Патент на изобретение №2297012

(54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ШУМОПЕЛЕНГАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для шумопеленгования и лоцирования подводного объекта (ПО) в натурном водоеме. Существо изобретения заключается в том, что три пары предметных и опорных волоконных катушек, расположенных локально вдоль координатных осей, объединены в один интерферометр. На предметные волоконные катушки подаются различные несущие частоты. Принимаемый шум демодулируется и подвергается обработке с целью определения координат ПО. Специальная электронная схема позволяет определить также скорость и траекторию движения ПО. Достигаемый технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для шумопеленгования и лоцирования подводного объекта (ПО) в натурном водоеме.

Известен волоконно-оптический шумопелегнатор (ВОШ), содержащий источник когерентного света, фотоприемник, три последовательно соединенные предметные волоконные катушки и три последовательно соединенные опорные волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр, снабженный фазосдвигающим устройством, размещенным в одной из волоконных катушек, при этом каждая из предметных волоконных катушек намотана с натягом на боковую поверхность пьезоцилиндра, каждый из которых подключен к своему генератору гармонических колебаний, и расположена на определенном расстоянии от соответствующей опорной волоконной катушки вдоль осей декартовой системы координат, выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к трехканальному блоку обработки информации (БОИ), соединенному с компьютером, причем каждый канал БОИ включает в себя последовательно соединенные резонансный фильтр на частоту соответствующего генератора гармонических колебаний и демодулятор, при этом входы резонансных фильтров подключены к выходу усилителя фототока /патент РФ №2105992, кл. G01S 3/80, 1998/.

Данный шумопеленгатор принят за прототип.

Недостатком прототипа является ограниченность его применения для шумопеленгования и лоцирования ПО без определения кинематических характеристик движения ПО.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение эксплуатационных возможностей известного ВОШ на случай измерения скорости движения ПО, а также определение траектории его движения и траверзного расстояния между ПО и ВОШ.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном ВОШ, содержащем источник когерентного света, фотоприемник, три последовательно соединенные предметные волоконные катушки и три последовательно соединенные опорные волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр, снабженный фазосдвигающим устройством, при этом каждая из предметных волоконных катушек намотана с натягом на боковую поверхность пьезоцилиндра, каждый из которых подключен к своему генератору гармонических колебаний, и расположена на определенном расстоянии от соответствующей опорной волоконной катушки вдоль осей декартовой системы координат, выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к трехканальному БОИ, соединенному с компьютером, причем каждый канал БОИ включает в себя последовательно соединенные резонансный фильтр на частоту соответствующего генератора гармонических колебаний и демодулятор, при этом входы резонансных фильтров подключены к выходу усилителя фототока, каждый канал трехканального БОИ содержит дополнительный резонансный фильтр на частоту, много меньшую частот генераторов гармонических колебаний, частотный детектор, дифференцирующее устройство, два нуль-индикатора, управляемое множительное устройство, блок опорных напряжений, управляемый таймер и управляемый экстрематор, причем выход демодулятора соединен через последовательно соединенные дополнительный резонансный фильтр, частотный детектор, дифференцирующее устройство и первый нуль-индикатор с управляемым входом множительного устройства, первый основной вход которого подключен к выходу частотного детектора, второй – к блоку опорных напряжений, а выход – к первому входу компьютера, выход частотного детектора параллельно соединен также со вторым входом компьютера и входом второго нуль-индикатора, управляемый вход которого подключен к выходу управляемого экстрематора, а выход – к таймеру, соединенному выходом с третьим входом компьютера, четвертый вход которого подключен к выходу демодулятора, при этом дополнительно введены блок управления и управляемый переключатель, установленный в каждом из каналов между частотным детектором и дифференцирующим устройством, а опорные волоконные катушки помещены в смещаемый акустический экран с исполнительным механизмом, управляемый вход которого соединен с выходом блока управления, подключенным также выходом к управляемому входу экстрематора и управляемому входу переключателя.

Пары предметных и опорных волоконных катушек выполнены с возможностью поворота вокруг начала координат.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена оптикоэлектронная схема ВОШ; на фиг.2 – пространственное расположение волоконных катушек; на фиг.3 – частотно-временные диаграммы для пояснения работ ВОШ.

ВОШ содержит (фиг.1) источник когерентного света 1, фотоприемник 2, три последовательно соединенные предметные волоконные катушки 3₁; 3₂; 3₃ и три последовательно соединенные опорные волоконные катушки 4₁; 4₂; 4₃.

Элементы 1, 2, 3, 4 оптически согласованы в интерферометр, с фазосдвигающим устройством 5, размещенным в одной из волоконных катушек (в одном из плеч интерферометра).

Каждая из предметных волоконных катушек 3₁, 3₂, 3₃ намотана с натягом на боковую поверхность пьезоцилиндров 6₁, 6₂, 6₃, подключенных к генераторам 7₁, 7₂, 7₃ гармонических электрических колебаний.

Предметные и опорные волоконные катушки 3 и 4 расположены на известном расстоянии друг от друга вдоль осей x, y, z декартовой системы координат (фиг.2).

Выход фотоприемника 2 подключен к усилителю 8 фототока, выход которого соединен с входом трехканального БОИ.

Каждый канал БОИ включает в себя последовательно соединенные резонансный фильтр 9 на частоту соответствующего генератора 7 гармонических колебаний, демодулятор 10, дополнительный резонансный фильтр 11, частотный детектор 12, дифференцирующее устройство 13 и нуль-индикатор 14. В каждый из каналов БОИ входят также множительное устройство 15, блок 16 опорных напряжений, нуль-индикатор 17, управляемый таймер 18, экстрематор 19. Причем управляемый вход множительного устройства 15 соединен с выходом нуль-индикатора 14, первый основной вход – выходом частотного детектора 12, а второй – с выходом блока 16 опорных напряжений.

Выход частотного детектора 12 подключен также к входу нуль-индикатора 17, управляемый вход которого соединен с выходом управляемого экстрематора 19, а выход с входом таймера 18.

ВОШ также включает в себя компьютер 20, блок 21 управления и в каждом из каналов БОИ управляемый переключатель (на чертеже не обозначен), установленный между частотным детектором 12 и дифференцирующим устройством 13. Управляемый вход переключателя соединен с выходом блока 21 управления, подключенного также к управляемому входу экстрематора 19.

Переключатель при этом отключает от электронной схемы канала блоки 13…16, обозначенные на фиг.1 в пунктирном квадрате. (Соединение блока 21 управления с управляемым входом переключателя показано путем соединения с этим пунктирным квадратом).

Опорные волоконные катушки 4₁, 4₂, 4₃ помещены в смещаемый акустический экран 22, состоящий из трех частей.

Каждая часть экрана (на чертеже не обозначена) соединена со своим исполнительным механизмом (на чертеже отсутствуют), управляемые входы которых подключены к выходу блока 21 управления.

Пары волоконных катушек 3, 4 выполнены с возможностью поворота вокруг начала координат.

Входы компьютера 20 подключены к выходам множительного устройства 15, к выходам частотного детектора 12, к выходам демодуляторов 10 и к выходам таймеров 18 каждого из каналов БОИ. (На фиг.1 показано выполнение только одного из каналов БОИ).

Существо работ ВОШ заключается в том, что при равномерном прямолинейном движении тонального гидроакустического источника частоты f₀ относительно неподвижного приемника доплеровская зависимость частоты f(t) от времени t сигнала в точке наблюдения имеет вид:

где с – скорость звука в воде, м/с; V – скорость тонального источника, м/с; d₀ – траверзное расстояние между тональным источником и гидроакустическим приемником (м) в момент времени t₀(c) (траверзное время). То есть зависимость наблюдаемой частоты от времени является функцией, содержащей четыре параметра. Если значения функции f(t) каким-либо образом оценены для ряда временных отсчетов t_i, то оценки параметров траектории могут быть получены на основе решения задачи нелинейной регрессии методом наименьших квадратов. /Д.Дж.Уайлд “Методы поиска экстремума”. М.: “Наука”, 1967, с.17-27/.

Модель регрессии задается выражением (1). Функционал метода наименьших квадратов имеет вид:

где W_i – весовая функция; f(t_i) – измеренные значения частот /Ф.Гилл и др. “Практическая оптимизация”. “Мир”, 1985, с.104-110/.

Таким образом, задача получения оценок параметров траектории источника тонального сигнала разбивается на два этапа. На первом этапе выполняются измерения отсчетов функции частотной зависимости, затем – минимизация функционала (2) относительно параметров f₀, V, d₀, t₀. Полученные в результате минимизации значения являются искомыми оценками.

В соответствии с выражением (1) f(t) при больших отклонениях t от t₀, когда t₀0, изменяется медленно. Поэтому, с точки зрения оптимизации точностных характеристик оценок и времени выполнения минимизации функционала (2) информативный участок частотной зависимости следует ограничить значениями t, при которых f(t) отличается от асимптотического значения на величину, сравнимую с погрешностями измерения частоты.

В момент времени t₀ частота наблюдаемого сигнала равна f₀. Это позволяет обнаружить момент траверза прохождения излучателем точки траверза. А в моменты времени t₀0 появляется возможность определить скорость движения ПО по формуле:

И уже при известности f₀, V, t₀, с, f(t) появляется возможность определить по формуле (1) траверзное расстояние d₀ между источником тонального сигнала и гидроакустическим приемником, т.е. между ПО и ВОШ.

Если тональный источник звука движется относительно двух гидроакустических приемников, образующих интерферометр, то мгновенная разностная доплеровская частота f₁₂(t) будет иметь вид:

где d₀₁ и d₀₂ – траверзные расстояния между тональным источником и гидроакустическим приемником (у нас волоконными катушками 3 и 4), в моменты времени t₀₁ и t₀₂.

Двухточечный прием тонального сигнала в отличие от одноточечного позволяет более точно определить время траверза t₀, а значит и траверзные расстояния d₀₁, d₀₂, d₀, поскольку частотно-временная зависимость, называемая частотно-временным следом (ЧВС), в области траверза более крутая. Кроме того, при двухточечном приеме на результаты проводимых измерений меньше сказывается нестабильность выделенной тональной составляющей f₀.

На частотно-временных диаграммах (фиг.3) представлены ЧВС для одноточечного и двухточечного приемов (слева).

Работа ВОШ осуществляется поочередно в двух режимах. Режимы работы задаются блоком управления 21, выполненным в виде генератора импульсов.

В первом режиме акустический экран 22 закрыт и на опорные катушки 4 исследуемый шум ПО не попадает. При этом предметные катушки 3 интерферометра работают как гидрофоны.

С помощью фазосдвигающего устройства 5 устанавливают начальную разность фаз, равную 90°. Подают на пьезоцилиндры 6₁, 6₂, 6₃ гармонические электрические колебания ₁, ₂, ₃ от генераторов 7₁, 7₂, 7₃ электрических колебаний. Данные частоты в качестве несущих воспринимаются предметными катушками 3₁, 3₂, 3₃, расположенными по осям х, у, z декартовой системы координат. Составляющие шума ПО W₁, W₂, W₃ воспринимаются предметными катушками 3₁, 3₂, 3₃ как моделирующие сигналы на различных несущих частотах ₁, ₂, ₃.

С помощью резонансных фильтров 9, настроенных на несущие частоты, принятые сигналы воспринимаются по трем каналам БОИ, в которых сигналы W₁, W₂, W₃ детектируются с помощью демодуляторов 10. Вид принятых сигналов представлен на фиг.3, справа.

Принятые сигналы в одноточечном приеме подаются на резонансные фильтры 11, настроенные на частоту f₀500 Гц, но значительно меньшую несущих частот (20-100) кГц. Это обусловлено тем, что на низких частотах и малых скоростях движения ПО величина доплеровского сдвига частот мала.

Таким образом, резонансные фильтры 11 выделяют стабильную дискретную составляющую f₀. Частотный детектор 12 каждого из каналов прослеживает изменение мгновенной доплеровской частоты f'(t)=f(t)- f₀, которая одновременно направляется на дифференцирующее устройство 13, нуль-индикатор 17 и компьютер 20. Затем продифференцированный сигнал по доплеровской частоте направляется на нуль-индикатор 14 и управляемый вход множительного устройства 15, где перемножается с сигналом, пропорциональным величине задаваемым блоком 16 опорных напряжений в момент, когда При этом реализуется алгоритм, задаваемый уравнением (3).

Полученное значение V подается на вход компьютера 20.

Значение V по всем каналам будет одно и то же, но получено с различной точностью. Компьютер 20 выбирает значение V, полученное в канале, в котором соотношение сигнал/шум было наибольшим (на фиг.3 – в третьем канале).

Одновременно с помощью нуль-индикатора 17 таймер 18 выдает время, при котором f'(t)=0, т.е. траверзное время, которое также направляется на вход компьютера 20, который по алгоритму (1) определяет траверзное расстояние d₀.

Данное расстояние d₀ является важнейшей характеристикой ПО, поскольку часто именно в момент времени t₀ требуется принять соответствующее решение по отношению к ПО со стороны средств обнаружения.

Для уточнения полученного расстояния d₀ интерферометр переводят в режим двухточечного приема тонального сигнала. Для этого с блока 21 управления на исполнительные механизмы акустических экранов 22 подают сигнал, устраняющий экраны.

ВОШ переходит в двухточечный режим работы с векторными приемниками. В этом режиме блок управления 21 включает экстрематор 19 и отключает блоки 13…16.

При этом на входы компьютера 20 поступает разностная доплеровская частота f₁₂(t) и значения времен t₀₁, t₀₂. При известности остальных параметров по формуле (4) определяются траверзные расстояния d₀₁, d₀₂, что позволяет уточнить траекторию движения ПО.

На фиг.3, слева, представлен ход ЧВС движения тонального источника для двухточечного приема сигнала f₁₂(t), полученная в моменты времени t, не совпадающие с моментами времени получения ЧВС для одноточечного приема f(t). (Точки и звездочки на частотно-временных следах имеют чередующуюся последовательность).

Таким образом, ВОШ позволяет расширить эксплуатационные возможности прототипа за счет измерения кинематических характеристик ПО. Дополнительный поворот пар катушек вокруг начала координат 0 позволяет настроить ВОШ на оптимальное соотношение сигнал/шум и тем самым повысить точность пеленгования ПО.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический шумопеленгатор, содержащий источник когерентного света, фотоприемник, три последовательно соединенные предметные волоконные катушки и три последовательно соединенные опорные волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр, снабженный фазосдвигающим устройством, размещенным в одной из волоконных катушек, при этом каждая из предметных волоконных катушек намотана с натягом на боковую поверхность пьезоцилиндра, каждый из которых подключен к своему генератору гармонических колебаний, и расположена на определенном расстоянии от соответствующей опорной волоконной катушки вдоль осей декартовой системы координат, выход фотоприемника через усилитель фототока подключен к трехканальному блоку обработки информации, соединенному с компьютером, причем каждый канал блока обработки информации включает в себя последовательно соединенные резонансный фильтр на частоту соответствующего генератора гармонических колебаний и демодулятор, при этом входы резонансных фильтров подключены к выходу усилителя фототока, отличающийся тем, что каждый канал трехканального блока обработки информации содержит дополнительный резонансный фильтр на частоту, много меньшую частот генераторов гармонических колебаний, частотный детектор, дифференцирующее устройство, два нуль-индикатора, управляемое множительное устройство, блок опорных напряжений, управляемый таймер и управляемый экстрематор, причем выход демодулятора соединен через последовательно соединенные дополнительный резонансный фильтр, частотный детектор, дифференцирующее устройство и первый нуль-индикатор с управляемым входом множительного устройства, первый основной вход которого подключен к выходу частотного детектора, второй – к блоку опорных напряжений, а выход – первому входу компьютера, выход частотного детектора параллельно соединен также со вторым входом компьютера и входом второго нуль-индикатора, управляемый вход которого подключен к выходу управляемого экстрематора, а выход – к таймеру, соединенному выходом с третьим входом компьютера, четвертый вход которого подключен к выходу демодулятора, при этом дополнительно введены блок управления и управляемый переключатель, установленный в каждом из каналов между частотным детектором и дифференцирующим устройством, а опорные волоконные катушки помещены в смещаемый акустический экран с исполнительным механизмом, управляемый вход которого соединен с выходом блока управления, подключенным также выходом к управляемому входу экстрематора и управляемому входу переключателя.

2. Волоконно-оптический шумопеленгатор по п.1, отличающийся тем, что пары предметных и опорных волоконных катушек выполнены с возможностью поворота вокруг начала координат.

РИСУНКИ