RU2300781C1

RU2300781C1 - Device for hydrometeorological observations of sea range water area

Info

Publication number: RU2300781C1
Application number: RU2005131351/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Добротворский (RU); Александр Николаевич Добротворский; Константин Георгиевич Ставров (RU); Константин Георгиевич Ставров; Александр Александрович Парамонов (RU); Александр Александрович Парамонов; Олег Юрьевич Ганжа (RU); Олег Юрьевич Ганжа; Виктор Сергеевич Аносов (RU); Виктор Сергеевич Аносов; вец Владимир Васильевич Черн (RU); Владимир Васильевич Чернявец; Александр Анатольевич Федоров (RU); Александр Анатольевич Федоров; Дмитрий Леонидович Щенников (RU); Дмитрий Леонидович Щенников
Original assignee: Александр Николаевич Добротворский
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2007-06-10

Abstract

FIELD: underwater acoustics, applicable for hydrometeorological observations of the sea range water area.

SUBSTANCE: the device has a synchronization and control unit, series-connected hydrophone, preamplifier, communication line, wide-band amplifier, spectrum analyzer unit, spectrum section separation unit, sea noise classification unit, wind speed measuring unit seaway determination unit. The output of the spectrum analyzer unit is connected to the indicator input the output of the spectrum section separation unit is connected to the input of the wind speed measuring unit. The outputs of the sea noise classification unit, wind speed measuring unit and seaway determination unit are connected to the indicator inputs. The controlled input of the synchronization and control unit is connected to the output of the sea noise classification output. The synchrooutputs of the synchronization and control unit are connected to the synchroinputs of the spectrum analyzer, spectrum section separation, sea noise classification, wind speed measuring, seaway determination units. In addition the device has a parametric sound detector, medium nonlinear parameter diagnostics unit, narrow-band filter, acoustic wave spectral analyzer at heterodyne frequencies, logic module. The output of the parametric sound detector is connected to the input of the medium nonlinear parameter diagnostics unit, whose input is connected to the output of the synchronization and control unit, and the output - to the input of the narrow-band filter. The output of the narrow-band filter is connected to the input of the acoustic wave spectral analyzer at heterodyne frequencies. The outputs of the logic module are connected to inputs of the indicator and the dispatcher station.

EFFECT: enhanced truth of the obtained results, expanded functional potentials of the device.

12 dwg

Description

Изобретение относится к стационарным системам одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории, предварительной обработки информации, передачи информации потребителю, а также может быть использовано в качестве метрологического обеспечения при юстировке (тарировке) измерителей параметров волнения, установленных на подвижных морских объектах и летательных аппаратах.The invention relates to stationary systems for the simultaneous determination of wind speed in the water area, waves of the sea surface and dynamic underwater noise in the water area, preliminary processing of information, transmission of information to the consumer, and can also be used as metrological support for the adjustment (calibration) of wave parameters meters installed on moving marine objects and aircraft.

Известные устройства гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [1, 2, 3, 4, 5, 6], как правило, решают конкретную задачу, заключающуюся в определении одного параметра, характеризующего текущее состояние окружающей среды, путем приборной регистрации сигналов с последующей их трансляцией на диспетчерские станции для последующей обработки полученной информации и передачи этой информации потребителям.Known devices for hydrometeorological observations of the water area of a marine landfill [1, 2, 3, 4, 5, 6], as a rule, solve a specific problem, which consists in determining one parameter characterizing the current state of the environment, by instrumental recording of signals with their subsequent transmission to dispatch stations for the subsequent processing of the information received and the transmission of this information to consumers.

В известном устройстве [1], состоящем, по крайней мере, из двух электродов, соединенных с высокоомным вольтметром, измеряют градиент потенциала электрических полей, по которому определяют высоту волн. При этом устройства регистрации размещают в прибрежной зоне на глубине более 100 м группами и на удалении от береговой черты на расстояние до 4000 м и соединяют их линиями связи с береговой диспетчерской станцией. Данное устройство в основном используется для определения опасности цунами. Недостатком данного устройства является то, что для обеспечения достоверных наблюдений на обширной акватории морского полигона необходимо размещение значительного количества устройств регистрации, соединенных линиями связи с диспетчерской станцией, а также ограниченный диапазон измеряемых параметров.In the known device [1], consisting of at least two electrodes connected to a high-resistance voltmeter, measure the gradient of the potential of electric fields, which determine the height of the waves. In this case, the registration devices are placed in the coastal zone at a depth of more than 100 m in groups and at a distance from the coastline to a distance of 4000 m and connected by communication lines to the coastal dispatch station. This device is mainly used to determine the danger of a tsunami. The disadvantage of this device is that to ensure reliable observations in the vast water area of the marine landfill, it is necessary to place a significant number of recording devices connected by communication lines to the control station, as well as a limited range of measured parameters.

В известном устройстве [2], представляющем собой устройство для измерения параметров волнения с летательных аппаратов, включающее блоки излучения, приема, усиления, формирования и преобразования радиосигналов, отраженных от морской поверхности, определение по мощности отраженных сигналов в зависимости от высоты полета на основании функциональных зависимостей высоты морских волн.In the known device [2], which is a device for measuring wave parameters from aircraft, including blocks of radiation, reception, amplification, formation and conversion of radio signals reflected from the sea surface, determining the power of the reflected signals depending on the flight altitude based on functional dependencies heights of sea waves.

Для практической реализации данного устройства, для получения достоверной информации необходимо правильно выбрать и поддерживать на заданном уровне соотношение величин, характеризующих высоту полета летательного аппарата и длительность зондирующего короткого импульса, что возможно обеспечить только при благоприятных погодных условиях, что существенно ограничивает использование данного устройства для длительных и непрерывных наблюдений за акваторией морского полигона.For the practical implementation of this device, in order to obtain reliable information, it is necessary to correctly select and maintain at a given level the ratio of values characterizing the flight altitude of the aircraft and the duration of the probing short pulse, which can only be achieved under favorable weather conditions, which significantly limits the use of this device for long and continuous observations of the water area of the marine landfill.

Известные устройства [3] представляют собой донные станции, устанавливаемые с носителей на дно моря и снабженные регистрирующей аппаратурой геофонного и гидрофонного типа для регистрации сигналов в частотном диапазоне от 3-5 до 200-300 Гц с трансляцией их на диспетчерскую станцию после всплытия по истечению трех недель, для последующей обработки и определения по функциональным зависимостям параметров, характеризующих окружающую среду в месте установки.Known devices [3] are bottom stations installed from carriers to the bottom of the sea and equipped with recording equipment of a geophonic and hydrophone type for recording signals in the frequency range from 3-5 to 200-300 Hz with their transmission to a control station after surfacing after three weeks, for subsequent processing and determination of the functional dependencies of the parameters characterizing the environment at the installation site.

Недостатками данных устройств являются низкая автономность (не более 20-30 суток) и оперативность получения информации (только после всплытия), что практически исключает возможность их использования для оперативных наблюдений за акваторией морского полигона.The disadvantages of these devices are low autonomy (no more than 20-30 days) and the speed of obtaining information (only after surfacing), which virtually eliminates the possibility of their use for operational monitoring of the water area of the marine landfill.

Известные устройства [4, 5] представляют собой дрейфующие станции (буи), снабженные регистрирующей аппаратурой для измерения сигналов, характеризующих температуру и давление окружающей среды, соленость и электропроводность морской воды, по значениям которых на основании функциональных зависимостей определяют гидрометеорологические параметры на акватории морского полигона. Данные станции снабжены спутниковой аппаратурой, что обеспечивает не только оперативную трансляцию на диспетчерские станции измеренной информации, но и позволяет дополнительно определять такие параметры, как текущие координаты буя, составляющие вектора скорости буя, а также восстанавливать профиль волнения путем осуществления совместной обработки текущей высоты и вертикальной скорости буя, поступающих от спутникового навигационного приемника с секундным темпом обновления на основании функциональных зависимостей с определением среднего уровня моря.Known devices [4, 5] are drifting stations (buoys) equipped with recording equipment for measuring signals characterizing the temperature and pressure of the environment, salinity and electrical conductivity of sea water, the values of which based on the functional dependencies determine the hydrometeorological parameters in the water area of the marine landfill. These stations are equipped with satellite equipment, which provides not only quick translation of the measured information to dispatch stations, but also allows you to additionally determine parameters such as the current coordinates of the buoy, components of the velocity vector of the buoy, as well as restore the wave profile by jointly processing the current altitude and vertical speed buoy coming from a satellite navigation receiver with a second update rate based on functional dependencies with ednego sea level.

Однако при этом для получения достоверных параметров необходимо, по крайней мере, выполнение двух условий, обусловленных нахождением четырех спутников в границах зоны видимости полигона при удовлетворительном геометрическом факторе и необходимостью восстановления профиля волнения в следящем по частоте фильтре второго порядка астатизма с коэффициентом сглаживания α=10^-3 и собственной частотой фильтра ω₀=2π/6. В результате такой фильтрации получают сильно сглаженную первичную волну, так как вторичные волны через такой фильтр не проходят, и далее по функциональным зависимостям подсчитывают число периодов волны на заданном интервале при времени осреднения измеренной информации не менее двух часов.However, in order to obtain reliable parameters, it is necessary, at least, that two conditions are satisfied due to the four satellites being within the boundaries of the polygon visibility zone with a satisfactory geometric factor and the need to restore the wave profile in the second-order filter of astatism with a smoothing coefficient α = 10 ^{- 3} and the natural frequency of the filter ω ₀ = 2π / 6. As a result of such filtering, a highly smoothed primary wave is obtained, since secondary waves do not pass through such a filter, and then the number of wave periods over a given interval with averaging time of the measured information of at least two hours is calculated by functional dependencies.

Известные устройства за наблюдением морской поверхности, приведенные в [6], представляют собой когерентные РЛС, установленные на берегу, альтиметры, установленные на спутниках, радиодоплеровские измерители параметров волнения, установленные на летательных аппаратах, а также волнографы различных типов и т.п. обеспечивают решение ограниченного числа задач как по числу измеряемых сигналов, так и по объему определяемых параметров с необходимой точностью и достоверностью, что не позволяет их рассматривать в полной мере в качестве средств объективного контроля при гидрометеорологических наблюдениях за акваторий морского полигона, а тем более в качестве средств метрологического обеспечения.Known devices for observing the sea surface, given in [6], are coherent radars installed on the shore, altimeters mounted on satellites, radio-Doppler meters of wave parameters installed on aircraft, as well as various types of waveographs, etc. provide a solution to a limited number of problems both in the number of measured signals and in the volume of determined parameters with the necessary accuracy and reliability, which does not allow them to be fully considered as means of objective control during hydrometeorological observations over the waters of a marine landfill, and even more so as means metrological support.

Наиболее полный набор параметров, характеризующий состояние акватории морского полигона, обеспечивает устройство гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [7], которое содержит последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход со входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход которого соединен со входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со вторым, третьим и четвертым входами индикатора, блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен со вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с синхровходами блока анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы соединены с сихровходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения соответственно, что позволяет использовать его в качестве стационарной системы одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории на основании измеренных сигналов и функциональных зависимостей, предварительной обработки информации и передачи информации потребителю или на диспетчерскую станцию.The most complete set of parameters characterizing the state of the marine landfill area is provided by a hydrometeorological observation device for the marine landfill area [7], which contains a series-connected hydrophone, a preliminary amplifier, a communication line, a broadband amplifier, a spectrum analyzer, the output of which is connected to the first input of the indicator, unit the allocation of the spectrum, the block noise classification of the sea, the unit for determining the wind speed and the unit for determining the sea waves, while the input of the unit for allocating the spectrum is connected to the output of the spectrum analyzer, and the output to the inputs of the sea noise classification unit and the wind speed determination unit, the first output of which is connected to the input of the sea noise determination unit, and the first output of the sea noise classification unit, the second output of the wind speed determination unit and the output of the unit definitions of sea waves are connected to the second, third and fourth inputs of the indicator, a synchronization and control unit, the controlled input of which is connected to the second output of the sea noise classification unit, the first sync output connected to the synchro inputs of the spectrum analyzer unit and the spectrum section allocation unit, and the second, third and fourth sync outputs are connected to the synchro inputs of the sea noise classification unit, the wind speed determination unit and the wave determination unit, respectively, which allows it to be used as a stationary system for simultaneously determining the wind speed at water area, sea surface waves and dynamic underwater noise in the water area based on measured signals and functional dependencies, preliminary sample Botko information and transmitting information on the user or dispatching station.

Однако вывод, приведенный на с.7 описания, о том, что "шум судоходства резко спадает с частотой и в выбранном диапазоне на результаты измерений влияет слабо, хотя на частотах 5-7 кГц его влияние наблюдается", не в полной мере соответствует действительности.However, the conclusion given in p. 7 of the description that “the noise of navigation sharply decreases with frequency and in the selected range affects the measurement results only slightly, although its influence is observed at frequencies of 5–7 kHz,” does not fully correspond to reality.

Например, известно (см. например: 1. Сухаревский Ю.М. Статистика основных акустических параметров глубоководных районов океана и вероятная дальность действия гидроакустических систем // Акустический журнал, 1995, том 41, №5, с.848-864. 2. Справочник по гидроакустике / Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. - 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1988, - 552 с.), что интенсивность спектральных характеристик обобщенных шумов убывает с ростом частоты. Максимальные значения шумов морской среды регистрируются в инфразвуковом диапазоне (f≈1-10 Гц) и могут достигать 100-120 дБ. В мелководных районах шумы отдельных компонентов шума морской среды обычно на 10-20 дБ выше, чем в глубоководных. В диапазоне низких звуковых частот (от 10 до 300 Гц) превалируют относительно когерентные шумы судоходства (см., например: Ильичев В.И. Исследование поля акустического шума океана векторно-фазовыми методами // Акустика океанской среды / Под ред. Л.М.Бреховских. - М.: Наука, 1989, - с.140-152), интенсивность которых может достигать 70 дБ и более, при этом участок спектра с максимальными сигналами может сдвигаться с увеличением глубины (от частот f=50-100 Гц для мелководных районов и до f=20-80 Гц - для глубоководных). Для более высоких частот суммарная интенсивность шума морской среды определяется в основном скоростью ветра. В диапазоне 1-10 кГц уровень шума морской среды может значительно увеличиться (до 55 дБ) за счет шумов интенсивных дождей (см., например: Акустика в океане / Под ред. Л.М.Бреховских, И.Б.Андреевой. - М.: Наука, 1992, - 229 с.).For example, it is known (see, for example: 1. Sukharevsky Yu.M. Statistics of the main acoustic parameters of the deep sea and the probable range of action of hydroacoustic systems // Acoustic Journal, 1995, Volume 41, No. 5, pp. 848-864. 2. Reference on hydroacoustics / Evtutov A.P., Kolesnikov A.E., Korepin E.A. et al. - 2nd ed. - L .: Shipbuilding, 1988, - 552 p.), that the intensity of the spectral characteristics of generalized noise decreases with increasing frequency. The maximum noise values of the marine environment are recorded in the infrasonic range (f≈1-10 Hz) and can reach 100-120 dB. In shallow areas, the noise of the individual components of the noise of the marine environment is usually 10-20 dB higher than in deep-sea. In the range of low sound frequencies (from 10 to 300 Hz), relatively coherent noise of shipping prevail (see, for example: V.I. Ilyichev Investigation of the acoustic noise field of the ocean by vector-phase methods // Acoustics of the ocean environment / Ed. L.M. Brekhovskikh. - M .: Nauka, 1989, p.140-152), the intensity of which can reach 70 dB or more, while the portion of the spectrum with maximum signals can shift with increasing depth (from frequencies f = 50-100 Hz for shallow areas and up to f = 20-80 Hz - for deep sea). For higher frequencies, the total noise intensity of the marine environment is determined mainly by wind speed. In the range of 1-10 kHz, the noise level of the marine environment can significantly increase (up to 55 dB) due to the noise of intense rains (see, for example: Acoustics in the Ocean / Edited by L. M. Brekhovskikh, I. B. Andreeva. - M .: Science, 1992, - 229 p.).

В целом характеристики шума морской среды сохраняют стационарность для реализаций продолжительностью от 10...20 с до 3...5 минут (см., например: Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана / Аредов А.А., Дронов Г.М., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.357-361).In general, the noise characteristics of the marine environment remain stationary for implementations lasting from 10 ... 20 s to 3 ... 5 minutes (see, for example: Experimental estimates of the stationarity of underwater ocean noise / Aredov A.A., Dronov G.M., Okhrimenko N.N., Furduev A.V. // Acoustic Journal, 1994, Volume 40, No. 3, p. 357-361).

Анализ вертикальной изменчивости шумов морской среды (см., например: Курьянов Б.М., Моисеев А.А. Исследование глубинной зависимости низкочастотных шумов океана с помощью буя управляемой плавучести // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.380-384) показывает, что для частот менее 100-200 Гц наблюдается тенденция повышения интенсивности на 3-5 дБ вблизи оси подводного звукового канала по сравнению с данными измерений вблизи дна. На более высоких частотах эта зависимость может изменяться на обратную. В частности, отмечено (см., например: Деревянкина Е.И., Кацнельсон Б.Г., Любченко А.Ю. Вертикальная структура интенсивности низкочастотного шумового поля мелкого моря // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.380-384), что при регистрации сигналов на частотах от 200 до 600 Гц в мелком море (глубины менее 120 м) вблизи оси подводного звукового канала наблюдаются минимальные значения интенсивности шума морской среды. Суммарные шумы морской среды обладают анизотропией как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При измерениях направленными гидроакустическими датчиками вариаций шумов (см., например: Шмарфельд Б., Раух Д. Низкочастотные окружающие шумы и шумы, производимые судном в мелкой воде // Акустика дна океана / Под ред. У.Купермана и Ф.Енсена, пер. с англ., М.: Мир, 1984, - 460 с.) в азимутальной плоскости отмечалось повышение уровней интенсивности акустического сигнала на 4-5 дБ по направлениям на удаленные (1000 км) шторма и районы интенсивного судоходства. Для полей близких к точке наблюдений (до 100 км) гидродинамических источников наибольшая интенсивность наблюдалась с направлений, перпендикулярных к распространению ветровых волн.Analysis of the vertical variability of noise in the marine environment (see, for example: Kuryanov B.M., Moiseev A.A. Investigation of the depth dependence of low-frequency ocean noise using a buoy of controlled buoyancy // Acoustic Journal, 1994, Volume 40, No. 3, p.380 -384) shows that for frequencies less than 100-200 Hz there is a tendency to increase the intensity by 3-5 dB near the axis of the underwater sound channel compared with the measurement data near the bottom. At higher frequencies, this dependence can be reversed. In particular, it was noted (see, for example: Derevyankina E.I., Katsnelson B.G., Lyubchenko A.Yu. Vertical structure of the intensity of the low-frequency noise field of the shallow sea // Acoustic Journal, 1994, Volume 40, No. 3, p. 380-384), that when signals are recorded at frequencies from 200 to 600 Hz in the shallow sea (depths less than 120 m), the minimum values of the noise intensity of the marine environment are observed near the axis of the underwater sound channel. The total noise of the marine environment has anisotropy in both vertical and horizontal planes. When measured by directional hydroacoustic sensors, noise variations (see, for example: Shmarfeld B., Raukh D. Low-frequency ambient noises and noises produced by a vessel in shallow water // Acoustics of the ocean floor / Ed. By W. Cooperman and F. Jensen, trans. from English, Moscow: Mir, 1984, 460 pp.) in the azimuthal plane, an increase in the intensity of the acoustic signal by 4-5 dB in directions to remote (1000 km) storms and areas of heavy shipping was noted. For fields close to the observation point (up to 100 km) of hydrodynamic sources, the highest intensity was observed from directions perpendicular to the propagation of wind waves.

Отсутствие в алгоритмах обработки гидрометеорологоакустической обстановки посредством ненаправленного гидрофона, размещенного в толще морской среды на глубине 100-150 м, учета геометрического фактора не позволяет определить такой важный параметр как угол прихода морских волн. Размещение устройства регистрации сигналов (ненаправленного гидрофона) на глубине 100 м для условий мелкого моря, для обычных условий акустической волны из-за влияния придонных течений могут распространяться под любыми углами скольжения, и их прямой "захват" маловероятен.The absence of hydrometeorological and acoustic conditions in the processing algorithms by means of an omnidirectional hydrophone located in the thickness of the marine environment at a depth of 100-150 m, taking into account the geometric factor does not allow us to determine such an important parameter as the angle of arrival of sea waves. Placing a signal recording device (omnidirectional hydrophone) at a depth of 100 m for shallow sea conditions, for ordinary conditions of an acoustic wave, due to the influence of bottom currents, can propagate at any slip angles, and their direct "capture" is unlikely.

Кроме того, при использовании в алгоритмах обработки энергетического шума моря дискретного преобразования Фурье исследуемые процессы представляют собой суперпозицию гармонических колебаний в виде ряда или интервала Фурье, что, например, для анализа в гидрометеорологических исследованиях может вносить дополнительные погрешности, так как сумма двух периодических колебаний может быть непериодической функцией, например, при сложении синусоидальных колебаний с несоизмеримыми частотами, когда сложение ω и 2ω дает сложное непериодическое колебание.In addition, when using the discrete Fourier transform in the sea energy noise processing algorithms, the processes under study are a superposition of harmonic oscillations in the form of a Fourier series or interval, which, for example, for analysis in hydrometeorological studies can introduce additional errors, since the sum of two periodic oscillations can be non-periodic function, for example, when adding sinusoidal oscillations with incommensurable frequencies, when the addition of ω and 2ω gives a complex non-periodic swing.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства с одновременным повышением достоверности при гидрометеорологоакустических наблюдениях за акваторией морского полигона.The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality of the device while increasing reliability during hydrometeorological and acoustic observations of the water area of the marine landfill.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство, содержащее последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход со входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход которого соединен со входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со вторым, третьим и четвертым входами индикатора, блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен со вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с сихровыходами блока анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы соединены с синхровыходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря соответственно, дополнительно введены параметрический приемник звука, блок диагностики нелинейного параметра среды, узкополосный фильтр, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах, логический модуль, который своими выходами соединен с входом индикатора, входом диспетчерской станции, а входами с выходом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах, выходом анализатора спектра, выходом диспетчерской станции соответственно, а параметрический приемник звука своим выходом соединен с входом блока диагностики нелинейного параметра среды, который вторым входом соединен с еще одним выходом блока синхронизации и управления, а выходом со входом узкополосного фильтра, который своим выходом соединен со входом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах.The problem is solved due to the fact that the device containing a serially connected hydrophone, pre-amplifier, communication line, broadband amplifier, spectrum analyzer, the output of which is connected to the first input of the indicator, a block for selecting a portion of the spectrum, a block for classifying sea noise, a unit for determining wind speed and a unit for determining sea waves, while the input of the spectrum allocation unit is connected to the output of the spectrum analyzer, and the output with the inputs of the sea noise classification unit and the speed determination unit meter, the first output of which is connected to the input of the unit for determining sea waves, and the first output of the unit for classifying sea noise, the second output of the unit for determining wind speed and the output of the unit for determining sea waves are connected to the second, third and fourth inputs of the indicator, synchronization and control unit, controlled input which is connected to the second output of the sea noise classification unit, the first sync output is connected to the sync outputs of the spectrum analyzer unit and the spectrum allocation unit, and the second, third and fourth sync outputs are are synchronized with the sync outputs of the block for classifying sea noise, the block for determining wind speed and the block for determining sea waves, respectively, in addition, a parametric sound receiver, a block for diagnosing a nonlinear medium parameter, a narrow-band filter, a spectral analyzer of acoustic waves at combination frequencies, a logic module that is connected to its outputs with the indicator input, the control station entrance, and the inputs with the output of the spectral analyzer of acoustic waves at combination frequencies, the output of an spectrum analyzer, the output of the control station, respectively, and the parametric sound receiver is connected to the input of the diagnostic unit for a nonlinear environmental parameter, which is connected to the second output of the synchronization and control unit by the second input, and to the input of the narrow-band filter, which is connected to the input of the spectral input analyzer of acoustic waves at combination frequencies.

Ввод новых элементов, соединенных соответствующим образом помимо задач, решаемых каждым отдельно взятым известным устройством, позволяет по измеренным сигналам, характеризующим шум морской среды, определить более широкий диапазон параметров с одновременным повышением степени достоверности за счет регистрации шума морской среды в достаточно широком диапазоне частот с учетом таких физических явлений, как трансформация сейсмических волн в акустические на протяженном островном склоне, рассеяние акустических волн на случайных объемных неоднородностях водной толщи (флуктуациях показателя преломления), рассеяние акустических волн на взволнованной поверхности. А также в отличие от принятых гидрофоном акустических сигналов, которые разделены во времени и обусловлены первичным приходом продольных волн (Р-фаза) и вторичным приходом поперечных волн (S-фаза), скорость распространения которых в 2 раза меньше скорости продольных волн, обеспечивается возможность выделения третичного прихода волн (Т-фаза), скорость распространения которого близка к скорости звука в воде, а также путем регистрации низкочастотных составляющих рассеянного сигнала и использованием в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов, характеризующих шумы судоходства.The introduction of new elements, connected appropriately in addition to the tasks solved by each individual known device, allows one to determine a wider range of parameters from the measured signals characterizing the noise of the marine environment while increasing the degree of reliability by recording the noise of the marine environment in a fairly wide frequency range, taking into account physical phenomena such as the transformation of seismic waves into acoustic waves on an extended island slope, the scattering of acoustic waves by random volume waves heterogeneities of the water column (fluctuations in the refractive index), scattering of acoustic waves on an excited surface. And also in contrast to the acoustic signals received by the hydrophone, which are separated in time and due to the primary arrival of longitudinal waves (P-phase) and the secondary arrival of transverse waves (S-phase), the propagation velocity of which is 2 times lower than the velocity of longitudinal waves, it is possible to isolate tertiary wave arrival (T-phase), the propagation velocity of which is close to the speed of sound in water, as well as by recording the low-frequency components of the scattered signal and using quasiharmonic co-frequency signals characterizing shipping noise.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

Фиг.1. Блок-схема устройства гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона.Figure 1. Block diagram of the device for hydrometeorological and acoustic observations of the water area of the marine landfill.

Фиг.2. Блок-схема параметрического приемника звука.Figure 2. Block diagram of a parametric sound receiver.

Фиг.3. Схема блока диагностики нелинейного параметра среды.Figure 3. Diagram of a block for diagnosing a nonlinear environmental parameter.

Фиг.4. Схема узкополосного фильтра.Figure 4. Narrowband filter circuit.

Фиг.5. Блок-схема спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах.Figure 5. Block diagram of a spectral analyzer of acoustic waves at Raman frequencies.

Фиг.6. Блок-схема логического модуля.6. Block diagram of a logic module.

Фиг.7. Условия выделения Т-фазы.7. Conditions for the isolation of the T phase.

Фиг.8. Профили скорости звука для разных дистанций.Fig. 8. Sound velocity profiles for different distances.

Фиг.9. Вид сигналов от элементарных рассеивателей для различных узлов сетки.Fig.9. Type of signals from elementary scatterers for various grid nodes.

Фиг.10. Результирующий сигнал от всех рассеивателей.Figure 10. The resulting signal from all diffusers.

Фиг.11. График решающей статистики.11. Graph of crucial statistics.

Фиг.12. Алгоритм работы логического блока.Fig. 12. The algorithm of the logical unit.

Блок-схема устройства гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона (фиг.1) включает гидрофон 1, предварительный усилитель (ПУ) 2, линию связи (ЛС) 3, широкополосный усилитель (ШУ) 4, анализатор спектра (АС) 5, индикатор 6, блок управления и синхронизации 7, блок выделения участка спектра (БВУС) 8, блок классификации шума моря (БКШМ) 9, блок определения скорости ветра (БОСВ) 10, блок определения волнения моря (БОВМ) 11, параметрический приемник звука (ППЗ) 12, блок диагностики нелинейного параметра среды (БДНПС) 13, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах (СААВКЧ) 14, узкополосный формирователь (УПФ) 15, логический модуль (ЛМ) 16.The block diagram of the hydrometeorological and acoustic observations of the water area of the marine landfill (Fig. 1) includes a hydrophone 1, a preamplifier (PU) 2, a communication line (LS) 3, a broadband amplifier (SHU) 4, a spectrum analyzer (AS) 5, indicator 6, control and synchronization unit 7, a block for selecting a portion of the spectrum (BVUS) 8, a block for classifying sea noise (BKSM) 9, a block for determining wind speed (BVS) 10, a block for determining sea waves (BOVM) 11, a parametric sound receiver (PPZ) 12, unit for the diagnosis of a nonlinear parameter of the medium (BNPS) 13, spectral recuperators acoustic waves at sum and difference frequencies (SAAVKCH) 14, narrowband shaper (UPF) 15, a logic module (LM) 16.

Гидрофон 1 представляет собой пьезокерамический преобразователь в виде дисков (см., например: Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. 2-ое изд. М.: изд-во стандартов, 1982, 248 с.).The hydrophone 1 is a piezoceramic transducer in the form of disks (see, for example: Kolesnikov AE Ultrasonic measurements. 2nd ed. M: publishing house of standards, 1982, 248 p.).

Параметрический приемник звука 12 (фиг.2) включает параметрическую антенну (ПА) 17, коммутационное устройство (КУ) 18, усилитель 19, пороговое устройство (ПУ) 20, тактовый генератор (ТГ) 21, интегратор 22, задающее устройство (ЗУ) 23, схему АРУ 24, счетчик импульсов (СИ) 25, ЦАП 26, генератор 27, запоминающий регистр 28, микропроцессор 29.The parametric sound receiver 12 (FIG. 2) includes a parametric antenna (PA) 17, a switching device (KU) 18, an amplifier 19, a threshold device (PU) 20, a clock generator (TG) 21, an integrator 22, a master device (memory) 23 , AGC circuit 24, pulse counter (SI) 25, DAC 26, generator 27, memory register 28, microprocessor 29.

Параметрическая антенна 17 имеет вид круглого поршня, на которую в режиме излучения подаются напряжения двух высоких частот f₁ и f₂. В результате нелинейного взаимодействия волн этих частот в среде образуются волны суммарных и разностных частот, причем вдали от излучателя вследствие большого затухания высоких частот наибольшей амплитудой будет обладать волна разностной частоты f_р=f₁-f₂. На частоте f_р формируется характеристика направленности, значительно более острая, чем для этой же антенны в линейном режиме, и добавочные максимумы характеристики направленности имеют очень малую величину. Длина зоны взаимодействия l_в определяется как величина, обратная среднеарифметическому коэффициенту поглощения на частотах f₁ и f₂, а ширина характеристики направленности на уровне 07 определяется в соответствии с выражением 2θ_0,7≈1,6(λ_p/l_в)^1/2, где λ_р - длина волны на разностной частоте. Амплитудная характеристика направленности равна R(θ)=[1+(k_рl_в)²sin(θ/2)]^-1/2, где k_p - волновое число, соответствующее разностной частоте.The parametric antenna 17 has the form of a round piston, to which, in the radiation mode, voltages of two high frequencies f ₁ and f ₂ are applied. As a result of the nonlinear interaction of the waves of these frequencies in the medium, waves of total and difference frequencies are formed, and far from the emitter due to the large attenuation of high frequencies, the wave of the difference frequency f _p = f ₁ -f ₂ will have the greatest amplitude. At a frequency f _p , a directivity characteristic is formed, which is much sharper than for the same antenna in linear mode, and the additional maximums of the directivity characteristics are very small. The length of the interaction zone l _in is defined as the reciprocal of the arithmetic mean absorption coefficient at frequencies f ₁ and f ₂ , and the width of the directivity at level 07 is determined in accordance with the expression 2θ _0.7 ≈1.6 (λ _p / l _in ) ^{1 / 2} , where λ _p is the wavelength at the difference frequency. The amplitude directivity is R (θ) = [1+ (k _r l _in ) ² sin (θ / 2)] ^-1/2 , where k _p is the wave number corresponding to the difference frequency.

В режиме приема параметрическая антенна 17 формирует направленность следующим образом. На расстоянии L друг против друга устанавливаются излучатель и приемник, излученная волна высокой частоты взаимодействует с волной сигнала, распространяющегося в среде. В результате нелинейного взаимодействия этих волн образуются колебания различных частот, и, выделив в схеме обработки сигнал разностной частоты в случае L<l_в, формируется характеристика направленности вида

причем полная ширина характеристики направленности определяется формулой 2θ_0,7≈1,88 (λ/L)^1/2 (см., например: Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. Л.: Судостроение, 1981, 264 с.).In receive mode, the parametric antenna 17 generates a directivity as follows. At a distance L, an emitter and a receiver are installed against each other, the emitted high-frequency wave interacts with the wave of the signal propagating in the medium. As a result of the nonlinear interaction of these waves, oscillations of various frequencies are formed, and, having selected the difference frequency signal in the processing scheme in the case L <l _in , the directivity characteristic of the form

the full width of the directivity characteristic is determined by the formula 2θ _0.7 ≈1.88 (λ / L) ^1/2 (see, for example: Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Non-linear acoustics. L .: Shipbuilding, 1981, 264 p.).

Блок диагностики нелинейного параметра среды 13 (фиг.3) содержит центрирующий блок 30, умножитель 31, квадратор 32, компаратор 33 нулевого уровня, блок фильтров 34, делитель напряжения 35, функциональный преобразователь 36, сумматор 37, буферное устройство 38.The diagnostic unit for the nonlinear parameter of the medium 13 (Fig. 3) contains a centering unit 30, a multiplier 31, a quadrator 32, a zero level comparator 33, a filter unit 34, a voltage divider 35, a functional converter 36, an adder 37, a buffer device 38.

Узкополосный фильтр 15 (фиг.4) представляет собой следящий фильтр 2-го порядка астатизма и состоит из блока суммирования 39, двух накапливающих сумматоров 40 и 41, двух умножителей 42 и 43. Накапливающий сумматор 40 имеет инверсный вход 44.The narrow-band filter 15 (Fig. 4) is a second-order astatism tracking filter and consists of a summing unit 39, two accumulating adders 40 and 41, two multipliers 42 and 43. The accumulating adder 40 has an inverse input 44.

Блок-схема спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах 15 (фиг.5) состоит из двух усилителей-ограничителей 45 и 46, регистра сдвига 47, двух схем совпадения 48, 49, двух схем И 50 и 51, управляемого генератора тактовых (продвигающих) импульсов 52, вычитающего устройства 53, блока вычислений 54 и представляет собой дискретное корреляционное устройство, принцип работы которого заключается в следующем.The block diagram of a spectral analyzer of acoustic waves at Raman frequencies 15 (Fig. 5) consists of two limiter amplifiers 45 and 46, a shift register 47, two coincidence circuits 48, 49, two I 50 and 51 circuits, a controlled clock generator (advanced) pulses 52, a subtracting device 53, a computing unit 54 and is a discrete correlation device, the principle of which is as follows.

Непрерывные входные сигналы заменяются знакопеременными сигналами постоянной амплитуды

и

знаки которых соответствуют знакам входных сигналов. Эта операция клиппирования выполняется посредством усилителей-ограничителей 45 и 46. Далее осуществляется построение знаковой взаимно-корреляционной функции, линейно связанной с вероятностью совпадения знаков входных сигналов:Continuous input signals are replaced by alternating signals of constant amplitude

and

the signs of which correspond to the signs of the input signals. This clipping operation is performed by means of

limiters

45 and 46. Next, the construction of a sign cross-correlation function is linearly related to the probability of coincidence of the signs of the input signals:

где

Where

- вероятность совпадения знаков входных сигналов.

- the probability of coincidence of the signs of the input signals.

Знаковая взаимно-корреляционная функция связана с обычной нормированной взаимно-корреляционной функцией двух величин, имеющих нормальное совместное распределение соотношением r₁₂(τ)=2/πarcsinρ₁₂(τ₃-τ_т).The sign cross-correlation function is associated with the usual normalized cross-correlation function of two quantities having a normal joint distribution by the ratio r ₁₂ (τ) = 2 / πarcsinρ ₁₂ (τ ₃ -τ _т ).

Слежение за максимум взаимно-корреляционной функции осуществляется посредством дифференциальной системы слежения, сигналом рассогласования которой является разность двух значений взаимно-корреляционной функции, соответствующих задержкам τ₃₁=τ₃-Δτ.Tracking the maximum of the cross-correlation function is carried out by means of a differential tracking system, the mismatch signal of which is the difference between the two values of the cross-correlation function corresponding to delays τ ₃₁ = τ ₃ -Δτ.

Клиппированные сигналы

и

подаются на входы электронного коррелятора. Сигнал с параметрической антенны 17 поступает в регистр сдвига 47 с двумя отводами и переменной частотой продвигающих импульсов, выполняющей функции регулируемой задержки. В регистре сдвига 47 сигнал квантуется с частотой продвигающих импульсов f_п=1/Т_п и задерживается во времени. При этом задержка для первого отвода регистра равна τ₃₁=τ₃-Δτ=Т_п(N-n), а для второго отвода τ₃₂=τ₃+Δτ=T_п(N+n), где Т_п - период следования продвигающих импульсов; (N-n), (N+n) - соответствующие отводам числа ячеек регистра сдвига 47.Clipped signals

and

fed to the inputs of the electronic correlator. The signal from the parametric antenna 17 enters the shift register 47 with two taps and a variable frequency of the advance pulses, which performs the functions of an adjustable delay. In the shift register 47, the signal is quantized with a frequency of advancing pulses f _p = 1 / T _p and is delayed in time. Moreover, the delay for the first tap of the register is τ ₃₁ = τ ₃ -Δτ = T _p (Nn), and for the second tap of τ ₃₂ = τ ₃ + Δτ = T _p (N + n), where T _p is the period of successive pulses ; (Nn), (N + n) - corresponding to taps of the number of cells of the shift register 47.

Сигналы с выходов регистра сдвига 47 поступают на входы схем совпадения 48 и 49, на вторые входы которых подается сигнал sgn[u₂(t)]=sgn[u₁(t-τ)]. С выходов схем совпадения 48 и 49 импульсные последовательности, соответствующие произведениям

и

поступают в интеграторы 50 и 51, в качестве которых могут использоваться счетчики импульсов.The signals from the outputs of the shift register 47 are fed to the inputs of matching

circuits

48 and 49, to the second inputs of which a signal sgn [u ₂ (t)] = sgn [u ₁ (t-τ)] is supplied. From the outputs of matching

circuits

48 and 49, pulse sequences corresponding to the products

and

enter

integrators

50 and 51, which can be used as pulse counters.

Вычитающее устройство 53 вырабатывает сигнал рассогласования

Subtractor 53 generates an error signal

воздействующий на управляемый генератор тактовых (продвигающих) импульсов 52 и изменяющий его частоту, т.е. введенную задержку τ₃=Т_пN, таким образом, чтобы рассогласование стало равным нулю. Так как корреляционная функция является четной функцией, то равенство нулю сигнала рассогласования наступает при равенстве введенной задержки транспортному запаздыванию: Δr=r₁₂(t-τ_T+Δτ)-r₁₂(t-τ_T-Δτ)=0.acting on a controlled clock (advancing) pulse generator 52 and changing its frequency, i.e. the introduced delay τ ₃ = T _p N, so that the mismatch becomes equal to zero. Since the correlation function is an even function, the mismatch signal vanishes when the introduced delay is equal to the transport delay: Δr = r ₁₂ (t-τ _T + Δτ) -r ₁₂ (t-τ _T -Δτ) = 0.

В блоке вычислений 54 по измеренной частоте следования продвигающих импульсов с учетом масштабных коэффициентов определяется скорость звука на комбинационных частотах.In block 54, the speed of sound at combination frequencies is determined from the measured repetition rate of the advancing pulses, taking into account scale factors.

Логический модуль 16 (фиг.6) содержит блок регрессионного анализа 55, блок определения спада спектра 56, блок логической оценки 57 и микропроцессор 58. Аналогами блоков 55, 56 и 57 являются блоки, описанные в прототипе [7]. В качестве микропроцессора 58 применен микропроцессор типа КМ1801ВМ3. Выходная информация поступает на индикатор 6, потребителям информации (ПИ) или на диспетчерскую станцию (ДС). Алгоритм работы логического блока представлен на фиг.12.The logical module 16 (Fig.6) contains a regression analysis unit 55, a unit for determining the decline of the spectrum 56, a logical evaluation unit 57 and a microprocessor 58. The analogs of blocks 55, 56 and 57 are the blocks described in the prototype [7]. As microprocessor 58, a microprocessor of the KM1801BM3 type is used. The output goes to indicator 6, to information consumers (PI) or to a dispatching station (DS). The algorithm of the logical block is presented in Fig.12.

На фиг.7 показана линия уровня скорости звука (через 2,5 м/с) и профиль дна акватории экспериментальных исследований. Место расположения параметрического приемника звука 12 отмечено звездочкой, область неоднородностей, на которых происходит рассеяние, обведена штриховой линией, находящейся на расстоянии 100...150 км от параметрического приемника звука 12.Figure 7 shows the line of the level of speed of sound (through 2.5 m / s) and the profile of the bottom of the water area of experimental studies. The location of the parametric sound receiver 12 is marked with an asterisk, the region of inhomogeneities at which the scattering occurs is outlined by a dashed line at a distance of 100 ... 150 km from the parametric sound receiver 12.

На фиг.8 показаны профили скорости звука для дистанций 0, 48, 100 и 148 км.On Fig shows the sound velocity profiles for distances of 0, 48, 100 and 148 km.

На фиг.9 показан вид сигналов от элементарных рассеивателей с глубины 551 м для двух различных узлов сетки соответственно, для дистанций 140 (а, в) и 150 км (б, г). Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы. Задержка, связанная с распространением на 10 км с групповой скоростью 1500 м/с, компенсирована.Figure 9 shows a view of the signals from elementary scatterers from a depth of 551 m for two different grid nodes, respectively, for distances 140 (a, c) and 150 km (b, d). The abscissa axis is time in seconds, the ordinate axis is relative units. The delay associated with propagation over 10 km with a group velocity of 1500 m / s is compensated.

На фиг.10 показан результирующий сигнал от всех рассеивателей. Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы.Figure 10 shows the resulting signal from all diffusers. The abscissa axis is time in seconds, the ordinate axis is relative units.

На фиг.11 представлен график решающей статистики. Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы.11 is a graph of critical statistics. The abscissa axis is time in seconds, the ordinate axis is relative units.

Выделение Т-фазы акустического сигнала, источниками которой являются относительное излучение звука дном моря на его наклонных участках, рассеянием волны разрежения либо сжатия, вызванной в воде опусканием либо поднятием участка морского дна, например, в результате землетрясения - поршневой волны - на объемных неоднородностях в воде, кавитацией в воде, в результате прохождения той же волны разряжения и рассеяния поршневой волны на взволнованной поверхности моря (см., например: Авилов К.В. Псевдодифференциальные параболические уравнения распространения звука в океане, плавно неоднородном по горизонтали, и их численное решение // Акустический журнал, 1995, том 41, №1, с.5-12), обусловлено необходимостью анализа сигнала Т-фазы на его происхождение относительно вторичных источников звука, возбуждаемых фронтом поршневой волны.Isolation of the T phase of an acoustic signal, the sources of which are relative sound emission by the bottom of the sea at its inclined sections, by scattering of a rarefaction or compression wave caused by lowering or raising of the bottom of the sea bottom, for example, as a result of an earthquake - a piston wave - on volumetric inhomogeneities in water cavitation in water, as a result of the passage of the same rarefaction wave and scattering of a piston wave on an excited surface of the sea (see, for example: Avilov K.V. Pseudo-differential parabolic equations p sound propagation in an ocean that is smoothly inhomogeneous horizontally and their numerical solution // Acoustic Journal, 1995, Volume 41, No. 1, pp. 5-12), due to the need to analyze the T-phase signal for its origin with respect to secondary sound sources excited front of the piston wave.

Эксперимент, подтверждающий возможность выделения и анализа сигнала Т-фазы акустической волны включал в себя регистрацию акустических сигналов посредством параметрического приемника звука 12, размещенного на акватории полигона на глубине 170 м при глубине места эксперимента 213 м, характеризующимся наличием берегового склона с различными наклонами и неоднородным по трассе распространения звука профилем скорости звука, обусловленного протекающим вдоль берега теплым течением. Рельеф дна был однородным со скоростью звука 1650 м/с и относительной плотности 1,9176. Некоторые вертикальные распределения скорости звука по трассе распространения приведены на фиг.8.The experiment confirming the possibility of isolating and analyzing the T-phase signal of the acoustic wave included the registration of acoustic signals by means of a parametric sound receiver 12 located in the water area of the polygon at a depth of 170 m with a depth of 213 m of the experiment, characterized by the presence of a coastal slope with different slopes and inhomogeneous the sound propagation path by the sound velocity profile due to the warm current flowing along the coast. The bottom topography was homogeneous with a speed of sound of 1650 m / s and a relative density of 1.9176. Some vertical distributions of the speed of sound along the propagation path are shown in Fig. 8.

При этом поршневая волна была вызвана обрушением части дна, обведенной эллипсом (фиг.7) и находящейся с характерным горизонтальным размером обрушения 10 км, неоднородности располагались на глубинах 0...500 м.In this case, the piston wave was caused by the collapse of the bottom part, circled by an ellipse (Fig. 7) and located with a characteristic horizontal collapse size of 10 km, the inhomogeneities were located at depths of 0 ... 500 m.

Сигнал Т-фазы, принятый в береговом клине, рассчитывался в диапазоне частот 34...75 Гц при частоте квантования 160 Гц следующим образом. Область рассеяния поршневой волны была покрыта сеткой с шагом в половину длины волны на частоте 80 Гц по горизонтали и вертикали. Далее для узлов сетки были вычислены сигналы рассеяния, регистрируемые параметрическим приемником звука 12. При этом спектр, возбуждающий волну, предполагался обратно пропорциональным частоте f₁, а сила рассеяния - пропорциональной f₄, так что результирующий спектр рассеянного сигнала был пропорционален третьей степени частоты. Вычисление выполнялось методом псевдодифференциального параболического уравнения (источник информации см. выше: Авилов В.К....), обеспечивающего выделение звуковых полей в двумерно-неоднородном океане с переменными рельефом дна и профилем скорости звука с заданной точностью для любого диапазона углов скольжения локальных нормальных волн с учетом взаимодействия между ними (сигналы рассеяния для различных узлов сетки приведены на фиг.9).The T-phase signal received in the coastal wedge was calculated in the frequency range 34 ... 75 Hz with a quantization frequency of 160 Hz as follows. The scattering region of the piston wave was covered with a grid with a step of half the wavelength at a frequency of 80 Hz horizontally and vertically. Further, scattering signals recorded by the parametric sound receiver 12 were calculated for the grid nodes. In this case, the spectrum exciting the wave was assumed to be inversely proportional to the frequency f ₁ , and the scattering force proportional to f ₄ , so that the resulting spectrum of the scattered signal was proportional to the third power of the frequency. The calculation was carried out using the pseudo-differential parabolic equation method (see above: V. Avilov ....), which provides sound fields in a two-dimensional inhomogeneous ocean with variable bottom topography and sound velocity profile with a given accuracy for any range of local normal waves taking into account the interaction between them (scattering signals for various grid nodes are shown in Fig.9).

Рассеянные сигналы суммировались в параметрическом приемнике звука с задержками, соответствующими одновременному возбуждению рассеивателей на постоянных глубинах, а глубины рассеивающих в данный момент времени слоев изменялись со скоростью движения поршневой волны 1500 м/с. Результирующий сигнал для поршневой волны, распространяющейся от 500 до 0 м показан на фиг.10.The scattered signals were summed in a parametric sound receiver with delays corresponding to the simultaneous excitation of scatterers at constant depths, and the depths of the layers scattering at a given time changed with a piston wave velocity of 1500 m / s. The resulting signal for a piston wave propagating from 500 to 0 m is shown in FIG. 10.

Обработку модельного сигнала с целью проверки того факта, что его временная структура соответствует рассеянию фронта поршневой волны на неоднородностях строилась следующим образом. Наблюдаемый сигнал s(t) является суммой сигналов от последовательно возбуждаемых слоев. Представляя s в виде вектора-столбца временных отсчетов и обозначая через s_i векторы-столбцы сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, имеем S=(s₁, s₂, ..., s_n)(a₁, а₂, ..., a_n)′, где a_i суть амплитуды рассеивателей. В качестве решающей статистики использовалась сумма квадратов амплитуд

имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры.The processing of the model signal in order to verify the fact that its temporal structure corresponds to scattering of the piston wave front by inhomogeneities was constructed as follows. The observed signal s (t) is the sum of the signals from successively excited layers. Representing s as a column vector of time samples and denoting column vectors of signals from successively excited layers by s _i , we have S = (s ₁ , s ₂ , ..., s _n ) (a ₁ , a ₂ , ... , a _n ) ′, where a _i are the amplitudes of the scatterers. The sum of the squared amplitudes was used as the decisive statistic.

having the maximum value for the signal of the expected structure.

Оценка получена методом наименьших квадратов, так как система линейных уравнений является неопределенной. Вычисления выполнены для каждого момента времени для получения временной зависимости. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения звукового поля (фиг.11). Абсцисса глобального максимума соответствует времени прихода совокупного рассеянного сигнала, что подтверждает возможность анализа сигнала Т-фазы на его происхождение от вторичных источников звука, возбуждаемых фронтом поршневой волны в виде давления, вызванной обрушением либо поднятием участка моря дна, например, при подводном землетрясении.The estimate is obtained by the least squares method, since the system of linear equations is uncertain. Calculations are performed for each point in time to obtain a time dependence. The presence of a maximum in it means the presence in the source of the expected structure of the excitation of the sound field (Fig. 11). The abscissa of the global maximum corresponds to the time of arrival of the total scattered signal, which confirms the possibility of analyzing the T-phase signal from its secondary sources of sound excited by the front of the piston wave in the form of pressure caused by the collapse or elevation of the bottom of the sea, for example, during an underwater earthquake.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Гидрофон 1 и параметрический приемник звука 12 размещаются в морской среде на акватории полигона. При использовании герметичных контейнеров, снабженных гидроакустической и/или спутниковой антенной для связи с береговыми или плавучими диспетчерскими станциями, то и другие блоки устройства могут быть размещены внутри герметичного контейнера.The hydrophone 1 and the parametric sound receiver 12 are located in the marine environment in the water area of the landfill. When using airtight containers equipped with a sonar and / or satellite antenna for communication with coastal or floating control stations, other units of the device can also be placed inside the airtight container.

Работа блоков 1-11 аналогична принципам работы блоков прототипа [7], за исключением того, что в анализаторе спектра 5 обработку сигналов выполняют путем применения быстрых преобразований Хартли (см., например: Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989, с.201).The work of blocks 1-11 is similar to the principles of the prototype blocks [7], except that in the spectrum analyzer 5, signal processing is performed by applying fast Hartley transforms (see, for example: Zalmanzon L.A. Fourier, Walsh, Haar and their transformations application in management, communications and other fields. M .: Nauka, 1989, p. 201).

Сигналы с параметрического приемника звука 12 поступают на блок диагностики нелинейного параметра среды 13 и далее на узкополосный фильтр 15. В блоке 13 используются стандартные алгоритмы выделения первой гармоники. Для оценки ее амплитуды вычисляются коэффициенты первых членов косинусного и синусного рядов. Частота этой гармоники известна после применения к переменным узкополосного фильтра 15, представляющего собой следящий фильтр второго порядка астатизма с высокой добротностью порядка α≈0.001.The signals from the parametric sound receiver 12 are fed to the diagnostic unit for the nonlinear medium parameter 13 and then to the narrow-band filter 15. In block 13, standard algorithms for extracting the first harmonic are used. To estimate its amplitude, the coefficients of the first members of the cosine and sine series are calculated. The frequency of this harmonic is known after applying a narrow-band filter 15 to the variables, which is a second-order tracking filter of astatism with a high quality factor of the order of α≈0.001.

В блоке вычислений 54 спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах 14 вычисления производятся с использованием алгоритма быстрого преобразования Уолша (см. Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989, с.237), что обусловлено необходимостью упрощения системы интегральных уравнений путем дискретизации флуктуационного поля ввиду того, что функция скорости звука в горизонтальной и вертикальной плоскостях определяется по опорным значениям в узлах прямоугольной сетки. При этом коэффициенты аппроксимации флуктуационного поля выражаются аналитически через интегралы по фрагментам опорного луча в отдельных ячейках сетки.In the computation block 54 of the spectral analyzer of acoustic waves at Raman frequencies 14, the calculations are performed using the fast Walsh transform algorithm (see L. Zalmanzon, Fourier, Walsh, Haar transforms and their application in control, communication, and other fields. M.: Science, 1989, p.237), which is due to the need to simplify the system of integral equations by discretizing the fluctuation field due to the fact that the sound velocity function in the horizontal and vertical planes is determined from the reference values in the node x rectangular grid. Moreover, the approximation coefficients of the fluctuation field are expressed analytically through the integrals over the fragments of the reference beam in individual cells of the grid.

В логическом модуле 16 используется универсальный алгоритм на основе метода регуляризации по А.Н.Тихонову, минизирующий функционал, представляющий собой сумму невязок уравнений недоопределенной системы и стабилизатора первого порядка, представляющего собой сумму слагаемых, первое из которых не допускает больших абсолютных отклонений, второе контролирует вертикальные и третье - горизонтальные градиенты флуктуационного поля с использованием нормировочных коэффициентов.Logic module 16 uses a universal algorithm based on the regularization method according to A.N. Tikhonov, which minimizes the functional, which is the sum of the residuals of the equations of the underdetermined system and the first-order stabilizer, which is the sum of the terms, the first of which does not allow large absolute deviations, the second controls vertical and third, horizontal gradients of the fluctuation field using normalization coefficients.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2066466.1. RF patent No. 2066466.

2. Патент РФ №1240169.2. RF patent No. 1240169.

3. Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г. Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с.70-82.3. Modern bottom stations for seismic exploration and seismological monitoring / Zubko Yu.N., Levchenko DG Ledenev V.V., Paramonov A.A. // Scientific Instrumentation, 2003, volume 13, No. 4, p. 70-82.

4. High-precision water-level monitoring / Massatoshi Harigae, Isao Yamaguchi, Tokio Kasai, Hirotaka Igava, Hiroto Nakanishi, Takahiro Murayama, Yasunori Iwanaka, Hirotaka Suko // GPS World, April 2005.4. High-precision water-level monitoring / Massatoshi Harigae, Isao Yamaguchi, Tokio Kasai, Hirotaka Igava, Hiroto Nakanishi, Takahiro Murayama, Yasunori Iwanaka, Hirotaka Suko // GPS World, April 2005.

5. Patent US №6847362 B2, 25 января 2005.5. Patent US No. 6847362 B2, January 25, 2005.

6. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морской поверхности с летательных аппаратов. Л.: Судостроение, 1978, 376 с.6. Zagorodnikov A.A. Radar survey of the sea surface from aircraft. L .: Shipbuilding, 1978, 376 p.

7. Патент РФ №2079168 С1.7. RF patent No. 2079168 C1.

Claims

A hydrometeorological and acoustic observation device for a marine landfill containing a hydrophone, a preamplifier, a communication line, a broadband amplifier, a spectrum analyzer unit, the output of which is connected to the indicator input, a spectrum selection unit, a sea noise classification unit, a wind speed determination unit, and a sea wave determination unit connected in series, while the output of the spectrum allocation unit is connected to the input of the wind speed determination unit, and the output of the sea noise classification unit, the output of the unit for determining the wind speed and the output of the unit for determining the sea waves are connected to the inputs of the indicator, the synchronization and control unit, the controlled input of which is connected to the output of the unit for classifying the noise of the sea, the clock outputs are connected to the clock inputs of the unit for the spectrum analyzer, the unit for selecting a portion of the spectrum, the unit for classifying the sea noise a unit for determining wind speed and a unit for determining sea waves, characterized in that a parametric sound receiver is additionally introduced, a unit for diagnosing a nonlinear medium parameter dy, a narrow-band filter, a spectral analyzer of acoustic waves at combinational frequencies, a logic module, while the output of the parametric sound receiver is connected to the input of the diagnostic block of the nonlinear environmental parameter, the input of which is connected to the output of the control and synchronization unit, and the output to the input of the narrow-band filter, output which is connected to the input of a spectral analyzer of acoustic waves at Raman frequencies, the outputs of the logic module are connected to the input of the indicator and the input of the control station, and the input dy - with the output of the spectral analyzer of acoustic waves at combination frequencies, the output of the spectrum analyzer unit and the output of the control station.