Способ акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны

Авторы патента:

G01S3/16 - путем сравнения амплитуд сигналов, поступающих последовательно с приемных антенн или антенных систем, имеющих различным образом ориентированные диаграммы направленности или с антенных систем, диаграмма направленности которых периодически изменяет свою ориентацию

G01S15 - Системы с использованием отражения или вторичного излучения акустических волн, например системы гидроакустических станций

Владельцы патента RU 2302014:

Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской Академии наук (ИПМТ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для исследования подводной обстановки и определения гидрофизических неоднородностей морской среды в условиях шельфовой зоны. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения вертикальных углов (углов скольжения). Способ акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны заключается в предварительном определении плотности и скорости звука в придонном слое воды и в грунте, излучении сложного сигнала, приеме его в удаленной точке тремя идентичными по чувствительности ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости Vx, Vy, Vz, имеющими единый фазовый центр и установленными на расстоянии от дна, не превышающем длину волны в воде на рабочей частоте сигнала. Далее вычисляют свертки принятого и излученного сигналов, определяют для каждого i-го фрагмента сигнала, выделенного во времени, максимумы напряжения в соответствующих каналах приемника колебательной скорости (U_Vx)i (U_Vy)i (U_Vz)i, вычисляют по ним горизонтальные и вертикальные углы по приведенным математическим соотношениям. 1 ил.

Известны и широко применяются в практике подводных исследований океана методы акустического зондирования гидрофизических неоднородностей (акустической томографии), построенные на принципе излучения сложного сигнала с частотой или фазовой модуляцией и приеме его в удаленной точке точечной (размеры много меньше длины волны) акустической антенной (Гаврилов А.Н. Об эксперименте "Arctic climate observation using underwater sound" - в книге Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М.Бреховских. - М.: ГЕОС, 1998, с.10-15). При этом для повышения разрешения во времени при обработке выполняется свертка принятого сигнала с излученным. Это позволяет определять времена приходов зондирующего сигнала и по ним реконструировать картину распространения акустических волн, которая определяется гидрофизическими параметрами и неоднородностями среды.

Недостатком способа является невозможность определения вертикальных и горизонтальных углов прихода зондирующих сигналов, что особенно важно в условиях многолучевости и, в частности, в условиях шельфовой зоны при размещении приемных антенн вблизи дна.

Известен также способ акустического зондирования океана (патент РФ №2221261, МПК 7 G01S 15/00, 3/16, 2002 г.), в котором излучают сложный сигнал, затем принимают его в удаленной точке тремя идентичными по чувствительности ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости (ПКС) Vx, Vy, Vz, имеющими единый фазовый центр, на выходе каждого ПКС, вычисляют свертки принятого и излученного сигналов, для каждого i-го фрагмента сигнала, выделенного во времени, определяют максимумы напряжения соответствующих каналов приемников колебательной скорости (U_Vx)i, (U_Vy)i, (U_Vz)i, и вычисляют по ним горизонтальные и вертикальные углы, причем горизонтальный угол вычисляют в виде arctg[(U_Vy)i_/(U_Vx)i], а вертикальный в виде arctg{(U_Vz)i/[(U_Vx)i²+(U_Vy)i²]^0,5}.

Указанный способ акустического зондирования океана является наиболее близким к заявленному изобретению.

Недостатком указанного способа акустического зондирования океана является большая погрешность определения вертикального угла прихода зондирующего сигнала в условиях шельфовой зоны, связанная с невозможностью разделения в удаленной точке приема лучей с положительными и отрицательными вертикальными углами (углами скольжения), обусловленными многолучевостью, т.е. многократными отражениями зондирующего сигнала от поверхности моря и морского дна.

В основу изобретения положена задача - повышение точности определения вертикальных углов (углов скольжения) в условиях шельфовой зоны с помощью приемников колебательной скорости.

Поставленная задача достигается тем, что в способе акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны, в котором излучают сложный сигнал, затем принимают его в удаленной точке тремя идентичными по чувствительности ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости Vx, Vy, Vz, имеющими единый фазовый центр, на выходе каждого приемника колебательной скорости вычисляют свертки принятого и излученного сигналов, для каждого i-го фрагмента сигнала, выделенного во времени, определяют максимумы напряжения соответствующих каналов приемников колебательной скорости (U_Vx)i (U_Vy)i (U_Vz)i, и вычисляют по ним горизонтальные и вертикальные углы, причем горизонтальные углы вычисляют в виде arctg[(U_Vy)i_/(U_Vx)i], предварительно определяют плотность и скорость звука в придонном слое воды ρ₁, C₁ и в грунте ρ₂, С₂; соответственно, затем размещают приемники колебательной скорости на расстоянии от дна, не превышающем длину волны в воде на рабочей частоте сигнала, и осуществляют акустическое зондирование, а вертикальные углы β вычисляют по формуле:

где

В заявленном способе акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- излучение сложного сигнала;

- прием сложного сигнала в удаленной точке тремя идентичными по чувствительности ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости (ПКС) Vx, Vy, Vz, имеющими единый фазовый центр;

- вычисление свертки принятого и излученного сигналов на выходе каждого ПКС;

- определение для каждого i-го фрагмента сигнала, выделенного во времени, максимумов напряжения соответствующих каналов приемников колебательной скорости (U_Vx)i(U_Vy)i(U_Vz)i;

- вычисление по соответствующим максимумам напряжения горизонтальных и вертикальных углов, причем горизонтальные углы вычисляют в виде arctg[(U_Vy)i_/(U_Vz)i].

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие отличительные признаки:

- предварительно определяют плотность и скорость звука в придонном слое воды ρ₁, C₁ и в грунте ρ₂, С₂ соответственно;

- приемники колебательной скорости размещают на расстоянии от дна, не превышающем длину волны в воде на рабочей частоте сигнала;

- вертикальные углы β (углы скольжения) вычисляют по формуле:

где

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны позволила обеспечить повышение точности определения вертикальных углов скольжения в условиях шельфовой зоны и многолучевости с учетом влияния границы раздела вода - морское дно.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны. На чертеже приняты следующие обозначения: X, Y, Z - соответствующим образом ориентированные приемники колебательной скорости, 1 - блоки, осуществляющие процедуру свертки, 2 - блок формирования образца излученного сигнала, 3 - вычислитель горизонтального угла, 4 - вычислитель вертикального угла.

Заявляемый способ акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны осуществляют следующим образом.

Предварительно определяют плотность и скорость звука в придонном слое воды ρ₁, С₁ и в грунте ρ₂, С₂ соответственно, и размещают приемники колебательной скорости на расстоянии от дна, не превышающем длину волны в воде на рабочей частоте сигнала. Затем излучают сложный сигнал и производят зондирование. Сложный сигнал, излученный источником, распространяется в морской среде в условиях шельфовой зоны, многократно отражаясь от поверхности моря и морского дна. Суммарный сигнал, содержащий все многократно отраженные сигналы, принимается ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости X, Y, Z. Принятые сигналы подаются на блоки 1 свертки, где сворачиваются либо посредством прямого вычисления корреляционной функции, либо через взаимный спектр с образцом излученного сигнала, формируемого блоком 2. Огибающие свертки с выходов каналов X, Y поступают в вычислитель 3 горизонтального угла, где для каждого i-го максимума огибающей (U_Vx)i,(U_Vу)i вычисляют горизонтальный (азимутальный) угол по формуле

Огибающие свертки с каналов X, Y, Z поступают в вычислитель 4 вертикального угла, где для каждого i-го максимума огибающей (U_Vx)i, (U_Vy)i, (U_Vz)i вычисляют вертикальный угол (угол места или угол скольжения) по формуле:

где

В способе акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны, в отличие от прототипа, учитываются многократно отраженные сигналы и влияние донной границы раздела, вблизи которой размещены приемники колебательной скорости.

Использование данного способа акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны и многолучевости с учетом влияния границы раздела вода - морское дно позволило повысить точность определения вертикальных углов (углов скольжения).

Способ акустического зондирования морской среды в условиях шельфовой зоны, в котором излучают сложный сигнал, затем принимают его в удаленной точке тремя идентичными по чувствительности ортогонально ориентированными в пространстве приемниками колебательной скорости Vx, Vy, Vz, имеющими единый фазовый центр, на выходе каждого приемника колебательной скорости вычисляют свертки принятого и излученного сигналов, для каждого i-го фрагмента сигнала, выделенного во времени, определяют максимумы напряжения соответствующих каналов приемников колебательной скорости (U_Vx)i, (U_Vy)i, (U_Vz)i, и вычисляют по ним горизонтальные и вертикальные углы, причем горизонтальные углы вычисляют в виде arctg[(U_Vy)i/(U_Vx)i], отличающийся тем, что предварительно определяют плотность и скорость звука в придонном слое воды ρ₁, C₁ и в грунте ρ₂, С₂, соответственно, затем размещают приемники колебательной скорости на расстоянии от дна, не превышающем длину волны в воде на рабочей частоте сигнала, и осуществляют акустическое зондирование, а вертикальные углы вычисляют по формуле

где

ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, С₁₂=С₁/С₂.

Похожие патенты:

Пеленгатор в одной плоскости // 2262120

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации и может быть использовано в радиолокационных системах для обнаружения и сопровождения подвижных целей.

Способ акустического зондирования океана // 2221261

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для исследования подводной обстановки, в частности определения гидрофизических неоднородностей океана. .

Способ пеленгования источника излучения и антенная система для его реализации // 2168738

Пеленгатор в двух плоскостях // 2134430

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации, а именно к системам измерения углового положения. .

Измеритель азимута // 2117958

Адаптивная антенная решетка // 2014678

Адаптивная приемо-передающая антенная решетка // 2013827

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для повышения скрытности РЛС, использующих в качестве антенн адаптивные приемопередающие антенные решетки.

Устройство для измерения угла прихода фронта волны в рлс моноимпульсного типа // 1840606

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в бортовых радиолокационных станциях сопровождения. .

Способ измерения угла прихода фронта волны в рлс моноимпульсного типа // 1840605

Изобретение относится к измерению направления прихода фронта волны в радиолокационных станциях сопровождения. .

Адаптивная антенная решетка для систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты // 1786456

Устройство гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона // 2300781

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона. .

Гидроакустическая система контроля наполняемости нерестилищ // 2299449

Изобретение относится к области гидроакустической техники и может быть использовано для учета численности лосося, прошедшего на нерестилище. .

Способ обнаружения шумящих в море объектов // 2298203

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. .

Акустический измеритель расстояния // 2297646

Изобретение относится к акустическим измерителям расстояний в различных средах. .

Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны // 2293449

Изобретение относится к области гидроакустики. .

Способ настройки приемных каналов установленного на судне гидроакустического доплеровского лага // 2293360

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для настройки в натурных условиях приемных каналов гидроакустического доплеровского лага. .

Способ селекции движущейся цели // 2293359

Изобретение относится к гидроакустике. .

Способ обнаружения эхосигнала гидролокатора // 2293358

Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала гидролокатора. .

Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической излучающей круговой антенны // 2293357

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к излучающим трактам гидролокаторов, использующих круговые антенны. .

Способ обработки гидроакустических сигналов со сложным законом модуляции // 2293356

Изобретение относится к области гидроакустики и может применяться в гидроакустических системах пассивного обнаружения гидробионтов и активных гидроакустических средств.

Устройство пространственной обработки широкополосных сигналов // 2305854

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для эхолокации подводных объектов при задачах ультразвукового неразрушающего контроля и ультразвуковой медицинской диагностики внутренних органов