Способ гидроакустического обнаружения и вытеснения пловцов и морских биологических объектов от системы водозабора атомной электростанции

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано в прикладной гидроакустике - для защиты водозаборных сооружений атомных электростанций от проникновения диверсантов, а также в рыбной промышленности - для защиты водозаборных сооружений от проникновения морских биологических объектов. Технический результат заключается в распознавании объекта и определении его пространственных координат в условиях повышенных шумов моря и интенсивной реверберации. Способ заключается в формировании, усилении и излучении высокочастотных (ВЧ) волн накачки на частотах ω ₁ и ω ₂, сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, ВЧ волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения, образовании низкочастотной (НЧ) волны разностной частоты Ω =ω ₁-ω ₂, образовании ВЧ волн комбинационных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’, ω ₄±Ω ’ и ω ₄±Ω’’, выделении НЧ сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении морского объекта, осуществляется классификация, определение курса, скорости и пространственных координат морского объекта, непрерывное воздействие интенсивных ВЧ волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения с морскими биологическими объектами для его гидроакустического очищения. 7 ил.

 

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано в прикладной гидроакустике - для защиты водозаборных сооружений атомных электростанций от проникновения подводных диверсантов и в рыбной промышленности - для защиты водозаборных сооружений от проникновения морских биологических объектов, а также для контроля прохода скоплений рыб через заданный рубеж.

Задача, которая решается изобретением, заключается в обнаружении, классификации, определении пространственных координат и параметров движения (курс, скорость и др.) “акустически малозаметных” (с малым уровнем подводных шумов и слабой отражательной способностью) морских объектов (подводных диверсантов, морских биологических объектов и др.) в условиях повышенных шумов моря и интенсивной реверберации; в “гидроакустическом вытеснении” морских объектов с заданной акватории, а также “гидроакустической очистки” от морских биологических объектов ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

Способ реализуется следующим образом.

На водной акватории (часть водохранилища, часть прибрежной морской акватории и др.) в непосредственной близости от берега расположено водозаборное сооружение, вход в которое охраняет металлическая защитная сетка с ячейками. На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом (подводными диверсантами, морскими биологическими объектами и др.), располагается блок параметрического излучения низкочастотных (НЧ) сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, располагается ультразвуковой блок. На противоположной стороне рубежа расположен блок параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов.

При помощи генератора, усилителя мощности и высокочастотного (ВЧ) излучателя сигнала накачки блока параметрического излучения НЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁ и ω ₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов. В неоднородной водной среде происходит нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁, ω ₂ с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω =ω ₁-ω ₂, которая облучает морской объект, рассеивается на нем, распространяется в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов, а также в направлении пространственно разнесенного с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов.

При помощи генератора, усилителя мощности и излучателя ВЧ-сигнала накачки блока параметрического приема НЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω ₃ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω ’’. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’, которые распространяются, в том числе, в сторону ВЧ приемной антенны, имеющей компенсатор для формирования и сканирования характеристики направленности (ХН) в заданной плоскости, блока параметрического приема НЧ-сигналов. В демодуляторе осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₃±Ω’ и ω ₃±Ω’’ методом детектирования. В анализаторе производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’, а также их сравнение с эталонными сигналами. При помощи радиоприемника осуществляется прием гидроакустической информации от ультразвукового блока и 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов. В электронно-вычислительной машине (ЭВМ) принимается решение об обнаружении морского объекта, осуществляется его вторичная классификация, определяются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.).

При помощи генератора, усилителя мощности и излучателя ВЧ-сигнала накачки 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₄, близкой к собственной резонансной частоте доминирующих в данной водной акватории морских биологических объектов (МБО) ω _s. Рассеиваясь на МБО, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω ₄ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω ’’. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω ₄±Ω ’ и ω ₄±Ω ’’, которые распространяются, в том числе, в сторону ВЧ приемной антенны, имеющей компенсатор для формирования и сканирования ХН в заданной плоскости, блока параметрического приема НЧ-сигналов. В демодуляторе осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₄±Ω’ и ω ₄±Ω’’ методом детектирования. В анализаторе производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’, а также их сравнение с эталонными сигналами. В ЭВМ принимается решение об обнаружении морского объекта, осуществляется его первичная классификация, оцениваются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.). При помощи радиопередатчика осуществляется передача гидроакустической информации от ЭВМ 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов на радиоприемник блока параметрического приема НЧ-сигналов.

При помощи антенны ультразвукового диапазона, усилителя и устройства обработки ультразвукового блока осуществляется прием, усиление и обработка ВЧ-сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов. В анализаторе производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) ВЧ-сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, а также их сравнение с эталонными сигналами. В ЭВМ принимается решение об обнаружении морского объекта, осуществляется его первичная классификация, оцениваются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.). При помощи радиопередатчика осуществляется передача гидроакустической информации от ЭВМ ультразвукового блока на радиоприемник блока параметрического приема НЧ-сигналов.

При помощи генератора, усилителя мощности и излучателя блока непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и непрерывное излучение интенсивных ВЧ-волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку с ячейками водозаборного сооружения в непосредственной близости от защитной металлической сетки. В результате происходит “гидроакустическое очищение” от МБО защитной металлической сетки с ячейками водозаборного сооружения.

В связи с тем что НЧ-волна разностной частоты Ω формируется в диапазоне частот от 4 Гц до ~3 кГц, распространяется в области водной среды вдоль металлической защитной сетки водозаборного сооружения, она особо эффективно воздействует на подводного пловца на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на МБО в диапазоне частот от 5 до 12 Гц; вызывает резкие отрицательные изменения в функционировании их внутренних органов и осуществляет их “гидроакустическое вытеснение” из области водной среды, непосредственно прилегающей к водозаборному сооружению.

Известно, что атомные электростанции (АЭС) нуждаются в принудительной подаче большого количества воды в качестве охлаждающей жидкости и оснащаются, в том числе, системой водозабора, потенциально являющейся возможным путем проникновения террористов и требующей охраны от возможного действия подводных диверсантов. Кроме того, система водозабора АЭС и, в частности, механические защитные сетки нуждаются в охране от МБО, которые под действием интенсивного потока воды (образующегося при работе насосов системы водозабора) забиваются в ячейки механической защитной сетки и существенно ухудшают работу системы водозабора. Указанные выше причины (механическое разрушение системы водозабора взрывными источниками подводных диверсантов и “забивка” ячеек механической защитной сетки МБО) могут привести к серьезным аварийным ситуациям на АЭС.

Известен способ обнаружения морских объектов (в том числе и биологических), заключающийся в формировании (вследствие своего движения и т.д.) морскими объектами сигналов в широком (от единиц Гц до нескольких кГц) диапазоне частот, приеме широкополосных сигналов от морских объектов, их усилении, спектральном анализе, сравнении их с эталонными сигналами и принятии решения об обнаружении морских объектов /Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. - М.: Пищевая промышленность, 1977, с.172-190/.

К недостаткам данного способа относятся:

1. Сложность обнаружения и пеленгования источника НЧ-сигналов.

2. Незначительная дальность из-за низкого соотношения сигнал/помеха (С/П) на выходе приемника.

3. Низкая достоверность распознавания морских объектов.

4. Невозможность “гидроакустического вытеснения” морских объектов с заданной акватории.

5. Невозможность “гидроакустической очистки” ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

Известен способ обнаружения морских объектов (в том числе и биологических), заключающийся в формировании, усилении и излучении в водную среду гидроакустических сигналов; распространении гидроакустических сигналов, в том числе и в сторону морского объекта; приеме и анализе гидроакустических сигналов, прошедших через водную среду и отразившихся от морского объекта, и принятии решения об обнаружении морских объектов /Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982, с.119/.

К недостаткам данного способа относятся:

1. Сложность обнаружения и пеленгования малоразмерного (с малой отражательной способностью) морского объекта.

2. Незначительная дальность из-за низкого соотношения С/П (особенно в условиях поверхностной и донной реверберации) на выходе приемника.

3. Низкая достоверность распознавания морских объектов.

4. Невозможность “гидроакустического вытеснения” морских объектов с заданной акватории.

5. Невозможность “гидроакустической очистки” ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу относится способ обнаружения морских объектов (в том числе и биологических), заключающийся в том, что на одной стороне контролируемого рубежа располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов, а на противоположной стороне располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов. С помощью блока параметрического излучения НЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁ и ω ₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов, нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω =ω ₁-ω ₂, распространяющейся направленно в водной среде. Блок параметрического приема НЧ-сигналов осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₃, который, рассеиваясь на неоднородностях водной, взаимодействует с НЧ-волной разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения рыб на частоте Ω ’’, с образованием ВЧ-волн комбинационных частот ω ₃±Ω’ и ω ₃±Ω’’, распространяющихся в сторону блока параметрического приема НЧ-сигналов, где осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω ’’ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении скопления рыб /Способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями. - Патент РФ №2205425, приоритет 28.01.02 г., заявка №2002102516/. К недостаткам данного способа относятся:

1. Сложность обнаружения и пеленгования источника НЧ-сигналов, особенно в условиях повышенных шумов моря.

2. Сложность обнаружения и пеленгования малоразмерного (с малой отражательной способностью) морского объекта.

3. Невозможность определения курса, скорости и пространственных координат морского объекта.

4. Низкая достоверность распознавания морских объектов.

5. Невозможность “гидроакустического вытеснения” морских объектов с заданной акватории.

6. Невозможность “гидроакустической очистки” ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

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

Технический результат предложенного способа заключается в обнаружении, классификации, определении пространственных координат и параметров движения (курс, скорость и др.) “акустически малозаметных” (с малым уровнем подводных шумов и слабой отражательной способностью) морских объектов в условиях повышенных шумов моря и интенсивной реверберации; “гидроакустическом вытеснении” морских объектов с заданной акватории, а также “гидроакустической очистки” ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в размещении на одной стороне контролируемого рубежа блока параметрического излучения НЧ-сигналов, а на противоположной стороне рубежа блока параметрического приема НЧ-сигналов; с помощью блока параметрического излучения НЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁ и ω ₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов; нелинейном взаимодействии ВЧ-волн накачки с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω =ω ₁-ω ₂, распространяющейся направленно в водной среде; блок параметрического приема НЧ-сигналов осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₃, который, рассеиваясь на неоднородностях водной, взаимодействует с НЧ-волной разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω ’’, с образованием ВЧ-волн комбинационных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’, распространяющихся в сторону блока параметрического приема НЧ-сигналов, где осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении морского объекта, при этом параметрическое излучение НЧ-сигналов осуществляется в пространственном секторе, одна сторона которого примыкает к защитной металлической сетке водозаборного сооружения; 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов расположен на одной стороне рубежа с блоком параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесен с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₄, близкой к собственной резонансной частоте МБО ω _s, который, рассеиваясь на МБО, взаимодействует с НЧ-волной разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω ’’, с образованием ВЧ-волн комбинационных частот ω ₄±Ω ’ и ω ₄±Ω’’, распространяющихся в сторону 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов, где осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₄±Ω’ и ω ₄±Ω ’’ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении морского объекта в момент времени, когда он еще не обнаружен блоком параметрического приема НЧ-сигналов; на одной стороне с блоком параметрического излучения НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, расположен ультразвуковой блок, в котором осуществляется прием, усиление и обработка ВЧ-сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно; по информации, полученной с выхода блока параметрического приема НЧ-сигналов, выхода 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов и ультразвукового блока, осуществляется классификация, определение курса, скорости и пространственных координат морского объекта; с помощью блока непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и непрерывное излучение интенсивных ВЧ-волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения в непосредственной близости от защитной металлической сетки водозаборного сооружения; непрерывное воздействие интенсивных ВЧ-волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения с МБО и “гидроакустическое очищение” от МБО защитной металлической сетки водозаборного сооружения; НЧ-волна разностной частоты Ω формируется в диапазоне частот от ~3 Гц до ~3 кГц, распространяется в области водной среды вдоль металлической защитной сетки водозаборного сооружения, особо эффективно воздействует на подводного пловца на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на МБО в диапазоне частот от 5 до 12 Гц; вызывает резкие отрицательные изменения в функционировании их внутренних органов и осуществляет их “гидроакустическое вытеснение” из области водной среды, непосредственно прилегающей к водозаборному сооружению.

Упрощение процессов обнаружения и пеленгования источника НЧ-сигналов (первичное акустическое поле морского объекта), особенно в условиях повышенных шумов моря, достигается за счет того, что на одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом, располагается ультразвуковой блок. На противоположной стороне рубежа расположен блок параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов. В этом случае реализуется несколько методов обнаружения морского объекта:

- параметрический прием и пеленгование НЧ-сигналов морского объекта с помощью блока параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенного с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов;

- дифракция, рассеяние и расфокусировка на морском объекте ВЧ-сигналов накачки ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно;

- нелинейное преобразование полями морского объекта различной физической природы (акустическим, электромагнитным и др.) ВЧ-сигналов накачки ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно.

Упрощение процессов обнаружения и пеленгования малоразмерного (с малой отражательной способностью) морского объекта (вторичное акустическое поле), особенно в условиях реверберации, достигается за счет того, что на одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом, располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов, а на противоположной стороне рубежа располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов. В этом случае эхо-сигналы от морского объекта принимаются одновременно 2-мя блоками параметрического приема НЧ-сигналов в 2-х разнесенных точках водного пространства.

Определение курса, скорости и пространственных координат морского объекта достигается тем, что на одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом, располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, ультразвуковой блок. На противоположной стороне рубежа располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов. В этом случае реализуется несколько методов определения пространственных координат и параметров движения морского объекта по информации, содержащейся в различных акустических полях:

- первичное поле: параметрический прием и пеленгование морского объекта с помощью блока параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенного с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов;

- вторичное поле: параметрическое излучение НЧ-сигналов с помощью блока параметрического излучения НЧ-сигналов;

- дифракция и расфокусировка на морском объекте ВЧ-сигналов накачки ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно.

Повышение достоверности распознавания (классификации) морских объектов достигается за счет того, что на одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом, располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, ультразвуковой блок. На противоположной стороне рубежа располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов.

В этом случае реализуется несколько методов распознавания морского объекта по информации, содержащейся в различных акустических полях:

- первичное поле: спектральные, энергетические, геометрические и др.;

- вторичное поле: интенсивность, угловая протяженность, форма отметки эхо-сигнала и др.;

- дифракция, рассеяние и расфокусировка на морском объекте ВЧ-сигналов накачки ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно;

- нелинейное преобразование полями морского объекта различной физической природы (акустическим, электромагнитным и др.) ВЧ-сигналов накачки ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов соответственно.

Следует заметить, что при комплексном использовании различных методов обнаружения (определения координат и параметров движения морского объекта, его распознавания и т.д.) недостатки одного метода компенсируются достоинством других методов.

Возможность “гидроакустического вытеснения” морских объектов с заданной акватории достигается за счет того, что НЧ-волна разностной частоты Ω формируется в диапазоне частот от 4 Гц до ~3 кГц, распространяется в области водной среды, в том числе и вдоль металлической защитной сетки водозаборного сооружения. Она эффективно воздействует на подводного пловца, особенно на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на МБО, особенно в диапазоне частот от 5 до 12 Гц; вызывает резкие отрицательные изменения в функционировании их внутренних органов и осуществляет их “гидроакустическое вытеснение” с заданной водной акватории.

Возможность “гидроакустической очистки” ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения от МБО достигается за счет того, что при помощи генератора, усилителя мощности и излучателя блока непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов осуществляется формирование, усиление и непрерывное излучение интенсивных ВЧ-волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку с ячейками водозаборного сооружения в непосредственной близости от защитной металлической сетки.

Отличительные от прототипа признаки заявляемого способа.

1. Параметрическое излучение НЧ-сигналов осуществляется в пространственном секторе, одна сторона которого примыкает к защитной металлической сетке водозаборного сооружения.

2. НЧ-волна разностной частоты Ω формируется в диапазоне частот от ~4 Гц до ~3 кГц. Она особенно эффективно воздействует на подводных пловцов на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на МБО в диапазоне частот от 5 до 12 Гц и осуществляет их “гидроакустическое вытеснение” из области водной среды, непосредственно прилегающей к водозаборному сооружению.

3. Дополнительно используется 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов, который расположен на одной стороне рубежа с блоком параметрического приема НЧ-сигналов и пространственно разнесен с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения.

4. Дополнительно используется ультразвуковой блок, находящийся на одной стороне с блоком параметрического излучения НЧ-сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения.

5. Дополнительно используется блок непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов для “гидроакустическом очищения” от МБО защитной металлической сетки водозаборного сооружения.

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 известным в гидроакустике. Однако неизвестно его использование для создания условий, неблагоприятных для внутренних органов подводных пловцов и МБО, находящихся в непосредственной близости от водозаборного сооружения.

Признак 2 является известным в нелинейной гидроакустике. Однако неизвестно его использование для воздействия на подводных пловцов и МБО с целью их “гидроакустического вытеснения” от защитной металлической сетки водозаборного сооружения.

Признаки 3 и 5 являются известными в нелинейной гидроакустике.

Признак 4 является новыми и неизвестно его использование в процессе применения параметрических приемных антенн для обнаружения, распознавания (классификации) определения пространственных координат и параметров движения морских объектов. В то же время из нелинейной гидроакустики известно совместное использование блоков параметрического приема НЧ-сигналов.

Таким образом, наличие новых признаков в совокупности с известными обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений - обеспечить обнаружение, классификацию, определение пространственных координат и параметров движения “акустически малозаметных” (с малым уровнем подводных шумов и слабой отражательной способностью) морских объектов (подводных диверсантов, морских биологических объектов и др.) в условиях повышенных шумов моря и интенсивной реверберации; осуществлять “гидроакустическое вытеснение” морских объектов с заданной акватории, а также производить “гидроакустическую очистку” от МБО ячеек металлической защитной сетки водозаборного сооружения.

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, что приводит к качественно новому эффекту.

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

На фиг.1 представлена функциональная схема реализации разработанного способа гидроакустического обнаружения и вытеснения пловцов и МБО от системы водозабора, в том числе АЭС.

На фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующего разработанный способ гидроакустического обнаружения и вытеснения пловцов и МБО от системы водозабора, в том числе АЭС.

На акватории расположено водозаборное сооружение (1), вход в которое охраняет металлическая защитная сетка (2) с ячейками (3). На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом (4), располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов (5) и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения (1), ультразвуковой блок (6). На противоположной стороне рубежа расположен блок параметрического приема НЧ-сигналов (7) и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения (1), 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов (8). В непосредственной близости от водозаборного сооружения (1) расположен блок непрерывного изучения интенсивных ВЧ-сигналов (39).

При этом блок параметрического излучения НЧ-сигналов (5) содержит последовательно электрически соединенные генератор (9), усилитель мощности (10) и ВЧ-излучатель сигнала накачки (11). Блок параметрического приема НЧ-сигналов (7) содержит последовательно электрически соединенные генератор (12), усилитель мощности (13) и излучатель ВЧ-сигнала накачки (14), а также последовательно электрически соединенные ВЧ приемную многоэлементную антенну (15), имеющую компенсатор (16) для формирования и сканирования ХН в заданной плоскости, демодулятор (17), анализатор (18) и ЭВМ (19), а также радиоприемник (20). Второй блок параметрического приема НЧ-сигналов (8) содержит последовательно электрически соединенные генератор (21), усилитель мощности (22) и излучатель ВЧ-сигнала накачки (23), а также последовательно электрически соединенные ВЧ приемную многоэлементную антенну (24), имеющую компенсатор (25) для формирования и сканирования ХН в заданной плоскости, демодулятор (26), анализатор (27) и ЭВМ (28), а также радиопередатчик (29).

При этом ультразвуковой блок (6) содержит последовательно электрически соединенные антенну ультразвукового диапазона (30), усилитель (31), устройство обработки (32), анализатор (33) и ЭВМ (34), а также радиопередатчик (35). Блок непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов (39) содержит последовательно электрически соединенные генератор (36), усилитель мощности (37) и излучателя (38).

Способ реализуется следующим образом.

На водной акватории (часть водохранилища, часть прибрежной морской акватории и др.) в непосредственной близости от берега расположено водозаборное сооружение (1), вход в которое охраняет металлическая защитная сетка (2) с ячейками (3). На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающегося морским объектом (4), располагается блок параметрического излучения низкочастотных (НЧ) сигналов (5) и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения (1), ультразвуковой блок (6); на противоположной стороне рубежа расположен блок параметрического приема НЧ-сигналов (7) и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения (1), 2-й блок параметрического приема НЧ-сигналов (8).

С помощью генератора (9), усилителя мощности (10) и высокочастотного (ВЧ) излучателя сигнала накачки (11) блока параметрического излучения НЧ-сигналов (5) осуществляется формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁ и ω ₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов (7). В неоднородной водной среде происходит нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки на частотах ω ₁, ω ₂ с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω =ω ₁-ω ₂, которая облучает морской объект (4), рассеивается на нем, распространяется в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов (7), а также в направлении пространственно разнесенного с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения (1), 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов (8).

При помощи генератора (12), усилителя мощности (13) и излучателя ВЧ-сигнала накачки (14) блок параметрического приема НЧ-сигналов (7) осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω ₀, находящихся в приповерхностном слое воды. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω ₃ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженной от морского объекта (4) Ω ’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта (4) на частоте Ω ’’. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’, которые распространяются, в том числе, в сторону ВЧ приемной антенны (15), имеющей компенсатор (16) для формирования и сканирования характеристики направленности (ХН) в заданной плоскости, блока параметрического приема НЧ-сигналов (7). В демодуляторе (17) осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₃±Ω ’ и ω ₃±Ω’’ методом детектирования. В анализаторе (18) производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ сигналов на частотах Ω ’ и Ω ’’, a также их сравнение с эталонными сигналами. При помощи радиоприемника (20) осуществляется прием гидроакустической информации от ультразвукового блока (6) f₁ и 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов (8) f₂. В электронно-вычислительной машине (ЭВМ) (19) принимается решение об обнаружении морского объекта (4), осуществляется его вторичная классификация, определяются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.).

При помощи генератора (21), усилителя мощности (22) и излучателя ВЧ-сигнала накачки (23) 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов (8) осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω ₄, близкой к собственной резонансной частоте доминирующих в данной водной акватории морских биологических объектов (МБО) ω _s. Рассеиваясь на МБО, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω ₄ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженной от морского объекта (4) Ω _s’, а также с НЧ-волной собственного излучения морского объекта (4) на частоте Ω ’’. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω ₄±Ω _s’ и ω ₄±Ω’’, которые распространяются, в том числе, в сторону ВЧ приемной антенны (24), имеющей компенсатор (25) для формирования и сканирования ХН в заданной плоскости, блока параметрического приема НЧ-сигналов (8). В демодуляторе (26) осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ω _s’ и Ω ’’ из ВЧ модуляционных частот ω ₄±Ω _s’ и ω ₄±Ω’’ методом детектирования. В анализаторе (27) производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ сигналов на частотах Ω _s’ и Ω ’’, а также их сравнение с эталонными сигналами. В ЭВМ (28) принимается решение об обнаружении морского объекта (4), осуществляется его первичная классификация, оцениваются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.). При помощи радиопередатчика (29) осуществляется передача гидроакустической информации от ЭВМ (28) 2-го блока параметрического приема НЧ-сигналов (8) на радиоприемник (20) блока параметрического приема НЧ-сигналов (7) f₂.

При помощи антенны ультразвукового диапазона (30), усилителя (31) и устройства обработки (32) ультразвукового блока (6) осуществляется прием, усиление и обработка ВЧ-сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, излученных блоком параметрического приема НЧ-сигналов (7) и 2-м блоком параметрического приема НЧ-сигналов (8). В анализаторе (33) производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) ВЧ-сигналов накачки на частотах ω ₃ и ω ₄, а также их сравнение с эталонными сигналами. В ЭВМ (34) принимается решение об обнаружении морского объекта (4), осуществляется его первичная классификация, оцениваются его пространственные координаты и параметры движения (курс, скорость и др.). При помощи радиопередатчика (35) осуществляется передача гидроакустической информации от ЭВМ (34) ультразвукового блока (6) на радиоприемник (20) блока параметрического приема НЧ-сигналов (7) f₁.

При помощи генератора (36), усилителя мощности (37) и излучателя (38) блока непрерывного излучения интенсивных ВЧ-сигналов (39) осуществляется формирование, усиление и непрерывное излучение интенсивных ВЧ-волн на частоте ω ₅ на защитную металлическую сетку (2) с ячейками (3) водозаборного сооружения (1) в непосредственной близости от защитной металлической сетки (2). В результате чего происходит “гидроакустическое очищение” от МБО защитной металлической сетки (2) с ячейками (3) водозаборного сооружения (1).

В связи с тем, что НЧ-волна разностной частоты Ω формируется в диапазоне частот от 4 Гц до ~3 кГц, распространяется в области водной среды вдоль металлической защитной сетки водозаборного сооружения, она особо эффективно воздействует на подводного пловца на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на МБО в диапазоне частот от 5 до 12 Гц; вызывает резкие отрицательные изменения в функционировании их внутренних органов и осуществляет их “гидроакустическое вытеснение” из области водной среды, непосредственно прилегающей к водозаборному сооружению.

Следует заметить, что биологическое воздействие НЧ акустических колебаний на организм человека целенаправленно исследовалось специалистами НИИ “Промышленной и морской медицины” Российской Военно-медицинской академии. В результате многолетних исследований было установлено, что частота 4 Гц неблагоприятно сказывается на работе сердца, частоты 6... 7 Гц оказывают отрицательное влияние на работу головного мозга, 13 Гц вызывает расстройство желудка и т.д. /Довгуша В.В., Тихонов М.Н., Кудрин И.Д. Биологическое действие низкоинтенсивных экологических факторов на организм человека. - Экологические системы и приборы. - №1, 2002, с.37-39/.

Говоря о “гидроакустическом очищении” от МБО защитной металлической сетки водозаборного сооружения следует отметить следующее.

Высокочастотные колебания большой интенсивности, распространяясь в жидкой среде, вызывают ряд специфических эффектов, широко используемых для различных технологических целей. К числу основных эффектов относятся: кавитация, радиационное давление и др. В частности, при схлопывании кавитационных пузырьков величина давления в пузырьках достигает 3000 атм, а температура внутри пузырька - 6000° Кельвина, образуются сверхскоростные микроструйки и т.д. Другими словами, кавитационное воздействие сопровождается целым рядом сложных физико-химических превращений, которые ускоряют процессы диспергирования, перемешивания и др. на 1-2 порядка /Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.М. Розенберга. - М.: Наука, 1970. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Металлургия, 1987 и др./.

На фиг.3 представлены графические зависимости пороговой акустической чувствительности некоторых видов промысловых рыб /Underwater noise of Research Vessels Review and Recommendations. - Ices cooperative research report. - No.209, 1994, р.17/. Как видно из фиг.3 акустическая чувствительность данных рыб имеет максимальные значения в диапазоне частот от единиц Гц до сотен Гц.

На фиг.4 представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в 3-х географических районах (3 - мелководный, 2 - со средними глубинами, 1 - глубоководный), по исследованию изменения скорости движения рыб (сельдь) в зависимости от расстояния до источника шумового НЧ (в диапазоне частот от единиц Гц до ~1,5 кГц) сигналов /Underwater noise of Research Vessels Review and Recommendations. - Ices cooperative research report. - No.209, 1994, p.40/. Как видно из фиг.4, в мелководных (глубины ~ до 100 м) районах (кривая №3) рыба (сельдь) увеличивает (~ в 2-4 раза) скорость своего движения с дистанций до источника НЧ шумовых сигналов ~100-200 м.

На фиг.5 представлены результаты экспериментальных исследований по “гидроакустическому вытеснению” МБО из заданного района. На сонограмме, представленной на фиг.5а, иллюстрируется сигнал разностной частоты ~17 Гц (время 0-10 мин), зарегистрированный в воде с помощью гидрофона, а также запись помехи при неработающем блоке параметрического излучения НЧ-сигналов (с 10 по 15 мин). На фиг.5б,в иллюстрируются сонограммы сигналов, зарегистрированные на ленте навигационного рыбопоискового эхолота НЭЛ-5Р до начала работы и в процессе работы блока параметрического излучения НЧ-сигналов. Как видно из фиг.5в, параметрическое излучение НЧ-сигнала ~17 привело к “гидроакустическому вытеснению” МБО из района расположения блока параметрического излучения НЧ-сигналов.

Работа выполнялась в 1997 г. в заливе Петра Великого (Японское море). Блок параметрического излучения НЧ-сигналов опускался с борта опытного судна ОС-104, находящегося в дрейфе (глубина под килем судна 35 м) на горизонт ~15 м. Излучение ВЧ-сигналов накачки осуществлялось на частотах 27 кГц и 27,017 кГц. При этом частота акустической волны разностной частоты составляла ~17 Гц. Контроль за наличием МБО в районе расположения забортной части блока параметрического излучателя НЧ-сигналов осуществлялся с помощью судового навигационного рыбопоискового эхолота НЭЛ-5Р (рабочая частота 25,5 кГц).

Для примера на фиг.6 и фиг.7 представлены морские части блоков параметрического излучения НЧ-сигналов (фиг.6) и параметрического приема НЧ-сигналов (фиг.7). Данные блоки использовались в процессе проведения испытаний разработанного способа гидроакустического обнаружения и вытеснения пловцов и МБО от системы водозабора, в том числе атомной электростанции.

Способ гидроакустического обнаружения и вытеснения пловцов и морских биологических объектов от водозаборного сооружения, заключающийся в размещении на одной стороне контролируемого рубежа блока параметрического излучения сигналов, а на противоположной стороне рубежа блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта; с помощью блока параметрического излучения сигналов осуществляется формирование, усиление и излучение высокочастотных волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта, нелинейном взаимодействии высокочастотных волн накачки с образованием низкочастотной волны разностной частоты Ω=ω₁-ω₂, распространяющейся направленно в водной среде; блок параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение высокочастотного сигнала накачки на частоте ω₃, который, рассеиваясь на неоднородностях водной среды, взаимодействует с низкочастотной волной разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω’, а также с низкочастотной волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω’’, с образованием высокочастотных волн комбинационных частот ω₃±Ω’ и ω₃±Ω’’, распространяющихся в сторону блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта, где осуществляется прием высокочастотных волн комбинационных частот ω₃±Ω’ и ω₃±Ω’’, выделение низкочастотных сигналов на частотах Ω’ и Ω’’ из высокочастотных модуляционных частот ω₃±Ω’ и ω₃±Ω’’ методом детектирования, производится спектральный анализ низкочастотных сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении морского объекта, отличающийся тем, что параметрическое излучение сигналов осуществляется в пространственном секторе, одна сторона которого примыкает к защитной металлической сетке водозаборного сооружения; второй блок параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта расположен на одной стороне рубежа с блоком параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта и пространственно разнесен с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение высокочастотного сигнала накачки на частоте ω₄, близкой к собственной резонансной частоте морских биологических объектов ω_s, который, рассеиваясь на морских биологических объектах, взаимодействует с низкочастотной волной разностной частоты, отраженной от морского объекта Ω’, а также с низкочастотной волной собственного излучения морского объекта на частоте Ω’’, с образованием высокочастотных волн комбинационных частот ω₄±Ω’ и ω₄±Ω’’, распространяющихся в сторону второго блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта, где осуществляется прием высокочастотных волн комбинационных частот ω₄±Ω’ и ω₄±Ω’’, выделение низкочастотных сигналов на частотах Ω’ и Ω’’ из высокочастотных модуляционных частот ω₄±Ω’ и ω₄±Ω’’ методом детектирования, производится спектральный анализ низкочастотных сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении морского объекта в момент времени, когда он еще не обнаружен блоком параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта; на одной стороне с блоком параметрического излучения сигналов и пространственно разнесенный с ним в сторону, противоположную от водозаборного сооружения, расположен ультразвуковой блок, в котором осуществляется прием, усиление и обработка высокочастотных сигналов накачки на частотах ω₃ и ω₄, излученных блоком параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта и вторым блоком параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта, соответственно; по информации, полученной с выхода блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта, с выхода второго блока параметрического приема низкочастотных сигналов, формирования, излучения высокочастотного сигнала и обнаружения морского объекта и ультразвукового блока, осуществляется классификация, определение курса, скорости и пространственных координат морского объекта; с помощью блока непрерывного излучения интенсивных высокочастотных сигналов осуществляется формирование, усиление и непрерывное излучение интенсивных высокочастотных волн на частоте ω₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения в непосредственной близости от защитной металлической сетки водозаборного сооружения; непрерывном воздействии интенсивных высокочастотных волн на частоте ω₅ на защитную металлическую сетку водозаборного сооружения с морскими биологическими объектами и гидроакустическом очищении от морских биологических объектов защитной металлической сетки водозаборного сооружения; низкочастотная волна разностной частоты Ω, формируется в диапазоне частот от ~4 Гц до ~3 кГц, распространяется в области водной среды вдоль металлической защитной сетки водозаборного сооружения, особо эффективно воздействует на подводных пловцов на частотах 4, 7, 13 и 16 Гц, а также на морские биологические объекты в диапазоне частот от 5 до 12 Гц; вызывает резкие отрицательные изменения в функционировании их внутренних органов и осуществляет их гидроакустическое вытеснение из области водной среды, непосредственно прилегающей к водозаборному сооружению.