Параметрический гидролокатор ближнего действия для экологического мониторинга водных районов

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГИДРОЛОКАТОР БЛИЖНЕГО

ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ РАЙОНОВ

В.Ю. Волошенко,

В настоящее время задача экологического мониторинга внутренних районов России актуальна и может быть в некоторой степени решена при использовании гидролокаторов ближнего действия (ГЛ БД), принципы построения и практической реализации которых в значительной степени обусловлены специфическими информационно-физическими условиями мелководья /1/. Общими характерными чертами ГЛ БД являются использование высокочастотных зондирующих сигналов (01-г 1,0 МГц) и высокая разрешающая способность (разрешаемый объем - доли кубического метра). Использование интерференционных «линейных» антенн в ГЛ БД существенно осложняет лоцирование на небольших удалениях и делает невозможным обнаружение объектов в непосредственной близости от излучателя, что обусловлено как значительной протяженностью ближней зоны дифракции Френеля, гак и маскирующим действием объемной реверберационной помехи, имеющей место уже а момент излучения зондирующего сигнала. Ощутимое отрицательное влияние на работу ГЛ БД в мелководных районах оказывает наличие дополнительных максимумов диаграммы направленности (ДН) как излучающей, так и приемной интерференционных антенн.

Одним из перспективных направлений улучшения тактикотехнических характеристик ГЛ БД является использование при их проектировании, разработке и оптимизации различных эффектов нелинейной акустики /2/, в частности, излучающей и приемной параметрических антенн (ПА). Однако практическое использование существующих нелинейных параметрических приборов (НПП) имеет свои проблемы, связанные с низкой эффективностью генерации локационного сигнала разностной частоты (СРЧ) И = Г2 - Г,, трудностями при осуществлении направленного приема низкочастотных эхосигналов и т.д. Между тем при работе излучающей ПА наряду с генерацией СРЧ в водной среде формируется вторичное высокочастотное излучение - сигналы суммарной частоты (ССЧ) = Г2 -н Г,, вторые гармоники сигналов чакачки 2^ 2, обладающие следующими характеристиками /3/:

1) высокая эффективность генерации компонент вторичного высокочастотного излучения по сравнению с генерацией СРЧ;

2) малый уровень боковых лепестков в ДН;

3) повышенная (в 1,5-г 2 раза) направленность формирующегося вторичного высокочастотного излучения по сравнению с направленностью главного максимума преобразователя накачки на исходных частотах и СРЧ

204

4) широкий диапазон частот вторичных акустических сигналов;

5) кратность частот и фазовая связь распространяющихся в водной среде вторичных 2Г, 2 и первичных Г, 2 акустических сигналов.

Использование данных сигналов в качестве локационных может быть перспективным при реализации режима ближней локации, что обусловлено соответствием характеристик вторичных акустических полей специфике задач экологического мониторинга водных районов - проведению промерных и изыскательных работ, определению толщин насосов и илов на дне водоемов, изучению их структуры и т.д.

Рис. I

В докладе рассмотрены структурная схема и принцип действия гидролокатора ближнего действия, в котором в качестве локационных используются вторичные акустические сигналы низкой (СРЧ р. = Г2 - ^) и высокой (ССЧ Г + = Г2 + ^ ;2^ 2) частот. На рис. 1 и 2 показаны структурная схема

устройства и спектры сигналов в различных его точках соответственно. Гидролокатор ближнего действия содержит: излучающий тракт - два генератора 1,2, которые соединены через последовательно включенные хронизатор - модулятор 3 и усилитель мощности 4 с излучающим преобразователем накачки

205

5 параметрической антенны (ПА); низкочастотный (НЧ) приемный тракт -приемный преобразователь 6 акустических сигналов разностной частоты

Н. = ^ ^, соединенный через последовательно включенные полосовой

фильтр 7, усилитель 8, детектор 9 с первым входом индикатора 10; высокочастотный (ВЧ) приемный тракт - приемный преобразователь 11 акустических сигналов суммарной частоты Г + = [2 + Г,,вторых гармоник 2^ 2 накачки, соединенный через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров (12,13,14), усилителей (15,16,17), детекторов (18,19,20) с тремя входами перемножителя 21, выход которого соединен со вторым входом индикатора 10, причем, третий вход индикатора 10 соединен с дополнительным выходом хронизатора - модулятора 3. Работа устройства происходит следующим образом. Генераторы 1 и 2 вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы 1Л, Ш с частотами ГРГ2, поступающие на два входа хронизатора-модулятора 3, на выходе которого получа-

Ш

I

т ' Г> т

из г2 Т т

114 1 їь- Т V т Т т

из Г, г* Г+

116 ¥_ I

1)7 Ш 2Г, у

т

2Г,

Рис. 2

ем радиоимпульс 113, представляющий собой видеоимпульс с бигармониче-ским ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности 4 поступает на акустический преобразователь 5, излучающий зондирующий сигнал накачки в водную среду, обладающую нелинейностью. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами ^;Г2 в канале распространения, результатом которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной И = 12 - ^ , так и суммарной ^ = Г2 + Г, частот, вторых гармоник 2({ 2 волн накачки.

206

Полигармонический зондирующий сигнал распространяется до объекта ло-цирования, отражается от него и, распространяясь обратно, достигает приемных преобразователей 6 и 11 НЧ и ВЧ приемных трастов параметрического локатора (акустический сигнал 114). На выходе НЧ приемного тракта после фильтрации (фильтр 7), усиления (усилитель 8) и детектирования (детектор 9) выделяется электрический сигнал 115, идентичный эхо-сигналу разностной частоты = Г2 — Г|, который подается на первый вход индикатора 10, синхронизируемого хронизатором-модулятором 3. На выходах ВЧ приемного тракта после фильтрации (фильтры 12,13,14), усиления (усилители 18,19,20) выделяются электрические сигналы: 117 - с частотой Г+ = ^ + Г2,116 - с частотой 2Г[; 118 - с частотой 2Чг, что обусловлено настройкой соответствующих полосовых фильтров 12,13,14.

Электрические сигналы Ш, иб, 118 подаются на перемножитель, на выходе которого получают напряжение Ы9 = и7*1.’6*Ш, поступающее на второй вход индикатора 10. Таким образом, результирующая ДН приемного преобразователя параметрического импульсного локатора на вторичных высокочастотных акустических сигналах Г+,21*12 определяется произведением ДН приемной антенны для указанных сигналов, причем, подбирая значения величин частот I7, ,Г2 исходных сигналов накачки, можно формировать практически безлепестковые характеристики направленности приемной антенны ВЧ тракта параметрического импульсного локатора.

Морские испытания макета параметрического гидролокатора ближнего действия были проведены на акватории Таганрогского залива с глубинами от 3-х до

6-ти метров. Антенная система устанавливалась на поворотновыдвижном устройстве (заглубление - 0,15м от поверхности вода - воздух), закрепленном к борту судна. При зондировании донной поверхности использовались различные сочетания рабочих низкочастотных и высокочастотных вторичных сигналов, причем, регистрировались осциллограммы эхосигналов с экрана двухлучевого осциллографа - индикатора. Анализ полученных осциллограмм показал, что формирующиеся вторичные акустические высокочастотные сигналы эффективно отражаются от верхнего слоя морского дна -жидкого ила, не проникая в более плотные осадки, в то время как низкочастотные СРЧ гораздо хуже отражаются от верхнего водоподобного слоя при более эффективном проникновении в слоистую структуру плотных осадков, интерференция огражений от которых и дает результирующий донный импульс.

Таким образом, высокочастотный сигнал можно использовать для точной регистрации верхней кромки жидкого ила, а низкочастотный - нижней, причем, толщину слоя жидкого ила характеризует величина расхождения передних фронтов донных импульсов для низкочастотного и высокочастотного сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Яковлев А.К, Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983. - 200 с.

207

2. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

3. Вопощенко В.Ю., Душаткин В.И. Экспериментальное исследование параметрических антенн в режиме генерации волн суммарной частоты. - Меж-дувед. тематич. сб. научных работ. Прикладная акустика. - Таганрог: ТРТИ, 1983.-Вып. 9.-с. 107-II2.

4. Патент на изобретение № 2133047 РФ, 60015 15/60. Параметрический эхо-импульсный локатор - Волощенко В.Ю. (Таганрогский государственный радиотехнический университет.) - № 96113762/09; Заявлено 05.07.96; Опубл. 10.07.99; Бюл. № 19-8с.

ПЕЛЕНГАЦИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ АНТЕННОЙ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА ПРИ МОНИТОРИНГЕ ПРОТЯЖЕННЫХ АКВАТОРИЙ МЕЛКОГО МОРЯ

А.В. Аграновский, Е.В. Рашидова , А.В. Розенберг

Using of motion factor of a source, a detection algorithm of the moments of time was designed. During these moments an entire antenna appear within a single zone of interference maximum of sound field, were its directivity of array in waveguide coincides with directivity of the same array in boundless space with an error not above 0.1 dB.

При гидроакустическом зондировании протяженных акваторий мелкого моря часто излучение сигнала осуществляют с помощью буксируемого источника, а прием - с помощью горизонтальной стационарной ( в том числе донной ) антенны. В этих случаях возникает необходимость динамического самосогласованного позиционирования движущегося источника относительно антенны, расположенной на больших от него удалениях. Формирование диаграммы направленности является наиболее быстрым и простым способом определения пространственного положения источника. Однако, для формирования диаграммы направленности необходимо обеспечить справедливость приближений безграничного пространства и плоской волны [1]. Многократные отражения от поверхности и дна океана при распространении звуковых волн в условиях мелководья приводят к тому, что отклик протяженной горизонтальной антенны в волноводе, определяемый как нормированная зависимость величины интенсивности сигнала на выходе антенны от направления звуковой волны в общем случае отличается от квадрата модуля характеристики направленности этой же антенны в безграничном простран-

208 _________