Система многочастотного акустического зондирования
Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к системам акустического зондирования морской среды и может использоваться в акустической спектроскопии мелкомасштабных неоднородностей для оценки размерного спектра неоднородностей и их концентрации. Система содержит источник излучения, выполненный в виде донной антенны, включающей как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю, соединенную с аппаратурным комплексом, содержащим тракт излучения на базе программируемого цифрового генератора, тракт приема и систему регистрации и обработки принятого акустического сигнала. Система основана на принципе временного разделения сигналов различных частот, позволяет произвольно задавать диапазон исследуемого спектра размеров неоднородностей за счет свободного выбора частотного диапазона звуковых волн (набора преобразователей донной антенны) и повышает достоверность измерений благодаря уменьшению взаимного проникновения сигналов соседних частотных каналов при установке в тракте приема коммутатора сигналов со схемой управления.
Полезная модель относится к гидроакустике, конкретно, к системам акустического зондирования морской среды и может использоваться в акустической спектроскопии мелкомасштабных неоднородностей для оценки размерного спектра неоднородностей и их концентрации.
Системы многочастотного акустического зондирования морской среды применяются, например, при наличии в воде неоднородностей с выраженными резонансными свойствами, такими как рыбы с плавательным пузырем, отдельные виды планктона, содержащие газовые пузырьки (сифонофоры) и др., изучение рассеяния звука на различных частотах позволяет определить функцию распределения таких включений по размерам.
Сложности создания многочастотных систем для зондирования морской среды заключаются в отсутствии акустических преобразователей, позволяющих эффективно излучать звук в широкой полосе частот. Поэтому, как правило, для зондирования применяется акустические антенны, включающие группу преобразователей с различными резонансными частотами и с соответствующими их частотам трактами излучения и приема, выделения и обработки сигналов.
Известно применение резонансных преобразователей для поиска и локализации рыбных косяков. Например, рыбопоисковые гидролокаторы японской фирмы FURUNO FCV-1100 и FCV-1150 имеют антенны двухчастотного излучения, использующие резонансные преобразователи, которые излучают и принимают звук последовательно на двух частотах (низкой и высокой).
В качестве альтернативы резонансным преобразователям известно применение параметрических акустических преобразователей, обладающих наряду с широкой полосой рабочих частот, также и высокой направленностью в рабочей полосе частот (п. РФ 
2308053, МПК G01S 15/04, Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение. 1981. 264 с).
Главным недостатком параметрических преобразователей является низкий уровень перекачки энергии высоких частот (частот накачки) в параметрическое низкочастотное излучение комбинационных частот, поэтому для их эффективной работы требуются большие мощности излучающих трактов и высокая чувствительность приемных трактов. Так при параметрической генерации волн разностной частоты из высокочастотных волн накачки даже при оптимальном режиме генерации не более 1% энергии волн накачки может быть преобразовано в волны разностной частоты. Параметрический прием требует высокочувствительной аппаратуры с высокой селективностью по частоте, поскольку уровень параметрических сигналов очень мал и часто соизмерим с уровнем шумов (Барник В., Вендт Г., Каблов Г.П. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна. Под ред. А.Н.Яковлева. - Новосибирск: Изд-во Новое иб. Ун-та, 1992.- 218 с).
Главное преимущество резонансных преобразователей - высокий коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую, поэтому для их работы требуются излучающие тракты с мощностью во много раз меньшей, чем для параметрических трактов излучения.
Наиболее близкой к заявляемой является система многочастотного акустического зондирования, описанная в п. РФ 101202, МПК G01S 15/00.
Система содержит источник излучения, соединенный с аппаратурным комплексом, состоящим из тракта излучения, тракта приема, и системы регистрации и обработки принятого акустического сигнала. Источник излучения представляет собой антенну, включающую как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю. Тракт излучения выполнен на базе программируемого цифрового генератора и усилителя мощности, соединенного с коммутатором, подключенным другим концом к антенне, и который переводит систему из режима излучения в режим приема. Тракт приема состоит из группы параллельно включенных селективных фильтров, количество которых равно количеству акустических преобразователей, а частоты фильтров соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, усилителей, выполненных с возможностью усиления на своей частоте сигналов выделенных фильтрами, сумматора сигналов и амплитудного детектора. Система регистрации, обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов выполнена на базе одноканального аналого-цифровой преобразователя и процессора обработки.
Недостатком описанной системы является необходимость выбирать временной интервал между посылками достаточно большим, чтобы предыдущий излученный импульс успел затухнуть и не вносил бы искажения при приеме следующего импульса. При этом очевидно, что чем выше чувствительность приемного тракта, тем больше должен быть интервал между посылками. Это приводит к увеличению времени измерений, в результате чего некоторые процессы, происходящие в морской среде, уже не могут изучаться методом последовательного многочастотного зондирования, поскольку при большом времени измерения среда претерпевает изменения.
Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в повышении достоверности измерений благодаря уменьшению взаимного проникновения сигналов соседних частотных каналов за счет уменьшения времени измерений.
Поставленная задача решается системой многочастотного акустического зондирования, состоящей из антенны, включающей как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю, соединенной через коммутатор для разделения сигналов излучения-приема с аппаратурным комплексом, содержащим тракт излучения, выполненный на базе программируемого цифрового генератора и усилителя мощности, тракт приема, состоящий из группы параллельно включенных селективных фильтров, частоты которых соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, а их количество равно количеству акустических преобразователей, усилителей, выполненных с возможностью усиления на своей частоте сигналов выделенных фильтрами, коммутатора частотных каналов, снабженного схемой управления и амплитудного детектора, а также систему регистрации, обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов, выполненную на базе одноканального аналого-цифрового преобразователя и процессора обработки, при этом схема управления коммутатора соединена с программируемым цифровым генератором и включает группу селективных фильтров, количество которых равно количеству акустических преобразователей, а частоты фильтров соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, через формирователи прямоугольных и коротких импульсов присоединенную к ячейкам памяти запоминающего устройства, соединенному также с группой формирователей прямоугольных и коротких импульсов обнуления ячеек памяти и с формирователем напряжения управления ключами коммутатора.
В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве вместо сумматора сигналов установлен коммутатор сигналов со схемой управления, благодаря чему исключается возможность искажения полезного сигнала вносимым остаточным сигналом предыдущей посылки, а интервал между посылками не лимитируется временем затухания импульсов посылки.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого устройства, где 1 - антенна, 2 - аппаратурный комплекс, 3 - кабель, 4 - акустические преобразователи, 5 - процессор обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов, 6 - цифровой генератор сигналов, 7 усилитель мощности, 8 - коммутатор сигналов излучения - приема, 9 - селективные фильтры, 10 - корректирующие усилители, 11 - электронные ключи коммутатора частотных каналов, 12 - амплитудный детектор, 13 - аналого-цифровой преобразователь, 14 - схема управления коммутатором.
На Фиг.2А приведена схема управления коммутатором, где 15 - селективные фильтры схемы управления, 16 - формирователи прямоугольных импульсов частотных каналов, 17 - формирователь коротких импульсов записи канала, 18 - запоминающее устройство, 19 - формирователи прямоугольных импульсов обнуления запоминающего устройства, 20 - формирователь коротких импульсов обнуления запоминающего устройства, 21 - формирователь напряжения управления ключами коммутатора; на Фиг.2Б - осциллограммы работы схемы управления. Буквами обозначены: а - импульсы излучения цифрового генератора с частотами f1, f2, б - прямоугольные импульсы обнуления запоминающего устройства, в - короткие импульсы обнуления запоминающего устройства по переднему фронту, г - импульс выделения канала частотой f1, д - импульс записи в ячейку памяти канала f1 запоминающего устройства, е - напряжение отпирания электронного ключа канала f1.
Система работает следующим образом.
Антенну 1 устанавливают на дно и направляют в сторону поверхности. С аппаратурным комплексом 2 она соединяется подводным кабелем 3.
Цифровой программируемый генератор 6 последовательно генерирует импульсы, количество которых равно количеству преобразователей в антенне, с частотами заполнения, соответствующими рабочим частотам преобразователей 4 антенны 1. Каждый преобразователь антенны возбуждается импульсом, соответствующим его рабочей частоте, и излучает акустический сигнал в воду. Между импульсами программно генератором 6 импульсов обеспечивается пауза, необходимая для того, чтобы излученный акустический импульс прошел все звукорассеивающие структуры в толще воды, отразился от поверхности моря и вернулся к антенне 1. Сигналы обратного рассеяния принимаются теми же преобразователями 4 антенны 1 и по кабелю 3 через коммутатор 8 передаются в тракт приема, а затем к устройствам регистрации и обработки данных 13 и 5 (аналого-цифровой преобразователь и процессор обработки данных).
Отличительной особенностью заявляемой системы является применение коммутатора сигналов вместо сумматора сигналов. Сумматор сигналов вынуждает оператора системы устанавливать время между посылками достаточно большим, исходя из требования, чтобы сигналы предыдущей посылки полностью поглотились средой. Это требование замедляет процесс измерения, кроме того, полное затухание звука предыдущей посылки не может быть полностью контролируемо, что связано с условиями распространения звука в среде (многократные отражения, реверберация), поэтому возможно искажение полезного сигнала вносимым остаточным сигналом предыдущей посылки. Коммутатор 11 сигналов, переключаемый схемой управления 14, подключает к входу амплитудного детектора 12 частотный канал, соответствующий частоте излученного в данный временной период импульса, а к моменту излучения импульса следующей частоты отключает этот канал и подключает следующий. При этом исключается возможность искажения полезного сигнала вносимым остаточным сигналом предыдущей посылки, а интервал между посылками не лимитируется временем затухания импульсов посылки.
Алгоритм работы схемы управления коммутатором описан ниже.
Схема управления коммутатором посредством фильтров определяет частоту импульса, который выработал цифровой программируемый генератор в данный момент, затем соответствующий формирователь вырабатывает сигнал записи этой информации в соответствующую частоте ячейку памяти запоминающего устройства, которое через формирователь управляющего напряжения открывает соответствующий электронный ключ коммутатора, и сигналы соответствующей частоты передаются из приемного тракта к амплитудному детектору и далее в аналого-цифровой преобразователь. Процессор записывает акустические сигналы открытого канала. Когда цифровой программируемый генератор вырабатывает следующий импульс для излучающей антенны, схема формирования сигнала сброса очищает ячейки памяти запоминающего устройства, в результате чего запираются электронные ключи. С приходом информации от фильтров о частоте очередного импульса цифрового программируемого генератора описанный выше цикл повторяется.
Число ячеек памяти запоминающего устройства равно числу частот цифрового программируемого генератора. Сигналы записи в запоминающее устройство формируются следующим образом: к выходу цифрового программируемого генератора подключены входы селективных фильтров схемы управления, настроенных на частоты излучения сигналов. Выделенный соответствующим фильтром импульс посылки детектируется, выделяется огибающая, формируется прямоугольный импульс. Из прямоугольного импульса формируется короткий импульс записи в запоминающее устройство, причем импульс записи формируется по заднему фронту прямоугольного импульса. Выходы формирователей подключаются ко входам записи соответствующих ячеек памяти запоминающего устройства. Выходы ячеек памяти подключаются к формирователям напряжения управления ключами коммутатора. Дополнительный канал формирует импульс обнуления ячеек памяти и является общим для всех ячеек памяти. Дополнительный канал подключается к выходу цифрового программируемого генератора и состоит из формирователя прямоугольных импульсов и формирователя коротких импульсов, причем импульс формируется по переднему фронту прямоугольных импульсов (Фиг.2Б).
Известна последовательность излучения импульсов разных частот, поэтому при записи в процессор последовательность частот в файле данных также известна. Дальнейшая обработка полученной информации в процессоре 5 заключается в определении размеров неоднородностей. Эффективность рассеяния звука в жидкости оценивают по коэффициенту объемного рассеяния mV, которое выражается в общем случае как отношение рассеиваемой от неоднородностей мощности звука к плотности потока энергии в падающей волне.
Коэффициент объемного рассеяния mV можно выразить через квадрат отношения давления звука в отраженной волне PS к давлению звука в падающей на неоднородность волне Pi на частоте 
при длительности импульса 
и ширине основного лепестка характеристики направленности узконаправленного излучателя в следующим образом:
,
где с - скорость звука в жидкости.
В данном выражении величины 
, , с, известны, поскольку являются характеристиками среды, аппаратуры, задаются программно. Давление звука в отраженной волне P S и давление звука в падающей на неоднородность волне Р i, на частоте измеряются непосредственно описываемой системой.
Анализируя получаемую в результате эксперимента величину коэффициента объемного рассеяния на разных частотах, делают заключение о размерах неоднородности.
Заявляемая система была реализована с использованием следующих элементов. Акустические преобразователи изготовлены из пьезокерамических дисков с резонансными частотами 170, 300 и 700 кГц и параметрический преобразователь с частотами накачки 665 и 735 кГц для работы на разностной частоте 70 кГц.
Сигналы для излучения формировались цифровым программируемым генератором ГСПФ-053 выпускаемым ЗАО "Руднев и Шиляев" (г.Москва). Генератор последовательно формировал импульсы с указанными выше частотами с интервалом между импульсами 20 мс. Общая длительность цикла излучения-приема всех частот составила 87 мс.
Сформированные сигналы усиливались двумя ступенями усиления. Предварительное усиление обеспечивал усилитель У7-5. Выходная ступень усиления представляла двухтактный трансформаторный каскад на транзисторах BU508D. Каскад позволял поднять амплитуду выходного напряжения до 600 В в режиме оптимального согласования с нагрузкой в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц. Реальные уровни выходных напряжений составляли 170 В на частоте 700 кГц, 280 В на частоте 300 кГц, 160 В на частоте 170 кГц.
В качестве полосовых фильтров и усилителей использовались селективные усилители SMV-11, фильтры RFT-01118 с полосой пропускания 1/3 октавы, все фирмы ROBOTRON, ГДР, селективный нановольтметр SN-233 фирмы UNIPAN, Польша. Усиление трактов приема составляло 7.5*104 на частоте 700 кГц, 7*104 на частоте 300 кГц, 3*10 3 на частоте 170 кГц. Коммутатор частотных каналов выполнен на интегральной микросхеме К590КН5, запоминающее устройство имело 4 ячейки памяти, в качестве ячеек запоминающего устройства использовались 2 интегральные микросхемы сдвоенных D-триггеров К155ТМ2. Запись сигналов рассеяния и отражения проводилась цифровым измерительным регистратором МА-16, выпускаемым ЗАО "Руднев и Шиляев" (г.Москва). Частота дискретизации сигнала составляла 102400 Гц, что обеспечивало высокое пространственное разрешение акустического зондирования толщи моря.
Система многочастотного акустического зондирования, состоящая из антенны, включающей как минимум по одному резонансному и параметрическому акустическому преобразователю, соединенной через коммутатор для разделения сигналов излучения-приема с аппаратурным комплексом, содержащим тракт излучения, выполненный на базе программируемого цифрового генератора и усилителя мощности, тракт приема, состоящий из группы параллельно включенных селективных фильтров, частоты которых соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, а их количество равно количеству акустических преобразователей, усилителей, выполненных с возможностью усиления на своей частоте сигналов, выделенных фильтрами, устройства передачи сигналов и амплитудного детектора, а также систему регистрации, обработки и расчета частотной зависимости амплитуд принятых акустических сигналов, выполненную на базе одноканального аналого-цифрового преобразователя и процессора обработки, отличающаяся тем, что устройство передачи сигналов представляет собой коммутатор частотных каналов, снабженный схемой управления, содержащей группу селективных фильтров, количество которых равно количеству акустических преобразователей, а частоты фильтров соответствуют рабочим частотам акустических преобразователей, через формирователи прямоугольных и коротких импульсов присоединенную к ячейкам памяти запоминающего устройства, соединенного также с группой формирователей прямоугольных и коротких импульсов обнуления ячеек памяти и с формирователем напряжения управления ключами коммутатора, при этом схема управления коммутатора частотных каналов соединена с программируемым цифровым генератором.
