RU2550588C1 - Способ формирования параметрической антенны в морской среде - Google Patents

Abstract

Способ формирования параметрической антенны в морской среде, включающий размещение на акватории излучающего и приемных преобразователей, ее прозвучивание низкочастотными акустическими сигналами стабилизированной частоты, с формированиием зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, с обеспечением возможности приема параметрически преобразованных просветных волн и восстановления по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн с учетом их параметрического и частотно-временного преобразования, отличается тем, что просветную параметрическую антенну формируют как многолучевую пространственно-развитую, для чего используют ненаправленные излучающие преобразователи, которые располагают в центре контролируемой акватории, и размещают их на трех уровнях по глубине как на оси подводного звукового канала, так выше и ниже его, при этом приемные блоки выполняют аналогично друг другу, размещают по глубине аналогично излучающим преобразователям и располагают относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45°, причем каждый из приемных блоков формируют из трех ненаправленных преобразователей, которые располагают в вертикальной плоскости по треугольникам, предпочтительно равнобедренным, основания которых лежат на одной вертикали, а вершины обращены к излучателям, причем параметрически преобразованные просветные сигналы, поступающие от каждого излучающего преобразователя, принимают каждым одиночным приемным преобразователем каждого из приемных блоков

Description

Изобретение относится к областям гидроакустики, гидрофизики и геофизики и может быть использовано для формирования пространственно-развитой параметрической антенны, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием, наблюдение пространственно-временных характеристик волн различной физической природы, создаваемых искусственными источниками, естественными процессами и явлениями атмосферы, океана, а также земной коры в диапазоне частот, охватывающим сотни-десятки-единицы-доли Герца, включая сверхнизкочастотные (СНЧ) колебания движущихся объектов и возбуждаемых неоднородностей.

Разработки приемных параметрических антенн (ППА) в России, а также в зарубежных странах (преимущественно в США и Японии) интенсивно проводились еще в прошлом столетии. В России они были реализованы Таганрогскими акустиками, что широко опубликовано в изданиях различного уровня и изложено в монографиях (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1990. С.17-40, 203-225). Эти параметрические антенны и реализующие их радиотехнические системы основаны на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. В буксируемых ППА дополнительно к естественным использовались нелинейные свойства кильватерного следа судна-носителя протяженных антенн. Накачка среды в указанных случаях применялась только высокочастотная акустическая, частота которой составляла десятки, чаще сотни кГц. Параметрические антенны расширили возможности приема информационных волн в низкочастотной области, а также повысили чувствительность приема таких волн, однако дальность приема волн в системах с высокочастотными параметрическими антеннами оставалась незначительной (сотни метров и только в отдельных случаях немного более одного километра).

Основным недостатком классических параметрических систем, основанных на применении высокочастотных приемных параметрических антенн, является малая дальность приема и ограниченная возможность измерения пространственно-временных характеристик информационных волн, что особенно проявляется в случае приема волн различной физической природы в инфразвуковом и дробном диапазонах частот. Такие недостатки высокочастотных параметрических антенн обусловлены малым объемом и ограниченной протяженностью рабочей зоны взаимодействия волн накачки и измеряемых информационных в морской среде. Устранение этих недостатков и достижение новых положительных эффектов, которые предполагается получить в техническом решении изобретения, может быть достигнуто за счет формирования низкочастотной просветной антенны, представляющей собой многолучевую пространственно развитую приемную параметрическую систему. Исходя из этого, сформулируем принципиальные недостатки высокочастотных параметрических антенн, которые необходимо устранить в предлагаемом изобретении.

1. Малый объем рабочей зоны нелинейного взаимодействия волн накачки среды и измеряемых информационных, что особенно ограничивает возможность эффективного приема волн малых амплитуд инфранизкого и дробного диапазонов частот.

2. Малая протяженность параметрической антенны и формирование ее объема только вблизи приемных блоков, что также ограничивает возможность дальнего приема информационных волн малых амплитуд.

3. Неиспользование закономерности многолучевого распространения волн по трассам протяженной акватории, что не позволяет эффективно принимать информационные волны указанного диапазона, формируемые в воздушной и морской среде, а также в донном грунте за счет взаимодействия с просветными волнами в приповерхностном и придонном слоях морской среды.

4. Исключена возможность использования закономерностей многолучевого распространения просветных сигналов и связанного с ней формирование характеристик направленности параметрических антенн по приходам многолучевых сигналов сверху и снизу, обеспечивающих при дальнейшей обработке информации возможность определения мест источников излучения (дистанции и глубины) на контролируемой акватории.

Известен также способ формирования параметрической антенны в морской среде, включающий размещение на акватории излучающего и приемных преобразователей, ее прозвучивание низкочастотными акустическими сигналами стабилизированной частоты, с формированиием зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, с обеспечением возможности приема параметрически преобразованных просветных волн и восстановления по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн с учетом их параметрического и частотно-временного преобразования (см. RU №2474793).

Недостатками формируемой таким способом параметрической просветной антенны являются ограниченные возможности параметрического приема волн, формируемых в атмосфере, океанской среде и земной коры, особенно, вне зоны размещения параметрической просветной антенны. Это проявляется в недостаточной чувствительности приема и, как следствие, дальностей, что особенно характерно для приема волн, проступающих в морскую среду из атмосферы и земной коры (морского грунта). Основной причиной перечисленных недостатков является то, что просветная система мониторинга не рассматривается как пространственно-развитая многолучевая параметрическая антенна и не используются закономерности многолучевого распространения волн на протяженных трассах контролируемых секторов.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в увеличении дальности параметрического приема формируемой параметрической антенной информационных волн различной физической природы, формируемых искусственными объектами и естественными процессами атмосферы, океана и земной коры в звуковом, инфразвуковом и дробном и СНЧ диапазонах частот, а также обеспечение возможности определении места (дистанции и глубины) объектов на акватории.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке и реализации просветной системы мониторинга как пространственно-развитой многолучевой параметрической антенны, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием в морской среде волн различной физической природы, распространяющихся из атмосферы, океана и земной коры, формируемых искусственными объектами, явлениями и процессами в диапазоне частот, охватывающим сотни-десятки-единицы-доли Герца, а также определение дистанции и глубины морских источников на акватории, в том числе позиционированных за пределами пространства акватории, на котором сформирована многолучевая параметрическая антенна.

Для решения поставленной задачи способ формирования параметрической антенны в морской среде, включающий размещение на акватории излучающего и приемных преобразователей, ее прозвучивание низкочастотными акустическими сигналами стабилизированной частоты, с формированиием зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, с обеспечением возможности приема параметрически преобразованных просветных волн и восстановления по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн с учетом их параметрического и частотно-временного преобразования, отличается тем, что просветную параметрическую антенну формируют как многолучевую пространственно-развитую, для чего используют ненаправленные излучающие преобразователи, которые располагают в центре контролируемой акватории, и размещают их на трех уровнях по глубине как на оси подводного звукового канала, так выше и ниже его, при этом приемные блоки выполняют аналогично друг другу, размещают по глубине аналогично излучающим преобразователям и располагают относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45°, причем каждый из приемных блоков формируют из трех ненаправленных преобразователей, которые располагают в вертикальной плоскости по треугольникам, предпочтительно равнобедренным, основания которых лежат на одной вертикали, а вершины обращены к излучателям, причем параметрически преобразованные просветные сигналы, поступающие от каждого излучающего преобразователя, принимают каждым одиночным приемным преобразователем каждого из приемных блоков.

Кроме того, просветную параметрическую антенну формируют как комплекс сформированных в вертикальной плоскости многолучевых параметрических антенн, ориентированных радиально от центра к периферии, равноудаленных от соседних с ними. Кроме того, расположенные в вертикальной плоскости приемные блоки формируют как протяженную многоэлементную дискретную антенну, причем расстояния между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного поля.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие на то, что «просветную параметрическую антенну формируют как многолучевую пространственно-развитую», обеспечивают возможность решения всех последующих отличительных признаков, а по их совокупности решение обобщенной задачи изобретения. Следует отметить, что эффект многолучевости распространения просветных волн, организуемой в рамках заявленного способа, и измерение углов прихода лучей сверху и снизу при последующем решении обратной лучевой задачи формирования структуры поля дополнительно обеспечивает возможность определения места морских источников на контролируемой трассе. Многолучевость распространения волн наиболее эффективно проявляется при приеме волн, поступающих из атмосферы или с морского дна.

Признаки, указывающие на то, что «используют ненаправленные излучающие преобразователи, которые располагают в центре контролируемой акватории», обеспечивают возможность создания многолучевой подсветки (накачки) среды и формирования просветной параметрической антенны как многолучевой, при использовании ограниченного числа излучающих преобразователей.

Признаки, указывающие на то, что ненаправленные излучающие преобразователи «размещают на трех уровнях по глубине как на оси подводного звукового канала, так выше и ниже его», обеспечивают «многолучевость» подсветки (накачки) среды в вертикальной плоскости по оси просветной параметрической антенны.

Признаки, указывающие на то, что «приемные блоки выполняют аналогично друг другу», упрощают процедуры обработки результатов измерений.

Признаки, указывающие на то, что приемные блоки «размещают по глубине аналогично излучающим преобразователям» обеспечивают позиционирование и излучающих и приемных преобразователей на сходных глубинах и, соответственно, в максимально сходных условиях.

Признаки, указывающие на то, что приемные блоки «располагают относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45°», обеспечивают формирование развертки в горизонтальной плоскости просветной параметрической антенны как многолучевой, пространственно развитой, соизмеримой с протяженностью объема контролируемой среды.

Признаки, указывающие на то, что «каждый из приемных блоков формируют из трех ненаправленных преобразователей, которые располагают в вертикальной плоскости по треугольникам, предпочтительно равнобедренным, основания которых лежат на одной вертикали, а вершины обращены к излучателям», обеспечивают возможность последующего приема приходов просветных сигналов по отдельным (многим) лучам как параметрическим антеннам, при этом «верхние» приемные преобразователи обеспечивают прием волн, приходящих из атмосферы, а нижние - прием волн, приходящих со стороны морского дна.

Признаки, указывающие на то, что «параметрически преобразованные просветные сигналы, поступающие от каждого излучающего преобразователя, принимают каждым одиночным приемным преобразователем каждого из приемных блоков», обеспечивают реализацию многоканального приема приходов просветных сигналов по отдельным (многим) лучам как параметрическим антеннам.

Признаки, указывающие на то, что «просветную параметрическую антенну формируют как комплекс сформированных в вертикальной плоскости многолучевых параметрических антенн, ориентированных радиально от центра к периферии, равноудаленных от соседних с ними», обеспечивают формирование развертки в горизонтальной плоскости просветной параметрической антенны как многолучевой, пространственно развитой, при упрощении математического аппарата, необходимого для восстановления исходных характеристик по измеренным параметрам принятых информационных волн, с учетом их параметрического и частотно-временного преобразования

Признаки, указывающие на то, что «расположенные в вертикальной плоскости приемные блоки формируют как протяженную многоэлементную дискретную антенну, причем расстояния между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного поля», повышают эффективность реализации пространственно-развитой параметрической антенны в условиях многолучевого канала распространения просветных сигналов.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 приведена структурная схема измерительной системы мониторинга, реализующая способ формирования пространственно-развитой параметрической антенны в морской среде. На фиг.2-4 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий. При этом на фиг.2 - спектр упругих резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км. Фиг.3 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде. Фиг.4 - спектр шумоизлучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). Представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. На просветной трассе протяженностью 30 км наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна. Фиг.5, 6 - записи сигналов предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и спектр в формате 3D. Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений в районах Курильской гряды и их приему на о. Сахалин. На фиг.7, 8 - спектры шумоизлучения воздушного источника (летательного аппарата). Фиг.9 - спектр сигналов синоптических возмущений поверхности моря за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км. Фиг.10 - спектр сейсмических излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья, протяженность линии около 310 км. Фиг.11, 12 - записи суммарных просветных сигналов с приемных блоков 9-11 (фиг.1), а также примеры функций взаимной корреляции сигналов (фиг.12а, б, в) с одиночных преобразователей приемных блоков, определяющие направления приходов просветных сигналов. Фиг.13 - спектрограмма просветных сигналов (400 Гц), промодулированных гидродинамическими волнами и СНЧ колебаниями движущегося морского судна на трассе протяженностью 345 км; Фиг.14 - пространственная структура зон Френеля между точками излучения и приема акустических волн; Фиг.15 - лучевая структура просветного акустического поля в гидроакустическом канале.

Структурная схема параметрической системы измерения характеристик гидрофизических и геофизических полей на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемый способ, показана на фиг.1. Система включает тракт формирования сигналов низкочастотной подсветки, а также накачки ее сложными линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) и/или фазомодулированными (ФМ) сигналами водной среды 1, соединенный с подводными излучателями просветных сигналов накачки 6-8. Измерительная система мониторинга полей среды включает также многоканальный тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 12, входы которого соединены с приемными блоками 9-11, сформированными из трех расположенных в вертикальной плоскости треугольников каждый.

Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 2, а также сложных ЛЧМ и (или) ФМ сигналов 3; тиристорный инвертор 4 и трехканальный блок согласования 5 его выходов с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 6-8 (см. фиг.1).

Приемный блок измерительной системы 12 (фиг.1) представляет собой многоканальную электронную схему, включающую блок коммутации и переключения приемных блоков 13, соединенный с четырехканальной линией анализа 14-17, каждый канал которой включает последовательно соединенные широкополосные усилители 14.1, 15.1, 16.1, 17.1, далее с блоками измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемниками блок 14.2, 14.3, 15.2, 15.3, 16.2, 16.3, далее выходы блоков измерения функций корреляции сигналов соединены с блоками измерения функции взаимной корреляции 14.4, 15.4, 16.4, а их выходы соединены с блоком регистрации измеряемых функций 18. При этом линия анализа 17 включает последовательно соединенные - широкополосный усилитель сигналов 17.1, поступающих с приемных блоков 9-11, который соединен с преобразователем временного масштаба сигналов в высокочастотную область 17.2, узкополосным анализатором спектров 17.3 и функционально связанным с ним регистратором выделяемых информационных сигналов 19.

Кроме того, на фиг.1 показаны: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения волн) 25; источники излучения водных и донных информационных волн 20 и 22; источники атмосферных и береговых волн 21 и 26, поверхность моря 24, морское дно 23.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Излучатели подсветки среды 6-8 и приемные блоки 9-11 размещают (заглубляют и устанавливают) на оси ПЗК, а также ниже и выше оси ПЗК, что обеспечивает засветку всех горизонтов контролируемой акватории и формирование в ней пространственно-развитой параметрической антенны. Измерение признаков проявления информационных волн атмосферы, донных морских, а также береговых источников проводится параллельно и одновременно, а их идентификация осуществляется по характерным признакам спектров и пространственно-временной динамики принимаемых информационных сигналов.

Для геофизических волн (предвестников землетрясений) может также проводится специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего динамику пространственно-временных характеристик спектральных составляющих как характерных информационных признаков (см. Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 113 с.).

Принципиально новым измерительным признаком в заявляемой системе мониторинга является определение мест источников излучения на контролируемой акватории эта операция, в свою очередь, осуществляется приемными блоками 9-11, расположенными в вертикальной плоскости (по равнобедренному треугольнику). При этом сигналы с одиночных приемников через блок переключения каналов 13, далее через широкополосные усилители, соответственно, 14.1, 15.1, 16.1 поступают на блок измерения функций корреляции между средними и крайними приемными преобразователями 14.2, 14.3, 15.2, 15.3, 16.2, 16.3.

Далее сигналы поступают на блоки измерения функций взаимной корреляции 14.4, 15.4, 16.4, которые обеспечивают измерение новых признаков, а именно углов прихода сигналов от морских источников информационных волн. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность определения путем расчетов мест пересечения лучей на акватории. Расчет многолучевой структуры поля по трассам акватории с заданными гидролого-акустическими характеристиками среды осуществляется по специально разработанным программам (см. Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А. «Дальность» программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля. АС РФ на программу №2003611941, Владивосток, в/ч 90720, 2003; Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004).

Следует отметить, что идея определения места объекта на акватории по углам пересечения лучей, принимаемых цепочкой гидрофонных блоков «сверху и снизу» в первоначальном (упрощенном) варианте была предложена и реализована американским акустиков Робертом Дж. Уриком (см. US №3982222). В представляемом изобретении идея Дж. Урика существенно доработана применительно к ее реализации в протяженном океаническом канале распространения волн и представлении лучей как параметрических антенн (пространственных трубок), обеспечивающих создание пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с протяженностью пространства акватории.

Далее приводим базовые понятия и термины, необходимые для понимания сущности заявленного решения:

1) Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации в условиях протяженного океанического волновода

Формируемая пространственно-развитая параметрическая антенна является просветной многолучевой системой гидролокации информационных волн. Для обоснования просветной активно-пассивной системы гидролокации как параметрической с низкочастотной накачкой (подсветкой) контролируемой среды или рубежа рассмотрим закономерность формирования просветной линии при распространении акустической энергии из точки излучения в точку приема (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 с.).

На фиг.14 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон (l…h_n) в пространстве образуют эллипсоиды вращения. Первая зона образует область пространства, которая в основном определяет перенос энергии просветных акустических волн из точки излучения А в точку приема В. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В распространяется в пределах области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.

Действие всех остальных зон в результате их по парной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть, для получения в точке приема энергии сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями или преобразования рассеивающими неоднородностями. Радиус h зоны номера n определяется по формуле Френеля

$$h_n=\sqrt{(R_1{R}_2\lambda n)/(R_1+R_2)}$$

,

где R₁, R₂ - расстояния, определяющие положение объекта на линии излучения - приема; λ - длина просветной акустической волны; n - номер зон Френеля (достаточно взять нечетное число зон, например, три или пять).

В случае расположения в пределах пространства первой зоны Френеля излучающего объекта с сопутствующей нелинейной неоднородностью среды будет происходить не только экранирование проходящих волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на рассеивателях этой неоднородности. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной (бестелесной) параметрической просветной антенны бегущей волны накачки. Особенностью реализации просветного метода гидролокации, как параметрического, в океаническом волноводе является то, что гидроакустическая система контроля среды в этом случае представляет собой многолучевую приемоизлучающую антенну, как показано на фиг.15, обоснование преимуществ которой является предметом рассмотрения.

2. Формирование просветных пространственно-развитых параметрических антенн в условиях многолучевого распространения акустических волн в морской среде

Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по прозвучиваемым трассам контролируемой акватории обеспечивает достижение принципиально нового эффекта, а именно - дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также донном грунте. Такой эффект может быть достигнут, как будет показано в описании изобретения, за счет формирования зон акустической освещенности в приповерхностных слоях, на оси подводного звукового канала (ПЗК) и вблизи дна морской среды. Формирование зон освещенности по трассе распространения просветных волн обеспечивается за счет расположения излучающих преобразователей системы мониторинга на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, при этом точное размещение излучающих блоков по глубине определяется путем расчетов лучевой структуры поля по трассе распространения волн, что выполняется по специально разработанным программам (свидетельства о регистрации №2003611941 и 2004611325).

Формирование совокупности просветных линий по трассам контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает получение соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории пространственно-развитой просветной параметрической антенны, исключающей недостатки прототипа, а также классических антенн.

Большой пространственный объем формируемых просветных параметрических антенн, а также их протяженность по контролируемой акватории представляет собой сверхдлинные (десятки-сотни км) просветные параметрические антенны, обеспечивающие возможность эффективного приема информационных волн малых амплитуд инфранизкочастотного, дробного и СНЧ диапазонов по всей контролируемой акватории, в том числе волн, поступающих в водную среду из атмосферы и грунта морского дна.

Таким образом, построение протяженных многолучевых просветных параметрических систем в морской среде обеспечивается за счет формирования многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, обеспечивающей дальний и сверхдальний параметрический прием волн различной физической природы в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли Герца. Формирование совокупности просветных линий по трассам (секторам) контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает формирование соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории низкочастотной просветной многолучевой пространственно-развитой параметрической антенны, исключающей недостатки классических высокочастотных антенн и получение принципиально новых измерительных характеристик.

Решение задачи определения мест источников излучения на трассах контролируемой акватории дано в изобретении американского акустика Роберт Дж. Урика «вертикальная цепочка гидрофонных блоков» (см. US №3982222). Указанное решение основано на измерениях углов прихода сигналов шумоизлучения на блоки приемной антенны «сверху и снизу», при этом точки пересечения лучей определяют места (глубину и дистанцию) объектов. Рассмотренное решение применимо только на ближних (порядка 10-ти км) от приемных антенн дистанциях. В предлагаемом изобретении представлено решение дальнего (десятки-сотни км) приема информационных волн методом низкочастотной просветной параметрической гидролокации (см. US №3982222; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - С.105-109).

В просветной измерительной системе используются три ненаправленных излучателя (преобразователя), которые располагают на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК. Приемные блоки просветной системы, состоящие из трех ненаправленных преобразователей, располагают в вертикальной плоскости по треугольнику. В каждом приемном блоке измеряют функции корреляции принимаемых просветных сигналов между средним и крайними (верхнем и нижнем) преобразователями, затем измеряют функции их взаимной корреляции, по которым затем определяют направления приема информационных волн по просветным лучам сверху и снизу с повышенной точностью. Определение приходов просветных лучей сверху и снизу тремя приемными блоками обеспечивает наблюдение и контроль всех горизонтов, кроме тех, которые попадают в зоны тени, где просветное поле формируется слабыми отраженными от дна и морской поверхности лучами (см. Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975). При этом пологие лучи, распространяющиеся вдоль оси ПЗК, обеспечивают сплошную засветку пространства на горизонте оси канала.

3. Взаимодействие волн различной физической природы в морской среде

В отличие от классических параметрических устройств излучения и приема сигналов просветная система контроля морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной акустики, представляет собой многоканальную широкомасштабную параметрическую антенну с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных и информационных сигналов, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам нелинейной области, которая имеет достаточно большие величины (например, в случае возмущения среды кильватерным следом она может составлять единицы кубических км).

Переходя к обоснованию нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн отметим, что классическое выражение взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не может быть использовано непосредственно. В этом случае взаимодействие может происходить на больших удалениях от приемника (десятки-сотни км). Исходя из этого, в классических выражениях взаимодействия просветных волн с объектными волнами следует учитывать:

- затухание просветной волны P_n, обусловленное ее расхождением при распространении в волноводе в соответствии с известными принципами, которое обратно пропорционально квадрату расстояния P_n/R²;

- взаимодействие волн по объему нелинейно-возмущенной среды V;

- повышенную степень нелинейности среды в объеме взаимодействия γ;

- малое отличие частот просветных волн ω_n и полезного сигнала ω_c, которое в этом случае находится в пределах одного порядка и обеспечивает их более интенсивное взаимодействие.

С учетом этих поправок аналитические зависимости для амплитуд комбинационных волн и индекса фазовой модуляции могут быть представлены в следующем виде (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е. и др. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 с.; Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012. 263 с).

$$P_k=\frac{(\gamma +1)\cdot {\omega }_n\cdot {\omega }_c{P}_n{P}_{c}V}{4{\rho }_o{(c_o)}^3{R}^2}$$

; $$\Delta \varphi =\frac{(\gamma +1)\cdot {\omega }_c{P}_{c}V}{2{\rho }_o{(c_o)}^3{R}^2}$$

,

где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации; γ - коэффициент нелинейности морской среды.

Как видно из выражений, давление комбинационных волн и индекс фазовой модуляции аналогичны классической зависимости, но в этом случае возрастет полезная фазовая модуляция просветных сигналов информационными низкочастотными, что обусловлено усилением взаимодействия волн в объеме среды с повышенной нелинейностью.

Характеристика направленности просветной параметрической антенны подобна пространственной антенне бегущей волны и, в этой связи, обладает высокой направленностью и помехозащищенностью. Она может быть представлена в виде

$${\theta }_{рад}=2\cdot arctg\left(\frac{h_n}{R}\right)$$

.

Таким образом, ширина характеристики направленности просветной параметрической антенны ограничивается пределами первых зон Френеля, которые, в свою очередь, определяются длиной волны просветных сигналов и протяженностью барьерной линии. Исходя из этого следует, что направленность и помехозащищенность приемоизлучающей просветной антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить классические. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.

Теоретическое обоснование возможностей реализации закономерностей нелинейной акустики в предлагаемом параметрическом способе заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры. Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно зарегистрированы.

Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах 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 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 среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия вузов». - Электромеханика, №4, 1995; Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып.22, 2001, с.82-88; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - с.105-109).

Качественно любые изменения плотности, давления при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. 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 будет меняться с той же частотой Ω_зв=Ω_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.

Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность, так называемого, «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде:

где P^*(t), P(t) - результирующее (промодулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; 2ω - частота параметрически сформированной волны; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; t - текущее время; J_n - функции Бесселя n-го порядка; А - амплитуда промодулированной волны; m_p - коэффициент модуляции.

Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω, равной сумме частот взаимодействующих волн, значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением

J_n(2A/P)·0,5P².

Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m_p спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами «малых амплитуд» сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить также, что преобразование просветных акустических волн может осуществляться излучениями (волнами) различной физической природы (акустическими, электромагнитными, гидродинамическими). Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты при обработке эффективно выделяются, как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов (см. Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт». - г. Южно-Сахалинск, СКБ САМИ ДВО РАН, св. об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2004611325 от 29.03.2004; Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995; Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып.22, 2001, с.82-88; Роберт Дж. Урик. Глубоководная цепочка гидрофонов. Пат. США №3982222 от 21.09.1976; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». Япония, Токио, май 2000. - С.105-109; Малашенко А.Е., Мироненко М.В., Василенко A.M., Табояков А.А. Параметрическая модель и реализация низкочастотного просветного метода гидролокации в услових протяженного океанического волновода // 4 Всерос. симпозиум «Сейсмоакустика переходных зон». - Владивосток: Дальнаука, ТОЙ ДВО РАН, 2005. - С.206-210).

Как видно из рассмотренных закономерностей просветная приемная параметрическая антенна, основанная на низкочастотной подсветке контролируемой среды, формируется по каждому отдельному акустическому лучу, при этом каждый луч просветной системы представляет собой протяженную параметрическую антенну, обеспечивающую эффективное решение задачи дальнего параметрического приема волн различной физической природы в широком диапазоне частот. Совокупность лучевых трубок в вертикальной плоскости обеспечивает формирование многолучевой параметрической антенны пространственно- развитой по протяженности и пространству контролируемой акватории. Расположение излучающих преобразователей системы относительно ПЗК на горизонтах выше, ниже и его оси обеспечивает формирование зон освещенностей вблизи поверхности моря и дна, а также вдоль оси канала ПЗК. Секторное расположение вертикальных просветных антенн по кругу или периметру контролируемой акватории при стационарно расположенном в центре излучателе обеспечивает формирование пространственно-развитой параметрической антенны, соизмеримой с объемом и протяженностью пространства контролируемой среды. Кроме того, круговое горизонтальное разнесение вертикальных многолучевых параметрических антенн целесообразно устанавливать через 45 град, т.е. в количестве не менее 8-ми штук, что соответствует реализации корреляционных свойств антенн, принимающих просветные сигналы стабилизированной частоты, и обеспечивает подавление помех среды с низкой корреляцией, как случайных сигналов.

Параметрическая антенна обеспечивает дальний параметрический прием волн малых амплитуд в сплошном диапазоне частот, охватывающем сотни-десятки-единицы-доли Герца, включая сверхнизкочастотные колебания движущихся тел и неоднородностей морской среды. Преимуществом разработок пространственно-развитой параметрической антенны как измерительной системы является простота ее создания и эксплуатации. Излучающий и приемный тракты антенны могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ-400. Многоэлементные приемные блоки как направленные корреляционные системы могут быть сформированы из протяженных многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых и изготавливаемых организацией-заявителем изобретения.

Claims (3)

1. Способ формирования параметрической антенны в морской среде, включающий размещение на акватории излучающего и приемных преобразователей, ее прозвучивание низкочастотными акустическими сигналами стабилизированной частоты, с формированием зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, с обеспечением возможности приема параметрически преобразованных просветных волн и восстановления по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн с учетом их параметрического и частотно-временного преобразования, отличающийся тем, что просветную параметрическую антенну формируют как многолучевую пространственно-развитую, для чего используют ненаправленные излучающие преобразователи, которые располагают в центре контролируемой акватории и размещают их на трех уровнях по глубине как на оси подводного звукового канала, так выше и ниже его, при этом приемные блоки выполняют аналогично друг другу, размещают по глубине аналогично излучающим преобразователям и располагают относительно излучающего центра по кругу или периметру контролируемой акватории через 45°, причем каждый из приемных блоков формируют из трех ненаправленных преобразователей, которые располагают в вертикальной плоскости по треугольникам, предпочтительно равнобедренным, основания которых лежат на одной вертикали, а вершины обращены к излучателям, причем параметрически преобразованные просветные сигналы, поступающие от каждого излучающего преобразователя, принимают каждым одиночным приемным преобразователем каждого из приемных блоков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что просветную параметрическую антенну формируют как комплекс сформированных в вертикальной плоскости многолучевых параметрических антенн ориентированных радиально от центра к периферии, равноудаленных от соседних с ними.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расположенные в вертикальной плоскости приемные блоки формируют как протяженную многоэлементную дискретную антенну, причем расстояния между преобразователями приемных блоков в вертикальной плоскости устанавливают в соответствии с корреляционными свойствами просветного поля.

Images