализации просветного метода гидролокации, как параметрического, в океаническом волноводе является то, что гидроакустическая система контроля среды в этом случае представляет собой многолучевую приемоизлучающую антенну, преимущество которой является предметом рассмотрения.
Результаты морских испытаний предлагаемой системы представлены на фиг. 3-7. Они проводились на стационарных и мобильных гидроакустических трассах протяженностью десятки-сотни километров на акваториях дальневосточных морей. Просветные гидроакустические сигналы стабилизированной частоты около 400 Гц излучались подводным маяком наведения (ПЗМ-400), а также забортным излучателем с использованием блока излучателей на частотах 100, 230, 400 и 1000 Герц. В морской части системы мониторинга использовалась донная база с ненаправленными пространственно-разнесенными на 200 м и на 2000 м приемными блоками. Излучающая и приемная базы посредством морских кабелей соединялись с береговыми лабораториями. В качестве источников информационных полей использовались морские суда, которые маневрировали и многократно пересекали просветные акустические трассы, а также сигналы предвестников сильных землетрясений, зарождающихся в районе Курильской островной гряды.
На фиг. 3 представлен узкополосный спектр гидрофизического поля морского объекта, зарегистрированного на просветной трассе протяженностью 20 км.
На фиг. 4 представлена спектрограмма гидродинамических волн, сформированных синоптическими процессами (за время полного прохождения циклона на просветной трассе 345 км).
На фиг. 5 представлена спектрограмма гидрофизического поля, формируемого береговыми источниками; общая протяженность просветной трассы (о. Сахалин - побережье Приморья) составляла более 300 км.
На фиг. 6 представлена спектрограмма сейсмических волн, зарождающихся в районе Курильской гряды; прием акустических сигналов проводился на станции мыса Анива о. Сахалин, расстояние около 500 км.
На фиг. 7 представлена спектрограмма волн сейсмического фона, зарождающихся в Охотском море.
Таким образом, параметрический прием нелинейно преобразованных просветных волн пространственно-разнесенными приемниками позволяет сформировать и применить горизонтальную просветную гидроакустическую систему, как мультистатическую, обеспечивающую мониторинг гидрофизических и геофизических полей источников и явлений на протяженной и горизонтально развитой акватории. Фазовая и корреляционная обработка принимаемых сигналов, обеспечивающая дальний помехоустойчивый прием просветных волн, узкополосный спектральный анализ и выделение из них информационных полей, как волн «малых амплитуд», а также определение направлений и координат источников их формирования на горизонтально развитой акватории обеспечивает оперативный анализ комплексной информации и формирование сигналов для корректуры и управления работой измерительной системы в соответствии с изменяющимися условиями и задачами длительного мониторинга измеряемых информационных полей на широкомасштабной акватории.