RU199731U1

RU199731U1 - SHORE COMPLEX FOR MULTI-FREQUENCY ACOUSTIC SENSING OF THE MARINE ENVIRONMENT

Info

Publication number: RU199731U1
Application number: RU2020118058U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Корсков
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2020-09-16

Abstract

Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к акустическим приборам для исследования морской среды, и предназначена для работы в составе системы многочастотного акустического зондирования морской среды. Береговой комплекс включает процессор управления, тракт излучения зондирующих импульсов и тракт приема, выполненный на базе цифрового синтезатора частот, который генерирует набор частот, равный числу рабочих частот антенны. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет формирования любого числа измерительных каналов под акустическую антенну с любым набором рабочих частот.The utility model relates to hydroacoustics, specifically, to acoustic instruments for the study of the marine environment, and is designed to operate as part of a multi-frequency acoustic sounding system of the marine environment. The coastal complex includes a control processor, a probe pulse emission path and a reception path based on a digital frequency synthesizer that generates a set of frequencies equal to the number of antenna operating frequencies. The technical result is the expansion of functionality due to the formation of any number of measuring channels for an acoustic antenna with any set of operating frequencies.

Description

Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к акустическим приборам для исследования морской среды, и предназначена для работы в составе системы многочастотного акустического зондирования морской среды.The utility model relates to hydroacoustics, specifically, to acoustic instruments for the study of the marine environment, and is designed to operate as part of a multi-frequency acoustic sounding system of the marine environment.

Система многочастотного акустического зондирования предназначена для дистанционного определения наличия в воде неоднородностей с выраженными резонансными свойствами, такими как газовые пузырьки, рыбы с плавательным пузырем, отдельные виды планктона, содержащие газовые пузырьки (сифонофоры) и другие неоднородности. Изучение рассеяния звука на различных частотах позволяет определить функцию распределения таких включений по размерам.The multifrequency acoustic sounding system is designed to remotely determine the presence of heterogeneities in water with pronounced resonance properties, such as gas bubbles, fish with swim bladders, certain types of plankton containing gas bubbles (siphonophores) and other inhomogeneities. The study of the scattering of sound at various frequencies makes it possible to determine the size distribution function of such inclusions.

Функционально системы многочастотного акустического зондирования состоят из берегового (или бортового) аппаратурного комплекса и акустической антенны с набором излучателей с различными резонансными частотами в пределах заданного частотного диапазона. Аппаратурный комплекс включает в себя управляющий процессор, тракт формирования и излучения зондирующих импульсов разных частот в соответствии с частотами излучателей в антенне, трактом приема с фильтрами и усилителями сигналов рассеяния и отражения зондирующих импульсов и систему обработки и хранения полученных данных.Functionally, multifrequency acoustic sounding systems consist of a coastal (or onboard) hardware complex and an acoustic antenna with a set of emitters with different resonant frequencies within a given frequency range. The hardware complex includes a control processor, a path for the formation and emission of probing pulses of different frequencies in accordance with the frequencies of the emitters in the antenna, a reception path with filters and amplifiers for scattering and reflection signals of probing pulses, and a system for processing and storing the obtained data.

В береговом аппаратурном комплексе применяются различные способы реализации режима многочастотного излучения и приема акустических импульсов. При одновременном излучении всех частот рабочего спектра антенны и затем одновременного приема сигналов, рассеянных на неоднородностях морской среды на различных частотах, исследователь получает мгновенный спектр рассеянных сигналов. Аппаратурно такое техническое решение требует обеспечить высокую селективность всех частотных каналов во избежание взаимного проникновения и искажения данных, а также, в случае использования кабельных линий для передачи сигналов от берегового комплекса к антенне, дорогих многожильных кабелей.The coastal instrumentation complex uses various methods of implementing the multifrequency radiation mode and receiving acoustic pulses. With the simultaneous emission of all frequencies of the operating spectrum of the antenna and then the simultaneous reception of signals scattered by the inhomogeneities of the marine environment at different frequencies, the researcher receives an instant spectrum of the scattered signals. In terms of hardware, such a technical solution requires high selectivity of all frequency channels in order to avoid mutual penetration and data distortion, as well as, in the case of using cable lines to transmit signals from the coastal complex to the antenna, expensive multicore cables.

Другой вариант решения задачи - использование последовательного излучения частот рабочего спектра и последовательный прием рассеянных на неоднородностях морской среды сигналов [Буланов В.А., Корсков И.В. Система многочастотного акустического зондирования с временным разделением частот // Приборы и техника эксперимента, 2009. №3. С. 120-122.]. В этом случае сигналы всех частот разделены во времени и исключено взаимное влияние всех частотных каналов, кроме того, при использовании кабельных линий для передачи сигналов от антенны к аппаратурному комплексу достаточно одножильного кабеля для всех частотных каналов. При этом предъявляются минимальные требования к селективности применяемых в береговом комплексе фильтров и упрощается в целом вся схемотехника системы. Недостатком таких систем является тот факт, что спектр рассеянного сигнала формируется постепенно по мере приема сигналов разных частот, то есть не является мгновенным. Морская вода - очень подвижная среда, поэтому следует оценивать заранее какие процессы с какими характерными временами подлежат изучению.Another option for solving the problem is the use of sequential radiation of frequencies of the working spectrum and sequential reception of signals scattered on inhomogeneities of the marine environment [Bulanov VA, Korskov IV. The system of multifrequency acoustic sounding with time division of frequencies // Instruments and experimental techniques, 2009. №3. S. 120-122.]. In this case, the signals of all frequencies are separated in time and the mutual influence of all frequency channels is excluded, in addition, when using cable lines to transmit signals from the antenna to the equipment complex, a single-core cable is sufficient for all frequency channels. At the same time, minimal requirements are imposed on the selectivity of filters used in the onshore complex and the entire circuitry of the system is simplified as a whole. The disadvantage of such systems is the fact that the spectrum of the scattered signal is formed gradually as signals of different frequencies are received, that is, it is not instantaneous. Sea water is a very mobile medium, therefore it is necessary to estimate in advance which processes with which characteristic times are to be studied.

Существуют различные варианты схемотехнических решений береговых комплексов с последовательным излучением и приемом акустических сигналов, например, пат. РФ №101202 U1 РФ.There are various options for circuitry solutions for coastal complexes with sequential emission and reception of acoustic signals, for example, Pat. RF No. 101202 U1 RF.

Описан аппаратурный береговой комплекс системы многочастотного акустического зондирования с последовательным излучением и приемом акустических сигналов (пат. РФ №108642 U1 МПК G01S 15/02 (2006.01).The hardware coastal complex of the system of multifrequency acoustic sounding with sequential emission and reception of acoustic signals is described (US Pat. RF No. 108642 U1 IPC G01S 15/02 (2006.01).

Комплекс включает в себя процессор управления, обработки и хранения данных, тракт излучения в составе генератора, усилителя мощности, коммутатора сигналов излучения-приема, соединенного через кабель с акустической многочастотной антенной, и тракт приема, состоящий из фильтров, согласующих усилителей, ключей со схемой управления для переключения частотных каналов, амплитудного детектора и АЦП, соединенного с процессором управления.The complex includes a control processor, data processing and storage, a radiation path as part of a generator, a power amplifier, a radiation-receiving signal switch connected through a cable to an acoustic multifrequency antenna, and a receiving path consisting of filters, matching amplifiers, keys with a control circuit for switching frequency channels, amplitude detector and ADC connected to the control processor.

Такая схема сбора данных имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости иметь в тракте приема набор фильтров и соответствующих им усилителей, равный количеству излучателей в гидроакустической антенне. Это значительно увеличивает объем аппаратуры при увеличении количества частот, что необходимо для улучшения разрешения в спектральной области сигналов.Such a data acquisition scheme has a significant drawback, which consists in the need to have a set of filters and corresponding amplifiers equal to the number of emitters in the hydroacoustic antenna in the receiving path. This significantly increases the volume of equipment with an increase in the number of frequencies, which is necessary to improve the resolution in the spectral domain of signals.

Наиболее близким к заявляемому является береговой комплекс, описанный в статье (В.А. Буланов, И.В. Корсков, П.Н. Попов. Особенности акустического рассеяния, поглощения и нелинейности в верхнем слое океана /В сб.: Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения Мирового океана», Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, (2-6 октября 2017 г. Президиум ДВО РАН, Владивосток), с. 204-209). Представлено трехчастотная гидроакустическая система, где в тракте приема используется гетеродинное преобразование частот зондирующих сигналов вместо использования селективных усилителей. Береговой комплекс описанной системы взят в качестве прототипа.The closest to the claimed is the coastal complex described in the article (VA Bulanov, IV Korskov, PN Popov. Features of acoustic scattering, absorption and nonlinearity in the upper layer of the ocean / In collection: Seventh All-Russian scientific technical conference "Technical problems of the development of the World Ocean", Vladivostok: IPMT FEB RAS, (October 2-6, 2017 Presidium FEB RAS, Vladivostok), pp. 204-209). A three-frequency hydroacoustic system is presented, where heterodyne conversion of frequencies of sounding signals is used in the receiving path instead of using selective amplifiers. The coastal complex of the described system is taken as a prototype.

Традиционные схемы приемных трактов с гетеродинным преобразованием частот используют разностную (или суммарную), так называемую промежуточную частоту после того, как принятый полезный сигнал перемножается в смесителе на сигнал гетеродина, при этом частота гетеродина при перестройке частоты приемного сигнала синхронно перестраивается таким образом, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной. В дальнейшем промежуточная частота усиливается селективным усилителем с высоким коэффициентом усиления и высокой селективностью, позволяя значительно улучшить соотношение сигнал/шум.Traditional schemes of receiving paths with heterodyne frequency conversion use the difference (or sum), the so-called intermediate frequency after the received useful signal is multiplied in the mixer by the local oscillator signal, while the frequency of the local oscillator is synchronously tuned when the frequency of the receiving signal is tuned so that the intermediate frequency remained constant. The intermediate frequency is further amplified by a selective amplifier with high gain and high selectivity, allowing a significant improvement in the signal-to-noise ratio.

Для систем многочастотного акустического зондирования, как уже отмечалось выше, важным фактором является время измерения всего спектра частот за один цикл измерений в предположении, что свойства среды не изменятся за время измерения. Процедура перестройки гетеродина с одной частоты на другую порождает время нестационарности приемного тракта, причем, для селективных усилителей с высокой добротностью это время увеличивается тем больше, чем выше селективность приемного тракта. Например, обычно диапазон частот зондирования для мелкомасштабных неоднородностей составляет сотни килогерц, при добротности селективного усилителя, равной 20, на частоте 100 кГц время нестационарности составит 200 мкс, за это время акустический импульс пройдет в воде расстояние 30 см, таким образом образуется «мертвая зона» в этой области пространства, где информация о распространении и рассеянии акустического импульса на неоднородностях морской среды будет искажена.For systems of multifrequency acoustic sounding, as noted above, an important factor is the measurement time of the entire frequency spectrum in one measurement cycle under the assumption that the properties of the medium will not change during the measurement. The procedure for tuning the local oscillator from one frequency to another generates a non-stationary time of the receiving path, and, for selective amplifiers with a high Q factor, this time increases the more, the higher the selectivity of the receiving path. For example, usually the sounding frequency range for small-scale irregularities is hundreds of kilohertz, with a selective amplifier quality factor of 20, at a frequency of 100 kHz, the unsteadiness time will be 200 μs, during which time the acoustic pulse will travel a distance of 30 cm in water, thus forming a "dead zone" in this region of space, where information on the propagation and scattering of an acoustic pulse by inhomogeneities of the marine environment will be distorted.

В отличие от обычно применяемых схем гетеродина, в прототипе частота гетеродина не перестраивается, а остается постоянной, а создать двухканальную систему удается благодаря тому, что используются обе, как суммарная, так и разностная частоты, которые получаются при перемножении в смесителе частот двух последовательных входных каналов с частотой гетеродина. При этом частота гетеродина перед началом измерений устанавливается так, чтобы для более нижней частоты зондирующего сигнала при перемножении с частотой гетеродина получалась суммарная, более высокая частота, а для более высокой частоты зондирующего сигнала при перемножении получалась разностная, то есть более низкая частота. В итоге на выходе перемножителя разностная и суммарная частоты равны. Это позволяет использовать один тракт усиления промежуточной частоты без каких-либо перестроек.Unlike the commonly used local oscillator circuits, in the prototype, the local oscillator frequency is not tuned, but remains constant, and it is possible to create a two-channel system due to the fact that both the sum and the difference frequencies are used, which are obtained by multiplying the frequencies of two consecutive input channels in the mixer with the local oscillator frequency. In this case, the frequency of the local oscillator before starting the measurements is set so that for the lower frequency of the probe signal when multiplied with the frequency of the local oscillator, a total, higher frequency is obtained, and for a higher frequency of the probe signal when multiplied, a difference is obtained, that is, a lower frequency. As a result, at the output of the multiplier, the difference and sum frequencies are equal. This allows a single IF gain path to be used without any re-tuning.

Однако такая схема комплекса на позволяет организовать число каналов больше двух, поэтому в статье третий канал цифруется напрямую без гетеродина через двухканальное АЦП.However, such a scheme of the complex does not allow organizing the number of channels more than two, therefore, in the article, the third channel is digitized directly without a local oscillator through a two-channel ADC.

Проблема состоит в разработке берегового комплекса, позволяющего расширить возможности и информативность исследования.The problem lies in the development of a coastal complex that will expand the possibilities and information content of the study.

Проблема решается береговым комплексом, включающим процессор управления, регистрации и обработки акустических сигналов, тракт излучения, выполненный на базе программируемого цифрового генератора зондирующих импульсов и усилителя мощности, соединенного с коммутатором сигналов излучения-приема, один выход которого снабжен разъемом для подключения приемо-излучающей акустической антенны, а другой с трактом приема, состоящим из полосового фильтра, смесителя сигналов, один вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а другой с гетеродинным преобразователем в качестве которого установлен цифровой синтезатор частот с любым набором частот под любые частоты зондирующих сигналов. Выход смесителя соединен с селективным усилителем сигналов промежуточной частоты, выход которого через АЦП соединен с системой регистрации.The problem is solved by an onshore complex, which includes a processor for control, registration and processing of acoustic signals, a radiation path made on the basis of a programmable digital generator of sounding pulses and a power amplifier connected to a switch for radiation-receiving signals, one output of which is equipped with a connector for connecting a receiving-transmitting acoustic antenna , and the other with a receiving path consisting of a bandpass filter, a signal mixer, one input of which is connected to the output of the bandpass filter, and the other with a heterodyne converter, which is a digital frequency synthesizer with any set of frequencies for any frequencies of the probing signals. The mixer output is connected to a selective amplifier of intermediate frequency signals, the output of which is connected through an ADC to the registration system.

Антенны систем многочастотного акустического зондирования имеют заданное количество рабочих частот, поэтому для гетеродинного преобразования требуется соответствующее количество частот гетеродина. Установка цифрового синтезаторов частот позволила формировать в одном гетеродине сигнал в виде суммы необходимого числа частот для гетеродинного преобразования. Эта сумма частот программируется до начала измерений, не изменяется и постоянно генерируется в течение всего цикла измерений и постоянно присутствует на одном из входов смесителя. На другой вход смесителя подаются сигналы, поступающие с антенны в процессе зондирования морской среды. При последовательной смене частоты зондирующего импульса в наборе частот, генерируемых синтезатором, всегда будет присутствовать частота, при перемножении с которой на выходе смесителя сформируется промежуточная частота, соответствующая по амплитуде сигналу зондирующей частоты. Зная последовательность частот зондирования, однозначно определяются порядок принимаемых частотных каналов. Теперь сигналы всех частот зондирования переносятся на одну промежуточную частоту без каких-либо перестроек режимов работы комплекса и усиливаются селективным усилителем с высокой селективностью. Это исключает неравномерность АЧХ приемного тракта, обычно связанной с перестройкой частоты, повышает стабильность работы усилителя при больших коэффициентах усиления, связанные с отсутствием фазовых искажений при перестройке частот. После усиления и фильтрации сигналы промежуточной частоты оцифровываются АЦП и поступают для дальнейшей обработки в процессор.Antennas of multi-frequency acoustic sounding systems have a predetermined number of operating frequencies, therefore, for heterodyne conversion, an appropriate number of local oscillator frequencies is required. Installation of digital frequency synthesizers made it possible to form a signal in one local oscillator in the form of the sum of the required number of frequencies for heterodyne conversion. This sum of frequencies is programmed before the start of measurements, does not change and is constantly generated during the entire measurement cycle and is constantly present at one of the mixer inputs. The other input of the mixer receives signals from the antenna during sounding of the marine environment. When the frequency of the probe pulse is sequentially changed, the frequency set will always be present in the set of frequencies generated by the synthesizer; when multiplied by this frequency, an intermediate frequency will be formed at the mixer output, corresponding in amplitude to the signal of the probe frequency. Knowing the sequence of sounding frequencies, the order of the received frequency channels is uniquely determined. Now the signals of all probing frequencies are transferred to one intermediate frequency without any rearrangements of the operating modes of the complex and are amplified by a selective amplifier with high selectivity. This eliminates the unevenness of the frequency response of the receiving path, usually associated with frequency tuning, increases the stability of the amplifier at high gain factors, associated with the absence of phase distortions during frequency tuning. After amplification and filtering, the intermediate frequency signals are digitized by the ADC and fed to the processor for further processing.

На Фиг. 1 приведена функциональная схема берегового аппаратного комплекса с применением гетеродинного преобразования частот, где 1 - процессор управления, обработки и хранения данных; 2 - цифровой генератор зондирующих импульсов; 3 - усилитель мощности; 4 - коммутатор сигналов излучения - приема; 5 - выход к антенне; 6 - входной полосовой усилитель приемного тракта; 7 - смеситель частот; 8 - синтезатор частот; 9 - селективного усилитель; 10 - АЦП.FIG. 1 shows a functional diagram of a coastal hardware complex using heterodyne frequency conversion, where 1 is a processor for control, processing and data storage; 2 - digital generator of probing pulses; 3 - power amplifier; 4 - switch for radiation - reception signals; 5 - output to the antenna; 6 - input band-pass amplifier of the receiving path; 7 - frequency mixer; 8 - frequency synthesizer; 9 - selective amplifier; 10 - ADC.

Опытный образец берегового комплекса был собран в основном на основе приборов промышленного производства и состоит из процессора управления, обработки и хранения данных (1), цифрового генератора зондирующих импульсов (2), в качестве которого использовался цифровой генератор сигналов произвольной формы ГСПФ-053 фирмы Руднев и Шиляев (Москва), который формирует последовательность зондирующих импульсов с частотами сигналов излучения, импульсы усиливаются усилителем мощности (3) типа У7-5 и дополнительным высоковольтным каскадом усиления (напряжение излучения составляло от 200 до 400 В), и через диодный коммутатор сигналов (4) поступают на выходной разъем, соединяющий комплекс с антенной (5), которая излучает импульсы в море. Сигналы рассеяния от неоднородностей и отражения от поверхностей возвращаются на антенну и через коммутатор (4), который в паузах между излучениями находится в режиме приема сигналов, поступают на входной полосовой усилитель (6) приемного тракта типа SN-232 фирмы UNIPAN (Польша). В усилителе происходит ограничение полосы пропускания частот до рабочего диапазона антенны и предварительное усиление сигналов. Далее принятые и усиленные сигналы поступают на вход смесителя частот (7), выполненного на интегральной микросхеме перемножителя частот AD633 фирмы ANALOG DEVICE (США), позволяющей перемножать частоты до 6 МГц. На другой вход смесителя постоянно подается ряд частот, генерируемых синтезатором частот (8), в качестве которого использовался цифровой генератор сигналов произвольной формы ГСПФ-053 фирмы Руднев и Шиляев (Москва), соответствующих частотам зондирующего сигнала таким образом, чтобы при перемножении в смесителе их разностные значения точно соответствовали промежуточной частоте селективного усилителя (9) типа SN-233 фирмы UNIPAN (Польша). Дальнейшая обработка принятых сигналов заключается в оцифровке акустических данных в АЦП (10) типа Ла2-USB фирмы Руднев и Шиляев (Москва), и передачи данных в компьютер (1). Используемые при создании опытного образца марки конструктивных элементов приведены в качестве примера одного из возможных вариантов.The prototype of the coastal complex was assembled mainly on the basis of industrial instruments and consists of a control processor, data processing and storage (1), a digital probe pulse generator (2), which was a digital arbitrary waveform generator GSPF-053 from Rudnev and Shilyaev (Moscow), which forms a sequence of probing pulses with frequencies of radiation signals, the pulses are amplified by a power amplifier (3) of the U7-5 type and an additional high-voltage amplification stage (the radiation voltage was from 200 to 400 V), and through a diode signal switch (4) go to the output connector connecting the complex to the antenna (5), which emits pulses into the sea. The signals of scattering from inhomogeneities and reflections from surfaces are returned to the antenna and through the switch (4), which is in the signal reception mode during the pauses between emissions, are fed to the input band-pass amplifier (6) of the SN-232 type receiver (UNIPAN, Poland). In the amplifier, the frequency bandwidth is limited to the operating range of the antenna and the signals are pre-amplified. Further, the received and amplified signals are fed to the input of the frequency mixer (7), made on an AD633 frequency multiplier integrated circuit manufactured by ANALOG DEVICE (USA), which allows multiplying frequencies up to 6 MHz. A number of frequencies generated by the frequency synthesizer (8) are constantly fed to the other input of the mixer, which was a digital generator of arbitrary waveforms GSPF-053 from Rudnev and Shilyaev (Moscow), corresponding to the frequencies of the probing signal in such a way that, when multiplied in the mixer, their difference the values exactly corresponded to the intermediate frequency of the selective amplifier (9) of the SN-233 type from UNIPAN (Poland). Further processing of the received signals consists in digitizing the acoustic data in an ADC (10) of the La2-USB type manufactured by Rudnev and Shilyaev (Moscow), and transferring the data to a computer (1). The grades of structural elements used to create a prototype are given as an example of one of the possible options.

В результате новая схема берегового комплекса системы многочастотного зондирования за счет использования в тракте приема в гетеродинном преобразователе вместо одночастотного генератора цифрового синтезатора частот, значительно расширяет возможности берегового комплекса, а именно, теперь он позволяет вместо двух входных частотных каналов формировать любое число каналов под акустическую антенну с любым набором рабочих частот. При замене излучателей антенны на излучатели с другими рабочими частотами требуется только перепрограммировать синтезатор частот без замены усилителей и фильтров. Для восстановления исходного сигнала можно сделать обратное преобразование частот.As a result, the new scheme of the coastal complex of the multifrequency sounding system, due to the use of a digital frequency synthesizer in the receive path in the heterodyne converter instead of a single-frequency generator, significantly expands the capabilities of the coastal complex, namely, now it allows, instead of two input frequency channels, to form any number of channels for an acoustic antenna with any set of operating frequencies. When replacing the antenna radiators with radiators with different operating frequencies, you only need to reprogram the frequency synthesizer without replacing amplifiers and filters. To restore the original signal, you can do the reverse frequency conversion.

Claims

A coastal complex for a system of acoustic sounding of the marine environment, including a processor for control, recording and processing of acoustic signals, a radiation path made on the basis of a programmable digital generator of sounding pulses and a power amplifier connected to a switch of radiation-receiving signals, one output of which is equipped with a connector for connecting a receiver - a radiating acoustic antenna, and the other with a receiving path consisting of a band-pass filter, a signal mixer, one input of which is connected to the output of the band-pass filter, and the other input is connected to a heterodyne converter, the mixer output is connected to a selective amplifier of intermediate frequency signals, the output of which is through an ADC connected to the registration system, characterized in that a digital frequency synthesizer is installed as a heterodyne converter, generating a set of frequencies equal to the number of operating frequencies of the antenna.