УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ МОРСКОЙ ВОДЫ

Полезная модель относится к гидроакустике, а именно к системам акустического зондирования морской среды и предназначена для дистанционного определения пространственной структуры и акустических характеристик слоев в морской воде.
Известно устройство, параметрический многочастотный эхолокатор, позволяющее проводить качественную оценку пространственной структуры морской воды, в частности, функции распределения газовых пузырьков по размерам. Патент РФ на полезную модель №146020 «Параметрический многочастотный эхолокатор» (опубл. в Б.И. №27 от 27.09.14), принят за прототип. Известное устройство состоит из тракта излучения параметрического сигнала, тракта приема сигнала и системы регистрации и обработки данных. Тракт излучения включает в себя два генератора частот накачки, сумматор, импульсного модулятор, усилитель мощности, коммутатор сигналов, параметрический излучатель, генератор импульсов, генератор ступенчатого напряжения, регулятор напряжения и делителя напряжения на два, инвертор напряжения. Тракт приема состоит из фильтра, широкополосного усилителя, смесителя, гетеродина, узкополосного фильтра сигналов промежуточной частоты и амплитудного детектора. Система регистрации и обработки данных включает двухканальный АЦП и процессор.
Для диагностики неоднородностей морской среды известный эхолокатор использует явление линейного рассеяния генерируемого параметрическим излучателем в среде низкочастотного звука на указанных неоднородностях в обратном направлении. Наличие обратного линейного рассеяния звука позволяет изучать структуру морской воды, связанную с присутствием различных неоднородностей, таких, как твердые и мягкие взвеси, планктон, пузырьки газа, рыбные скопления и т.п. Среди различных видов неоднородностей особое значение имеет известное свойство резонансных структур избирательно на определенных частотах сильно рассеивать звук. Это свойство позволяет определять спектр размеров и концентрацию резонансных структур. Однако наличие нерезонансных рассеивателей, число которых может существенно превышать число резонансных рассеивателей, выступает в качестве достаточно яркого фона, что сильно затрудняет обнаружение резонансных рассеивателей, осуществляемое известным устройством, а также классификацию и определение их количественных характеристик. Это является существенным недостатком прототипа.
Задачей заявляемого устройства является разработка нового устройства для изучения структуры морской воды, позволяющего проводить более качественную оценку структуры морской воды и получать больше достоверной акустической информации о структуре и свойствах мелкомасштабных неоднородностей морской воды.
Технический результат - расширение функциональных возможностей и упрощения схемы устройства.
Поставленная задача решается устройством для изучения структуры морской воды, состоящим из тракта излучения, тракта приема и системы регистрации и обработки полученных результатов, при этом тракт излучения включает генератор частот накачки, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом коммутатора сигналов, первый выход которого соединен с параметрическим излучателем, а второй с трактом приема, который состоит из полосового фильтра, к входу которого подключен второй выход коммутатора сигналов, а выход - к входу селективного усилителя, выход которого подключен к входу амплитудного детектора, выход которого соединен с системой регистрации и обработки данных
Функциональная схема устройства для спектроскопии морской воды представлена на фиг 1.
i
s
I - тракт излучения, II - тракт приема, III - система регистрации и обработки данных, 1 - процессор, 2 - генератор частот накачки, 3 - усилитель мощности, 4 - коммутатор сигналов, 5 - параметрический излучатель, 6 - полосовой фильтр, 7 - селективный усилитель, 8 - амплитудный детектор, 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) P - излученный звуковой импульс, P - отраженный звуковой импульс.
1
2
1
2
В основу работы предлагаемого устройства положено явление нелинейного рассеяния звука на мелкомасштабных неоднородностях морской среды, обладающих ярко выраженными резонансными свойствами. Суть явления заключается в том, что если на такие неоднородности одновременно приходят навстречу друг другу два импульса, частоты которых отличаются на некоторую величину F=f-f, где, f и f, - частоты, a F - разностная частота, то в этой области пространства появляются волны разностной частоты F, что приводит к искажению спектра первоначального сигнала. Таким образом, наличие нелинейного рассеяния звука в некоторой области пространства при взаимодействии двух встречных импульсов указывает на особые свойства мелкомасштабных неоднородностей, присутствующих в этой области пространства. Именно такими свойствами обладают, например, газовые пузырьки с резонансными частотами, близкими к разностной частоте импульсов.
1
2
1
2
s
i
2
2
1
2
Для формирования встречного импульса заявляемое устройство использует существующие в море отражающие поверхности (дно или поверхность моря), от которой первый излученный импульс отражается в обратном направлении и двигается навстречу следующему за ним импульсу. Устройство последовательно друг за другом с интервалом времени Δt излучает пару акустических импульсов с различными частотами f и f, длительностями τ и τ одним и тем же излучателем с некоторой глубины в сторону поверхности моря (форма сигнала генератора показана на фиг. 2). Импульс, отраженный P от поверхности моря, на заданной глубине, определяемой интервалом времени Δt, взаимодействует с прямым импульсом Ρ, излученным позже, длительностью τ и частотой f. Область пространства, где оба импульса встречаются и взаимодействуют друг с другом, определяется длительностями импульсов и временем задержки между их излучением. При наличии в области взаимодействия резонансных неоднородностей происходит нелинейное рассеяние встречных звуковых импульсов и в среде появляются волны разностной частоты F=f-f.
Устройство работает следующим образом:
s
i
1
1
2
2
Процессор 1 задает параметры излучаемой пары импульсов P и P. Генератор частот накачки 2 вырабатывает и передает в усилитель мощности 3 два импульса с частотой f длительностью τ и частотой f длительностью τ с интервалом времени между импульсами Δt.
Усиленные импульсы через коммутатор сигналов 4 поступают на излучатель 5. После излучения импульсов коммутатор переводит работу устройства в режим приема отраженных и рассеянных сигналов. Полосовой фильтр 6 ограничивает частотный диапазон входных сигналов для уменьшения шумов. Селективный усилитель 7 выделяет сигналы разностной частоты, амплитудный детектор 8 выделяет огибающую сигналов рассеяния и далее сигнал отправляется с систему регистрации и обработки данных, где. АЦП 8 оцифровывает сигналы. В процессоре 1 анализируются сигналы рассеяния и задается следующий цикл излучения.
В заявляемом устройстве по сравнению с прототипом упрощен тракт излучения, где вместо двух генераторов синусоидальных сигналов, сумматора и формирователя длительности импульса используется один цифровой генератор частот накачки, который последовательно формирует два импульса с заданными частотами заполнения и заданными длительностями. В тракте приема для упрощения схемы использован селективный усилитель вместо схемы гетеродинного преобразования, состоящей из широкополосого усилителя, гетеродина, смесителя и узкополосного фильтра сигналов промежуточной частоты. Перестройка частоты происходит в соответствии с программой процессора. Тракт приема настраивается путем перестройки селективного усилителя.
В качестве генератора частот накачки использовался цифровой программируемый генератор ГСПФ-053 фирмы Руднев и Шиляев (Москва).
В качестве параметрического излучателя использовался излучатель с центральной частотой 200 кГц., усилителя мощности - усилитель мощности У7-5
В качестве входного полосового фильтра использовался нановольтметр польской фирмы UNIPAN SN-232, а в качестве селективного усилителя использовался нановольтметр также польской фирмы UNIPAN SN-233. В качестве амплитудного детектора использовался диодный пиковый детектор, с выхода которого выделенный и усиленный сигнал подавался на вход 14-ти разрядного АЦП типа Ла2-USB фирмы Руднев и Шиляев
Таким образом, заявляемое устройства позволяет по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности полезной модели, а именно позволяет судить о физических свойствах звукорассеивающих неоднородностей, и упростить схему: заявляемое устройство имеет один программируемый цифровой генератор вместо двух генераторов синусоидальных сигналов в тракте излучения, и селективный усилитель вместо гетеродинного преобразования в тракте приема, что значительно упрощает схему устройства и повышает его надежность. Кроме того, заявляемое устройство сохраняет и возможности прототипа - изучение линейного рассеяния звука для характеристики структуры морской воды, когда цифровой генератор накачки программируется на излучение бигармонического сигнала.