Способ определения уровня собственной помехи приемной параметрической антенны и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для определения уровня собственной помехи нелинейных акустических приемников реверберационного типа. Целью изобретения является повышение качества измерений параметров низкочастотного полезного сигнала. Указанная цель достигается за счет определения уровня собственной помехи приемной параметрической антенны (ППА) непосредственно в процессе ее применения. Для этого в непосредственной близости от приемного элемента ППИ с помощью калибровочного тонального излучателя формируют сигнал сдвинутый по частоте относительно полезного низкочастотного сигнала на определенную величину. На выходе схемы обработки регистрируют оба сигнала и сравнивают их амплитуды. На основе анализа этих сигналов устанавливается наличие помехи и ее уровень, 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для определения уровня собственной помехи нелинейных акустических приемников реверберационного типа.

Известен способ определения уровня собственной помехи электронной аппаратуры, заключающийся в том, что входная клемма электронного блока обработки соединяется с "Землей", а на его выходе с помощью регистрирующего устройства осуществляют измерение интегрального уровня шума.

Недостатком известного способа является то, что он неприменим для измерения чувствительности приемных параметрических антенн (ППА). Дело в том, что отклик ППА с ее приемным преобразователем, находящимся в поле двух волн-накачки и сигнала, за счет квадратичной нелинейности амплитудной характеристики приемного тракта будет содержать компоненты комбинационных частот. Эти частотные составляющие, обусловленные взаимодействием электрических сигналов на частотах накачки ω_н и сигнала Ω, не несут информации о пространственном положении источника сигнала и поэтому для ППА являются помехой. Таким образом, паразитные гармоники электрического происхождения будут определять уровень собственной помехи ППА, откуда ясно, что применение рассмотренного способа не позволит определить ее уровень для нелинейного приемника.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения собственной помехи ППА, заключающийся в том, что излучатели сигнала и накачки размещают в диаметрально противоположных направлениях на одинаковых расстояниях от приемного элемента, электрически соединенного с трактом обработки.

При этом накачка и сигнал излучаются импульсно так, чтобы озвученные области пространства перекрывались в точке расположения приемного элемента.

Известно, что амплитуда звукового давления волн комбинационных частот, возникающих при коллинеарном распространении возмущений (плоские волны) на частоте w_н и Ω при Re > 1 определяется соотношением: (1) где ε нелинейный параметр; P_н, P_c амплитуды звукового давления накачки и сигнала; r_o, С_p плотность и скорость звука в невозмущенной среде; x длина коллинеарного пробега волн на частоте ω_н и Ω; Re акустическое число Рейнольдса.

Очевидно, что в рассматриваемом способе прототипе Х 0, тогда Р ± 0, то есть взаимодействие акустических волн отсутствует. Тогда можно уверенно сказать, что все составляющие на частотах w_н± Ω, зарегистрированные на выходе тракта обработки ППА в момент одновременного воздействия на приемный элемент импульсов накачки и сигнала, обусловленные взаимодействием сигналов в приемном тракте.

В дальнейшем для различных уровней звукового давления волн накачки и сигнала путем изменения уровня излучения определяется амплитуда комбинационных составляющих, принимается за пороговую при производстве работ с ППА.

К недостаткам способа прототипа относятся 1. Возможность определения собственной помехи только при приеме высокочастотных сигналов. Так как калибровки ППА с приемным элементом протяженностью 1 м во избежание ошибок, обусловленных рассеянием, озвученная импульсом область пространства должна составлять 1 м, его длительность должна быть 0,66 мс, что для частот заполнения Ω<1,5 кГц составляет меньше периода колебания.

2. Невозможность измерения уровня собственной помехи в процессе применения ППА, что требует дополнительных затрат времени.

3. Низкая точность способа за счет того, что невозможно точно установить источники сигнала и накачки на одинаковых расстояниях от приемного элемента.

Известный реверберационный приемник (Пат. США N 3812988, 1975 г.) по сравнению с заявляемым устройством решает иную задачу, однако их признаки могут быть сравнимы, поэтому он выбран в качестве прототипа.

Реверберационный приемник представляет собой последовательно соединенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и излучатель накачки, механически связанный с приемным элементом ППА, соединенным с электронным блоком обработки, который выделяет полезный сигнал путем детектирования входного процесса.

Излучатель накачки и приемный элемент находятся в непосредственной близости друг от друга и ориентированы в направлении источника НЧ сигнала.

Недостатком прототипа является невозможность определения уровня собственной помехи, обусловленной взаимодействием сигнала и накачки в приемном тракте, непосредственно в процессе применения ППА.

Цель изобретения повышение качества измерений параметров низкочастотного полезного сигнала путем контроля уровня собственной помехи непосредственно в процессе применения ППА.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения уровня собственной помехи ППА, заключающемся в излучении высокочастотного сигнала накачки ω_н и полезного сигнала Ω от источника излучения, приеме смеси сигнала на частотах w_н и Ω и выделения собственной помехи, обусловленной взаимодействием этих сигналов в приемном тракте методом детектирования, сигнал накачки излучают в непосредственной близости от приемного элемента, высокочастотный сигнал накачки w_н и НЧ- сигнал частотой Ω излучают непрерывно, в качестве источника полезного сигнала используют тональный излучатель, дополнительно к непосредственной близости от приемного элемента ППА излучают калибровочный сигнал частотой W-ΔΩ, где величину DW устанавливают такой, чтобы разность w_н-Ω-ΔΩ укладывалась в пределах резонансной кривой приемного элемента ППА с учетом того, что ω_н соответствует резонансу, уровень излучения калибровочного сигнала устанавливают таким, чтобы он развивал звуковое давление на поверхности приемного элемента ППА равное звуковому давлению полезного НЧ сигнала Ω, при этом уровень звукового давления калибровочного сигнала частотой W-ΔΩ и полезного НЧ- сигнала частотой W контролируют с помощью измерительного гидрофона, совмещенного с приемным элементом ППА, на выходе схемы обработки регистрируют сигналы на частотах W и W-ΔΩ, сравнивают амплитуды дискретных составляющих полезного НЧ- сигнала на частоте W и калибровочного сигнала на частоте W-ΔΩ и если амплитуда дискретных составляющих полезного сигнала на частоте W больше амплитуды гармоники на частоте W-ΔΩ делают вывод о том, что принятый сигнал с частотой W носит акустический характер, а если амплитуда дискретных составляющих сигнала на частоте W равна амплитуде дискретных составляющих калибровочного сигнала на частоте W-ΔΩ, то делают вывод о том, что принятый сигнал на частоте W является собственной помехой ППА.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для реализации способа определения собственной помехи ППА, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и излучатель накачки, механически соединенный с приемным элементом, который электрически соединен с электронным блоком обработки, соединенным с регистрирующим устройством спектроанализатором, при этом излучатель накачки и приемный элемент установлены в непосредственной близости друг от друга и ориентированы в направлении на источник полезного сигнала, расположенный в дальнем поле, дополнительно содержит низкочастотный (НЧ) генератор, усилитель мощности и низкочастотный излучатель калибровочного сигнала, измерительный гидрофон и измерительный усилитель, при этом калибровочный НЧ излучатель установлен в непосредственной близости от приемного элемента, механически связан с ним и с излучателем накачки и электрически последовательно соединен с усилителем мощности НЧ генератором калибровочного сигнала, измерительный гидрофон совмещен с приемным элементом и последовательно электрически соединен с измерительным усилителем, выходы последнего и электронного блока обработки через переключатель имеют возможность подключения к спектроанализатору, а в качестве источника полезного сигнала используется тональный излучатель, последовательно соединенный с усилителем мощности и НЧ генератором полезного сигнала.

Гармоника W-ΔΩ будет определять помеху, обусловленную паразитной модуляцией в приемном тракте, так как ввиду малости величины Х (около 1 м) звуковое давление комбинационных частот в формуле (1) P_±_→ 0, а исходя из соотношения амплитуд гармоник на частотах Ω-ΔΩ и W делают вывод о том, что принят полезный сигнал или помеха, обусловленная взаимодействием сигналов в приемном тракте.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, с помощью которого реализуют предложенный способ.

Устройство содержит последовательно соединенные ВЧ- генератор накачки 1, усилитель мощности накачки 2, излучатель накачки 3, механически соединенный с приемным элементом 4, который электрически соединен с электронным блоком обработки сигналов 5, последний соединен со спектроанализатором 6. Кроме того, устройство содержит НЧ- генератор калибровочного сигнала 7, усилитель мощности калибровочного сигнала 8, калибровочный НЧизлучатель 9, измерительный гидрофон 10, измерительный усилитель 11, переключатель 12, НЧ- генератор полезного сигнала 13, усилитель мощности полезного сигнала 14, тональный излучатель полезного сигнала 15. При этом излучатель накачки 3, приемный элемент ППА 4, измерительный гидрофон 10 и калибровочный излучатель 9 жестко закреплены на одной несущей штанге, измерительный гидрофон совмещен с приемным элементом и последовательно электрически соединен с измерительным усилителем, выходы последнего и электронного блока обработки 5 через переключатель 12 имеют возможность подключения к спектроанализатору 6.

Калибровочный НЧ- излучатель 9 установлен на расстоянии 1 м от приемного элемента и электрически последовательно соединен с усилителем мощности калибровочного сигнала 8 и НЧ- генератором 7. Излучатель накачки 2 и приемный элемент 4 ориентированы в направлении на источник полезного сигнала 15. Тональный излучатель полезного сигнала последовательно электрически соединен с усилителем мощности 14 и НЧ- генератором 13 и находится в дальнем поле на дистанции от 1 до 50 км от ППА.

Способ реализуют следующим образом.

С высокочастотного генератора 1 сигнал накачки частотой w_н поступает на усилитель мощности 2, с выхода которого сигнал подается на излучатель накачки 3 и излучается в водную среду, возбуждая в ней акустическую волну накачки, распространяющуюся встречно полезному сигналу Ω. Полезный сигнал генерируют с помощью генератора 13, усиливают в усилителе 14 и излучают излучателем 15 одновременно с излучением сигнала накачки. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды, волна накачки взаимодействует с волной полезного сигнала с образованием волн комбинационных частот w_н± Ω, которые принимают приемным элементом 4 ППА. Принятый сигнал обрабатывают в электронном блоке 5 с выделением сигнала частотой Ω методом детектирования. Помимо волны на частоте w_н± Ω на приемный элемент безусловно воздействуют возмущения на частотах Ω полезный сигнал и w_н накачка, попадающая на приемный элемент 4 за счет существования бокового поля излучателя (3). Эти воздействия преобразуются в электрические сигналы с частотами ω_н и Ω, которые также начинают взаимодействовать за счет нелинейности входных цепей электронного блока обработки (5) с образованием комбинационных частот W_н± Ω.. Комбинационные частоты обрабатываются в блоке обработки с выделением сигнала на частоте Ω 51 определенной амплитуды, который является помехой, так как не несет информации о пространственной структуре поля акустической волны полезного сигнала частотой W. Сигналы с выхода блока обработки подаются на спектроанализатор 6 для регистрации.

В связи с тем, что эффективность взаимодействия акустических волн, определяемая индексом модуляции, является недетерминированной величиной и зависит от значения параметра нелинейной среды e (см. формулу 1), может сложиться ситуация, когда индекс паразитной модуляции за счет взаимодействия электрических сигналов в блоке обработки ППА будет превышать индекс модуляции сигналов, провзаимодействовавших в водной среде. Тогда с помощью спектроанализатора будет зарегистрирована дискретная составляющая на частоте W, обусловленная аппаратурными эффектами, которая будет маскировать сигнал на частоте W, являющийся продуктом функционирования ППА как акустической антенны. То есть речь идет о том, что при работе с ППА необходимо знать порог собственных помех, возникающих за счет побочных эффектов в электронном блоке обработки, начиная с которого ППА функционирует как антенное устройство.

Для этой цели измерительным гидрофоном 10 принимают полезный сигнал, усиливают в усилителе 11 и регистрируют спектроанализатором 6. Одновременно с излучением накачки и полезного сигнала излучают с помощью НЧ- генератора калибровочного сигнала 7, усилителя мощности 8 и калибровочного излучателя 9 сигнала на частоте W-ΔΩ который принимают измерительным гидрофоном 10, усиливают усилителем 11 и регистрируют спектроанализатором 6. Регулируя уровень излучения калибровочного сигнала путем изменения коэффициента усиления усилителя мощности 8, добиваются равенства амплитуд полезного сигнала на частоте W и калибровочного на частоте W-ΔΩ на выходе измерительного гидрофона. При этом приемный преобразователь ППА принимает сигналы на частотах w_н, ω_н± Ω, Ω и W-ΔΩ.

Сигналы на частотах w_н и Ω, а также w_н и Ω-ΔΩ начинают взаимодействовать за счет нелинейности входных цепей с образованием компонент собственной помехи ППА: w_н± Ω и компонент калибровочного сигнала ω_н± (Ω-ΔΩ).. Принятые реализации обрабатываются в блоке 5 с выделением сигналов на частотах Ω и W-ΔΩ, которые регистрируются спектроанализатором 6.

В связи с тем, что калибровочный излучатель 9 расположен в непосредственной близости от приемного элемента 4 ППА (на расстоянии 1 м), значение звукового давления волн комбинационных частот, возникающих за счет взаимодействия волны калибровочного сигнала на частоте W-ΔΩ и накачки w_н, практически равно нулю из-за малой величины сомножителя х в формуле 1. Следовательно, зарегистрированная компонента на частоте Ω-ΔΩ всегда будет определять уровень собственной помехи ППА, обусловленной взаимодействием сигналов в приемном тракте.

Тогда, в случае превышения амплитуды дискретной составляющей на частоте W по отношению к амплитуде компоненты на частоте W-ΔΩ можно считать, что принятая реализация на частоте W имеет акустическое происхождение и тем самым исключить ошибки, когда компонента на частоте W обусловлена паразитной модуляцией сигналов на частоте w_н и Ω в приемном тракте ППА. Такая ситуация возможна, когда амплитуда дискретных составляющих на частотах W и W-ΔΩ, зарегистрированные с помощью спектроанализатора 6 на выходе блока обработки 5, равны.

На фиг. 2 представлена спектрограмма полезного сигнала на частоте W и калибровочного сигнала на частоте W-ΔΩ, уровень которых приблизительно на 20 дБ превышает уровень помех. Спектрограмма зарегистрирована с помощью спектроанализатора 6, подключенного на выход усилителя 11, который соединен с измерительным гидрофоном 10.

Как видно из фиг.2, амплитуды полезного сигнала на частоте W и калибровочного на частоте W-ΔΩ равны.

ППА находится в одних условиях с точки зрения воздействия входных напряжений полезного и калибровочного НЧ- сигналов, что является необходимым условием для определения уровня собственной помехи заявляемым способом.

На фиг.3, 4 представлены спектрограммы полезного и калибровочного сигналов с частотами W и W-ΔΩ соответственно, зарегистрированные с помощью спектроанализатора 6, подключенного на выход схемы обработки ППА, в случае, когда индекс модуляции при взаимодействии акустических волн равен индексу модуляции при взаимодействии сигналов в приемном тракте и уровень сигналов с частотой W и W-ΔΩ приблизительно на 50 дБ превышает уровень помехи (фиг.3) и в случае, когда индекс модуляции при взаимодействии акустических волн превышает индекс модуляции при взаимодействии сигналов в приемном тракте (фиг.4).

Преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом его реализации с помощью описанного устройства заключаются в следующем.

1. Возможность контроля работоспособности ППА при приеме НЧ -полезного сигнала частотой W,, причем нижняя граница Ω ограничивается практической возможностью излучения таких сигналов.

2. Высокая точность калибровки, определяемая точностью считывания информации с экрана спектроанализатора и уровнем боковых компонент, возникающих при взаимодействии волн накачки и калибровочного сигнала на базе 1 м, который близок к нулю.

3. Возможность калибровки в процессе применения ППА, что не требует дополнительных затрат времени.

Формула изобретения

1. Способ определения уровня собственной помехи приемной параметрической антенны (ППА), заключающийся в изучении высокочастотного сигнала накачки ω_н и полезного сигнала Ω приема смеси сигналов на частотах w_н и Ω и выделении собственной помехи, обусловленной взаимодействием этих сигналов в приемном тракте, методом детектирования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения уровня собственной помехи, сигнал накачки излучают в непосредственной близости от приемного элемента, высокочастотный сигнал накачки w_н и сигнал Ω излучают непрерывно и последний является тональным, дополнительно в непосредственной близости от приемного элемента ППА излучают калибровочный сигнал частотой W-ΔΩ, где величину ΔΩ устанавливают такой, чтобы разность w_н-Ω-ΔΩ укладывалась в пределах резонансной кривой приемного элемента ППА с учетом того, что ω_н соответствует резонансу, уровень излучения калибровочного сигнала устанавливают таким, чтобы он развивал звуковое давление на поверхности приемного элемента ППА, равное звуковому давлению сигнала Ω, при этом уровень звукового давления калибровочного сигнала с частотой Ω-ΔΩ и сигнала с частотой W контролируют с помощью измерительного гидрофона, совмещенного с приемным элементом ППА, на выходе приемного тракта регистрируют сигналы на частотах W и W-ΔΩ, сравнивают амплитуды дискретных составляющих сигнала на частоте W и сигнала на частоте W-ΔΩ и, если амплитуда дискретных составляющих сигнала на частоте W больше амплитуды дискретных составляющих на частоте W-ΔΩ, принимают решение о том, что принятый сигнал с частотой Ω носит акустический характер, а если амплитуда дискретных составляющих сигнала на частоте W равна амплитуде дискретных составляющих сигнала на частоте W-ΔΩ, принимают решение о том, что принятый сигнал на частоте Ω является собственной помехой ППА.

2. Устройство для определения уровня собственной помехи приемной параметрической антенны, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и излучатель накачки, механически соединенной с приемным элементом, выход которого соединен с входом блока обработки, выход которого соединен с входом спектроанализатора, причем излучатель накачки и приемный элемент установлены в непосредственной близости друг от друга и ориентированы в направлений на источник полезного сигнала, расположенный в дальнем поле, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные низкочастотный генератор, второй усилитель мощности и низкочастотный излучатель калиброванного сигнала, последовательно соединенные измерительный гидрофон и измерительный усилитель, при этом калиброванный низкочастотный излучатель установлен в непосредственной близости от приемного элемента, механически связан с ним и с излучателем накачки, измерительный гидрофон совмещен с приемным элементом, кроме того, выход измерительного усилителя через переключатель соединен с входом спектроанализатора и выходом блока обработки, а в качестве источника полезного сигнала используется тональный излучатель, последовательно соединенный с третьим усилителем мощности и низкочастотным генератором полезного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4