ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР

Полезная модель относится к акустическим локационным системам и может быть использована для получения информации об отражающих ультразвук объектах по амплитудным, фазовым и частотным признакам эхосигналов, что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширит эксплуатационные возможности устройства.
Полезная модель может быть применена для решения разнообразных задач исследования и освоения обширных площадей Арктического шельфа России, связанных с повышением безопасности подводного плавания автономных аппаратов и проведением изыскательных работ, имеющих целью обнаружение и уточнение как координат отражающих ультразвук объектов и характеристик их движения, так и распознавания акустического сопротивления лоцируемых границ раздела - «вода-лед», «вода-воздух», «лед-воздух». Преимущественная область использования - гидроакустика.
Специальная акустическая аппаратура, предназначенная для обеспечения подводного плавания автономных аппаратов должна давать возможность уклонения от столкновения со льдами и определения толщины ледового покрова, позволять находить во льдах полыньи и разводья и т.п., в связи, с чем подводное наблюдение ведется в трех направлениях - вперед, вниз,
вверх. Применение данных приборов актуально при плавании автономных аппаратов в сложных условиях: - под сплошным ледяным покровом в период полярной ночи, когда визуальные методы наблюдения за льдом не дают результатов; на мелководье, когда между льдом, имеющим значительную осадку, и дном остается незначительный просвет; в районах с большим количеством айсбергов, в каналах, проливах между островами и т.п.
Наблюдение в сторону поверхности обеспечивают эхоледомеры, в результате чего фиксируется профиль нижней поверхности ледового покрова, измеряется толщина льда над главной палубой, обнаруживаются подходящие для всплытия участки свободной ото льда водной поверхности и выдаются данные для безопасного вертикального подъема в полынью. Экспериментальные испытания подобных устройств проводились на различных рабочих сигналах, однако, оптимальная частота локационного сигнала не была установлена. С одной стороны, на высоких частотах запись участков чистой воды трудно отличить от записи льдов, так как имеет место отражение не только от поверхности воды, но и от приповерхностных пузырьковых слоев, с другой стороны - на низких частотах диаграмма направленности антенны эхоледомера имеет широкий основной лепесток и значительный уровень бокового излучения. Это приводит к появлению недостоверной информации о рельефе нижней поверхности льда, причем, при прохождении низкочастотного импульса по всей толщине льда и при отражении от его нижней и верхней границ возникает сложная интерференционная картина, маскирующая информативные эхосигналы (см. Гидроакустика и корабль. А.Л.Простаков. - Л. «Судостроение», 1967, с.79-84).
Практика использования одночастотных эхоледомеров показала, что в данном случае по записям рельефа на регистраторах часто бывает трудно классифицировать характер поверхности, а точность измерения осадки и толщины льда оказывается недостаточной. Для устранения отмеченных недостатков было предложено в эхоледомерах использовать две частоты
излучения - высокую и низкую, что позволяет на низкой частоте получать рассеянный сигнал от границы раздела «лед - воздух», а на высокой - точно определять рельеф нижней границы ледяного покрова, причем, при синхронном излучении обоих сигналов может быть измерена толщина ледяного покрова (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Глав. ред. В.В.Богородский - Л.: «Гидрометеоиздат», 1984, с.93-94). Такой двухчастотный эхоледомер имеет недостатки: 1) требует двух акустических антенн, одна из которых - низкочастотная - имеет большие массу и габариты; 2) используемые в эхоледомере «линейные» интерференционные антенны обладают протяженной ближней зоной дифракции Френеля и существенными по величине дополнительными максимумами диаграмм направленности, как в приеме, так и в излучении, что может привести к возникновению большой ошибки в определении угловых координат деталей рельефа; 3) проблемы достоверной классификации характера лоцируемых границ раздела - «вода-лед», «вода-воздух» и т.п., а также определения характеристик их движения не решены.
2
1
1
2
Перспективным направлением проектирования и оптимизации эхоледомеров является использование в данных устройствах излучающей параметрической антенны (ПА), что позволяет формировать направленное излучение локационного сигнала разностной частоты (СРЧ) F=f-f практически без боковых лепестков при небольших размерах электроакустического преобразователя, излучающего в нелинейную водную среду интенсивные акустические сигналы накачки с частотами f, f.
Известна «Система звуковой локации» по пат. США №3763463, МКИ G01S 9/6, опубл. 1973, О.Б. №43, содержащая излучающий тракт - два генератора, соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор с излучающим электроакустическим преобразователем накачки ПА, который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными преобразователями, являющимися первыми блоками двух приемных трактов.
2
1
1
Низкочастотный (НЧ) приемный тракт содержит приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора, а высокочастотный (ВЧ) приемный тракт - обратимый электроакустический преобразователь накачки ПА в режиме приема эхосигналов с частотой f, соединенный через последовательно включенные коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, детектор со вторым входом индикатора; управляющий вход, которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
1
2
1
2
2
1
+
2
1
1
2
Устройство работает следующим образом. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, лежащими в полосе пропускания электроакустического преобразователя накачки ПА, которые поступают на два входа хронизатора-модулятора, на выходе которого сформирован радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности поступает через коммутатор на электроакустический преобразователь, излучающий зондирующий сигнал накачки в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f, f, в канале распространения, результатом которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, вторых гармоник 2f, 2f, волн накачки. Нелинейное взаимодействие волн накачки при их распространении в воде позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь) и формирования направленного излучения (протяженный участок среды, в котором взаимодействуют мощные акустические волны - длиной в десятки или сотни метров - объемная «бестелесная» антенна, в которой распределены нелинейные источники вторичных акустических сигналов), в результате чего при небольших поперечных размерах электроакустического
1
2
+
2
1
1
2
2
1
1
2
+
2
1
2
1
1
2
CP
cp
cp
cp
cp
ОБ
oб
oб
CP
ОБ
CP
ОБ
СР
P
D(f1)
D(2f1)
D(f2)
D(2f2)
D(f+)
D(F)
преобразователя удается получить излучение вторичных акустических сигналов в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Из-за квадратичной частотной зависимости вязкого поглощения волны накачки с частотами f, f и вторичные высокочастотные акустические сигналы f=f+f, 2f, 2f затухают в большей степени, чем сигнал разностной частоты F=f-f, что и предполагает их дальнейшее использование в гидроакустических системах - ближнюю и дальнюю локацию соответственно. Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, f, f=f+f, F=f-f, 2f, 2f распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρc), где ρ - плотность среды, c - скорость звука в ней, достигает расположенных в среде подвижных и покоящихся относительно нее объектов с акустическим сопротивлением (Z=ρc)≠(Z) отражается от них. Амплитуды отраженных волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами. Если акустическое сопротивление объекта Z больше акустического сопротивления среды Z, то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же Z<Z, то при отражении они изменяют фазу на 180° (см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд. МГУ, М., 1960, с.35-45), кроме этого, в соответствии с эффектом Доплера перемещение объекта с радиальной скоростью υ приведет к изменению частот отраженных акустических колебаний всех волновых процессов - доплеровским сдвигам частот (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), (±f) где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта. Отраженные спектральные компоненты полигармонического сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам
1
«линейной» акустики и достигают электроакустического преобразователя накачки и электрические сигналы с него через коммутатор поступают на входы НЧ и ВЧ трактов обработки описываемой системы звуковой локации, в которых однако обрабатываются только сигналы разностной частоты и накачки f - фильтруются, усиливаются, детектируются и подаются на двухканальный индикатор, т.е. для получения информации используются только амплитудные характеристики данных эхосигналов и оценивается лишь на этих частотах отражательная способность обнаруженных объектов, а также дистанция до них. Подобные параметрические гидроакустические приборы для дальней локации на рабочих сигналах разностной частоты достаточно широко используются (см. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004. - 400 с.), но обладают и рядом недостатков, имеющихся и у рассматриваемого аналога. Так, данное устройство - система звуковой локации - имеет недостатки и ограничения в применении:
1) область формирования характеристики направленности (ХН) ПА, т.е. расстояние, на котором ширина ХН по уровню 0,7 для низкочастотного СРЧ изменяется в значительных пределах, достаточно велика и зависит от величины СРЧ, что обуславливает значительность озвучиваемого водного объема у исходного излучателя; 2)осуществление направленного приема отраженных СРЧ традиционными методами «линейной» акустики существенно увеличивает массогабаритные характеристики приемных антенн, а также обеспечивает наличие значительных боковых лепестков (с уровнями - 20%), по которым производится прием переотраженных реверберационных, а также шумовых сигналов, что уменьшает отношение сигнал/шум на входе усилителя; 3)низкая эффективность генерации ПА низкочастотных СРЧ, 4)значительность в низкочастотном диапазоне уровней собственных акустических шумов водоемов, а также звуковых колебаний, создаваемых различными механизмами, 4) для получения более полного объема первичных данных о подводной обстановке, в частности,
достоверной классификации лоцируемых границ раздела - «вода-лед», «вода-воздух», «вода-металл» и т.п., необходимо использовать не только амплитудные, но как фазовые, так и частотные признаки эхосигналов различных частот, имеющихся в гидроакустическом канале.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации о подводной акватории, так как перечисленные выше недостатки снижают точность пеленгования целей, уменьшают помехозащищенность устройства, увеличивают «мертвую» зону, а также не предусматривают возможности различения обнаруженных целей и границ раздела по таким классификационным признакам как акустическое сопротивление и характеристики движения.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь накачки, приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты, два полосовых фильтра, два усилителя, два детектора, индикатор.
2
1
Известен «Параметрический эхо-импульсный локатор» по пат. РФ №2133047 МКИ 6 G01S 15/60, опубл. 10.07.1999, Бюл №19, содержащий излучающий тракт - два генератора, соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим электроакустическим преобразователем накачки ПА, который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными преобразователями, являющимися первыми блоками двух приемных трактов. Низкочастотный (НЧ) приемный тракт содержит приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f, соединенный через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор с первым входом индикатора, а высокочастотный (ВЧ) приемный тракт - приемный преобразователь акустических сигналов суммарной частоты
+
2
1
1
2
f=f+f, вторых гармоник 2f, 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, третий управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
1
2
1
2
2
1
+
2
1
1
2
+
2
1
1
2
2
1
Работа параметрического эхо-импульсного локатора происходит следующим образом. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f лежащими в полосе пропускания электроакустического преобразователя накачки ПА, которые поступают на два входа хронизатора-модулятора, на выходе которого сформирован радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности поступает на электроакустический преобразователь накачки ПА, излучающий зондирующий сигнал в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f, f, в канале распространения, результатом которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f, частот, вторых гармоник 2f, 2f волн накачки. Формирующееся в водной среде вторичное высокочастотное излучение - сигналы суммарной частоты (ССЧ) f=f+f вторые гармоники сигналов накачки 2f, 2f, обладают следующими характеристиками: 1) высокая эффективность генерации компонент вторичного высокочастотного излучения по сравнению с генерацией СРЧ; 2) малый уровень боковых лепестков в ХН; 3) повышенная (в 1,5-2 раза) острота главного максимума формирующегося вторичного высокочастотного излучения по сравнению с аналогичной характеристикой преобразователя накачки на исходных частотах и на СРЧ F=f-f; 4) широкий диапазон частот вторичных акустических сигналов; 5) кратность частот и фазовая связь
1
2
1
2
1
2
+
2
1
2
1
1
2
CP
cp
cp
cp
cp
ОБ
oб
oб
CP
ОБ
СP
ОБ
СР
Р
D(f1)
D(2f1)
D(f2)
D(2f2)
D(f+)
D(F)
распространяющихся в водной среде вторичных 2f, 2f, и первичных f, f акустических сигналов. Таким образом, прием и соответствующая обработка эхосигналов данных частот могут обеспечить получение более полного объема первичных данных о подводной обстановке (см. В.Ю.Волощенко «Гидролокатор ближнего действия с излучающей параметрической антенной» / ТРТИ. - Таганрог, 1992. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.06.92, №2037 - В92). Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, f, f=f+f, F=f-f, 2f, 2f, распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρc), где ρ - плотность среды, с - скорость звука в ней, достигает расположенных в среде подвижных и покоящихся относительно нее объектов, различных границ раздела с акустическими сопротивлениями (Z=ρc)≠(Z) и отражается от них. Амплитуды отраженных волн, несущих информацию об объектах и границах раздела, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой, ракурсом облучения, волновыми размерами. Если акустическое сопротивление объекта Z больше акустического сопротивления среды Z, то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же Z<Z, то при отражении они изменяют фазу на 180° (см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд. МГУ, М., 1960, с.35-45), кроме этого, в соответствии с эффектом Доплера перемещение объекта с радиальной скоростью υ приведет к изменению частот отраженных акустических колебаний всех волновых процессов - доплеровским сдвигам частот (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), (±f) где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта. Отраженные спектральные компоненты полигармонического сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики и достигают приемных преобразователей вторичных НЧ и ВЧ акустических сигналов, причем, все отраженные составляющие
полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об объектах лоцирования и обнаруженных границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении и характеристиках движения, а также и о их удалении от приемно-излучающей антенной системы.
2
1
+
2
1
1
2
+
1
2
1
2
+
1
2
1
2
Электрические сигналы, вырабатываемые приемными преобразователями вторичных НЧ и ВЧ акустических сигналов, поступают на входы НЧ и ВЧ трактов обработки описываемого параметрического эхо-импульсного локатора, в которых однако обрабатываются только сигналы разностной частоты F=f-f и вторичное высокочастотное излучение f=f+f, 2f, 2f причем, для получения информации используются только амплитудные характеристики данных эхосигналов и оценивается лишь на этих частотах отражательная способность обнаруженных объектов. Так, электрические колебания соответствующие СРЧ фильтруются, усиливаются, детектируются и подаются на первый вход индикатора, синхронизируемого хронизатором-модулятором. На выходах трех параллельно включенных цепочек в ВЧ приемном тракте после фильтрации, усиления и детектирования выделяются видеоимпульсные электрические сигналы соответствующие огибающим эхосигналов с частотами f=f+f, 2f; 2f, что обусловлено настройкой соответствующих полосовых фильтров. Данные электрические сигналы подаются на перемножитель, на выходе которого получают результирующее напряжение, поступающее на второй вход индикатора. В этом случае эквивалентная ХН приемного преобразователя параметрического импульсного локатора на вторичных высокочастотных акустических сигналах f, 2f, 2f определяется произведением трех характеристик направленности приемной антенны ВЧ тракта для указанных сигналов, причем, подбирая значения величин частот f, f исходных сигналов накачки, можно формировать практически безлепестковую результирующую характеристику направленности приемной антенны ВЧ тракта параметрического импульсного локатора. Таким образом, например,
2
1
+
1
2
при использовании параметрического импульсного локатора в режиме эхоледомера оператор устройства имеет возможность на низкой разностной частоте F=f-f регистрировать верхнюю кромку границы раздела «лед-воздух»; на высокочастотных f, 2f, 2f сигналах - регистрировать и детально определять рельеф нижней кромки границы «вода-лед» и оценивать толщину льда по разности запаздывания эхосигналов в НЧ и ВЧ приемных трактах, а также точно определять удаленность льда.
2
1
+
1
2
К недостаткам устройства следует отнести невозможность определения таких информативных параметров обнаруженных объектов как акустическое сопротивление и элементы движения как относительно водной среды, так и относительно судна-носителя локатора вследствие отсутствия каналов обработки фазовых и частотных характеристик эхосигналов, так как для получения информации используются лишь амплитудные характеристики эхосигналов и оценивается на этих частотах (F=f-f, f, 2f, 2f) только отражательная способность обнаруженных объектов. В частности, при использовании устройства в режиме эхоледомера проблема достоверной классификации характера лоцируемых границ раздела - «вода-лед», «вода-воздух», т.е. обнаружения во льдах полыней и разводьев для всплытия, не решена, а при использовании локатора в качестве обнаружителя айсбергов или глубоких выступов льда впереди автономного плавательного аппарата возможность своевременного уклонения от столкновения осложнена отсутствием точной информации о взаимном движении.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности параметрического эхо-импульсного локатора, так как используемая в устройстве обработка только амплитудных характеристик эхосигналов в специфических условиях эксплуатации не позволяет в соответствии с изменяющимися условиями лоцирования получать полную и достоверную информацию о подводной акватории, что приводит к снижению
безопасности подводного плавания автономных аппаратов-носителей устройства при проведении изыскательных работ.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь накачки, два приемных преобразователя акустических сигналов разностной частоты и вторичных высокочастотных сигналов, четыре полосовых фильтра, четыре усилителя, четыре детектора, перемножитель, индикатор.
2
1
1
2
+
2
1
1
2
В качестве прототипа выбран «Параметрический эхо-импульсный локатор» по пат. РФ №69646 МКИ 6 G01S 15/60, опубл. 2007, Бюл №36, содержащий излучающий тракт - два генератора, которые соединены через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим электроакустическим преобразователем накачки параметрической антенны (ПА), который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными преобразователями трактов обработки: низкочастотного (НЧ), в котором приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f, соединен через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор со вторым входом индикатора, первый вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора, и высокочастотного (ВЧ) - в котором приемный преобразователь первичных сигналов накачки f, f и вторичных высокочастотных сигналов - суммарной частоты f=f+f; вторых гармоник 2f, 2f одновременно соединен с третьим и четвертым входами индикатора через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров, усилителей, детекторов, перемножитель и две параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров, усилителей, умножителей частоты, фазовых детекторов, схему совпадения соответственно, причем, вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели соединены с соответствующими выходами усилителей из
амплитудного высокочастотного приемного тракта, а управляющие входы фазовращателей соединены с соответствующими выходами блока формирования управляющих напряжений, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора.
1
2
1
2
2
1
+
2
1
1
2
1
2
+
2
1
2
1
1
2
CP
cp
cp
cp
cp
ОБ
oб
oб
CP
ОБ
СР
ОБ
СР
Работа параметрического эхо-импульсного локатора происходит следующим образом. Генераторы вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, лежащими в полосе пропускания электроакустического преобразователя накачки ПА, которые поступают на два входа хронизатора-модулятора, на выходе которого сформирован радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности поступает на электроакустический преобразователь накачки ПА, излучающий зондирующий сигнал в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f, f, в канале распространения, результатом которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, вторых гармоник 2f, 2f, волн накачки. Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, f, f=f+f, F=f-f, 2f, 2f распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρc), где ρ - плотность среды, с - скорость звука в ней, достигает расположенных в среде подвижных и покоящихся относительно нее объектов, различных границ раздела с акустическими сопротивлениями (Z=ρc)≠(Z) и отражается от них. Амплитуды отраженных волн, несущих информацию об объектах и границах раздела, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой, ракурсом облучения, волновыми размерами. Если акустическое сопротивление объекта Z больше акустического сопротивления среды Z, то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же Z<Z, то при отражении они
p
D(f1)
D(2f1)
D(f2)
D(2f2)
D(f+)
D(F)
изменяют фазу на 186° (см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд. МГУ, М., 1960, с.35-45), кроме этого, в соответствии с эффектом Доплера перемещение объекта с радиальной скоростью υ приведет к изменению частот отраженных акустических колебаний всех волновых процессов -доплеровским сдвигам частот (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта. Отраженные спектральные компоненты полигармонического сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики и достигают приемных преобразователей вторичных НЧ и ВЧ акустических сигналов, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об объектах лоцирования и обнаруженных границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении и характеристиках движения, а также и о их удалении от приемно-излучающей антенной системы.
2
1
+
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
Электрические сигналы с приемных преобразователей вторичных НЧ и ВЧ акустических сигналов поступают на входы НЧ и ВЧ трактов обработки описываемого параметрического эхо-импульсного локатора, в которых обрабатываются не только сигналы разностной частоты F=f-f и вторичное высокочастотное излучение f=f+f, 2f, 2f, но и сигналы накачки с частотами f, f, причем, для получения информации используются не только амплитудные характеристики данных эхосигналов, но и фазовые характеристики эхосигналов кратных частот f и 2f, f и 2f, т.е. оценивается на этих частотах как отражательная способность обнаруженных объектов, так и их акустическое сопротивление.
2
1
На выходе НЧ приемного тракта после фильтрации, усиления и детектирования выделяется видеоимпульсные электрические сигналы, соответствующие эхосигналам разностной частоты F=f-f от облучаемых
объектов, которые подаются на второй вход индикатора, запускаемого подачей синхроимпульса с дополнительного выхода хронизатора-модулятора на первый вход индикатора.
1
+
2
На выходе амплитудного ВЧ приемного тракта после фильтрации, усиления, детектирования и перемножения выделенных видеоимпульсных электрических сигналов, соответствующих
эхосигналам с частотами 2f, f, 2f получаем результирующее напряжение, которое подается на третий вход индикатора.
1
2
2
1
2
1
Работоспособность фазового приемного тракта основана на применении следующего способа получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) границы раздела, реализуемого с использованием двух когерентных гармонических акустических сигналов S(t) и S(t) кратных частот f и f, отличающихся по частоте в целое число раз f=nf, или , с помощью которых локатор облучает поверхность. Пусть в среду лоцирования антенной локатора излучаются два акустических сигнала
01
1
1
02
2
1
1
где φ, ω=2πf и φ, ω=2π(2f) - начальные фазы и циклические частоты для соответствующих акустических сигналов. Если отражающая поверхность находится на удалении z, то через время t, к приемной антенне (без учета затухания и расширения фронта волны) придут эхосигналы
1
2
0
отрР1
1
R1
1
отрР2
2
R2
2
где  и  - волновые числа для соответствующих сигналов с частотами f и f; c - скорость звука в воде; К(ω), φ(ω) и К(ω), φ(ω) - величины модулей коэффициентов отражения и приобретаемого фазового сдвига для звукового давления акустических сигналов при отражении от облучаемой поверхности. После обработки в
Э1
Э2
02
01
2
1
1
приемных трактах локационного устройства фазосвязанных сигналов S и S (фильтрация, усиление, приведение к одной частоте, фазовое детектирование) можно получить информацию о фазовой характеристике отражающей поверхности цели, определяя фазу одного из эхосигналов путем сравнения с другим эхосигналом, используемым в качестве опорного. Так, например, разность фаз приведенных к одинаковой частоте фазосвязанных сигналов (φ=2φ) кратных частот f=2f и f будет равна
1
ОБ
СР
1
2
R1
1
R2
2
R
ОБ
СР
1
2
R1
1
R2
2
R
т.е. разность фаз приобретенных при отражении фазовых сдвигов не зависит ни от времени t распространения сигналов, ни от расстояния z до отражающего объекта, а определяется только соотношением акустических сопротивлений поверхности объекта и среды лоцирования. При облучении акустически «жестких» объектов (например, погруженная часть корпуса надводного судна, каменистое дно в море, граница раздела «вода-лед») акустическое сопротивление Z которого больше, чем акустическое сопротивление среды распространения Z, отражение акустических сигналов S(t) и S(t) кратных частот происходит без фазового сдвига на π радиан, T.e. φ(ω)=φ(ω)=0° и Δφ=0°. В случае отражения от акустически «мягких» объектов (стая рыб с газонаполненными плавательными пузырями, насыщенный пузырьками газа верхний слой речного грунта, граница раздела «вода-воздух») акустическое сопротивление Z которых меньше, чем акустическое сопротивление среды распространения Z, отражение акустических сигналов S(t) и S(t) кратных частот происходит с фазовым сдвигом на л радиан, т.е. φ(ω)=φ(ω)=180° и Δφ=360°-180°=180°.
В прототипе в качестве фазосвязанных сигналов кратных частот используются исходные сигналы накачки и формирующиеся в водной среде их вторые гармоники. С этой целью в фазовом приемном тракте после
1
2
1
2
2
1
фильтрации и усиления выделяются электрические сигналы с частотами сигналов накачки f, f, которые удваивают по частоте (2f′, 2f′) и подают на первые входы фазовых детекторов, с помощью которых определяют наличие или отсутствие фазового сдвига при отражении от границ раздела при использовании в качестве опорных эхосигналов вторых гармоник 2f, 2f, подаваемых на вторые входы фазовых детекторов через фазовращатели. На управляющие входы фазовращателей подаются электрические сигналы с соответствующих выходов блока формирования управляющих напряжений, который запускается синхроимпульсом с дополнительного выхода хронизатора-модулятора.
+
2
1
1
2
1
2
1
1
2
2
Генерация вторичных сигналов f=f+f, 2f, 2f, при нелинейном взаимодействии исходных волн накачки f, 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, (Волощенко В.Ю. Исследование и разработка параметрической антенны в режиме генерации акустических сигналов суммарной частоты для использования в гидроакустических системах ближнего действия: Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук: 01.04.06, 05.12.01. Таганрог, 1993. 165 с), причем, первичные и вторичные акустические сигналы приобретают определенный дифракционный фазовый сдвиг, компенсация которого для сигналов f, 2f и f, 2f, сформированных излучающей ПА, осуществляется с помощью фазовращателей на управляющие входы которых поступают электрические сигналы, амплитуды которых во времени пропорциональны величине фазового сдвига; данные электрические сигналы вырабатывает блок формирования управляющих
напряжений после поступления на его управляющий вход синхроимпульса от хронизатора-модулятора 3.
1
1
2
2
Напряжения, формируемые на выходах фазовых детекторов, при лоцировании границы раздела из акустически мягкого материала будет иметь одну полярность, а для акустически жесткого - другую. Данные сигналы подают на два входа схемы совпадения, причем, на ее выходе вырабатывается результирующий сигнал только в том случае, если напряжения имеют одинаковую полярность. В случае возникновения результирующего сигнала он поступает на четвертый вход индикатора и позволяет осуществлять классификацию лоцируемых поверхностей (границы раздела «лед-воздух», «вода-воздух», «вода-лед», «вода-металл») по фазовым признакам эхосигналов кратных частот f, и 2f, f и 2f.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь накачки, два приемных преобразователя акустических сигналов разностной частоты и вторичных высокочастотных сигналов, шесть полосовых фильтров, шесть усилителей, четыре детектора, два умножителя частоты, два фазовращателя, два фазовых детектора, блок формирования управляющих напряжений, четыре детектора, перемножитель, индикатор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности акустического эхо-импульсного локатора вследствие того, что с его помощью оператор может лишь обнаружить цель (границу раздела), оценить ее отражательную способность и акустическое сопротивление на нескольких рабочих частотах и измерить с требуемой точностью параметры, несущие информацию о ее координатах (дальность, азимутальный и курсовой углы), в то время как измерение характеристик движения (направление и скорость перемещения) цели (границы раздела) не выполняется.
В частности, при работе устройства в режиме эхоледомера может снижаться достоверность различения акустического сопротивления реальных
границ раздела «вода-лед» (акустически жесткая), «вода-воздух» (акустически мягкая) за счет наличия неровностей как на нижней поверхности льда, так и на взволнованной свободной водной поверхности. Дело в том, что эхосигналы от неровной границы формируются в результате суммирования множества элементарных эхосигналов от статистически независимых по пространству отражающих площадок, в результате чего фаза этих эхосигналов может равновероятно принимать значения в диапазоне от (-π) до (π), и это может внести осложнения в работу канала обработки фазовых признаков эхосигналов и затруднить обнаружение подходящих для всплытия участков свободной ото льда водной поверхности, приводящее к снижению безопасности подводного плавания автономных аппаратов-носителей данного локатора при проведении изыскательных работ. В данном случае именно точное определение отсутствия или наличия элементов движения неровной отражающей границы за счет обработки частотных признаков эхосигналов позволит однозначно установить статичность («вода-лед») или подвижность («вода-воздух») облучаемой границы раздела. Данный локатор, используемый в режиме эхоледомера, не обеспечивает получение описанного информативного признака неровной поверхности, что снижает его эксплуатационные возможности.
Работа устройства в режиме обнаружителя айсбергов при непрерывном сканировании подледного пространства впереди автономного плавательного аппарата также имеет ограниченные эксплуатационные возможности, так как используемая в устройстве обработка эхосигналов в специфических условиях эксплуатации (малая скорость хода автономного плавательного аппарата при маневрировании и поиске проходов в мощных глубоких дрейфующих льдах в условиях мелководного Сибирского континентального шельфа с нерегулярным дном, наличие течений и мощных звукорассеивающих слоев из биологических объектов, резкое снижение солености воды в приповерхностной подледной области и т.д.) не позволяет в соответствии с изменяющимися условиями лоцирования точно и
оперативно определять такие информативные параметры обнаруженных объектов естественной и искусственной природы как элементы их движения (направление и скорость перемещения) относительно судна-носителя локатора.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей акустического эхо-импульсного локатора, позволяющее дополнительно определять характеристики движения обнаруженных объектов и границ раздела с различной точностью измерений.
Технический результат полезной модели заключается в возможности получения дополнительной информации о характеристиках движения объектов естественной и искусственной природы, а также границ раздела, что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширит эксплуатационные возможности устройства.
1
2
2
1
1
2
+
2
1
1
2
1
+
2
Технический результат достигается тем, что в параметрический эхо-импульсный локатор, содержащий излучающий тракт: два генератора (f, f), которые соединены через последовательно включенные хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим электроакустическим преобразователем накачки параметрической антенны (ПА), который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными преобразователями приемных трактов: низкочастотного (НЧ), в котором приемный преобразователь акустических сигналов разностной частоты F=f-f соединен через последовательно включенные полосовой фильтр, усилитель, детектор со вторым входом индикатора, первый вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора, и высокочастотного (ВЧ) - в котором приемный преобразователь первичных сигналов накачки f, f, и вторичных высокочастотных сигналов - суммарной частоты f=f+f; вторых гармоник 2f, 2f одновременно соединен с третьим и четвертым входами индикатора через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров (2f, f, 2f), усилителей, детекторов, перемножитель и две параллельно
1
2
1
2
2
2
2
2
2
включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров (f, f), усилителей, умножителей частоты, фазовых детекторов, схему совпадения соответственно, причем, вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели соединены с соответствующими выходами усилителей (2f, 2f) из амплитудного высокочастотного приемного тракта, а управляющие входы фазовращателей соединены с соответствующими выходами блока формирования управляющих напряжений, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора, дополнительно введены умножитель частоты, два двухвходовых аналоговых ключа, частотный дискриминатор, блок обработки доплеровской информации и блок управления, причем, генератор (f) соединен также с двумя входами первого аналогового ключа: с первым -непосредственно, а со вторым - через умножитель частоты (f→2f), выход которого соединен с первым входом частотного дискриминатора, второй вход которого через второй аналоговый ключ может быть поочередно соединен с выходами соответствующих усилителей (2f) и (f), причем, выход частотного дискриминатора соединен со входом блока вторичной обработки доплеровской информации, а управляющие входы обоих аналоговых ключей, блока обработки доплеровской информации и хронизатора-модулятора соединены с выходом блоком управления.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительный тракт для обработки частотных признаков эхосигналов, что расширяет эксплуатационные возможности параметрического локатора за счет возможности измерения характеристик движения обнаруженных целей и границ раздела с необходимой точностью.
На фиг.1 показана структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2. - эпюры напряжений в различных точках фазового приемного тракта устройства, на фиг.3 показано общее подледное гидролокационное оборудование автономных плавательных аппаратов типа «Стерджен»: 1, 2, 4, 5, 6, 7 - лучи направленных вверх гидролокаторов-эхоледомеров - три из
которых сосредоточены в кормовой, один - в средней, один - в носовой частях главной палубы корпуса, два - на рубке, один из которых -высокочастотный узколучевый профилограф-эхоледомер, используемый для точного измерения расстояния от верха рубки до ближайшей границы льда, а также его толщины при движении; 3 - луч профилографа-эхоледомера; 8 - луч обнаружителя айсбергов, который непрерывно сканирует пространство впереди лодки в поисках айсбергов или глубоких выступов льда; 9, 10 - лучи донных эхолотов: два эхолота - в носовой и кормовой частях лодки (см. рис.4 на стр.149 из Макларен А.С. Краткий исторический обзор исследований Арктического бассейна и прилегающих зон ледяной кромки с помощью подводных лодок // Подводная акустика и обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. С.144-154.). на фиг.4 - представлена амплитудно-частотная характеристика частотного дискриминатора.
2
1
1
2
+
2
1
1
2
1
+
2
Параметрический эхо-импульсный локатор (фиг.1) 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), который акустически связан через нелинейную среду лоцирования с двумя приемными преобразователями 6 и 11 приемных трактов: низкочастотного (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 высокочастотного (ВЧ) - в котором приемный преобразователь 11 первичных сигналов накачки (f, f) и вторичных высокочастотных сигналов (суммарной частоты f=f+f; вторых гармоник 2f, 2f) одновременно соединен с третьим и четвертым входами индикатора 10 через три параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров 12, 13, 14 (2f, f, 2f) усилителей 15, 16, 17, детекторов 18, 19, 20, перемножитель 21 и
1
2
1
1
2
2
1
2
2
2
2
2
2
две параллельно включенные цепочки из последовательно соединенных полосовых фильтров 22, 23 (f, f),усилителей 24, 25, умножителей частоты 26, 27 (f→2f; f→2f), фазовых детекторов 28, 29, схему совпадения 32 соответственно, причем, вторые входы каждого фазового детектора через фазовращатели 30, 31 соединены с соответствующими выходами усилителей - 15 (2f), 17 (2f) из амплитудного высокочастотного приемного тракта, причем, управляющие входы фазовращателей 30,31 соединены с выходам блока формирования управляющих напряжений 33, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом хронизатора-модулятора 3. Генератор 2 (f) соединен также с двумя входами первого аналогового ключа 35: с первым - непосредственно, а со вторым - через умножитель частоты 34 (f→2f), выход которого соединен с первым входом частотного дискриминатора 37, второй вход которого через второй аналоговый ключ 36 может быть поочередно соединен с выходами соответствующих усилителей 17 (2f) и 25(f), причем, выход частотного дискриминатора 37 соединен со входом блока вторичной обработки доплеровской информации 38. Управляющие входы обоих аналоговых ключей 36, 35, блока вторичной обработки доплеровской информации 38 и хронизатора-модулятора 3 соединены с выходом блоком управления 39.
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, приводящегося в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 39, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U3 с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности 4 поступает на преобразователь накачки 5 параметрической антенны, излучающий зондирующий сигнал накачки в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное
2
1
+
2
1
1
2
1
2
+
2
1
1
2
2
1
1
2
+
2
1
2
1
1
2
CP
cp
cp
cp
cp
ОБ
oб
oб
CP
взаимодействие сигналов накачки с частотами ,  - в канале распространения, результатом которых является генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f, частот, вторых гармоник 2f, 2f волн накачки. Нелинейное взаимодействие волн накачки при их распространении в воде позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь) и формирования направленного излучения (протяженный участок среды, в котором взаимодействуют мощные акустические волны - длиной в десятки или сотни метров - объемная «бестелесная» антенна, в которой распределены нелинейные источники вторичных акустических сигналов), в результате чего при небольших поперечных размерах электроакустического преобразователя удается получить излучение вторичных НЧ и ВЧ акустических сигналов в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Из-за квадратичной частотной зависимости вязкого поглощения волны накачки с частотами f, f, и вторичные высокочастотные акустические сигналы f=f+f, 2f, 2f затухают в большей степени, чем сигнал разностной частоты F=f-f, что и предполагает их дальнейшее использование в гидроакустических системах - ближнюю и дальнюю локацию соответственно. Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, f, f=f+f, F=f-f, 2f, 2f распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρc), где ρ - плотность среды, c- скорость звука в ней, достигает расположенных в среде подвижных и покоящихся относительно нее объектов с акустическим сопротивлением (Z=ρc)≠(Z) и отражается от них. Амплитуды отраженных волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой
ОБ
СР
ОБ
СР
P
D(f1)
D(2f1)
D(f2)
D(2f2)
D(f+)
D(F)
объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами. Если акустическое сопротивление объекта Z больше акустического сопротивления среды Z, то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же Z<Z, то при отражении они изменяют фазу на 180° (см. С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд. МГУ, М., 1960, с.35-45), кроме этого, в соответствии с эффектом Доплера перемещение объекта с радиальной скоростью υ приведет к изменению частот отраженных акустических колебаний всех волновых процессов - доплеровским сдвигам частот (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), (±f), где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта. Отраженные спектральные компоненты полигармонического сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики и достигают приемных преобразователей 6 и 11 НЧ и ВЧ приемных трактов параметрического локатора (акустический сигнал U4), причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об объектах лоцирования и границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности, акустическом сопротивлении и кинематических характеристиках, а также и о их удалении от приемно-излучающей системы 5, 6, 11.
2
1
На выходе канала обработки амплитудных характеристик эхосигналов НЧ приемного тракта после фильтрации (полосовой фильтр 7), усиления (усилитель 8) и детектирования (детектор 9) выделяется видеоимпульсный электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналам разностной частоты F=f-f от облучаемых границ раздела и объектов, которые подаются на второй вход индикатора 10, запускаемого подачей синхроимпульса с дополнительного выхода хронизатора-модулятора 3 на первый вход индикатора 10.
1
+
2
2f1
+
2f2
2f1
+
2f2
1
+
2
1
+
2
1
2
На выходе канала обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ приемного тракта после фильтрации (полосовые фильтры 12, 13, 14), усиления (усилители 15, 16, 17), детектирования (детекторы 18, 19, 20) и перемножения (21) выделенных видеоимпульсных сигналов U6 (2f), U7 (f), U8 (2f) получаем результирующее напряжение U9=U6×U7×U8, соответствующее эхосигналам для вторичного высокочастотного излучения от облучаемых границ раздела, которые подаются на третий вход индикатора 10. Уровни каждого из электрических сигналов U6, U7, U8 определяются амплитудной характеристикой направленности (θ),(θ),(θ) и чувствительностью Y, Y, Y в режиме приема преобразователя 11 для каждой из рассеянных объектами акустических волн с частотами колебаний 2f, f, 2f, где θ - угол прихода рассеянных волн, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны. Вследствие близости частот 2f, f, 2f отраженных вторичных акустических сигналов, пространственные характеристики направленности (ХН) для приемного преобразователя 11 аналогичны и близки по величине друг другу (расположение в пространстве главного и добавочных максимумов излучения, ширина главного максимума по первым направлениям нулевого излучения и по уровню 0,7, уровни добавочных максимумов и т.д.). Перемножение электрических сигналов U6×U7×U8, уровни каждого из которых пропорциональны аналогичным пространственным ХН приемного преобразователя 11, обеспечит сохранение электрических сигналов большой амплитуды, соответствующих главным максимумам на акустической оси приемно-излучающей системы 5, 6, 11, и ослабление электрических сигналов малой амплитуды, соответствующих добавочным максимумам для других внеосевых направлений, что эквивалентно уменьшению ширины главного максимума и подавлению дополнительных максимумов в результирующей характеристике направленности приемного преобразователя 11. Таким образом, подбирая значения величин частот f, f исходных сигналов накачки, можно увеличить
остроту главного максимума и практически полностью устранить боковые лепестки в характеристике направленности приемной антенны канала обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ в приемном тракте предлагаемого устройства.
+
1
2
0,7 ВЧрез
Проиллюстрируем возможность получения различной точности отображения рельефа нижней кромки льда с использованием каналов обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ и НЧ приемного тракта. Например, на нижней кромке льда имеются два выступа одинаковой величины, расположенных на расстоянии D и разделенных глубокой трещиной (рис.2), отметки, от которых на эхограмме могут сливаться в одну и тем самым увеличивать толщину льда практически вдвое. Рассчитаем величину угла Δθ, при отклонении на который в области максимума диаграмм направленности (ДН) антенных систем обоих каналов, оператор или решающий автомат уверенно зафиксирует уменьшение амплитуды сигнала от каждого из соседних выступов, т.е. они будут зарегистрированы раздельно с определенной точностью отображения рельефа нижней кромки льда. Величиной этого угла Δθ характеризуют точность пеленгования. Для максимального метода пеленгования , где μ - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05-0,15); для слухового индикатора - ≥0,2. Оценим точность максимального метода пеленгования НЧ и ВЧ амплитудными трактами макета параметрического гидролокатора ближнего действия (см. В.Ю.Волощенко «Гидролокатор ближнего действия с излучающей параметрической антенной» / ТРТИ. - Таганрог, 1992. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.06.92, №2037 - В92), который может быть использован в режиме эхоледомера. В данном устройстве ширина эквивалентных ДН приемно-излучающей системы по уровню 0,7 составляет: ВЧ канал - при предлагаемой обработке сигналов f=476 кГц, 2f=456 кГц, 2f=496 кГц θ=1,6° при отсутствии боковых лепестков; НЧ канал - для сигнала разностной
0,7 НЧ
ВЧрез
НЧ
ВЧрез
НЧ
частоты F=20 кГц θ=6,4° при наличии боковых лепестков с уровнями до 13%, что должно обеспечить при вертикальном лоцировании с неподвижного автономного подводного аппарата, расположенного на глубине 20 метров, следующие величины разрешающей способности по углу D,~0,2 м и D~0,8 м соответственно. В данном случае при визуальном пеленговании выступов оператором (μ=0,1) с помощью данной локационной системы точность пеленгования Δθ будет составлять: для ВЧ тракта при предлагаемой обработке - D=0,28°; для НЧ тракта на сигнале разностной частоты F=20 кГц - Δθ=1,3°.
1
2
1
1
2
2
1
2
Работоспособность фазового приемного тракта предлагаемой полезной модели основана на применении подробно описанного выше (см. стр.15-17 данного описания) способа получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) границы раздела (фиг.2). 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 границ раздела при использовании в качестве опорных эхосигналов U13, U13' с частотами 2f и 2f, подаваемых 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 акустически мягкой границы раздела будет иметь одну полярность, а акустически жесткой - 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 и позволяет сделать вывод об акустическом сопротивлении лоцируемых поверхностей (границы раздела «лед-воздух», «вода-воздух», «вода-лед», «вода-металл»). Последовательно проходимые акустическими волнами по прямому ходу луча границы раздела: «вода-лед», «вода-металл» - акустически жесткие; «лед-воздух», «вода-воздух»-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 канала обработки фазовых характеристик эхосигналов ВЧ приемного тракта параметрического эхо-импульсного эхоледомера.
+
2
1
1
2
1
2
1
1
2
2
Генерация вторичных сигналов f=f+f, 2f, 2f при нелинейном взаимодействии исходных волн накачки f, 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. Компенсация разности дифракционных фазовых сдвигов 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 величинам образующихся разностей дифракционных фазовых сдвигов. Электрические сигналы U17 и U18 вырабатывает блок формирования управляющих напряжений после поступления на его управляющий вход синхроимпульса от хронизатора-модулятора 3.
1
2
+
2
1
1
2
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 «Y» (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, 2f волн накачки, а их задержка относительно начала развертки - расстояние z от преобразователей локатора до объекта ( 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 соотношений акустических сопротивлений последовательно проходимых акустическими волнами снизу вверх по прямому ходу луча границ раздела:
2
1
+
1
2
1
1
2
2
Проанализируем информацию, отображаемую на экранах индикатора 10 на разных частотах: - разностной F=f-f, - сигнал U5, на вторичных высокочастотных - f, 2f, 2f - сигнал U9, на кратных акустических - f, и 2f; f и 2f - сигнал U16 для различных границ раздела:
1) «вода-воздух». Эхосигналы от поверхности чистой воды (сигналы U5, U9 в амплитудных приемных трактах) будут четко просматриваться в виде одинаково задержанных относительно начала развертки импульсов с большой крутизной переднего фронта, но разной протяженности флюктуирующего по амплитуде вытянутого шлейфа, наличие которого обусловлено сферичностью фронтов падающих акустических волн, особенностями характеристик направленности приемных антенн устройства, взволнованностью водной поверхности и воздействием реверберационной
помехи. Таким образом, эхосигнал от поверхности чистой воды, полученный в ВЧ амплитудном приемном тракте - U9, будет иметь меньший по длительности маскирующий шлейф. Фазовый приемный тракт устройства обеспечит наличие сигнала U16, который будет иметь вид стабильного по амплитуде, знаку и расположению на линии развертки видеоимпульса отрицательной полярности (невзволнованная поверхность моря) или меняющегося по амплитуде, знаку и расположению на линии развертки видеоимпульса (взволнованная поверхность моря), что позволит уточнить расположение и состояние морской поверхности.
2) «вода-лед». Передний фронт эхосигналов U5, U9 от нижней границы льда на линии развертки будет не совпадать (левее относительно U9 будет U5), что даст завышение измеряемой толщины льда в НЧ амплитудном приемном тракте, причем, в ВЧ тракте маскировка нижней кромки переотражениями будет существенно меньше и отметка на экране индикатора будет более четко различима. Эхосигнал U16 на линии развертки будет совпадать с эхосигналом U9 и иметь вид меняющегося по амплитуде и знаку видеоимпульса, так как эхосигналы U12 и U12', U13 и U13'от неровной границы формируются в результате суммирования множества элементарных эхосигналов от статистически независимых по пространству отражающих площадок на нижней кромке льда, в результате чего фаза этих сигналов может равновероятно принимать значения в диапазоне от (-π) до (π).
3) «лед-воздух». Верхняя кромка льда в отличие от нижней значительно более гладкая и при отражении от нее все сигналы приобретают дополнительный фазовый сдвиг, равный π, причем, существенным отличием поверхности, покрытой льдом, является малоподвижность верхней кромки льда, т.е. отраженный сигнал не зависит или очень мало изменяется во времени. Амплитуды эхосигналов U5, U9 от верхней кромки льда вследствие значительного затухания будут достаточно сильно отличаться по величине, причем, в ВЧ тракте маскировка полезного эхосигнала реверберационной помехой вследствие затухания будет существенно ниже, в сравнении с
ситуацией в НЧ тракте. Эхосигнал U16 будет иметь вид видеоимпульса постоянной амплитуды и отрицательной полярности, стабильно расположенного на линии развертки, что позволит уточнить расположение верхней кромки льда.
2
D(f2)
2
D(f2)
2
2
2
2
D(f2)
2
2
D(2f2)
2
D(f2)
B(f2)
D(2f2))
B(2f2)
Работоспособность частотного приемного тракта предлагаемой полезной модели, предназначенного для измерения характеристик движения как обнаруженной цели или границы раздела, так и самого автономного плавательного аппарата, основана на изменении спектра эхосигнала по отношению к спектру зондирующего сигнала в соответствии с эффектом Доплера. В канале обработки частотных характеристик эхосигналов ВЧ приемного тракта после фильтрации (полосовые фильтры 14, 23), усиления (усилители 17, 25) выделяются электрические сигналы с частотами (f±f) и (2f± f), которые поступают на первый и второй сигнальные входы двухвходового аналогового ключа 36, с выхода которого поступает на первый вход частотного дискриминатора 37 тот или иной электрический сигнал с доплеровским сдвигом частоты. На второй вход частотного дискриминатора 37 с выхода второго двухвходового аналогового ключа 35 подается один из сигналов с частотой f, 2f соответственно без доплеровского смещения. Для этого оба входа второго аналогового ключа 35 соединены с выходом высокочастотного генератора 2 с частотой f: - первый вход - напрямую, а второй - через умножитель частоты 34 с коэффициентом умножения 2. Выбор той или иной пары сигналов (f±f), f или (2f± f), 2f производится оператором и осуществляется путем подачи с блока управления 39 соответствующих сигналов на управляющие входы аналоговых ключей 36 и 35. В результате данных действий оператора на выходе частотного дискриминатора 37 выделяется электрический сигнал: или с частотой доплеровского смещения f и амплитудой U, или с частотой доплеровского смещения f и амплитудой U что позволяет в блоке вторичной обработки доплеровской информации 38 рассчитать два
Р(f2)
P(2f2)
значения радиальной составляющей скорости υ, υ относительного сближения (+) или удаления (-) объекта и судна - носителя параметрического локатора, измеренной на соответствующем акустическом сигнале на основе эффекта Доплера по соотношениям
V(f2)
V(2f2)
2
2
где K, K - скоростные чувствительности частотного приемного тракта параметрического локатора для акустических сигналов на частотах f и 2f, представляющая собой приращение доплеровской частоты при изменении скорости на 1 узел; с - скорость звука в водной среде.
B
D(f2)
D(2f2)
2
2
в(2f1)
в(f1)
Частотный дискриминатор 37 вырабатывает сигнальное напряжение (±U), амплитуда которого пропорциональна величине доплеровского смещения (±f, ±f) на используемых рабочих сигналах f, 2f, причем, в соответствии с его амплитудно-частотной характеристикой (фиг.4) для более высокочастотных рабочих сигналов величина сигнального напряжения имеет большую величину (U>U), что увеличивает как отношение «сигнал/шум», так и помехоустойчивость рассматриваемого приемного тракта (см. Екимов В.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприемных устройств. - М.: Связь, 1970. с.282-287).
Для выполнения вторичной обработки блок 38 может быть выполнен как известные аналогичные устройства из радиодоплеровских систем (см. Цифровые навигационные устройства. Под ред. В.Б.Смолова. М.: Сов. радио, 1980). Более перспективным направлением реализации блока 38 вторичной обработки доплеровской информации является применение средств вычислительной техники (см.Судовые измерители скорости.(справочник). А.А.Хребтов, В.Н.Кошкарев и др. Л.: Судостроение, 1978).
Приведем пример расширения эксплуатационных возможностей рассматриваемой полезной модели, обеспеченный использованием введенного тракта для обработки частотных признаков эхосигналов.
Р(f2)
P(2f2)
Как следует из представленного выше описания сигнала U16, отображаемого на экране индикатора 10 и вырабатываемого фазовым приемным трактом устройства, при облучении взволнованной поверхности моря и неровной нижней кромки льда существенным отличием информационного сигнала в первом случае от второго есть лишь изменение расположения на линии развертки (ближе или дальше расположение рассеивающей поверхности относительно приемно-излучающей антенной системы 5, 6, 11) меняющегося по амплитуде, знаку видеоимпульса, что обусловлено подвижностью свободной водной поверхности в отличие от статичной неровной нижней кромки льда, причем, именно данный признак - измерение скорости υ, υ (см. соотношения (6), (7) на стр.33 описания) вертикальных перемещений подвижной свободной поверхности следует использовать для увеличения достоверности классификации лоцируемых границ раздела при обнаружении полыней и разводий во льдах, пригодных для всплытия на поверхность автономного плавательного аппарата. В данном случае именно точное определение отсутствия или наличия элементов движения неровной отражающей границы за счет обработки частотных признаков эхосигналов позволит однозначно установить статичность («вода-лед») или подвижность («вода-воздух») облучаемой границы раздела.
D
Рассмотрим причины возникновения возможности увеличения точности проводимых измерений с помощью описываемого тракта, основанные на изменении спектра эхосигнала по отношению к спектру зондирующего сигнала в соответствии с эффектом Доплера. Пусть с неподвижного автономного плавательного аппарата под углом Θ к свободной взволнованной границе раздела «вода-воздух» в нелинейную водную среду излучается пучок мощных звуковых волн конечной амплитуды
2
2
2
2
2
2
2f2
0,7(f2)
0,7(2f2)
(f2)
(2f2)
в
D(f2)
D(2f2)
2
2
с частотой f. При распространении ультразвуковой волны конечной амплитуды в водной среде изменяются свойства среды, что приводит к искажению формы волны конечной амплитуды, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f,...nf. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: - на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи, с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники делается уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438-441). В нашем случае ограничимся рассмотрением только двух акустических сигналов - накачки с частотой f и его второй гармоники 2f, острота главного максимума излучения которой в  раз больше, чем для сигнала основной частоты, вследствие того, что для второй гармоники угловое распределение уровней звукового давления определяется второй степенью углового распределения уровней звукового давления сигнала основной частоты - D(θ)=(в). Таким образом, преобразователь накачки 5 параметрической антенны, формирующий в водной среде акустические пучки первичного и вторичного излучения с шириной по уровню 0,7 - θ и θ облучает две концентрические площадки S и S взволнованной границе раздела «вода-воздух», совершающей вертикальные перемещения со скоростью υ. В данном случае в соответствии с двойным эффектом Доплера происходит смещение частоты волн при отражении от движущихся площадок, что позволяет, измеряя доплеровское смещение частот (±f, ±f) при известных с, f и 2f
рассчитать два значения радиальной скорости объекта, точность косвенного определения которых будет выше для более высокочастотного сигнала. Отраженные сигналы как первичного, так и вторичного излучений будут иметь доплеровские спектры частот, ширина которых по уровню половинной мощности определяется приближенным соотношением
D
D
D
D
Расширение спектров (8) частот эхосигналов затрудняет выделение доплеровских приращений частот, что вызовет погрешности их измерений, которые будут тем значительней, чем шире диаграмма направленности антенны (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.60). Так, среднеквадратичная погрешность δF измерения доплеровского сдвига частот из-за флуктуации средней частоты спектра может быть оценена из приближенного соотношения (см. Я.Л.Бергер Особенности измерения скорости с использованием эффекта Доплера. Вопросы радиолокационной техники, 1958, №2 (44), с.37-49) δF≈m·Δf, где m - некоторый постоянный коэффициент, Δf - ширина доплеровского спектра сигнала на уровне половинной мощности.
Полезная модель может быть применена для решения разнообразных задач исследования и освоения обширных площадей Арктического шельфа России, связанных с повышением безопасности подводного плавания автономных аппаратов и проведением изыскательных работ, имеющих целью обнаружение и уточнение как координат отражающих ультразвук объектов и характеристик их движения, так и распознавания акустического сопротивления лоцируемых границ раздела - «вода-лед», «вода-воздух», «лед-воздух».