Патент на изобретение №2154286
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПЕЛЕНГОВАНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ МОРСКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
(57) Реферат: Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в рыбопоисковых гидроакустических средствах, имеющих в своем составе параметрические приемные антенны. Устройство содержит генератор, усилитель мощности, излучатель высокочастотного сигнала накачки, соединенный с приемной антенной, выход которой подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу блока нелинейной обработки сигналов, содержащего полосовой фильтр ультразвукового диапазона (УЗД) частот, центральная частота которого соответствует частоте высокочастотного сигнала накачки, амплитудный детектор, фильтр НЧ и усилитель низких частот, полосовой фильтр инфразвукового и низкого звуковых диапазонов (ИЗД и НЗД) частот и полосовой фильтр звукового диапазона (ЗД) частот подключены к выходу усилителя низкой частоты, являющегося выходом блока нелинейной обработки сигналов, параллельно друг другу, при этом выход полосового фильтра ИЗД и НЗД частот подключен к 1-му входу сумматора, а выход полосового фильтра ЗД частот подключен к 1-му входу коррелятора, второй полосовой фильтр ЗД частот является входом блока линейной обработки сигналов и подключен своим входом к выходу предварительного усилителя параллельно с входом полосового фильтра УЗД частот, а к выходу второго полосового фильтра ЗД последовательно электрически соединены усилитель звукового диапазона частот и интегратор, при этом выход интегратора является выходом блока линейной обработки сигналов и подключен ко 2-му входу коррелятора, выход коррелятора подключен ко 2-му входу сумматора, а выход сумматора подключен к входу спектроанализатора. Устройство снабжено приспособлениями для сканирования антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и расширении частотного диапазона принимаемых сигналов. 1 табл., 5 ил. Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в рыбопоисковых гидроакустических средствах, имеющих в своем составе параметрические приемные антенны (ППА). Известно устройство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений звукового диапазона (ЗД) частот (0,8…16 кГц), содержащее последовательно электрически соединенные приемную антенну ЗД и ультразвукового диапазонов (УЗД) частот, предварительный усилитель, поддиапазонные фильтры ЗД частот, усилитель ЗД частот, интегратор, спектроанализатор, а также специальные устройства для сканирования характеристики направленности (ХН) антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях /Р.Дж. Урик. Основы гидроакустики. – Л.: Судостроение, 1978, С.22-27/. К недостаткам данного устройства относятся: 1. Невозможность обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений низкого звукового (НЗД) и инфразвукового (ИЗД) диапазонов частот (ниже 35 Гц). 2. Недостаточная помехоустойчивость при обнаружении и пеленговании гидроакустических излучений в ЗД частот в сложных помехо-сигнальных и гидролого-акустических условиях. Известно устройство для обнаружения гидроакустических излучений НЗД и ЗД частот, содержащее последовательно электрически соединенные задающий генератор широкополосного сигнала, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, выполняющий роль излучателя накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который подключен к электронному блоку обработки сигналов, включающему в себя полосовой фильтр, соединенный с несколькими идентичными каналами, состоящими из корреляторов, полосовых фильтров и устройств с регулируемой временной задержкой, выходы каналов соединены с сумматором /Патент США N 3.882.444, МКИ G 01 S 9/66, 1975/. К недостаткам данного устройства относятся: 1. Низкое соотношение сигнал/помеха (с/п) в НЗД и особенно в ЗД частот из-за использования ненаправленного гидрофона в качестве приемного элемента ППА. 2. Сложность схемы обработки сигналов в связи с использованием широкополосного сигнала накачки для обеспечения электронного сканирования ХН антенны. 3. Невозможность обнаружения сигналов в инфразвуковом диапазоне (ИЗД) частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторных фильтров и фазового детекторы Известно устройство для обнаружения гидроакустических излучений НЗД и ЗД частот, содержащее последовательно электрически соединенные генератор случайной последовательности высокочастотных (ВЧ) импульсов, усилитель мощности и излучатель ВЧ-сигнала накачки, механически соединенный с приемным гидрофоном, который, в свою очередь, последовательно электрически соединен с процессором, включающим в себя набор узкополосных режекторных фильтров и блок сравнения сигналов, принимаемых гидрофоном, с задерженными по времени реализациями излученного ВЧ-сигнала накачки /Патент США N 3.866.159, МКИ G 01 S 9/66, 1975/. К недостаткам данного устройства относятся: 1. Низкое соотношение с/п в НЗД и особенно в ЗД диапазонах частот из-за использования ненаправленного гидрофона в качестве приемного элемента ППА. 2. Сложность схемы обработки сигналов в связи с использованием широкополосного сигнала накачки для обеспечения электронного сканирования ХН антенны. 3. Невозможность обнаружения гидроакустических сигналов в ИЗД частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторных фильтров и фазового детектора. Наиболее близким к заявляемому объекту по своей технической сущности относится устройство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений в НЗД и ЗД частот, содержащее последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель ВЧ-сигнала накачки, механически соединенный с приемной антенной, выход которой соединен с входом предварительного усилителя, а выход последнего соединен с входом блока нелинейной обработки сигналов, содержащего последовательно электрически соединенные режекторный фильтр, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки, усилитель высоких частот, фазовый детектор, фильтр низких частот (ФНЧ) и усилитель низких частот (УНЧ), при этом УНЧ является выходом электронного блока обработки сигналов и подключен к входу спектроанализатора, специальное устройство для электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости /Rogers Р.Н. Parametric Acoustric Array /J.S.V., 1973, Vol. 28, p.764-768/. К недостаткам устройства-прототипа относятся: 1. Низкая помехоустойчивость в НЗД и особенно в ЗД частот из-за использования ненаправленного излучателя ВЧ-сигнала накачки. 2. Недостаточная помехоустойчивость ППА, обусловленная отсутствием в конструкции устройства, обеспечивающего сканирование ХН антенны в вертикальной плоскости для пеленгования наиболее энергонесущих лучей НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности. 3. Сложность схемы обработки сигналов в связи с необходимостью обеспечения электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости. Невозможность обнаружения сигналов в ИЗД частот (ниже 35 Гц) из-за применения в схеме обработки сигналов режекторного фильтра и фазового детектора. Заявляемое устройство свободно от перечисленных выше недостатков. Задачей настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости устройства, расширение (вниз и вверх) частотного диапазона принимаемых сигналов и упрощение конструкции устройства. Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений, содержащем последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель ВЧ-сигнала накачки, механически соединенный с приемной антенной, выход которой соединен с входом предварительного усилителя, а выход предварительного усилителя соединен с входом блока нелинейной обработки сигналов, содержащим последовательно электрически соединенные фильтр, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки, детектор, ФНЧ и УНЧ, являющийся выходом блока нелинейной обработки сигналов и средство для сканирования ХН антенны, согласно изобретению в качестве излучателя высокочастотного сигнала накачки использован направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель, в качестве детектора использован амплитудный детектор, в качестве средства для сканирования ХН антенны использованы приспособления для механического сканирования антенны в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости, в качестве фильтра, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки, использован полосовой фильтр ультразвукового диапазона частот; к выходу усилителя низких частот дополнительно параллельно подключены фильтр ИЗД и НЗД частот и полосовой фильтр ЗД частот, при этом выход полосового фильтра ИЗД и НЗД частот подключен к 1-му входу сумматора, а выход полосового фильтра ЗД частот подключен к 1-му входу коррелятора; дополнительно установлен блок линейной обработки сигналов, включающий последовательно электрически соединенные второй полосовой фильтр ЗД частот, усилитель ЗД частот, интегратор, при этом выход интегратора является выходом блока линейной обработки сигналов и подключен ко 2-му входу коррелятора, а выход коррелятора подключен ко 2-му входу сумматора, при этом выход сумматора подключен к входу спектроанализатора. Использование в качестве излучателя высокочастотного сигнала накачки направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя позволяет повысить помехоустойчивость устройства, т.е. увеличить соотношение сигнал/помеха. Введение в устройство дополнительных фильтров: фильтра ИЗД и НЗД частот, полосовой фильтр ЗД и использование в качестве фильтра, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки, полосового фильтра ультразвукового диапазона частот значительно расширяет частотный диапазон принимаемых сигналов, позволяет обнаруживать и пеленговать широкополосные гидроакустические излучения, улавливая при этом и сигналы ниже 35 Гц, а также повышает помехоустойчивость. Применение в составе устройства амплитудного детектора расширяет частотный диапазон и обеспечивает прием сигналов ниже 35 Гц. Введение в устройство для сканирования антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях механических приспособлений упрощает устройство, так как позволяет отказаться от использования сложных электронных схем обработки сигналов. Снабжение устройства коррелятором и сумматором обеспечивает повышение помехоустойчивости. Наличие в устройстве блока линейной обработки сигналов способствует как повышению помехоустойчивости, так и расширению частотного диапазона. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства. На фиг. 2 показан внешний вид опускаемой части макета заявляемого устройства, который использовался при проведении натурных испытаний. На фиг. 3,а представлено взаимное расположение научно-исследовательских судов при проведении натурных испытаний заявляемого устройства; на фиг. 3,б показано вертикальное распределение звука в точке излучения сигнала, а на фиг. 3,в – вертикальное распределение звука в точке приема сигнала. На фиг. 4 приведены спектрограммы многолучевого сигнала частотой 800 Гц. На фиг. 5 показана возможность обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений с помощью разработанного устройства (фиг. 5,а) и устройства-прототипа (фиг. 5, б), а на фиг. 5,в представлен отклик параметрической антенны. Устройство содержит последовательно электрически соединенные генератор 1, усилитель мощности 2, направленный в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель 3 ВЧ-сигнала накачки, механически соединенный с приемной антенной 4, выход которой подключен к входу предварительного усилителя 5, выход которого подключен к входу блока нелинейной обработки сигналов 6, содержащего последовательно электрически соединенные полосовой фильтр ультразвукового диапазона частот 7, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки, амплитудный детектор 8, ФНЧ 9 и УНЧ 10; полосовой фильтр ИЗД и НЗД частот 11 и полосовой фильтр ЗД частот 12 подключены к выходу УНЧ 10, являющегося выходом блока нелинейной обработки сигналов 6, параллельно друг другу, при этом выход полосового фильтра ИЗД и НЗД 11 подключен к 1-му входу сумматора 13, а выход полосового фильтра ЗД частот 12 подключен к 1-му входу коррелятора 14; второй полосовой фильтр ЗД частот 16, идентичный по своим техническим характеристикам полосовому фильтру ЗД 12, является входом блока линейной обработки сигналов 15 и подключен своим входом к выходу предварительного усилителя 5 параллельно с входом полосового фильтра ультразвукового диапазона частот 7, а к выходу второго полосового фильтра ЗД частот 16 последовательно электрически присоединены усилитель ЗД частот 17 и интегратор 18, при этом выход интегратора 18 является выходом блока линейной обработки сигналов 15 и подключен ко 2-му входу коррелятора 14, выход коррелятора подключен ко 2-му входу сумматора 13, а выход сумматора подключен к входу спектроанализатора 19. Сканирование антенны 4 в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется при помощи приспособлений для механического сканирования антенны в горизонтальной плоскости 20 и для механического сканирования антенны в вертикальной плоскости 21. Устройство работает следующим образом. С помощью генератора 1, усилителя мощности 2, направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя ВЧ-сигнала накачки 3 формируется, усиливается и направленно излучается в водную среду ВЧ-сигнал накачки на частоте  н. В водной среде происходит нелинейное взаимодействие ВЧ-сигнала накачки на частоте н с НЧ-волной полезного сигнала на частоте  . При этом образуются комбинационные частоты  , которые с высокой пространственной избирательностью принимаются приемной антенной 4, выход которой подключен к входу предварительного усилителя 5, в котором происходит усиление принятых сигналов в широком диапазоне частот. Выход предварительного усилителя подключен к входу блока нелинейной обработки сигналов 6, содержащего последовательно электрически соединенные полосовой фильтр ультразвукового диапазона частот 7, центральная частота которого соответствует частоте ВЧ-сигнала накачки н, и где происходит уменьшение НЧ- и ВЧ-помех. Далее ВЧ-сигнал комбинационных частот поступает на вход амплитудного детектора 8, в котором осуществляется выделение НЧ-полезного сигнала на частоте из сигнала комбинационных частот методом детектирования. Далее НЧ-сигнал поступает на вход ФНЧ 9 для уменьшения влияния ВЧ-помех, а с его выхода он поступает на вход УНЧ 10 для усиления. Затем НЧ полезный сигнал поступает на полосовой фильтр 11 ИЗД и НЗД частот и полосовой фильтр ЗД частот 12, подключенные к выходу УНЧ 10 (являющегося выходом блока нелинейной обработки сигналов 6) параллельно друг другу. При этом выход полосового фильтра 11 ИЗД и НЗД подключен к 1-му входу сумматора 13, а выход полосового фильтра 12 ЗД подключен к 1-му входу коррелятора 14.
Одновременно с этим с выхода предварительного усилителя сигнал поступает на вход второго полосового фильтра 16 ЗД частот, являющегося входом блока 15 линейной обработки сигналов. С выхода второго полосового фильтра 16 ЗД частот сигнал поступает на вход усилителя 17 ЗД частот для усиления и далее на интегратор 18 для накопления. С выхода интегратора 18, являющегося выходом блока линейной обработки сигналов 15, сигнал поступает на 2-й вход коррелятора 14, где происходит синфазное сложение сигналов ЗД частот с выходов блоков нелинейной 6 и линейной 15 обработки сигналов ЗД частот.
Сигнал с выхода коррелятора 14 поступает на 2-й вход сумматора 13, где происходит суммирование сигналов ИЗД, НЗД и ЗД частот. С выхода сумматора 13 широкополосный гидроакустический сигнал поступает на вход спектроанализатора 19 для последующей спектральной и временной обработки. Сканирование антенны 4 в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется при помощи специальных устройств 20 и 21, соответственно.
Пример 1. Во время проведения натурных испытаний разработанного устройства в Японском море использовался источник НЧ-полезного сигнала 800 Гц, расположенный на расстоянии 138 км от ППА (фиг. 3,а). Носителями данных акустических систем (излучаемых и приемных) являлись научно-исследовательские суда, находившиеся на якорях. Вертикальное распределение скорости звука в точках излучения и приема сигналов иллюстрируется на фиг. 3,б и фиг. 3,в, соответственно.
С помощью разработанного устройства было зарегистрировано 5 направлений прихода в вертикальной плоскости НЧ многолучевого сигнала 800 Гц: +9, +7, +1. ..-1, -12o (фиг. 4). В то время как при помощи устройства-прототипа удалось зарегистрировать всего лишь одно направление прихода НЧ-сигнала (под углом 0o) с соотношением с/п 3 дБ (у разработанного устройства соотношение с/п равнялось 20 дБ). При этом частота сигнала накачки составляла 192 кГц.
Пример 2. На фиг. 5 иллюстрируется возможность обнаружения и пеленгования низких звуковых гидроакустических излучений с помощью разработанного устройства (фиг. 5,а) и устройства-прототипа (фиг. 5,б). Как видно из фиг. 5,а, зарегистрировать сигнал на частоте 28,5 Гц удалось только с помощью разработанного устройства. При этом соотношение с/п составляло величину 10… 12 дБ (фиг. 5,а). На фиг. 5,в иллюстрируется отклик ППА при; пеленговании НЧ-сигнала частотой 28,5 Гц. В этом случае частота сигнала накачки составляла 32 кГц.
Во всех приведенных случаях в разработанном устройстве (фиг. 1 и 2) использовался направленный (за счет своих волновых размеров) в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучатель ВЧ-сигнала накачки поршневого типа.
Как видно из примера 1, заявляемое устройство позволяет обнаруживать и пеленговать НЧ (800 Гц) многолучевой (5 направлений прихода в вертикальной плоскости) гидроакустический сигнал из дальних (138 км) зон акустической освещенности. Пример 2 наглядно подтверждает, что заявляемое устройство позволяет регистрировать гидроакустические сигналы в диапазоне частот ниже 35 Гц (28,5 Гц).
Заявляемое изобретение является простым в эксплуатации и позволяет с высокой помехоустойчивостью и помехозащищенностью обнаруживать и пеленговать широкополосные гидроакустические излучения морских биологических объектов на больших расстояниях, что обеспечивает данному устройству возможность широкого использования в промысловой обстановке для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений рыбных косяков.
Преимущества разработанного устройства перед устройством-прототипом, заключаются в следующем:1. Повышается помехоустойчивость ППА за счет использования направленного в вертикальной и горизонтальной плоскостях излучателя ВЧ-сигнала накачки. Данное обстоятельство, с одной стороны, ограничивает объем взаимодействующих волн в вертикальной плоскости (“экономит” акустическую мощность), а, с другой стороны, увеличивает его протяженность в горизонтальной плоскости (увеличивает базу ППА). 2. Дополнительно повышается помехоустойчивость ППА за счет включения в ее конструкцию приспособления для сканирования ХН антенны в вертикальной плоскости и пеленгования наиболее энергонесущих лучей НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности. 3. Упрощается схема обработки сигналов в связи с отсутствием необходимости обеспечения электронного сканирования ХН антенны в горизонтальной плоскости. 4. Уменьшается уровень прямого сигнала накачки, являющегося, в определенном смысле, собственной помехой для ППА, за счет использования направленного излучателя ВЧ-сигнала накачки. 5. Расширяется (вниз) частотный диапазон принимаемых сигналов (ниже 35 Гц) за счет исключения из схемы обработки сигналов режекторного фильтра и фазового детектора, а также включения в схему полосового фильтра и амплитудного детектора. 6. Расширяется вверх частотный диапазон принимаемых, с высокой помехоустойчивостью, сигналов ЗД частот благодаря совместному использованию блоков нелинейной и линейной обработки сигналов. 7. У разработанного устройства появляются новые свойства. Например, принимать отдельные акустические лучи НЧ многолучевого сигнала в условиях существования дальних зон акустической освещенности, что позволяет оптимизировать сектор наблюдения в вертикальной плоскости, определять координаты источника НЧ-сигнала путем решения обратной лучевой задачи. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 14.09.2004
Извещение опубликовано: 10.12.2005 БИ: 34/2005
|
||||||||||||||||||||||||||
