МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для гидроакустических исследований.
Известен стационарный измерительный гидроакустический комплекс (RU 2300479 С2, 08.08.2005), содержащий носитель аппаратуры в виде буя положительной плавучести с расположенными на нем и внутри него гидроакустическими измерительными преобразователями (широкополосным гидрофоном и датчиком гидростатического давления) и аппаратурой преобразования измерительной информации.
Однако комплекс не позволяет измерить векторные характеристики подводного акустического окружающего шума.
В качестве прототипа нами выбрана многоканальная гидроакустическая система, способная определять направление на подводный шумящий объект (п.США №7184670). Система состоит из массива n-акустических датчиков, телеметрического блока и системы сбора, обработки и хранения информации. Информация с каждого из n-акустических датчиков поступает сначала в соответствующий n-телеметрический блок, который содержит множество компонентов, таких как схему усиления, аналого-цифровую преобразующую схему и схему мультиплексирования. Каждый n-телеметрический блок генерирует цифровые значения полученной акустической информации от соответствующего n-акустического датчика, преобразует цифровые значения в оптические импульсы, которые передаются n-оптическим излучателем по оптоволоконному кабелю на бортовой оптический n-ресивер, а затем в систему сбора и отображения информации.
Недостатком данной системы является сложность ее построения в виде массивов n-акустических датчиков, что требует большого количества промежуточных оптических преобразователей, излучателей и приемников. Недостатком также является ограниченность расстояния, на которое передается полученная информация.
Задачей полезной модели поставлено упрощение конструкции гидроакустической системы и увеличение дальности передачи полученной информации.
Поставленная задача решается многоканальным гидроакустическим комплексом, включающим n-акустических комбинированных приемников, образующих гидроакустическую антенну и состоящих из гидрофона, векторного приемника и блоков усилителей, телеметрический блок, включающий аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, сигнал с которого поступает в систему сбора, отображения и обработки информации, дополнительно снабженную программным модулем для формирования диаграммы направленности в режиме реального времени и устройством доступа к цифровым сетям передачи данных.
Предлагаемое конструктивное решение за счет использования вместо массива n-акустических датчиков, n-акустических комбинированных приемников, образующих гидроакустическую антенну, приводит к значительному упрощению всего гидроакустического комплекса, позволяя за счет использования цифрового электронного мультиплексора, объединяющего информацию от всех n-комбинированных приемников гидроакустической антенны в один цифровой поток, использовать только один оптический излучатель и один оптический ресивер, а введение устройства доступа к цифровым каналам связи обеспечивает возможность работы с гидроакустической информацией в режиме реального времени независимо от места нахождения оконечных терминалов.
В зависимости от амплитудно-частотных характеристик и характеристик направленности гидрофонов и векторных приемников, используемых в массиве приемников гидроакустической антенны заявляемый комплекс позволяет исследовать векторные характеристики подводного гидроакустического шума в широком диапазоне частот от 1 до 1500 Гц.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого комплекса, где I - гидроакустическая антенна, состоящая из n-акустических приемников, каждый из которых включает 1 - гидрофон, 2 - блок усилителя, 3 - векторный приемник; II - телеметрический блок, III - блок системы сбора, отображения, обработки и передачи информации, включающий программный модуль формирования диаграммы направленности (на фиг. не показан) и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных.
На фиг.2 представлена общая схема многоканального гидроакустического комплекса, где I - гидроакустическая антенна; ДН - делитель напряжения, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, MUX - цифровой электронный мультиплексор,
модулятор, оптический излучатель, оптический ресивер, система сбора, отображения, обработки и передачи информации, включающая программный модуль для формирования диаграммы направленности в режиме реального времени и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных.
На фиг.3 изображена схема, поясняющая принцип работы формирователя диаграммы направленности.
Гидроакустическая антенна I состоит из n-комбинированных приемников, каждый из которых представляет собой измерительное устройство, состоящее из преобразователя нулевого порядка - гидрофона 1 (скалярного приемника) и векторного приемника 3, состоящего из трех ортогональных преобразователей первого порядка. Комбинированный приемник измеряет одновременно в одной точке акустического поля четыре физические величины: акустическое давление p(t) и три ортогональные компоненты вектора колебательной скорости  или, градиента давления  Гидроакустическая информация  обрабатывается с каждого из преобразователей независимо или совместно.
Многоканальный гидроакустический комплекс работает следующим образом. Акустический сигнал, принятый антенной I, преобразуется в электрические импульсы, которые поступают на делитель напряжения (ДН) для обеспечения работы АЦП и защиты от перегрузок, с которого в виде цифровых импульсов поступает на электронный мультиплексор MUX и после объединения множества цифровых потоков в один, полученный поток цифровых импульсов, пройдя через модулятор, поступает на оптический излучатель, преобразующий электрический сигнал в оптический и затем по оптической линии связи поступает через оптический ресивер в цифровую систему сбора, отображения и обработки информации, включающую программный модуль формирования диаграммы направленности в режиме реального времени, и затем по цифровым сетям передачи данных, подсоединенным через устройство доступа, передается пользователю.
Делитель напряжения (ДН) в телеметрической системе обеспечивает как необходимую амплитуду входного напряжения для работы АЦП, так и является элементом устройства автоматической защиты от перегрузок по напряжению.
Оцифровка входного аналогового сигнала осуществляется в микросхеме АЦП, которая преобразует аналоговый сигнал в выходной код, вид которого определяется программно, подачей двухбитного кода на входы микросхемы АЦП. Выходной код, поступает на порт контроллера ввода-вывода запрограммированного на ввод, а затем в
зависимости от программы либо в ОЗУ, используемого в данной схеме программируемого контроллера, либо через порт, запрограммированного на выход, выводится на процессор, используемый в схеме мультиплексирования.
В качестве мультиплексора используют, например, RISC процессор и запоминающее устройство (ЗУ). АЦП записывает информацию в память, которую затем процессор группирует в слова данных согласно разработанному формату. Каждое слово данных содержит идентификатор канала, стартовый и стоповый бит, биты синхронизации, а также контрольную сумму для выявления ошибок.
В качестве схемы коммутации используется коммутация с временным разделением каналов (ВРК), работа которых строится на базе цифровых ЗУ. Работа схемы временной коммутации сводится, главным образом, к записи информации и считыванию ее из ЗУ. В процессе коммутации информация, поступающая по одному временному каналу, передается к другому. Цифровые сигналы группируются в единые форматы слов ВРК.
0
Фиг.3 поясняет принцип расчета временной задержки для каждого канала. На рисунке показана разность хода лучей s от крайних приемников 6 одного из каналов (к примеру Vх) антенны I, состоящей из n приемников, до точки наблюдения, находящейся в направлении, определяемым углом α`. Цифрой 7 обозначена программная линия задержки. Введя между сигналами от крайних приемников задержку τ=s/c, где с - скорость звука в воде, и задержку
0
Δτ=τ/(n-1)=(d sinα`)/c,
0
0
между сигналами любых двух соседних приемников, можно обеспечить компенсацию антенны в направлении α=α`.
Вращение горизонтальных каналов х, у относительно оси излучения осуществляется путем математической обработки в режиме реального времени по формулам:
x(n)
x(n)
0
y(n)
0
u`=ucosφ+usinφ,
y(n)
x(n)
0
y(n)
0
u`=-usinφ+ucosφ,
x(n)
x(n)
x(n)
y(n)
0
где u, u - цифровые сигналы с каналов х, у комбинированных приемников, и u`, u` - цифровые сигналы с каналов х, у повернутые на угол φ относительно оси излучения.
На основе цифровых значений полученных от мультиплексора модулятор модулирует оптические импульсы, генерируемые оптическим излучателем. Смодулированный поток оптических импульсов передается по оптоволоконному кабелю на оптический ресивер. На основе этого потока оптический ресивер генерирует
электрические сигналы, соответствующие цифровым сигналам, переданным мультиплексором.
Система III сбора, отображения, обработки и передачи информации восстанавливает исходный цифровой сигнал, полученный от каждого комбинированного приемника, входящего в состав гидроакустической антенны, разделяет его по р, Vx, Vy, Vz каналам, сохраняет, отображает и обрабатывает его на основе исследовательских алгоритмов. За счет оборудования системы III устройством доступа к цифровым сетям передачи данных, получаемая гидроакустическая информация может быть передана на удаленные терминалы в режиме реального времени с использованием, например, сети Интернет, как изображено на фиг.2, что дает возможность использовать информацию, поступающую с многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса в режиме реального времени, независимо от места расположения удаленного терминала.
Программный модуль формирования диаграммы направленности позволяет определять направление на источник шума.
Таким образом, заявляемый многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс, включающий гидроакустическую антенну, состоящую из т комбинированных приемников, каждый из которых измеряет четыре акустических параметра (р, Vx, Vy, Vz), позволяет управлять диаграммой направленности программно путем математической обработки в режиме реального времени. Использование цифрового электронного мультиплексора позволило значительно упростить телеметрическую систему комплекса, а оборудование комплекса устройством доступа к цифровым сетям передачи данных позволило значительно увеличить дальность передачи полученной информации