Устройство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений морских биологических объектов

 

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, -12^o (фиг. 4). В то время как при помощи устройства-прототипа удалось зарегистрировать всего лишь одно направление прихода НЧ-сигнала (под углом 0^o) 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).

На основании проведенных модельных исследований можно с уверенностью констатировать, что разработанное заявителем устройство способно обнаруживать и пеленговать гидроакустические излучения морских биологических объектов в диапазоне от единиц Гц до единиц кГц, так как именно в этом диапазоне частот содержатся наиболее информативные признаки шумоизлучений большинства промысловых объектов. В таблице приведены характерный диапазон частот и область максимальной чувствительности некоторых промысловых рыб по данным работы /Сорокин М.А. Слуховые способности некоторых дальневосточных рыб//Автореф. дисс. к.б.н. - М.: ИЭМЭК, 1984, 28 с./.

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

Устройство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений, содержащее последовательно электрически соединенные генератор, усилитель мощности и излучатель высокочастотного 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, имеющий центральную частоту, соответствующую частоте высокочастотного сигнала накачки, детектор, фильтр низких частот, усилитель низких частот, являющийся выходом блока нелинейной обработки сигналов и средство для сканирования характеристики направленности антенны, отличающееся тем, что 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 характеристики направленности антенны использованы приспособления для механического сканирования антенны в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, в качестве фильтра, имеющего центральную частоту, соответствующую частоте высокочастотного сигнала накачки, использован полосовой фильтр ультразвукового диапазона частот, к выходу усилителя низких частот дополнительно параллельно подключены фильтр инфразвукового и низкого звукового диапазонов частот и полосовой фильтр звукового диапазона частот, при этом выход полосового фильтра инфразвукового и низкого звукового диапазонов частот подключен к 1-му входу сумматора, а выход полосового фильтра звукового диапазона частот подключен к 1-му входу коррелятора, дополнительно установлен блок линейной обработки сигналов, включающий последовательно электрически соединенные второй полосовой фильтр звукового диапазона частот, подключенный своим входом к выходу предварительного усилителя и являющийся входом блока линейной обработки сигналов, усилитель звукового диапазона частот и 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6