СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
SYSTEM FOR DETERMINING WATER SURFACE VIBRATIONS

Предлагаемая система относится к сейсмической и акустической разведке районов, покрытых водных, а именно к системам предупреждения о волнах цунами, возникающих вследствие подъема или опускания значительных водных масс океана.
Известные способы и системы для определения возникновения волн цунами (авт. свид. СССР №№568.922, 769.455, 1.070.497, 1.584.586, 1.676.651, 1.721.563; патенты РФ №№2.030.789, 2.034.312, 2.041.476, 2.068.185, 2.093861, 2.007.792, 2.168.747, 2.201.599, 2.240.570, 2.319.984; патенты США №№3.943.514, 4.126.203, 5.124.651, 5.696.614; Бреховских Л.М. О цунами и наблюдениях над сверхдальним распространением звука в океане. - Бюл. Совета по сейсмологии АН СССР, 1956, №2, С.8-11; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. - СПб., 2007, С.156-162 и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система для определения колебаний водной поверхности» (патент РФ №2.319.984, G01V 1/38, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система содержит микробарографы, разнесенные на фиксированные расстояния вдоль береговой линии
Микробарографы подключены через схему сравнения к системе оповещения. Система также снабжена блоком памяти, пунктом контроля и двумя корреляторами.
Однако пункт контроля известной системы не позволяет подавлять узкополосные помехи и не обеспечивает повышение помехоустойчивости достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем ослабления узкополосных помех.
Поставленная задача решается тем, что система для определения колебаний водной поверхности, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, микробарографы, расположенные в виде разветвленной системы вдоль береговой линии и подключенные через схему сравнения к системе оповещения, блок памяти, пункт контроля и два коррелятора, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к одному из крайних микробарографов перемножителя, второй вход которого через регулируемую линию задержки соединен с выходом другого крайнего микробарографа, фильтра нижних частот, экстремального регулятора и регулируемой линии задержки, второй выход которой является выходом коррелятора, система оповещения выполнена в виде последовательно подключенных к выходу схемы сравнения первого ключа, второй вход которого через первый преобразователь аналог-код соединен с выходом первого коррелятора, формирователя модулирующего кода, третий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя мощности и передающей антенны, последовательно подключенных к выходу второго коррелятора второго преобразователя аналог-код и второго ключа, второй вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход подключен к второму входу формирователя модулирующего кода, пункт контроля выполнен в виде блока регистрации и анализа и последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и первого фильтра нижних частот, второй вход схемы сравнения соединен с выходом блока памяти, микробарографы разнесены на фиксированное расстояние d, две пары крайних микробарографов разнесены на фиксированное расстояние nd, где n - количество микробарографов, отличается от ближайшего аналога тем, что пункт контроля снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, первым и вторым фазоинверторами и блоком вычитания, причем к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазо-инвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выход первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены к входу блока регистрации и анализа.
Структурная схема системы для определения колебаний водной поверхности представлена на фиг.1. Структурная схема пункта контроля представлена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, изображены на фиг.3. Система содержит приемники 1.i (i=1, 2, …, n) колебаний атмосферного давления (микробарографы), расположенные в виде разветвленной системы вдоль береговой линии и подключены через схему 2 сравнения к системе 3 оповещения, пункт 7 контроля, два коррелятора 5 и 6, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к одному из крайних микробарографов 1.1 (1.n-1), перемножителя 5.1 (6.1), второй вход которого через регулируемую линию задержки 5.4 (6.4) соединен с выходом другого крайнего микробарографа 1.2 (1.n-1), фильтра 5.2 (6.2) нижних частот, экстремального регулятора 5.3 (6.3) и регулируемой линии задержки 5.4 (6.4), второй выход которой является выходом коррелятора 5(6).
Система 3 оповещения выполнена в виде последовательно подключенных к выходу схемы 2 сравнения первого ключа 3.3, второй вход которого через первый преобразователь 3.1 аналог-код соединен с выходом первого коррелятора 5, формирователь 3.5 модулирующего кода, третий вход которого соединен с выходом схемы 2 сравнения, фазового манипулятора 3.7, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 3.8 мощности и передающей антенны 3.9, последовательно подключенных к выходу второго коррелятора 6 второго преобразователя 3.2 аналог-код и второго ключа 3.4, второй вход которого соединен с выходом схемы 2 сравнения, а выход подключен к второму входу формирователя 3.5 модулирующего кода.
Второй вход схемы 2 сравнения соединен с выходом блока 4 памяти, микробарографы разнесены на фиксированные расстояния d (измерительная база), две пары крайних микробарографов 1.1 и 1.2, 1.n и 1.n-1 разнесены на фиксированное расстояние nd, где n - количество микробарографов, второй вход смесителя 7 соединен с выходом гетеродина 7.3, усилителя 7.5 промежуточной частоты, первого перемножителя 7.6, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 7.9 нижних частот, первого узкополосного фильтра 7.8, второго перемножителя 7.7, второй вход которого соединен с выходом усилителя 7.5 промежуточной частоты, первого фильтра 7.9 нижних частот, блока 7.17 вычитания и блока 7.10 регистрации и анализа. К выходу усилителя 7.5 промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель 7.11, второй вход которого соединен с выходом второго фазометра 7.16, второй узкополосный фильтр 7.13, первый фазоинвертор 7.15, четвертый перемножитель 7.12, второй вход которого соединен с выходом усилителя 7.5 промежуточной частоты, второй фильтр 7.14 нижних частот и второй фазоинвертор 7.16. Второй вход блока 7.17 вычитания соединен с выходом второго фильтра 7.14 нижних частот. Предлагаемая система работает следующим образом.
Принцип определения колебаний водной поверхности заключается в следующем. Период волн цунами заключен в интервале от 2 до 200 мин, длина волн составляет от нескольких десятков до 300-400 км, при высоте волн 1-2 м. Начальное возвышение поверхности океана в очаге зарождения волн цунами не превышает нескольких метров и зарегистрировать их распространение практически невозможно. Однако в момент зарождения цунами область акватории радиусом R поднимается на высоту h над поверхностью океана - с частотами 0,001-0,5 Гц, что вызывает изменение атмосферного давления, которое можно зарегистрировать на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами, что определяется отношением последнего к шуму.
На больших по сравнению с радиусом R расстояниях эта система эквивалентна движению помещенной в жесткий экран мембраны, приводящему на расстоянии 1>>R к изменению атмосферного давления
0
где V - скорость подъема водной массы,
α - угол между вектором точки наблюдения и вертикалью (азимут),
ρ - удельное давление;
С - скорость звука в атмосфере;
λ и k - соответственно длина волны и вектор изменения волны;
1
J - функция Бесселя первого порядка.
Собственные частоты колебаний системы лежат в пределах 0,001-0,5 Гц.
-3
3
2
2
-3
-4
Подставляя в формулу (1) ρ≈1,29·10 Г/см, С=330 м/с, ω=0,1 Гц, l=1000 км, α=π/2, πR≈500 км, получим для изменения давления ≈10-10 бар.
Чувствительность современных микробарографов значительно превосходит указанный интервал давлений, а частотный диапазон их позволяет регистрировать указанные давления с частотами собственных колебаний очага цунами.
Скорость распространения, колебаний давления в атмосфере в среднем в два раза превышает скорость волн цунами. Поэтому на расстояниях порядка 1000 км разность времени прихода звукового импульса и гидродинамической волны составляет примерно 30 мин и может быть использована для предупреждения о возникновении дальних цунами.
Колебания атмосферного давления от эпицентра ЭЦ цунами принимаются двумя парами микробарографов 1.i (i=1, 2, …, n). Причем микробарографы разнесены на фиксированное расстояние d (измерительная база). Две пары крайних микробарографов разнесены на фиксированное расстояние nd, где n - количество микробарографов.
1
2
Колебания атмосферного давления (звуковые сигналы) с выходов крайних микробарографов поступают на два коррелятора 5 и 6, каждый из которых состоит из перемножителя 5.1 (6.1), фильтра 5.2 (6.2) нижних частот, экстремального регулятора 5.3 (6.3) и регулируемой линии задержки 5.4 (6.4). Получаемая на выходе коррелятора 5 (6) взаимно-корреляционная функция R(τ) [R(τ)] имеет максимум при значении введенного регулируемого запаздывания
1
1
2
2
3
4
τ=t-t; τ=t-t,
1
2
где t и t - время прохождения звуковым сигналом расстоянии от эпицентра цунами ЭЦ до первого 1.1 и второго 1.2 крайних микробарографов;
3
4
t и t - время прохождения звуковым сигналом расстояний от эпицентра цунами ЭЦ до второй пары крайних микробарографов соответственно.
1
2
Максимальные значения R(τ) и R(τ) поддерживается с помощью экстремальных регуляторов 5.3 и 6.3, воздействующих на управляющие входы блоков 5.4 и 6.4 регулируемых задержек соответственно. Шкалы блоков 5.4 и 6.4 регулируемых задержек градуируются непосредственно в значениях угловых координат эпицентра цунами ЭЦ
1
2
где τ и τ - введенные в соответствующие каналы задержки звуковых сигналов, соответствующие максимуму корреляционных функций.
Выходные сигналы корреляторов 5 и 6 максимальны, когда плоскости, в которых лежат микробарографы 1.1 и 1.2, 1.n-1 и l.n, расположены перпендикулярно направлениям на эпицентр цунами ЭЦ (фиг.1).
1
2
Измеренные значения α и α в преобразователях 3.1 и 3.2 преобразуются в цифровые коды.
Осредненные зарегистрированные колебания атмосферного давления по группе приемников (микробарографов) определяют момент прихода первого экстремума выделенного сигнала, сравниваются в схеме 2 сравнения с эталонным сигналом, поступающим из блока 4 памяти. По результатам сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющие входы ключей 3.3 и 3.4, открывая их. В исходном состоянии ключи 3.3 и 3.4 всегда закрыты.
1
2
Значения азимутов α и α в цифровой форме с выходов преобразователей 3.1 и 3.2 аналог - код через открытые ключи 3.3 и 3.4 соответственно поступают на входы формирователя 3.5 модулирующего кода, где формируется модулирующий код M(t) (фиг.3), который поступает на первый вход фазового манипулятора 3.7, на втором входе которого подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 3.6 (фиг.3, б)
c
c
c
c
c
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
c
c
c
c
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.
На выходе фазового манипулятора 3.7 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.3, в)
1
c
c
k
c
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k
k
э
э
э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3, а), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками k=1, 2, …, N-1);
э
c
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(Т=N·τ),
который после усиления в усилителе 3.8. мощности поступает в передающую антенну 3.9, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 7.1 пункта 7 контроля и через усилитель 7.2 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 7.4. На второй вход смесителя 7.4 подается напряжение гетеродина 7.3
г
г
г
г
u(t)=Ucos(ωt+φ).
На выходе смесителя 7.4 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 7.5 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.3,г)
пр
пр
пр
k
пр
c
u(t)=Ucos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ,
которое поступает на первые входы перемножителей 7.6, 7.7, 7.11 и 7.12. На вторые входы перемножителей 7.7 и 7.12 с выходов узкополосного фильтра 7.8 и фазоинвертора 7.15 подаются опорные напряжения соответственно (фиг.3, д, ж):
01
o
пр
пр
u(t)=Ucos(ωt+φ),
02
o
пр
пр
c
u(t)=-Ucos(ωt+φ), 0≤t≤T,
На выходе перемножителей 7.7 и 7.12 образуются суммарные напряжения соответственно:
∑1
∑
k(t)
∑
пр
k
пр
u(t)=U·cosφ+U·cos[2ωt+φ(t)+2φ],
∑2
∑
k(t)
∑
пр
k
пр
u(t)=U·cosφ-U·cos[2ωt+φ(t)+2φ],
c
0≤t≤T,
где
Фильтрами 7.9 и 7.14 выделяются низкочастотные напряжения соответственно (фиг.3, е, з):
н1
∑
k
u(t)=Ucosφ(t),
н1
∑
k
c
u(t)=U·cosφ(t), 0≤t≤T,
пропорциональные модулирующему коду M(t) (фиг.3, а). Указанные низкочастотные напряжения подаются на два входа блока 7.17 вычитания. Вычитая одно из другого указанные низкочастотные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе блока 7.17 вычитания образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение (фиг.3, и)
н
н1
н2
н
k
u(t)=U(t)-U(t)=Ucosφ(t),
н
∑
где U=2U
н1
н2
т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u(t) и u(t). При этом аддитивные амплитудные помехи проходят через два демодулятора одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 7.17 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.
н
Низкочастотное напряжение u(t) поступают на вход блока 7.10 регистрации и анализа, где определяется эпицентр цунами.
н2
Низкочастотное напряжение u(t) (фиг.3, з) с выхода фильтра 7.14 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 7.16, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, к)
н3
∑
k
c
u(t)=U·cosφ(t), 0≤t≤T.
н1
н3
Низкочастотные напряжения u(t) и u(t) с выхода фильтра 7.9 нижних частот и фазоинвертора 7.16 поступают на второй вход перемножителей 7.6 и 7.11 соответственно, на выходе которых образуются гармонические напряжения:
01
1
пр
пр
1
пр
k
пр
0
пр
пр
u(t)=Ucos(ωt+φ)+Ucos[ωt+2φ(t)+φ]=U·cos(ωt+φ),
03
1
пр
пр
1
пр
k
пр
0
пр
пр
u(t)=U·cos(ωt+φ)+U·cos[ωt+2φ(t)+φ]=U·cos(ωt+φ),
где
o
1
U=2U.
01
03
Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 7.8 и 7.13 соответственно. Напряжение u(t) (фиг.3, д) с выхода узкополосного фильтра 7.8 подается на второй вход перемножителя 7.7. Напряжение u(1) выделяется узкополосным фильтром 7.13 и поступает на вход фазоинвертора 7.15, на выходе которого образуется напряжение (фиг.3ж)
02
0
пр
пр
u(t)=-U·cos(ωt+φ),
которое подается на второй вход перемножителя 7.12.
Перемножители 7.6 и 7.7 (7.11 и 7.12), узкополосный фильтр 7.8(7.13) и фильтр 7.9(7.14) образуют универсальные демодуляторы Фмн-сигналов. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.
Известные устройства, обеспечивающие выделение опорного напряжения непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, например, схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина С.А. (Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г. Зюко. - М.: изд. Связь, 1975, С.354-356, рис.14. 19-14.20).
Однако этим устройствам присуще явление "обратной работы", которое снижает помехоустойчивость и достоверность синхронного детектирования сложных ФМн-сигналов.
Предлагаемые универсальные демодуляторы сложных ФМн-сигналов свободны от явления "обратной работы".
Ослабление узкополосных помех осуществляется двумя универсальными демодуляторами, указанными выше. За счет фазоинверторов 7.15 и 7.16 выходные напряжения демодуляторов оказываются взаимно противоположной полярности. В результате этого взаимно инверсные выходные напряжения демодуляторов складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.
Эффективность предлагаемой системы можно оценить, сравнив резерв времени между цунамигенным процессом и приходом разрушительной волны к побережью. Так, на расстояниях порядка 1000 км от эпицентра время движения волны цунами порядка 100 мин, сейсмического возмущения ~5 мин, звукового возмущения по подводному кабелю ~10 мин и по атмосферному каналу ~50 мин, что достаточно для обеспечения мер по безопасности живой силы и техники.
Система позволяет повысить достоверность прогноза за счет получения информации о начальном смещении поверхности океана.
Для передачи тревожной информации на пункт контроля используются сложные сигналы с фазовой манипуляцией. Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи тревожных дискретных сообщений от микробарографов, расположенных в виде разветвленной системы вдоль береговой линии, на пункт контроля. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сложные ФМн-сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, чтобы в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией на пункте контроля. Это достигается путем ослабления узкополосных помех и повышения отношения сигнал/шум на выходе блока вычитания с помощью двух универсальных демодуляторов, инверсные выходные напряжения которых складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.