ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
HYDRO ACOUSTIC SYSTEM OF PARAMETRIC RECEPTION OF DIFFERENT-ORIGIN WAVES IN SEA WATER

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для использования в активно-пассивных и параметрических системах контроля протяженных морских акваторий, измерения характеристик гидрофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, инженерными сооружениями, а также стихийными морскими явлениями, например, внутренними волнами, землетрясениями или цунами.
Известны гидроакустические параметрические системы (поисковые гидролокаторы) приема рассеянных и отраженных морскими объектами ультразвуковых волн накачки среды. Рассматриваемые параметрические системы приема информационных волн предназначены для поиска морских биологических скоплений (например, рыб, крабов), а также для измерения структуры и характеристик морского дна (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Р.: Судостроение, 1981). Недостаток указанных технических решений - малая дальность (сотни метров, единицы километров) параметрического приема измеряемых волн, формируемых объектами, ограниченные информационные возможности измеряемых (только упругих) волн, техническая сложность гидролокаторов, а также известные трудности, связанные с созданием и использованием буксируемых антенн.
Известно устройство параметрического приема в морской среде инфразвуковых колебаний, содержащее размещенные в среде излучатель и приемник высокочастотных волн накачки, а также источник информационных волн, модулирующий распространяющуюся в среде высокочастотную волну накачки, при этом приемный тракт устройства содержит преобразователь волн накачки, усилитель и фазовый детектор, как измеритель и индикатор выделяемых информационных волн (см. SU №422197, В06В 1/00, 1961).
Основные недостатки этого устройства - низкая чувствительность приема измеряемых информационных волн и, как следствие, малая дальность параметрического приема, что особенно критично при приеме «волн малых амплитуд». В устройстве не предусмотрены возможность параметрического приема волн разной физической природы и прием волн дробного диапазона.
Известна также гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающая в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки среды с принимаемыми информационными, размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними тракт формирования и усиления излучаемых сигналов, а также тракт приема, обработки, выделения и регистрации принимаемых информационных сигналов (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998).
Основным недостатком этого технического решения является низкий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными, что обусловлено выполнением подсветки среды высокочастотными сигналами накачки и связанным с этим формированием рабочей зоны параметрического преобразования волн вблизи излучателя. Малый объем рабочей зоны среды ограничивает общий эффект нелинейного взаимодействия волн накачки и информационных, а ее малый пространственный объем, как параметрической антенны, ограничивает возможность приема волн в инфранизкочастотном и дробном диапазонах.
Задача заявляемого изобретения - повышение общего эффекта нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных, расширение их частотного диапазона в инфразвуковую и дробную область, а также увеличение информационной емкости принимаемых сигналов за счет обеспечения возможности приема и измерения характеристик волн различной физической природы.
Технический результат изобретения обеспечивается за счет включения в систему контроля и мониторинга соответствующих блоков и их взаимосвязи с известными, а именно, блоков формирования, усиления и излучения сигналов низкой звуковой частоты, формирования на контролируемом участке морской среды протяженной рабочей зоны взаимодействия и преобразования волн (протяженностью десятки-сотни км), низкочастотного тракта приема, обработки параметрически преобразованных волн и выделения из них информационных признаков в низком, инфранизком и дробном диапазонах частот. Кроме того, для выделения параметрических составляющих инфранизкого и дробного диапазонов частот существующими радиотехническими средствами спектрального анализа приемный тракт системы включает преобразователь (блок) временного преобразования принимаемых сигналов в высокочастотную область. Теоретические и технические разработки таких устройств известны и широко применяются (см. В.М.Черницер, Б.К.Кудак. Преобразователи временного масштаба. М.: Сов. Радио, 1972, с.3-16). В современных системах цифровой обработки сигналов операция частотно-временного преобразования сигналов может быть выполнена программно.
Для решения поставленной задачи гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающая в себя рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки среды с принимаемыми информационными, размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с ними тракт формирования и усиления излучаемых сигналов, а также тракт приема, обработки, выделения и регистрации принимаемых информационных сигналов, отличается тем, что длина рабочей зоны гидроакустической системы равна протяженности контролируемого участка морской среды, для чего низкочастотные излучающий и приемный преобразователи акустических волн накачки, размещены на его противоположных границах, при этом излучающий преобразователь соединен подводным кабелем с выходом тракта излучения сигналов накачки, который содержит последовательно соединенные генератор сигналов низкой стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с подводным кабелем, причем приемный преобразователь подводным кабелем соединен со входом тракта приема информационных сигналов, который содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки, преобразователь частотно-временного масштаба, узкополосный анализатор спектра и функционально связанный с ним регистратор информационных волн.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «длина рабочей зоны гидроакустической системы равна протяженности контролируемого участка морской среды, для чего низкочастотные излучающий и приемный преобразователи акустических волн накачки, размещены на его противоположных границах» обеспечивают формирование протяженной бестелесной параметрической антенны бегущей волны с длиной, соответствующей полной протяженности контролируемого участка.
Признаки, указывающие, что излучающий преобразователь соединен подводным кабелем с выходом тракта излучения сигналов накачки, обеспечивают возможность ввода сигналов накачки при обеспечении возможности стационарного позиционирования комплекта излучающей аппаратуры, с упрощением ее обслуживания.
Признаки, указывающие, что тракт излучения сигналов накачки «содержит последовательно соединенные генератор сигналов низкой стабилизированной частоты, усилитель мощности и блок согласования его выхода с подводным кабелем» обеспечивает возможность формирования протяженного объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, соизмеримой с протяженностью контролируемого участка морской среды, при этом совокупность перечисленных блоков и их взаимосвязь в излучающем тракте системы (с учетом использования мощного низкочастотного гидроакустического устройства) обеспечивают возможность дальнего параметрического приема гидрофизических волн в диапазоне частот десятки-единицы-доли Герца.
Признаки «приемный преобразователь, подводным кабелем соединен со входом тракта приема информационных сигналов, который содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель параметрически преобразованных волн накачки, преобразователь частотно-временного масштаба, узкополосный анализатор спектра и функционально связанный с ним регистратор информационных волн» обеспечивают широкополосный прием параметрически преобразованных сигналов накачки среды, выделение обработку и регистрацию принимаемых информационных волн. Кроме того, указание, что приемный преобразователь соединен подводным кабелем с выходом тракта приема информационных сигналов обеспечивает возможность стационарного размещения комплекта приемной аппаратуры, с упрощением ее обслуживания.
Совокупность признаков заявленного устройства обеспечивает дальний параметрический прием в морской среде волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в низком, инфранизком и дробном диапазонах частот.
Физическая сущность дальнего параметрического приема гидрофизических волн в морской среде может быть представлена на основе следующих закономерностей. Известно, что параметры гидрофизических полей нелинейной морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, изменяют (модулируют) ее характеристики (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал "Известия ВУЗов". - Электромеханика, N 4. 1995). Исходя из этого считается, что влияние гидрофизических полей на просветные сигналы осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды.
По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает специальное изменение (увеличение или уменьшение) плотности и (или) температуры водной среды и распределение этих величин на пути распространения сигналов в морской среде. Изменение этих параметров в сторону увеличения можно производить различными способами, но основным из них является формирование в заданном направлении излучения-приема волн протяженной нелинейной области. Для биологических скоплений - это пузырьковая область организмов, например рыб, для морских судов - это пузырьковый кильватерный след. Такие изменения могут быть внесены также другими специальными способами и средствами.
Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят так называемые нелинейные параметры среды, которые невелики. Для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 10°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°С величина Е составляет порядка 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот и на глубинах до 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. Поэтому дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично. Для этого необходимо применять иные способы и средства повышения нелинейного взаимодействия волн.
Математическое объяснение процесса закономерностей распространения электромагнитной волны описывается уравнением диффузии, которое выводится на базе теории взаимодействия электромагнитной волны и проводящей жидкости, приблизительно описывающей электропроводящую морскую среду.
Закономерности параметрического формирования электромагнитных колебаний в проводящей морской среде и их измерение, как модуляционных признаков просветных акустических волн, 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 низких и инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров. 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 и практические пути реализации 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 механистические 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 пространственной параметрической антенны, как просветной гидроакустической линии, описывается 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;
υ - удельный объем.
s
P
t
Используя соотношение между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gυ/Gβ, можно получить выражение для фазовой скорости
эм
(t)
зв
эм
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. Т.е. 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. 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 изобретения, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования (модуляции) 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 и их гармоник).
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема заявленного устройства; на фиг.2 показаны узкополосные спектры сигналов накачки среды, зарегистрированные на трассах протяженностью 20 км; на фиг.3 показаны узкополосные спектры сигналов накачки среды, зарегистрированные на трассах протяженностью 40 км (в качестве измеряемых информационных сигналов использовались излучения морского судна); на фиг.4 и 5 приведены узкополосный спектр и спектрограмма сигналов накачки с частотой 400 Гц, соответственно, промодулированных электромагнитными излучениями морского судна (протяженность трассы составляла около 50 км); на фиг.6 представлены спектрограммы просветных сигналов с частотой 400 Гц, промодулированных гидродинамическими волнами, сформированными синоптическими процессами (за время полного периода прохождения циклона, при этом протяженность участка морской среды составляла около 350 км).
Испытания гидроакустической системы параметрического приема волн различной физической природы в морской среде были проведены в два этапа. Экспериментальными исследованиями, выполненными на первом этапе в условиях морской бухты, протяженность которой составляла около 200 м, была подтверждена эффективность параметрического приема электромагнитных волн с использованием акустической накачки морской среды. Этими испытаниями реализована закономерность эффективного взаимодействия акустических и электромагнитных волн при их совместном распространении в проводящей морской среде. Была подтверждена также 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.
На втором этапе были проведены натурные испытания гидроакустической системы параметрического приема волн на стационарных гидроакустических трассах протяженностью десятки-сотни километров. 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 электромагнитных волн использовалось морское судно (электромагнитное поле корабля на частоте электропитания 400 Гц), который, маневрируя, многократно пересекал контролируемую среду и модулировал низкочастотные акустические сигналы подсветки среды.
Заявленный аппаратный комплекс содержит низкочастотный тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный мощным низкочастотным излучателем 2 (например, подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400, излучающим на частоте около 400 Гц), источник излучения информационных сигналов 3, например, морское судно, приемный акустический преобразователь 4, который может быть радиорелейно связан с трактом приема, обработки и регистрации сигналов 5. При установке на судне или использовании на стационарных объектах приемный преобразователь 4 и тракт приема 5 могут составлять единый аппаратный комплекс системы контроля среды.
В качестве источников информационных сигналов (волн) 3 использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также излучения специальных источников формирования волн различной физической природы. Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты или иных сложных сигналов 6, тиристорный инвертор 7, блок согласования его выхода с кабелем 8 и далее с излучателем 2 (см. фиг.1).
Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 5 представляет электронную схему, содержащую широкополосный предварительный усилитель 9, вход которого связан с приемным преобразователем 4, преобразователь временного масштаба волн 10, узкополосный спектроанализатор 11 и функционально связанный с ним рекордер 12. Кроме того, на чертежах показана контролируемая морская среда 13 и область нелинейного взаимодействия волн накачки и информационных сигналов 3 (рабочая зона) 14.
Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде работает следующим образом.
Излучатель 2 с приемным преобразователем 4 размещают с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. Это обеспечивает эффективное формирование и использование области взаимодействия просветных волн и информационных сигналов. Излучения источника информационных сигналов 3 приводят к изменению механистических 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.
Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами. Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью контролируемого участка морской среды пространственной рабочей зоны взаимодействия волн, что обеспечивает также решение известной проблемы дальнего параметрического приема «волн малых амплитуд».
Результаты натурных экспериментов подтверждают основные положения и отличительные признаки заявляемой системы, заключающиеся 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. В известных параметрических системах дальность параметрического приема волн составляет сотни метров - единицы километров.
Очевидно, что и другие инфранизкочастотные акустические, электромагнитные и гидродинамические волны различной физической природы, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, внутренними волнами, землетрясениями или цунами) будут надежно и своевременно зарегистрированы.
Возможность дальнего и сверхдальнего 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 инфранизкого и дробного диапазонов частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации на рекордерах или наблюдения на дисплее.