Параметрический эхолот

 

Изобретение относится к акустическим приборам активной локации и предназначено для локации дна, объектов в водной среде и донных осадках. Целью изобретения является повышение стабильности и энергетической эффективности параметрического эхолота. Для достижения поставленной цели параметрический эхолот содержит синхронизатор 1, формирователь прямоугольных импульсов 3, генераторы гармонических колебаний 5 и 6, ключи 7 и 8, усилители мощности 9,10, акустический преобразователь накачки 11, ключ 13, приемный преобразователь 17, приемник эхо-сигналов разностной частоты 18, регистрирующий прибор 19, схему задержки 2, формирователь прямоугольных импульсов 4, управляемый источник постоянного напряжения 12, усилитель постоянного тока 14, электролизные пластины 15, 16. 2 ил.

Адаптивный параметрический эхолот (АПЭ) относится к акустическим приборам активной локации и предназначен для адаптивного профилирования поверхности дна, лоцирования объектов в водной среде, донных осадках, газонасыщенных слоях.

Известен параметрический гидролокатор для исследования океана, содержащий два генератора гармонических колебаний, два ключа, управляемых формирователем прямоугольных импульсов, два усилителя мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхо-сигналов разностной частоты, регистрирующий прибор.

Недостатком аналога является сильная зависимость уровней эхо-сигналов от поверхности дна при изменении измеряемой глубины, что снижает устойчивость работы устройства.

Известен параметрический эхолот (ПЭ), содержащий два генератора гармонических колебаний, два ключа, управляемых формирователем прямоугольных импульсов, два усилителя мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхо-сигналов разностной частоты, регистрирующий прибор.

Недостатком аналога является неустойчивая нестабильная работы его из-за значительно изменяющихся уровней эхо-сигналов от поверхности дна с изменением глубины.

Наиболее близким по технической сущности достигаемому результату является параметрический эхолокатор, содержащий синхронизатор, формирователь, прямоугольных импульсов, первый и второй генераторы гармонических колебаний, первый и второй ключи, управляемые входы которых соединены с выходом первого формирователя прямоугольных импульсов, а выходы которых соединены, с входами первого и второго усилителей мощности, нагруженных на акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, выход которого через приемник эхосигналов разностной частоты соединен с входом регистрирующего прибора.

Недостатком прототипа является низкая стабильность и энергетическая эффективность параметрического источника звука.

Целью изобретения является повышение стабильности и энергетической эффективности параметрического эхолота.

Поставленная цель достигается за счет того, что в параметрическом эхолоте, содержащем синхронизатор, первый формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй генераторы гармонических колебаний, выходы которых соединены с сигнальными входами первого и второго ключей, управляемые входы которых соединены с выходом первого формирователя прямоугольных импульсов, а выходы которых соединены с входами первого и второго усилителей мощности, нагруженных на акустический преобразователь накачки, третий ключ, приемный преобразователь, выход которого через приемник эхо-сигналов разностной частоты соединен с входом регистрирующего прибора, синхронизирующий выход которого соединен с входом синхронизатора, введены схема задержки, вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход которой соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, второй формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом синхронизатора, управляемый источник постоянного напряжения, управляемый вход которого соединен с вторым выходом приемника эхо-сигналов разностной частоты, а выход которого соединен с сигнальным входом третьего ключа, управляемый вход которого соединен с выходом второго формирователя прямоугольных импульсов, усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом третьего ключа, первая и вторая электролизные пластины соединены с выходом усилителя постоянного тока, первая пластина располагается в дальнейшей зоне акустического преобразователя накачки перпендикулярно его оси, диаметр ее равен диаметру озвученного волнами накачки диска на поверхности первой пластины.

Возможность достижения цели изображения обусловлена следующими теоретическими выводами. Известно, что с увеличением нелинейности среды в активной области взаимодействия волн накачки возрастает эффективность преобразования энергии последних в энергии последним в энергию волны разностной частоты (ВРЧ), увеличивая нелинейность среды в активной области взаимодействия с увеличением измеряемой глубины и уменьшая ее с уменьшением последней, возможно получение постоянного уровня эхо-сигнала от поверхности дна, не зависящего от изменения измеряемой глубине. Экспериментальные исследования, проведенные автором, результаты которых будут опубликованы в 15 выпуске межведомственного тематического научного сборника "Прикладная акустика", наглядно показывают, что известный метод управления энергетической эффективностью преобразования энергии волн накачки в энергию ВРЧ является по самым эффективным и динамический диапазон изменения уровня звукового давления (УЭД) в ВРЧ, формирующейся в результате изменения нелинейности среды в области взаимодействия р волн накачки, практически не превышает 20 дВ. Это означает, что с помощью ПАЭ, выбранного в качество прототипа, невозможно получение высокой точности лоцирования, поскольку невозможно поддержание УЭД в эхо-сигналов от поверхности дна, изменяющихся на 20 дВ и более. Существует более эффективный способ управления энергетической эффективностью параметрического источника звука, в котором динамический диапазон изменения УЗД в ВРЧ достигает 40 дВ, который включает введение в дальнюю зону параметрического источника (ПИ) звука двух токопроводящих пластин 15 и 16 (см. фиг. 1), первую из которых - звукопрозрачную 15 располагают перпендикулярно акустической оси ПИ звука, а вторую располагают над (или рядом) с первой и подают на них импульсное напряжение с постоянными амплитудой и скважностью.

В результате электролиза по поверхности звукопрозрачной пластины формируется слой приграничных пузырьков (СПП), на котором при облучении его волнами накачки формируется низкочастотное параметрическое излучение разностной частоты. Результаты экспериментальных исследований показывают, что эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию ВРЧ зависит от концентрации газовых пузырьков в СПП, а концентрация пузырьков пропорциональна электролизному току, следовательно, и величине (амплитуде) импульсного напряжения, подаваемого на электролизные пластины. Таким образом, изменяя амплитуду напряжения, подаваемого на электролизные пластины при постоянной скважности видеоимпульсов, возможно в широких пределах изменить эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию ВРЧ. С этой целью в заявляемое устройство введен управляемый источник постоянного напряжения, амплитуда на выходе которого под действием сигнала обратной связи, сжимаемого со второго выхода приемника эхо-сигналов разностной частоты, увеличивается при уменьшении сигнала обратной связи (что ведет к увеличению концентрации газовых пузырьков в СПП, формирующемся на звукопрозрачной пластине, и, следовательно, и увеличению УЭД в формирующемся на нем зондирующем сигнале разностной частоты), а с увеличением уровня сигнала обратной связи - уменьшается. В результате возрастает стабильность поддержания уровня - эхо-сигнала от поверхности дна, что ведет также к увеличению точности профилирования поверхности морского дна.

На фиг. 1 приведена структурная схема, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу параметрического эхолота.

Параметрический эхолот содержит последовательно соединенные синхронизатор 1 и первый формирователь 3 прямоугольных импульсов. Вход второго формирователя 4 прямоугольных импульсов соединен с выходом синхронизатора 1. Выходы первого 5 и второго 6 генераторов гармонических колебаний подключены к сигнальным входам первого 7 и второго 8 ключей, управляемые входы которых подключены к выходу первого формирователя 3 прямоугольных импульсов. Выходы первого 7 и второго 8 ключей подключены соответственно и входам первого 9 и второго 10 усилителей мощности, которые нагружены на акустический преобразователь накачки 11. Выход управляемого источника 12 постоянного напряжения в качестве которого возможно использование генератора, входящего в состав гетеродинного анализатора типа 2010 фирмы "Брюль и Къер" и имеющего устройство сжатия динамического диапазона сигнала, напряжение на выходе которого увеличивается с уменьшением уровня сигнала обратной связи и уменьшается с его увеличением, к выходу которого для получения постоянного напряжения подключают последовательно соединенные амплитудный детектор, и фильтр нижних частот подключен к сигнальному входу третьего ключа 13, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока 14, а управляемый вход которого подключен к выходу второго формирователя 4 прямоугольных импульсов. Выход УПТ 14 подключен к первой 15 и второй 16 электролизным пластинам. Первая пластина - звукопрозрачная располагается в дальней зоне акустического преобразователя накачки (в этом случае за счет большего числа длин волн разностной частоты, уладывающихся на апертуре озвученного волнами накачки СПП, сохраняется высокая направленность ПИ звука, звукопрозрачная пластина может располагаться и в переходной зоне, но в этом случае ширина диаграммы направленности ПИ звука увеличится) перпендикулярно его оси, диаметр ее равен диаметру озвученного волнами накачки диска на поверхности первой пластины, в качестве первой пластины возможно использование, например, плоской токопроводящей поверхности обтекателя, или токопроводящей мембраны, закрывающий через диэлектрическую прокладку шахту, в которой располагается АПН 11, в этом случае в качестве второй электролизной пластины возможно использование корпуса судна, на котором размещается параметрический эхолот, если же корпус не является токопроводящим, то в качестве второй электролизной пластины возможно использование металлического кольца, охватывающего через диэлектрическую прокладку по периметру первую звукопрозрачную пластину. Приемный преобразователь 17 возможно установить не только рядом с АПИ 11, как это представлено на фиг. 1, где принимаемые эхо-сигналы от поверхности дна проходят через звукопрозрачную пластину 15, но и в любом другом месте судна, пригодном для этого. Выход приемного преобразователя 17 соединен с входом приемника 18 эхо-сигналов разностной частоты, первый выход которого соединен с входом регистрирующего прибора 19, а второй выход которого (снабженный амплитудным детектором и фильтром нижних частот для получения постоянного напряжения, уровень которого соответствует уровню эхо-сигнала от поверхности дна) соединен с управляемым входом управляемого источника 12 постоянного напряжения. Синхронизирующий выход регистрирующего прибора 19 подключен к входу синхронизатора 1.

Работает АПЭ следующим образом.

На выходе синхронизатора 1, управляемого посылочными контактами регистрирующего прибора 19, формируются синхроимпульсы И1. Задними фронтами последних запускается схема 2 задержки, формирующая на своем выходе видеоимпульсы И2 длительностью τ_зад равной временному промежутку, необходимому для формирования слоя приграничных пузырьков с концентрацией, пропорциональной напряжению, подаваемому на электролизные пластины, задними фронтами которых запускается первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы ИЗ с длительностью равной длительности τ излучаемых импульсов накачки. Задними фронтами синхроимпульсов И1 запускается также второй фоpмиpователь 4 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы И4 с длительностью τ равной длительности подаваемый на электролизные пластины импульсных напряжений. Непрерывные колебания с частотами f₁ и f₂, формируемые на выходах генераторов гармонических колебаний 5 и 6, поступают на сигнальные входы ключей 7 и 8, на выходах которых под воздействием видеоимпульсов И3, поступающих на их управляемые входы, формируются радиоимпульсы с гармоническим заполнением И5 и И6, которые усиливаются усилителями мощности 9 и 10 и излучаются в водную среду акустическим преобразователем накачки 11. Перед излучением волн накачки с частотами f₁ и f₂, в результате нелинейного взаимодействия которых в воде формируется ВРЧ f₁-f₂ сначала с помощью управляемого источника 12 постоянного напряжения 12, третьего ключа 13 и усилителя постоянного тока 14 формируется импульсное постоянное напряжение длительностью τ , амплитуда которого определяется уровнем сигнала обратной связи со второго выхода приемника 18 эхо-сигналов разностной частоты и которое подается на электролизные пластины 15 и 16 и тем самым формирует слой приграничных пузырьков с параметром акустической нелинейности, определяемой концентрацией газовых пузырьков, зависящей (прямо пропорционально) от амплитуды импульсов с длительностью τ . Эхо-сигнал от поверхности дна, принятый приемным преобразователем 17, И7 усиливается и обрабатывается в приемнике 18 эхо-сигналов разностной частоты и регистрируется регистрирующим прибором 19. Этот же сигнал, но выпрямленный и отфильтрованный, со второго выхода приемника эхо-сигналов разностной частоты подается на управляемый вход в качестве сигнала обратной связи управляемого источника 12 постоянного напряжения, на выходе которого формируется напряжение, амплитуда которого увеличивается с уменьшением сигнала обратной связи, и уменьшается - с его увеличением. Это приводит к регулированию уровня зондирующего сигнала разностной частоты, формирующегося на озвученном слое приграничных пузырьков, осуществляемому за счет изменения величины параметра нелинейности СПИ, в зависимости от изменения расстояния до поверхности дна. Поскольку динамический диапазон изменения УЗД в формирующейся на СПП ВРЧ на 20 дВ больше, чем в прототипе, то повышается стабильность поддержания уровня эхо-сигнала, отраженного от поверхности дна, что ведет к увеличению точности профилирования поверхности дна.

Повышение энергетической эффективности преобразования энергии волн накачки в энергию ВРЧ, используемое в предлагаемом АПЭ, увеличивают его дальность действия.

Народнохозяйственное значение возросшей эффективности ПЭ - велико. Это не только экономия электроэнергии, но и экономия машинных ресурсов электрических машин, вырабатывающих ее, экономия топливных, материальных, людских ресурсов, необходимых для обслуживания и эксплуатации этих машин. (56) Патент США N 4808599, кл. G 01 S 15/00, 1982.

Новиков Б. К. , Тимошенко В. И. Параметрические антенны в гидролокации. А. : Судостроение, 1990, с. 211, фиг. 8.8, 8.7.

Формула изобретения

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛОТ, содержащий синхронизатор, первый формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй генераторы гармонических колебаний, первый и второй ключи, управляемые входы которых соединены с выходом первого формирователя прямоугольных импульсов, а выходы соединены с входами первого и второго усилителей мощности, нагруженных на акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, выход которого через приемник эхо-сигналов разностной частоты соединен с входом регистрирующего прибора, отличающийся тем, что в него введены схема задержки, вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, второй формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом синхронизатора, последовательно соединенные управляемый источник постоянного напряжения, управляемый вход которого соединен с вторым выходом приемника эхо-сигналов разностной частоты, третий ключ, управляемый вход которого соединен с выходом второго формирователя прямоугольных импульсов, усилитель постоянного тока и первая и вторая электролизные пластины, первая - звукопроводящая и токопроводящая - пластина располагается в дальней зоне акустического преобразователя накачки, диаметр ее равен диаметру озвученного волнами накачки диска на поверхности пластины, вторая пластина выполнена в виде токопроводящего кольца, концентрически охватывающего через диэлектрическую прокладку по периметру первую пластину, выходы первого и второго генераторов гармонических колебаний соединены соответственно с сигнальными входами первого и второго ключей, а синхронизирующий выход регистрирующего прибора соединен с входом синхронизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3