Автономная низкочастотная широкополосная гидроакустическая излучающая станция

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована для создания автономных подводных низкочастотных излучающих систем в интересах акустической томографии океана, когерентной гидроакустики, а также позиционирования обитаемых и необитаемых подводных аппаратов.
Одним из современных и перспективных методов для решения задач акустической томографии в океане является зондирование водной среды с помощью когерентных (частотно-модулированных, фазоманипулированных) гидроакустических сигналов. Наиболее удобным способом излучения сложных сигналов является использование автономных донных гидроакустических излучающих станций. Постановка излучателя на дно дает возможность стабилизировать измерительные трассы распространения сигнала, а автономность позволяет производить работы в произвольной акватории не привязываясь к береговой инфраструктуре.
Известен глубоководный низкочастотный гидроакустический излучатель для систем акустической томографии (п. РФ №2376696). Устройство обеспечивает возможность эффективного излучения направленных сигналов на частотах диапазона первых сотен герц при больших глубинах погружения. Излучатель также имеет широкополосный электромагнитный преобразователь с высоким КПД и усилитель мощности, но отсутствует возможность работы в автономном режиме, необходимо судно носитель. Также отсутствует система синхронизации с другими устройствами и канал записи излучаемого гидроакустического сигнала.
Известно устройство для излучения гидроакустических сигналов (п. РФ №2010457). Изобретение может быть использовано для создания подводных излучателей с заданным спектром гидроакустических сигналов. Устройство содержит широкополосный гидроакустический преобразователь, а также канал записи сигнала на гидрофон. Имеется усилитель мощности, подключенный соответственно к входу преобразователя. Но устройство не предназначено для работы в автономном режиме и не имеет системы синхронизации и не может выполнять функции подводного маяка для позиционирования подводных аппаратов.
Известно устройство автономный излучатель, генерирующий тональный акустический сигнал и частотно модулированный сигнал (А.Н. Рутенко Влияние внутренних волн на потери при распространении звука на шельфе // Акустический журнал, 2010, том 56, №5, с. 662-672) используемый для проведения акустико-океанологических исследований в океане. Автономный излучатель имеет гидроакустический преобразователь электромагнитного типа, усилитель мощности, но не имеет канала записи излучаемого сигнала и системы синхронизации с другими устройствами.
Наиболее близким к заявляемой станции по технической сущности является приемоизлучающая когерентная гидроакустическая система, которая включает герметичный корпус с компенсатором гидростатического давления, автономным источником электропитания, низкочастотным широкополосным электромагнитным излучателем, соединенным последовательно с усилителем мощности и электронным блоком управления, а также канал регистрации излученного сигнала, включающий электронный коммутатор и приемные антенны. Предложенная функциональная схема системы позволяет осуществлять модулирование излучаемого низкочастотного широкополосного гидроакустического сигнала с получением монохроматического (тональный), линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) и многочастотного (МЧ) сигналов (п. РФ №2904150 С1).
Однако, данная система не имеет возможности синхронизации работы с другими устройствами в составе сложных многоэлементных комплексов и не имеет возможности излучать фазоманипулированные сигналы, что существенно ограничивает область ее применения для задач акустической томографии и делает невозможным применение в качестве подводного маяка для навигации подводных аппаратов, а также более сложна в установке и обслуживании.
Техническая проблема состоит в расширении видов автономных низкочастотных широкополосных гидроакустических излучающих станций, обладающих расширенными функциональными возможностями.
Технический результат заключается в обеспечении синхронизации работы нескольких станций в составе многоэлементных излучающий комплексов.
Данный результат достигается с помощью автономной низкочастотной широкополосной гидроакустической излучающей станции, включающей снабженный компенсатором гидростатического давления герметичный корпус, во внутренней полости которого установлены аккумуляторная батарея для питания элементов станции, оборудованный каналом синхронизации микроконтроллерный блок управления, соединенный с высокостабильным термостатированным кварцевым генератором тактовой частоты и через аналого-цифровой преобразователь и масштабирующий усилитель, соединенный с установленным на корпусе приемным гидрофоном, а через усилитель мощности с электромагнитным гидроакустическим преобразователем.
Станция может быть снабжена энергонезависимой твердотельной SD памятью, соединенной с микроконтроллерным блоком управления.
Таким образом за счет оборудования станции системой синхронизации, состоящей из термостатированного кварцевого генератора для поддержания стабильной тактовой частоты микроконтроллерного блока управления и АЦП в автономном режиме работы станции и канала синхронизации на микроконтроллерном блоке управления для запуска работы станции, существенно расширяются функциональные возможности станции, так как появляется возможность осуществлять синхронное согласованное излучение не только гармонических, частотно-модулированных, но дополнительно и фазоманипулированных сигналов с высоким качеством, что позволяет существенным образом расширить перечень используемых методик для задач акустической томографии, кроме того появляется возможность использования станции в качестве подводных маяков для позиционирования подводных аппаратов.
На фиг. представлена функциональная схема заявляемой автономной станции, где 1 - микроконтроллерный блок управления, 2 - карта памяти SD, 3 - усилитель мощности, 4 - электромагнитный гидроакустический преобразователь, 5 - приемный гидрофон, 6 - масштабирующий усилитель, 7 - АЦП, 8 - тактовый генератор.
Устройство работает следующим образом. Во время подготовки станции к работе накачивается воздухом компенсатор гидростатического давления (на фиг. 2 не показан) для электромагнитного излучателя, подается питание с аккумуляторной батареи (на фиг. не показана) на микроконтроллерный блок управления и усилитель мощности. Микроконтроллерный блок управления (1) (например, PIC32MM0064GPL036 (MicroChip), коммутирует Вх. 1 (вход тракта приемного гидрофона) и переходит в режим ожидания внешнего синхросигнала запуска работы станции, подаваемого на Вх. С - вход системы синхронизации. Это может быть сигнал, например, с устройства точного времени (например, Глонасс, GPS или другой внешний сигнал) и в дальнейшем синхронизация поддерживается с помощью высокостабильного термостатированного тактового генератора (8). В режим ожидания сигнала с микроконтроллерного блока управления (1) переходит и усилитель мощности (3). Тактовая частота для блока управления (1) и «АЦП» (7) (например, ADS 1264 с частотой дискретизации 10 кГц, TexasInstruments), подается с высокостабильного термостатированного тактового генератора (8) (например, МХО37/8Р, Мэджик Кристалл). При поступлении на Вход «С» блока управления внешнего сигнала по заранее установленной программе работы станции запускаются процессы формирования и передачи на усилитель мощности (3) излучаемого сигнала, а также преобразования сигнала, поступающего на Вх. 1, на который по SPI протоколу поступает прошедший масштабирующий усилитель (6) и оцифрованный АЦП (например, 32-х битным) (7) излученный станцией гидроакустический сигнал, принятый гидрофоном (5) (например, в виде пьезокерамического модуля приемно-усилительного ЭПБА 3). Данные накапливаются в буфере памяти микроконтроллерного блока управления и затем, при необходимости, блоками выдаются на цифровой Вых. 2 для записи на энергонезависимую карту памяти (2) типа SD емкостью, например, 128 Гбайт, что позволяет обеспечить непрерывность записи на срок до трех месяцев. Излучаемый станцией сигнал формируется по заданной программе и с микроконтроллерного блока управления подается через аналоговый Вых. 1 на усилитель мощности (3), затем на электромагнитный излучатель (4), вследствие чего происходит излучение гидроакустического сигнала в водную среду. Формирование типов и продолжительности сигналов определяется программой блока управления, которая составляется предварительно исходя из условий и задач применения излучающей станции.
В качестве электромагнитного излучателя возможно использование известных широкополосных низкочастотных излучателей, например, излучателя, описанного в прототипе, или в п. РФ №168944 U1 или аналогичных, что определяется задачей использования.
Предлагаемая конструкция станции позволяет, например, использовать заявляемую станцию в режиме подводного маяка для позиционирования подводных аппаратов несколько заявляемых автономных низкочастотных широкополосных гидроакустических излучающих станций устанавливают на дно в районе использования подводных аппаратов и синхронно периодически излучают фазоманипулированные сигналы на различных несущих частотах в границах рабочего диапазона. На подводных аппаратах устанавливается приемный гидрофон и специальный блок обработки данных, в памяти которого находятся точные координаты постановки автономных излучателей и опорные сигналы соответствующих им частот, а также точное синхронизированное время их излучения. Затем в блоке обработки производится операция свертки полученного с приемного гидрофона (5) сигнала с опорными сигналами блока, в результате которой получают времена прохождения сигнала от маяков до подводного аппарата и, зная скорость звука, методом триангуляции определяют текущее положение аппарата.
Таким образом, наличие синхронизации с другими устройствами и использование фазоманипулированного зондирующего сигнала позволит расширить область применения автономных низкочастотных широкополосных гидроакустических излучающих станций в направлении расширения возможностей в области акустической томографии и построения системы позиционирования для подводных аппаратов в произвольной акватории.