Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для создания локальных региональных и глобальных акустических систем долговременного контроля вдоль трасс распространения звука таких параметров морской среды, как средняя температура вод и ее изменчивость, проекции на трассу скорости течения, наличия на трассе гидрофизических неоднородностей, льда, движения рыбных скоплений, прохождения судов и т.п. Существо изобретения заключается в том, что в морской среде формируется акустическая приемно-излучающая трассовая схема. При этом принятый приемным элементов трассовой схемы сигнал подают на излучающую сторону трассы и нелинейно усиливают до появления автогенерации в трассовой схеме на одной из частот, определяемой гидрофизическими условиями на трассе распространения звука, затем измеряют частоту автогенерации в трассовой схеме и по ее значению судят об изменениях параметров морской среды. Режим автогенерации в трассовой схеме можно проводить в прямом и обратном направлениях для определения скорости течения. В трассовой схеме можно выделять требуемую группу лучей и на них возбуждать режим автогенерации. При обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для создания локальных региональных и глобальных акустических систем долговременного контроля вдоль трасс распространения звука таких параметров морской среды как средняя температура вод и ее изменчивость, проекции на трассу скорости течения, наличия на трассе гидрофизических неоднородностей, льда, движения рыбных скоплений, прохождения судов и т.п.

Известны способы акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, систематизированных в журнале [1] и статье [2], которые можно свети к двум основным группам: - монохроматические, в которых излучается и принимается тонально-импульсный сигнал на заранее выбранной частоте и осуществляется измерение времени распространения этого сигнала на трассе либо по фронту импульса, либо по фазе несущей; - широкополосные, например, когда излучают и принимают линейно-частотно модулированный сигнал [2] для спектроскопии временных задержек или псевдослучайный сигнал в виде фазоманипулированной M-последовательности с определением времени распространения по корреляционной функции между принятым и излученным сигналами.

Общими признаками известных способов [1, 2] акустического мониторинга являются формирование в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработка принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука.

Любой из известных способов может быть принят за прототип, например, способ описанный в работе [3] из журнала [1].

Недостатками известных способов акустического мониторинга являются необходимость излучения больших акустических мощностей для их реализации для получения требуемой точности измерений [2].

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является значительное снижение требуемой мощности излучения для реализации способа, упрощение схемы реализации способа и повышение точности измерений при меньших временных реализациях обработки сигнала за счет самоадаптации автогенератора к условиям распространения звука на трассе.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающемся в формировании в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука схемы, принятый приемным элементом трассовой схемы сигнал подают на излучающую сторону трассы и нелинейно усиливают до появления режима автогенерации в трассовой схеме на одной из частот, определяемой гидрофизическими условиями на трассе распространения звука, затем измеряют частоту автогенерации в трассовой схеме, по значению которой судят об изменениях параметров морской среды.

В частном случае формирования режима автогенерации трассовой схемы через морскую среду проводят в двух направлениях: прямом и обратном.

При этом в трассе распространения звука могут выделить требуемую группу лучей (мод), а режим автогенерации трассовой схемы возбудить при использовании выделенный лучей (мод), при этом в качестве приемного элемента используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну.

При обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды.

Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1, 2 представлены схемы реализации способа соответственно по пунктам 1 и 2 формулы изобретения; на фиг. 3 - схема реализации способа в Голубой бухте на шельфе Черного моря; на фиг. 4 - спектральные диаграммы, поясняющие существо способа.

Методика реализуется в приборе, названном авторами гидроакустическим автогенератором, особенностью которого является то, что среда (звуковой канал) входит в состав прибора и используется в качестве петли обратной связи автогенератора. Схема реализации может быть односторонней (фиг. 1) и включать необходимые преобразователи или реверсивной - с обратимыми преобразователями (фиг. 2).

Второй вариант схемы позволяет дополнительно измерять скорости морских течений.

Схема (фиг. 1) включает в себя гидроакустический излучатель 1 и гидроакустический приемник (приемный элемент) 2, расположенные на определенном расстоянии друг от друга в морской акватории 3. Имеются также последовательно соединенные нелинейный элемент 4, полосовой усилитель 5 и измеритель 6 частоты.

Гидроакустические излучатель 1 и приемник 2 в схеме на фиг. 1 могут быть необратимыми.

В схему с обратимыми гидроакустическими преобразователями 7, 8 (фиг. 2) добавляются дополнительные полосовой усилитель 9 и нелинейный элемент 10, а также два согласующих устройства 11, 12, два переключателя 13, 14, управляющее устройство 15 и линия связи 16. (на фиг. 1 линия связи не показана) Схема соединения электронных блоков представлена на фиг. 1 и 2.

В реальных условиях моря схема, реализующая способ, представлена на фиг. 3.

Представленные на фиг. 1 - 3 элементы формируют в морской среде акустическую приемно-излучающую трассовую схему, работающую в режиме автогенерации или только в прямом (фиг. 1), или последовательно в прямом и обратном направлениях (фиг. 2).

Схема автогенератора с акустической обратной связью в подводном звуковом канале может быть отнесена к классу самоадаптирующихся к среде систем морского мониторинга. При этом частота и амплитуда генерируемых колебаний определяется акустическими характеристиками трассы (включая собственные шумы акватории 3).

Чувствительность автогенератора к параметрам среды обусловлена тем, что положительная обратная связь в схеме осуществляется через излучение разнесенными в пространстве гидроакустическими излучателем 1 (7) и приемником 2 (8). Работа автогенератора сродни известному явлению "микрофонного эффекта", возникающему в помещениях, охваченных системой звукоусиления, или в слуховых аппаратах при превышении предельно допустимого усиления.

Пояснить работу автогенератора можно следующим образом. Пусть, например, шум океана, принимаемый приемником 2 (8) (гидрофоном с чувствительностью En) усиливается полосовым усилителем 5 с коэффициентом передачи Kэ, зависимым от величины звукового давления (поскольку нелинейный элемент 4 делает усилитель 5 нелинейным) и от частоты, определяемой протяженностью трассы (частоты положительной обратной связи) и интерференцией в точке приема.

Усиленный шум P_шум поступает на излучатель 1 (7) с чувствительностью E_н и, пройдя среду морской акватории 3 с потерями K_с и временем распространения звука τ, вновь принимается приемником 2 (8). Очевидно, что K_с - комплексная величина в том числе за счет многолучевости распространения звука (фиг. 2 лучи а, б, . ..n), а акустическая трасса представляет собой цепь обратной связи, которая оказывается положительной лишь для гребенки мод (фиг. 4а), следующих через 2π, в которой соседние частоты разнесены на величину c/l, где c - скорость звука, l - длина трассы. При петлевом (суммарном) коэффициенте передачи M меньше 1, система устойчива и автогенерация не возникает. Однако при этом спектр шума модифицируется и в нем возникают пики (фиг. 4а), подчеркивающие ряд частот, на которых обратная связь - положительна.

Чем ближе M к 1, тем выше амплитуда этих пиков и тем больше их добротность (фиг. 4б). При M=1 в схеме возникает автогенерация на одной из частот (фиг. 4в), где положительная обратная связь и где наблюдается интерференционный максимум для акустической трассы с многолучевым распространением звука. Частота автогенерации и положение максимумов в гребенке пиков модифицированного спектра шума (M<1) зависит от времени распространения сигнала вдоль трассы, а, следовательно, от температуры воды, от скорости течения и от стабильности интерференционной структуры акустического поля в точке приема.

Таким образом, автогенераторная система акустического мониторинга пригодна для: - измерения изменчивости акустической (волновой) дистанции, обусловленной колебаниями температуры по изменению времени распространения сигнала (фиг. 4д); - обнаружения изменений интерференционной структуры в акустическом волноводе, обусловленных динамикой неоднородностей в среде (приливы, внутренние волны, боры и т.п.) или движением объектов (косяки рыб, подводное, надводное судно) вследствие нарушения стратификации среды, а также из-за дифракционных эффектов, возникающих на объектах и в случае повышения уровня шума в окрестности приемника 2 (например, на фиг. 3 объектом исследований является судно 17); - измерение проекции скорости течений на трассу (фиг. 4г) путем сравнения рабочих частот автогенератора вдоль (П) и против (О) течения (в этом случае используется конвертируемая схема на фиг. 2 с обратимыми приемно-излучающими преобразователями 7, 8).

Работа автогенераторной схемы, реализующей способ, чрезвычайно проста. Включают излучатель 1 (7) на определенной частоте (фиг. 1, 2). Акустическая волна проходит акустическую трассу морской акватории 3 до приемника 2, на который одновременно воздействуют контролируемые факторы, например, сигнал, рассеянный судном 17 (фиг. 3). Контролируемый шум усиливается в блоках 4, 5 и вновь поступает на излучатель 1 (7). При этом схема сама настраивается на автогенераторный режим на частоте, величина которой характеризует контролируемый параметр в среде. Частота измеряется измерителем 6 частоты.

Если контролируемым параметром является скорость течения среды, то управляющее устройство 15 (фиг. 2) последовательно переключает все элементы схемы с прямого на обратный. И работа схемы повторяется то в одном, то в обратном направлениях.

Автогенератор всегда самостоятельно настраивается на частоту, соответствующую интерференционному максимуму (на частоту минимальных потерь). Именно поэтому необходимая для самовозбуждения мощность оказывается минимальной. Автогенератор в случае применения в качестве приемника 2 вертикальной антенны также автоматически выберет тот луч (моду) звукового поля, которая переносит наибольшую энергию.

Таким образом, вводя распределение (фазовые или амплитудные) по апертуре антенны можно, возбуждая режим автогенерации с использованием выделенных лучей, исследовать изменчивость гидрофизических параметров морских акваторий по выделенной таким образом трассе.

Причем определение изменчивости гидрофизических параметров морской среды и ее природу проводят по результатам анализа изменчивости частоты автогенерации (температура дает медленное изменение частоты, а появление технического объекта - быстрое и т.д.).

Автогенераторный способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий обладает по сравнению с прототипом: - простотой и высокой точностью измерения частоты - основного параметра - частоты автогенерации; - автоматической адаптацией схемы автогенератора к изменяющейся интерференционной акустической картине и настройкой на ее максимум; - высокой чувствительностью как к модулю, так и к фазе (т.е. волновой дистанции) коэффициента передачи акустического тракта; - низким уровнем акустического сигнала, необходимого для прецизионных измерений, обусловленного малой спектральной шириной линии автогенерации и невысокой мощностью излучения для компенсации автоматически минимизируемых потерь при распространении звука по трассе.

Источники информации
1. J. Acoust. Joc. Amer., 1994, 86, N 4.

2. Проблемы метрологии и гидроакустических измерений, Менделеево ВНИИФТРИ, 1992, с. 96-101.

3. W. H. Munk, R.C. Spindel, A. Baggeroel, T.C. "Birdsall The heard island feasibility test" // J. Acoust. Joc. Amer., 1994, 96, N 4, pp. 2330-2342 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, отличающийся тем, что в качестве приемного элемента трассы используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну, с помощью которой в акустической трассе распространения звука выделяют требуемую группу лучей, возбуждают режим автогенерации с использованием выделенных лучей путем направления принятого гидроакустической антенной сигнала на излучающую сторону трассы и нелинейного усиления до появления режима автогенерации на одной из частот, определяемой гидроакустическими условиями на трассе, при этом при обработке принятого гидроакустической антенной сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование режима автогенерации акустической трассы через морскую среду проводят поочередно в прямом и обратном направлениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4