РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ВОЛН ИСТОЧНИКОВ И ЯВЛЕНИЙ АТМОСФЕРЫ, ОКЕАНА И ЗЕМНОЙ КОРЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
RADIO-HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR PARAMETRIC RECEPTION OF WAVES OF SOURCES AND PHENOMENA OF ATMOSPHERE, OCEAN AND EARTH'S CRUST IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно предназначено для формирования пространственно-развитых просветных радиогидроакустических систем мониторинга акустических, гидродинамических и электромагнитных полей, формируемых искусственными и естественными источниками, а также опасными явлениями атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот измеряемых полей составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая сверхнизкочастотные (СНЧ) волны, формируемые колебаниями движущихся объектов и неоднородностей морской среды как целого.
Разработки гидроакустических систем мониторинга полей объектов и среды на основе приемных параметрических антенн (ППА) в России, а также в зарубежных странах (преимущественно в США и Японии) интенсивно проводились еще в прошлом столетии. В России параметрические антенны разрабатывались и были успешно реализованы акустиками Таганрогского политехнического института, что широко опубликовано в изданиях различного уровня и изложено в монографиях (Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. С. 17-40, 203-225). Параметрические антенны и реализующие их радиотехнические системы основаны на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. В протяженных ППА, буксируемых морскими суднами, дополнительно к нелинейным свойствам морской среды используются нелинейные свойства области кильватерного следа судна-носителя. Во всех указанных случаях применялась только высокочастотная акустическая накачка среды, частота которой составляла десятки, чаще сотни кГц. Параметрические антенны расширили возможности приема информационных волн в низкочастотную область, а также повысили чувствительность приема таких волн. При этом дальность приема волн в системах с высокочастотными параметрическими антеннами оставалась незначительной и составляла сотни метров и только в отдельных случаях более одного километра. Основными недостатками параметрических систем с высокочастотными приемными антеннами являются ограниченная дальность приема информационных полей и ограниченная возможность измерения их пространственно-временных характеристик.
Сформулируем принципиальные недостатки высокочастотных параметрических антенн, которые необходимо устранить в предлагаемом изобретении.
1. Малый объем рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн накачки среды и измеряемых информационных, что особенно ограничивает возможность эффективного приема волн инфранизкого и дробного диапазонов частот, которые формируются явлениями в атмосфере, океане и земной коре.
2. Малая протяженность параметрической антенны и формирование ее объема только вблизи приемных блоков, что также ограничивает возможность дальнего приема информационных сигналов как волн «малых амплитуд».
3. Не используются закономерности многолучевого распространения волн накачки среды и информационных волн на протяженных трассах, что, в свою очередь, не обеспечивает эффективный параметрический прием информационных волн, формируемых в воздушной и морской среде, а также в донном грунте за счет их взаимодействия с просветными волнами на протяженных трассах их распространения.
4. Отсутствует контролируемая взаимосвязь работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга предпочтительно по каналам радиосвязи. Это исключает возможность оперативной подстройки режимов работы системы к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн, а также к многообразному проявлению измеряемых информационных волн.
Устранение этих недостатков и достижение новых положительных эффектов в предлагаемом изобретении может быть достигнуто на основе научно-технических разработок нелинейной просветной гидроакустики за счет формирования низкочастотной просветной системы мониторинга как пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью контролируемой акватории, что представляется в последующем изложении материалов заявки.
Известна гидроакустическая система, реализующая способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде (патент №2474794 RU, МПК G01H 3/00, G10K 11/00, от 15.06.2011 г.). Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде включает в себя разнесенные на противоположные границы контролируемой среды излучающий и приемные акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и информационных волн различной физической природы, соединенные с преобразователями, соответственно, излучающий тракт, который включает последовательно соединенные блоки формирователя просветных сигналов стабилизированной частоты, усилителя мощности и акустического преобразователя (излучателя) сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает в себя последовательно соединенные блоки двухканального усилителя просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, измерителя их разности фаз, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, регистратора информационных сигналов (рекордера). Идентификация выделяемых информационных сигналов проводится с учетом их частотно-временного и параметрического преобразования в приемном тракте и морской среде.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является гидроакустическая просветная система, реализующая способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде (патент №2474793 RU, МПК G01H 3/00, G10K 11/00, от 15.06.2011). Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой морской среды излучающий и три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн (просветные параметрические антенны), соединенные с излучающим и приемными преобразователями соответственно, а также излучающий тракт системы, который включает последовательно соединенные блоки формирователя сигналов стабилизированной звуковой частоты, усилителя мощности и акустического преобразователя (излучателя) сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает последовательно соединенные блоки: трехканального усилителя просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера); при этом выходы приемных преобразователей соединены также с входами блока измерения функций корреляции сигналов между средним и крайними приемниками, далее с блоком функции их взаимной корреляции и регистратором. Идентификация выделяемых при анализе информационных волн проводится с учетом частотно-временного и параметрического преобразования просветных волн в приемном тракте системы и в рабочей зоне среды. Рассмотренная гидроакустическая система выбрана в качестве прототипа, но имеет недостатки, которые будут устранены в заявляемом изобретении. Исходя из этого, рассмотрим их сущность.
Недостатками системы-прототипа и приведенной выше гидроакустической системы являются ограниченные возможности параметрического приема волн, формируемых в атмосфере, океанской среде и земной коре, в том числе формируемых вне зоны размещения параметрической просветной системы. Это выражается также в недостаточной чувствительности приема и, как следствие, дальности приема, но особенно характерно это проявляется при приеме волн, поступающих в морскую среду из атмосферы и земной коры (морского грунта). Не решается также задача подстройки режимов работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к многообразию проявления источников информационных волн. Основной причиной перечисленных недостатков является то, что просветная система мониторинга не рассматривается как пространственно-развитая по объему и протяженности среды многолучевая параметрическая антенна, в которой используются закономерности многолучевого распространения волн на протяженных морских трассах в наблюдаемых секторах контролируемой акватории.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в увеличении дальности параметрического приема информационных волн, формируемых естественными и искусственными источниками, а также процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в звуковом, инфразвуковом, дробном и сверхнизкочастотном (СНЧ) диапазонах. Подстройка согласованного режима работы излучающего и приемного трактов системы мониторинга к изменяющимся условиям среды распространения просветных волн и к проявлениям информационных волн решается путем введения в систему мониторинга информационно-аналитического центра (ИАЦ), обеспечивающего оперативный анализ многоканально принимаемой многофункциональной информации. ИАЦ дополнительно к управлению работой системы мониторинга обеспечивает также оперативный обмен измеряемой информацией о полях атмосферы, океана и земной коры. Это особенно необходимо при формировании системы мониторинга как широкомасштабной в пределах смежных акваторий, например акваторий Охотского моря и Курильской островной гряды. Именно на этих акваториях были получены используемые в заявке материалы морских исследований макетов экспериментальных систем мониторинга.
Технический результат предлагаемого изобретения выражается в разработке и реализации радиогидроакустической просветной системы мониторинга как многолучевой параметрической антенны, соизмеримой с протяженностью пространства контролируемой среды. Система обеспечивает дальний параметрический прием в морской среде волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, явлениями и процессами атмосферы, океана и земной коры. Диапазон частот принимаемых волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая СНЧ колебания движущихся объектов как целого. Система обеспечивает также возможность оперативной подстройки режимов своей работы к изменениям условий среды распространения просветных волн, а также к проявлению признаков источников информационных волн.
Для решения поставленной задачи радиогидроакустическая система параметрического приема волн, источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде включает в себя установленные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и как минимум три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три зоны нелинейного взаимодействия просветных и информационных волн как просветные параметрические антенны, а также соединенные с излучающим и приемными преобразователями соответственно излучающий тракт, который включает в себя последовательно соединенные блоки формирователя сигналов стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц, усилителя мощности сигналов и акустического преобразователя как излучателя сигналов подсветки среды, а также тракт приема нелинейно преобразованных просветных волн, который включает в себя последовательно соединенные блоки: трехканального полосового усилителя просветных сигналов, преобразователя частотно-временного масштаба в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, измерителя функций корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, далее блока выделения функции их взаимной корреляции и регистратора сигналов. Предлагаемая радиогидроакустическая система принципиально отличается тем, что рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна, для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенных в центре акватории и установленных на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории. При этом приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и включает один канал (линию) спектрального анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера). При этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединены с тремя линиями корреляционного и взаимно-корреляционного анализа измерительной системы, а выходы каналов (линий) спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой комплексной информации, выход которого через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром системы мониторинга. Информационно-аналитический центр содержит последовательно соединенные: приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирователя сигналов передающего тракта системы мониторинга. Кроме того, многоканальная просветная параметрическая система сформирована как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии, что обеспечивает формирование общей пространственно-развитой параметрической системы мониторинга. Кроме того, расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков, размещенных в вертикальной плоскости, устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками вертикальной структуры просветного акустического поля. Кроме того, широкомасштабная просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем мониторинга, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий на то, что «рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в вертикальной плоскости среды как многолучевая пространственно развитая просветная параметрическая антенна», обеспечивает возможность решения всех последующих отличительных признаков, а по их совокупности решение обобщенной задачи изобретения. Многолучевое распространение просветных волн в протяженной морской среде наиболее эффективно реализуется при приеме волн искусственных и естественных источников, поступающих из атмосферы или с морского дна. Необходимо отметить также, что расположение излучающих и приемных акустических преобразователей в вертикальной плоскости основывается на закономерностях многолучевого распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. В мелководной среде распространения акустических волн с переходом в глубоководную зону, расположение преобразователей будет определяться в соответствии с указанными отличительными свойствами канала распространения волн (Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 340 с.).
Признак, указывающий на то, что «для чего используются три всенаправленных излучающих преобразователя, вертикально расположенные в центре акватории и установленные: на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала (ПЗК), а приемные преобразователи объединены в три одинаковых блока, расположенных в вертикальной плоскости по равнобедренным треугольникам, которые установлены относительно оси ПЗК аналогично излучающим блокам и размещены по кругу и (или) периметру на противоположной границе акватории», обеспечивает технологию размещения излучающих и приемных блоков для реализации работы создаваемой просветной системы мониторинга.
Признак, указывающий на то, что «приемный тракт измерительной системы сформирован как многоканальный и включает один канал (линию) спектрального анализа для выделения информационных сигналов, содержащий последовательно соединенные блоки полосового усилителя, преобразователя временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора (рекордера)», обеспечивает технологию выделения из принимаемых просветных сигналов информационных волн в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц, включая СНЧ колебания движущихся объектов.
Признак, указывающий на то, что «одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения каналов соединены с тремя линиями корреляционного и взаимно-корреляционного анализа измерительной системы», обеспечивает возможность приема информационных волн атмосферы, океана и земной коры на основе корреляционного и взаимно-корреляционного анализа для разделения лучей просветных сигналов «сверху и снизу», принимаемых блоками системы, расположенными выше оси, на оси и ниже оси ПЗК.
Признак, указывающий на то, что «выходы каналов (линий) спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой комплексной информации», обеспечивает обобщение и предварительный анализ комплексной информации, а также ее подготовку для передачи по каналам связи в информационно-аналитический центр.
Признак, указывающий на то, что «выход блока анализа комплексной информации через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром системы мониторинга, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого по радиоканалу соединен с блоком формирователя сигналов передающего тракта системы мониторинга», обеспечивает обобщающий технический результат создаваемой пространственно развитой просветной системы мониторинга полей различной физической природы атмосферы, океана и земной коры в широком диапазоне частот. Это заключается в том, что блок системного анализа многоканально измеряемой многофункциональной информации завершает анализ и идентификацию источников формирования волн атмосферы, океана и земной коры с последующей выработкой управляющих (корректирующих) команд (сигналов) и их передачей по каналам связи в передающий тракт системы мониторинга.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «многоканальная просветная параметрическая система формируется как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных радиально от излучающего центра к периферии», обеспечивает возможность формирования системы мониторинга как пространственно-развитой по всему пространству контролируемой акватории.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «расстояние между акустическими преобразователями приемных блоков, размещенных в вертикальной плоскости, устанавливается в соответствии с корреляционными характеристиками вертикальной структуры просветного акустического поля», обеспечивает помехоустойчивое выделение информационных сигналов и надежность работы системы мониторинга в условиях многолучевого распространения просветных акустических волн на протяженных трассах.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «просветная радиогидроакустическая система может масштабироваться (наращивается) путем объединения измеряемой информации с аналогичных подсистем мониторинга, сформированных на смежных акваториях, в информационно-аналитическом центре с использованием каналов радиосвязи», обеспечивает возможность ее наращивания в пределах соседних акваторий.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведена структурная схема широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга.
На фиг. 2 приведена схема пространственного расположения излучающего и приемных трактов (блоков) системы мониторинга на контролируемой акватории.
На фиг. 3-5 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морской среды (источников полей океана). При этом на фиг. 3 - спектрограмма упругих резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды составляла 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км. Фиг. 4 - спектр электромагнитных излучений морского судна. Измерения проводились параметрическим просветным способом, частота подсветки - 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км. Фиг. 5 - спектр и спектрограмма шумового излучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). На чертеже представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. На просветной трассе протяженностью 30 км наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна.
Фиг. 6, 7 - запись сигнала предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и спектр в формате 3D (поля источников земной коры). Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений в районах Курильской островной гряды и их приему на измерительном поле о. Сахалин, протяженность трассы составляет около 200 км.
На фиг. 8, 9 представлены спектр и две спектрограммы шумового излучения атмосферного источника (летательного аппарата).
На фиг. 10 - спектрограмма сигналов синоптических возмущений морской среды за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км (возмущения морской среды атмосферным полем). Измерения выполнялись на акустическом просветном поле, оборудованном в переходной зоне Охотского и Японского морей.
На фиг. 11 - спектр и спектрограмма сейсмических излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья (м. Сосунова), протяженность просветной трассы составляла 310 км.
На фиг. 12 представлены атмосферные радиолокационные измерения волнений поверхности моря при наличии и отсутствии движущегося подводного объекта. Измерения выполнялись разнесенными в атмосфере радиолокационными станциями.
На фиг. 13 - спектрограмма просветных сигналов (400 Гц), модулированных гидродинамическими волнами и СНЧ колебаниями движущегося морского судна на трассе протяженностью 345 км.
Фиг. 14 - объемная структура зон Френеля между точками излучения и приема акустических волн.
Фиг. 15 - лучевая структура просветного акустического поля в гидроакустическом канале распространения волн.
Радиогидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемое изобретение, показана на фиг.1, где:
1 - излучающий тракт;
2 - генератор стабилизированной частоты;
3 - усилитель мощности;
4 - трехканальный блок согласования;
5-7 - излучающие блоки;
8-10 - приемные блоки;
11 - приемный тракт;
12 - блок коммутации и переключения линий анализа принимаемых сигналов;
13-16 - линии корреляционного и спектрального анализа;
13-1, 14-1, 15-1, 16-1 - широкополосные усилители сигналов;
13-2, 13-3, 14-2, 14-3, 15-2, 15-3 - блоки измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками;
13-4, 14-4, 15-4 - блоки измерения функции взаимной корреляции;
16-2 - преобразователь временного масштаба сигналов в высокочастотную область;
16-3 - узкополосный анализатор спектров;
17 - блок регистрации измеряемых функций;
18 - регистратор выделяемых информационных сигналов;
19 - блок анализа комплексной информации;
20, 24 - передающие радиоблоки;
21 - информационно-аналитический центр;
22 - блок системного анализа измеряемой информации;
23, 25 - приемные радиоблоки;
26 - источник излучения гидрофизических информационных волн;
27 - волны атмосферных источников;
28 - источник излучения геофизических информационных волн;
29 - морское дно;
30 - поверхность моря;
31 - среда многолучевого распространения волн;
32 - излучения береговых источников;
33 - рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн.
Как показано на фиг. 1, излучающий тракт 1 радиогидроакустической системы представляет собой электронную схему, содержащую последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты 2, усилитель мощности 3 и трехканальный блок согласования 4 выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 5-7. Измерительная система включает также многоканальный приемный тракт выделения и регистрации информационных волн 11, входы которого соединены с приемными блоками 8-10, сформированными из трех расположенных в вертикальной плоскости по треугольникам преобразователей каждый. Приемный тракт системы 11 представляет собой многоканальную электронную схему, включающую блок коммутации и переключения линий анализа принимаемых сигналов 12, соединенный с четырьмя линиями корреляционного и спектрального анализа 13-16, каждый канал спектрального анализа включает последовательно соединенные широкополосные усилители 13-1, 14-1, 15-1, далее с блоками измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками блоки 13-2, 13-3, 14-2, 14-3, 15-2, 15-3, далее выходы блоков измерения функций корреляции сигналов соединены с блоками измерения функции взаимной корреляции 13-4, 14-4, 15-4, а их выходы соединены с блоком регистрации измеряемых функций 17, а также с входами блока анализа комплексной информации 19 и далее с радиоблоком передачи измеряемой информации 20 в ИАЦ 21. При этом линия спектрального анализа 16 включает последовательно соединенные широкополосный усилитель сигналов 16-1, вход которого через блок переключения каналов 12 соединен с акустическими преобразователями приемных блоков 8-10, а выход широкополосного усилителя соединен с преобразователем временного масштаба сигналов в высокочастотную область 16-2, далее с узкополосным анализатором спектров 16-3 и функционально связанным с ним регистратором (рекордером) выделяемых информационных сигналов 18, а также с входами блока анализа комплексной информации 19. Информационно аналитический центр (ИАЦ) 21 системы мониторинга включает блок системного анализа измеряемой информации 22, соединенный с выходом приемного радиоблока 23 и входом передающего радиоблока 24, выход которого по радиоканалу через приемный радиоблок 25 связан с излучающим трактом системы мониторинга 1.
Кроме того, на фиг. 1 показаны: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения волн) 31; источники излучения гидрофизических и геофизических информационных волн 26 и 28; источники атмосферных и береговых волн 27 и 32, морское дно 29, поверхность моря 30, рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн 33.
Работа просветной радиогидроакустической системы освещения обстановки и мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры осуществляется следующим образом. Излучатели подсветки среды 5-7 и приемные блоки 8-10 разносят по контролируемой акватории на необходимое расстояние (десятки-сотни километров) и размещают (заглубляют и устанавливают) на оси ПЗК, а также ниже и выше оси ПЗК, что обеспечивает формирование в ней пространственно развитой многолучевой параметрической антенны 33. Измерение признаков проявления информационных волн атмосферы, донных морских, а также береговых источников проводится параллельно и одновременно, а их идентификация осуществляется по характерным признакам спектров и пространственно временной динамики, принимаемых и анализируемых в блоке анализа комплексной информации 19 и окончательно в ИАЦ 21. Для геофизических волн, например волн предвестников землетрясений, может также проводится специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего динамику пространственно-временных характеристик спектральных составляющих как характерных информационных признаков зарождения и прохождения сейсмических возмущений земной коры (Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. - Нижний Новгород, 2007. - 113 с.).
Создаваемая радиогидроакустическая система может входить в общую региональную систему освещения морской обстановки посредством объединения комплексной информации в блоке ИАЦ 21. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность подстройки формируемых в излучающем тракте 1 просветных сигналов с учетом состояния среды распространения просветных волн. Кроме того, это обеспечивает возможность подстройки режимов работы системы мониторинга как широкомасштабной к изменяющимся условиям среды распространения просветных сигналов, а также к многообразию проявления источников информационных волн.
Основными закономерностями нелинейной просветной гидроакустики, которые использовались при разработке изобретения, являются: параметрическая модель просветной гидроакустики, принципы формирования просветных параметрических антенн в условиях протяженного канала распространения акустических волн, а также нелинейное взаимодействие волн различной физической природы в морской среде. Исходя из этого проведем их анализ.
Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации в условиях протяженного океанического волновода
Формируемая пространственно-развитая параметрическая система является просветной многолучевой параметрической (бестелесной) антенной. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации как параметрической  с низкочастотной подсветкой контролируемой среды или рубежа рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема.
n
На фиг. 16 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон (1…h) в пространстве образует эллипсоиды вращения. Первая зона образует область пространства, которая в основном определяет перенос энергии просветных акустических волн из точки излучения А в точку приема В. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В распространяется в пределах области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.
Действие всех остальных зон в результате их попарной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть для получения в точке приема энергии сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями или преобразования рассеивающими неоднородностями. Радиус h зоны номера n определяется по формуле Френеля
,
1
2
где R, R - расстояния, определяющие положение объекта на линии излучения - приема; λ - длина просветной акустической волны; n - номер зон Френеля (достаточно взять нечетное число зон, например три или пять).
В случае расположения в пределах пространства первой зоны Френеля излучающего объекта с сопутствующей нелинейной неоднородностью среды будет происходить не только экранирование проходящих волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на этой неоднородности. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной параметрической просветной антенны бегущей волны накачки. Особенностью реализации просветного метода гидролокации как параметрического в океаническом волноводе является то, что гидроакустическая система контроля среды в этом случае представляет собой многолучевую приемоизлучающую антенну, как показано на фиг. 17, обоснование преимуществ которой является предметом рассмотрения.
Формирование просветных пространственно-развитых параметрических антенн в условиях многолучевого распространения акустических волн в морской среде
Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по трассам контролируемой морской акватории обеспечивает достижение нового эффекта, а именно дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также донном грунте.
Формирование совокупности просветных линий по трассам контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает получение соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории пространственно-развитой просветной параметрической антенны. В просветной системе мониторинга для формирования многолучевой пространственно-развитой антенны используется три ненаправленных излучателя (преобразователя), которые располагают на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК. Приемные блоки, состоящие из трех ненаправленных преобразователей, располагают в вертикальной плоскости по треугольнику. В каждом приемном блоке измеряют функции корреляции принимаемых просветных сигналов между средним и крайними (верхним и нижним) преобразователями, затем измеряют функции их взаимной корреляции, по которым затем определяют направления приема информационных волн по просветным лучам сверху и снизу с повышенной точностью. Определение углов прихода просветных лучей сверху и снизу тремя приемными блоками обеспечивает наблюдение и контроль всех горизонтов трассы, кроме тех горизонтов, которые попадают в зоны тени, где просветное поле формируется слабыми отраженными от дна и морской поверхности лучами (Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975). При этом пологие лучи, распространяющиеся вдоль оси ПЗК, обеспечивают сплошную засветку пространства на горизонте оси канала. Формирование зон освещенности по трассе распространения просветных волн обеспечивается специальным расположением излучающих преобразователей системы мониторинга. Точное размещение излучающих блоков по глубине определяется путем расчетов лучевой структуры просветного поля по разработанным программам (Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность» программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ на программу №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003; Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН. Св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004). Большой пространственный объем просветных параметрических антенн, а также их протяженность по контролируемой акватории (десятки-сотни километров) обеспечивает возможность дальнего параметрического приема волн различной физической природы в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц.
Взаимодействие волн различной физической природы в морской среде
В отличие от классических параметрических устройств излучения и приема сигналов просветная система контроля морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной акустики, представляет собой многоканальную широкомасштабную параметрическую антенну с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных и информационных сигналов, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам нелинейной области, которая имеет достаточно большие величины (например, в случае возмущения среды кильватерным следом она может составлять единицы кубических километров). Переходя к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн с упругими информационными волнами, отметим, что классические выражения взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не могут быть использованы непосредственно. В этом случае взаимодействие может происходить на больших удалениях от приемника (десятки-сотни километров). Исходя из этого, в классических выражениях взаимодействия просветных волн с объектными волнами следует учитывать:
n
n
2
- затухание просветной волны P, обусловленное ее расхождением при распространении в волноводе в соответствии с известными принципами, которое обратно пропорционально квадрату расстояния P/R;
- взаимодействие волн по объему нелинейно-возмущенной среды V;
- повышенную степень нелинейности среды в объеме взаимодействия γ;
n
с
- малое отличие частот просветных волн ω и полезного сигнала ω, которое в этом случае находится в пределах одного порядка и обеспечивает их более интенсивное взаимодействие.
С учетом этих поправок, аналитические зависимости для амплитуд комбинационных волн и индекса фазовой модуляции могут быть представлены в следующем виде:
; ,
где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации; γ - коэффициент нелинейности морской среды.
Как видно из выражений, давление комбинационных волн и индекс фазовой модуляции аналогичны классической зависимости, но в этом случае возрастет полезная фазовая модуляция просветных сигналов измеряемыми низкочастотными, что обусловлено усилением взаимодействия волн в объеме среды с повышенной нелинейностью.
Характеристика направленности просветной параметрической антенны подобна пространственной антенне бегущей волны и, в этой связи, обладает высокой направленностью и помехозащищенностью.
Она может быть представлена в виде
.
Таким образом, ширина характеристики направленности просветной параметрической антенны ограничивается пределами первых зон Френеля, которые, в свою очередь, определяются длиной волны просветных сигналов и протяженностью просветной трассы между излучающими и приемными преобразователями. Из этого следует, что направленность и помехозащищенность приемной просветной антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить классические. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.
Перейдем к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн информационными волнами различной физической природы. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры. Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемая система предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды. Распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн) является следствием воздействия на морскую среду измеряемых информационных полей, формируемых комплексом сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями, будут проявляться аналогичным образом.
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 модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Параметрический прием информационных волн просветной гидроакустической системой можно объяснить уравнениями гидродинамики, разработанными для вязкой жидкости, при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов», Электромеханика, - №4, -1995; Шостак СВ., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. ст. - Владивосток: ТОВМИ. - Вып. 22, 2001, С. 82-88; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио. Май 2000. - С. 105-109).
эм
зв
эм
Качественно, любые изменения плотности и давления в морской среде при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность так называемого «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде:
,
∗
n
p
где P(t), P(t) - результирующее (модулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; 2ω - частота нелинейно сформированной волны; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; t - текущее время; J - функции Бесселя n-го порядка; А - амплитуда модулированной волны; m - коэффициент модуляции.
Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω, равной сумме частот взаимодействующих волн, значения частот которых отличаются от 2ω на nΩ, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением
n
2
J(2A/P)·0,5P.
p
Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).
Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами, в том числе с волнами «малых амплитуд», сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить, что преобразование просветных акустических волн может осуществляться излучениями (волнами) различной физической природы (акустическими, электромагнитными, гидродинамическими). Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты эффективно выделяются при спектральном анализе как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов. Предлагаемая в изобретении просветная параметрическая система, основанная на низкочастотной подсветке контролируемой среды, формируется по каждому отдельному акустическому лучу, при этом каждый луч просветной системы представляет собой протяженную параметрическую антенну, обеспечивающую эффективное решение задачи дальнего параметрического приема волн различной физической природы в широком диапазоне частот. Совокупность сформированных в среде «лучевых трубок» в вертикальной плоскости обеспечивает формирование многолучевой параметрической антенны пространственно развитой по протяженности и пространству контролируемой акватории. Расположение излучающих преобразователей системы относительно ПЗК на горизонтах выше, ниже и на его оси обеспечивает формирование зон освещенностей вблизи поверхности моря и дна, а также вдоль оси канала ПЗК. Секторное расположение вертикальных просветных антенн по кругу или периметру контролируемой акватории при стационарно расположенном в центре излучателе обеспечивает формирование пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью пространства контролируемой среды. Кроме того, круговое горизонтальное разнесение вертикальных многолучевых параметрических антенн целесообразно устанавливать через 45 град, т.е. в количестве не менее 8-ми штук, что соответствует реализации корреляционных свойств антенн, принимающих просветные сигналы стабилизированной частоты, и обеспечивает подавление помех среды с низкой корреляцией как случайных сигналов. Преимуществом разработок широкомасштабной радиогидроакустической просветной параметрической системы является простота ее создания и эксплуатации. Излучающий и приемный тракты системы могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ - 400. Приемные блоки как направленные корреляционные системы могут быть сформированы из протяженных многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых Специальным конструкторским бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН.
Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов, так как оно может быть использовано в радиогидроакустических системах параметрического приема волн различной физической природы источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде.
Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.
Заявляемая радиогидроакустическая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.