ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР

Полезная модель относится к акустическим локационным системам и может быть использована для обнаружения объектов, расположенных в различных средах, и их классификации по акустическому сопротивлению. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также рыболокация, ультразвуковая дефектоскопия, медицина.
1
2
-
2
1
Известна «Система звуковой локации» по пат. США №3763463, МКИ G01S 9/66, опубл. 1973, О.Б. №43, содержащая излучающий тракт: два генератора, соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор, усилитель мощности с излучающим преобразователем накачки, а также приемный тракт: приемный преобразователь, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с сигнальным входом индикатора, вход управления которого соединен с дополнительным выходом ключа. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, поступающие на два входа ключа, на выходе которого получаем радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности поступает на акустический преобразователь накачки, излучающий зондирующий сигнал накачки в среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов, т.е. образуется «бестелесная» параметрическая антенна (ПА), генерирующая акустический сигнал разностной частоты (СРЧ) F=|f-f|. Этот сигнал достигает объектов, расположенных в среде лоцирования, отражается от них и принимается приемным преобразователем, который вырабатывает соответствующие электрические сигналы, и подает их через полосовой фильтр, усилитель и детектор на сигнальный вход индикатора, на вход управления которого
поступает синхроимпульс с дополнительного выхода ключа. На экране индикатора наблюдают последовательность электрических сигналов, соответствующих принятым эхосигналам, по которым судят об отражательной способности объектов, причем, их задержка относительно начала развертки позволяет оценить удаление объектов от излучающих и приемных преобразователей устройства.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, излучающий преобразователь накачки, приемный преобразователь, полосовой фильтр, усилитель, детектор и индикатор.
-
2
1
1,2
+
1
2
1,2
-
2
1
1,2
1,2
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, состоящие в том, что с помощью данного устройства можно получить информацию о дальности до обнаруженного объекта и его отражательной способности только для акустического сигнала разностной частоты F=|f-f|. Между тем при работе ПА наряду с генерацией СРЧ в водной среде распространяются как первичные f акустические сигналы накачки, так и формируется вторичное высокочастотное излучение - сигналы суммарной частоты (ССЧ) f=f+f, вторые гармоники сигналов накачки 2f, обладающие следующими характеристиками: 1) высокая эффективность генерации компонент вторичного высокочастотного излучения по сравнению с генерацией СРЧ; 2) малый уровень бокового поля в диаграмме направленности (ДН) преобразователя накачки на этих сигналах; 3) повышенная (в 1,5-2 раза) направленность основного лепестка формирующегося вторичного высокочастотного излучения по сравнению с направленностью главного максимума ДН преобразователя накачки на исходных частотах и на СРЧ F=f-f; 4) широкий диапазон частот вторичных акустических сигналов; 5) кратность частот и фазовая связь распространяющихся в водной среде вторичных 2f и первичных f акустических сигналов; 6) направленный прием вторичных
высокочастотных эхо-сигналов можно осуществить традиционным способом с помощью небольшого по размерам приемного преобразователя, в то время как для направленного приема СРЧ требуется приемный преобразователь большого размера.
1
2
-
2
1
+
1
2
1,2
Известен также параметрический эхолот по пат. ФРГ №3113261, МКИ G01S 15/00, опубл. в Б.И. №6, 1983, содержащий излучающий тракт: два генератора, соединенных через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим преобразователем накачки ПА, а также два приемных тракта: низкочастотный - приемный преобразователь акустических СРЧ, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора, и высокочастотный - приемный преобразователь акустических ССЧ, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор со вторым входом индикатора, третий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, поступающие на входы хронизатора-модулятора, где они суммируются и стробируются во времени. После хронизатора-модулятора видеоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением поступает через усилитель мощности на преобразователь накачки ПА, излучающий его в среду лоцирования, обладающую нелинейностью своих упругих свойств. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов и образование вторичных акустических сигналов: низкочастотного СРЧ с частотой F=|f-f|, имеющего направленность излучения соответствующего основному лепестку диаграммы направленности (ДН) преобразователя накачки для исходных волн накачки, и высокочастотного излучения - ССЧ f=f+f, вторых гармоник сигналов накачки 2f. Данные сигналы достигают объекта, отражаются от него и распространяются в обратном направлении к точке излучения. Направленный прием отраженных СРЧ и ССЧ производится традиционным способом с помощью двух акустических
преобразователей, электрические сигналы с которых после фильтрации, усиления и детектирования подаются на индикатор, на вход управления которого поступают синхроимпульсы с дополнительного выхода хронизатора-модулятора. Наличие дополнительного ВЧ тракта облегчает анализ и оценку информации на экране индикатора, расшифровку сомнительных записей на регистраторе, позволяет уточнить пеленг объекта и дальность до него, оценить отражательную способность объекта на этих частотах.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, излучающий преобразователь накачки, два приемных преобразователя, два полосовых фильтра, два усилителя, два детектора и индикатор.
-
2
1
+
1
2
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, состоящие в том, что с помощью данного устройства можно получить информацию о дальности до обнаруженного объекта и его отражательной способности только для акустических сигналов разностной частоты (СРЧ) F=|f-f| и сигналов суммарной частоты (ССЧ) f=f+f, причем, существенным недостатком описываемого локационного устройства, проявляющимся при работе в специфических условиях мелководья на вторичных НЧ и ВЧ сигналах, является то, что ДН приемных преобразователей указанных сигналов («линейный» режим приема интерференционной антенной) имеют значительные боковые лепестки (с уровнями до ~20% от главного максимума), по которым производится прием переотраженных, реверберационных и шумовых сигналов, а также эхосигналов от близлежащих границ раздела, что снижает точность пеленгования целей, уменьшает помехозащищенность системы, приводит к появлению «ложных» целей, увеличивает «мертвую» зону. В данном локаторе определение соотношения акустических сопротивлений
обнаруженных объектов и среды лоцирования невозможно, что снижают его эксплуатационные возможности.
1,2
От ряда перечисленных недостатков свободны параметрические акустические локаторы, в которых используются не только сформированные в среде лоцирования ССЧ, но и акустические сигналы вторых гармоник сигналов накачки 2f.
-
2
1
+
2
1
1,2
В качестве прототипа выбран «Параметрический эхо-импульсный локатор» по пат. РФ №2133047 МКИ G01S 15/60, опубл. 10.07.1999, Бюл. №19, содержащий излучающий тракт - два генератора, соединенных через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим преобразователем накачки параметрической антенны (ПА); низкочастотный (НЧ) приемный тракт - приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора; высокочастотный (ВЧ) приемный тракт - приемный преобразователь акустических сигналов суммарной частоты f=f+f, вторых гармоник 2f накачки, соединенный через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров, усилителей, детекторов с тремя входами перемножителя, выход которого соединен со вторым входом индикатора, причем, третий вход индикатора соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
1
2
1,2
Работа параметрического импульсного локатора происходит следующим образом. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, поступающие на два входа хронизатора-модулятора, на выходе которого получаем радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности поступает на акустический преобразователь, излучающий зондирующий сигнал накачки в среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f в канале распространения, результатом
-
2
1
+
2
1
1,2
-
2
1
+
1
2
1
2
+
1,2
1
2
которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной F=f-f частот, вторых гармоник 2f волн накачки. Полигармонический зондирующий сигнал распространяется до поверхности лоцирования, отражается от нее и, распространяясь обратно, достигает приемных преобразователей НЧ и ВЧ приемных трактов параметрического локатора. На выходе НЧ приемного тракта после фильтрации, усиления и детектирования выделяется электрический сигнал, идентичный эхо-сигналу разностной частоты F=f-f, который подается на первый вход индикатора, синхронизируемого хронизатором-модулятором. На выходах ВЧ приемного тракта после фильтрации, усиления и детектирования выделяются электрические сигналы: - с частотой f=f+f, - с частотой 2f; - с частотой 2f, что обусловлено настройкой соответствующих полосовых фильтров. Данные электрические сигналы подаются на перемножитель, на выходе которого получают напряжение, поступающее на второй вход индикатора. Тогда результирующая диаграмма направленности (ДН) приемного преобразователя параметрического импульсного локатора на вторичных высокочастотных акустических сигналах f, 2f определяется произведением диаграмм направленности приемной антенны для указанных сигналов, причем, подбирая значения частот f, f исходных сигналов накачки, можно формировать практически безлепестковую характеристику направленности приемной антенны ВЧ тракта параметрического импульсного локатора, что позволяет повысить его помехозащищенность и увеличить точность пеленгования целей.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, излучающий преобразователь накачки, два приемных преобразователя, четыре полосовых фильтра, четыре усилителя, четыре детектора, перемножитель и индикатор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные
-
2
1
+
2
1
1,2
возможности локатора, что обусловлено тем, что данное устройство может определять только дальность до обнаруженного объекта и его отражательную способность для акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, вторых гармоник 2f волн накачки, так как для успешного решения этих задач достаточно лишь амплитудных характеристик обрабатываемых эхосигналов.
об
об
об
cp
cp
cp
возд
вод
лед
мет
2
6
2
6
2
6
2
6
2
Между тем с помощью данного локатора можно получить новый объем первичных данных о подводной обстановке путем совершенствования параметров приемного тракта, в котором для получения дополнительного классификационного признака - акустического сопротивления - необходимо анализировать еще и фазовые характеристики обрабатываемых эхосигналов. Для многих случаев лоцирования задача определения этого параметра объекта - акустическая «мягкость» или акустическая «жесткость», т.е. его акустическое сопротивление Z=ρ×с меньше или больше акустического сопротивления среды Z=ρ×с, где ρ и с - соответствующие плотности материалов и скорости распространения в них акустических сигналов, является актуальной. Это важно, например, для достоверной классификации характера лоцируемых поверхностей - «вода-лед», «вода-воздух», «лед-воздух» и т.п. при обеспечении подводного плавания автономных аппаратов и определении толщины ледового покрова, нахождении во льдах полыней и разводий, пригодных для всплытия. Оценим акустическое сопротивление воздушной, водной, ледяной и металлической сред, определяемое произведением плотности ρ соответствующей среды на скорость распространения в ней продольных волн с: 1) воздух - Z=442 кг/м×с; 2) вода - Z=1,5×10 кг/м×с; 3) лед - Z=3,6×10 кг/м×с; 4) металл (Fe) - Z=46,2×10 кг/м×с. Из расчетных данных видно, что при работе локатора в режиме эхоледомера при обеспечении подводного плавания автономных аппаратов последовательно проходимые акустическими волнами по прямому ходу луча границы раздела: «вода-лед» (1,5<3,6)×10, кг/м×c, «вода-металл» (1,5
6
2
6
2
6
2
3
3
3
1
1
2
2
<46,2)×10, кг/м×с - акустически жесткие; «лед-воздух» (3,6>0,0005)×10, кг/м×c, «вода-воздух» (1,5>0,0005)×10, кг/м×с - акустически мягкие, причем, имеющиеся различия акустических сопротивлений должны обеспечить наличие или отсутствие фазового сдвига на π радиан при отражении для зондирующих сигналов, что и должно обусловить работоспособность фазового приемного тракта на акустических сигналах кратных частот f и 2f, f и 2f. (см. Гидроакустика и корабль. А.Л.Простаков. - Л. «Судостроение», 1967, с.79-84). Для случая рыболокации актуальна задача обнаружения рыб с газонаполненным плавательным пузырем как акустически мягкого объекта в водной среде на фоне маскирующих отражений от дна. Известно, что акустическое сопротивление тела рыбы определяется его плотностью {ρ=(1,04-1,09)×10, кг/м} и скоростью звука в нем {(1,5-1,6)×10, м/с}, причем, его величина мало отличается от акустического сопротивления воды. Однако наибольшее отражение акустической энергии (до 50% в эхосигнале) происходит от плавательного пузыря, хотя он занимает около 5% от общего объема рыбы, причем, если при средних частотах облучающих акустических сигналов и небольших размерах рыб доля вклада в эхосигнал от тела и пузыря примерно равны, то при высоких частотах излучения и больших размерах рыбы наибольшую часть в результирующем эхосигнале составляют отражения от плавательного пузыря и твердых частей тела, а на их границе упругие свойства сред (т.е. акустические сопротивления) изменяются скачкообразно (см. В.И.Кудрявцев «Промысловая гидроакустика и рыболокация». М., «Пищевая промышленность», 1978, с.29, 32-33). Однако в данном локаторе без предлагаемых усовершенствований приемного тракта определение соотношения акустических сопротивлений обнаруженных объектов и среды лоцирования невозможно, что снижает его эксплуатационные возможности.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей локатора, позволяющее определять акустическое сопротивление обнаруженного объекта.
Технический результат полезной модели заключается в возможности получения с помощью локатора дополнительной информации о соотношении акустических сопротивлений обнаруженного объекта и среды лоцирования, что значительно расширяет его эксплуатационные возможности.
-
2
1
+
2
1
1,2
1
2
Технический результат достигается тем, что в параметрический эхо-импульсный локатор, содержащий излучающий тракт - два генератора, соединенных через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим преобразователем накачки параметрической антенны (ПА); низкочастотный (НЧ) приемный тракт - приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора; высокочастотный (ВЧ) приемный тракт - приемный преобразователь акустических сигналов суммарной частоты f=f+f, а также вторых гармоник 2f накачки, соединенный через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров, усилителей, детекторов с тремя входами перемножителя, выход которого соединен со вторым входом индикатора, причем, третий вход индикатора соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора, дополнительно введены две параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосового фильтра, усилителя, умножителя частоты и фазового детектора, а также два фазовращателя, блок формирования управляющего напряжения и схема совпадения, причем, входы фильтров (f, f) подключены к высокочастотному приемному преобразователю вторичных акустических сигналов, а выходы фазовых детекторов соединены с двумя входами схемы совпадения, выход которой соединен с четвертым
1
2
1,2
входом индикатора, в то время как вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели соединены с соответствующими выходами усилителей (2f, 2f), а входы управления фазовращателей соединены с выходами блока формирования управляющего напряжения. Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют канал обработки фазовых характеристик эхосигналов накачки (11, 12) и вторых гармоник (2f).
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - эпюры напряжений в различных точках фазового приемного тракта устройства, на фиг.3 - график зависимости разности дифракционных фазовых сдвигов между сигналами основной частоты f и ее второй гармоникой 2f от расстояния z на оси акустического пучка с гауссовым поперечным распределением накачки.
-
2
1
1
2
+
2
1
1,2
Параметрический эхо-импульсный локатор содержит излучающий тракт - два генератора 1, 2, которые соединены через последовательно включенные хронизатор-модулятор 3 и усилитель мощности 4 с излучающим преобразователем накачки 5 параметрической антенны (ПА), и два приемных тракта: низкочастотный (НЧ), в котором приемный преобразователь 6 акустических сигналов разностной частоты F=f-f соединен через последовательно включенные полосовой фильтр 7, усилитель 8, детектор 9 со вторым входом индикатора 10, первый вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора 3, и высокочастотный - в котором приемный преобразователь 11 первичных сигналов накачки (f, f) и вторичных высокочастотных сигналов (суммарной частоты f=f+f; вторых гармоник 2f) одновременно соединен с третьим и четвертым входами индикатора 10 через три параллельно включенные цепочки (канал обработки амплитудных характеристик эхосигналов) из последовательно соединенных полосовых фильтров (12, 13, 14), усилителей (15, 16, 17), детекторов (18, 19, 20), перемножитель 21 и две параллельно включенные цепочки (канал обработки фазовых характеристик эхосигналов) из последовательно соединенных полосовых фильтров (22, 23), усилителей
1
2
(24, 25), умножителей частоты (26, 27), фазовых детекторов (28, 29), схему совпадения (32) соответственно, причем, вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели (30, 31) соединены с соответствующими выходами усилителей (2f - 15, 2f - 17) из канала обработки амплитудных характеристик эхосигналов, а входы управления фазовращателей (30, 31) соединены с соответствующими выходами блока формирования управляющих напряжений (33).
1
2
1
1
2
2
-
2
1
+
2
1
1,2
Работа параметрического эхо-импульсного локатора происходит следующим образом. Генераторы 1 и 2 вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы U1, U2 с частотами f, f, поступающие на два входа хронизатора-модулятора 3, на выходе которого сформирован радиоимпульс U3 с бигармоническим ВЧ заполнением (хронизатор-модулятор разработан на кафедре электрогидроакустики и ультразвуковой техники ТРТИ и описан в работе авторов Т.Н.Горовая, В.В.Гривцов, М.С.Рыбачек «Хронизатор-модулятор для акустических измерений», опубл. в сборнике «Прикладная акустика», вып.6, Таганрог, ТРТИ, 1978, с.136-142). Данный радиоимпульс после усилителя мощности 4 поступает на преобразователь накачки 5 параметрической антенны, который излучает зондирующий сигнал накачки в среду лоцирования (жидкость, газ, твердое тело), обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При распространении в среде мощного акустического зондирующего импульса происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f=ω/2π, f=ω/2π, результатом которых является генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, а также вторых гармоник 2f волн накачки. Полигармонический зондирующий сигнал распространяется до объекта лоцирования, отражается от него и, распространяясь обратно, достигает приемных преобразователей 6 и 11 НЧ и ВЧ приемных трактов параметрического локатора (акустический сигнал U4), причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную и фазовую информацию об объекте. В
об
об
об
cp
cp
cp
-
2
1
1
+
2
1
2
1
1
2
2
1
2
частности, если акустическое сопротивление объекта Z=ρ×с больше акустического сопротивления среды Z=ρ×с, то отраженные сигналы на всех частотах имеют ту же фазу, что и падающие, в обратном случае - отраженные сигналы на всех частотах испытывают фазовый сдвиг на 180°, т.е. противофазны относительно падающих (см. В.И.Кудрявцев «Промысловая гидроакустика и рыболокация». М., «Пищевая промышленность», 1978, с.23). На выходе НЧ приемного тракта после фильтрации (полосовой фильтр 7), усиления (усилитель 8) и детектирования (детектор 9) выделяется электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналам разностной частоты F=f-f от облучаемого объекта, которые подаются на второй вход индикатора 10, запускаемого подачей синхроимпульса на первый вход с дополнительного выхода хронизатора-модулятора 3. На выходе канала обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ приемного тракта после фильтрации (полосовые фильтры 12, 13, 14), усиления (усилители 15, 16, 17) и детектирования (детекторы 18, 19, 20) и перемножения (21) выделенных сигналов U6 (2f), U7 (f), U8 (2f) получаем результирующее напряжение U9=U7×U6×U8, соответствующее эхосигналам для вторичного высокочастотного излучения от облучаемого объекта, которые подаются на третий вход индикатора 10. В канале обработки фазовых характеристик эхосигналов ВЧ приемного тракта после фильтрации (полосовые фильтры 22, 23), усиления (усилители 24, 25) выделяются электрические сигналы U10, U11 с частотами сигналов накачки f, f, которые удваивают по частоте U12, U12' (умножители частоты 26, 27) и с помощью фазовых детекторов (28, 29) определяют фазовый сдвиг для эхосигналов частот f и 2f, f и 2f при отражении от объекта и при использовании в качестве опорных эхосигналы U13, U13' c частотами 2f и 2f, подаваемые на вторые входы фазовых детекторов (28, 29) через фазовращатели (30, 31). На управляющие входы фазовращателей (30, 31) подаются электрические сигналы U17, U18 с соответствующих выходов блока формирования управляющих напряжений (33), который запускается
синхроимпульсом с дополнительного выхода хронизатора-модулятора 3. Напряжения U14 и U15, формируемые на выходах фазовых детекторов 28, 29, при лоцировании объекта из акустически мягкого материала будет иметь одну полярность, а для акустически жесткого - другую. Сигналы U14 и U15 подают на два входа схемы совпадения 32, причем, на ее выходе вырабатывается результирующий сигнал U16 только в том случае, если сигналы U14 и U15 имеют одинаковую полярность. В случае возникновения результирующего сигнала U16 он поступает на четвертый вход индикатора 10, регистрация полярности которого позволяет сделать вывод об акустическом сопротивлении материала объекта и расширяет эксплуатационные возможности локатора.
-
2
1
+
2
1
1,2
1,2
f(1)
2f(1)
1
1
Генерация вторичных сигналов F=f-f, F=f-f, 2f при нелинейном взаимодействии исходных волн накачки f сопровождается следующими физическими особенностями процессов - при распространении из ближней в дальнюю зону преобразователя накачки ПА каждый из этих сигналов приобретает определенный дифракционный фазовый сдвиг, обусловленный трансформацией квазиплоской волны соответствующего сигнала у поверхности преобразователя накачки в расходящуюся квазисферическую на определенном удалении от него (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, стр.47-50, 179-182). Например, при генерации вторичных акустических сигналов параметрической антенной (ПА), образованной коллинеарными акустическими пучками с гауссовым поперечным распределением накачки средней интенсивности, общие выражения для эволюции дифракционного фазового распределения φ(z,r), φ(z,r) для первичного (накачка с частотой f) и вторичного (вторая гармоника 2f) полей имеют вид
н1
g1
g1
1
0
1
1
0
2
где z, r - продольная и поперечная координаты в акустическом пучке; z=z/l; l=a×ω/2×c - расстояние дифракции волны накачки с циклической частотой ω=2πf; a - ширина пучка взаимодействующих волн; c - скорость звука в среде лоцирования.
1
12 (1)
1
1
Учитывая, что сигнал накачки f удваивают по частоте (блок 26), соотношение, описывающее зависимость разности дифракционных фазовых сдвигов Δφ от продольной координаты z (расстояние обнаружения объекта) для сигнала накачки f и его второй гармоники 2f на оси ПА имеет вид
12 (1)
12 (i) макс
g1
1
1
12 (1)
12 (2)
1
1
2
2
12 (1)
12 (2)
График функции Δφ(z,0) представлен на фиг.3, из которого видно, что на акустической оси ПА максимальной величины Δφ≈29° достигает на расстоянии  z≈3,75×l, а при дальнейшем увеличении продольной координаты z значения функции асимптотически стремятся к постоянному значению ~11°. Таким образом, вследствие особенностей нелинейной генерации акустического сигнала второй гармоники 2f при распространении сигнала накачки f к объекту в среде лоцирования на оси ПА существует расфазировка данных сигналов. Компенсация разности дифракционных фазовых сдвигов Δφ(z,0) и Δφ(z,0) для сигналов f; 2f и f; 2f, сформированных излучающей ПА, осуществляется с помощью фазовращателей 30, 31, на управляющие входы которых поступают электрические сигналы U17 и U18 соответственно, амплитуды которых во времени пропорциональны Δφ(z,0) и Δφ(z,0). Электрические сигналы U17 и U18 вырабатывает блок формирования управляющих напряжений после поступления на его управляющий вход синхроимпульса от хронизатора-модулятора 3.
1
Рассмотрим используемый в предлагаемом устройстве способ получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) отражающей поверхности объекта на примере пары фазосвязанных акустических сигналов кратных частот: накачки f, который излучается параметрической антенной в воду, и
1
1
1
1
2
его второй гармоники 2f, формирующейся в нелинейной среде лоцирования. Если отражающий объект находится на удалении z, то через время t к приемной антенне 11 придет отраженная волна, содержащая две компоненты с частотами f=ω/2π, 2f=ω/2π
R1
1
1
1
1
1
f(1)
R
1
A(t)=R(ω)×A×cos[ωt-2kz+α +φ(z,0)+φ(ω)];
R2
2
2
2
2
2
2f(1)
R
2
A(t)=R(ω)×A×cos[ωt-2kZ+α+φ(z,0)+φ(ω)],
1
1
1
1
0
2
2
2
2
0
1
1
2
1
0
1
R
1
2
R
2
1
2
1
1
1
2
1
2
1
где α, k=2π/λ=ω/c и α, k=2π/λ=ω/c - начальные фазы и волновые числа для соответствующих акустических сигналов с циклическими частотами ω=2πf, ω=2π(2f); c - скорость звука в среде; R(ω), φ(ω) и R(ω), φ((ω) - величины модуля и приобретаемого фазового сдвига функции рассеяния для акустических сигналов ω и ω=2ω при отражении от облучаемой поверхности. После соответствующей обработки в предлагаемом устройстве фазосвязанные сигналы ω=2πf {фильтрация (блок 22), усиление U10 (блок 24), умножение в 2 раза по частоте U12 (блок 26)} и ω=2ω {фильтрация (блок 12), усиление (блок 15), фазовая компенсация (блок 30)} могут позволить получить информацию о фазочастотной характеристике отражающей поверхности. Так, разность фаз приведенных к одинаковой частоте фазосвязанных сигналов (α=2α) равна
1
1
0
1
R
1
1
1
0
2
R
2
Δφ=2ωt-2×2ωz/c+2α+2φ(ω)-2ωt+2×2ωz/c-α-φ(ω)=
R
1
R
2
=2φ(ω)-φ(ω).
об
об
об
ср
cp
cp
1
2
1
R
1
R
2
об
об
об
cp
ср
ср
1
2
1
Таким образом, Δφ зависит от частоты акустических сигналов, но не зависит ни от времени t, ни от расстояния z до отражающей поверхности. В случае наличия акустически жесткого объекта в зоне облучения устройства, акустическое сопротивление Z=ρ×с которого больше, чем акустическое сопротивление среды Z=ρ×с, отражение фазосвязанных сигналов с частотами ω и ω=2ω происходит без фазового сдвига, т.е. φ(ω)=φ(ω)=0° и соответственно Δφ=0°. При отражении от акустически мягких объектов, для которых выполняется условие Z=ρ×с<Z=ρ×с, отражение фазосвязанных сигналов с частотами ω и ω=2ω происходит с
R
1
R
2
2
2
дополнительным фазовым сдвигом равным π радиан, т.е. φ(ω)=φ(ω)=180° и соответственно Δφ=360°-180°=180°. Напряжение U14, соответствующее фазовому сдвигу Δφ, вносимому облучаемой поверхностью объекта, вырабатывает фазовый детектор (блок 28). Как видно из структурной схемы предлагаемого устройства аналогичная обработка производится и на частоте f излучаемого сигнала и его второй гармонике 2f, формирующейся в нелинейной среде лоцирования, что позволяет и на этих фазосвязанных сигналах определить акустическое сопротивление облучаемой поверхности, причем, осуществление достоверной классификации облучаемого объекта по признаку акустического сопротивления возможно лишь при одновременном поступлении одноименных соответствующих сигналов U14, U15 на два входа схемы совпадения (блок 32), которая только в этом случае подает сигнал на четвертый вход индикатора 10.
-
2
1
+
2
1
1,2
сp
об
cp
об
cp
В качестве индикатора 10 может служить многоканальный осциллограф, у которого запуск развертки лучей по оси «X» (текущее время t) выполняется синхроимпульсом, поступающим с дополнительного выхода хронизатора-модулятора 3, а сигналы U5, U9, U16 поступают на входы усилителей, отклоняющих лучи осциллографической трубки по оси «ϒ» (см. Кузнецов А.С. «Трехканальный осциллограф», М. Радио и связь, 1981). На экране осциллографического индикатора при этом наблюдают эхосигналы U5, U9, амплитуды которых характеризуют отражательную способность обнаруженного объекта для сигналов с частотами как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f, вторых гармоник 2f волн накачки, а их задержка относительно начала развертки - расстояние z от преобразователей локатора до объекта (z=c×Δt/2, где Δt - задержка сигналов U5, U9 относительно начала развертки). Напряжение U16, также наблюдаемое на экране осциллографического индикатора 10, представляет собой видеоимпульс, полярность которого будет зависеть от выполнения условия Z>Z или Z<Z. Фазовращатели 30, 31 могут быть
разработаны на основе классического фазовращателя постоянной амплитуды с RC-цепочкой, в котором для автоматизированного изменения фазы выходного сигнала переменный подстроенный резистор заменен на простую схему на основе ц.а.п., для которой входное сопротивление определяется цифровым кодом на ее входах (см. Лапшин Д.А. Фазовращатель с цифровым управлением для синусоидального сигнала. Приборы и техника эксперимента, 1994, №1, с.126-127).
1
3
1
2
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: двух параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосового фильтра, усилителя, умножителя частоты и фазового детектора, а также двух фазовращателей, блока формирования управляющего напряжения и схемы совпадения, причем, входы фильтров (f, f) подключены к высокочастотному приемному преобразователю вторичных акустических сигналов, а выходы фазовых детекторов соединены с двумя входами схемы совпадения, выход которой соединен с четвертым входом индикатора, в то время как вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели соединены с соответствующими выходами усилителей (2f, 2f), а входы управления фазовращателей соединены с выходами блока формирования управляющего напряжения, стало возможным получение дополнительной информации об акустическом сопротивлении материала обнаруженного объекта. Это значительно расширяет эксплуатационные возможности локатора.