RU2474794C1 - Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах контроля протяженных морских акваторий и комплексного мониторинга гидрофизических полей среды различной физической природы. Сущность: формируют две зоны нелинейного взаимодействия волн накачки с информационными волнами и используют их как просветные параметрические антенны. Для этого низкочастотный акустический излучатель располагают у одной границы контролируемого участка морской среды, а две широкополосные ненаправленные приемные антенны, пространственно разнесенные в горизонтальной плоскости, размещают у противоположной границы контролируемого участка. Причем параметрически преобразованные волны накачки принимают приемными антеннами, усиливают в полосе параметрического преобразования и переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область. Измеряют сигналы разности фаз пространственно-разнесенных приемных антенн, проводят их узкополосный спектральный анализ и выделяют параметрические составляющие суммарной и разностной частоты. По параметрическим составляющим суммарной и разностной частоты с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки восстанавливают исходные характеристики измеряемых информационных сигналов. Кроме того, в измеренных спектрах выделяют параметрические составляющие нижней боковой полосы, вторично переносят их в высокочастотную область и измеряют их спектральные характеристики. По измеренным спектральным характеристикам определяют частоту и пространственно-временную динамику СНЧ колебаний. Технический результат: увеличение дальности и помехоустойчивости приема, расширение частотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в просветных приемоизлучающих системах контроля протяженных морских акваторий и комплексного мониторинга гидрофизических полей среды различной физической природы, формируемых естественными и искусственными источниками, движущимися объектами, гидродинамическими возмущениями и опасными морскими явлениями в диапазонах низких, инфранизких, дробных и сверхнизких частот (СНЧ колебаний движущихся морских объектов, как целого).

Известен способ параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающий формирование вблизи приемника зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе способа лежит закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными (Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).

Основные недостатки этого технического решения - низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема, а также низкая эффективность измерения характеристик информационных волн различной физической природы в звуковом, инфразвуковом диапазонах, а также и практическая невозможность приема волн в дробном и сверхнизком диапазонах частот.

Известен также способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными (RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.). Это решение является способом приема упругой волны в морской среде, в котором пространственная область параметрического приема (параметрическая антенна) формируется в ближней зоне приемника. При этом модуляционные возмущения среды используются только для повышения параметра ее нелинейности в рабочей зоне параметрического приема, а изменения параметра нелинейности среды за счет непосредственного воздействия измеряемых информационных волн в расчет не принимаются. Способ не предусматривает подавление интенсивных помех среды этого диапазона частот, а также устранение флюктуаций принимаемых волн накачки, возникающих при их распространении в среде.

Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкие чувствительность и помехоустойчивость параметрического приема и, как следствие, ограниченная (единицы километров) дальность приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом, дробном (единицы-десятые доли герца), а также сверхнизком (сотые-тысячные доли герца) диапазонах частот. Эти недостатки обусловлены низким эффектом их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн в рабочей зоне среды, а также наличием интенсивных помех в инфразвуковом и дробном диапазонах частот. Кроме того, прием волн сверхнизкочастотного (СНЧ) диапазона невозможен без применения специальных измерительных технологий обработки принимаемых акустических волн накачки среды.

Обоснование технических решений предлагаемого изобретения и практических путей технической реализации дальнего помехоустойчивого приема волн различной физической природы в рассматриваемом широкополосном диапазоне частот для заявляемого изобретения выполнено на основе известных в гидроакустике закономерностей формирования, распространения и нелинейного взаимодействия гидрофизических волн в морской среде (О.В.Руденко, С.И.Солунян. Теоретические основы нелинейной гидроакустики:. - М.: Наука, 1975, с.145-176).

Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит так называемый нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°С величина Е равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот до глубин 300 м изменяется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными, в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Кроме того, в условиях протяженного гидроакустического канала распространения волн неизбежно формируются интенсивные помехи среды инфразвукового и дробного диапазонов частот, которые излучаются естественными источниками морской среды и судоходством, что ограничивает возможность дальнего приема и измерения характеристик информационных волн в условиях помех.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в увеличении дальности и помехоустойчивости параметрического приема информационных волн различной физической природы в звуковом, инфразвуковом, дробном (единицы-десятые доли герца) и сверхнизкочастотном (СНЧ - сотые-тысячные доли герца) диапазонах в условиях интенсивных помех среды.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении общего эффекта нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн в объеме протяженной рабочей зоны контролируемой среды, что обеспечивает увеличение масштаба дальности до сотен километров, а также помехоустойчивости параметрического приема информационных волн различной физической природы и снижение (расширение) нижней границы их частотного диапазона в СНЧ область. В этом случае общий частотный диапазон принимаемых информационных волн составляет десятки-единицы, десятые-сотые-тысячные доли герца.

Это достигается за счет увеличения протяженности и общего объема пространственной рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн (низкочастотной параметрической антенны) до десятков-сотен километров, а также преобразования (переноса) принимаемых волн накачки среды в высокочастотную область и их последующего спектрального анализа, которые выполняются в тракте обработки принимаемых сигналов. Дальний помехоустойчивый прием взаимодействующих в среде волн накачки и информационных достигается путем измерения разности фаз сигналов, принимаемых пространственно разнесенными приемниками, и их последующей параметрической обработки. Измерение сигналов разности фаз в этом случае обеспечивает подавление некоррелированных помех среды, как случайных процессов с сохранением характеристик регулярных сигналов накачки стабилизированной частоты, промодулированных информационными при их совместном распространении в морской среде (В.И.Виноградов, Р.А.Ваккер. Вопросы обработки сложных сигналов в корреляционных системах. - М.: «Сов. Радио», 1972, с.42-51). Выделение СНЧ волн в этом случае достигается за счет дополнительного (повторного) частотно-временного преобразования измеренных при спектральном анализе боковых полос сигналов накачки. Следует отметить, что необходимость двойного частотно-временного преобразования принимаемых волн накачки объясняется поэтапным, в зависимости от частоты, выделением признаков информационных волн, т.е. возможность совмещенного частотно-временного преобразования волн исключается.

Физическое понятие сверхнизкочастотных (СНЧ) колебаний движущихся в морской среде объектов как целого определилось и сформировалось как актуальная и сложная научно-техническая задача в последние десятилетия. Актуальность решения рассматриваемой задачи определяется тем, что СНЧ колебания движущихся в морской среде тел являются устойчивыми признаками их дальнего наблюдения и идентификации. Сложность решения этой задачи обусловлена необходимостью применения протяженных или пространственно развитых гидроакустических антенн, а также специальной обработки принимаемых сигналов накачки контролируемых участков среды.

Говоря о СНЧ упругих колебаниях, формируемых самодвижущимися морскими объектами как целого, следует отметить, что по своей физической природе они проявляются как «маятниковые», период которых определяется массой, водоизмещением, скоростью движения объекта в среде и составляет сотые-тысячные доли герца. Эти колебания могут проявляться как вынужденные, формируемые в режиме автоматического удержания курса и глубины за счет перекладки рулей. Как правило, вынужденные колебания имеют меньший период, который составляет десятые-сотые доли герца. Следует отметить, что упругие СНЧ колебания проникают в морское дно и распространяются в его верхнем слое как поперечные волны на большие (сотни км) расстояния. Они могут быть приняты береговыми сейсмоприемниками. При распространении в грунте поперечные СНЧ колебания возбуждают также прилегающую к нему морскую среду, что особенно характерно для мелководных трасс. Формируемые СНЧ упругие волны, как показано достаточно большим объемом экспериментальных исследований, эффективно распространяются в гидроакустическом канале, как волноводе в соответствии с его параметрами. Непосредственный прием СНЧ волн существующими гидроакустическими антеннами и трактами комплексов практически невозможен.

Актуальна рассматриваемая техническая задача и для обнаружения признаков опасных морских явлений, таких как волны цунами, уединенные и внутренние волны среды, а также гидродинамические возмущения, формируемые подводными землетрясениями и взрывами и т.п. В этой связи важность решения и эффективной реализации рассматриваемых задач более простыми методами и гидроакустическими средствами неоспорима.

Для решения поставленной задачи способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в среде зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными волнами, отличается тем, что на контролируемом участке морской среды формируют две зоны нелинейного взаимодействия волн накачки с информационными волнами и используют их как просветные параметрические антенны, для чего низкочастотный акустический излучатель располагают у одной границы контролируемого участка морской среды, а две широкополосные ненаправленные приемные антенны, пространственно разнесенные в горизонтальной плоскости, размещают у противоположной границы контролируемого участка, причем параметрически преобразованные волны накачки принимают приемными антеннами, усиливают в полосе параметрического преобразования и переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, измеряют сигналы разности фаз пространственно разнесенных приемных антенн, проводят их узкополосный спектральный анализ и выделяют параметрические составляющие суммарной и разностной частоты, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки восстанавливают исходные характеристики измеряемых информационных сигналов, кроме того, в измеренных спектрах выделяют параметрические составляющие нижней боковой полосы, вторично переносят их в высокочастотную область и измеряют их спектральные характеристики, по которым определяют частоту и пространственно-временную динамику СНЧ колебаний. Кроме того, волны накачки формируют акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «на контролируемом участке морской среды формируют две зоны нелинейного взаимодействия волн накачки с информационными волнами и используют их как просветные параметрические антенны», обеспечивая «дальнодействие» гидроакустической системы, обеспечивают в дальнейшем возможность подавления интенсивных инфранизкочастотных и других более низкочастотных помех среды, как случайных процессов.

Признаки «низкочастотный акустический излучатель располагают у одной границы контролируемого участка морской среды, а две широкополосные ненаправленные приемные антенны, пространственно разнесенные в горизонтальной плоскости, размещают у противоположной границы контролируемого участка» обеспечивают возможность формирования двух параметрических антенн, при этом их большая протяженность обеспечивается использованием для их формирования низкочастотного акустического излучения, которое является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами. При этом обеспечивается фиксация и последующая обработка любого информационного сигнала, любой физической природы, взаимодействовавшего с параметрическими антеннами в пределах контролируемого участка акватории.

Признак указывающий, что «параметрически преобразованные волны накачки принимают приемными антеннами», обеспечивает возможность приема волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами, и тем самым последующего решения задачи дальнего измерения характеристик информационных сигналов по закономерностям их амплитудно-фазовой модуляции, а в последующем возможность подавления интенсивных инфранизкочастотных и других более низкочастотных помех среды, как случайных процессов.

Признак указывающий, что волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами (параметрически преобразованные волны), «усиливают в полосе параметрического преобразования (т.е. в полосе от ноля до суммарной частоты волн накачки и информационных сигналов)», обеспечивает возможность выделения измеряемых информационных волн в заданном диапазоне частот, а также повышение точности и достоверности выделения информации при обработке принимаемых параметрически преобразованных сигналов накачки.

Признак указывающий, что частотно-временной масштаб волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными сигналами, «переносят в высокочастотную область», обеспечивает возможность эффективного выделения параметрических составляющих инфразвукового, а затем дробного и СНЧ диапазонов информационных волн с использованием существующих методов и средств спектрального анализа или специальных блоков цифровой обработки сигналов. Теоретические и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии известны (В.М.Черницер, Б.Г.Кадук. Преобразователи временного масштаба. - М.: Сов. радио, 1972, с.3-16).

Признаки указывающие, что «измеряют сигналы разности фаз пространственно-разнесенных приемных антенн, проводят их узкополосный спектральный анализ и выделяют параметрические составляющие суммарной и разностной частоты», обеспечивают при использовании известных методов узкополосного спектрального анализа выделение и последующее восстановление частоты исходных информационных сигналов.

Признаки указывающие, что по параметрическим составляющим суммарной и разностной частоты «с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки восстанавливают исходные характеристики измеряемых информационных сигналов», обеспечивают возможность восстановления исходных характеристик измеряемых информационных волн (сигналов).

Признаки указывающие на то, что «в измеренных спектрах выделяют параметрические составляющие нижней боковой полосы, вторично переносят их в высокочастотную область и измеряют их спектральные характеристики, по которым определяют частоту и пространственно-временную динамику СНЧ колебаний», являются последним процессом в совокупности измерительных технологий решающих задачи по выделению и измерению характеристик СНЧ колебаний, частота которых не менее, чем на один порядок ниже первично выделенных инфранизкочастотных и дробных волн.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют частотный диапазон волн накачки, оптимальный для эффективной реализации заявленного способа дальнего параметрического приема волн различной физической природы в условиях протяженного гидроакустического канала.

Совокупность рассмотренных отличительных признаков (низкочастотная накачка контролируемого участка среды с формированием в ней протяженного пространственного объема зоны взаимодействия волн накачки и информационных сигналов) обеспечивает последующую реализацию задачи заявляемого изобретения - «увеличение дальности параметрического приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом, дробном и СНЧ (единицы-десятые-сотые-тысячные доли герца) диапазонах».

Необходимо отметить, что упомянутый частотный диапазон характерен для приема волн различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками, а также гидродинамическими возмущениями среды на протяженных морских акваториях, порождаемых течениями, вихрями, сейсмическими и синоптическими явлениями, уединенными и внутренними волнами, а также волнами цунами и землетрясениями (В.А.Гаврилов, Г.И.Дружинин, Е.В.Половцева. Результаты одновременных измерений естественных электромагнитных СНЧ-ОНЧ волн с использованием наземной и подземной антенн, г.Петропавловск-Камчатский, Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. vgavr@kgcnet.ru).

Сущность нелинейного взаимодействия волн при их распространении в морской среде и его реализации в технических решениях заявляемого способа заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что нелинейное взаимодействие гидрофизических волн осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды и распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое обеспечивается воздействием на среду измеряемыми информационными сигналами в широком диапазоне частот (десятки, единицы-десятые, сотые-тысячные доли герца).

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема реальной системы контроля и мониторинга гидрофизических полей морских акваторий, обеспечивающей реализацию заявленного способа; на фиг.2 и 3 представлены спектрограммы шумоизлучения морских судов при движении параллельным просветной линии галсом (фиг.2), а также галсом, пересекающим просветную линию (фиг.3). Протяженность просветных линий составляла 45 и 210 км. Среда прозвучивалась сигналами суммарной частоты 200, 236 и 400 Гц (фиг.2), а также монохроматическими сигналами стабилизированной частоты 390 Гц (фиг.3). На фиг.4 представлен спектр просветных сигналов с частотой 390 Гц, промодулированных электромагнитными излучениями морского судна с частотой 400 Гц на трассе протяженностью 45 км. На фиг.5 представлена спектрограмма разности фаз просветных сигналов, принимаемых пространственно разнесенными на 3 км приемниками (донными базами) на мелководной морской трассе протяженностью 25 км. Частота просветных сигналов - 315 Гц. На спектрограмме наблюдаются гидродинамические, а также резонансные ИНЧ морского судна, промодулированные вынужденными СНЧ колебаниями за счет перекладки рулей с периодом 60-110 сек. Частотно-временная характеристика таких колебаний показана на врезке. На фиг.6 представлена спектрограмма сигналов разности фаз просветных сигналов с частотой 400 Гц, принятых пространственно-разнесенными на 5 км донными базами. Наблюдаются резонансные и инфранизкочастотные излучения корпуса судна, промодулированные его «маятниковыми» СНЧ колебаниями в установившемся режиме движения. Протяженность контролируемой морской трассы составляла около 350 км. Период СНЧ колебаний судна как целого составил 500-1100 сек. На врезке приведенной спектрограммы показана частотно-временная характеристика этих колебаний. Спектрограммы, приведенные на фиг.5, 6, получены из сигналов разности фаз пространственно разнесенных приемников, что выразилось в подавлении помех среды и флюктуаций принимаемых просветных сигналов как случайных процессов. Очевидно, что и другие инфранизкочастотные, а также дробные и СНЧ волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы (В.И.Короченцев, М.В.Мироненко. Повышение эффективности работы параметрических антенн при взаимодействии упругих и электромагнитных волн в морской воде // 2-й Всероссийский симпозиум «Сейсмоакустика переходных зон», Владивосток, Дальнаука, 2001, с.100-106).

Закономерности параметрического формирования электромагнитных колебаний в проводящей морской среде и их измерение как модуляционных признаков просветных акустических волн заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров. Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа и практические пути реализации рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки изменяется, в нем появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие (за счет нелинейного взаимодействия). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов.

Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией описывается обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.

Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу:

,

где

- коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;

υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β_s=Gυ/G_pβ_t, можно получить следующее выражение для фазовой скорости:

Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую среду. То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω_ЭМ, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны С_(t) также будет меняться с той же частотой Ω_ЗВ=Ω_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа. Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты).

Морские испытания предлагаемого способа были проведены на стационарных гидроакустических трассах протяженностью десятки-сотни км. Просветные гидроакустические сигналы стабилизированной частоты около 400 Гц излучались подводным маяком наведения (ПЗМ-400). В качестве приемной системы использовалась данная база с ненаправленным приемом. Излучающая и приемная базы посредством глубоководных кабелей соединялись с береговыми лабораториями. В качестве источника измерительных сигналов (в данном случае электромагнитных волн) использовалось морское судно (электромагнитное поле корабля на частоте электропитания 400 Гц), которое многократно пересекало контролируемую среду и модулировало акустические сигналы накачки среды.

Для реализации заявленного способа необходима гидроакустическая система (комплекс), содержащая тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженная излучателем 2 для протяженных трасс, например подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400 или другими специальными гидроакустическими блоками, источник формирования излучения информационных сигналов (волн) 3, приемные параметрические антенны 20 с пространственно разнесенными в горизонтальной плоскости ненаправленными приемниками 5, 6, в качестве которых могут быть использованы приемные радиогидроакустические буи. Приемники 5, 6 связаны с приемным трактом системы контроля 4. При установке на судне или использовании на стационарных объектах приемные блоки 5,6 и тракт приема 4 могут составлять единый аппаратный комплекс общей системы контроля и мониторинга полей среды. В качестве источников информационных сигналов (волн) 3 могут быть использованы акустические, электромагнитные, гидродинамические, СНЧ излучения морских судов, а также другие искусственные и естественные источники, например подводные землетрясения и волны цунами, формирования волн различной физической природы. Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 7 или иных сложных сигналов 8, тиристорный инвертор 9, блок согласования его выхода с кабелем 10 и далее с излучателем 2 (см. фиг.1).

Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4 представляет собой электронную схему, содержащую широкополосный двухканальный усилитель 11 (с полосой усиления от ноля до суммарной частоты волн накачки и информационных), вход которого связан с приемниками 5, 6, преобразователь временного масштаба волн в высокочастотную область 12, блок измерения сигналов разности фаз 13, блок узкополосного спектрального анализа 14 и функционально связанный с ним рекордер 15. Блок спектрального анализа 14 связан с блоком перестраиваемых фильтров, обеспечивающим выделение нижней боковой полосы параметрических составляющих 16, выход которого связан с блоком второго частотно-временного преобразования волн в высокочастотную область 17, выход которого соединен со входом блока вторичного спектрального анализа 18 и далее с регистратором сигналов (самописцем) 19. Кроме того, на чертежах показаны области нелинейного взаимодействия волн накачки и измерительных сигналов (рабочие зоны) 20, а также контролируемая морская среда 21 и ее поверхность 22.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Излучатель 2 с пространственно разнесенными приемными блоками 5, 6 размещают так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области нелинейного взаимодействия волн накачки и измеряемых информационных сигналов. Излучения источника информационных сигналов (волн) 3 приводят к изменению механистических характеристик проводящей жидкости (плотности и/или температуры и/или теплоемкости и т.д., которые в зависимости от их физической сущности модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники или широкополосные боковые составляющие накачки проявляются как признаки информационных волн (модуляционные характеристики амплитуды и фазы) низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются в блоках обработки приемного тракта системы контроля среды. Применение в системе контроля операций измерения сигналов разности фаз с пространственно разнесенных приемников и последующее выделение узкополосных спектров обеспечивает эффективное подавление некоррелированных случайных помех (метод пространственной фильтрации) и выделение регулярных сигналов накачки среды с последующим восстановлением (с учетом частотно-временного и параметрического преобразования волн накачки) характеристик исходных информационных волн различной физической природы в рассматриваемом широком диапазоне частот.

Заявляемый способ обеспечивает дальний параметрический прием волн различной физической природы и позволяет реализовать широкомасштабную гидроакустическую систему контроля и комплексного мониторинга гидрофизических полей различной физической природы в низкочастотном, инфранизкочастотном, дробном и СНЧ диапазонах в условиях интенсивных инфранизкочастотных помех протяженных морских акваторий. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) контролируемого участка среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни герц. Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн звукового, инфразвукового, дробного и СНЧ диапазонов частот достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны взаимодействия волн, что обеспечивает также решение проблемы дальнего параметрического приема «измерения сигналов (волн) малых амплитуд». Повышенная помехоустойчивость заявляемого низкочастотного параметрического способа дальнего измерения информационных волн достигается применением в системе контроля пространственно разнесенного приема волн накачки, преобразованием их временного масштаба в высокочастотную область и последующим узкополосным спектральным анализом. Прием и измерение признаков (частоты и пространственно временной динамики) волн СНЧ колебаний объектов как источников достигается за счет использования протяженной пространственной параметрической антенны и применения в тракте обработки информации двойного частотно-временного преобразования принимаемых волн накачки в высокочастотную область.

Приведенными результатами натурных экспериментов подтверждены основные положения и отличительные признаки заявляемого изобретения, которые заключаются в следующем.

Решена задача дальнего и сверхдальнего параметрического приема и измерения характеристик информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) низкочастотного, инфранизкочастотного, дробного и СНЧ диапазонов. Дальность параметрического приема волн и протяженность активно-пассивной (просветной) системы контроля среды составляла десятки-сотни километров, что подтверждает решение поставленной задачи изобретения, поскольку масштаб дальности параметрического приема волн достиг сотен километров по сравнению с существующими дальностями, составляющими сотни метров - единицы километров. Очевидно, что и другие инфранизкочастотные акустические, электромагнитные и гидродинамические волны различной физической природы, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями, внутренними волнами и волнами цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы. Возможность параметрического приема информационных волн инфразвукового, дробного и СНЧ диапазонов частот достигается за счет формирования протяженного объема взаимодействия волн (пространственной параметрической антенны). Применение в тракте приема и обработки операции поэтапного двойного преобразования временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение информационных волн такого диапазона частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации на рекордере или наблюдения на дисплее. Таким образом, показанная на фиг.1 схема реализации заявляемого способа, а также результаты его натурных испытаний представляют собой разработанную и реализованную в многократных морских испытаниях низкочастотную просветную параметрическую систему дальнего измерения и комплексного мониторинга гидрофизических полей объектов и среды различной физической природы низкочастотного, инфранизкочастотного, дробного и СНЧ диапазонов.

Claims (2)

1. Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в среде зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными волнами, отличающийся тем, что на контролируемом участке морской среды формируют две зоны нелинейного взаимодействия волн накачки с информационными волнами и используют их как просветные параметрические антенны, для чего низкочастотный акустический излучатель располагают у одной границы контролируемого участка морской среды, а две широкополосные ненаправленные приемные антенны, пространственно-разнесенные в горизонтальной плоскости, размещают у противоположной границы контролируемого участка, причем параметрически преобразованные волны накачки принимают приемными антеннами, усиливают в полосе параметрического преобразования и переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, измеряют сигналы разности фаз пространственно-разнесенных приемных антенн, проводят их узкополосный спектральный анализ и выделяют параметрические составляющие суммарной и разностной частоты, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки восстанавливают исходные характеристики измеряемых информационных сигналов, кроме того, в измеренных спектрах выделяют параметрические составляющие нижней боковой полосы, вторично переносят их в высокочастотную область и измеряют их спектральные характеристики, по которым определяют частоту и пространственно-временную динамику СНЧ колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что волны накачки формируют акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц.

Images