RU2602770C1 - Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment - Google Patents
Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2602770C1 RU2602770C1 RU2015138888/28A RU2015138888A RU2602770C1 RU 2602770 C1 RU2602770 C1 RU 2602770C1 RU 2015138888/28 A RU2015138888/28 A RU 2015138888/28A RU 2015138888 A RU2015138888 A RU 2015138888A RU 2602770 C1 RU2602770 C1 RU 2602770C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- signals
- receiving
- acoustic
- fields
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
Abstract
Description
Способ относится к гидрофизике, геофизике и может быть использован в системах комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей, формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями океана и земной коры. Такие поля формируются морскими объектами, динамическими и сейсмическими, а также синоптическими процессами и опасными явлениями. Новым научно-техническим решением изобретения является дальний параметрический прием гидрофизических и геофизических волн в морской среде, измерение и представление спектров измеряемых волн в формате 2D и (или) 3D, а также наблюдение их пространственно-временной динамики. При этом информационные поля измеряются и регистрируются в широком диапазоне частот, составляющим сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герца, включая диапазон СНЧ колебаний движущихся объектов и гидродинамических неоднородностей морской среды как целого.The method relates to hydrophysics, geophysics and can be used in integrated monitoring systems of hydrophysical and geophysical fields formed by natural and artificial sources, processes and phenomena of the ocean and the earth's crust. Such fields are formed by marine objects, dynamic and seismic, as well as synoptic processes and dangerous phenomena. A new scientific and technical solution of the invention is the long-range parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in the marine environment, the measurement and presentation of the spectra of the measured waves in the 2D and (or) 3D format, as well as the observation of their spatio-temporal dynamics. In this case, information fields are measured and recorded in a wide range of frequencies, comprising hundreds - tens - units of kilohertz, hundreds - tens - units - fractions of hertz, including the range of VLF vibrations of moving objects and hydrodynamic inhomogeneities of the marine environment as a whole.
В последние десятилетия в проблеме мониторинга и освоения океанской среды все более актуальным направлением являются исследования и научно-технические разработки методов и средств низкочастотной гидроакустики. При этом наиболее сложной и актуальной проблемой низкочастотной акустики океана является развитие методов акустической томографии морской среды, а в более широком смысле - разработка методов акустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических полей объектов и неоднородностей среды в протяженном океаническом волноводе. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - реконструкции по данным измерений характеристик гидрофизических и геофизических полей контролируемой морской среды. К таким характеристикам среды относятся, например, неоднородный по трассе вертикальный профиль скорости звука, поля присутствующих в среде объектов, а также и неоднородностей и скоплений морской среды и морского дна природного или искусственного происхождения в широком диапазоне частот.In recent decades, in the problem of monitoring and developing the ocean environment, research and scientific and technical development of methods and tools for low-frequency hydroacoustics have become an increasingly relevant area. Moreover, the most complex and urgent problem of low-frequency ocean acoustics is the development of acoustic tomography methods of the marine environment, and in a broader sense, the development of methods for acoustic diagnostics of the spatio-temporal characteristics of hydrophysical fields of objects and medium inhomogeneities in an extended ocean waveguide. This direction combines both the solution of the problem of sound propagation in an extended oceanic waveguide (direct problem) and the solution of the inverse problem, namely, reconstruction of the characteristics of the hydrophysical and geophysical fields of a controlled marine environment from measurements. Such environmental characteristics include, for example, a vertical profile of sound velocity inhomogeneous along the track, fields of objects present in the medium, as well as heterogeneities and accumulations of the marine environment and the seabed of natural or artificial origin in a wide frequency range.
Известные разработки способов и систем акустической томографии пространственных образов неоднородностей и объектов океанской среды основаны на реконструкции их пространственной структуры. При этом восстановление образов объектов и неоднородностей среды выполняется по акустическим измерениям их проекций с последующей специальной обработкой измеряемых данных, обеспечивающей формирование их пространственного контура (См. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. кн. Акустическая томография океана. Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997, с. 5-13).Known developments of methods and systems of acoustic tomography of spatial images of heterogeneities and objects of the ocean environment are based on the reconstruction of their spatial structure. At the same time, restoration of images of objects and heterogeneities of the environment is performed by acoustic measurements of their projections followed by special processing of the measured data, ensuring the formation of their spatial contour (see Goncharov V.V., Zaitsev V.Yu. and others. Acoustic tomography of the ocean. N Novgorod: IAP RAS, 1997, p. 5-13).
Указанные разработки не исчерпывают известного многообразия практических задач акустической томографии океана. К таким задачам, прежде всего, относится разработки технологий дальней низкочастотной томографии полей объектов и неоднородностей морской среды различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в широком диапазоне формируемых ими частот. Такая задача акустической томографии может быть эффективно решена на основе разработок измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики (НПГА). Нелинейная просветная гидроакустика как новое многофункциональное направление, объединяющее классические направления активной, пассивной и высокочастотной нелинейной акустики, в последние десятилетия интенсивно разрабатывается и внедряется в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и морской среды (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. 172 С.).These developments do not exhaust the known variety of practical problems of acoustic tomography of the ocean. These tasks, first of all, include the development of technologies for long-range low-frequency tomography of the fields of objects and heterogeneities of the marine environment of various physical nature (acoustic, electromagnetic and hydrodynamic) in a wide range of frequencies formed by them. Such a task of acoustic tomography can be effectively solved on the basis of the development of measuring technologies of nonlinear translucent hydroacoustics (NPGA). Nonlinear translucent hydroacoustics as a new multifunctional direction, combining the classical directions of active, passive and high-frequency nonlinear acoustics, has been intensively developed and implemented in monitoring systems of hydrophysical and geophysical fields of objects and the marine environment in recent decades (See Mironenko M.V., Malashenko A.E. ., Karachun L.E., Vasilenko AM Low-frequency translucent method for long-range sonarization of hydrophysical fields of the marine environment. Vladivostok: SKB SAMI FEB RAS, 2006. 172 p.).
Разрабатываемые на основе закономерностей НПГА измерительные технологии обеспечивают дальний параметрический прием информационных полей объектов, морской среды и морского дна различной физической природы. Такие разработки защищены патентами на изобретение. Так, например, с участием авторов заявляемого изобретения разработаны «Способы и реализующие их системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» реализуемые на основе закономерностей и измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики: RU 2158029 C2 15.12 1998, RU 2167454 C2 15.12.1998, RU 2453930 C1 11.10.2010, RU 2452040 C1 11.10.2010, RU 2452041 C1 11.10.2010, RU 2472236 C1 15.06.2011, RU 2472116 C1 15.06.2011, RU 2474793 C1 15.06.2011, RU 2474794 C1 15.06.2011, RU 2503977 C1 18.07.2012, RU 2503036 C1 17.07.2012), RU 25.36836 C1 29.10.2014, RU 2536837 C1 29.10.2014, RU 2550588 C1 10.03.2015.Measuring technologies developed on the basis of regularities of NPGAs provide long-range parametric reception of information fields of objects, the marine environment and the seabed of various physical nature. Such designs are protected by invention patents. So, for example, with the participation of the authors of the claimed invention, “Methods and systems implementing their long-range parametric reception of waves of various physical nature in the marine environment” have been developed that are implemented on the basis of patterns and measuring technologies of nonlinear translucent hydroacoustics: RU 2158029 C2 15.12 1998, RU 2167454
Общим недостатком приведенных технических решений является отсутствие в них возможности измерения и представления спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а также возможности наблюдения и контроля их пространственно-временной динамики. Итак, в известных технических решениях разработки способов и систем дальнего параметрического приема информационных гидрофизических и геофизических полей объектов и среды отсутствует решение задачи дальней акустической томографии характеристик измеряемых информационных полей, а также возможность наблюдения их пространственно-временной динамики. Они являются аналогами предлагаемого изобретения.A common drawback of the above technical solutions is the lack of the ability to measure and represent the spectra of the measured information fields in 2D and (or) 3D format, as well as the ability to observe and control their spatio-temporal dynamics. So, in the well-known technical solutions for the development of methods and systems for the long-range parametric reception of information hydrophysical and geophysical fields of objects and the environment, there is no solution to the problem of long-range acoustic tomography of the characteristics of the measured information fields, as well as the possibility of observing their spatio-temporal dynamics. They are analogues of the invention.
Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» RU №2453930 C1 от 11.10.2010 г., который выбран в качестве способа-прототипа.The closest of them in technical essence to the claimed invention is the "Method of parametric reception of waves of various physical nature in the marine environment" RU No. 2453930 C1 from 10.10.2010, which is selected as the prototype method.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке способа-прототипа для его реализации как способа просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде. При этом предлагаемый способ должен обеспечивать дальний параметрический прием гидрофизических и геофизических полей объектов, морской среды и морского дна, формирование и представление их спектральных характеристик в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Следует отметить, что этот недостаток (постоянное измерение спектров информационных полей и контроль их пространственно-временной динамики) в решениях аналогов и способа-прототипа обусловлен использованием в них необходимой операции - частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов и переноса их масштаба в высокочастотную область. Разработки таких систем известны и опубликованы (См. Черницер В.Г., Кадук Б.Г. Преобразователи временного масштаба. М.: «Сов. Радио - 1972. 144 С.). Указанная операция увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, а при обработке повышает эффективность выделения из них информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной акустической томографии информационных полей. Кроме того, в способах и системах нелинейной просветной гидроакустики информационные поля выделяются из боковых полос частотного спектра, нелинейно преобразованных просветных сигналов, что обеспечивает автоматическое «подавление» интенсивных сигналов накачки и помех среды, характерных для способов и систем классической акустической томографии морской среды (См. Ослабление зондирующего поля и шумов при наблюдении. В кн. Прончатов Н.В. и др. Разработка эффективных методов и средств акустического наблюдения. Н. Новгород. НГУ, 2006, с. 30-35). Это свидетельствует о преимуществах выбора технологий НПГА как способа-прототипа. Для реализации технологий непрерывной акустической томографии необходимо применять дополнительные операции обработки сигналов, а также изменение последовательности их реализации, что обосновывается и рассматривается в описании заявки на изобретение.The problem to which the invention is directed is to further develop a prototype method for its implementation as a method of translucent acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields in a marine environment. Moreover, the proposed method should provide long-range parametric reception of hydrophysical and geophysical fields of objects, the marine environment and the seabed, the formation and presentation of their spectral characteristics in the 2D and (or) 3D format, as well as constant monitoring of their spatial and temporal dynamics. It should be noted that this drawback (the constant measurement of the spectra of information fields and the control of their spatial and temporal dynamics) in the solutions of analogs and the prototype method is due to the use of the necessary operation in them - the time-frequency conversion of received translucent signals and transfer of their scale to the high-frequency region. The development of such systems is known and published (See Chernitser VG, Kaduk B.G. Time-domain converters. M: “Sov. Radio - 1972. 144 p.). The indicated operation increases the energy concentration of the received nonlinearly transformed luminal signals, and during processing increases the efficiency of extracting information waves from them, but at the same time excludes the implementation of continuous acoustic tomography of information fields. In addition, in methods and systems of nonlinear translucent hydroacoustics, information fields are distinguished from the side bands of the frequency spectrum, nonlinearly transformed translucent signals, which provides automatic “suppression” of intense pump signals and environmental noise characteristic of methods and systems of classical acoustic tomography of the marine environment (See Attenuation of the sounding field and noise during observation (in the book by N. Pronchatov and others. Development of effective methods and means of acoustic observation. N. Novgorod. NSU, 2006, pp. 30-35). This indicates the advantages of choosing NPHA technologies as a prototype method. To implement continuous acoustic tomography technologies, it is necessary to apply additional signal processing operations, as well as changing the sequence of their implementation, which is justified and considered in the description of the application for the invention.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке измерительных технологий просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических волн в морской среде, обеспечивающих формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а также контроль их пространственно-временной динамики на акваториях протяженностью десятки - сотни километров. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни - десятки - единицы килогерц, сотни - десятки - единицы - доли герца.The technical result of the invention consists in the development of measuring technologies for translucent acoustic tomography of hydrophysical and geophysical waves in the marine environment, providing the formation and presentation of their spectra in the format of 2D and (or) 3D, as well as the control of their spatial and temporal dynamics in water areas of tens to hundreds of kilometers . The frequency range of the measured information waves is hundreds - tens - units of kilohertz, hundreds - tens - units - fractions of hertz.
Для решения поставленной задачи способ просветной акустической томографии гидрофизических и геофизических полей в морской среде включает в себя размещение излучающего и приемного блоков системы мониторинга на противоположных границах контролируемого участка, озвучивание его низкочастотными просветными сигналами стабильной частоты и формирование в нем рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, прием нелинейно преобразованных просветных волн, измерение их узкополосных спектров, выделение в спектрах верхней и (или) нижней боковых полос и определение в них информационных волн, отличается тем, что приемный блок измерительной системы формируют как дискретную линейную антенну, состоящую из n акустических элементов (гидрофонов), которые горизонтально размещают в направлении излучающего блока, принимаемые элементами антенны просветные сигналы предварительно усиливают и посредством многожильного кабеля передают в приемный тракт измерительной системы - в блок преобразования их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, а из него в блок переключения приемных каналов и формирования суммарного сигнала, в котором сигналы с 1-го до n-го каналов непрерывно и циклично переключают и на каждом цикле переключения последовательно суммируют, затем дополнительно усиливают в полосе частот их параметрического преобразования, измеряют их узкополосные спектры, выделяют в них верхние и (или) нижние боковые полосы спектра, которые формируют и представляют в формате 2D и (или) 3D, сформированные спектры регистрируют и с учетом частотно-временного и параметрического преобразования определяют в них информационные признаки гидрофизических и геофизических полей и их пространственно-временную динамику. Кроме того, число приемных элементов n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10, а расстояния между ними - половина длины просветной акустической волны. Кроме того, количество элементов антенны n соответствует масштабу частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов. Кроме того, контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц. Кроме того, операцию формирования спектра информационных полей в формате 2 и (или) 3 синхронизируют с режимом цикличного переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала.To solve this problem, the method of translucent acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields in the marine environment includes placing the emitting and receiving units of the monitoring system at opposite edges of the controlled area, scoring it with low-frequency translucent signals of a stable frequency and forming in it a working zone of nonlinear interaction and parametric transformation of the translucent and measured information waves, reception of nonlinearly transformed luminous waves, measurement their narrow-band spectra, the allocation in the spectra of the upper and (or) lower side bands and the definition of information waves in them, characterized in that the receiving unit of the measuring system is formed as a discrete linear antenna consisting of n acoustic elements (hydrophones) that are horizontally placed in the direction of the radiating unit, the luminal signals received by the antenna elements are pre-amplified and transmitted via a multicore cable to the receiving path of the measuring system - to their frequency-time conversion unit scale to the high-frequency region, and from it to the switching unit of the receiving channels and generating a total signal in which the signals from the 1st to the n-th channel are continuously and cyclically switched and sequentially summed on each switching cycle, then they are further amplified in the frequency band parametric transformations, measure their narrow-band spectra, select the upper and (or) lower side bands of the spectrum in them, which form and represent in 2D and (or) 3D format, the formed spectra are recorded and taking into account the frequencies The temporal and parametric transformations determine in them the information features of hydrophysical and geophysical fields and their spatio-temporal dynamics. In addition, the number of receiving elements n in the linear discrete antenna is set at 10, and the distance between them is half the length of the translucent acoustic wave. In addition, the number of antenna elements n corresponds to the scale of the time-frequency conversion of the received translucent signals. In addition, the controlled environment is voiced by transparent acoustic signals of a stable frequency in the range of tens to hundreds of hertz. In addition, the operation of forming the spectrum of information fields in the
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.A comparative analysis of the features of the claimed and well-known technical solutions indicates its compliance with the criterion of "novelty." The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.
Признаки «приемный блок измерительной системы формируют как дискретную линейную антенну из n акустических элементов (гидрофонов), горизонтально размещенных в направлении излучающего блока», обеспечивают выполнение предварительной операции приема просветных сигналов с временными задержками, равными половине длины волны, для их последующего фазового сложения. Принципы формирования и эксплуатации линейных дискретных гидроакустических антенн разработаны и изложены в известной монографии (См. Смарышев М.Д. Линейные дискретные антенны. В кн. Направленность гидроакустических антенн. Судостроение. Л. 1973 г., с. 140-152).The signs "the receiving unit of the measuring system is formed as a discrete linear antenna of n acoustic elements (hydrophones) horizontally placed in the direction of the emitting unit", provide a preliminary operation for receiving translucent signals with time delays equal to half the wavelength for their subsequent phase addition. The principles of the formation and operation of linear discrete sonar antennas are developed and set forth in a well-known monograph (See Smaryshev MD Linear discrete antennas. In the book. Orientation of sonar antennas. Shipbuilding. L. 1973, p. 140-152).
Признаки «многоканально принимаемые антенной просветные сигналы предварительно усиливают и посредством многожильного кабеля передают в приемный тракт измерительной системы - на вход блока преобразования их частотно-временного масштаба в высокочастотную область» обеспечивают формирование сокращенных во времени отрезков принимаемого сигнала для их последующего сложения как непрерывного.The signs “the multi-channel signals received by the antenna are preliminarily amplified and transmitted via a multicore cable to the receiving path of the measuring system - to the input of the unit for converting their frequency-time scale to the high-frequency region”, they ensure the formation of reduced segments of the received signal for their subsequent addition as continuous.
Признаки «сигналы с 1-го до n-го элементов непрерывно и циклично переключают и на каждом цикле последовательно суммируют» обеспечивают выполнение заключительной операции - проведение непрерывной акустической томографии полей с использованием технологии их пространственно-временного преобразования.The signs “signals from the 1st to the nth elements are continuously and cyclically switched and summed sequentially on each cycle” provide the final operation — continuous acoustic tomography of the fields using the technology of their spatio-temporal transformation.
Признаки «формируемые непрерывные сигналы дополнительно усиливают, измеряют их узкополосные спектры, выделяют их верхние и (или) нижние боковые полосы» обеспечивают подготовительную операцию эффективного измерения спектров принимаемых просветных сигналов и выделения из них спектров информационных волн.The signs “formed continuous signals additionally amplify, measure their narrow-band spectra, distinguish their upper and (or) lower sidebands” provide a preparatory operation for the effective measurement of the spectra of the received luminal signals and the separation of the information wave spectra from them.
Признаки «измеряемые спектры формируют и представляют в формате 2D и (или) 3D, регистрируют и с учетом частотно-временного и параметрического преобразования определяют в них признаки гидрофизических и геофизических полей и их пространственно-временную динамику» обеспечивают отличительную особенность обработки измеряемых спектров для их пространственного представления и последующей регистрации, что является заключительной операцией способа. Используемая в способе обработка сигналов (измерение спектров, формирование, представление и регистрация их в формате 2D и (или) 3D) проводится с использованием цифровых устройств и (или) ЭВМ.The signs “the measured spectra are formed and presented in 2D and (or) 3D format, recorded and, taking into account the time-frequency and parametric transformations, they determine the signs of hydrophysical and geophysical fields and their spatio-temporal dynamics” provide a distinctive feature of the processing of the measured spectra for their spatial submission and subsequent registration, which is the final operation of the method. The signal processing used in the method (measuring spectra, generating, presenting and recording them in 2D and (or) 3D format) is carried out using digital devices and (or) computers.
Признак второго пункта «число приемных элементов n в линейной дискретной антенне устанавливают в количестве 10 изделий, а расстояния между ними - половина длины просветной акустической волны» обеспечивает работу приемного блока системы как линейной дискретной антенны, что является начальным условием реализации способа акустической томографии.The feature of the second paragraph “the number of receiving elements n in a linear discrete antenna is set in the amount of 10 products, and the distance between them is half the length of the translucent acoustic wave” ensures the operation of the receiving unit of the system as a linear discrete antenna, which is the initial condition for implementing the acoustic tomography method.
Признак третьего пункта «количество элементов антенны n соответствует масштабу частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов», обеспечивает продолжение дальнейшего выполнения операций способа акустической томографии.The feature of the third paragraph "the number of antenna elements n corresponds to the scale of the time-frequency conversion of the received translucent signals", ensures the continuation of the further operations of the acoustic tomography method.
Признак четвертого пункта «контролируемую среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабильной частоты в диапазоне десятки - сотни герц», обеспечивает реализацию дальнего и сверхдальнего параметрического приема информационных волн, что является предметом научно-технического решения представляемого способа просветной акустической томографии.The sign of the fourth paragraph “the controlled environment is voiced by transparent acoustic signals of a stable frequency in the range of tens to hundreds of hertz”, provides the implementation of long-range and ultra-long parametric reception of information waves, which is the subject of a scientific and technical solution of the presented method of translucent acoustic tomography.
Признак пятого пункта «операции формирования спектров измеряемых полей в формате 2 и (или) 3 синхронизируют с режимом цикличного переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала» обеспечивает управление работой измерительной системы в соответствии с формированием спектров измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D и контроля их пространственно-временной динамики.The feature of the fifth paragraph “the operations of forming the spectra of the measured fields in the
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 показана структурная схема гидроакустической системы мониторинга, реализующей заявленный способ акустической томографии гидрофизических и геофизических полей морской среды с представлением пространственно-временных характеристик их спектров в формате 2D и (или) 3D.The invention is illustrated by drawings. The figure 1 shows a structural diagram of a hydro-acoustic monitoring system that implements the claimed method of acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields of the marine environment with the representation of the spatio-temporal characteristics of their spectra in the format of 2D and (or) 3D.
На фигурах 2 и 3 показаны результаты испытаний способа акустической томографии геофизических (сейсмических) полей. Представлены пространственно-временные характеристик спектров сейсмического фона (фиг. 2), а также сильного землетрясения (фиг. 3) в формате 3D. Сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин, место зарождения - Курильская гряда, расстояние около 500 км, 2014 г. На фигурах 4, 5 показаны результаты испытаний способа акустической томографии гидрофизических (акустических и гидродинамических) полей морского судна с представлением и спектральных характеристик в формате 2D. Испытания проводились на трассах протяженностью 45 км (фиг. 4) и 310 км (фиг. 5).In figures 2 and 3 shows the test results of the method of acoustic tomography of geophysical (seismic) fields. The spatio-temporal characteristics of the spectra of the seismic background (Fig. 2), as well as a strong earthquake (Fig. 3) in 3D format are presented. Signals recorded on the coast of. Sakhalin, the place of origin is the Kuril ridge, a distance of about 500 km, 2014. Figures 4 and 5 show the results of tests of an acoustic tomography method for the hydrophysical (acoustic and hydrodynamic) fields of a marine vessel with representation and spectral characteristics in 2D format. The tests were carried out on routes with a length of 45 km (Fig. 4) and 310 km (Fig. 5).
На фиг. 6а и 6б представлены результаты испытаний способа для акустической томографии электромагнитного поля морского судна, реализованного методом нелинейной просветной гидроакустики на трассе протяженностью 45 км, с представлением пространственно-временных характеристик измеряемого информационного поля в формате 2D. На фиг. 6а и 6б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна в формате 2D, записи выполнены на просветной трассе Берингова моря протяженностью 45 км. На фиг. 7а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитных и акустических (вально-лопастных) излучений морского судна (в формате 2D) на просветной трассе протяженностью 30 км (Камчатка, б. Авача). На фиг. 8 и 9 представлены спектрограммы сейсмического фона и сильного землетрясения (в формате 3D), прошедшего в районе Курильской гряды в 2013 году. Регистрация сигналов на морском поле о. Сахалин. На фиг. 10 представлена пространственно-временная картина дискретных составляющих спектра шумового поли морского судна в формате 2D. Параметрические измерения выполнены в переходной зоне Охотского и Японского морей на трассе протяженностью 345 км. На спектрограмме наблюдаются дискретные резонансные колебания корпуса судна и их СНЧ модуляция колебаниями как целого, в установившемся режиме движения.In FIG. 6a and 6b show the test results of a method for acoustic tomography of the electromagnetic field of a marine vessel, implemented by the method of nonlinear translucent hydroacoustics on a route length of 45 km, with the representation of the spatio-temporal characteristics of the measured information field in 2D format. In FIG. 6a and 6b show the spectrogram and the spectrum of the electromagnetic field of the ship in 2D format, the recordings were made on the 45 km long Bering Sea light path. In FIG. Figures 7a and b show the spectrogram and spectrum of electromagnetic and acoustic (shaft-lobed) radiations of a marine vessel (in 2D format) on a 30 km long light path (Kamchatka, Avacha Bay). In FIG. Figures 8 and 9 show spectrograms of the seismic background and strong earthquake (in 3D format) that took place in the Kuril ridge in 2013. Registration of signals on the sea field about. Sakhalin. In FIG. 10 shows a spatio-temporal picture of discrete spectrum components of a noise poly marine vessel in 2D format. Parametric measurements were performed in the transition zone of the Sea of Okhotsk and the Sea of Japan on a 345 km long route. The spectrogram shows discrete resonant vibrations of the hull and their VLF modulation by vibrations as a whole, in the steady state mode of motion.
Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления низкочастотных просветных сигналов стабильной частоты 1, снабженный излучающим блоком (акустическим преобразователем) 2, излучающим просветные сигналы на частоте десятки - сотни герц. Приемный тракт системы 5, соединенный с линейной дискретной антенной 4, обеспечивающий прием и анализ нелинейно преобразованных просветных сигналов и выделение из них признаков информационных гидрофизических и геофизических полей.To implement the claimed method, a hardware complex is required that contains a path for generating and amplifying low-frequency translucent signals of
В качестве источников информационных волн 3а и 3б использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также волны сейсмических процессов и явлений.As sources of information waves 3a and 3b were used: acoustic, electromagnetic and hydrodynamic radiation of marine vessels, as well as waves of seismic processes and phenomena.
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 6, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 7 и блок согласования его выхода с кабелем 8 и далее с подводным блоком (акустическим преобразователем) 2 (см. фиг. 1).Structurally, the path for generating and amplifying acoustic pump signals 1 is an electronic circuit containing a stabilized
Конструктивно тракт приема и анализа просветных сигналов, выделения и регистрации информационных волн 5 представляет собой электронную схему, включающую: многоканальный предварительный усилитель 4а (приемной дискретной антенны 4), входы которого посредством многожильного подводного кабеля (предпочтительно, оптоволоконного) связаны с входами многоканального блока 9 частотно-временного преобразования сигналов в высокочастотную область, далее с входами блока переключения каналов и формирования непрерывного сигнала 10, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя просветного сигнала 11, а его выход соединен с входом блока узкополосного анализа спектров 12 принимаемых сигналов, обеспечивающего измерение спектров и формирование пространственно-временных характеристик спектров информационных волн в формате 2D и (или) 3D, а также функционально связанный с ним регистратор сформированных характеристик спектров 13, при этом блок узкополосного анализа спектров 12 функционально связан с блоком переключения приемных каналов и формирования непрерывного сигнала 10. Кроме того, на чертеже показаны: область нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн 14, морское дно 15, морская среда 16, морская поверхность 17.Structurally, the path of reception and analysis of translucent signals, the extraction and registration of information waves 5 is an electronic circuit including: a
Заявленный способ реализуется следующим образом.The claimed method is implemented as follows.
Излучатель просветных акустических сигналов 2 и линейную приемную антенну 4 размещают на противоположных границах контролируемой среды и устанавливают их на горизонтах с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. При этом протяженную линейную антенну размещают в направлении излучающего блока и удерживают на заданном горизонте с использованием буев и якорей. Это обеспечивает эффективное формирование и использование области взаимодействия просветных и информационных волн на просветной трассе.The emitter of acoustic transmissive
Работа источников информационных волн 3а 3б на линии излучения - приема просветных сигналов приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности, и (или) температуры, и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности изменяют фазовую скорость просветные сигналы, что приводит к их амплитудно-фазовой модуляции. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные гармоники. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы просветных волн. Модуляционные составляющие информационных волн являются неразрывно связанной компонентой просветной волны, вследствие этого они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках приемного тракта системы мониторинга.The work of sources of information waves 3a 3b on the line of radiation - reception of translucent signals leads to a change in the mechanical characteristics of the conductive liquid (density, and (or) temperature, and (or) heat capacity, etc.), which, depending on their physical nature, change the phase the speed of the luminal signals, which leads to their amplitude-phase modulation. The spectrum of an elastic wave changes; low-frequency and high-frequency harmonics appear in it. Harmonics arising as a result of nonlinear interaction of waves manifest themselves as modulation components of the amplitude and phase of the lumen. The modulation components of information waves are an inextricably linked component of the lumen wave, as a result of which they are transported over long distances and then are allocated (detected) in the blocks of the receiving path of the monitoring system.
Техническими решениями заявляемого способа разработаны и подтверждены морскими испытаниями практические пути построения системы мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и морской среды, а также наблюдения и контроля их амплитудно-фазовой структуры и пространственно-временной динамики методом акустической томографии. Информационные поля различной физической природы, формируемые объектами и средой, измеряются технологиями нелинейной просветной гидроакустики, далее формируются их спектры, которые представляются в формате 2D и 3D. Способ обеспечивает мониторинг пространственно-временных характеристик информационных полей в звуковом и дробном диапазонах частот на морских акваториях протяженностью десятки-сотни километров.By technical solutions of the proposed method, practical ways have been developed and confirmed by sea trials to build a system for monitoring the hydrophysical and geophysical fields of objects and the marine environment, as well as monitoring and controlling their amplitude-phase structure and spatial-temporal dynamics using acoustic tomography. Information fields of various physical nature, formed by objects and the environment, are measured by nonlinear translucent hydroacoustic technology, then their spectra are formed, which are presented in 2D and 3D. The method provides monitoring of the spatio-temporal characteristics of information fields in the sound and fractional frequency ranges in marine areas with a length of tens to hundreds of kilometers.
Протяженность рассматриваемой системы акустической томографии (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды низкочастотными просветными сигналами в диапазоне частот десятки-сотни герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами.The length of the acoustic tomography system under consideration (a large scale of the range of parametric wave reception) is provided by sounding (pumping) the medium with low-frequency translucent signals in the frequency range of tens to hundreds of hertz, which is realized by existing radio-acoustic means.
Основные признаки технического эффекта заявляемого изобретения заключаются в следующем.The main features of the technical effect of the claimed invention are as follows.
Достигнута возможность мониторинга информационных полей технологиями низкочастотной акустической томографии, обеспечивающими измерение спектра их амплитудно-фазовых характеристик и представления их пространственно-временной динамики в формате 2D и (или) 3D.The ability to monitor information fields by low-frequency acoustic tomography technologies has been achieved, providing a measurement of the spectrum of their amplitude-phase characteristics and the presentation of their spatial-temporal dynamics in the 2D and (or) 3D format.
Возможность дальнего параметрического приема информационных гидрофизических и геофизических волн методом просветной акустической томографии достигается за счет формирования протяженного объема рабочей зоны их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования в морской среде, что реализуется за счет формирования по контролируемой трассе просветной параметрической антенны.The possibility of distant parametric reception of informational hydrophysical and geophysical waves by the method of transverse acoustic tomography is achieved by forming an extended volume of the working area of their nonlinear interaction and parametric transformation in the marine environment, which is realized due to the formation of a luminous parametric antenna along a controlled path.
Использование в приемном тракте измерительной системы преобразования временного масштаба принимаемых просветных сигналов в высокочастотную область повышает концентрацию их энергии (в соответствии с масштабом временного преобразования), что, в свою очередь, обеспечивает эффективное выделение информационных волн в широком диапазоне частот, в том числе и существующими средствами узкополосного спектрального анализа.Using in the receiving path of the measuring system the conversion of the time scale of the received luminal signals to the high-frequency region increases the concentration of their energy (in accordance with the scale of the time conversion), which, in turn, ensures the efficient separation of information waves in a wide frequency range, including existing means narrowband spectral analysis.
Разработанный способ акустической томографии и его технологии обеспечивают создание и надежную реализацию низкочастотной просветной параметрической системы дальнего измерения и комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей объектов и среды различной физической природы низкочастотного, инфразвукового и дробного диапазонов частот с возможностью измерения амплитудно-фазовых характеристик и контроля их пространственно-временной динамики.The developed method of acoustic tomography and its technology provide the creation and reliable implementation of the low-frequency translucent parametric system of long-distance measurement and integrated monitoring of the hydrophysical and geophysical fields of objects and the environment of various physical nature of the low-frequency, infrasound and fractional frequency ranges with the possibility of measuring amplitude-phase characteristics and controlling their spatial- time dynamics.
Измерительные технологии представляемого способа и реализующей его макеты просветных систем прошли морские испытания в районах дальневосточных морей и подтвердили свою эффективность.The measuring technology of the presented method and the models of the luminaire systems implementing it have passed sea tests in the regions of the Far Eastern seas and have proved their effectiveness.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138888/28A RU2602770C1 (en) | 2015-09-11 | 2015-09-11 | Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138888/28A RU2602770C1 (en) | 2015-09-11 | 2015-09-11 | Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2602770C1 true RU2602770C1 (en) | 2016-11-20 |
Family
ID=57760064
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015138888/28A RU2602770C1 (en) | 2015-09-11 | 2015-09-11 | Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2602770C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2658508C1 (en) * | 2017-04-10 | 2018-06-21 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | System and method of measurement of acoustic characteristics of antennas with the submersible vehicle |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4805160A (en) * | 1986-09-10 | 1989-02-14 | Japan Marine Science & Technology Center | Data transmission method for ocean acoustic tomography |
JP2000258448A (en) * | 1999-03-10 | 2000-09-22 | Arata Kaneko | Information collecting device of acoustic tomography |
JP2000298069A (en) * | 1999-04-14 | 2000-10-24 | Oki Electric Ind Co Ltd | Ocean acoustic tomography-data processing and display device |
RU2427005C2 (en) * | 2009-04-16 | 2011-08-20 | Учреждение Российской академии наук "Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук" | Standalone hydroacoustic antenna module |
CA2918319A1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-01-22 | Fairfield Industries Incorporated | Monitoring system, components, methods, and applications |
-
2015
- 2015-09-11 RU RU2015138888/28A patent/RU2602770C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4805160A (en) * | 1986-09-10 | 1989-02-14 | Japan Marine Science & Technology Center | Data transmission method for ocean acoustic tomography |
JP2000258448A (en) * | 1999-03-10 | 2000-09-22 | Arata Kaneko | Information collecting device of acoustic tomography |
JP2000298069A (en) * | 1999-04-14 | 2000-10-24 | Oki Electric Ind Co Ltd | Ocean acoustic tomography-data processing and display device |
RU2427005C2 (en) * | 2009-04-16 | 2011-08-20 | Учреждение Российской академии наук "Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук" | Standalone hydroacoustic antenna module |
CA2918319A1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-01-22 | Fairfield Industries Incorporated | Monitoring system, components, methods, and applications |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.А. Азаров и др. Методы акустической томографии в задачах подводной навигации. Подводные исследования робототехника. 2012. N1 (13). * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2658508C1 (en) * | 2017-04-10 | 2018-06-21 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | System and method of measurement of acoustic characteristics of antennas with the submersible vehicle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2474793C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
JPS63502138A (en) | Marine seismic exploration device | |
RU2550588C1 (en) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions | |
RU2593673C2 (en) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment | |
RU2593625C2 (en) | Method of transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back | |
RU2602763C2 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature of sources, processes and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment | |
RU2536836C1 (en) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
RU2485554C1 (en) | Method of conducting 3d submarine-subglacial seismo-acoustic survey using submarine vessel | |
RU2452041C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
RU2453930C1 (en) | Method of parametric reception of waves of different physical origin in sea medium | |
RU2624607C1 (en) | Method of acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
RU2452040C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
Maksimov et al. | Time reversal technique for gas leakage detection | |
RU2003114573A (en) | METHOD OF MARINE MULTI-WAVE MULTICOMPONENT SEISMIC EXPLORATION | |
Lunkov et al. | Using discrete low-frequency components of shipping noise for gassy sediment characterization in shallow water | |
RU2474794C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
RU83140U1 (en) | PARAMETRIC ECHO-PULSE LOCATOR | |
RU2602770C1 (en) | Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment | |
RU2602993C1 (en) | System of acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields in marine environment | |
RU2356069C2 (en) | Method of profiling bed loads | |
RU2624602C1 (en) | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
RU2602995C2 (en) | Method of formation and spatial development of luminal parametric antenna in the marine environment | |
RU2536837C1 (en) | Method for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
RU2300781C1 (en) | Device for hydrometeorological observations of sea range water area | |
Antonelli et al. | Experimental investigation of optical, remote, aerial sonar |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180912 |