RU2624602C1 - Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment - Google Patents
Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2624602C1 RU2624602C1 RU2016129578A RU2016129578A RU2624602C1 RU 2624602 C1 RU2624602 C1 RU 2624602C1 RU 2016129578 A RU2016129578 A RU 2016129578A RU 2016129578 A RU2016129578 A RU 2016129578A RU 2624602 C1 RU2624602 C1 RU 2624602C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving
- signals
- acoustic
- unit
- block
- 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
Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно может быть использовано в системах комплексного мониторинга полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. Научно-техническим решением изобретения является разработка системы гидроакустической томографии информационных полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде на основе технологий дальнего параметрического приема волн различной физической природы, измерения и формирования их спектров в формате 2D и (или) 3D, а так же непрерывного контроля их пространственно-временной динамики. Измеряемые информационные волны регистрируются в широком диапазоне частот, составляющем сотни-десятки-единицы-доли герц, включая диапазон СНЧ-колебаний движущихся объектов и гидродинамических неоднородностей морской среды как целого.The invention relates to hydrophysics, geophysics and radiophysics. It can be used in systems of complex monitoring of fields of various physical nature (acoustic, electromagnetic and hydrodynamic) formed by natural and artificial sources, processes and phenomena of the atmosphere, ocean and the earth's crust. The scientific and technical solution of the invention is the development of a system of hydroacoustic tomography of the information fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust in the marine environment based on the technologies of long-range parametric reception of waves of various physical nature, measurement and formation of their spectra in the format of 2D and (or) 3D, as well as continuous control of their spatio-temporal dynamics. Measured information waves are recorded in a wide frequency range of hundreds, tens, units, or 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 решении задач мониторинга полей океанской среды эффективно применяются научно-технические разработки методов и средств низкочастотной нелинейной просветной гидроакустики. При этом актуальной проблемой низкочастотной гидроакустики остается разработка методов и средств дальней гидроакустической томографии гидрофизических и геофизических полей, формируемых источниками в морской среде. В более широком смысле - это разработка методов гидроакустической диагностики пространственно-временных характеристик гидрофизических и геофизических полей, формируемых искусственными и естественными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры в условиях протяженного канала с переменными характеристиками среды и границ. Это направление объединяет как решение задачи распространения звука в протяженном океаническом волноводе (прямой задачи), так и решение обратной задачи, а именно - технологий реконструкции образов по данным измерений характеристик информационных волн, формируемых источниками в морской среде. К информационным волнам источников относятся поля присутствующих в среде объектов, а так же неоднородностей морской среды и дна как природного, так и искусственного происхождения.In recent decades, in solving the problems of monitoring the fields of the ocean environment, scientific and technical developments of methods and tools for low-frequency nonlinear translucent hydroacoustics have been effectively applied. At the same time, the development of methods and tools for long-range sonar tomography of hydrophysical and geophysical fields formed by sources in the marine environment remains an urgent problem of low-frequency hydroacoustics. In a broader sense, this is the development of methods for hydroacoustic diagnostics of the spatio-temporal characteristics of hydrophysical and geophysical fields formed by artificial and natural sources, processes and phenomena of the atmosphere, ocean and the earth's crust under conditions of an extended channel with variable characteristics of the environment and boundaries. 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, technologies for reconstructing images from measurements of the characteristics of information waves generated by sources in the marine environment. The information waves of the sources include the fields of objects present in the environment, as well as the heterogeneity of the marine environment and the bottom of both natural and artificial origin.
Известные научно-технические разработки систем акустической томографии объектов основаны на реконструкции их пространственной структуры. Формирование образов объектов и неоднородностей среды в таких системах выполняется по акустическим измерениям их проекций и последующей обработкой данных, что обеспечивает возможность формирования и наблюдения пространственных контуров объектов (см. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю. и др. Акустическая томография океана. - Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997. - С. 5-13). Следует отметить, что выражение «акустическая томография» океанской среды применялось в связи с тем, что она была только высокочастотная, следовательно, ограниченная по дальности обнаружения объектов и неоднородностей среды. При восстановлении геометрических образов объектов использовались только рассеянные и (или) отраженные ими волны зондирующих акустических сигналов. С развитием теории и практики гидроакустики в решении задач дальнего обнаружения полей объектов и неоднородностей среды в условиях протяженного гидроакустического канала с переменными характеристиками среды и границ назрела необходимость применения нового выражения, а именно - «гидроакустическая томография» полей объектов и среды.Known scientific and technical developments of acoustic tomography systems of objects are based on the reconstruction of their spatial structure. The formation of images of objects and heterogeneities of the environment in such systems is performed by acoustic measurements of their projections and subsequent data processing, which provides the possibility of forming and observing the spatial contours of objects (see Goncharov V.V., Zaitsev V.Yu. et al. Acoustic tomography of the ocean. - N. Novgorod: IAP RAS, 1997. - S. 5-13). It should be noted that the expression “acoustic tomography” of the ocean environment was used due to the fact that it was only high-frequency, therefore, limited in the detection range of objects and heterogeneities of the environment. When reconstructing the geometric images of objects, only scattered and (or) reflected waves of sounding acoustic signals were used by them. With the development of the theory and practice of hydroacoustic acoustics in solving the problems of distant detection of fields of objects and heterogeneities of the medium under the conditions of an extended hydroacoustic channel with variable characteristics of the medium and boundaries, it is necessary to use a new expression, namely, “hydroacoustic tomography” of the fields of objects and the environment.
Дальняя гидроакустическая томография полей объектов и неоднородностей морской среды может быть эффективно решена на основе разработок закономерностей и измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики (НПГА). Нелинейная просветная гидроакустика, как новое многофункциональное научно-техническое направление, объединяющее активную, пассивную гидролокацию и высокочастотную нелинейную гидроакустику, в последние десятилетия интенсивно разрабатывается и внедряется в системах дальнего параметрического приема полей объектов и среды различной физической природы. Физико-математические основы и измерительные технологии НПГА широко опубликованы в изданиях различного уровня и изложены в монографии (см. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы: Монография / Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Василенко A.M. и др. - Владивосток: Изд. Дальневост. ун-та, 2014. - 404 с.).Long-range hydroacoustic tomography of the fields of objects and heterogeneities of the marine environment can be effectively solved on the basis of the development of patterns and measurement technologies of nonlinear translucent hydroacoustics (NPGA). Nonlinear translucent sonar hydroacoustics, as a new multifunctional scientific and technical field, combining active, passive sonar and high-frequency nonlinear sonar, has been intensively developed and implemented in systems of long-range parametric reception of object fields and environments of various physical nature in recent decades. The physical and mathematical foundations and measuring technologies of NPGA are widely published in publications of various levels and are presented in a monograph (see Nonlinear translucent hydroacoustics and marine instrumentation in creating the Far Eastern radio-hydroacoustic system for lighting the atmosphere, ocean and the earth's crust, monitoring their fields of various physical nature: Monograph / Mironenko M.V., Malashenko A.E., Vasilenko AM et al. - Vladivostok: Publishing House of the Far-Eastern University, 2014 .-- 404 p.).
Измерительные технологии НПГА обеспечивают дальний параметрический прием информационных полей искусственных и естественных источников атмосферы, морской среды и морского дна. Они защищены патентами на изобретение. Так, например, известны способы и системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, реализуемые методом нелинейной просветной гидроакустики: RU 2158029 15.12 1998, RU 2167454 15.12.1998, RU 2453930 11.10.2010, RU 2452040 11.10.2010, RU 2452041 11.10.2010, RU 2472236 15.06.2011, RU 2472116 15.06.2011, RU 2474793 15.06.2011, RU 2474794 15.06.2011, RU 2503977 18.07.2012, RU 2503036 17.07.2012, RU 25.36836 29.10.2014, RU 2536837 29.10.2014, RU 2550588 10.03.2015.NPGA measuring technologies provide long-range parametric reception of information fields of artificial and natural sources of the atmosphere, the marine environment and the seabed. They are protected by invention patents. So, for example, there are known methods and systems for long-range parametric reception of waves of various physical nature in the marine environment, implemented by the method of nonlinear translucent hydroacoustics: RU 2158029 15.12 1998, RU 2167454 12.15.1998, RU 2453930 11.10.2010, RU 2452040 11.10.2010, RU 2452041 10/11/2010, RU 2472236 06/15/2011, RU 2472116 06/15/2011, RU 2474793 06/15/2011, RU 2474794 06/15/2011, RU 2503977 07/18/2012, RU 2503036 07/17/2012, RU 25.36836 10/29/2014, RU 2536837 29.10. 2014, RU 2550588 03/10/2015.
Общим недостатком указанных изобретений является отсутствие в них технических решений непрерывного измерения, формирования и представления информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянного контроля их пространственно-временной динамики. Исходя из этого, предметом разработок предлагаемого изобретения является решение задачи дальней гидроакустической томографии характеристик и пространственно-временной динамики измеряемых информационных полей.A common drawback of these inventions is the lack of technical solutions for continuous measurement, formation and presentation of information fields in 2D and (or) 3D format, as well as the constant monitoring of their spatial and temporal dynamics. Based on this, the subject of the development of the present invention is the solution of the problem of long-range sonar tomography of the characteristics and spatio-temporal dynamics of the measured information fields.
Наиболее близким из них по технической сущности к заявляемому изобретению является патент №2472116 RU от 15.06.2011 (МПК G01H 3/00, G10K 11/00) «Гидроакустическая система параметрического приема волн различной физической природы в морской среде», выбранный в качестве системы-прототипа.The closest of them in technical essence to the claimed invention is patent No. 2472116 RU dated 06/15/2011 (IPC
Система-прототип включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн; при этом излучающий тракт системы, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых просветных сигналов накачки среды, включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем; а приемный тракт системы, обеспечивающий усиление мощности принимаемых просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, их узкополосный спектральный анализ и определение в выделяемых спектрах дискретных составляющих измеряемых информационных волн, включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов.The prototype system includes emitting and receiving acoustic transducers located at opposite edges of the controlled medium, connected to the radiating and receiving paths of the system, respectively, the working zone of nonlinear interaction and parametric transformation of the lumen and measured information waves formed between them; wherein the radiating path of the system, which ensures the formation and amplification of the emitted transmissive signals for pumping the medium, includes a generator of acoustic signals of a stabilized frequency, a power amplifier of the emitted transmissive signals and a unit for matching its output with an underwater cable and then with a radiating acoustic transducer; and the receiving path of the system, which provides amplification of the power of the received translucent signals in the parametric conversion band, their narrow-band spectral analysis and determination of the discrete components of the measured information waves in the allocated spectra, includes a serially connected broadband amplifier, a narrow-band spectrum analyzer and a nonlinearly converted recorder functionally connected to it translucent signals.
Недостатками системы-прототипа являются отсутствие в ней специальных блоков и их связей с существующими блоками, которые должны обеспечивать непрерывное измерение, формирование и представление спектральных характеристик измеряемых информационных полей в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Кроме того, система-прототип не обеспечивает возможность эффективного параметрического приема информационных полей атмосферы, океана и земной коры и томографии их спектров. Реализация этой задачи требует применения в системе мониторинга дополнительных линий излучения - приема акустических просветных волн и их специального размещения относительно оси подводного звукового канала (ПЗК).The disadvantages of the prototype system are the lack of special blocks and their connections with existing blocks, which should provide continuous measurement, formation and presentation of the spectral characteristics of the measured information fields in 2D and (or) 3D format, as well as the constant monitoring of their spatial and temporal dynamics . In addition, the prototype system does not provide the possibility of efficient parametric reception of the information fields of the atmosphere, ocean and earth's crust and tomography of their spectra. The implementation of this task requires the use of additional radiation lines in the monitoring system — the reception of acoustic transmissive waves and their special placement relative to the axis of the underwater sound channel (CCD).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке структурной схемы системы-прототипа для ее реализации как системы дальней гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде. Система должна обеспечивать дальний параметрический прием и измерение спектров информационных полей, формирование и представление их в формате 2D и (или) 3D, а так же контроль их пространственно-временной динамики.The problem to which the invention is directed, is to further develop a structural diagram of a prototype system for its implementation as a system of long-range hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment. The system should provide long-range parametric reception and measurement of the spectra of information fields, their formation and presentation in 2D and (or) 3D format, as well as the control of their spatial and temporal dynamics.
Следует отметить, что отсутствие этого решения в известных аналогах и в системе-прототипе обусловлено использованием в них специального блока обработки сигналов, обеспечивающего перенос частотно-временного масштаба принимаемых просветных сигналов в высокочастотную область. Указанная операция увеличивает концентрацию энергии принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов и при обработке повышает эффективность выделения из них признаков информационных волн, но одновременно исключает реализацию технологий непрерывной гидроакустической томографии измеряемых информационных полей. Для реализации измерительных технологий гидроакустической томографии информационных полей в систему гидроакустической томографии информационных полей, основанную на преобразовании частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, необходимо включать дополнительные блоки и их связи с известными блоками.It should be noted that the absence of this solution in the known analogues and in the prototype system is due to the use of a special signal processing unit in them, which transfers the frequency-time scale of the received luminal signals to the high-frequency region. The indicated operation increases the energy concentration of the received nonlinearly transformed luminous signals and, when processing, increases the efficiency of extracting signs of information waves from them, but at the same time excludes the implementation of continuous sonar tomography technologies for the measured information fields. To implement the measuring technologies of hydroacoustic tomography of information fields into a system of hydroacoustic tomography of information fields, based on the conversion of the frequency-time scale of the received signals into the high-frequency region, it is necessary to include additional blocks and their connections with known blocks.
Дополнительные блоки должны обеспечивать: многоканальный (от 1-го до n-го каналов) прием задержанных (смещенных) на половину длины волны просветных сигналов, преобразование их масштаба в высокочастотную область, формирование из них непрерывного сигнала путем поочередного и цикличного переключения гидрофонов, узкополосного спектрального анализа в полосе параметрического преобразования, выделения в спектрах верхних и (или) нижних боковых полос, определения в них составляющих измеряемых информационных волн и определения их пространственно-временной динамики для всех сформированных в среде линий излучения - приема просветных сигналов как параметрических антенн.Additional blocks should provide: multichannel (from the 1st to the n-th channels) reception of delayed (shifted) half-wavelength luminal signals, converting their scale to the high-frequency region, forming a continuous signal from them by alternating and cyclic switching of hydrophones, narrow-band spectral analysis in the parametric transformation band, highlighting in the spectra of the upper and (or) lower side bands, determining in them the components of the measured information waves and determining their spatial no-time dynamics for all radiation lines formed in the medium — reception of translucent signals as parametric antennas.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке системы дальней просветной гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, обеспечивающей измерение, формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а также постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Система осуществляет мониторинг акваторий протяженностью десятки-сотни километров. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ-колебаний движущихся объектов и неоднородностей среды как целого.The technical result of the invention is to develop a system of far-field hydro-acoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment, providing measurement, formation and presentation of their spectra in 2D and (or) 3D format, as well as constant monitoring of their spatial time dynamics. The system monitors water areas with a length of tens to hundreds of kilometers. The frequency range of the measured information waves is hundreds, tens, units, or fractions of hertz, including waves of VLF oscillations of moving objects and inhomogeneities of the medium as a whole.
Для решения поставленной задачи система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде включает в себя размещенные на противоположных границах контролируемой среды излучающий и приемный акустические преобразователи, соединенные с излучающим и приемным трактами системы соответственно, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн; при этом излучающий тракт системы, обеспечивающий формирование и усиление излучаемых просветных сигналов накачки среды, включает в себя последовательно соединенные генератор акустических сигналов стабилизированной частоты, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов и блок согласования его выхода с подводным кабелем и далее с излучающим акустическим преобразователем; а приемный тракт системы, обеспечивающий усиление мощности принимаемых просветных сигналов в полосе параметрического преобразования, их узкополосный спектральный анализ и определение в выделяемых спектрах дискретных составляющих измеряемых информационных волн, включает в себя последовательно соединенные широкополосный усилитель, узкополосный анализатор спектров и функционально связанный с ним регистратор нелинейно преобразованных просветных сигналов.To solve this problem, the system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment includes emitting and receiving acoustic transducers located at opposite boundaries of the controlled environment, connected to the radiating and receiving paths of the system, respectively, the non-linear working zone formed between them interaction and parametric transformation of the luminal and measured information waves; wherein the radiating path of the system, which ensures the formation and amplification of the emitted transmissive signals for pumping the medium, includes a generator of acoustic signals of a stabilized frequency, a power amplifier of the emitted transmissive signals and a unit for matching its output with an underwater cable and then with a radiating acoustic transducer; and the receiving path of the system, which provides amplification of the power of the received translucent signals in the parametric conversion band, their narrow-band spectral analysis and determination of the discrete components of the measured information waves in the allocated spectra, includes a serially connected broadband amplifier, a narrow-band spectrum analyzer and a nonlinearly converted recorder functionally connected to it translucent signals.
Предлагаемая измерительная система отличается тем, что в ней излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно; причем рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных приемных антенн; дополнительно введен в состав системы информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок; при этом каждый элемент (гидрофон) линейных дискретных приемных антенн соединен с соответствующим входом многоканальных предварительных антенных усилителей, а выходы усилителей через многожильный подводный кабель соединены с входами блока выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сигналов и далее с входом блока узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором спектров и соединен с передающим радиоблоком приемного тракта и далее с приемным радиблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ), при этом вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта, а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта системы через приемный радиоблок излучающего тракта, а так же вход ИАТ соединен с внешним (не системным) блоком, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром (РИЦ) и (или) системой навигации «ГЛОНАСС». Кроме того, число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной приемной антенне устанавливается в количестве 10 элементов, а расстояния между ними выбираются равными половине длины просветной акустической волны.The proposed measuring system is characterized in that in it the emitting unit is formed of three acoustic transducers that are located on the axis of the underwater sound channel (CCD), above and below the CCD axis, respectively, and the receiving unit is formed of three linear discrete receiving antennas, including n elements (hydrophones) each, which are horizontally placed in the direction of the emitting acoustic transducers, respectively; moreover, the working area of nonlinear interaction and parametric conversion of translucent acoustic and measured information waves in the marine environment is formed of three emitting transducers and three linear discrete receiving antennas; additionally introduced into the composition of the system is an information-analytical path, which includes a series-connected receiving radio unit, an information-analytical complex unit and a transmitting radio unit; in this case, each element (hydrophone) of linear discrete receiving antennas is connected to the corresponding input of multi-channel preliminary antenna amplifiers, and the outputs of the amplifiers are connected via inputs to the inputs of the selective connection block of discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones), the outputs of which are connected to the inputs unit of time-frequency conversion (transfer) of the spectra of multichannel received signals in the high-frequency region, and its outputs are connected to the inputs a continuous signal generating unit, the output of which is connected to the input of a broadband signal amplifier and then to the input of a narrowband spectral analysis unit, generating and presenting the spectra of the received signals in 2D and (or) 3D format, the output of which is functionally connected to the spectrum recorder and connected to the transmitting receiver radio unit the path and further with the receiving radiblock of the information-analytical path (IAT), while the input of the IAT through the transmitting radio block of the receiving path is connected to the spectral analysis unit and the receiving path, and the output of the IAT is connected to the generator of the radiating path of the system through the receiving radio block of the radiating path, as well as the input of the IAT is connected to an external (not system) unit that provides communication with the Regional Information Center (RIC) and (or) the GLONASS navigation system ". In addition, the number of receiving transducers (hydrophones) n in the linear discrete receiving antenna is set in the amount of 10 elements, and the distances between them are chosen equal to half the length of the translucent acoustic wave.
Кроме того, масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливается в соответствии с числом n приемных каналов антенны. Кроме того, совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи. Кроме того, периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяются задачами системы и спецификой контролируемого района. Кроме того, контролируемая среда озвучивается просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц.In addition, the scale of the time-frequency conversion of the received luminal signals is set in accordance with the number n of the receiving channels of the antenna. In addition, the joint operation of the system’s receiving path blocks (narrow-band spectral analysis block, formation and presentation of the spectra of received signals in 2D and (or) 3D format, a block for selectively connecting discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones), time-frequency conversion block (transfer) of the spectra of multichannel received signals to the high-frequency region, the continuous signal generation unit) is mutually synchronized, which is determined by the operating mode of the spectral a naliz and implemented by their common communication line. In addition, the frequency of connecting linear discrete receiving antennas located on the S-axis, above and below the S-axis, and the duration of the tomography of the fields of the atmosphere, and (or) the ocean, and (or) the earth's crust are determined by the tasks of the system and the specifics of the controlled area. In addition, the controlled environment is voiced by translucent acoustic signals of a stabilized frequency in the frequency range of tens to hundreds of hertz.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the claimed and known solutions indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «излучающий блок сформирован из трех акустических преобразователей, которые размещены на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно, а приемный блок сформирован из трех линейных дискретных приемных антенн, включающих по n элементов (гидрофонов) каждая, которые горизонтально размещены в направлении излучающих акустических преобразователей соответственно; причем рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн в морской среде сформирована из трех излучающих преобразователей и трех линейных дискретных антенн», обеспечивают возможность дальнего параметрического приема информационных волн источников океана, атмосферы и земной коры в морской среде на оси подводного звукового канала (ПЗК), выше и ниже оси ПЗК соответственно.Distinctive features, namely, that the “emitting unit is formed of three acoustic transducers that are located on the axis of the underwater sound channel (CCD), above and below the CCD axis, respectively, and the receiving unit is formed of three linear discrete receiving antennas, including n elements (hydrophones) each, which are horizontally placed in the direction of the emitting acoustic transducers, respectively; moreover, the working area of nonlinear interaction and parametric transformation of translucent acoustic and measured information waves in the marine environment is formed of three emitting transducers and three linear discrete antennas ”, provide the possibility of long-range parametric reception of information waves of ocean sources, the atmosphere and the earth's crust in the marine environment on the axis of the underwater sound channel (PZK), above and below the PZK axis, respectively.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «дополнительно введен в состав системы информационно-аналитический тракт, включающий в себя последовательно соединенные приемный радиоблок, блок информационно-аналитического комплекса и передающий радиоблок», обеспечивают расширение функциональных возможностей системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде.Distinctive features, consisting in the fact that “an information-analytical path has been additionally included in the system, which includes a series-connected receiving radio block, an information-analytical complex block and a transmitting radio block”, provide enhanced functionality of the sonar tomography system for the fields of the atmosphere, ocean and terrestrial crusts of various physical nature in the marine environment.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «каждый элемент (гидрофон) линейных дискретных приемных антенн соединен с соответствующим входом многоканальных предварительных антенных усилителей, а выходы усилителей через многожильный подводный кабель соединены с входами блока выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, а его выходы соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов», обеспечивают решение начальной последовательности операций гидроакустической томографии информационных полей в морской среде за счет многоканального приема просветных сигналов на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, выборочного подключения трех линейных дискретных приемных антенн и цикличного (от 1-го до n-го каналов, n раз) переключения их приемных гидрофонов, частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область.Distinctive features, consisting in the fact that “each element (hydrophone) of linear discrete receiving antennas is connected to the corresponding input of multi-channel pre-antenna amplifiers, and the outputs of the amplifiers are connected via inputs to the inputs of the unit for selectively connecting discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones ), the outputs of which are connected to the inputs of the time-frequency conversion (transfer) block of the spectra of multichannel received signals into high-frequency region, and its outputs are connected to the inputs of the continuous signal generation unit ”, provide a solution to the initial sequence of operations of hydroacoustic tomography of information fields in the marine environment due to the multi-channel reception of translucent signals on the S-axis, above and below the S-axis, selective connection of three linear discrete receiving antennas and cyclic (from the 1st to the n-th channels, n times) switching of their receiving hydrophones, time-frequency conversion (transfer) of the spectra of multichannel received signals to high-fidelity astot area.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «выход блока формирования непрерывных сигналов соединен с входом широкополосного усилителя сигналов и далее с входом блока узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором спектров», обеспечивают возможность измерения спектров нелинейно преобразованных просветных сигналов, выделения в них дискретных составляющих измеряемых информационных волн, представления их в формате 2D и (или) 3D.Distinctive features are that “the output of the continuous signal generation unit is connected to the input of the broadband signal amplifier and then to the input of the narrowband spectral analysis unit, the formation and presentation of the spectra of the received signals in 2D and (or) 3D format, the output of which is functionally connected to the recorder spectra ”, provide the ability to measure the spectra of nonlinearly transformed luminous signals, highlight in them the discrete components of the measured information waves, present them in 2D and / or 3D format.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «выход блока спектрального анализа соединен с передающим радиоблоком приемного тракта и далее с приемным радиоблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ)», обеспечивают расширение функциональных возможностей системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде.Distinctive features, namely, that "the output of the spectral analysis unit is connected to the transmitting radio block of the receiving path and then to the receiving radio block of the information-analytical path (IAT)", provide enhanced functionality of the system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта соединен с блоком спектрального анализа приемного тракта, а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта системы через приемный радиоблок излучающего тракта», обеспечивают оперативность эксплуатации системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде как широкомасштабной.Distinctive features, namely, that “the input of the IAT through the transmitting radio block of the receiving path is connected to the spectral analysis unit of the receiving path, and the output of the IAT is connected to the generator of the radiating path of the system through the receiving radio block of the radiating path”, ensure the operational speed of the system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, the ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment as large-scale.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что «вход ИАТ соединен так же с внешним (не системным) блоком, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром (РИЦ) и (или) системой навигации «ГЛОНАСС», обеспечивают дополнительное расширение информационных возможностей системы гидроакустической томографии, а так же оперативность эксплуатации в реальных условиях работы при создании ее как широкомасштабной. Это достигается за счет постоянного использования информации о полях морских и воздушных источников, а так же сейсмической и синоптической обстановки на обследуемой акватории и за ее пределами, поступающей от системы «ГЛОНАСС» (см. Перов А.И., Харисов В.Н. Принципы построения и функционирования «ГЛОНАСС». - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.).Distinctive features, namely, that “the IAT input is also connected to an external (non-systemic) unit providing communication with the Regional Information Center (RIC) and (or) the GLONASS navigation system, provide an additional extension of the information capabilities of the sonar tomography system, as well as operational efficiency in real working conditions when creating it as a large-scale one. This is achieved through the constant use of information about the fields of marine and air sources, as well as the seismic and synoptic conditions in the surveyed water area and beyond, coming from the GLONASS system (see Perov AI, Kharisov VN Principles the construction and operation of GLONASS. - M .: Radio Engineering, 2010. - 800 p.).
Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «число приемных преобразователей (гидрофонов) n в линейной дискретной приемной антенне устанавливается в количестве 10 элементов, а расстояния между ними выбираются равными половине длины просветной акустической волны», обеспечивает эффективный прием просветных волн, что соответствует принципам построения и работы дискретных гидроакустических антенн (см. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. - Л.: Судостроение, 1973. - С. 140-152).An additional distinguishing feature, namely, that “the number of receiving transducers (hydrophones) n in a linear discrete receiving antenna is set in the amount of 10 elements, and the distances between them are chosen equal to half the length of the lumen of the acoustic wave”, provides efficient reception of luminous waves, which corresponds to the principles the construction and operation of discrete sonar antennas (see Smaryshev MD. Orientation of sonar antennas. - L .: Sudostroenie, 1973. - P. 140-152).
Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «масштаб частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов устанавливается в соответствии с числом n приемных каналов антенны», обеспечивает заключительную реализацию операций формирования непрерывной акустической томографии при использовании частотно-временного преобразования принимаемых просветных сигналов.An additional distinguishing feature, namely, that the “time-frequency conversion scale of the received luminal signals is set in accordance with the number n of the receiving channels of the antenna”, provides the final implementation of the continuous acoustic tomography generation operations using the time-frequency conversion of the received luminal signals.
Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «совместная работа блоков приемного тракта системы (блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D, блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область, блок формирования непрерывных сигналов) взаимно синхронизирована, что определяется режимом работы блока спектрального анализа и реализуется их общей линией связи», обеспечивает синхронную работу указанных блоков системы гидроакустической томографии.An additional distinguishing feature is that “the joint operation of the system’s receiving path blocks (block of narrow-band spectral analysis, formation and presentation of the spectra of received signals in 2D and (or) 3D format, block selective connection of discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones ), the block of the time-frequency conversion (transfer) of the spectra of multichannel received signals to the high-frequency region, the block for generating continuous signals) is mutually synchronized, h This is determined by the operating mode of the spectral analysis unit and is implemented by their common communication line, ”provides synchronous operation of these units of the sonar tomography system.
Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «периодичность подключения линейных дискретных приемных антенн, расположенных на оси ПЗК, выше и ниже оси ПЗК, и длительность процессов томографии полей атмосферы, и (или) океана, и (или) земной коры определяются задачами системы и спецификой контролируемого района», обеспечивает качественное выполнение системой мониторинга задач гидроакустической томографии.An additional distinctive feature is that “the frequency of connecting linear discrete receiving antennas located on the S-axis, above and below the S-axis, and the duration of the tomography of the fields of the atmosphere, and (or) the ocean, and (or) the earth's crust are determined by the tasks of the system and the specifics of the controlled area, ”ensures high-quality implementation of the monitoring system for sonar tomography tasks.
Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «контролируемая среда озвучивается просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне частот десятки-сотни герц», обеспечивает возможность дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы для их последующего представления операциями гидроакустической томографии.An additional distinguishing feature, which is that “the controlled medium is voiced by translucent acoustic signals of a stabilized frequency in the frequency range of tens to hundreds of hertz”, provides the possibility of long-range parametric reception of information waves of various physical nature for their subsequent presentation by sonar tomography operations.
Исходя из совокупности отличительных признаков изобретения обобщенная формулировка технического решения может быть изложена в следующем виде. Разработаны структура и принципы эксплуатации системы дальней гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы, формируемых искусственными и естественными источниками и опасными явлениями в морской среде, а так же непрерывного контроля их пространственно-временной динамики в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот.Based on the totality of the distinguishing features of the invention, the generalized wording of the technical solution can be set forth in the following form. The structure and principles of the operation of the system of long-range sonar tomography of the fields of the atmosphere, ocean and earth's crust of various physical nature, formed by artificial and natural sources and dangerous phenomena in the marine environment, as well as continuous monitoring of their spatial and temporal dynamics in the sound, infrasound and fractional frequency ranges, have been developed. .
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.The claimed invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 приведена структурная схема системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде. Макеты экспериментальных систем прошли морские испытания на протяженных просветных трассах Дальневосточных морей.In FIG. Figure 1 shows a structural diagram of a system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean, and the earth's crust of various physical nature in the marine environment. The prototypes of the experimental systems passed marine tests on the long light paths of the Far Eastern Seas.
На фигурах 2 и 3 показаны результаты испытаний системы гидроакустической томографии геофизических (сейсмических) полей, сигналы зарегистрированы на побережье о. Сахалин. На фиг. 2 представлены частотно-временные характеристики спектра сейсмического фона, на фиг. 3 - частотно-временные характеристики спектра сильного землетрясения, прошедшего в районе Курильской гряды в 2014 г.In figures 2 and 3 shows the results of tests of a sonar tomography system of geophysical (seismic) fields, the signals are recorded on the coast of. Sakhalin. In FIG. 2 shows the time-frequency characteristics of the spectrum of the seismic background; FIG. 3 - frequency-time characteristics of the spectrum of a strong earthquake that took place in the area of the Kuril ridge in 2014
На фигурах 4 и 5 показаны результаты испытаний системы гидроакустической томографии гидрофизических (акустических и гидродинамических) полей морского судна с представлением их спектральных характеристик в формате 2D. Испытания проводились на трассах протяженностью 45 км (фиг. 4) и 310 км (фиг. 5).Figures 4 and 5 show the results of tests of a hydroacoustic tomography system for the hydrophysical (acoustic and hydrodynamic) fields of a marine vessel with a representation of their 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, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитного поля морского судна, записи выполнены на просветной трассе Берингова моря протяженностью 45 км.In FIG. Figures 6a and 6b show the spectrogram and spectrum of the electromagnetic field of a marine vessel; the recordings were made on the 45 km long Bering Sea light path.
На фиг. 7а, б представлены спектрограмма и спектр электромагнитных и акустических (вально-лопастных) излучений морского судна на просветной трассе протяженностью 30 км (п-в Камчатка, Авачинский залив).In FIG. Figures 7a and b show the spectrogram and spectrum of electromagnetic and acoustic (shaft-lobed) radiations of a marine vessel on a 30 km long light path (Kamchatka Peninsula, Avacha Bay).
На фиг. 8 и 9 в формате 3D представлены спектрограммы сейсмического фона и сильного землетрясения, произошедшего в районе Курильской гряды в 2013 г.In FIG. Figures 8 and 9 in 3D format show spectrograms of the seismic background and the strong earthquake that occurred in the Kuril ridge in 2013.
На фиг. 10 представлена частотно-временная картина дискретных составляющих шумового поля 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. 10 presents a frequency-time picture of the discrete components of the noise field of a 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 ship's hull and their VLF modulation by vibrations as a whole in the steady state mode of motion.
На фиг. 11 - спектрограмма шумового излучения воздушного источника (летательного аппарата).In FIG. 11 is a spectrogram of noise emission from an air source (aircraft).
На фиг. 12 - спектрограмма сигналов синоптических возмущений поверхности моря за время прохождения циклона в переходной зоне Охотского и Японского морей, протяженность просветной трассы составляла 345 км.In FIG. 12 is a spectrogram of signals of synoptic disturbances of the sea surface during the passage of a cyclone in the transition zone of the Sea of Okhotsk and the Sea of Japan, the length of the luminal path was 345 km.
Система гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры различной физической природы в морской среде, реализующая предлагаемое изобретение, показана на фиг. 1, где:A system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust of various physical nature in the marine environment, implementing the invention, is shown in FIG. 1, where:
1 - излучающий тракт;1 - radiating path;
2а, 2б, 2в - акустические преобразователи;2a, 2b, 2c - acoustic transducers;
3а, 3б, 3в - линейные дискретные приемные антенны;3a, 3b, 3c — linear discrete receiving antennas;
4а, 4б, 4в - многоканальные предварительные антенные усилители;4a, 4b, 4c - multi-channel preliminary antenna amplifiers;
5 - акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения (волны) морских судов;5 - acoustic, electromagnetic and hydrodynamic radiation (waves) of marine vessels;
6 - геофизические волны морского дна;6 - geophysical waves of the seabed;
7 - волны источников атмосферы;7 - waves of atmospheric sources;
8 - приемный тракт;8 - receiving path;
9 - генератор акустических сигналов стабилизированной частоты (генератор излучающего тракта);9 - generator of acoustic signals of a stabilized frequency (generator of a radiating path);
10 - усилитель мощности излучаемых просветных сигналов;10 - power amplifier emitted translucent signals;
11 - трехканальный блок согласования;11 - three-channel matching unit;
12 - блок выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов);12 - block selective connection of discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones);
13 - блок частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область;13 is a block of frequency-time conversion (transfer) of the spectra of multichannel received signals in the high-frequency region;
14 - блок формирования непрерывных сигналов;14 - block generating continuous signals;
15 - усилитель сигналов с учетом параметрического и частотно-временного преобразований (широкополосный усилитель);15 - signal amplifier taking into account parametric and time-frequency transformations (broadband amplifier);
16 - блок узкополосного спектрального анализа, формирования и представления спектров принимаемых сигналов в формате 2D и (или) 3D (блок спектрального анализа);16 - block narrow-band spectral analysis, the formation and presentation of the spectra of the received signals in the format 2D and (or) 3D (block spectral analysis);
17 - регистратор спектров;17 - spectrum recorder;
18 - передающий радиоблок приемного тракта;18 - transmitting radio unit of the receiving path;
19 - информационно-аналитический тракт;19 - information and analytical path;
20 - приемный радиоблок аналитического тракта;20 - receiving radio unit of the analytical path;
21 - блок информационно-аналитического комплекса (ИАК);21 - block information-analytical complex (IAK);
22 - передающий радиоблок ИАК;22 - transmitting radio unit IAK;
23 - приемный радиоблок излучающего тракта;23 - receiving radio block of the radiating path;
24 - внешний (не системный) блок, обеспечивающий связь с Региональным информационным центром и (или) системой навигации «ГЛОНАСС»;24 - an external (non-systemic) unit providing communication with the Regional Information Center and (or) the GLONASS navigation system;
25 - морская среда;25 - marine environment;
26 - морская поверхность;26 - sea surface;
27а, 27б, 27в - области нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных акустических и измеряемых информационных волн;27a, 27b, 27c — areas of nonlinear interaction and parametric transformation of translucent acoustic and measured information waves;
28 - ось подводного звукового канала;28 - axis of the underwater sound channel;
29 - морское дно;29 - the seabed;
30 - излучающий блок, сформированный из трех акустических преобразователей 2а, 2б, 2в;30 - a radiating unit formed of three
31 - приемный блок, сформированный из трех линейных дискретных приемных антенн 3а, 3б, 3в.31 - a receiving unit formed of three linear discrete receiving antennas 3a, 3b, 3c.
Для реализации предлагаемой системы необходим аппаратный комплекс, содержащий излучающий тракт 1, обеспечивающий формирование и усиления низкочастотных просветных сигналов стабилизированной частоты, снабженный акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в, излучающими просветные сигналы накачки среды на частоте десятки-сотни герц. Приемный тракт системы 8, соединенный с линейными дискретными приемными антеннами 3а, 3б, 3в, обеспечивает прием и анализ нелинейно преобразованных просветных сигналов и выделение из них признаков информационных волн источников атмосферы, океана и земной коры.To implement the proposed system, a hardware complex is needed that contains a radiating
В качестве источников информационных волн 5, 6, 7 использовались: акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения морских судов, а также волны сейсмических и синоптических процессов и явлений.As sources of information waves 5, 6, 7 were used: acoustic, electromagnetic and hydrodynamic radiation of marine vessels, as well as waves of seismic and synoptic processes and phenomena.
Конструктивно излучающий тракт 1 представляет собой электронную схему, содержащую генератор акустических сигналов стабилизированной частоты 9, усилитель мощности излучаемых просветных сигналов 10 и трехканальный блок согласования 11 выхода усилителя 10 с кабелем и далее с акустическими преобразователями 2а, 2б, 2в (см. фиг. 1).Structurally, the emitting
Конструктивно тракт приема 8 информационных волн представляет собой электронную схему, включающую: многоканальные предварительные антенные усилители 4а, 4б, 4в, включенные в линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в, выходы усилителей посредством многожильных подводных кабелей соединены с входами блока 12 выборочного подключения дискретных приемных антенн и цикличного переключения их элементов (гидрофонов), выходы которого соединены со входами блока частотно-временного преобразования (переноса) спектров многоканально принимаемых сигналов в высокочастотную область 13, выходы которого соединены с входами блока формирования непрерывных сигналов 14, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя сигналов 15 и далее с входом блока спектрального анализа 16, обеспечивающего измерение, формирование и представление пространственно-временных характеристик спектров информационных волн в формате 2D и (или) 3D, выход которого функционально связан с регистратором сформированных пространственных спектров 17 и соединен с передающим радиоблоком приемного тракта 18 и далее с приемным радиоблоком информационно-аналитического тракта (ИАТ) системы 19, включающей последовательно соединенные: приемный радиоблок 20, информационно-аналитический комплекс (ИАК) 21 и передающий радиоблок 22, при этом вход ИАТ через передающий радиоблок приемного тракта 18 соединен с блоком спектрального анализа 16 и с внешним (не системным) блоком 24, обеспечивающим связь с Региональным информационным центром и (или) системой навигации «ГЛОНАСС», а выход ИАТ соединен с генератором излучающего тракта 9 через его приемный радиоблок 23.Structurally, the reception path of 8 information waves is an electronic circuit, including: multi-channel pre-antenna amplifiers 4a, 4b, 4c, included in the linear discrete receiving antennas 3a, 3b, 3c, the outputs of the amplifiers are connected via multicore submarine cables to the inputs of the block 12 of selective connection of discrete receiving antennas and cyclic switching of their elements (hydrophones), the outputs of which are connected to the inputs of the unit of the time-frequency conversion (transfer) of the spectra of multi-channel received Ignals in the high-frequency region 13, the outputs of which are connected to the inputs of the continuous signal generation unit 14, the output of which is connected to the input of the broadband signal amplifier 15 and then to the input of the spectral analysis unit 16, which provides measurement, formation and presentation of the spatio-temporal characteristics of information wave spectra in the format 2D and (or) 3D, the output of which is functionally connected with the registrar of the formed spatial spectra 17 and connected to the transmitting radio block of the receiving path 18 and gave e with a receiving radio block of the information-analytical path (IAT) of the system 19, including serially connected: receiving radio block 20, information-analytical complex (IAK) 21 and the transmitting radio block 22, while the input of the IAT through the transmitting radio block of the receiving path 18 is connected to the spectral analysis unit 16 and with an external (non-systemic) unit 24, providing communication with the Regional Information Center and (or) the GLONASS navigation system, and the IAT output is connected to the generator of the radiating path 9 through its receiving radio block 23.
Излучающие акустические преобразователи 2а, 2б, 2в, а так же линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в объединены в общие конструкции 30 и 31 соответственно, которые удерживаются на заданных горизонтах и в местах установки с помощью приповерхностных буев и донных якорей.The emitting
Измерительная система реализуется следующим образом. Излучающий блок 30 и приемный блок 31 размещают на противоположных границах контролируемой среды и устанавливают их на заданных горизонтах с учетом закономерностей распространения волн в протяженном гидроакустическом канале. При этом протяженные линейные дискретные приемные антенны 3а, 3б, 3в размещают в направлении излучающих акустических преобразователей 2а, 2б, 2в и удерживают на заданных горизонтах с использованием приповерхностных буев и донных якорей. Это обеспечивает эффективное формирование и использование областей 27а, 27б, 27в нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн на протяженной просветной трассе.The measuring system is implemented as follows. The emitting
Работа источников информационных волн 5, 6, 7 на линии излучения - приема просветных сигналов приводит к изменению механистических характеристик проводящей жидкости (плотности, температуры, теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности изменяют фазовую скорость просветных сигналов, что приводит к их амплитудно-фазовой модуляции. Спектр упругой просветной волны изменяется, в нем появляются низкочастотные и высокочастотные дискретные составляющие. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные признаки 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 блоке спектрального анализа приемного тракта системы.The work of sources of information waves 5, 6, 7 on the line of radiation - reception of the luminal signals leads to a change in the mechanical characteristics of the conductive liquid (density, temperature, heat capacity, etc.), which, depending on their physical nature, change the phase velocity of the luminal signals, which leads to their amplitude-phase modulation. The spectrum of an elastic translucent wave changes; low-frequency and high-frequency discrete components appear in it. Harmonics resulting from the nonlinear interaction of waves manifest themselves as modulation signs 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 spectral analysis unit of the receiving path of the system.
Дальний параметрический прием гидрофизических волн в морской средеLong-range parametric reception of hydrophysical waves in the marine environment
Физическая сущность дальнего параметрического приема информационных волн в морской среде и их реализация технологиями гидроакустической томографии может быть представлена на основе следующих закономерностей. Известно, что влияние гидрофизических полей на просветные сигналы осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды, что и обеспечивает нелинейное взаимодействие и параметрический прием информационных волн.The physical essence of the long-range parametric reception of information waves in the marine environment and their implementation by sonar tomography technologies can be represented on the basis of the following laws. It is known that the influence of hydrophysical fields on luminal signals is carried out through a change in the density and coefficient of elasticity of the marine environment, which ensures non-linear interaction and parametric reception of information waves.
По своей физической сущности параметрический прием сигналов в системе предусматривает специальное изменение плотности и (или) температуры водной среды на пути распространения сигналов в морской среде. Изменение этих параметров можно производить различными способами, но основным из них является формирование протяженной нелинейной области в заданном направлении излучения-приема волн.By its physical nature, parametric signal reception in the system provides for a special change in the density and (or) temperature of the aquatic environment along the path of signal propagation in the marine environment. Changing these parameters can be done in various ways, but the main one is the formation of an extended nonlinear region in a given direction of radiation-reception of waves.
Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят нелинейные параметры среды. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°С величина коэффициента нелинейности Е составляет порядка 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично. В этом случае необходимо применять иные способы и средства повышения нелинейного взаимодействия волн.The main contribution to the efficiency of converting a high-frequency signal to low-frequency harmonics is made by nonlinear parameters of the medium. For sea water at medium salinity and temperature changes in the range of 20-30 ° C, the coefficient of nonlinearity E is of the order of 3.6. Experimental work carried out in the open sea showed that the coefficient of nonlinearity E in a wide frequency range and at depths up to 300 m varies slightly and does not exceed 4. Therefore, fundamentally new effects in the open ocean at arbitrary depths cannot be expected. Thus, a further increase in the operational efficiency of hydroacoustic devices by improving the operation of emitters (including increasing the power of the emitted signal) is problematic. In this case, it is necessary to apply other methods and means of increasing the nonlinear interaction of waves.
Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с информационной волной в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн пространственной параметрической антенны, как 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. Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулуThe parametric reception of information waves in the system under consideration is manifested as amplitude-phase modulation of the acoustic pump wave, which propagates together with the information wave to the receiving point and is allocated in the signal processing path. The process of generating a parametric reception of waves of a spatial parametric antenna, as a translucent sonar line, can be explained by the usual system of hydrodynamic equations for a viscous fluid when superimposed on the equation of state of the corresponding changes in the phase velocity of sound in time and space. To calculate the propagation velocity of an elastic (acoustic) wave, one can apply the well-known formula
где 
υ - удельный объем.υ is the specific volume.
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью 
Из приведенного выражения следует, что изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре t приводят к изменению фазовой скорости звука во времени C(t). Это происходит в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой волной через проводящую электрический ток морскую среду. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, 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, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C(t) также будет меняться с той же частотой. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа. Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого изобретения, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования (модуляции) нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными волнами, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты и их гармоник).From the above expression it follows that changes in the density ρ and pressure P at a constant temperature t lead to a change in the phase velocity of sound in time C (t) . This occurs in the zone of interaction of an electromagnetic wave with an elastic wave through a marine environment that conducts electric current. That is, in contrast to the classical equations of hydrodynamics for an ideal fluid, which are used in the theory of nonlinear parametric emitters, the phase velocity of an elastic wave changes in time and space according to the law of change of the electromagnetic wave. Thus, if an electromagnetic wave of harmonic frequency propagates in the working zone of the lumen parametric system, then the phase velocity of the elastic (lumen acoustic) wave C (t) will also change with the same frequency. Quantitative characteristics of the modulation depth can be obtained using specific engineering models for implementing the method. Testing the performance of the ideas that are the basis of the invention was carried out using electromagnetic waves to convert (modulate) the nonlinear characteristics of the working interaction zone. Obviously, the laws of nonlinear interaction for other waves, as in the case of a positive effect with electromagnetic waves, must also really exist, i.e. in the zone of reception of elastic waves, a spectrum of additional waves (components of the total and difference frequencies and their harmonics) will be formed.
Технический результат заявляемого изобретения представляет собой разработку практических путей построения широкомасштабной системы гидроакустической томографии полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, обеспечивающей измерение, формирование и представление их спектров в формате 2D и (или) 3D, а так же постоянный контроль их пространственно-временной динамики. Что достигается за счет формирования протяженного объема рабочей зоны нелинейного взаимодействия информационных волн с низкочастотными просветными сигналами в нелинейной морской среде. Рабочая зона взаимодействия волн в этом случае представляет собой многолучевую просветную параметрическую антенну.The technical result of the claimed invention is the development of practical ways to build a large-scale system of hydroacoustic tomography of the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust in the marine environment, providing measurement, formation and presentation of their spectra in 2D and (or) 3D format, as well as constant monitoring of their spatial time dynamics. What is achieved through the formation of an extended volume of the working zone of nonlinear interaction of information waves with low-frequency translucent signals in a nonlinear marine environment. The working area of wave interaction in this case is a multi-beam luminous parametric antenna.
Система осуществляет мониторинг акваторий протяженностью десятки-сотни километров. Протяженность системы гидроакустической томографии обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды низкочастотными просветными сигналами в диапазоне частот десятки-сотни герц, что реализуется существующими радиогидроакустическими средствами. Диапазон частот измеряемых информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ-колебаний движущихся объектов и неоднородностей среды как целого.The system monitors water areas with a length of tens to hundreds of kilometers. The length of the sonar tomography system is provided by sounding (pumping) of the medium by low-frequency translucent signals in the frequency range of tens to hundreds of hertz, which is realized by existing radio-acoustic means. The frequency range of the measured information waves is hundreds, tens, units, or fractions of hertz, including waves of VLF oscillations of moving objects and inhomogeneities of the medium as a whole.
Система гидроакустической томографии информационных полей реализуется существующими средствами излучения и приема просветных сигналов, в качестве которых могут быть использованы радиогидроакустические средства морского приборостроения, создаваемые в СКБ САМИ ДВО РАН.The system of hydroacoustic tomography of information fields is implemented by existing means of radiation and reception of translucent signals, which can be used as radio-acoustic means of marine instrumentation, created in SKB SAMI FEB RAS.
Технические решения изобретения подтверждены морскими испытаниями макетов экспериментальной системы просветной гидроакустической томографии информационных полей различной физической природы в морской среде.Technical solutions of the invention are confirmed by sea trials of experimental experimental luminaire hydroacoustic tomography of information fields of various physical nature in the marine environment.
Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народнохозяйственного комплексов.The claimed invention is of significant interest for solving the practical problems of marine science, defense and national economic complexes.
Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.The system is industrially applicable, since it is used for the creation of common components and products of the radio industry and computer technology.
Заявляемая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.The inventive system does not adversely affect the ecological state of the marine environment and atmosphere.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129578A RU2624602C1 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129578A RU2624602C1 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2624602C1 true RU2624602C1 (en) | 2017-07-04 |
Family
ID=59312489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016129578A RU2624602C1 (en) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2624602C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114964361A (en) * | 2022-04-26 | 2022-08-30 | 南京大学 | Ocean photoacoustic tomography method and system based on DAS |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0219340A2 (en) * | 1985-10-14 | 1987-04-22 | Gec Avionics Limited | Acoustic direction finder for use as an active responder |
| RU2096808C1 (en) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method detection of low-frequency hydroacoustic radiations |
| RU2158029C2 (en) * | 1998-12-15 | 2000-10-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) |
| RU2453930C1 (en) * | 2010-10-11 | 2012-06-20 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of parametric reception of waves of different physical origin in sea medium |
| RU2472116C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-01-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water |
| RU2550588C1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions |
-
2016
- 2016-07-19 RU RU2016129578A patent/RU2624602C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0219340A2 (en) * | 1985-10-14 | 1987-04-22 | Gec Avionics Limited | Acoustic direction finder for use as an active responder |
| RU2096808C1 (en) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method detection of low-frequency hydroacoustic radiations |
| RU2158029C2 (en) * | 1998-12-15 | 2000-10-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) |
| RU2453930C1 (en) * | 2010-10-11 | 2012-06-20 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of parametric reception of waves of different physical origin in sea medium |
| RU2472116C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-01-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water |
| RU2550588C1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114964361A (en) * | 2022-04-26 | 2022-08-30 | 南京大学 | Ocean photoacoustic tomography method and system based on DAS |
| CN114964361B (en) * | 2022-04-26 | 2023-10-10 | 南京大学 | Ocean photoacoustic tomography method and system based on DAS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2474793C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2593625C2 (en) | Method of transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back | |
| RU2593673C2 (en) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment | |
| Favali et al. | NEMO-SN1 abyssal cabled observatory in the Western Ionian Sea | |
| RU2550588C1 (en) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions | |
| 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 | |
| CN109239712B (en) | Noise detection method based on underwater sound field and sound energy flow | |
| RU2536836C1 (en) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
| 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 | |
| RU2659100C1 (en) | Large-scale radio-hydro acoustic system formation and application method for monitoring, recognizing and classifying the fields generated by the sources in marine environment | |
| 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 | |
| RU2624602C1 (en) | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
| RU2424538C1 (en) | Method of searching for mineral deposits using submarine geophysical vessel | |
| RU2474794C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2158029C2 (en) | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) | |
| RU2017131018A (en) | Global radio-acoustic system for monitoring the fields of the atmosphere, ocean and the earth's crust in the marine environment and recognition of the sources of their formation | |
| US20180045840A1 (en) | Survey method, seismic vibrator, and survey system | |
| RU2602993C1 (en) | System of acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields in marine environment | |
| RU2602770C1 (en) | Method of hydrophysical and geophysical fields acoustic tomography in marine environment | |
| RU2602995C2 (en) | Method of formation and spatial development of luminal parametric antenna in the marine environment | |
| Dahl et al. | Potential and kinetic energy of underwater noise measured below a passing ship and response to sub-bottom layering | |
| RU2593624C2 (en) | Radio-hydroacoustic system for transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190720 |