Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений

 

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к параметрическому приему низкочастотных (НЧ) сигналов с помощью малогабаритных антенн. Задача, которая решается изобретением, заключается в обнаружении гидроакустических сигналов при нахождении их источника в зоне "акустической тени" относительно приемника в диапазоне частот ниже 35 Гц, а также осуществлении сканирования характеристики направленности (ХН) антенны относительно простым способом в условиях подвижного носителя. Способ реализуется следующим образом. С помощью n излучателей, расположенных определенным образом на корпусе судна, ориентированных определенным образом относительно источника НЧ сигналов, излучается ВЧ сигнал накачки на n частотах (n = 2, 3, 4 и т.д.) в нелинейную водную среду в направлении дна моря. Рассеиваясь дном, ВЧ сигнал накачки, будучи промодулированным по амплитуде НЧ полезным сигналом, принимается с помощью n приеиников, расположенных определенным образом на корпусе судна. В многоканальном (n каналов) блоке обработке осуществляется выделение НЧ сигнала из сигнала комбинационных частот методом амплитудной демодуляции. С помощью компенсатора осуществляется формирование и сканирование ХН в заданной плоскости. Производя спектральный анализ сигналов и сравнивая принятый сигнал с эталонным, принимают решение о количественных и качественных характеристиках источника НЧ гидроакустических излучений. 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в рыбопоисковых средствах, имеющих в своем составе параметрические антенны.

Известен способ обнаружения низкочастотных (НЧ) гидроакустических излучений, заключающийся в формировании, усилении и излучении шумового сигнала накачки, приеме сигналов комбинационных частот, нахождении функции корреляции между принятым сигналом накачки и задержанным случайным шумовым сигналом, формировании эквивалентной приемной антенной решетки (патент. США N 3882444, кл. G 01 S 9/66, 1975).

К недостаткам данного способа относится низкая акустическая чувствительность; сложность в обеспечении сканирования характеристики направленности (ХН) антенны; невозможность обнаружения акустических сигналов в диапазоне частот <35 Гц.

Известен способ обнаружения НЧ гидроакустических сигналов, включающий в себя генерирование высокочастотного (ВЧ) сигнала накачки ω_н его синфазную передачу на nизлучателей накачки (n равно 2,4 и т.д.), одновременное излучение в воду каждым из n излучателей накачки в направлении только на один из n приемников. С помощью приемников принимают сигналы ω_н±Ω полученные в результате нелинейного взаимодействия волн накачки и полезного сигнала. Производя задержку сигнала последовательно от каждого отдельного параметрического приемника, осуществляют сканирование ХН в заданном секторе наблюдения. (Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Л. Судостроение, 1981, с. 215-219).

К недостаткам данного способа относятся сложность в сканировании ХН в условиях подвижного носителя (надводный корабль, подводный аппарат и т.д.); невозможность обнаружения акустических сигналов в диапазоне частот <35 Гц; невозможность обнаружения и пеленгования НЧ сигналов при наличии рефракции акустических лучей; необходимость нахождения носителя акустической системы в зоне акустической освещенности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ обнаружения НЧ сигналов, заключающийся в формировании, усилении и излучении в направлении на шумящую цель ВЧ сигнала накачки, который, рассеиваясь на неоднородностях водной среды или отражаясь от рассеивающего подводного объекта, взаимодействует с НЧ полезным сигналом и при этом образуются комбинационные частоты: ω_н±Ω Принятый сигнал, содержащий комбинационные частоты ω_н±Ω подается на электронный блок обработки сигнала, где выделяется НЧ сигнал Ω методом детектирования (патент США N 3870988, кл. G 01 S 9/66, 1975 ).

К недостаткам способа-прототипа относятся сложность в сканировании ХН в условиях подвижного носителя; невозможность обнаружения гидроакустических сигналов при нахождении источника в зоне тени, а также в диапазоне частот <35 Гц.

Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке способа, свободного от указанных выше недостатков.

Технический результат предложенного способа заключается в расширении частотного диапазона (вниз) принимаемых акустических сигналов, возможности обнаружения сигналов при нахождении акустической антенны в зоне акустической тени и определении направления на источник НЧ сигналов относительно простым методом.

Поставленная цель достигается тем, что при известном способе обнаружения НЧ гидроакустических излучений, заключающемся в формировании, усилении и излучении ВЧ сигнала накачки в водную среду, приеме сигналов комбинационных частот, выделении полезного сигнала из сигналов комбинационных частот, принятии решения об обнаружении сигнала при превышении уровня полезного сигнала над пороговым значением, отличающемся тем, что излучение сигнала накачки производится на nчастотах (n 2, 3, 4 и т.д.) с помощью n излучателей, расположенных определенным образом на корпусе судна-носителя и ориентированных определенным образом относительно источника НЧ гидроакустических излучения, сигналы комбинационных частот принимают с помощью nприемников, формируют характеристику направленности путем задержки акустических сигналов от каждого из n приемников, производят спектральный анализ сигналов и сравнивают его с эталонным, после чего принимают решение о количественных и качественных характеристиках источника НЧ гидроакустических излучений.

Расширение (вниз) частотного диапазона обнаруженных гидроакустических излучений достигается за счет исключения из схемы обработки сигналов режекторных фильтров. Выделение полезного сигнала из модуляционного процесса производится с помощью амплитудного детектора, поэтому режекторные фильтры заменены на полосовые.

Таким образом, использование операции амплитудной демодуляции вместо операции фазовой демодуляции (что особенно важно при относительно больших индексах модуляции) позволило обнаруживать НЧ гидроакустические излучения в более низком диапазоне частот.

Обнаружение НЧ сигналов при нахождении его источника в зоне "акустической тени" стало возможным благодаря использованию явления нелинейного взаимодействия акустических волн в реальной морской среде при их перпендикулярном распространении. В этом случае "инструментом", исключающим существование зоны "акустической тени", выступает участок нелинейной водной среды, озвученный специальным ВЧ сигналом накачки.

Расположение n излучателей и n приемников определенным образом на корпусе судна-носителя и их ориентация определенным образом относительно источника НЧ гидроакустических излучений позволило определять направление на источник НЧ сигналов относительно простым методом характеристика направленности антенны формируется путем задержки акустических сигналов от каждого из n приемников.

Следует отметить, что взаимодействие акустических волн при их перпендикулярном распространении происходит аналогично описанному в (Горелик А.Г. Зверев В.А. К вопросу о взаимодействии звуковых волн. Акуст.журн. 1995, т.1, вып. 4, с. 340-342) способу. Однако в данном случае не требуется (как при способе-прототипе) излучать интенсивный ВЧ сигнал накачки с целью получения интенсивности рассеянного ВЧ сигнала накачки, достаточный для взаимодействия акустических волн в воде. Это связано с тем, что коэффициент обратного рассеяния дна значительно превышает аналогичный параметр для объема водной среды (как при способе-прототипе). Вертикально лоцируя дно, получает на приемнике максимально возможной уровень рассеянного сигнала накачки за счет наибольшей разности в волновых сопротивлениях воды и дна моря, а также по причине лоцирования фиксированной плоскости прием осуществляется фазированного сигнала накачки.

Говоря о использовании систем излучатель накачки приемник, следует указать, что расстояние между ними должно быть не более l_вч/2 где λ_вч длина волны верхней граничной частоты принимаемого сигнала. В этом случае при строго вертикальном лоцировании дна моря на нем будут образовываться области взаимодействия акустических волн с расстоянием между ними λ_вч/2 Предлагается ориентировать системы таким образом, чтобы сформировать на дне моря условную "антенну" (область водного пространства) заданной конфигурации в зависимости от гидролого-акустических условий и сигнально-помеховой обстановки). Объединение нескольких пар преобразователей (излучатель накачки-приемник) в антенну приводит в повышению чувствительности способа и понижает порог обнаружения. Излучение ВЧ сигнала накачки на n частотах необходимо для повышения достоверности обнаружения НЧ полезного сигнала, т.к. при излучении ВЧ сигнала накачки только на одной частоте рассеянный сигнал накачки может быть принят соседним приемником. Данное обстоятельство приведет в невозможности создания на дне моря антенны заданной конфигурации, к невозможности определения направления на источник НЧ гидроакустических сигналов. Разнос в частотных диапазонах по каналам должен быть равным полосе пропускания фильтра нижних частот которая определяется диапазоном принимаемых частот полезного НЧ сигнала.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого способа являются: лоцирование из зоны" акустической тени" дна моря путем излучения под определенными углами ко дну моря ВЧ сигнала накачки на n различных частотах с помощью n излучателей для формирования на дне моря "условной антенны" заданной конфигурации; демодуляция принятого процесса осуществляется с помощью амплитудного детектора; сканирование ХН антенны в условиях подвижного носителя осуществляется относительно простым (по сравнению с прототипом) способом - путем задержки акустических сигналов от каждого из n приемников.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Анализ известных технических решений с целью обнаружения в них указанных отличительных признаков показал следующее.

Признак 1 является новым и неизвестно его использование в нелинейной гидроакустике. В то же время операция формирования "условной антенны" известна в классической гидроакустике.

Признак 2 является хорошо известным в гидроакустике и широко применяется в различных гидроакустических средствах наблюдателя.

Признак 3 также хорошо известен в гидроакустике.

Таким образом, наличие новых существенных признаков в совокупности с известными обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений обнаруживать НЧ гидроакустические сигналы источника, находящегося в зоне "акустической тени" относительно приемника, при этом, направление на источник НЧ сигналов определяется относительно простым способом. В данном случае мы имеем новую совокупность признаков и их новую взаимосвязь, причем не простое объединение новых признаков и уже известных в гидроакустике, а именно выполнение операций в предложенной последовательности и приводит к качественно новому эффекту.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии разработанного способа критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема, с помощью которой реализуется способ обнаружения НЧ гидроакустических излучения. Устройство состоит из n излучателей и n приемников, расположенных определенным образом на корпусе носителя и ориентированных определенным образом относительно источника НЧ сигналов (обозначены "И" и "П" соответственно). Излучатель ВЧ сигнала накачки и приемник объединены в одну систему (И₁ П₁), выход который подключен к входу канала обработки, состоящего из последовательно электрически связанных полосового фильтра (ПФ₁), амплитудного детектора (АД₁), фильтра нижних частот (ФНЧ₁) и усилителя нижних частот (УНЧ₁) и предназначенного для выделения НЧ полезного сигнала на частоте Ω из сигнала на комбинированных частотах w_н±Ω методом амплитудного детектирования. С выходов n каналов сигналы поступают на вход компенсатора, с помощью которого осуществляется сканирование ХН "антенны". Далее НЧ сигнал поступает на пороговую схему, где принимается решение о наличии (отсутствии) НЧ полезного сигнала. Затем сигнал поступает на вход спектроанализатора, где его сравнивают с эталонным и после этого принимают решение о количественных и качественных характеристиках источника НЧ гидроакустических излучения.

На фиг.2 представлены сонограммы шумоизлучения НЧ источника НЧ сигналов в диапазоне частот 0 50 Гц, зарегистрированные с помощью устройства, реализующего способ-прототип (участок N 1 на фиг.2), а также с помощью устройства, реализующего разработанный способ (участок N 2 на фиг.2). Как видно из фиг.2, в первом случае регистрировалась только дискретная составляющая на частоте 42 Гц. Во втором случае регистрировался целый спектр сигнала в диапазоне частот ниже 35 Гц. Таким образом данный рисунок наглядно демонстрирует преимущества разработанного способа по сравнению со способом-прототипом. На фиг. 3, 4 представлены сонограммы, зарегистрированные на выходе устройства, реализующего разработанный способ. В первом случае (фиг.3) зарегистрированы НЧ сигналы от морской цели в виде дискретных составляющих (ДС) на частотах 15, 18 и 37 Гц. Во втором случае (фиг.4) зарегистрированы эталонный сигнал на частоте 28,5 Гц. В перечисленных выше случаях источник НЧ сигналов находился в зоне "акустической тени" относительно приемника. Следует обратить особое внимание на фиг.4, т.к. в этом случае источник НЧ сигналов целенаправленно был размещен строго под акустической системой (в зоне "акустической тени"). Регистрация сигнала на частоте 28,5 Гц явилась следствием взаимодействия акустических волн при их перпендикулярном распространении в нелинейной водной среде. Детально анализируя сонограмму, представленную на фиг. 4, можно выделить участки времени, когда акустическая система была ориентирована на источник сигнала (более яркая отметка от ДС), ориентирована в сторону от источника (на несколько градусов) отсутствие ДС на сонограмме в данный момент времени, а также моменты сканирования ХН антенны (яркие прерывистые линии в начале сонограммы от ДС 28,5 Гц).

Таким образом преимущество разработанного способа заключается в том, что он позволяет относительно просто осуществлять сканирование ХН в условиях подвижного носителя; позволяет обнаруживать гидроакустические сигналы при нахождении их источника в зоне "акустической тени", а также в диапазоне частот ниже 35 Гц.

По сравнению с прототипом заявляемый способ имеет более высокий коэффициент преобразования энергии волны накачки в энергию волн комбинационных частот за счет использования дна моря в качестве отражателя сигнала накачки при вертикальном зондировании дна. Данное обстоятельство приводит к повышению акустической чувствительности и помехоустойчивости способа.

Кроме того, можно ориентировать систему таким образом, чтобы на дне моря формировалась условная "антенна" заданный конфигурации (геометрические размеры, расположение на дне моря и на определенном расстоянии относительно носителя, с перекрытием "просматриваемых" областей пространства и т.д.), что позволит эффективно использовать способ в различных гидрологоакустических условиях при различных соотношениях сигнал/помеха.

Формула изобретения

Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений, заключающийся в формировании, усилении и излучении высокочастотного сигнала накачки в водную среду, приеме сигналов комбинационных частот, выделении полезного сигнала из сигналов комбинационных частот, принятии решения об обнаружении сигнала при превышении уровня полезного сигнала над пороговым уровнем, отличающийся тем, что излучение сигнала накачки производят на n частотах с помощью излучателей, расположенных на корпусе судна-носителя и ориентированных в направлении источника, сигналы комбинационных частот принимают с помощью n приемников, характеристику направленности по приему формируют путем задержки акустических сигналов от каждого из n приемников, производят спектральный анализ сигналов и сравнивают его с эталонным, принимают решение о количественных и качественных характеристиках источника низкочастотных гидроакустических излучений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4