СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ И ВАРИАНТЫ УСТРОЙСТВА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF GENERATING SHORT ACOUSTIC PULSES DURING PARAMETRIC EMISSION AND VERSIONS OF DEVICE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD

Изобретение относится к области гидроакустических исследований дна Мирового океана и других акваторий и может быть использовано при лоцировании дна, профилировании придонных слоев, в морской геофизике, поиске малоразмерных предметов.
Проблема излучения импульсных сигналов, состоящих из 1-3 периодов или из части периода, является достаточно сложной, если выдвигаются требования сохранения формы огибающей и, в целом, заданного спектрального состава импульса. Существующие способы реализации известны, в основном, из литературы по радиотехническим сигналам, по излучению акустических сигналов, способы, отличающиеся от радиотехнических, не известны. При необходимости излучения импульсного сигнала (радиоимпульса) известный способ состоит в том, что генерируется непрерывный сигнал, который модулируется в импульсном модуляторе видеоимпульсом заданной формы и длительности. Далее радиоимпульс усиливается и излучается акустической антенной (преобразователем). Соответствующее устройство состоит из последовательно соединенных генератора непрерывных сигналов, выход которого соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход - с генератором видеоимпульсов, а выход - с последовательно соединенными усилителем мощности и акустической антенной [1, стр.18-20, рис.1.11, 1.13].
Для неискаженного излучения коротких акустических импульсов известными способами необходимо, чтобы полоса пропускания оконечных устройств (усилитель мощности, акустическая антенна) была весьма значительной.
Поскольку заявляемые способ и устройство используют эффект нелинейного взаимодействия звуковых волн в воде, целесообразно рассмотреть аналоги из способов и устройств нелинейной гидроакустики.
1
2
1
2
Σ
1
2
Известен способ излучения акустических импульсов и устройство для его реализации, предложенные в патенте [2]. Способ заключается в формировании двух радиоимпульсов с заполнением высокочастотными сигналами накачки ƒ и ƒ и в одновременном излучении двух импульсов накачки равной длительности. В результате нелинейного взаимодействия этих импульсов в среде распространения формируется импульс той же длительности, что и импульсы накачки, но с разностной частотой заполнения F=|ƒ-ƒ|, a также импульсы с суммарной частотой заполнения ƒ=ƒ+ƒ. Аналогичный способ формирования импульсов предложен в патентах [3, 4]. Соответствующие устройства, отличающиеся схемотехническими решениями, принципиально формируют двухчастотный импульс, излучаемый в водную среду с помощью акустической антенны - источника сигнала накачки. Длительность импульсов разностной и суммарной частот в точности равняется длительности импульсов сигналов накачки.
1
2
1
2
Σ
Наиболее близкими по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемым способу и устройству являются способ и устройство, представленные в книге [5, с.325-326]. Способ состоит в формировании радиоимпульсов одинаковой длительности, но с различным высокочастотным (ВЧ) заполнением сигналами частот накачки ƒ и ƒ. Эти импульсы (сигналы накачки) после усиления подаются на вложенные одна в другую части акустической антенны, которые называют подрешетками. Как и в аналогах [2-4], в результате нелинейного взаимодействия первичных сигналов частот ƒ и ƒ в водной среде образуются импульсы с заполнением разностной (F) и суммарной (ƒ) частотами.
1
2
1
2
Устройство для реализации указанного способа [5, рис.6.11] состоит из двух независимых высокочастотных генераторов непрерывных сигналов частот ƒ и ƒ. Выходы этих генераторов соединены с первыми входами импульсных модуляторов, а вторые входы соединены с выходом генератора видеоимпульсов, который формирует видеоимпульсы заданной длительности и скважности. Выходы импульсных модуляторов соединены со входами усилителей мощности, а выходы усилителей мощности - со входами акустической антенны, которая выполнена двухканальной и состоит из вложенных одна в другую подрешеток. Двухканальная антенна как единое устройство излучает одновременно в водную среду два импульсных сигнала, каждый из которых имеет длительность, заданную от импульсного генератора и, частоту заполнения, равную частотам накачки ƒ и ƒ.
Этот способ и устройство его реализации приняты за прототип. Прототип имеет недостатки, которые затрудняют эффективное излучение ультракоротких импульсов разностной частоты и делают невозможным излучение таких импульсов суммарной частоты при заданной длительности импульса разностной/суммарной частоты в 1-2 периода или, тем более, длительностью в часть периода.
2
1
2
F
n
Для повышения разрешающей способности и для улучшения классификации объектов необходимо использовать δ-импульсы или по крайней мере ультракороткие импульсы, т.е импульсы, представляющие собой отрезок синусоидальных колебаний, состоящих менее, чем из двух периодов колебаний (вплоть до видеоимпульсов). Из общей теории импульсных сигналов известно: для того чтобы излучить ультракороткий импульс без искажения, его длительность должна составлять не меньше 10 периодов. Пусть длительность импульсов сигналов накачки составляет τ, тогда по нижней частоте сигнала накачки, которую обозначим ƒ, в импульсе должно быть не меньше 10 периодов. Сигнал разностной частоты F будет иметь длительность в 1 период по разностной частоте, если соотношение частот F/ƒ≤0,1, ƒ=(ƒ+ƒ)/2 - средняя частота сигнала накачки. Если необходимо излучить сигнал более высокой разностной частоты или на той же разностной частоте более короткий сигнал, то такой сигнал будет с большими искажениями по форме. В то же время известно [5, стр.45-57], что результирующее акустическое давление на разностной частоте Р пропорционально величине (F/ƒ), причем 1≤n≤2, т.е. с уменьшением разностной частоты эффективность нелинейного преобразования быстро падает. Таким образом, излучить известным способом короткий импульс разностной частоты и при этом сохранить эффективность по развиваемому давлению на разностной частоте невозможно.
1
2
F
1
2
F
При коротких импульсах в 1-2 периода или, тем более, в доли периода антенна сигнала накачки работает в переходном режиме. Ширина полосы импульса Δƒ≈1/τ, τ - длительность импульса. При малых τ величина Δƒ быстро растет. Для неискаженной передачи ультракороткого импульса требуется весьма широкополосная акустическая антенна, что обычно не выполнимо для излучающих антенн резонансного типа. Электроакустический преобразователь в этом случае работает в неустановившемся режиме, что приводит к уменьшению амплитуд акустического давления P и Р в импульсах накачки, а следовательно, и к уменьшению (по квадратичному закону, т.к. Р~Р×Р) амплитуды звукового давления Р в импульсах разностной частоты (то же самое относится к амплитуде сигналов суммарной частоты). Кроме указанных свойств электроакустических преобразователей антенны - источника сигнала накачки, аналогичные требования по широкой полосе пропускания при усилении ультракоротких импульсов предъявляются к усилителю мощности. Построение таких усилителей, к тому же с требованием неискаженной передачи импульса, является весьма сложной радиотехнической задачей.
Нетрудно показать, что излучить без искажений короткий, в 1-2 периода, импульс суммарной частоты известным способом просто невозможно.
F
Другим недостатком известного способа, кроме низкой эффективности, является зависимость формы (спектрального состава) от угла наблюдения, что связано с тем, что для формирования ультракоротких импульсов разностной частоты необходимо излучать достаточно короткие импульсы накачки (всего лишь в несколько периодов заполнения). Короткие импульсы накачки занимают широкий спектр, а преобразователь накачки формирует для каждой составляющей этого спектра свою парциальную характеристику направленности. Следовательно, форма импульсов накачки зависит от угла наблюдения θ, т.к. характеристика направленности на разностной частоте D(θ) пропорциональна произведению характеристик направленности на частотах накачки (это же самое относится к характеристике направленности на суммарной частоте):
F
1
2
D(θ)≈D(θ)·D(θ).
Из указанных недостатков прототипа следует сформировать в среде заданный ультракороткий импульс разностной или суммарной частоты известным способом практически невозможно в силу физических ограничений аппаратуры оконечных каскадов формирования сигналов параметрического излучения.
Техническим результатом предлагаемого способа и реализующего предлагаемый способ устройства является осуществление возможности излучения неискаженных импульсов произвольной длительности, в том числе длительностью в часть периода, на разностной и суммарной частотах.
1
2
Для достижения указанного технического результата в способе, включающем независимое формирование первого и второго радиоимпульсов сигналов накачки с различной частотой заполнения и длительностью τ и τ соответственно, усиление этих импульсов и излучение их акустической антенной - источником сигнала накачки, а также суммирование радиоимпульсов сигналов накачки и формирование вследствие нелинейного взаимодействия в среде распространения импульсов разностной и суммарной частот введены новые существенные признаки:
1
F
F
2
f
1,2
1,2
1,2
второй радиоимпульс сигнала накачки задерживают относительно начала первого радиоимпульса сигнала накачки на время T=τ-τ, где τ - заданная длительность импульсов разностной и суммарной частот, генерируемых в среде в результате нелинейного взаимодействия первого и второго радиоимпульсов сигналов накачки, причем выполняются условия τ≥τ и τ≥10/ƒ, где ƒ - частоты накачки.
Указанный технический результат может быть достигнут двумя реализациями суммирования радиоимпульсов сигналов накачки:
1) суммирование радиоимпульсов сигналов накачки (с задержкой и без задержки) производят в среде распространения после излучения акустической антенной;
2) сформированные первый и второй радиоимпульсы сигналов накачки (с задержкой и без задержки) суммируют, сумму импульсов усиливают и передают на акустическую антенну.
Заявляемый технический результат достигается двумя вариантами устройства формирования коротких акустических импульсов при параметрическом излучении. Наличие двух вариантов построения устройства связано с двумя известными способами возбуждения сигналов параметрического излучения [6, стр.138-142], каждый из которых обладает достоинствами и недостатками, которые будут рассмотрены ниже.
По первому варианту в устройство, состоящее из первого и второго генераторов непрерывных сигналов, первого и второго импульсных модуляторов, первого и второго усилителей мощности, импульсного генератора и двухканальной акустической антенны, выполненной в виде вложенных одна в другую подрешеток, причем выход первого генератора непрерывных сигналов соединен с первым входом первого импульсного модулятора, выход второго генератора непрерывных сигналов соединен с первым входом второго импульсного модулятора, выход импульсного генератора соединен со вторыми входами импульсных модуляторов, выход первого импульсного модулятора соединен со входом первого усилителя мощности, а выходы усилителей мощности соединены с электрическими входами первого и второго каналов акустической антенны, введены новые (по сравнению с устройством-прототипом) существенные признаки:
дополнительно введен блок задержки на время Т, вход которого соединен с выходом второго импульсного модулятора, а выход - со входом второго усилителя мощности.
По второму варианту в устройство, состоящее из первого и второго генераторов непрерывных сигналов, первого и второго импульсных модуляторов, импульсного генератора, усилителя мощности и акустической антенны, причем выход первого генератора непрерывных сигналов соединен с первым входом первого импульсного модулятора, выход второго генератора непрерывных сигналов соединен с первым входом второго импульсного модулятора, выход импульсного генератора соединен со вторыми входами импульсных модуляторов, а выход усилителя мощности соединен со входом антенны, введены новые (по сравнению с устройством-прототипом) существенные признаки:
дополнительно введены блок задержки на время Т и сумматор, причем вход блока задержки соединен с выходом второго импульсного модулятора, выходы первого импульсного модулятора и блока задержки соединены с первым и вторым входами сумматора, выход сумматора через усилитель мощности соединен с акустической антенной, которая выполнена одноканальной.
Разновидностью вариантов заявляемого устройства является устройство, отличающееся от указанных вариантов тем, что вместо одноканального импульсного генератора введен импульсный генератор с двумя независимыми каналами, выходы которых соединены со вторыми входами первого и второго импульсных модуляторов.
Сущность изобретения (способ и варианты устройства) поясняется фиг.1-4. На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип предложенного способа формирования коротких акустических импульсов - преобразования сигналов, выполняемые в соответствии с действиями по предложенному способу. На фиг.2, 3 показаны функциональные схемы вариантов устройства, с помощью которых можно реализовать предложенный способ; фиг.4 - это фрагмент функциональной схемы вариантов устройства с двухканальным импульсным генератором.
1
2
1,2
1
2
И
1
2
1,2
Первый вариант устройства (фиг.2) содержит первый и второй генераторы непрерывных сигналов 12 и 13, обозначенных Г и Г. Выходы генераторов Г соединены с первыми входами импульсных модуляторов 15, 16, обозначенных ИM и ИМ. Вторые входы импульсных модуляторов соединены с выходом импульсного генератора 14, обозначенного Г. Выход первого импульсного модулятора соединен с первым усилителем мощности 18 (УM). Выход второго импульсного модулятора соединен с блоком задержки 17, обозначенным на фиг.2 БЗ, а выход блока задержки соединен со вторым усилителем мощности 19 (УМ). Выходы усилителей мощности УM соединены с электрическими входами каналов акустической антенны 20 (А), которая выполнена двухканальной, состоящей из вложенных одна в другую независимых подрешеток.
Второй вариант устройства (фиг.3) содержит первый и второй генераторы непрерывных сигналов 12 и 13, выходы которых соединены с первыми входами импульсных модуляторов 15, 16. Вторые входы импульсных модуляторов соединены с выходом импульсного генератора. Выход первого импульсного модулятора соединен с первым входом сумматора 21 (Σ), а выход второго импульсного модулятора соединен с блоком задержки 17, который соединен со вторым входом сумматора. Выход сумматора через усилитель мощности 22 (УМ) соединен с акустической антенной 23 (А).
Возможная реализация фрагмента функциональной схемы вариантов устройства (фиг.4) содержит первый и второй генераторы непрерывных сигналов 12 и 13, выходы которых соединены с первыми входами импульсных модуляторов 15, 16. Вторые входы импульсных модуляторов соединены с выходами первого и второго каналов двухканального импульсного генератора 20 (ГИ2). Выходы модуляторов 15, 16 для вариантов реализации устройства соединены так, как показано на фиг.2, 3.
Все радиотехнические блоки и акустические антенны, входящие в варианты устройства, реализующие способ, известны (см., например, справочник [7]).
Действия по способу целесообразно рассматривать совместно с реализующими способ вариантами устройства. Действия по способу и работа вариантов устройства состоят в следующем.
1,2
1,2
2
1
F
1
1
F
Непрерывные сигналы частот ƒ с генераторов 8, 9 (диаграммы 1,2, фиг.1) подают на первые входы импульсных модуляторов 11, 12. Импульсный генератор 10 формирует видеоимпульсы заданной длительности и с заданной частотой повторений, эти импульсы подают на вторые входы импульсных модуляторов 11, 12. На выходе импульсных модуляторов - радиоимпульсы с частотой заполнения ƒ; импульсный сигнал с частотой заполнения ƒ после модулятора 12 дополнительно сдвигают с помощью блока задержки 13 на время Т. В результате на выходе модулятора 11 и блока задержки 13 имеются радиоимпульсы (3, 4 - фиг.1). Начало импульса 4 сдвинуто на время Т, где Т=τ-τ, τ - длительность радиоимпульса с заполнением частотой сигнала накачки ƒ, τ - заданная длительность импульса разностной/суммарной частоты.
Работа разновидности устройства с двухканальным импульсным генератором поясняется фиг.4. После модуляторов сигналы накачки (с задержкой и без задержки) суммируются.
По первой реализации суммирования в предлагаемом способе и первому варианту устройства сигналы после импульсного модулятора 11 и после блока 13 поступают независимо на усилители мощности 14, 15; после усиления эти сигналы поступают на различные каналы (подрешетки) двухканальной акустической антенны 16. Временная диаграмма импульсного сигнала после излучения в воду - 5 (фиг.1).
При второй реализации суммирования по второму варианту устройства сигналы после импульсного модулятора 11 и после блока 13 поступают на первый и второй входы сумматора 17. Временная диаграмма импульса на выходе сумматора - 5, по структуре такая же, как излученная в воду по первой реализации способа и с помощью первого варианта устройства. Усиленный усилителем 18 сигнал 5 излучается одноканальной акустической антенной 19, при этом форма излученного сигнала такая же, как на выходе антенны 16.
1
2
F
Σ
1
2
В результате нелинейного взаимодействия в водной среде сигналов частот ƒ и ƒна том временном интервале, где они существуют одновременно, т.е в пределах времени τ (см. фиг.1), образуются сигналы разностной частоты F (6) и суммарной частоты ƒ (7). Длительность этих импульсов, которые образуются в водной среде вследствие нелинейного взаимодействия высокочастотных сигналов накачки, в точности равна длительности средней (общей для сигналов частот ƒ и ƒ) части импульса 5. Таким образом, независимо обе реализации способа и оба варианта устройства приводят к одному и тому же результату - возникновению в водной среде коротких акустических импульсов разностной и суммарной частот.
1
2
1
2
F
1,2
F
1
2
1
2
Σ
2
1
Из представленных на фиг.1 временных диаграмм видно, что на части устройства, где предъявляются повышенные требования к неискаженной передаче сигналов, воздействуют сигналы достаточно большой длительности. В варианте устройства, представленном на фиг.2, на усилители мощности 14, 15 и подрешетки антенны 16 подаются импульсы сигналов накачки длительностью τ и τ, длительность этих импульсов может быть достаточно большой. В варианте устройства, представленном на фиг.3, усилитель мощности 18 усиливает сигнал 5, общая длительность которого, как следует из фиг.1, составляет τ=τ+τ-τ или, поскольку τ>>τ, τ≈τ+τ. Следовательно, усилители мощности 14, 15 (или усилитель мощности 18) работают в режиме без нелинейных искажений, а акустическая антенна - источник сигнала накачки (16 или 19) работает в установившемся режиме и указанные блоки устройства могут быть выполнены как устройства резонансного типа с узкой амплитудно-частотной характеристикой и, следовательно, с высоким КПД (в первую очередь, это относится к акустическим антеннам). Если изменять частоты ƒ и ƒ, время сдвига Т, можно получить короткий импульс частоты F или ƒ необходимой длительности и формы, частоты основной гармоники. Изменение достигается управляющими сигналами, которые поступают на управляемые входы генераторов 8, 9, импульсного генератора 10 (эти управляющие сигналы опущены на фиг.2, 3). Фиг.5 иллюстрирует возможности изменения длины импульса разностной частоты от полуторапериодного до полупериодного путем изменения времени задержки импульса с частотой заполнения f по отношению к импульсу с частотой заполнения ƒ.
Из временных диаграмм 3, 4, 5 видно, что на акустические преобразователи антенны 16 (или 19) воздействует импульс достаточно большой длительности. Так как амплитуда волны разностной частоты (и суммарной) пропорциональна произведению амплитуд волн сигналов накачки [5, 6], амплитуда импульсов с разностной и суммарной частотами, формируемых по предлагаемому способу и с помощью адекватных устройств, выше, чем при формировании по известному способу, заключающемуся в одновременном излучении двух коротких импульсов накачки длительностью τ, потому что в предлагаемом способе преобразователь накачки работает в установившемся режиме. По предлагаемому способу возможно излучение ультракоротких импульсов с суммарной частотой заполнения, что невозможно сделать по известному способу.
Другим преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известным является уменьшение зависимости спектрального состава ультракоротких импульсов от угла в пределах характеристики направленности. При излучении ультракоротких импульсов разностной частоты по известному способу необходимо излучать короткие импульсы волн накачки (несколько периодов и даже менее). Эти импульсы накачки обладают широким спектром частот, каждая спектральная составляющая по-своему претерпевает дифракционное расхождение, поэтому соотношение амплитуд спектральных составляющих в разных направлениях звукового пучка различно. Это вызывает искажение ультракороткого импульса разностной частоты в направлениях, отличных от оси звукового пучка (от акустической оси антенны накачки). Т.е. в пределах основного лепестка характеристики направленности соотношение спектральных составляющих ультракороткого импульса различно.
При формировании импульсов по заявленному способу нет необходимости излучать короткие импульсы накачки, спектр достаточно длинных сигналов накачки фактически представлен только частотами накачки и указанная выше причина зависимости формы спектра ультракороткого импульса от угла отсутствует.
При формировании ультракоротких акустических импульсов по предлагаемому способу нет также зависимости формы характеристики направленности от длительности самого импульса. В известном способе при излучении коротких импульсов есть зависимость формы характеристики направленности от длительности импульса.
1
2
Заявленный технический эффект достигается при осуществлении способа обоими вариантами устройства. Различное выполнение суммирования в предлагаемом способе связано с возможной реализацией устройства в одно- или двухканальном вариантах реализации режима параметрического излучения [6, стр.136-138]. Каждый из режимов имеет достоинства и недостатки. При двухканальном режиме излучения (фиг.3) каналы излучения частот ƒ и ƒ полностью не зависимы от формирования непрерывных сигналов до излучения подрешетками акустической антенны - источника сигналов параметрического излучения. При одноканальном режиме излучения после сумматора 17 сигнал биений усиливается одноканальным усилителем 18 и излучается одноканальной акустической антенной 19. Одноканальный режим требует меньшее количество аппаратуры, чем двухканальный, акустическая антенна является конструктивно более простой. В то же время к одноканальному усилителю мощности предъявляются повышенные требования по линейности, т.к. на его вход приходит сигнал биений и на выходе могут формироваться электрические сигналы разностной и суммарной частот, что приводит к появлению нежелательного бокового поля по этим частотам в излученном сигнале. При двухканальном режиме излучения усилители 18, 19 работают в более щадящем режиме, с точки зрения требований по линейности, но значительно усложняется конструкция акустической антенны 20, которая должна быть принципиально многоэлементной, должна состоять из вложенных подрешеток, между которыми не должно быть существенным взаимное влияние по акустическому полю. Выбор того или иного варианта устройства для реализации предложенного способа определяется разработчиком исходя из их известных достоинств и недостатков.
Реализация устройства с двухканальным импульсным генератором может быть полезна, если в режиме параметрического излучения используются не только сигналы разностной (суммарной) частоты, но и сигналы накачки, например, при определении расстояния до объекта (см., в частности, [5], разд.6.1, 7.2).
Ультракороткие акустические импульсы, сформированные по предлагаемому способу, повышают разрешающую способность локационных систем, создают «засветку» излучаемых объектов импульсом с однородным спектральным составом по всему поперечному сечению звукового пучка, что повышает точность классификации объекта. Возможность формировать данным способом ультракороткие импульсы в виде неполного периода колебаний позволяет излучать импульсы, моделирующие δ-импульсы, которые дают возможность изучать импульсный отклик акустических объектов - важнейший классификационный признак. Излучение ультракоротких импульсов с суммарной частотой позволяет классифицировать малоразмерные объекты.
Таким образом, заявленные технические результаты по способу и вариантам устройства, его реализующим, достигаются. Изобретение может быть установлено на подводных аппаратах, судах для выполнения исследовательских работ морского дна, при геофизических исследованиях, проведении инженерно-строительных работ на акваториях, для поиска заиленных кабелей, трубопроводов и других малоразмерных объектов.
Источники информации
1. Судовые эхолоты. / А.А.Хребтов и др. Л.: Судостроение, 1982, с.18-20, рис.1.11, 1.13.
2. Пат. США №4308599. Двухчастотный эхолот. МПК G01S 15/02, заявл. 19.05.1979, публ. 29.12.1981.
3. Пат. США №5790474. Активный сонар для работ подо льдом. МПК G01S 15/06, заявл. 04.08.1989, публ. 04.06.1998.
4. Пат. РФ №2205420. Параметрический акустический локатор. МПК G01S 13/32, заявл. 20.02.2002, публ. 27.05.2003.
5. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д: РостИздат, 2004 (прототип).
6. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981.
7. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988.