БЕРЕГОВОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СИСТЕМЫ МНОГОЧАСТОТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МОРСКОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к акустическим приборам для исследования морской среды, и предназначена для работы в составе системы многочастотного акустического зондирования морской среды.
Система многочастотного акустического зондирования предназначена для дистанционного определения наличия в воде неоднородностей с выраженными резонансными свойствами, такими как газовые пузырьки, рыбы с плавательным пузырем, отдельные виды планктона, содержащие газовые пузырьки (сифонофоры) и другие неоднородности. Изучение рассеяния звука на различных частотах позволяет определить функцию распределения таких включений по размерам.
Функционально системы многочастотного акустического зондирования состоят из берегового (или бортового) аппаратурного комплекса и акустической антенны с набором излучателей с различными резонансными частотами в пределах заданного частотного диапазона. Аппаратурный комплекс включает в себя управляющий процессор, тракт формирования и излучения зондирующих импульсов разных частот в соответствии с частотами излучателей в антенне, трактом приема с фильтрами и усилителями сигналов рассеяния и отражения зондирующих импульсов и систему обработки и хранения полученных данных.
В береговом аппаратурном комплексе применяются различные способы реализации режима многочастотного излучения и приема акустических импульсов. При одновременном излучении всех частот рабочего спектра антенны и затем одновременного приема сигналов, рассеянных на неоднородностях морской среды на различных частотах, исследователь получает мгновенный спектр рассеянных сигналов. Аппаратурно такое техническое решение требует обеспечить высокую селективность всех частотных каналов во избежание взаимного проникновения и искажения данных, а также, в случае использования кабельных линий для передачи сигналов от берегового комплекса к антенне, дорогих многожильных кабелей.
Другой вариант решения задачи - использование последовательного излучения частот рабочего спектра и последовательный прием рассеянных на неоднородностях морской среды сигналов [Буланов В.А., Корсков И.В. Система многочастотного акустического зондирования с временным разделением частот // Приборы и техника эксперимента, 2009. №3. С. 120-122.]. В этом случае сигналы всех частот разделены во времени и исключено взаимное влияние всех частотных каналов, кроме того, при использовании кабельных линий для передачи сигналов от антенны к аппаратурному комплексу достаточно одножильного кабеля для всех частотных каналов. При этом предъявляются минимальные требования к селективности применяемых в береговом комплексе фильтров и упрощается в целом вся схемотехника системы. Недостатком таких систем является тот факт, что спектр рассеянного сигнала формируется постепенно по мере приема сигналов разных частот, то есть не является мгновенным. Морская вода - очень подвижная среда, поэтому следует оценивать заранее какие процессы с какими характерными временами подлежат изучению.
Существуют различные варианты схемотехнических решений береговых комплексов с последовательным излучением и приемом акустических сигналов, например, пат. РФ №101202 U1 РФ.
Описан аппаратурный береговой комплекс системы многочастотного акустического зондирования с последовательным излучением и приемом акустических сигналов (пат. РФ №108642 U1 МПК G01S 15/02 (2006.01).
Комплекс включает в себя процессор управления, обработки и хранения данных, тракт излучения в составе генератора, усилителя мощности, коммутатора сигналов излучения-приема, соединенного через кабель с акустической многочастотной антенной, и тракт приема, состоящий из фильтров, согласующих усилителей, ключей со схемой управления для переключения частотных каналов, амплитудного детектора и АЦП, соединенного с процессором управления.
Такая схема сбора данных имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости иметь в тракте приема набор фильтров и соответствующих им усилителей, равный количеству излучателей в гидроакустической антенне. Это значительно увеличивает объем аппаратуры при увеличении количества частот, что необходимо для улучшения разрешения в спектральной области сигналов.
Наиболее близким к заявляемому является береговой комплекс, описанный в статье (В.А. Буланов, И.В. Корсков, П.Н. Попов. Особенности акустического рассеяния, поглощения и нелинейности в верхнем слое океана /В сб.: Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения Мирового океана», Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, (2-6 октября 2017 г. Президиум ДВО РАН, Владивосток), с. 204-209). Представлено трехчастотная гидроакустическая система, где в тракте приема используется гетеродинное преобразование частот зондирующих сигналов вместо использования селективных усилителей. Береговой комплекс описанной системы взят в качестве прототипа.
Традиционные схемы приемных трактов с гетеродинным преобразованием частот используют разностную (или суммарную), так называемую промежуточную частоту после того, как принятый полезный сигнал перемножается в смесителе на сигнал гетеродина, при этом частота гетеродина при перестройке частоты приемного сигнала синхронно перестраивается таким образом, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной. В дальнейшем промежуточная частота усиливается селективным усилителем с высоким коэффициентом усиления и высокой селективностью, позволяя значительно улучшить соотношение сигнал/шум.
Для систем многочастотного акустического зондирования, как уже отмечалось выше, важным фактором является время измерения всего спектра частот за один цикл измерений в предположении, что свойства среды не изменятся за время измерения. Процедура перестройки гетеродина с одной частоты на другую порождает время нестационарности приемного тракта, причем, для селективных усилителей с высокой добротностью это время увеличивается тем больше, чем выше селективность приемного тракта. Например, обычно диапазон частот зондирования для мелкомасштабных неоднородностей составляет сотни килогерц, при добротности селективного усилителя, равной 20, на частоте 100 кГц время нестационарности составит 200 мкс, за это время акустический импульс пройдет в воде расстояние 30 см, таким образом образуется «мертвая зона» в этой области пространства, где информация о распространении и рассеянии акустического импульса на неоднородностях морской среды будет искажена.
В отличие от обычно применяемых схем гетеродина, в прототипе частота гетеродина не перестраивается, а остается постоянной, а создать двухканальную систему удается благодаря тому, что используются обе, как суммарная, так и разностная частоты, которые получаются при перемножении в смесителе частот двух последовательных входных каналов с частотой гетеродина. При этом частота гетеродина перед началом измерений устанавливается так, чтобы для более нижней частоты зондирующего сигнала при перемножении с частотой гетеродина получалась суммарная, более высокая частота, а для более высокой частоты зондирующего сигнала при перемножении получалась разностная, то есть более низкая частота. В итоге на выходе перемножителя разностная и суммарная частоты равны. Это позволяет использовать один тракт усиления промежуточной частоты без каких-либо перестроек.
Однако такая схема комплекса на позволяет организовать число каналов больше двух, поэтому в статье третий канал цифруется напрямую без гетеродина через двухканальное АЦП.
Проблема состоит в разработке берегового комплекса, позволяющего расширить возможности и информативность исследования.
Проблема решается береговым комплексом, включающим процессор управления, регистрации и обработки акустических сигналов, тракт излучения, выполненный на базе программируемого цифрового генератора зондирующих импульсов и усилителя мощности, соединенного с коммутатором сигналов излучения-приема, один выход которого снабжен разъемом для подключения приемо-излучающей акустической антенны, а другой с трактом приема, состоящим из полосового фильтра, смесителя сигналов, один вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а другой с гетеродинным преобразователем в качестве которого установлен цифровой синтезатор частот с любым набором частот под любые частоты зондирующих сигналов. Выход смесителя соединен с селективным усилителем сигналов промежуточной частоты, выход которого через АЦП соединен с системой регистрации.
Антенны систем многочастотного акустического зондирования имеют заданное количество рабочих частот, поэтому для гетеродинного преобразования требуется соответствующее количество частот гетеродина. Установка цифрового синтезаторов частот позволила формировать в одном гетеродине сигнал в виде суммы необходимого числа частот для гетеродинного преобразования. Эта сумма частот программируется до начала измерений, не изменяется и постоянно генерируется в течение всего цикла измерений и постоянно присутствует на одном из входов смесителя. На другой вход смесителя подаются сигналы, поступающие с антенны в процессе зондирования морской среды. При последовательной смене частоты зондирующего импульса в наборе частот, генерируемых синтезатором, всегда будет присутствовать частота, при перемножении с которой на выходе смесителя сформируется промежуточная частота, соответствующая по амплитуде сигналу зондирующей частоты. Зная последовательность частот зондирования, однозначно определяются порядок принимаемых частотных каналов. Теперь сигналы всех частот зондирования переносятся на одну промежуточную частоту без каких-либо перестроек режимов работы комплекса и усиливаются селективным усилителем с высокой селективностью. Это исключает неравномерность АЧХ приемного тракта, обычно связанной с перестройкой частоты, повышает стабильность работы усилителя при больших коэффициентах усиления, связанные с отсутствием фазовых искажений при перестройке частот. После усиления и фильтрации сигналы промежуточной частоты оцифровываются АЦП и поступают для дальнейшей обработки в процессор.
На Фиг. 1 приведена функциональная схема берегового аппаратного комплекса с применением гетеродинного преобразования частот, где 1 - процессор управления, обработки и хранения данных; 2 - цифровой генератор зондирующих импульсов; 3 - усилитель мощности; 4 - коммутатор сигналов излучения - приема; 5 - выход к антенне; 6 - входной полосовой усилитель приемного тракта; 7 - смеситель частот; 8 - синтезатор частот; 9 - селективного усилитель; 10 - АЦП.
Опытный образец берегового комплекса был собран в основном на основе приборов промышленного производства и состоит из процессора управления, обработки и хранения данных (1), цифрового генератора зондирующих импульсов (2), в качестве которого использовался цифровой генератор сигналов произвольной формы ГСПФ-053 фирмы Руднев и Шиляев (Москва), который формирует последовательность зондирующих импульсов с частотами сигналов излучения, импульсы усиливаются усилителем мощности (3) типа У7-5 и дополнительным высоковольтным каскадом усиления (напряжение излучения составляло от 200 до 400 В), и через диодный коммутатор сигналов (4) поступают на выходной разъем, соединяющий комплекс с антенной (5), которая излучает импульсы в море. Сигналы рассеяния от неоднородностей и отражения от поверхностей возвращаются на антенну и через коммутатор (4), который в паузах между излучениями находится в режиме приема сигналов, поступают на входной полосовой усилитель (6) приемного тракта типа SN-232 фирмы UNIPAN (Польша). В усилителе происходит ограничение полосы пропускания частот до рабочего диапазона антенны и предварительное усиление сигналов. Далее принятые и усиленные сигналы поступают на вход смесителя частот (7), выполненного на интегральной микросхеме перемножителя частот AD633 фирмы ANALOG DEVICE (США), позволяющей перемножать частоты до 6 МГц. На другой вход смесителя постоянно подается ряд частот, генерируемых синтезатором частот (8), в качестве которого использовался цифровой генератор сигналов произвольной формы ГСПФ-053 фирмы Руднев и Шиляев (Москва), соответствующих частотам зондирующего сигнала таким образом, чтобы при перемножении в смесителе их разностные значения точно соответствовали промежуточной частоте селективного усилителя (9) типа SN-233 фирмы UNIPAN (Польша). Дальнейшая обработка принятых сигналов заключается в оцифровке акустических данных в АЦП (10) типа Ла2-USB фирмы Руднев и Шиляев (Москва), и передачи данных в компьютер (1). Используемые при создании опытного образца марки конструктивных элементов приведены в качестве примера одного из возможных вариантов.
В результате новая схема берегового комплекса системы многочастотного зондирования за счет использования в тракте приема в гетеродинном преобразователе вместо одночастотного генератора цифрового синтезатора частот, значительно расширяет возможности берегового комплекса, а именно, теперь он позволяет вместо двух входных частотных каналов формировать любое число каналов под акустическую антенну с любым набором рабочих частот. При замене излучателей антенны на излучатели с другими рабочими частотами требуется только перепрограммировать синтезатор частот без замены усилителей и фильтров. Для восстановления исходного сигнала можно сделать обратное преобразование частот.