СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ИСТОЧНИКОВ, ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ АТМОСФЕРЫ, ОКЕАНА И ЗЕМНОЙ КОРЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR PARAMETRIC RECEPTION OF WAVES OF DIFFERENT PHYSICAL NATURE OF SOURCES, PROCESSES AND PHENOMENA OF ATMOSPHERE, OCEAN AND EARTH'S CRUST IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике и может быть использовано в создании и эксплуатации пространственно-развитых просветных радиогидроакустических систем, мониторинга, волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками и опасными явлениями атмосферы, океана и земной коры в диапазоне частот, десятки-единицы Килогерц (кГц), сотни- десятки-единицы-доли Герца (Гц). Измеряются также волны, формируемые колебаниями движущихся объектов и неоднородностей морской среды, как целого.
Разработки гидроакустических способов и реализующих их систем на основе приемных параметрических антенн (ППА) в России, а также в зарубежных странах (преимущественно в США и Японии) интенсивно проводились еще в прошлом столетии. В России они разрабатывались и были успешно реализованы Таганрогскими акустиками. Они опубликованы в изданиях различного уровня и изложены в монографии (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. С. 17-40, 203-225). Параметрические антенны и реализующие их радиотехнические системы основаны на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. В протяженных ППА, буксируемых морским судном, к естественным нелинейным свойствам морской среды прибавляются нелинейные свойства кильватерного следа судна-носителя. Накачка среды в указанных случаях применялась только высокочастотная акустическая, частота которой составляла десятки, чаще сотни кГц. Высокочастотные параметрические антенны расширили возможности приема информационных волн в низкочастотную область, а также повысили чувствительность приема таких волн. При этом дальность приема волн в системах с высокочастотными параметрическими антеннами оставалась незначительной и составляла сотни метров и только в отдельных случаях более одного километра.
Основными недостатками высокочастотных способов параметрического приема волн и реализующих их систем мониторинга являются малая дальность и ограниченная возможность измерения пространственно-временных характеристик информационных волн. Наиболее характерно это проявляется в случае приема волн различной физической природы в инфразвуковом диапазоне частот. Такие недостатки высокочастотных параметрических способов приема информационных волн обусловлены малым объемом и ограниченной протяженностью рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн накачки и измеряемых информационных в морской среде. Устранение этих недостатков и достижение новых положительных эффектов, которые предполагается получить в предлагаемом способе, может быть достигнуто за счет формирования низкочастотной просветной системы мониторинга как пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью контролируемой акватории. Исходя из этого, сформулируем принципиальные недостатки способа параметрического приема волн, основанных на высокочастотной накачке среды, которые необходимо устранить в предлагаемом изобретении.
1. Малый объем рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн накачки среды и измеряемых информационных, что особенно ограничивает возможность эффективного приема волн инфразвукового и дробного диапазонов частот.
2. Малая протяженность параметрической антенны и формирование ее объема только вблизи приемных блоков, что также ограничивает возможность дальнего приема информационных сигналов как «волн малых амплитуд».
3. Не используется эффект многолучевого распространения просветных волн по трассам контролируемой акватории, что, в свою очередь, не позволяет эффективно принимать информационные волны указанного диапазона, формируемые источниками воздушной среды и морского дна за счет их взаимодействия с просветными волнами в приповерхностном и придонном слоях контролируемой морской среды.
4. Исключена возможность использования закономерностей многолучевого распространения просветных сигналов и связанного с ней формирования характеристик направленности параметрических антенн по приходам многолучевых сигналов «сверху и снизу», обеспечивающих при дальнейшей обработке информации возможность определения мест источников излучения (дистанции и глубины) на протяженной акватории.
5. Отсутствует контролируемая взаимосвязь работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга по каналам радиосвязи. Это исключает возможность оперативной подстройки режимов работы системы к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн, а также к многообразию проявления и поведения измеряемых информационных волн.
Указанные недостатки высокочастотных параметрических систем могут быть устранены, как будет показано в описании изобретения, за счет введения в ее структуру блока информационно-аналитического центра (ИАЦ), включающего блок системного анализа информации, излучающий и приемный радиоблоки связи, с излучающими и приемными трактами системы, для их оперативной подстройки в процессе работы. ИАС дополнительно к управлению работой обеспечивает также оперативный обмен измеряемой информацией о полях атмосферы, океана и земной коры в масштабе контролируемой акватории. Это необходимо при формировании систем мониторинга как широкомасштабных, например, в пределах акваторий Охотского и Японского морей.
Известен способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, основанный на формировании приемной параметрической антенны в морской среде, включающий в себя размещение на контролируемой акватории излучающего и приемного преобразователей, озвучивание среды низкочастотными акустическими сигналами стабилизированной частоты и формирование в ней рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, прием нелинейно преобразованных просветных волн, усиление их в полосе параметрического преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосный спектральный анализ, выделение в спектрах верхней и (или) нижней боковых полос и восстановление по ним с учетом параметрического и частотно-временного преобразования характеристик измеряемых информационных волн (см. RU №2474793 от 15.06.2011 г.). По своей физической сущности этот способ является наиболее близким к заявляемому и в этой связи выбран в качестве прототипа.
Недостатками способа-прототипа являются ограниченные возможности параметрического приема волн, создаваемых в атмосфере, океанской среде и земной коре, в том числе и вне зоны размещения параметрической просветной системы. Это выражается также в недостаточной чувствительности приема и, как следствие, дальности, но особенно характерно это проявляется при приеме волн, поступающих в морскую среду из атмосферы и земной коры (морского грунта). В рассматриваемом способе не решается задача определения места (дистанции и глубины) источников информационных волн на контролируемой акватории. Не решается также задача оперативной подстройки режимов работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к многообразию проявления информационных волн. Основной причиной перечисленных недостатков является то, что просветная система мониторинга не рассматривается как пространственно-развитая по объему и протяженности среды многолучевая параметрическая антенна, в которой не используются закономерности многолучевого распространения волн на протяженных морских трассах наблюдаемых секторов акватории, что и определяет совокупность перечисленных недостатков и ограничений.
Задача, на решение которой направлено изобретение, выражается в увеличении дальности параметрического приема в морской среде волн различной физической природы, формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в звуковом, инфразвуковом, дробном и сверхнизкочастотном (СНЧ) диапазонах частот. В обеспечении возможности определения мест (дистанции и глубины) морских объектов и источников излучения гидрофизических волн на протяженной акватории. В обеспечении возможности оперативной подстройки режимов работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к многообразию проявления измеряемых информационных волн.
Для решения поставленной задачи разработки способа параметрического приема волн различной физической природы источников, процессов и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде, включающего в себя разнесение по контролируемой акватории на десятки-сотни километров излучающего и приемных акустических преобразователей, формирование между ними рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, подключение к преобразователям, соответственно, тракта формирования, усиления и излучения просветных сигналов стабилизированной частоты, а также тракта приема, усиления, узкополосного спектрального анализа, выделения в спектрах и регистрации информационных сигналов, отличается тем, что рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн формируют как многолучевую пространственно-развитую просветную параметрическую антенну, соизмеримую с протяженностью контролируемой акватории, для чего излучающий блок располагают в центре акватории и включают в него три всенаправленных преобразователя, устанавливают их на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемный блок формируют аналогично излучающему в количестве трех одинаковых, которые размещают по кругу или периметру на противоположной границе акватории и размещают их относительно ПЗК аналогично излучающим блокам, при этом каждый приемный блок формируют из трех одиночных гидрофонов, размещают их в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, вершины которых направляют в сторону излучающих преобразователей, за счет чего совместно излучающими преобразователями формируют в среде многолучевую вертикальную параметрическую антенну, при этом в излучающий тракт измерительной системы включают последовательно соединенные блоки: звукового генератора стабилизированной частоты, усилителя мощности, трехканального блока согласования выхода усилителя с подводными кабелями и далее с излучающими акустическими преобразователями, а многоканальный приемный тракт измерительной системы формируют как многоканальный и многофункциональный и включают в него один канал анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера), при этом в приемный тракт включают три канала корреляционного и взаимно корреляционного анализа сигналов для измерения углов прихода многолучевых сигналов «сверху и снизу» по направлениям сформированных в вертикальной плоскости просветных параметрических антенн для каждого приемного блока, при этом в каждый из трех каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа включают последовательно соединенные полосовые усилители, два параллельных блока измерения корреляционных функций между сигналами центрального и крайних гидрофонов приемных блоков, далее он содержит блоки измерения функций взаимной корреляции, выходы которых соединяют с общим регистратором (рекордером), а также с блоком вычисления траектории лучей, как просветных параметрических антенн, и точек их пересечения на акватории (с ЭВМ), при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединяют с многоканальным приемным трактом измерительной системы. Кроме того, нелинейно преобразованные просветные сигналы от каждого излучающего преобразователя принимают одиночными приемниками всех приемных блоков и обеспечивают прием приходов просветных сигналов по отдельным лучам, как параметрическим антеннам, и их последующее разделение по углам приходов блоками корреляционного и взаимно корреляционного анализа. Кроме того, просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру среды через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии, что обеспечивает формирование общей пространственно-развитой параметрической системы. Кроме того, на основе расположенных в вертикальной плоскости приемных блоков совместно с излучающими блоками формируют просветные многолучевые параметрические антенны, при этом расстояние между преобразователями приемных блоков и их гидрофонов в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля. Кроме того, в приемный и излучающий тракты системы включают блоки радиосвязи для согласования работы излучающего и приемного трактов измерительной системы и ее вхождения по каналам связи, предпочтительно спутниковой, в информационно-аналитический центр анализа многозвенной информации и оперативного управления системой. Кроме того, широкомасштабную просветную радиогидроакустическую систему наращивают (масштабируют) за счет объединения аналогичных подсистем мониторинга, разворачиваемых на других акваториях по каналам радиосвязи (предпочтительно космической) в информационно-аналитическом центре (ИАЦ). Кроме того, в ИАЦ включают блок системного анализа информации, излучающий и приемный радиоблоки.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие на то, что «рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, сформирована как многолучевая пространственно-развитая вертикальная просветная параметрическая антенна, соизмеримая с протяженностью контролируемой акватории», обеспечивают возможность решения всех последующих отличительных признаков, а по их совокупности решение обобщенной задачи изобретения.
Следует отметить, что эффект многолучевого распространения просветных волн, реализуемый в рамках заявленной системы, и последующее измерение углов прихода лучей «сверху и снизу» на основе решения обратной лучевой задачи для сформированной структуры просветного поля дополнительно обеспечивает возможность определения мест морских источников на контролируемой трассе. Многолучевое распространение волн в протяженной морской среде наиболее эффективно реализуется при приеме волн искусственных и естественных источников, поступающих из атмосферы или с морского дна. Необходимо отметить также, что рассматриваемый в изобретении метод формирования и реализации многолучевой структуры просветного акустического поля относится к классическому примеру, а именно, наличию характерного для протяженного подводного канала распространения волн и, следовательно, соответствующего вертикального расположения излучающих и приемных преобразователей (см. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. М., Наука. - 1973, 340 с.).
Признаки, указывающие на то, что «излучающий преобразователь расположен в центре акватории и содержит три одинаковых всенаправленных блока, установленных на оси ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК)», обеспечивают возможность создания многолучевой подсветки (накачки) среды и формирования просветной параметрической антенны, как многолучевой, при использовании ограниченного числа излучающих преобразователей.
Признаки, указывающие на то, что «излучающий тракт системы мониторинга включает последовательно соединенные блоки: звукового генератора стабилизированной частоты, усилителя мощности, блока согласования выхода усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими акустическими преобразователями», обеспечивают формирование низкочастотного просветного поля по пространству контролируемой морской среды и их эффективное параметрическое преобразование информационными волнами.
Признаки, указывающие на то, что «приемный тракт системы мониторинга сформирован как многофункциональный и включает: один канал анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки: полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера)», реализуют эффективное взаимодействие и параметрическое преобразование в морской среде просветных волн с измеряемыми информационными волнами различной физической природы.
Признаки, указывающие на то, что приемный тракт системы мониторинга содержит «три канала корреляционного и взаимно корреляционного анализа сигналов для измерения углов прихода многолучевых сигналов «сверху и снизу» по направлениям сформированных в вертикальной плоскости просветных параметрических антенн для каждого приемного блока, при этом каждый из трех каналов включает последовательно соединенные: полосовые усилители, два параллельных блока измерения корреляционных функций сигналов между центральным и крайними гидрофонами приемных блоков», обеспечивают возможность определения моментов проявления корреляционных максимумов анализируемых просветных сигналов, обусловленных их модуляцией измеряемыми информационными сигналами, которые далее используют для определения углов прихода просветных сигналов «сверху и снизу».
Признаки, указывающие на то, что «два параллельных блока измерения функций взаимной корреляции, выходы которых соединены с общим блоком регистрации (рекордером), а также блоком вычисления траектории лучей, как просветных параметрических антенн, и точек их пересечения на акватории (ЭВМ)», обеспечивают определение точек пересечения просветных сигналов на акватории, как мест расположения источников излучения информационных волн, что выполняется известным методом решения «обратной лучевой задачи» на ЭВМ с использованием специально разработанных программ (см. Василенко A.M., Малиновский В.А., Алюшин Д.А. Программа расчета и анализа гидроакустического поля. «Дальность». А.С. РФ №23611941. Владивосток, в/ч 90720, 2003. Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». А.С. РФ. №2004611325. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, 2004).
Дополнительный признак, указывающий на то, что «просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии», обеспечивает формирование общей пространственно-развитой по акватории параметрической системы.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «расположенные в вертикальной плоскости приемные блоки совместно с излучающими формируют многолучевые параметрические антенны, при этом расстояние между преобразователями приемных блоков и их гидрофонов в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля», обеспечивает помехоустойчивость приема и надежность работы измерительной параметрической системы в условиях многолучевого распространения акустических волн.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «приемный и излучающий тракты системы включают блоки радиосвязи и согласованного управления работой излучающего и приемного трактов системы мониторинга и ее вхождения по каналам связи, предпочтительно спутниковой, в информационно-аналитический центр анализа информации и управления системой», обеспечивает надежность и эффективность работы сформированной пространственно-развитой параметрической системы и ее вхождение в информационно-аналитический центр (ИАЦ). При этом ИАЦ системы включает блок системного анализа информации, а также передающий и приемный радиоблоки связи с излучающим и приемным трактами системы мониторинга.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «широкомасштабная просветная радиогидроакустическая система наращивается по пространству за счет объединения аналогичных подсистем мониторинга, разворачиваемых на соседних акваториях, и их объединения по каналам радиосвязи (предпочтительно космической) в информационно-аналитическом центре (ИАЦ)», обеспечивает возможность ее масштабирования в пределах соседних акваторий, например в масштабе Охотского и Японского морей.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга. На фиг. 2 представлена пространственная структура радиогидроакустической системы освещения морской обстановки и мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры. На фиг. 3 - 5 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий. При этом на фиг. 3 - спектр упругих резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды составляла 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км. Фиг. 4 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота подсветки 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде. Фиг. 5 - спектр шумоизлучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). Представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. На просветной трассе протяженностью 30 км наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна. Фиг. 6, 7 - записи сигналов предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и спектр в формате 3D. Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений в районах Курильской островной гряды и их приему на измерительном поле о. Сахалин. На фиг. 8, 9 представлены спектры шумового излучения атмосферного источника (летательного аппарата). На фиг. 10 - спектр сигналов синоптических возмущений поверхности моря за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км. Измерения выполнялись на акустическом поле, оборудованном в переходной зоне Охотского и Японского морей. На фиг. 11 - спектр сейсмических излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья (мыс Сосунова), протяженность трассы составляла 310 км. На фиг. 12 представлены атмосферные радиолокационные измерения волнений поверхности моря при наличии и отсутствии подводного объекта. Измерения выполнялись пространственно разнесенными в атмосфере излучающим (зондирующим) и приемным радиолокатором.На фиг. 13, 14 - записи суммарных просветных сигналов с приемных блоков 8-10, а также функции их взаимной корреляции с выходов линий анализа 13-15. На фиг. 15 - спектрограмма просветных сигналов (400 Гц), модулированных гидродинамическими волнами и СНЧ- колебаниями движущегося морского судна на трассе протяженностью 345 км. Фиг. 16 -аналитическое представление объемной структуры зон Френеля между точками излучения и приема акустических волн. Фиг. 17 - лучевая структура просветного акустического поля в гидроакустическом канале распространения волн.
Широкомасштабная радиогидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы источников атмосферы, океана и земной коры в морской среде на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемое изобретение, показана на фиг. 1. Система включает излучающий тракт, содержащий блоки формирования и усиления сигналов низкочастотной подсветки среды 1, соединенный с подводными излучателями просветных сигналов накачки 5-7. Измерительная система включает также многоканальный тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 11, входы которого соединены с приемными блоками 8-10, сформированными из трех расположенных в вертикальной плоскости по треугольникам преобразователей каждый.
Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды 1 представляет трехканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генератор стабилизированной частоты 2; усилитель-инвертор 3 и трехканальный блок согласования 4 его выходов с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 5-7 (см. фиг. 1).
Приемный блок измерительной системы 11 (фиг. 1) представляет собой многоканальную электронную схему, включающую блок коммутации и переключения приемных блоков 12, соединенный с четырехканальной линией анализа 13-16, каждый канал которой включает последовательно соединенные широкополосные усилители 13.1, 14.1, 15.1, далее с блоками измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками блоки 13.2, 13.3, 14.2, 14.3, 15.2, 15.3, далее выходы блоков измерения функций корреляции сигналов соединены с блоками измерения функции взаимной корреляции 13.4, 14.4, 15.4, а их выходы соединены с блоком регистрации измеряемых функций 17, а также с входами блока вычисления точек пересечения приходов акустических лучей «сверху и снизу» (ЭВМ) 19 и далее с радиоблоком 20 передачи измеряемой информации в ИА центр 21. При этом линия анализа 16 включает последовательно соединенные широкополосный усилитель сигналов 16.1, соединенный через блок переключения каналов 12 с приемными блоками 8-10, далее с преобразователем через блок переключения каналов 12 с приемными блоками 8-10, далее с преобразователем временного масштаба сигналов в высокочастотную область 16.2, узкополосным анализатором спектров 16.3 и функционально связанным с ним регистратором выделяемых информационных сигналов 18. Информационно-аналитический центр (ИАЦ) системы мониторинга 21 включает блок системного анализа измеряемой информации 22, а также приемный и передающий радиоблоки 23, 24, соответственно.
Кроме того, на фиг. 1 показаны: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения волн) 31; источники излучения гидрофизических и геофизических информационных волн 26 и 28; источники атмосферных и береговых волн 27 и 32, поверхность моря 30, морское дно 29.
Заявленное изобретение реализуется следующим образом. Излучатели подсветки среды 5-7 и приемные блоки 8-10 разносят по контролируемой акватории на необходимое расстояние (десятки-сотни км) и размещают (заглубляют и устанавливают) на оси ПЗК, а также ниже и выше оси ПЗК, что обеспечивает засветку всех горизонтов контролируемой акватории и формирование в ней пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны. Измерение признаков проявления информационных волн атмосферы, донных морских, а также береговых источников проводится параллельно и одновременно, а их идентификация осуществляется по характерным признакам спектров и пространственно временной динамики принимаемых и анализируемых в ИАЦ информационных сигналов. Для донных геофизических волн (предвестников землетрясений) может также проводиться специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего динамику пространственно-временных характеристик спектральных составляющих, как характерных информационных признаков (см. Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 113 с.). Принципиально новым измерительным признаком в заявляемой системе мониторинга является определение мест источников излучения на контролируемой акватории. Эта операция, в свою очередь, осуществляется вертикально расположенными по треугольнику приемными блоками 8-10, сигналы с одиночных приемников через блок переключения каналов 12, далее через широкополосные усилители 13.1, 14.1, 15.1 поступают на блок измерения функций корреляции между средними и крайними приемными преобразователями 13.2, 13.3, 14.2, 14.3, 15.2, 15.3, далее сигналы поступают на блоки измерения функций взаимной корреляции 13.4, 14.4, 15.4, которые обеспечивают последующую возможность измерения новых признаков, а именно углов прихода сигналов от морских источников информационных волн. В свою очередь, это обеспечивает возможность определения путем расчетов на ЭВМ (блок 19) мест пересечения лучей на акватории. Расчет многолучевой структуры поля по трассам акватории с заданными гидрологическими характеристиками среды осуществляется по специально разработанным программам (см. Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность». Программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ на программу №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003; Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, А.С. РФ №2004611325, 2004).
Следует отметить, что идея определения места объекта на акватории по углам пересечения лучей принимаемых цепочкой гидрофонов «сверху и снизу» в первоначальном (упрощенном) варианте была предложена и реализована американским акустиком Робертом Дж. Уриком (см. US №3982222). В представляемом изобретении идея Дж. Урика существенно доработана применительно к ее реализации в протяженном океаническом канале распространения волн и представлении лучей как параметрических антенн (пространственных трубок), обеспечивающих создание пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с протяженностью пространства акватории.
Кроме того, радиогидроакустическая система входит в общую, предпочтительно в региональную систему освещения морской обстановки (ИАЦ), блок 21, содержащий функционально связанные блоки системного анализа информации 22, приемный блок 23, а также радио блок передачи управляющих сигналов 24, который через передающий блок 25 по радиоканалу связан с излучающим трактом системы 1. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность подстройки формируемых просветных сигналов с учетом состояния среды распространения волн. Кроме того, это обеспечивает возможность подстройки режимов работы системы мониторинга, как широкомасштабной к изменяющимся условиям среды распространения просветных сигналов, а также к многообразию проявления измеряемых информационных волн.
1. Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации в условиях протяженного океанического волновода
Формируемая пространственно-развитая параметрическая система является просветной многолучевой параметрической антенной. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации, как параметрической с низкочастотной накачкой (подсветкой) контролируемой среды или рубежа, рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 с.).
n
На фиг. 16 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон (1…h) в пространстве образуют эллипсоиды 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 пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.
Действие всех остальных зон в результате их по парной 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 или преобразования рассеивающими неоднородностями. Радиус h зоны номера n определяется по формуле Френеля:
1
2
где R, R - расстояния, определяющие положение объекта на линии излучения - приема; λ - длина просветной акустической волны; n - номер зон Френеля (достаточно взять нечетное число зон, например три или пять).
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 (бестелесной) 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, как показано на фиг. 17, обоснование преимуществ которой является предметом рассмотрения.
2. Формирование просветных пространственно-развитых параметрических антенн в условиях многолучевого распространения акустических волн в морской среде
Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по озвучиваемым трассам контролируемой акватории обеспечивает достижение принципиально нового эффекта, а именно дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также донном грунте. Такой эффект может быть достигнут, как будет показано в описании изобретения, за счет формирования зон акустической освещенности в приповерхностных слоях, на оси подводного звукового канала (ПЗК) и вблизи дна морской среды. Формирование зон освещенности по трассе распространения просветных волн обеспечивается путем расположения излучающих преобразователей системы мониторинга: на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, при этом точное размещение излучающих блоков по глубине определяется путем расчетов лучевой структуры поля по трассе распространения волн, что выполняется по специально разработанным программам (см. Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность» программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ на программу №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003; Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004).
Формирование совокупности просветных линий по трассам контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает получение соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории пространственно-развитой просветной параметрической антенны, исключающей недостатки прототипа, а также классических антенн.
Большой пространственный объем формируемых просветных параметрических антенн, а также их протяженность по контролируемой акватории представляют собой сверхдлинные (десятки-сотни км) просветные параметрические антенны, обеспечивающие возможность эффективного приема информационных волн малых амплитуд инфранизкочастотного, дробного и СНЧ-диапазонов по всей контролируемой акватории, в том числе волн, поступающих в водную среду из атмосферы и грунта морского дна.
Таким образом, построение протяженных многолучевых просветных параметрических систем в морской среде обеспечивается за счет формирования многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием волн различной физической природы в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли Герца. Формирование совокупности просветных линий по трассам (секторам) контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает формирование соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории низкочастотной просветной многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, исключающей недостатки классических высокочастотных антенн, и получение принципиально новых измерительных характеристик.
Решение задачи определения мест источников излучения на трассах контролируемой акватории дано в изобретении американского акустика Роберт Дж. Урика «вертикальная цепочка гидрофонов» (см. US №3982222). Указанное решение основано на измерениях углов прихода сигналов шумового излучения на блоки приемной антенны «сверху и снизу», при этом точки пересечения лучей определяют места (глубину и дистанцию) объектов. Рассмотренное решение применимо только на ближних (порядка 10-ти км) от приемных антенн дистанциях. В предлагаемом изобретении представлено решение дальнего (десятки-сотни км) параметрического приема информационных волн методом низкочастотной просветной параметрической гидролокации (см. US №3982222. Мироненко М.В., Короченцев В.И.. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - с. 105-109).
В просветной измерительной системе используются три ненаправленных излучателя (преобразователя), которые располагают на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК. Приемные блоки просветной системы, состоящие из трех ненаправленных преобразователей, располагают в вертикальной плоскости по треугольнику. В каждом приемном блоке измеряют функции корреляции принимаемых просветных сигналов между средним и крайними (верхним и нижним) преобразователями, затем измеряют функции их взаимной корреляции, по которым затем определяют направления приема информационных волн по просветным лучам сверху и снизу с повышенной точностью. Определение приходов просветных лучей сверху и снизу тремя приемными блоками обеспечивает наблюдение и контроль всех горизонтов, кроме тех, которые попадают в зоны тени, где просветное поле формируется слабыми отраженными от дна и морской поверхности лучами (см. Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975). При этом пологие лучи, распространяющиеся вдоль оси ПЗК, обеспечивают сплошную засветку пространства на горизонте оси канала.
3. Взаимодействие волн различной физической природы в морской среде
В отличие от классических параметрических устройств излучения и приема сигналов просветная система контроля морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной акустики, представляет собой 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 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).
Переходя к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных информационных волн, отметим, что классическое выражение взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не может быть использовано непосредственно. В этом случае взаимодействие может происходить на больших удалениях от приемника (десятки-сотни километров). Исходя из этого, в классических выражениях взаимодействия просветных волн с объектными волнами следует учитывать:
n
n
2
- затухание просветной волны Р, обусловленное ее расхождением при распространении в волноводе в соответствии с известными принципами, которое обратно пропорционально квадрату расстояния P/R;
- взаимодействие волн по объему нелинейно-возмущенной среды V;
- повышенную степень нелинейности среды в объеме взаимодействия γ;
n
с
- малое отличие частот просветных волн ω и полезного сигнала ω, которое в этом случае находится в пределах одного порядка и обеспечивает их более интенсивное взаимодействие.
С учетом этих поправок, аналитические зависимости для амплитуд комбинационных волн и индекса фазовой модуляции могут быть представлены в следующем виде (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 с.; Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012. 263 с.):
где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации; γ -коэффициент нелинейности морской среды.
Как видно из выражений, давление комбинационных волн и индекс фазовой модуляции аналогичны классической зависимости, но в этом случае возрастет полезная фазовая модуляция просветных сигналов измеряемыми низкочастотными, что обусловлено усилением взаимодействия волн в объеме среды с повышенной нелинейностью.
Характеристика направленности просветной параметрической антенны подобна пространственной антенне бегущей волны и в этой связи обладает высокой направленностью и помехозащищенностью. Она может быть представлена в виде:
Таким образом, ширина характеристики направленности просветной параметрической антенны ограничивается пределами первых зон Френеля, которые, в свою очередь, определяются длиной волны просветных сигналов и протяженностью барьерной линии. Из этого следует, что направленность и помехозащищенность приемной просветной антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить классические. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.
Теоретическое обоснование возможностей реализации закономерностей нелинейной акустики в предлагаемом параметрическом способе заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры. 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, 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 информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно зарегистрированы (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 с.; Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012, 263 с.).
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных 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 низких 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 модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. 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. Процесс параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить классической системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при их наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995; Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып. 22, 2001, с. 82-88; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - с. 105-109).
эм
зв
эм
Качественно любые изменения плотности, давления при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени 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, в последних уравнениях 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 Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
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. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде:
*
n
р
где Р(t), Р - результирующее (модулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; 2ω - частота нелинейно сформированной волны; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; t - текущее время; J - функции Бесселя n-го порядка; А - амплитуда модулированной волны; m - коэффициент модуляции.
Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω, равной сумме частот взаимодействующих волн, значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением
р
Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2 А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).
Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами «малых амплитуд» сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить также, что 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 при обработке эффективно выделяются, как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов (см. Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004; Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995; Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н.. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып. 22, 2001, с. 82-88; Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222 от 21.09.1976; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - с. 105-109; Малашенко А.Е., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Параметрическая модель и реализация низкочастотного просветного метода гидролокации в протяженном океаническом волноводе // 4-й Всеросс. симпозиум «Сейсмоакустика переходных зон» - Владивосток: Даль. Наука, ТОИ ДВО РАН, 2005. - с. 206-210).
Как видно из рассмотренных закономерностей, просветная приемная 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 эффективное решение задачи дальнего параметрического приема волн различной физической природы в широком диапазоне частот. Совокупность лучевых трубок в вертикальной плоскости обеспечивает формирование многолучевой параметрической антенны пространственно- развитой по протяженности и пространству контролируемой акватории. Расположение излучающих преобразователей системы относительно ПЗК на горизонтах выше, ниже и на его оси обеспечивает формирование зон освещенностей вблизи поверхности моря и дна, а также вдоль оси канала ПЗК. Секторное расположение вертикальных просветных антенн по кругу или периметру контролируемой акватории при стационарно расположенном в центре излучателе обеспечивает формирование пространственно-развитой параметрической антенны соизмеримой с объемом и протяженностью пространства контролируемой среды. Кроме того, круговое горизонтальное разнесение вертикальных многолучевых параметрических антенн целесообразно устанавливать через 45 градусов, т.е. в количестве не менее 8-ми штук, что соответствует реализации корреляционных свойств антенн, принимающих просветные сигналы стабилизированной частоты, и обеспечивает подавление помех среды с низкой корреляцией, как случайных сигналов.
Таким образом, в заявке на изобретение представлены разработки практических путей формирования и применения широкомасштабной радиогидроакустической системы параметрического приема волн различной физической природы источников атмосферы, океана и земной коры в морской среде. Разработки такой системы проведены на основе измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики, ее параметрической модели, основанной на закономерностях взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. Система обеспечивает дальний параметрическая прием волн «малых амплитуд» в сплошном диапазоне частот, охватывающем сотни-десятки-единицы-доли Герца, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся тел и неоднородностей морской среды. Преимуществом разработок широкомасштабной радиогидроакустической просветной параметрической системы является простота ее создания и эксплуатации. Излучающий и приемный тракты системы могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ-400. Многоэлементные приемные блоки, как направленные корреляционные системы, могут быть сформированы из протяженных многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых и изготавливаемых заявителем изобретения - Специальным конструкторским бюро средств автоматизации морских исследований СКБ САМИ ДВО РАН.