СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН ИЗ МОРСКОЙ СРЕДЫ В АТМОСФЕРУ И ОБРАТНО
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION WAVES FROM SEA MEDIUM INTO ATMOSPHERE AND BACK

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно может быть использовано в системах освещения обстановки, комплексного мониторинга полей различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, с использованием технологии дальней передачи информационных волн в морской среде, а также из морской среды в атмосферу и обратно.
Известен способ направленного параметрического излучения и (или) приема в морской среде низкочастотных акустических волн, основанный на нелинейном взаимодействии волн близкой звуковой частоты и формировании низкочастотных информационных волн разностной частоты. (Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная акустика. - Л.: Судостроение, 1981. - С.7-12)
Недостатками этого технического решения являются: малая дальность передачи-приема волн в морской среде, значительные габариты излучающих и приемных электроакустических преобразователей, что характерно для низких частот, а также низкая эффективность системы передачи-приема информационных волн.
Известен также способ передачи упругой волны в морской среде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой информационной волны, при облучении (накачки) среды бигармоническими сигналами близкой звуковой частоты. В основе процесса формирования и передачи упругих волн лежит эффект нелинейного взаимодействия звуковых волн в среде за счет применения мощных сигналов накачки. Нелинейное взаимодействие упругих волн в морской среде обеспечивает проявление ряда дополнительных положительных эффектов, например, позволяющих формировать узкие диаграммы направленности на разностной частоте, а также выполнять сканирование этих узких диаграмм направленности в пространстве. В этом способе также эффективно используется частотная или частотно-фазовая модуляция исходных сигналов накачки и множество других важных прикладных технических эффектов. (Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - С. 7-12)
Недостатком этого технического решения является низкая эффективность формирования параметрических составляющих, которая находится в пределах от 0,01 до 0,1% и, связанная с этим малая дальность передачи-приема информационных волн.
7
Известен способ передачи упругой волны в морской воде (варианты). Способ включает в себя формирование параметрической антенны излучателя с одновременным излучением в морскую среду упругой волны (Патент №216745 RU, МПК G10K 11/00, G10K 15/02 от 15.12.1998). Рассматриваемое техническое решение является параметрическим способом формирования и передачи информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в проводящей морской среде. Способ реализуется за счет формирования параметрической антенны в зоне расположения излучателя и введения в эту зону модулирующего нелинейного возмущения среды или сигналов иной физической природы, например полей морского судна (акустических, электромагнитных, гидродинамических).
Основными недостатками этого технического решения, которые предполагается устранить в заявляемом способе, являются: низкий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования формируемых информационных волн в ближней зоне излучателя и, как следствие этого, малая дальность передачи-приема информационных волн в морской среде, а также ограниченная информационная емкость передаваемых сообщений. Передача информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно в способе не предусмотрена.
7
Известен также способ передачи информационных волн в морской среде (патент №2472236 RU, МПК G10K 11/00 от 15.06.2011). Сущность реализованного в способе технического решения заключается в формировании в дальней зоне излучателя рабочей зоны, в которую вводят сигналы передаваемой информации или волны иной физической природы, например акустические и (или) электромагнитные поля или гидродинамические возмущения, формируемые морскими судами и аппаратами как информационные волны. Рассматриваемый способ по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и в этой связи выбран в качестве прототипа.
Способ-прототип имеет недостатки, которые будут устранены в заявляемом изобретении. Основными недостатками технических решений способа-прототипа являются: низкий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования передаваемых информационных волн и сигналов подсветки (накачки) среды, которая проводится в дальней рабочей зоне излучателя и, как следствие этого, малая дальность передачи-приема информационных волн в морской среде, а также ограниченная информационная емкость передаваемых сообщений. Кроме того, в способе не решается задача повышения помехоустойчивости параметрического приема информационных волн в условиях протяженного гидроакустического канала многолучевого распространения волн. Не рассматривается также решение задачи дальнего параметрического приема гидрофизических волн инфразвукового и дробного диапазонов частот, а также передача сформированных и выделенных при анализе информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно.
Указанные недостатки устраняются путем применения в системе следующих технических решений. Прежде всего, за счет формирования в морской среде сплошной нелинейной рабочей зоны на всей трассе распространения просветных сигналов между излучающим и приемным преобразователями измерительной системы. Введения в эту область информационных волн подводной связи или волн иной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками среды. Информационные волны различной физической природы при распространении нелинейно взаимодействуют с просветными волнами в рабочей зоне морской среды. Помехоустойчивый параметрический прием информационных волн в протяженном канале распространения достигается за счет фазового приема и обработки сигналов. Для этого в контролируемой среде устанавливают два горизонтально разнесенных приемных преобразователя (при одном излучающем преобразователе), измеряют разность фаз принимаемых сигналов, затем проводят узкополосный спектральный анализ и выделяют из них информационные сигналы, которые передают по радиоканалу в атмосферу в информационно-аналитический центр (ИАЦ). В ИАЦ проводят их обработку, анализ и идентификацию, на основании которой формируют сигналы управления (коррекции режимов излучения-приема информационных волн) и передают их как управляющие в излучающий тракт системы.
Исходя из этого, целью заявляемого изобретения является повышение нелинейного взаимодействия волн подсветки среды и информационных волн за счет формирования сплошной рабочей зоны их нелинейного взаимодействия на всей трассе распространения просветных волн. Поставленная цель обеспечивает достижение совокупного технического эффекта, который заключается в следующем. За счет использования волн различной физической природы, излучаемых судами и подводными аппаратами, обеспечивается увеличение емкости передаваемой и принимаемой информации. Принципиально новым и значимым техническим решением является обеспечение возможности передачи информации о наличии в контролируемой среде полей источников различной физической природы, а также сигналов подводной связи из морской среды в атмосферу. После анализа, идентификации и необходимой корректуры полученных информационных волн в ИАЦ, расположенного в атмосфере, осуществляется их обратная передача в измерительную систему для управления ее работой.
Для решения поставленной задачи способ передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно заключается в формировании в среде нелинейной рабочей зоны, которую создают за счет излучения сигналов близкой звуковой частоты и введения в нее сигналов передаваемой информации или информационных волн различной физической природы, искусственных и естественных источников. Принципиальное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что один излучающий и два приемных акустических преобразователя размещают на противоположных границах среды и формируют между ними сплошную нелинейную рабочую зону из двух горизонтально разнесенных в зоне приема просветных параметрических антенн. С помощью этих антенн нелинейно преобразованные просветные волны принимают и по двум каналам усиливают в полосе параметрического преобразования, измеряют сигналы разности их фаз, которые преобразуют в высокочастотную область, измеряют их узкополосные спектры и регистрируют. С учетом параметрического преобразования в среде, а также частотно-временного преобразования в приемном тракте системы проводят их идентификацию.
Сигналы узкополосных спектров с выхода анализатора передают по каналу радиосвязи в расположенный в атмосфере ИАЦ. В ИАЦ на основе системного анализа проводят идентификацию информационных волн, вводят необходимую корректуру и осуществляют передачу информационных волн обратно в излучающий тракт системы для управления процессом излучения просветных волн. Кроме того, в качестве информационных волн различной физической природы используются поля естественных и искусственных источников морской среды, например акустические, электромагнитные и гидродинамические поля морских судов и подводных аппаратов. Кроме того, частоту сигналов подсветки среды близкой звуковой частоты устанавливают в интервале десятки-сотни герц. Кроме того, морское судно или подводный аппарат располагают на линии излучения-приема просветных сигналов и с использованием гидроакустических принимают и передают необходимую информацию. Кроме того, информационные сигналы с выхода ИАЦ передают по каналам радиосвязи другим участникам использования Региональной системы контроля морской обстановки.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функционально связанные задачи.
Отличительный признак, указывающий на то, что «один излучающий и два приемных акустических преобразователя размещают на противоположных границах среды и формируют между ними сплошную нелинейную рабочую зону из двух горизонтально разнесенных в зоне приема просветных параметрических антенн», обеспечивает возможность построения пространственно-развитой просветной параметрической системы передачи - приема информационных волн.
Отличительный признак, указывающий на то, что «нелинейно преобразованные просветные волны принимают и по двум каналам усиливают в полосе параметрического преобразования», обеспечивает эффективный прием нелинейно преобразованных просветных волн и последующее выделение из них информационных волн различной физической природы.
Отличительный признак, указывающий на то, что «измеряют сигналы разности их фаз», обеспечивает возможность реализации в системе мониторинга фазовой обработки сигналов как наиболее помехоустойчивой.
Отличительный признак, указывающий на то, что измеренные сигналы разности фаз «преобразуют в высокочастотную область», обеспечивает последующую возможность выделять информационные волны в диапазоне частот единицы-доли герц, в том числе с использованием штатных анализаторов спектра.
Отличительный признак, указывающий на то, что в выделенных и перенесенных в высокочастотную область сигналах разности фаз «измеряют узкополосные спектры», обеспечивает возможность выделения и разделения информационных волн по частоте.
Отличительный признак, указывающий на то, что выделенные при спектральном анализе информационные волны «регистрируют и с учетом параметрического преобразования в среде, а также частотно-временного преобразования в приемном тракте системы, проводят их идентификацию», обеспечивает достижение заключительного этапа работы системы - дальний параметрический прием и идентификацию информационных волн.
Отличительный признак, указывающий на то, что «сигналы узкополосных спектров с выхода анализатора передают по каналу радиосвязи в расположенный в атмосфере информационно-аналитический центр, в котором на основе системного анализа проводят идентификацию информационных волн», обеспечивает решение первого этапа заключительного технического эффекта - передачу измеряемой многофункциональной информации из морской среды в атмосферу.
Отличительный признак, указывающий на то, что в результате анализа информации в системном блоке «вводят необходимую корректуру и последующую передачу информационных волн обратно в излучающий тракт системы для управления процессом излучения просветных волн», обеспечивает завершение процесса - передачи информационных волн из атмосферы обратно в морскую среду.
Дополнительный отличительный признак, указывающий на то, что «в качестве информационных волн различной физической природы используются поля естественных и искусственных источников морской среды, например акустические, электромагнитные и гидродинамические поля морских судов и подводных аппаратов», обеспечивает расширение технологических возможностей измерительной системы, а именно как системы формирования и передачи информационных волн, так и системы мониторинга полей различной физической природы на протяженных морских акваториях.
Дополнительный отличительный признак, указывающий на то, что «частоту сигналов подсветки среды близкой звуковой частоты устанавливают в интервале десятки-сотни герц», обеспечивает возможность формирования системы связи, а также мониторинга полей среды и объектов на просветных трассах протяженностью десятки - сотни километров.
Дополнительный отличительный признак «морское судно или подводный аппарат располагают на линии излучения - приема просветных сигналов и с использованием корабельных или забортных гидроакустических станций принимают или передают необходимую информацию», расширяет состав участников формирования и работы радиогидроакустической системы контроля морской обстановки с использованием многостороннего обмена многофункциональной информацией.
Дополнительный отличительный признак «информационные сигналы с выхода ИАЦ по каналам радиосвязи передают другим участникам использования Региональной системы контроля морской обстановки», расширяет технические характеристики создаваемой радиогидроакустической системы и обеспечивает возможность ее реализации как широкомасштабной, в том числе, Региональной.
Рассмотренные технические решения, включающие: параметрическую модель нелинейной просветной гидроакустики и закономерности нелинейного взаимодействия волн различной физической природы при распространении в протяженном гидроакустическом канале изложены в монографии. (Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий: Монография / М.В. Мироненко, A.M. Василенко, П.А. Стародубцев, В.А. Пятакович. - Владивосток: Филиал ВУНЦ ВМФ «ВМА им Н.Г. Кузнецова», 2013. - С. 3-72)
Проведем анализ закономерностей нелинейного взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской среде. Известно, что параметры гидрофизических полей среды, в которой распространяется упругая волна, влияют на ее параметры, через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды. (В.А. Воронин, И.А. Кириченко. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости распространения звука. Журнал «Известия ВУЗов», Электромеханика. - N 4. - 1995)
По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает специальное изменение (увеличение) плотности и (или) температуры водной среды и распределения этих величин в дальней зоне излучателя или 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, для упругих и электромагнитных волн атмосферы - это приповерхностный слой морской среды, для геофизических волн земной коры - это верхний слой морского дна. Сформированные в морской среде нелинейные области способствуют повышению эффективности нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования информационных волн с просветными волнами.
Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят нелинейные параметры морской среды. Последние 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 дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично.
Теоретическая основа взаимодействия акустических и электромагнитных волн 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 упругой волны по модулированной в пространстве нелинейной среде ее параметры будут также модулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Из-за параметрического нелинейного влияния среды на сигнал спектр упругой волны изменяется, в нем появляются высокие гармоники и низкочастотные составляющие сигнала. За счет эффектов механических потерь в воде упругие волны низкой частоты будут распространяться на большие расстояния, а высокочастотные быстро затухнут. Поскольку область параметрического взаимодействия сигнала с модулированной средой составляет несколько длин упругой волны (сигнала разностной частоты), то в среде формируется диаграмма направленности акустически прозрачной антенны. Тип антенны и физика формирования диаграммы направленности в этом случае подобна формированию диаграмм направленности нелинейной гидроакустической антенны.
Процесс формирования акустической параметрической антенны можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
_
где  коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
P - давление; ρ - плотность; υ - удельный объем.
s
p
t
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gυ/Gβ, можно получить выражение для фазовой скорости
.
эм
зв
эм
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления P при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени. Это происходит в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой волной в проводящей морской среде. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в рассматриваемом случае 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(t) 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 другие типы нелинейного взаимодействия, в случае положительного явления с электромагнитными волнами, также должны существовать в морской нелинейной среде.
Испытания предлагаемого способа были проведены в два этапа. На первом этапе выполнены морские измерения в мелководной бухте на трассах протяженностью сотни метров-километры. На втором этапе проведены широкомасштабные натурные испытания на стационарных просветных трассах протяженностью десятки километров, которые подтвердили эффективность заявляемого способа.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 - структурная схема реализации заявленного способа.
На фиг. 2 приведен уровень информационных волн разностной частоты, направленно сформированных нелинейной областью кильватерного следа катера. Частота гармонических сигналов накачки (подсветки среды) составляла 1040 Гц и 960 Гц. Частота сформированного информационного сигнала разностной частоты составляла 80 Гц. Протяженность морской трассы передачи информации составляла 25 км.
На фиг. 3 приведены схема эксперимента и спектрограмма первой и второй параметрических составляющих разностной частоты (2 Гц и 1 Гц). Бигармонические сигналы накачки среды излучались на частотах 405 Гц и 407 Гц. Протяженность линии звукоподводной связи составляла 45 км. Протяженная нелинейная область среды (параметрическая антенна) формировалась маневрирующим морским судном.
На фиг. 4 показаны спектрограмма и спектр сигналов информационных волн, сформированных электромагнитными излучениями забортного излучателя, на которых наблюдаются сигналы суммарной и разностной частоты как телеграфные посылки сигнала «SOS». Протяженность линии звукоподводной связи составляла 25 км.
На фиг. 5 приведен спектр электромагнитного поля судна. В спектре наблюдаются параметрические составляющие суммарной и разностной частоты от исходных частот акустической подсветки среды и электромагнитных излучений судна. Протяженность просветной трассы составляла 40 км.
На фиг. 6 приведена спектрограмма шумового поля морского судна, на которой наблюдаются гидродинамическое поле кильватерного следа и дискретная составляющая резонансных колебаний корпуса судна. Частота просветных сигналов составляла 400 Гц, протяженность просветной трассы составляла 40 км.
Приведенные на фиг. 5, 6 результаты дальнего параметрического измерения информационных полей морских судов наглядно подтверждают возможность их использования в решении задач связи и одновременно в задачах мониторинга полей объектов различной физической природы.
Список элементов фиг. 1:
1 излучающий тракт;
2 приемный тракт;
3 излучатель;
4, 5 приемные преобразователи;
6 морское судно;
6а нелинейная область кильватерного следа судна; 6б забортный излучатель;
7 область нелинейного взаимодействия волн накачки и информационных сигналов (рабочая зона);
8 генератор сложных сигналов подводной связи;
9 генератор просветных сигналов близкой стабилизированной частоты;
10 усилитель мощности;
11 блок согласования;
12 двухканальный широкополосный усилитель;
13 фазометр;
14 преобразователь частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область;
15 анализатор спектров;
16 регистратор;
17, 21 передающие радиоблоки;
18 информационно-аналитический центр;
19, 22 приемные радиоблоки;
20 блок системного анализа;
23 контролируемая морская среда;
24 морская поверхность;
25 морское дно;
26 геофизические волны морского дна;
27 гидрофизические поля морской среды.
Для реализации способа необходим аппаратурный и технический комплекс, содержащий: тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный излучателем 3, приемные акустические преобразователи (приемники) 4 и 5, приемный тракт системы 2, источники формирования волн различной физической природы (морское судно 6, излучающее акустические, электромагнитные и гидродинамические волны; забортный излучатель 6б акустических и (или) электромагнитных сигналов связи), нелинейная область кильватерного следа судна 6а, нелинейная рабочая зона (две горизонтально разнесенные параметрические антенны) 7, как показано на фиг. 1.
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов 1 представляет электронную схему, содержащую генератор сигналов близкой звуковой частоты 8, а также генератор сложных, например частотно-модулированных сигналов 9, усилитель мощности сигналов 10 и блок согласования 11, выход которого по подводному кабелю связан с излучателем 3.
Конструктивно тракт приема, анализа и регистрации сигналов 2 представляет собой электронную схему, содержащую двухканальный полосовой усилитель 12 (входы которого связаны с акустическими преобразователями 4, 5) и блок измерения разности фаз (фазометр) 13, преобразователь временного масштаба в высокочастотную область 14, узкополосный анализатор спектров 15, функционально связанный с ним регистратор (рекордер) спектров 16 и радиоблок передачи 17 измеряемых информационных сигналов в информационно-аналитический центр (ИАЦ), расположенный в атмосфере. ИАЦ включает блок системного анализа информации 20, вход которого через радиоблок приема информации 19 связан с выходом радиоблока передачи информации 17 приемного тракта 2, а выход блока системного анализа информации 20 через радиоблок передачи информации 21 связан с входом приемного радиоблока 22 измерительного тракта 1.
На фиг. 1 также показаны: морская среда 23, морская поверхность 24, морское дно 25, геофизические поля морского дна 26, гидрофизические поля морской среды 27.
Заявленный способ реализуется следующим образом. В контролируемой среде устанавливают два горизонтально разнесенных приемных преобразователя (при одном излучающем преобразователе) и формируют между ними сплошную нелинейную рабочую зону взаимодействия волн как две горизонтально разнесенные в зоне приема просветные параметрические антенны. Информационные волны различной физической природы, формируемые полями судов, подводных аппаратов и источников подводной связи, при распространении нелинейно взаимодействуют с просветными волнами в рабочей зоне морской среды. Нелинейно преобразованные просветные волны принимают, анализируют и выделяют из них информационные сигналы, которые передают по радиоканалу в атмосферу в ИАЦ. В ИАЦ проводят их обработку, анализ и идентификацию, на основании которой формируют сигналы управления (коррекции режимов излучения-приема информационных волн) и передают их как управляющие в излучающий тракт системы. Использование волн различной физической природы, излучаемых судами и подводными аппаратами, обеспечивает в заявляемом способе увеличение емкости передаваемой и принимаемой информации.
Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов, так как оно может быть использовано в радиогидроакустических системах мониторинга и контроля акваторий на основе технологии дальней передачи информационных волн в морской среде, из морской среды в атмосферу и обратно.