АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
ACOUSTIC PARAMETRIC RECEIVER

Изобретение предназначено для направленного приема акустических сигналов в различных средах и может быть использовано в гидроакустике, при локации, регистрации шумов, а также во всех областях науки и техники, связанных с необходимостью направленного приема акустических сигналов.
Известно устройство для параметрического приема акустических сигналов, использующее эффект взаимодействия принимаемого низкочастотного сигнала с вспомогательным высокочастотным акустическим сигналом [1] и содержащее генератор высокочастотного электрического напряжения, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте со вторым акустическим преобразователем, соединенным через последовательно соединенные избирательный усилитель и узкополосный фильтр с регистратором. Высокочастотное напряжение с генератора поступает на акустический преобразователь, излучающий в среду вспомогательный высокочастотный акустический сигнал, который распространяется в среде и принимается вторым акустическим преобразователем. Электрический сигнал с этого преобразователя через последовательно соединенные избирательный усилитель и узкополосный фильтр поступает на регистратор.
При распространении в среде принимаемого низкочастотного акустического сигнала одновременно с вспомогательным высокочастотным, происходит их взаимодействие и появление дополнительных гармонических составляющих в спектре высокочастотного сигнала с частотами, разными сумме и разности частот высокочастотного и низкочастотного сигналов. Этот сложный сигнал принимается вторым акустическим преобразователем, усиливается в избирательном усилителе, и боковые составляющие с суммарной или разностной частотами, несущие информацию о принимаемом низкочастотном сигнале, выделяются узкополосным фильтром и подаются на регистратор.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные следующим. Амплитуда боковых составляющих значительно меньше амплитуды основного высокочастотного сигнала, поэтому их фильтрация сопряжена со значительными трудностями: При высокой добротности фильтрующих цепей значительно увеличивается длительность переходных процессов; фильтры должны иметь значительную прямоугольность, чтобы эффективно подавлять основной высокочастотный сигнал. Все тракты приемника должны иметь линейные амплитудные характеристики как для малых сигналов с суммарными и разностными частотами, так и для основного высокочастотного сигнала в среде взаимодействия (изменение коэффициента затухания, параметра нелинейности среды), который влияет на общую чувствительность параметрического приемника. Для изменения направления приема низкочастотного акустического сигнала необходимо механически перемещать в среде акустические преобразователи.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор высокочастотного электрического напряжения, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте со вторым акустическим преобразователем, соединенным с избирательным усилителем, регистратор.
От ряда данных недостатков свободно устройство для параметрического приема акустических сигналов [2], в котором для получения информации о принимаемом акустическом сигнале используют все частотные составляющие вспомогательного высокочастотного сигнала, а не только боковые составляющие с суммарными или разностными частотами, и содержащее генератор высокочастотного электрического напряжения, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте через среду со вторым акустическим преобразователем, соединенным через последовательно соединенные избирательный усилитель и фазовый детектор с регистратором; второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора высокочастотного электрического напряжения. В этом устройстве также используется эффект взаимодействия принимаемого низкочастотного сигнала с вспомогательным высокочастотным акустическим сигналом.
Высокочастотное напряжение с генератора поступает на акустический преобразователь, излучающий в среду вспомогательный высокочастотный акустический сигнал, который распространяется в среде и принимается вторым акустическим преобразователем. Электрический сигнал с этого преобразователя через избирательный усилитель поступает на один из входов фазового детектора, второй вход которого соединен с генератором высокочастотного электрического напряжения, а выход фазового детектора соединен с регистратором.
Если низкочастотный акустический сигнал распространяется в том же участке среды, где и вспомогательный высокочастотный, то в результате их взаимодействия происходит фазовая модуляция высокочастотного сигнала низкочастотным [3]. В результате этого на выходе фазового детектора получается электрическое напряжение, несущее информацию о принимаемом низкочастотном сигнале.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные следующим. Использование фазового детектирования для выделения информации о принимаемом сигнале обуславливает жесткие требования к стабильности частотно-фазовых характеристик всех узлов параметрического приемника. Амплитудная характеристика фазового детектора имеет периодическую зависимость от разности фаз сигналов, поступающих на его входы [4, с. 168], а так как в данном параметрическом приемнике начальные фазы детектируемых сигналов имеют произвольные значения, то нарушается функциональная связь между принимаемым низкочастотным акустическим сигналом и сигналом на выходе фазового детектора. Уровень сигнала на выходе фазового детектора зависит от уровней сигналов, поступающих на его входы. Сигнал, поступающий с выхода генератора высокочастотного электрического напряжения на один из входов фазового детектора, имеет постоянную амплитуду, а уровень сигнала, поступающего на второй вход фазового детектора с избирательного усилителя, зависит от многих причин (взаимная ориентация акустических преобразователей, величина коэффициента затухания акустического высокочастотного сигнала в среде и др.). Для изменения направления приема низкочастотного акустического сигнала необходимо механически перемещать в среде акустические преобразователи.
От ряда перечисленных недостатков свободен «Акустический параметрический приемник» [5], имеющий наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым устройством. Он содержит: генератор высокочастотного электрического напряжения, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте с широкополосным акустическим преобразователем, соединенным через последовательно соединенные избирательный фазовращатель и фазовый детектор с регистрирующим устройством; второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора высокочастотного электрического напряжения, широкополосный акустический преобразователь соединен также через последовательно соединенные резонансный усилитель и амплитудный детектор с управляющим входом избирательного усилителя, а выход фазового детектора через интегратор соединен с управляющим входом фазовращателя.
Генератор вырабатывает электрическое высокочастотное напряжение, поступающее на акустический преобразователь и на один из входов фазового детектора. Акустический сигнал излучается преобразователем в среду и принимается широкополосным акустическим преобразователем. Под воздействием внешнего акустического сигнала, а также в результате нелинейности параметров среды сигнал, принимаемый приемным преобразователем, будет иметь сложный спектр, состоящий из высокочастотного сигнала с боковыми частотными составляющими, а также из гармоник высокочастотного сигнала. Причем соотношение амплитуд гармоник будет зависеть только от значений параметров нелинейности среды. Гармоники высокочастотного сигнала усиливаются резонансным усилителем и детектируются амплитудным детектором; напряжением с его выхода изменяют коэффициент передачи избирательного усилителя таким образом, что его усиление уменьшается при увеличении нелинейных характеристик среды. Напряжение с выхода избирательного усилителя через регулируемый фазовращатель подается на второй вход фазового детектора. Постоянная составляющая напряжения на выходе фазового детектора близка к нулю в том случае, если его рабочая точка находится в центре линейного участка его амплитудной характеристики. Эта постоянная составляющая выделяется интегратором и управляет фазовращателем так, чтобы фазовый детектор работал на линейном участке своей амплитудной характеристики. Таким образом, напряжение на выходе фазового детектора будет однозначно характеризовать принимаемый низкочастотный акустический сигнал и не будет зависть от изменения характеристик среды, то есть приемник будет иметь постоянную чувствительность.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что для изменения направления приема низкочастотного акустического сигнала необходимо механически перемещать в среде акустические преобразователи, то есть невозможно осуществлять электрическое сканирование направления приема низкочастотного акустического сигнала.
Целью настоящего изобретения является расширение эксплуатационных возможностей параметрического приемника.
Эта цель достигается тем, что в акустический параметрический приемник, содержащий регистратор, генератор высокочастотного электрического напряжения, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте с широкополосным акустическим преобразователем, соединенным через последовательно соединенные избирательный усилитель и фазовращатель с фазовым детектором; второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора высокочастотного электрического напряжения, широкополосный акустический преобразователь соединен через последовательно соединенные резонансный усилитель и амплитудный детектор с управляющим входом избирательного усилителя, а выход фазового детектора через интегратор соединен с управляющим входом фазовращателя, дополнительно введены аттенюатор, расположенный между выходом фазового детектора и регистратором, а также блок управления, выход которого соединен с управляющими входами генератора высокочастотного электрического напряжения, резонансного усилителя, аттенюатора, регистратора и со вторым управляющим входом избирательного усилителя; между акустическим преобразователем и широкополосным акустическим преобразователем расположен акустический волновод, границы которого прозрачны для низкочастотного акустического сигнала и непрозрачны для высокочастотного акустического сигнала.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема устройства, а на фиг.2 - схема акустического тракта параметрического приемника, на фиг.3 - результаты расчета диаграмм направленности акустического параметрического приемника.
Акустический параметрический приемник содержит генератор высокочастотного электрического напряжения 1, соединенный с акустическим преобразователем 2, находящимся в акустическом контакте через акустический волновод 3, границы которого прозрачны для низкочастотного акустического сигнала и непрозрачны для высокочастотного акустического сигнала с широкополосным акустическим преобразователем 4, соединенным через последовательно соединенные избирательный усилитель 5, фазовращатель 6, фазовый детектор 7, аттенюатор 8 с регистратором 9; второй вход фазового детектора 7 соединен с выходом генератора высокочастотного электрического напряжения 1, широкополосный акустический преобразователь 4 соединен через последовательно соединенные резонансный усилитель 10 и амплитудный детектор 11 с управляющим входом избирательного усилителя 5, а выход фазового детектора 7 через интегратор 12 соединен с управляющим входом фазовращателя 6, выходы блока управления 13 соединены с управляющими входами генератора высокочастотного электрического напряжения 1, резонансного усилителя 10, аттенюатора 8, регистратора 9 и со вторым управляющим входом избирательного усилителя 5.
Высокочастотное электрическое напряжение с выхода генератора 1 поступает на один из входов фазового детектора 7, а также на акустический преобразователь 2, излучающий в акустический волновод 3 акустический высокочастотный сигнал. Границы волновода прозрачны для низкочастотного акустического сигнала и непрозрачны для высокочастотного акустического сигнала. Параметры волновода 3 выбирают такими, чтобы скорость распространения акустического высокочастотного сигнала в нем зависела от частоты (см., например, [6]). Одновременно в волноводе распространяется акустический низкочастотный сигнал, который необходимо принять. При одновременном распространении в материале волновода высокочастотного и низкочастотного акустических сигналов происходит их взаимодействие, в результате которого высокочастотный сигнал модулируется по фазе низкочастотным. Этот промодулированный по фазе высокочастотный сигнал, а также его высшие гармоники принимаются широкополосным акустическим преобразователем 4, сигнал с которого поступает на вход избирательного усилителя 5, настроенного на частоту высокочастотного сигнала и на вход резонансного усилителя 10, настроенного на частоту одной из гармоник (например - вторую) высокочастотного сигнала. Уровень гармоник высокочастотного сигнала, при условии, что уровень высокочастотного сигнала постоянен, зависит от величины параметра нелинейности среды волновода. Сигнал с выхода резонансного усилителя 10 детектируется амплитудным детектором 11, поступает на управляющий вход избирательного усилителя 5 и изменяет его коэффициент усиления (чем больше уровень управляющего сигнала, тем меньше коэффициент усиления). Это позволяет устранить погрешности, вызванные изменениями величины коэффициента нелинейности материала волновода. С выхода избирательного усилителя 5, через фазовращатель 6, сигнал поступает на второй вход фазового детектора 7, а с его выхода продетектированный сигнал, соответствующий принимаемому низкочастотному сигналу, через аттенюатор 8 подается на вход регистратора 9. Выход фазового детектора 7 через интегратор 12 соединен с управляющим входом фазовращателя 6. Постоянная составляющая напряжения на выходе фазового детектора 7 близка к нулю в том случае, если рабочая точка детектора находится в центре линейного участка его амплитудной характеристики. Эта постоянная составляющая выделяется интегратором 12 и управляет фазовращателем 6 так, чтобы фазовый детектор работал на линейном участке своей амплитудной характеристики. Таким образом, устраняется погрешность, вызванная изменениями характеристик материала волновода, а также фазовыми нестабильностями блоков параметрического приемника, т.е. приемник будет иметь постоянную чувствительность. Для сканирования в пространстве диаграммы направленности параметрического приемника, с выхода блока управления 13 управляющие сигналы поступают на управляющий вход генератора высокочастотного электрического напряжения 1 и изменяют частоту вырабатываемого электрического напряжения, на управляющий вход резонансного усилителя 10 и изменяют частоту настройки усилителя так, чтобы она была равной частоте одной из гармоник высокочастотного сигнала, на управляющий вход аттенюатора 8 и изменяют его коэффициент передачи таким образом, чтобы скомпенсировать погрешности, вызванные за счет изменений крутизны амплитудной характеристики фазового детектора и изменения затухания высокочастотного сигнала в материале волновода при изменении его частоты, на управляющий вход избирательного усилителя 5 и изменяющего частоту настройки усилителя так, чтобы она была равна частоте высокочастотного сигнала, и на управляющий вход регистратора 9, передающего информацию о положении в пространстве максимума диаграммы направленности параметрического приемника.
Акустический тракт простейшей приемной параметрической антенны содержит излучающий и приемный преобразователи, расположенные на расстоянии L друг от друга, как показано на фиг.2. Диаграмма направленности такой антенны зависит от отношения расстояния L к длине волны низкочастотного сигнала Λ, причем для направленного приема необходимо иметь L/Λ>>1. Если принимают низкочастотную плоскую звуковую волну, распространяющуюся под углом θ к оси x, то изменение скорости распространения вспомогательной высокочастотной акустической волны вследствие нелинейности среды можно определить как:
где ,
0Ω
где Р - амплитуда звукового давления низкочастотной волны сигнала [7, 8]. Вычисляя приращение скорости звука [7, 8] и проекцию колебательной скорости частиц в низкочастотной волне на ось х
,
а также функцию вторичных источников
,
где  - нелинейный параметр, ρс - плотность и скорость звука в среде, и, подставляя Q(t, x, y) в (1), вычислим «медленную» фазу высокочастотной волны на пути L от излучателя до приемника:
,
где  - фазовая расстройка, обусловленная различием скоростей высокочастотной волны и «следа» волны сигнала. Формулы получены при условии, что длина волны сигнала много больше поперечных размеров высокочастотного пучка Λ>>d.
Приведенное выражение показывает, что характеристика направленности приемной параметрической антенны при распространении волн накачки в свободном пространстве в среде без дисперсии представляет собой характеристику направленности антенны бегущей волны. При этом максимум характеристики направленности получается при θ=0. Это физически объяснимо тем, что максимум взаимодействия волн получается при коллинеарном распространении волн и с равными скоростями.
Если вспомогательная высокочастотная акустическая волна накачки распространяется в круглом звукопрозрачном для низкочастотных волн сигнала волноводе, то фазовая скорость волн накачки может изменяться при изменении частоты волны накачки вследствие геометрической дисперсии. На апертуре антенны поле будет аналогично полю бегущей волны и будет создано фазовое распределение источников, возникающих в результате нелинейного взаимодействия, по длине антенны, меняющееся при изменении частоты волны накачки.
Пусть поле на апертуре антенны описывается формулой
i(ωt-α(x))
a(x,t)=Ae,
ф
0
где ω - угловая частота, амплитуда А постоянна, а фаза распределена по линейному закону α(x)=βx, где , ν - фазовая скорость волны, то а(x,t) совпадает с полем плоской волны (с волновым числом , с - скорость звука в среде без дисперсии), падающей на апертуру под углом θ к оси х, при этом . Синфазную антенну можно рассматривать как частный вариант антенны бегущей волны с β=0, . В общем случае линейное распределение фазы на апертуре сочетается с различными изменениями амплитуды из-за затухания волн накачки и, следовательно, уменьшения результата нелинейного взаимодействия.
Фазовая скорость волн накачки в круглом волноводе больше скорости звука в бездисперсионной среде, и прием максимален с направления, соответствующего углу θ к оси х  и совпадающего с направлением распространения эффективной плоской волны.
Получить характеристику направленности такой антенны возможно интегрированием поля, создаваемого источниками с таким фазовым распределением. В результате получим
Поскольку фазовая скорость в круглом волноводе может изменяться от скорости звука в бездисперсионной среде до бесконечности, проанализируем изменения характеристики направленности приемной параметрической антенны при изменении фазовой скорости волны накачки. При этом, учитывая, что направленность в основном определяется интегралом в выражении (2), будем определять характеристику направленности в виде
На Фиг.3 приведены характеристики направленности в плоскости, проходящей через ось антенны и перпендикулярной поверхности антенны накачки.
0
ф
ф
0
ф
0
Показаны характеристики направленности для L/Λ=10, с=1500 м/с, ν=1500 м/с (кривая 1), 2000 м/с (кривая 2), 5000 м/с (кривая 3), 10000 м/с (кривая 4). Анализ характеристик показывает, что при увеличении фазовой скорости волны накачки характеристика направленности поворачивается и становится «воронкообразной». При ν→с конус прижимается к оси, а при ν=с чувствительность максимальна в направлении оси.
Таким образом, в предлагаемом параметрическом приемнике осуществляется сканирование максимума диаграммы направленности параметрического приемника электрическим путем за счет изменения частоты вспомогательного акустического высокочастотного сигнала, что расширяет эксплуатационные возможности приемника.
Источники информации
1. Т.Дж.Мюир «Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков»/ Под ред. Л.Хептона, М., «Мир», 1977, с.240-242.
2. Патент США № US 3662444, МПК G01S 9/66, 1975.
3. Зверев В.А. и Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. «Акустический журнал», 1970, №2, с.245-251.
4. Коломбет Е.А., Юркович К., Зодл Я. «Применение аналоговых микросхем» - М., Радио и связь, 1990. - 320 с.
5. Патент SU 702852 «Акустический параметрический приемник», МПК G01S 3/80, опубл.14.08.1979.
6. Р.Дж.Урик «Основы гидроакустики», Л., Судостроение, 1978, с.101-106.
7. В.А.Воронин, В.П.Кузнецов, Б.Г.Мордвинов, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. - Ростиздат. Ростов-на-Дону. 2007. - 448 с.
8. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Ростиздат. 2004. - 400 с.
9. Патент RU 2096808 «Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений», МПК G01S 15/04, опубл. 20.11.1997.
10. Патент RU 2158029 «Способ приема упругой волны в морской воде (варианты)», МПК G10K 11/00, G10K 15/02, опубл. 20.10.2000.