СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR PARAMETRIC RECEPTION OF WAVES OF DIFFERENT PHYSICAL NATURE IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах контроля дальнего действия, например, для комплексного мониторинга гидрофизических полей среды различной физической природы, формируемых естественными и искусственными источниками, движущимися объектами и гидродинамическими возмущениями в диапазоне низких, инфранизких и дробных частот.
Известен способ параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающий формирование вблизи приемника рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных сигналов посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе способа заложена закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика, Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).
Основными недостатками этого технического решения являются низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема, а также низкая эффективность измерения информационных волн различной физической природы в звуковом и практическая невозможность приема волн в инфразвуковом и дробном диапазонах частот.
Известен также способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.).
Известное решение является способом приема упругой волны в морской воде, при этом зона параметрического приема (параметрическая антенна) формируется в ближней зоне приемника. При этом модуляционные возмущения используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне параметрического приема. При этом, изменение параметра нелинейности среды за счет непосредственного воздействия измеряемых волн в расчет не принимается.
Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкие чувствительность и помехоустойчивость приема и, как следствие, ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот. Эти недостатки обусловлены низким коэффициентом их нелинейного преобразования в рабочей зоне среды, а также наличием интенсивных помех в инфразвуковом и дробном диапазонах частот.
Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит так называемый нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды E=3,1 при температуре 0°C; 3,5 - при 20°C; 3,7 - при 40°C. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°C величина Е равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными, в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Кроме того, в условиях протяженного гидроакустического канала распространения волн неизбежно формируются интенсивные помехи среды инфразвукового диапазона частот, которые излучаются естественными источниками морской среды, а также развитым судоходством, что также ограничивает возможности дальнего измерения информационных волн.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в увеличении дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот в условиях интенсивных инфранизкочастотных помех.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении общего эффекта нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн в объеме протяженной рабочей зоны контролируемой среды, что обеспечивает увеличение масштаба дальности, а также помехоустойчивости параметрического приема информационных волн различной физической природы (до сотен километров) и расширение нижней границы их частотного диапазона до единиц-долей Герца. Это достигается увеличением объема рабочей зоны пространственной параметрической системы контроля среды до десятков-сотен километров (т.е. формированием протяженной пространственной параметрической антенны соответствующей длины). Обеспечивается подавление некоррелированных помех среды с сохранением фазовых характеристик регулярных просветных сигналов. Причем, рассматриваемый метод подавления помех среды относительно известных аппаратурных является эффективным и легко реализуемым.
Для решения поставленной задачи способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в среде рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами, отличается тем, что излучающую и приемную антенны измерительной системы размещают на противоположных границах контролируемого участка морской среды, формируют между ними зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами, посредством излучения в нее низкочастотного акустического излучения, при этом, волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, принимают, по меньшей мере, двумя пространственно разнесенными в горизонтальной плоскости ненаправленными приемниками, усиливают их в полосе от ноля до суммарной частоты волн накачки и информационных сигналов и переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, измеряют сигналы разности фаз пространственно-разнесенных приемников, проводят их узкополосный спектральный анализ и выделяют параметрические составляющие суммарной или разностной частоты, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки восстанавливают исходные характеристики измеряемых информационных сигналов. Кроме того, контролируемую среду прозвучивают широкополосными низкочастотными акустическими сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией. Кроме того, волны накачки формируют акустическими сигналами с частотой в диапазоне десятки-сотни Герц.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «излучающую и приемную антенны измерительной системы размещают на противоположных границах контролируемого участка морской среды» и признаки, указывающие, что между излучающей и приемной антеннами измерительной системы формируют «зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами», обеспечивают возможность формирования параметрической антенны, протяженность которой соответствует протяженности контролируемого участка.
Признаки, указывающие, что зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами формируют «посредством излучения в нее низкочастотного акустического излучения», обеспечивают повышение дальности (протяженности) зоны прозвучивания морской среды, поскольку такое излучение является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами.
Признаки, указывающие, что «волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами принимают», обеспечивают возможность последующего решения задачи дальнего измерения характеристик информационных сигналов по закономерностям их амплитудно-фазовой модуляции.
Признак, указывающий, что прием волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами «по меньшей мере, двумя пространственно разнесенными в горизонтальной плоскости ненаправленными приемниками», обеспечивает в дальнейшем возможность подавления интенсивных инфранизкочастотных помех среды, как случайных процессов.
Признак, указывающий, что волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, усиливают «в полосе от ноля до суммарной частоты волн накачки и информационных сигналов», обеспечивает подавление интенсивных инфранизкочастотных помех среды, как случайных процессов и, тем самым, обеспечивает повышение точности и достоверности информации, получаемой при обработке принятых информационных сигналов.
Признаки, указывающие, что частотно-временной масштаб волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами, «переносят в высокочастотную область», обеспечивают возможность эффективного выделения параметрических составляющих инфразвукового и дробного диапазонов частот информационных волн с использованием существующих методов и средств спектрального анализа или специальных блоков цифровой обработки сигналов. Теоретические и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии даны в работе В.М.Черницер, Б.Г.Кадук «Преобразователи временного масштаба», М.: Сов. радио, 1972, с.3-16.
Признаки, указывающие, что «измеряют сигналы разности фаз пространственно-разнесенных приемников», обеспечивают непосредственно подавление случайных (не коррелированных) помех среды с сохранением фазовых характеристик регулярных сигналов накачки.
Признаки, указывающие, что «проводят узкополосный спектральный анализ (волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами), выделяют из них параметрические составляющие суммарной или разностной частоты», обеспечивают при использовании известных методов узкополосного спектрального анализа восстановление частоты исходных информационных сигналов.
Признаки, указывающие, что при использовании выявленных параметров частоты исходных информационных сигналов «с учетом временного и параметрического преобразования, волн накачки среды восстанавливают характеристики исходных информационных сигналов», обеспечивают возможность восстановления исходных информационных сигналов при использовании известных методов их обработки.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повышение информационных возможностей параметрической системы, которые достигаются при обработке сигналов. Например, за счет резонансных эффектов взаимодействующих волн, что, в свою очередь, позволяет судить о принадлежности информационных волн к вероятным источникам или объектам их формирования.
Признаки третьего пункта формулы изобретения конкретизируют частотный диапазон волн накачки, оптимальный для реализации заявленного способа.
Совокупность рассмотренных отличительных признаков (низкочастотная накачка всей протяженности контролируемой среды с формированием в ней протяженного пространственного объема зоны взаимодействия волн накачки и информационных сигналов) обеспечивает последующую реализацию задачи изобретения - «увеличение дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот». Необходимо при этом указать, что упомянутый частотный диапазон характерен для приема волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, а также гидродинамическими возмущениями среды на протяженных морских акваториях, порождаемых течениями, вихрями, сейсмическими и синоптическими явлениями.
Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). 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 и распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое обеспечивается воздействием на среду измеряемыми информационными сигналами.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема реальной системы контроля и мониторинга гидрофизических полей морских акваторий, обеспечивающей реализацию заявленного способа; на фиг.2 и 3 представлены спектрограммы разности фаз, измеренных на трассе протяженностью 20 км, причем на фиг.2 приведена спектрограмма сигналов разности фаз передаваемого по радиоканалу опорного и прошедшего через среду просветного сигналов 400 Гц (в этом случае помехи среды не компенсированы), а на фиг.3 показаны спектры сигналов разности фаз, принятых горизонтально разнесенными на 200 м одиночными приемниками донной антенны (в этом случае помехи среды скомпенсированы); на фиг.4 приведены спектры сигналов разности фаз, принятых горизонтально разнесенными на 5 км донными станциями просветной системы контроля среды (по обеим из них) - протяженность трассы составляла около 350 км, частота просветных сигналов - 407 Гц (измерялись низкочастотные и инфранизкочастотные электромагнитные излучения морского судна на частоте электропитания около 400 Гц); на фиг.5 приведены спектр и спектрограмма просветных сигналов на частоте 31,5 Гц, принятых горизонтально разнесенными на расстояние 10 км донными станциями (принимались информационные излучения движущегося морского судна, протяженность мелководной морской трассы составляла 25 км); на фиг.6 приведены спектрограмма и спектр волн накачки среды на частоте 2 кГц с использованием ЛЧМ модуляции, преобразованных гидродинамическими возмущениями среды подводным пловцом, многократно пересекающим барьерную линию (протяженность трассы составляла 1000 м, просветные сигналы принимались разнесенными на 50 м радиогидроакустическими буями).
Помехоустойчивый прием волн различной физической природы достигается путем выделения спектральных характеристик сигналов разности фаз с горизонтально разнесенных ненаправленных приемников системы контроля среды основано на подавлении некоррелированных случайных помех и устойчивых (коррелированных) сигналов накачки. Достигнутый результат эффективного подавления помех среды, в свою очередь, обеспечивает дополнительное увеличение дальности и измерение информационных волн в указанных диапазонах частот.
Очевидно, что и другие инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы.
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) 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 инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 м до 100-200 м. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 м.
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 промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения.
Спектр упругой (акустической) волны накачки изменяется, в нем появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие (за счет нелинейного взаимодействия). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов.
Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
,
где  - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
V - удельный объем.
s
p
t
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостями β=GV/Gβ, можно получить следующее выражение для фазовой скорости
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую среду.
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.
эм
(t)
зв
эм
Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C также будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты).
Испытания предлагаемого способа были проведены в два этапа. На первом этапе выполнены морские измерения, близкие к лабораторным, а на втором этапе проведены полномасштабные натурные испытания на просветных гидроакустических барьерных линиях (ГАБЛ) различной протяженности.
На первом этапе в условиях морской бухты была подтверждена эффективность параметрического приема электромагнитных волн с использованием акустической накачки морской среды, протяженность которой составляла около 200 м. Этими испытаниями реализована закономерность эффективного взаимодействия акустических и электромагнитных волн (волн различной физической природы) при их совместном распространении в проводящей морской среде. При этом была подтверждена основная (классическая) закономерность параметрического взаимодействия волн, а именно, интенсивность параметрического взаимодействия сигналов повышается с уменьшением разности частот взаимодействующих волн. Увеличиваются как уровень сформированных параметрических составляющих, так и количество их гармоник.
Натурные испытания предлагаемого способа были проведены на стационарных гидроакустических трассах протяженностью десятки-сотни км. Просветные гидроакустические сигналы стабилизированной частоты около 400 Гц излучались подводным маяком наведения (ПЗМ-400). В качестве приемной системы использовалась данная база с ненаправленным приемом. Излучающая и приемная базы посредством глубоководных кабелей соединялись с береговыми лабораториями. В качестве источника измерительных сигналов (в данном случае - электромагнитных волн) использовалось морское судно (электромагнитное поле корабля на частоте электропитания 400 Гц), которое, маневрируя, многократно пересекало контролируемую среду и модулировало акустические сигналы накачки среды.
Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный излучателем 2 для протяженных трасс, например, подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400, излучающим на частоте около 400 Гц, источник формирования излучения информационных сигналов (волн) 3, приемную антенну с пространственно разнесенными в горизонтальной плоскости ненаправленными приемниками 5, 6, в качестве которых могут быть использованы приемные радиогидроакустические буи. Приемники 5, 6 могут быть радиорелейно связаны с трактом приема, обработки и регистрации сигналов 4. При установке на судне или использовании на стационарных объектах приемные блоки 5, 6 и тракт приема 4 могут составлять единый аппаратный комплекс общей системы контроля среды.
В качестве источников информационных сигналов (волн) 3 могут быть использованы: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также другие известные источники формирования волн различной физической природы. Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 7 или иных сложных сигналов 8, тиристорный инвертор 9 и блок согласования его выхода с кабелем 10 и далее с излучателем 2 (см. фиг.1).
Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4 представляет собой электронную схему, содержащую широкополосный двухканальный усилитель 11 (с полосой от ноля до суммарной частоты волн накачки и информационных), вход которого связан с приемниками 5, 6, преобразователь временного масштаба волн 12, блок измерения сигналов разности фаз 13, блок узкополосного спектрального анализа 14 и функционально связанный с ним рекордер 15. Кроме того, на чертежах показана контролируемая морская среда 16 и области нелинейного взаимодействия волн накачки и измерительных сигналов (рабочие зоны) 17.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Излучатель 2 с пространственно разнесенными приемными блоками 5, 6 размещают так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области нелинейного взаимодействия волн накачки и измерительных сигналов. «Работа» источника информационных сигналов (волн) 3 приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности и/или температуры и/или теплоемкости и т.д., которые в зависимости от их физической сущности модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы контроля среды. Применение в системе контроля операций измерения сигналов разности фаз с пространственно разнесенных приемников и последующее выделение узкополосных спектров обеспечивает эффективное подавление некоррелированных случайных помех (метод пространственной фильтрации) и выделение регулярных сигналов накачки среды с последующим восстановлением (с учетом частотно-временного и параметрического преобразования волн накачки) характеристик исходных информационных сигналов различной физической природы.
Заявляемый способ обеспечивает дальний параметрический прием волн различной физической природы низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов и позволяет реализовать широкомасштабную гидроакустическую систему контроля и комплексного мониторинга гидрофизических полей различной физической природы в низкочастотном, инфранизкочастотном и дробном диапазонах в условиях интенсивных инфранизкочастотных помех протяженных морских акваторий.
Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц.
Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны взаимодействия волн, что обеспечивает также решение проблемы дальнего параметрического приема «измерительных сигналов (волн) малых амплитуд».
Повышенная помехоустойчивость заявляемого низкочастотного параметрического способа дальнего измерения информационных волн достигается применением в системе контроля пространственно разнесенного приема волн накачки, преобразования их временного масштаба в высокочастотную область и последующего спектрального анализа.
Приведенными результатами натурных экспериментов подтверждены основные положения и отличительные признаки заявляемого изобретения, которые заключаются в следующем.
Решена задача дальнего и сверхдальнего параметрического приема и измерения характеристик информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов. Дальность параметрического приема волн и протяженность активно-пассивной (просветной) системы контроля среды составляла десятки-сотни километров, что подтверждает решение поставленной задачи изобретения, поскольку масштаб дальности параметрического приема волн достиг сотен километров, по сравнению с существующими дальностями, составляющими сотни метров - единицы километров.
Прозвучивание (накачка) контролируемой морской среды сложными (например, частотно или фазово-модулированными сигналами) обеспечивает повышение эффективности параметрического приема волн акустически слабозаметных, с малыми волновыми параметрами объектов (например, подводных пловцов).
Очевидно, что и другие инфранизкочастотные акустические, электромагнитные и гидродинамические волны различной физической природы, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы.
Возможность параметрического приема информационных волн инфразвукового и дробного диапазонов частот достигается за счет формирования протяженного объема взаимодействия волн (пространственной параметрической антенны). Применение в тракте приема и обработки операций преобразования временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение информационных волн такого диапазона частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации на рекордерах или наблюдения на дисплее.
Таким образом, показанная на фиг.1 схема реализации заявляемого способа, а также результаты его натурных испытаний представляют собой разработанную и реализованную низкочастотную просветную параметрическую систему дальнего измерения и комплексного мониторинга гидрофизических полей объектов и среды различной физической природы низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов.