Многочастотный эхолот-профилограф

Полезная модель относится к устройствам активной локации с режимом параметрического излучения и может быть использована для получения информации при профилировании донных осадков, что позволит получить новый объем первичных данных о строении морского дна за счет обработки амплитудных и фазовых признаков эхосигналов.
Уровень техники
Полезная модель может быть применена для решения задач определения как точного рельефа, так и структуры морского дна, стратификации донных осадков, поиске заиленных объектов, измерении частотных и угловых зависимостей коэффициентов отражения и рассеяния в широком диапазоне частот и т.д., что обусловлено использованием в качестве источника зондирующих сигналов излучающей параметрической антенны (ПА). Однако следует отметить, что для решения указанных выше задач в приемном тракте профилографов до настоящего времени осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, имеющихся в гидроакустическом канале, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать фазовые  признаки эхосигналов.
Следует учитывать, что дно водоема в общем случае представляет собой участки как осадков (наносов), так и выходов коренных пород, каждый из которых обладает различной отражательной способностью так по амплитудным, так и фазовым параметрам. Так, отдельные участки дна водоемов, например, в озерах и водохранилищах внутренней транспортной системы, содержат различные концентрации органических веществ, разложение которых с образованием газов обусловливает «индивидуальное» распределение пузырьковых областей, накапливающихся внутри данных участков наносов, в отличие от выходов коренных пород, обладающих стабильностью данного параметра. Таким образом, донные поверхности как выходов породы, так и наносов обладают разными акустическими свойствами, что обусловливает различие как амплитудных, так и фазовых признаков эхосигналов от них. Так как обычно верхний слой дна природных водных водоемов образуют глины, которые могут быть в разной степени как водо-, так и газонасыщенными, то при эхолотировании существенно соотношение акустических сопротивлений донной поверхности и водной среды. Так, если в первом случае от слоя наносов практически отсутствует эхосигнал (акустические сопротивления практически одинаковы), то во втором – эхосигнал достаточно велик (акустические сопротивления значительно отличаются). Однако, во втором случае отличить газонасыщенную область наносов от области выхода коренных пород можно за счет дополнительной обработки фазовых признаков эхосигналов от них.
Известна система звуковой локации (пат. США № 3763463, МКИ G 01 S 9/6, опубл. 1973, О.Б. № 43), содержащая излучающий тракт - два генератора электрических сигналов с частотами, соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор с обратимым электроакустическим преобразователем излучающей параметрической антенны ПА, который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными электроакустическими преобразователями, являющимися первыми блоками двух приемных трактов. Низкочастотный (НЧ) приемный тракт содержит электроакустический преобразователь для приема сигналов разностной частоты  соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора, а высокочастотный (ВЧ) приемный тракт – обратимый электроакустический преобразователь излучающей ПА, находящийся в режиме ожидания эхосигналов с частотой, соединенный через последовательно включенные коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, детектор со вторым входом индикатора; управляющий вход, которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
Недостатками аналога являются невысокая угловая разрешающая способность и помехозащищенность при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта в условиях мелководья, кроме того, осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать и их фазовые признаки.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь излучающей параметрической антенны, приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты, два полосовых фильтра, два усилителя, два детектора, индикатор.
Известен параметрический эхо-импульсный локатор (пат. РФ № 2133047 МКИ 6 G01S 15/60, опубл. 10.07.1999, Бюл №19), содержащий излучающий тракт – два генератора, соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с электроакустическим преобразователем излучающей ПА, который акустически связан через отражающий ультразвук объект и нелинейную среду лоцирования, с двумя приемными электроакустическими преобразователями, являющимися первыми блоками двух приемных трактов. Низкочастотный (НЧ) приемный тракт содержит приемный электроакустический преобразователь для эхосигналов разностной частоты соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора, а высокочастотный (ВЧ) приемный тракт – приемный преобразователь акустических сигналов суммарной частоты , вторых гармоник  накачки, соединенный через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров, усилителей, детекторов с тремя входами перемножителя, выход которого соединен со вторым входом индикатора, третий управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
Недостатками аналога являются невысокая угловая разрешающая способность и помехозащищенность при вертикальном зондировании как дна водоемов, так и толщи донного грунта на рабочих сигналах разностной частоты в условиях мелководья, кроме того, осуществляется обработка только амплитудных признаков эхосигналов различных частот, в то время как для получения более полного объема первичных данных как о строении морского дна, так и достоверной классификации слоев донных осадков необходимо дополнительно использовать и их фазовые  признаки.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, делители частоты, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь излучающей параметрической антенны, второй электроакустический преобразователь, коммутатор фазовый детектор, три полосовых фильтра, четыре усилителя, три амплитудных детектора, перемножитель, индикатор.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является  параметрический эхо-импульсный локатор (а.с. 1436656 СССР МКИ G01S 15/08, опубл. 27.12.1999; Бюл.36),  содержащий  генератор, соединенный через последовательно включенные  делителей частоты, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор с первым электроакустическим преобразователем,  излучающей параметрической антенной (ПА) и вторым акустическим преобразователем, последние акустически связаны через нелинейную среду лоцирования как друг с другом, так и с поверхностью дна, имеющей слоистую структуру донных осадков, низкочастотный (НЧ) приемный тракт для эхосигналов разностных частот содержит приемную параметрическую антенну, включающую первый и второй электроакустические преобразователи, из которых первый электроакустический преобразователь соединен через последовательно включенные коммутатор, усилитель, фазовый детектор, усилитель низкой частоты со входами трех параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров и амплитудных детекторов, выходы последних соединены с тремя входами перемножителя, выход которого соединен с первым сигнальным входом индикатора, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
Недостатком ближайшего аналога является возможность регистрации только амплитудных информативных параметров эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности и границ слоев осадков на трассе движения судна, в то время как для получения более полного объема первичных данных необходимо дополнительно использовать фазовые признаки эхосигналов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, делители частоты, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, первый электроакустический преобразователь излучающей параметрической антенны, второй электроакустический преобразователь, коммутатор, фазовый детектор, три полосовых фильтра, четыре усилителя, три амплитудных детектора, перемножитель, индикатор.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей устройства, заключающееся в достоверном различении облучаемых участков как донной поверхности, так и слоев донного грунта на трассе движения судна.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности регистрации акустического сопротивления границ раздела сред за счет обработки фазовых признаков эхосигналов различных частот.
Технический результат достигается тем, что в известный многочастотный эхолот-профилограф, содержащий генератор, выход которого соединен с входом хронизатора-модулятора и входом второго акустического преобразователя, и через параллельно включенные  делителей частоты с ()  входами хронизатора-модулятора, первый выход которого через усилитель мощности и коммутатор соединен с первым электроакустическим преобразователем, при этом выход коммутатора соединен через усилитель,  фазовый детектор, усилитель низкой частоты с входами () параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров и амплитудных детекторов, выходы которых соединены с () входами перемножителя, выход которого подключен к первому сигнальному  входу индикатора, управляющий вход которого соединен с вторым  выходом хронизатора-модулятора, дополнительно введены () параллельно включенных  цепочек из последовательно соединенных стробируемых усилителей-ограничителей, управляющие входы которых соединены со третьим   выходом хронизатора-модулятора, и умножителей частоты, при этом входы () цепочек соединены с выходами полосовых фильтров, а выходы умножителей частоты попарно соединены с двумя входами каждого из двух сумматоров, выходы которых подключены к  двум входам схемы совпадения, выход которой соединен с вторым сигнальным входом индикатора, а его третий сигнальный вход  соединен с выходом одного из сумматоров.
Заявляемая полезная модель может быть применена для решения задач определения как точного рельефа, так и структуры морского дна, поиска заиленных объектов и т.д. Следует отметить, что для решения указанных выше задач в приемном тракте аналогичных устройств до настоящего времени осуществлялась обработка только амплитудных признаков эхосигналов, имеющихся в гидроакустическом канале, в то время как для получения более полного объема первичных данных, в частности, о строении морского дна и акустическом сопротивлении слоев донных осадков в заявляемой полезной модели введен дополнительный тракт обработки фазовых  признаков эхосигналов.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительный тракт для обработки фазовых признаков эхосигналов, что расширяет эксплуатационные возможности многочастотного эхолота-профилографа за счет регистрации такого информативного параметра как акустическое сопротивление обнаруженных границ раздела как дна, так и слоев донных осадков.
На Фиг.1 показана структурная схема многочастотного эхолота-профилографа
На Фиг. 2 показаны спектры сигналов в схеме многочастотного эхолота-профилографа
На Фиг. 3 показаны расчетные характеристики направленности приемных параметрических антенн для одночастотной приемно-излучающей системы и многочастотного эхолота-профилографа.
Многочастотный эхолот-профилограф (фиг.1) содержит генератор 1, соединенный как через параллельно включенные  делителей частоты 6,..7 (≥2), так и напрямую с () входами хронизатора-модулятора 5, первый выход которого через усилитель мощности 8 и коммутатор 9 соединен с первым электроакустическим преобразователям 4, также выход генератора 1 напрямую соединен с входом второго акустического преобразователя 3, первый электроакустический преобразователь 4 соединен через последовательно включенные коммутатор 9, усилитель 10, фазовый детектор 2, усилитель низкой частоты 11 со входами () параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 12, 13, …, 14 и амплитудных детекторов 15, 16, …, 17, выходы которых соединены с () входами перемножителя 18, выход которого соединен с первым сигнальным входом индикатора 19, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5, а также двухканальный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов, который содержит () параллельно включенных  цепочек из последовательно соединенных стробируемых усилителей-ограничителей 20, 21, …, 22, управляющие входы которых соединены со вторым дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5, и умножителей частоты 23, 24, …, 25, входы () цепочек соединены с выходами полосовых фильтров 12, 13, .., 14, а выходы умножителей частоты  23, 24, …, 25 попарно соединены с двумя входами каждого из двух сумматоров 26, 27, выходы которых соединены с двумя входами схемы совпадения 28, выход которой соединен со вторым сигнальным входом индикатора 19, третий сигнальный вход индикатора 19 соединен с выходом  сумматора 26.
Многочастотный эхолот-профилограф (фиг.1,2) функционирует следующим образом. Генератор 1 синусоидальных колебаний вырабатывает электрический сигнал  с частотой , поступающий на первый вход хронизатора-модулятора 5 и входы  делителей частоты 6, …, 7  с коэффициентами деления , …,  (величины каждого из которых больше 1, но меньше 2, например, 7/6, 8/6, …, 12/11, 13/11, 14/11, 15/11, … и т.д.), а также на вход второго акустического преобразователя 3. С выходов  делителей частоты 6, …, 7электрические гармонические сигналы , …,  с частотами , …,  подаются на  дополнительных входов хронизатора-модулятора 5. Для сокращения объема описания полезной модели ниже будем рассматривать функционирование «трехчастотной» (=2) модификации устройства. В данном случае на выходе хронизатора-модулятора 5 сформирован радиоимпульс , высокочастотное заполнение которого представляет сумму электрических сигналов (), т.е.
0
Периодичность повторения  импульсов посылки определяется максимальной дальностью лоцирования , а длительность  радиоимпульса – требуемой величиной разрешающей способности по дальности  ( – скорость распространения звука в среде лоцирования). Радиоимпульс  через усилитель мощности 8 и коммутатор 9 поступает на вход первого электроакустического преобразователя 4, полоса пропускания которого позволяет излучать в нелинейную водную среду акустический сигнал , состоящий из трех гармонических составляющих с частотами . При распространении в среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, происходит взаимодействие указанных высокочастотных составляющих, результатом которого является генерация «новых» фазосвязанных компонент спектра в области как высоких, так и низких частот, в частности, нескольких акустических волн разностных частот , ,…,, угловое распределение амплитуд звуковых давлений которых определяется произведением характеристики направленности (ХН) первого акустического преобразователя 4 для исходных волн накачки с частотами . Полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (), где - плотность среды, - скорость звука в ней, достигает границы раздела «вода-дно», а также расположенных как на донной поверхности, так и в дне объектов с акустическим сопротивлением [< - «акустически мягкая» газонасыщенная полость в отложениях, > - «акустически жесткий» выход плотных коренных пород] и отражается от них. В результате динамической реакции донной поверхности на воздействие упругой волны происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне и при соответствующей регистрации фазовых сдвигов оператор устройства будет иметь возможность различать акустическое сопротивление данного участка границы раздела. Если акустическое сопротивление объекта  больше акустического сопротивления среды , то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же < , то при отражении они изменяют фазу на 180(см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд.МГУ, М.,1960,с.35-45). Отраженные ультразвуковые волны несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить об их как отражательной способности, так и акустическом сопротивлении, а также о их глубине нахождения. Таким образом, при движении судна-носителя многочастотного эхолота-профилографа со скоростью  на различных низкочастотных спектральных компонентах отраженного полигармонического сигнала можно фиксировать с необходимой тангенциальной разрешающей способностью детали распределений во времени как подробных изменений глубин как водоема, так и залегания слоев донных отложений (тракт обработки амплитудных признаков эхосигналов), а также изменений акустического сопротивления облучаемых участков дна относительно водной среды (двухканальный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов), находящихся на маршруте следования.
Отраженные ультразвуковые волны, распространяясь обратно, достигают (сигнал ) участка водной среды длиной  между акустическим преобразователем 4, находящимся в режиме приема, и вторым преобразователем 3 (фиг.1, 2), излучающим в сторону преобразователя 4 вспомогательную волну накачки  с частотой . При совместном распространении в пределах базы  происходит фазовая модуляция акустического сигнала накачки  отраженным от объекта многокомпонентным сигналом  (см. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. – Акуст.ж. АН СССР, 1970, т. 16, вып. 2, с. 245-251). Промодулированный акустический сигнал  достигает первого электроакустического преобразователя 4, преобразуется им в соответствующий электрический сигнал, который через коммутатор 9, усилитель 10 поступает на первый вход фазового детектора 2, второй вход которого соединен с выходом генератора 1. С выхода фазового детектора 2 электрический сигнал , идентичный акустическому эхоимпульсу , через усилитель низкой частоты () поступает на входы () параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосового фильтра (12, 13, …, 14) и амплитудного детектора (15, 16, …, 17). На выходах полосовых фильтров 12, 13, 14 выделяются электрические сигналы:  с частотами  соответственно, амплитуды которых зависят от угла  между волновыми векторами регистрируемых волн разностных частот и накачки  описываются соотношениями:
, где
- амплитуды звуковых давлений взаимодействующих волн;
- разностные частоты взаимодействующих волн;
- исходная частота;
- расстояние между преобразователями 3 и 4 (база параметрического приема);
- плотность воды и скорость распространения звука в ней.
С выходов детекторов 15, 16, …, 17 электрические сигналы  поступают на () входов перемножителя 18, с выхода которого результирующее напряжение  подается на первый сигнальный вход индикатора 19, управляющий вход которого соединен с первым дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5.
Оператор многочастотного эхолота-профилографа имеет возможность формирования практически однолепестковой ХН параметрической приемной антенны за счет подбора значений коэффициентов деления  и  частоты сигнала  при фиксированной базе  параметрического приема, что увеличивает величину отношения сигнал/шум на входе усилителя 10 примерно в  раз.
На фиг.3 представлены расчетные ХН приемных параметрических антенн для одночастотной приемно-излучающей системы (, ;  дБ) и трехчастотной модификации  эхолота-профилографа (, ;  дБ).
В расчетах использовались следующие численные значения:  =2,  частота генератора  кГц, длина базы приема  м, коэффициенты деления  и  ( кГц,  кГц,  кГц,  кГц,  кГц). Для рассмотренного примера тангенциальная разрешающая способность повышена в 1,2 раза, а увеличение отношения сигнал/шум на входе усилителя 10 составляет , что повышает дальность лоцирования и помехоустойчивость в 1,15 и 2,9 раз соответственно при одинаковых мощностях излучения обоих устройств.
Физический принцип работоспособности как первого, так и второго каналов тракта обработки фазовых признаков эхосигналов многочастотного эхолота-профилографа, основан на применении следующего способа получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) границы раздела, реализуемого с использованием двух когерентных гармонических акустических сигналов  и  кратных частот  и , отличающихся по частоте в целое число раз  или , с помощью которых эхолотная система облучает поверхность. Ниже рассмотрим случай для =2 и =.
Пусть в среду лоцирования антенной эхолотной системы излучаются два акустических сигнала
, где:
,  - начальные фазы и циклические частоты для соответствующих акустических сигналов. Если отражающая поверхность находится на удалении , то через время  к приемной антенне (без учета затухания и расширения фронта волны) придут эхосигналы
, где:
,  - волновые числа для соответствующих сигналов с частотами  и ;
- скорость звука в воде;
и - величины модулей коэффициентов отражения и приобретаемого фазового сдвига для звукового давления акустических сигналов при отражении от облучаемой поверхности.
После обработки в приемных трактах локационного устройства фазосвязанных эхосигналов  и  (фильтрация, усиление, приведение к одной частоте, фазовое детектирование) можно получить информацию о фазовой характеристике отражающей поверхности цели, определяя фазу одного из эхосигналов путем сравнения с другим эхосигналом, используемым в качестве опорного, поскольку разность фаз приобретенных при отражении фазовых сдвигов не зависит ни от времени  распространения сигналов, ни от расстояния  до отражающего объекта, а определяется только соотношением акустических сопротивлений поверхности объекта и среды лоцирования (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П.  Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (часть 2). – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство ЮФУ, 2018. – С.68 - 96).
При облучении акустически «жестких» объектов (выход плотных коренных пород, каменистое дно в море, граница раздела «вода-лед») акустическое сопротивление  которого больше, чем акустическое сопротивление среды распространения , отражение акустических сигналов  и  кратных частот происходит без фазового сдвига на  радиан, т.е. и . В случае отражения от акустически «мягких» объектов (насыщенный пузырьками газа верхний слой речного грунта, граница раздела «вода-воздух») акустическое сопротивление  которых меньше, чем акустическое сопротивление среды распространения , отражение акустических сигналов  и  кратных частот происходит с фазовым сдвигом на  радиан, т.е.  и .
В соответствии с вышеизложенным в предлагаемом многочастотном эхолоте-профилографе двухканальный тракт обработки фазовых признаков эхосигналов вырабатывает информацию об акустической «мягкости» или «жесткости» объекта лоцирования. Каждый из двух его каналов функционирует следующим образом. С выходов ()  полосовых фильтров 12, 13, … , 14 (фиг.1) электрические сигналы:  поступают на входы () стробируемых усилителей-ограничителей 20, 21, …, 22, управляющие входы которых соединены со вторым дополнительным выходом хронизатора-модулятора 5, на выходах стробируемых усилителей-ограничителей 20, 21, …, 22 появляются «вырезанные» электрические сигналы  с одинаковыми амплитудами, но разными частотами , , , причем стробирование позволяет оператору «вырезать» необходимую часть эхосигнала, соответствующую конкретной границе раздела слоистой структуры донных отложений. Рассмотрим работу первого канала тракта обработки фазовых признаков эхосигналов. Электрический сигнал  после умножения по частоте (блок 23, коэффициент умножения ) преобразуется в сигнал  с частотой  и поступает на второй вход сумматора 26, на первый вход которого после умножения по частоте (блок 24, коэффициент умножения ) подан электрический сигнал  с частотой , причем, при поступлении синфазных сигналов  сумматор 26 вырабатывает синфазный с ними электрический сигнал , а при поступлении противофазных сигналов  – сигнал  будет отсутствовать. Выход сумматора 26 соединен как с первым входом схемы совпадения 28, так и с третьим  сигнальным входом индикатора 19. Аналогичным образом функционирует и второй канал фазового приемного тракта – электрический сигнал  после умножения по частоте (блок 24, коэффициент умножения ) преобразуется в сигнал  и поступает на второй вход  сумматора 27, на первый вход которого после умножения по частоте (блок 25, коэффициент умножения ) подан электрический сигнал  с частотой , причем, при поступлении синфазных сигналов  сумматор 27 вырабатывает синфазный с ними электрический сигнал , а при поступлении противофазных сигналов  – сигнал  будет отсутствовать. Выходы сумматоров 26 и 27 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 28 соответственно, которая является объединительной ступенью двух каналов фазового приемного тракта. Выход схемы совпадения 28 соединен со вторым сигнальным входом индикатора 19, на который поступает результирующий сигнал  только в том случае, если обнаруженный объект является акустически «жестким» (, выход плотных коренных пород). Это обусловлено тем, что электрические сигналы , ,  имеют одинаковые амплитуды и синфазны попарно, что и обеспечит наличие сигналов ,  одновременно на двух входах схемы совпадения 28, только в этом случае вырабатывающей информативный сигнал  (положительной полярности), поступающий на второй сигнальный вход индикатора 19. Если обнаруженный объект является акустически «мягким» (, газонасыщенная полость в отложениях), то электрические сигналы , ,  имеют одинаковые амплитуды и противофазны попарно, что и обеспечит отсутствие сигналов ,  одновременно на двух входах схемы совпадения 28 и отсутствие информативного сигнала  на  втором сигнальном входе индикатора 19.
Следует отметить, что использование трех спектральных компонент – сформированных в водной среде фазосвязанных сигналов разностных частот , ,  в данном устройстве обеспечивает получение более полного объема первичных данных, в частности, о строении морского дна и акустическом сопротивлении слоев донных осадков. Таким образом, эксплуатационные возможности устройства активной локации с режимом параметрического излучения расширены в связи с тем, что в приемном тракте имеется возможность обработки информативных как амплитудных, так и фазовых признаков эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности и границ слоев осадков на трассе движения судна.