СИСТЕМА МНОГОЧАСТОТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к системам акустического зондирования морской среды и может использоваться в акустической спектроскопии мелкомасштабных неоднородностей для оценки размерного спектра неоднородностей и их концентрации.
Системы многочастотного акустического зондирования морской среды применяются, например, при наличии в воде неоднородностей с выраженными резонансными свойствами, такими как рыбы с плавательным пузырем, отдельные виды планктона, содержащие газовые пузырьки (сифонофоры) и др., изучение рассеяния звука на различных частотах позволяет определить функцию распределения таких включений по размерам.
Сложности создания многочастотных систем для зондирования морской среды заключаются в отсутствии акустических преобразователей, позволяющих эффективно излучать звук в широкой полосе частот. Поэтому, как правило, для зондирования применяется акустические антенны, включающие группу преобразователей с различными резонансными частотами и с соответствующими их частотам трактами излучения и приема, выделения и обработки сигналов.
Известно применение резонансных преобразователей для поиска и локализации рыбных косяков. Например, рыбопоисковые гидролокаторы японской фирмы FURUNO FCV-1100 и FCV-1150 имеют антенны двухчастотного излучения, использующие резонансные преобразователи, которые излучают и принимают звук последовательно на двух частотах (низкой и высокой).
В качестве альтернативы резонансным преобразователям известно применение параметрических акустических преобразователей, обладающих наряду с широкой полосой рабочих частот, также и высокой направленностью в рабочей полосе частот (п. РФ №2308053, МПК G01S 15/04, Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение. 1981. 264 с.).
Главным недостатком параметрических преобразователей является низкий уровень перекачки энергии высоких частот (частот накачки) в параметрическое низкочастотное излучение комбинационных частот, поэтому для их эффективной работы требуются большие мощности излучающих трактов и высокая чувствительность приемных трактов. Так при параметрической генерации волн разностной частоты из высокочастотных волн накачки даже при оптимальном режиме генерации не более 1% энергии волн накачки может быть преобразовано в волны разностной частоты. Параметрический прием требует высокочувствительной аппаратуры с высокой селективностью по частоте, поскольку уровень параметрических сигналов очень мал и часто соизмерим с уровнем шумов (Барник В., Вендт Г., Каблов Г.П. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна. Под ред. А.Н.Яковлева. - Новосибирск: Изд-во Новое иб. Ун-та, 1992. - 218 с.).
Главное преимущество резонансных преобразователей - высокий коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую, поэтому для их работы требуются излучающие тракты с мощностью во много раз меньшей, чем для параметрических трактов излучения.
Наиболее близко к заявляемому устройству стоит система, описанная в п. РФ №1641102, МПК G01S 15/00, которая принята за прототип. Система включает параметрический акустический излучающий преобразователь, приемные преобразователи накачки и волн разностной частоты, тракт излучения и тракт приема, систему обработки и регистрации принятого сигнала.
Тракт излучения состоит из генератора амплитудно-модулированных импульсов, построенного на двух генераторах (несущей и огибающей частот) и двух модуляторах (амплитудном и импульсном), усилителе мощности, коммутатора сигналов прием-передача. Параметрический излучающий преобразователь излучает в воду амплитудно-модулированные импульсы, которые за счет нелинейности среды формируют волну разностной частоты (ВРЧ). Отраженные от зондируемого объекта сигналы ВРЧ и частоты накачки принимаются приемными преобразователями, усиливаются, стробируются по времени и детектируются в усилителях-ограничителях (тракт приема). Далее видеосигналы поступают в систему обработки на входы нормирующего устройства, в котором сигнал ВРЧ приводится к уровню сигнала на частоте накачки. В зависимости от размера лоцируемого объекта (больше длины ВРЧ или меньше ее) сигнал ВРЧ будет либо отражаться от него либо огибать его. В соответствии с этим на выходе нормирующего устройства будет единичное или нужное напряжение, что позволяет судить о размерах лоцируемого объекта. Далее сигналы, несущие информацию о размерах объекта и частоте ВРЧ, регистрируются в системе регистрации. Для более точного определения размеров длина ВРЧ изменяется путем перестройки частоты модуляции, вырабатываемой генератором амплитудно-модулированных импульсов.
Известно, что эффективность параметрического преобразования зависит от соотношения частот накачки и разностных частот, нелинейности среды и режима излучения. Поэтому параметрический преобразователь не всегда может обеспечить требуемый диапазон частот, а эффективность преобразования при перестройке частоты изменяется в больших пределах. Кроме того, построение генератора амплитудно-модулированных импульсов на двух генераторах (несущей и огибающей частот) и двух модуляторах (амплитудном и импульсном) ограничивает возможности формирования сигналов в широком диапазоне частот и различной формы из-за жестко заданной структурной схемы.
Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в расширении рабочего диапазона частот, формы зондирующих сигналов, повышении стабильности характеристик излучаемых сигналов и повышении помехозащищенности устройства.
Поставленная задача решается системой многочастотного акустического зондирования, содержащей источник излучения, соединенный посредством подводного кабеля с аппаратурным комплексом, состоящим из тракта излучения, тракта приема, и системы регистрации и обработки принятого акустического сигнала, при этом источник излучения выполнен в виде антенны, включающей как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю, трак излучения выполнен на базе программируемого цифрового генератора и усилителя мощности, коммутатор, который переводит систему из режима излучения в режим приема, тракт приема состоит из группы параллельно включенных селективных фильтров, количество которых равно количеству акустических преобразователей, а частоты фильтров соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, сумматора сигналов и амплитудного детектора, а система регистрации и обработки выполнена на базе одноканального аналого-цифровой преобразователя и процессора обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов.
На фиг. приведена функциональная схема заявляемого устройства, где 1 - антенна, 2 - аппаратурный комплекс, 3 - кабель, 4 - акустические преобразователи, 5 - процессор обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов, 6 - цифровой генератор сигналов, 7 усилитель мощности, 8 - коммутатор сигналов, 9 - полосовые фильтры, 10 - корректирующие усилители, 11 - сумматор сигналов, 12 - амплитудный детектор, 13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Система работает следующим образом.
Антенну 1 устанавливают на дно и направляют в сторону поверхности. С аппаратурным комплексом 2 она соединяется подводным кабелем 3.
Цифровой программируемый генератор 6 последовательно генерирует импульсы, количество которых равно количеству преобразователей в антенне, с частотами заполнения, соответствующими рабочим частотам преобразователей 4 антенны 1. Каждый преобразователь антенны возбуждается импульсом, соответствующим его рабочей частоте, и излучает акустический сигнал в воду. Между импульсами программно генератором импульсов 6 обеспечивается пауза, необходимая для того, чтобы излученный акустический импульс прошел все звукорассеивающие структуры в толще воды, отразился от поверхности моря и вернулся к антенне 1. Сигналы обратного рассеяния принимаются теми же преобразователями 4 антенны 1 и по кабелю 3 через коммутатор сигналов 8 передаются к устройствам регистрации и обработки данных 13 и 5 (АЦП, процессор обработки и расчета).
Отличительной особенностью заявляемой системы является использование в качестве излучателя не одного параметрического акустического преобразователя, а антенны, включающей как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю. Отметим, что количество дополнительных резонансных или параметрических акустических преобразователей определяется требуемым диапазоном частот. Суммарный рабочий диапазон частот антенны определяется исходя из размерного спектра неоднородностей в воде, которые представляют интерес для задач исследования. Все преобразователи 4 включены параллельно друг с другом, образуя излучающую антенну 1, которая подключена к кабелю 3, другой конец которого подключен к коммутатору 8 для разделения сигналов излучения-приема. Для расширения возможностей изменения диапазона частот и формы генерируемых сигналов установлен цифровой программируемый генератор 6, который представляет собой запоминающее устройство, в память которого записывается в виде цифрового кода аналитическое выражение сигнала излучения антенны (программа работы генератора). Записанный цифровой код считывается цифро-аналоговым преобразователем, являющимся частью генератора, усиливается усилителем 7 мощности и через коммутатор 8 сигналов передается к донной антенне 1.
Таким образом, заявляемое устройство реализует систему зондирования с применением принципа временного разделения сигналов различных частот, используя как резонансные, так и параметрические излучатели.
Изменение частотного диапазона измерений заявляемой системы зондирования осуществляют, варьируя количество резонансных преобразователей антенны 1 и вводя соответствующие изменения в программу работы генератора 6.
v
v
s
i
В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве отсутствуют элементы селекции сигналов по времени распространения (локализация объекта в пространстве) и рассматривается все пространство рассеяния и отражения звука. Сигналы, принятые антенной 1, через коммутатор 8 сигналов попадают на параллельно включенные входы узкополосных селективных фильтров 9, количество которых равно числу преобразователей 4, и настроенных на их рабочие частоты. Выделенные фильтрами 9 сигналы усиливаются на своей частоте усилителями 10 для улучшения отношения сигнал/шум. Выходы усилителей 10 соединены с входами сумматора 11 сигналов. Сигналы излучения и приема разных частот поступают на входы сумматора 11 последовательно в соответствии с порядком их излучения и разделены во времени, поэтому не оказывают взаимного влияния на их амплитуды и не вносят искажений. Сигналы после сумматора 11 детектируются амплитудным детектором 12. Итоговый сигнал с выхода амплитудного детектора 12 в форме видеоимпульсов поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Видеоимпульсы, преобразованные в цифровой код, в виде файла данных записывается в память компьютера 5. Большинство современных плат ввода данных (АЦП) обладают функцией внешнего запуска (режима синхронизации начала оцифровки данных по внешнему импульсу). Известна последовательность излучения импульсов разных частот, поэтому при синхронной записи последовательность частот в файле данных также известна. Дальнейшая обработка полученной информации в компьютере 5 заключается в определении размеров неоднородностей. Эффективность рассеяния звука в жидкости оценивают по коэффициенту объемного рассеяния m, которое выражается в общем случае как отношение рассеиваемой от неоднородностей мощности звука к плотности потока энергии в падающей волне. Коэффициент объемного рассеяния m можно выразить через квадрат отношения давления звука в отраженной волне P к давлению звука в падающей на неоднородность волне Р на частоте ω при длительности импульса τ и ширине основного лепестка характеристики направленности узконаправленного излучателя θ следующим образом:
,
где c - скорость звука в жидкости.
s
i
В данном выражении величины θ, τ, с, ω известны, поскольку являются характеристиками среды, аппаратуры, задаются программно. Давление звука в отраженной волне P и давление звука в падающей на неоднородность волне Р, на частоте ω измеряются непосредственно описываемой системой.
Анализируя получаемую в результате эксперимента величину коэффициента объемного рассеяния на разных частотах, делают заключение о размерах неоднородности.
Заявляемая система была реализована с использованием следующих элементов. Акустические преобразователи изготовлены из пьезокерамических дисков с резонансными частотами 170, 300 и 700 кГц и параметрический преобразователь с частотами накачки 665 и 735 кГц для работы на разностной частоте 70 кГц.
Сигналы для излучения формировались цифровым программируемым генератором ГСПФ-053 выпускаемым ЗАО "Руднев и Шиляев" (г.Москва). Генератор последовательно формировал импульсы с указанными выше частотами с интервалом между импульсами 20 мс. Общая длительность цикла излучения-приема всех частот составила 87 мс. Сформированные сигналы усиливались двумя ступенями усиления. Предварительное усиление обеспечивал усилитель У7-5. Выходная ступень усиления представляла двухтактный трансформаторный каскад на транзисторах BU508D. Каскад позволял поднять амплитуду выходного напряжения до 600 В в режиме оптимального согласования с нагрузкой в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц. Реальные уровни выходных напряжений составляли 170 В на частоте 700 кГц, 280 В на частоте 300 кГц, 160 В на частоте 170 кГц. Следует отметить, что добиться оптимального согласования усилителя мощности с набором излучателей, существенно отличающихся своими импедансами, не всегда удается в полной мере, поэтому реальная эффективность отдачи мощности в нагрузку снижается. Тем не менее, если при параметрическом преобразовании перекачка энергии составляет не более 1% и это является физическим пределом, то потери на рассогласование в заявляемом случае зависят от качества согласования, поддаются настройке и могут быть минимизированы.
4
4
3
В качестве полосовых фильтров и усилителей использовались селективные усилители SMV-11, фильтры RFT-01118 с полосой пропускания 1/3 октавы, все фирмы ROBOTRON, ГДР, селективный нановольтметр SN-233 фирмы UNIPAN, Польша. Усиление трактов приема составляло 7.5*10 на частоте 700 кГц, 7*10 на частоте 300 кГц, 3*10 на частоте 170 кГц. Запись сигналов рассеяния и отражения проводилась цифровым измерительным регистратором МА-16, выпускаемым ЗАО "Руднев и Шиляев" (г.Москва). Частота дискретизации сигнала составляла 102400 Гц, что обеспечивало высокое пространственное разрешение акустического зондирования толщи моря. Отметим, что если бы запись частотных каналов производилась не последовательно, а параллельно на каждой частоте, то суммарную частоту дискретизации пришлось бы увеличивать в четыре раза.
Таким образом, заявляемая система позволяет произвольно задавать диапазон исследуемого спектра размеров неоднородностей за счет свободного выбора частотного диапазона звуковых волн (набора излучателей), позволяет повысить коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую благодаря резонансным свойствам излучателей антенны, обеспечивает высокую стабильность характеристик излучаемых сигналов и широкий выбор в формировании сигналов произвольной частоты и формы за счет применения цифрового генератора, обладает повышенной помехозащищенностью, так как благодаря временному разделению частот отсутствует межканальное проникновение сигналов разных частот и упрощается фильтрация сигналов, а одноканальный ввод в компьютер позволяет снизить частоту квантования АЦП, обеспечивает хранение и документирование результатов измерений благодаря использования памяти компьютера.