РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН ИЗ МОРСКОЙ СРЕДЫ В АТМОСФЕРУ И ОБРАТНО
RADIO-HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR TRANSMITTING INFORMATION WAVES FROM SEA MEDIUM INTO ATMOSPHERE AND BACK

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. 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.
Известны гидроакустические параметрические системы (поисковые гидролокаторы) приема рассеянных и отраженных морскими объектами ультразвуковых волн накачки среды. Системы предназначены для поиска морских биологических скоплений, например рыбных или крабовых, а также для исследования структуры морского дна (Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Судостроение, 1981). Основными недостатками указанных технических решений относительно заявляемого изобретения являются: малая дальность (сотни метров, единицы километров) параметрического приема информационных волн; в качестве информационных сигналов не используются волны различной физической природы, в том числе формируемые морскими объектами. Аналогичные трудности проявляются при использовании параметрических гидролокаторов в стационарных и буксируемых системах приема и передачи информационных волн.
3
Известно устройство параметрического приема волн в морской среде инфразвуковых колебаний (патент №422197 СССР, М. Кл В06В 1/00 от 28.02.1982). Устройство содержит размещенные в среде излучатель и приемник высокочастотных волн накачки, а также источник информационных волн, модулирующий распространяющуюся в среде высокочастотную волну накачки. Приемный тракт устройства содержит преобразователь волн накачки, усилитель и фазовый детектор как измеритель и индикатор выделяемых информационных волн. Основными недостатками этого устройства являются низкая чувствительность приема измеряемых информационных волн и, как следствие, малая дальность параметрического приема, что особенно проявляется при приеме волн «малых амплитуд». В устройстве не предусмотрена также возможность параметрического приема информационных волн различной физической природы. Прием волн дробного диапазона также не предусмотрен. Следует отметить, что рассматриваемое устройство было разработано в начальный период становления и развития методов и средств нелинейной гидроакустики.
7
Известна гидроакустическая система передачи упругой волны в морской среде, реализующая «Способ передачи упругой волны в морской воде (варианты)» (патент №2167454 RU, МПК G10K 11/00, G10K 15/02 от 15.12.1998). Гидроакустическая система включает в себя: размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную вблизи излучателя рабочую зону нелинейного взаимодействия волн накачки среды и информационных волн, размещенный на линии излучения - приема сигналов накачки узел модулирования параметров среды, соединенные с излучающим и приемным преобразователями тракт формирования, усиления и излучения волн накачки, а также тракт приема нелинейно преобразованных волн накачки, анализа и выделения из них информационных волн соответственно. Основным недостатком рассмотренного технического решения является низкий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, обусловленный проведением накачки среды и формированием параметрической антенны вблизи излучателя. Малый объем рабочей зоны снижает общий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, а ее ограниченная пространственная протяженность как параметрической антенны, ухудшает возможность приема волн в инфранизкочастотном и дробном диапазонах частот. Передача информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно в системе не предусмотрена.
7
Известна также гидроакустическая параметрическая система передачи информационных волн в морской среде, реализующая «Способ передачи информационных волн в морской среде» (патент №2472236 RU, МПК G10K 11/00 от 15.06.2011). Параметрическая система передачи информационных волн в морской среде включает в себя: установленные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с выходом излучающего и с входом приемного трактов системы соответственно, сформированную в дальней зоне излучателя нелинейную область как излучающую параметрическую антенну, морское судно как источник излучения информационных волн и узел формирования в среде нелинейной области. Рассматриваемая гидроакустическая система по своей технической сущности является наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению и в этой связи выбрана в качестве прототипа. Система-прототип имеет следующие недостатки, которые будут устранены в заявляемом изобретении. Низкая эффективность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки (подсветки) среды и информационных волн. Ограничена возможность приема информационных волн в диапазоне инфразвуковых и дробных частот. Ограничена также информационная емкость передаваемых и принимаемых волн. Перечисленные недостатки обусловлены ограниченным объемом и малой протяженностью нелинейной рабочей зоны из-за отсутствия в излучающем тракте системы блоков формирования, усиления и излучения низкочастотных сигналов. Кроме того, в системе-прототипе не предусмотрено решение задачи передачи информационных волн в атмосферу и обратно.
Таким образом, перечисленные недостатки представляют собой совокупность взаимосвязанных технических решений для создания на их основе новой структуры системы, обеспечивающей формирование, а также измерения и передачу информационных волн различной физической природы в среде распространения просветных волн и их последующую передачу из морской среды в атмосферу и обратно. Применение в излучающем тракте системы блоков формирования, усиления и излучения сигналов низкой звуковой частоты в диапазоне десятки-сотни герц позволяет формировать нелинейную рабочую зону протяженностью десятки-сотни километров на всей трассе распространения просветных волн между излучающим и приемным преобразователями. Повышение помехоустойчивости приема осуществляется путем формирования рабочей области в виде двух горизонтально разнесенных в зоне приема и совмещенных в точке излучения параметрических антенн, последующего фазового приема преобразованных просветных сигналов и их узкополосного спектрального анализа. Использование волн различной физической природы естественных и искусственных источников морской среды позволяет увеличить емкость формируемой и передаваемой информации. Возможность измерения информационных волн в инфразвуковом и дробном диапазонах частот достигается за счет переноса частотно-временного масштаба анализируемых просветных сигналов в высокочастотную область. Передача информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно осуществляется за счет включения в систему принципиально новых блоков, а именно блоков информационно-аналитического центра (ИАЦ) и связанных с ним радиоблоков передачи и приема информационных волн с выхода приемного тракта на вход ИАЦ, а также с выхода ИАЦ на вход излучающего тракта системы.
Для решения поставленной задачи радиогидроакустическая система передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно включает в себя размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия волн, соединенный с излучающим акустическим преобразователем излучающий тракт, включающий блоки формирования стабилизированных просветных сигналов близкой звуковой частоты и сигналов подводной связи, последовательно соединенные блок усилителя мощности, блок согласования выхода усилителя с кабелем и акустическим преобразователем (излучателем) сигналов, а также приемный акустический преобразователь, соединенный с трактом приема, анализа и регистрации выделяемых информационных сигналов. Принципиальное отличие заключается в том, что заявляемая радиогидроакустическая система дополнительно включает в себя размещенный в атмосфере информационно-аналитический центр (ИАЦ). ИАЦ содержит блок системного анализа, вход которого через приемный радиоблок связан с выходом передающего радиоблока приемного тракта системы, а выход блока системного анализа через передающий радиоблок связан с входом приемного радиоблока излучающего тракта системы, выход которого соединен с входом усилителя мощности излучающего тракта системы. При этом с использованием двух приемных преобразователей рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в виде двух горизонтально разнесенных в точках приема и совмещенных в точке излучения просветных параметрических антенн. Приемный тракт системы включает в себя последовательно соединенные блоки: двухканального полосового усилителя, измерителя разности фаз (фазометра), преобразователя частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, выход которого соединен с регистратором, а также с радиоблоком передачи информационных волн в ИАЦ. Кроме того, морское судно или подводный аппарат размещены на линии излучения-приема просветных сигналов для приема или передачи необходимой информации с использованием их штатных (лабораторных) или забортных гидроакустических станций. Кроме того, информационные сигналы с выхода радиоблока ИАЦ дополнительно передаются по каналам радиосвязи другим участникам использования системы контроля морской обстановки.
Отличительный признак «радиогидроакустическая система дополнительно включает в себя размещенный в атмосфере информационно-аналитический центр (ИАЦ), содержащий блок системного анализа, вход которого через приемный радиоблок связан с выходом передающего радиоблока приемного тракта системы, а выход блока системного анализа через передающий радиоблок связан с входом приемного радиоблока излучающего тракта системы, выход которого соединен с входом усилителя мощности излучающего тракта системы» обеспечивает получение заключительной части технического решения изобретения, а именно - передачу информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно. При этом блок системного анализа информационных волн в ИАЦ осуществляет идентификацию информационных волн, вносит в них необходимую корректуру и передает их в качестве управляющих сигналов в излучающий тракт системы.
Отличительный признак «с использованием двух приемных преобразователей рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн сформирована в виде двух горизонтально разнесенных в точках приема и совмещенных в точке излучения просветных параметрических антенн» обеспечивает возможность формирования протяженного объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, соизмеримой с протяженностью контролируемой морской среды. Именно этот признак обеспечивает повышение эффективности нелинейного взаимодействия волн, увеличение дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы и помехоустойчивости приема в протяженном канале распространения волн.
Отличительный признак «приемный тракт системы включает последовательно соединенные блоки: двухканального полосового усилителя, измерителя разности фаз (фазометра), преобразователя частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров, выход которого соединен с регистратором, а также с радиоблоком передачи информационных волн в ИАЦ» обеспечивает завершение технического решения, а именно - дальнего параметрического приема сигналов подводной связи и информационных волн различной физической природы, формируемых естественными и искусственными источниками морской среды, для их последующей передачи из морской среды в информационно-аналитический центр, расположенный в атмосфере.
Дополнительный отличительный признак «морское судно или подводный аппарат размещены на линии излучения-приема просветных сигналов для приема или передачи необходимой информации с использованием их штатных (лабораторных) или забортных гидроакустических станций» расширяет состав участников формирования и работы радиогидроакустической системы контроля морской обстановки с использованием многостороннего обмена многофункциональной информацией.
Дополнительный отличительный признак «информационные сигналы с выхода радиоблока ИАЦ дополнительно передаются по каналам радиосвязи другим участникам использования системы контроля морской обстановки» расширяет технические характеристики создаваемой радиогидроакустической системы, обеспечивает возможность ее использования как широкомасштабной, в том числе региональной.
Исходя из рассмотренных признаков обобщенная формулировка технического решения (эффекта) заявляемого изобретения может быть изложена в следующем виде: разработана радиогидроакустическая система формирования, а также измерения и дальней передачи в морской среде сигналов подводной связи, информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых искусственными и естественными источниками среды в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот, а также передачи информационных волн по каналам радиосвязи в информационно-аналитический центр, расположенный в атмосфере и обратно в излучающий тракт системы, а также другим участникам использования региональной системы.
Физическая сущность дальнего параметрического приема гидрофизических волн в морской среде может быть представлена на основе следующих закономерностей. Известно, что параметры гидрофизических полей нелинейной морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, изменяют (модулируют) ее характеристики (Воронин В.Α., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». Электромеханика. - 1995. - N4). Исходя из этого, считается, что влияние гидрофизических полей на просветные сигналы осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды.
По своей физической сущности техническое решение изобретения основано на управляемом изменении (увеличение или уменьшение) плотности и(или) температуры морской воды на пути распространения сигналов. Изменение этих параметров в сторону увеличения можно производить различными способами, но основным из них является формирование протяженной нелинейной области в направлении излучения-приема волн. Для биологических скоплений - это пузырьковая область организмов, например рыб, для морских судов - это пузырьковый кильватерный след. Такие изменения могут быть внесены также другими специальными способами и средствами.
Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят так называемые нелинейные параметры среды, которые невелики. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°С величина коэффициента нелинейности Ε составляет порядка 3,6. Последние экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Ε в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично. В этом случае необходимо применять иные способы и средства повышения нелинейного взаимодействия волн.
Проведем анализ закономерностей взаимодействия в морской среде упругих и электромагнитных волн, используемых в заявляемой системе. Математическое объяснение процесса распространения электромагнитной волны описывается уравнением диффузии, которое выводится на базе теории взаимодействия электромагнитной волны и проводящей жидкости, приблизительно описывающей электропроводящую морскую среду. Закономерности параметрического формирования электромагнитных колебаний в проводящей морской среде и их измерение, как модуляционных признаков просветных акустических волн, заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходят ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна низких и инфранизких частот (от единиц герц до сотен герц), может составлять от 10 до 200 м. При этом длина затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1 до 20 м. Теоретическая основа и практические пути реализации рассматриваемой закономерности заключаются в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулевое тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механистические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. За счет нелинейного взаимодействия волн в спектре упругой (акустической) волны накачки появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие.
Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе основан на амплитудно-фазовой модуляции просветной акустической волны информационными волнами в нелинейной рабочей зоне.
Процесс параметрического приема волн пространственной антенной на просветной гидроакустической линии можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
,
где - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
Р - 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
Изменения плотности и давления при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой волной. 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) также 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 закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными волнами, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты и их гармоник).
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема реализации заявленной радиогидроакустической системы передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно.
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.
Как показано на фиг. 1, в качестве источника информационных волн использовалось морское судно 6, излучающее акустические, электромагнитные и гидродинамические волны; забортный излучатель 6б акустических и(или) электромагнитных сигналов связи, нелинейная область кильватерного следа судна 6а.
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор просветных сигналов близкой стабилизированной частоты 9, а также сложных сигналов подводной связи 8, усилитель мощности 10, блок согласования 11, выход которого связан кабелем с излучателем 3.
Конструктивно приемный тракт системы 2 представляет собой электронную схему, содержащую: двухканальный широкополосный усилитель 12, вход которого связан с приемными преобразователями 4 и 5, выход усилителя соединен с входом фазометра 13, выход которого через блок преобразователя частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область 14 соединен с входом узкополосного анализатора спектров 15, далее с функционально связанным с ним рекордером (регистратором) 16, а выход анализатора спектров через передающий радиоблок 17 по радиоканалу связан с ИАЦ 18.
ИАЦ включает блок системного анализа 20, вход которого связан с приемным радиоблоком 19 и далее с выходом радиоблока 17 приемного тракта системы 2, а выход блока системного анализа 20, через выходной передающий радиоблок 21 и далее через приемный радиоблок 22 связан с излучающим трактом системы 1.
Кроме того, на чертежах показаны контролируемая морская среда 23 и область нелинейного взаимодействия волн накачки и информационных сигналов (рабочая зона) 7, морская поверхность 24, морское дно 25, геофизические волны морского дна 26, гидрофизические поля морской среды 27.
Радиогидроакустическая система передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно реализуется следующим образом.
Излучатель 3 с приемными преобразователями 4 и 5 размещают по глубине с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. Это обеспечивает эффективное формирование и использование области взаимодействия просветных волн и информационных сигналов. Излучения источника информационных сигналов 6 приводят к изменению характеристик проводящей жидкости (плотности и(или) температуры и(или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности модулируют просветные сигналы. Вследствие этого спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники, возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн. Гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются в блоках приемного тракта системы контроля среды.
Техническим результатом заявленного изобретения являются разработки практических путей построения и эксплуатации широкомасштабной радиогидроакустической системы измерения, формирования, а также измерения и передачи информационных волн различной физической природы источников среды и технических объектов в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот, а также специальных сигналов подводной связи на морских акваториях протяженностью десятки-сотни километров, а также последующей передачей информации из морской среды в атмосферу и обратно в излучающий тракт системы и дополнительно другим участникам использования Региональной системы контроля морских акваторий.
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. Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.
Заявляемая радиогидроакустическая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.