Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности, к акустическим способам и приборам для измерения и регистрации параметров морского волнения методом импульсной эхолокации полигармоническим ультразвуковым сигналом, излучаемым со стороны дна к границе раздела «вода-воздух».

Изобретение может быть применено для измерения параметров волнения моря (высоты, периода, длины и направления распространения волны) с высокой точностью в значительном диапазоне изменения их величин.

В акустических методах измерения расстояний в водной среде используется ультразвуковое облучение контролируемого объекта со стороны измерительного устройства, в результате чего осуществляется одномерное измерение взаимного пространственного положения некоторого участка объекта и измерительного устройства, т.е. определение удаления объекта от средства измерения. В гидролокации дистанция до объекта при установлении акустического контакта измеряется посредством определения интервала времени, затрачиваемого для прохождения соответствующего пути «туда и обратно» ультразвуковыми волнами. Однако немодулированные ультразвуковые колебания, излучаемые электроакустическим преобразователем и распространяющиеся в водной среде, являются лишь средством связи с объектом измерений и сами по себе не являются источником достоверной информации об удалении отражающей поверхности от средств измерений. Определение расстояния обеспечивается при модуляции ультразвуковых сигналов тем или иным способом и измерении времени, прошедшего с момента излучения промодулированных колебаний до момента их приема, причем, предполагается, что скорость распространения колебаний в среде известна. Разрешающая способность акустических волнографов, т.е. их свойство достоверно обнаруживать наименьшее изменение измеряемого расстояния, определяется такими их характеристиками, как вид модуляции излучаемых колебаний, способы обработки принимаемых сигналов и коррекции непостоянства скорости звука, а также в определенной мере рельефом отражающей поверхности объекта и ее акустическими параметрами (волновое сопротивление). Альтиметры разделяются на системы, работающие в надир (надводные) и в зенит (подводные). Но в обоих случаях носитель может быть неподвижным (надводная или подводная платформа, дно моря) или движущимся (самолет, ИСЗ, подводная лодка). В последнем случае обязательно учитываются вертикальные колебания носителя, направление движения его относительно генерального направления волн и угловое распределение энергии в спектре. Точность измерения волновых возвышений определяется диаметром пятна облучения и пространственным спектром поверхности.

Известен эхоимпульсный способ определения дистанции , основанный на измерении интервала времени (время распространения сигнала до акустического контакта с объектом и обратно, где - скорость звука в водной среде) между приемом отраженного сигнала и некоторым контрольным сигналом, определяющим момент посылки зондирующего импульса (см. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.:Гидрометеоиздат, 1984. глава 2. § 2.1 Метод эхолотирования, стр.27 – 30). Использование данного способа измерения расстояний предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1) установка в необходимой части донной поверхности водоема приемоизлучающего электроакустического преобразователя (ЭАП), который соединен кабелем с аппаратурой, а также снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) регулировка пространственного расположения акустической оси приемоизлучающего ЭАП до совпадения с вертикалью, что обеспечивает облучение снизу вверх границы раздела «вода-воздух»;

3) осуществление с помощью излучающего тракта аппаратуры генерирование электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту ;

4) преобразование с помощью ЭАП в режиме излучения кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяют в направлении участка контролируемой границы объекта, в частности, границы раздела «вода-воздух»;

5) установление акустического контакта с участком контролируемой поверхности объекта, что обусловит отражение посылок ультразвуковых волн;

6) преобразование с помощью ЭАП в режиме приема отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

7) в приемном тракте аппаратуры выделение амплитуды информационного сигнала, полученного при отражении только от облучаемой поверхности объекта, в частности, выбранного участка границы раздела «вода-воздух», позволяя судить об его отражательной способности;

8) в приемном тракте аппаратуры снижение влияния непостоянства характеристик гидроакустического канала распространения ультразвуковых волн на результаты измерений;

9) в приемном тракте аппаратуры восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих закономерность изменения пространственного смещения контролируемой поверхности объекта, в частности, выбранного участка границы раздела «вода-воздух» относительно ЭАП;

10) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Данный способ реализован в эхоимпульсном локаторе ЭПО-10М, с помощью которого методом обращенного эхолота (излучение снизу вверх по нормали к границе раздела «вода-воздух») измеряется уровень воды в шлюзах, открытых водоемах и т.д., а также параметры ветрового волнения в условиях мелководья (см. Гидролокаторы ближнего действия. А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов. Л.: Судостроение, 1983. с.167-178).

Эхоимпульсный способ предполагает выполнение определенной последовательности операций в рабочем цикле для указанного локатора, который содержит синхронизатор, генератор, приемоизлучающий ЭАП, коммутатор, схему временной автоматической регулировки усиления, фильтр низкой частоты, подавитель нулевой помехи, указатель глубины. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся синхронизирующие импульсы, запускающие генератор и другие блоки локатора. С выхода генератора электрический радиоимпульсный сигнал заданной длительности и частотой заполнения подается через коммутатор на приемоизлучающий ЭАП, резонанс которого совпадает с частотой несущих колебаний. ЭАП излучает кратковременные и распространяющиеся в канале лоцирования со скоростью посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, что позволяет вкладывать в каждую из посылок относительно высокий энергетический уровень при небольшой средней мощности, затрачиваемой на излучение ультразвуковых волн в водную среду. Эхосигналы от границы раздела «вода-воздух» принимаются ЭАП, ультразвуковые колебания преобразуются в соответствующие им электрические сигналы и через блок временной автоматической регулировки усиления, фильтр низкой частоты, подавитель нулевой помехи поступают на указатель глубины.

Данный способ и реализующее его устройство имеет недостатки и ограничения в применении, связанные с ограничением диапазона проведения достаточно точных измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения – высоты, длины и периода гравитационной волны, осуществляемых по временной задержке отражений импульсных сигналов от отдельных участков ее профиля. Это обусловлено недостаточной как разрешающей способностью по углу, так и помехоустойчивостью приемоизлучающего ЭАП ( поперечный размер «пятна» ~ 1,4м на границе раздела «вода-воздух» при облучении импульсным ультразвуковым сигналом с глубины 10м). Ограниченность полосы пропускания приемного тракта локатора, реализующего данный способ, приводит к тому, что отраженный от цели импульс не может иметь прямоугольную форму, т.к. форма импульса искажается под влиянием помех и происходит смещение момента перехода импульса через пороговый уровень обнаружения, что снижает точность измерений. Данный способ и реализующее его устройство не обеспечивает возможность прямого измерения генерального направления распространения морских волн и использование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

1) установка на донной поверхности водоема донного приемоизлучающего ЭАП, который соединен кабелем с аппаратурой, а также снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, акустическая ось ЭАП должна совпадать с вертикалью, обеспечивая облучение снизу вверх границы раздела «вода-воздух»;

2) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущие колебания с частотой ;

3) преобразование кодированных электрических колебаний с помощью пьезоэлемента ЭАП, который колеблется на основной толщиной моде в режиме одностороннего поршня, в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяют в направлении участка контролируемой границы объекта, в частности, границы раздела «вода-воздух»;

4) установление акустического контакта с участком границы раздела «вода-воздух», что обусловит отражение посылок ультразвуковых волн;

5) получение за счет отражения ультразвукового сигнала амплитудной информации об облучаемой границе раздела;

6) преобразование с помощью пьезоэлемента ЭАП, который возбуждается на основной толщиной моде отраженными ультразвуковыми волнами, в электрический сигнал;

7) осуществление в приемном тракте аппаратуры обработки (усиление, фильтрация и детектирование) и выделение полезного информационного сигнала, который получен при отражении от облучаемого участка границы раздела «вода-воздух»;

8) восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого участка границы раздела «вода-воздух» при использовании приемного тракта аппаратуры;

9) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Известен также акустический способ дистанционного определения высоты морских волн, в котором используется корреляционная обработка огибающих эхосигналов от взволнованной поверхности моря (см. авт. свидетельство СССР № 412578, опубл.25.01.1974, Бюл.№3). Использование данного способа определения высоты морских волн предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1) заглубление в необходимой части водоема двух приемоизлучающих электроакустических преобразователей (ЭАП) с резонансными частотами и , соединенных кабелем с аппаратурой, каждый из которых снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) регулировка пространственного расположения акустических осей обоих ЭАП до совпадения с вертикалью при облучении границы раздела «вода – воздух»;

3) разнесение на расстояние приемоизлучающих ЭАП, где - глубина погружения первого ЭАП;

4) генерирование электрических колебаний и их тонально-импульсное кодирование с помощью излучающего тракта аппаратуры;

5) преобразование кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью с помощью обоих ЭАП в режиме излучения, которые распространяют в направлении участка контролируемой границы объекта, в частности, границы раздела «вода-воздух»;

6) установление акустического контакта с участком контролируемой границы раздела «вода-воздух», что обусловит отражение посылок ультразвуковых волн;

7) преобразование с помощью обоих ЭАП в режиме приема отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы, разность частот которых равна их относительному вертикальному разнесению;

8) выделение в приемном тракте аппаратуры (усиление, фильтрация, детектирование) полезных информационных сигналов – огибающих эхосигналов, полученных при отражении от облучаемой поверхности выбранного участка границы раздела «вода-воздух»;

9) измерение в приемном тракте аппаратуры частотно-пространственного в вертикальной плоскости коэффициента взаимной корреляции огибающих

, (1)

где - угловая ширина основного лепестка характеристики направленности (ХН) ЭАП, - среднеквадратичный угол наклона волн, причем, функция = 1 при ;

10) расчет средней высоты морских волн по формуле

, (2)

где - среднеквадратическая высота морских волн, - разность волновых чисел = , - скорость звука в водной среде.

Данный способ реализован в устройстве для осуществления указанного способа (а.с. СССР № 412578). Устройство содержит синхронизатор, два генератора зондирующих сигналов с прямоугольной огибающей, но различными частотами несущих и , отношение которых , два приемоизлучающих ЭАП: первый погружен на глубину , а второй – на глубину , которые одновременно находятся как на одной вертикали, так и в акустическом контакте со взволнованной границей раздела «вода-воздух», двухканальный приемный тракт, каждый канал которого содержит усилитель, фильтр и амплитудный детектор, а также коррелятор и регистрирующее устройство.

Указанный способ и реализующее его устройство имеет недостатки и ограничения в применении:

1) способ и устройство, его реализующее, имеют ограничения по точности измерения параметров морского волнения, обусловленные тем, что оба излучающих тракта требуют повышенной стабильности частот генераторов, равномерности амплитудно-частотных характеристик ЭАП в рабочих диапазонах частот, не предусмотрена операция контролируемого изменения в некотором диапазоне частот и облучения взволнованной границы «вода – воздух», причем, последнее не позволяет подбирать оптимальные значения частот при измерении величины частотно-пространственного коэффициента взаимной корреляции огибающих;

2) способ не позволяет оптимизировать характеристики зондирующего ультразвукового поля в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, эффективность проводимых акустическим волнографом измерений осложняется воздействием объемной реверберации, возникающей в приповерхностном аэрированном слое и маскирующей полезный сигнал от границы раздела «вода-воздух»;

3) отсутствует возможность регулировки угловой ширины основных лепестков обоих ХН ЭАП с резонансными частотами и за счет использования эффектов нелинейной акустики в гидроакустическом канале, что не позволяет снизить погрешность проводимых измерений высоты морских волн;

4) данный способ и реализующее его устройство не обеспечивает возможность измерения генерального направления распространения морских волн и использование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

1) установка в объеме водоема приемоизлучающих ЭАП, которые соединены кабелем с аппаратурой, а также снабжены пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущие колебания с частотой ;

3) преобразование кодированных электрических колебаний с помощью пьезоэлементов ЭАП, которые колеблются на основной толщиной моде в режиме одностороннего поршня, в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяют в направлении участка границы раздела «вода-воздух»;

4) установление акустических контактов с участком границы раздела «вода-воздух», обусловливающее отражение посылок ультразвуковых волн;

5) получение за счет отражения ультразвуковых сигналов амплитудной информации об облучаемой границе раздела;

6) прием и преобразование с помощью двух ЭАП отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

7) обработка (усиление, фильтрация и детектирование) эхосигналов, полученных при отражении от облучаемого участка границы раздела «вода-воздух», и выделение электрического информационного сигнала в приемном тракте аппаратуры, который получен при отражении от облучаемого участка границы раздела «вода-воздух»;

8) восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого при использовании приемного тракта аппаратуры;

9) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Наиболее близкими аналогами для заявляемого способа и устройства являются соответственно многочастотный эхоимпульсный способ измерения параметров морского волнения и реализующий его акустический волнограф, (патент РФ № 168083, G01S 15/60 , опубл. 17.01.2017, Бюл №2.) С помощью устройства – многочастотного акустического волнографа методом обращенного эхолота (излучение снизу вверх по нормали к границе раздела «вода-воздух») измеряются параметры ветрового волнения в условиях мелководья.

Использование данного способа измерения расстояний предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1) размещение на донной поверхности акватории ПАУ полусферической формы, которые выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) выбор для проведения измерений параметров морского волнения верхнего ЭАП, входящего в состав ПАУ полусферической формы, акустическая ось которого совпадает с вертикалью, что обеспечивает излучение снизу вверх по нормали к выбранному участку границы раздела «вода-воздух», для чего последний соединен кабелем с аппаратурой;

3) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а полная посылка содержит в себе несущие колебания с частотой ;

4) преобразование кодированных электрических колебаний с помощью верхнего ЭАП ПАУ в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяются в направлении выбранного участка контролируемой границы раздела «вода-воздух»;

5) формирование в гидроакустическом канале параметрической излучающей антенны (ПИА), в объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

6) установление акустического контакта с выбранным участком границы раздела «вода-воздух», что обусловит отражение посылок ультразвуковых волн;

7) получение за счет отражения составляющих полигармонического сигнала амплитудной информации об облучаемом выбранном участке границы раздела на каждой спектральной компоненте;

8) прием и преобразование с помощью верхнего ЭАП ПАУ отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

9) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала - усиление, детектирование, изменение амплитуды и перемножение выделенных видеоимпульсных сигналов для получения электрического сигнала, соответствующего результирующему эхосигналу от выбранного участка границы раздела «вода-воздух»;

10) подбор регистрируемых спектральных составляющих эхосигналов и вариантов обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, что позволяет регулировать основные параметры в приеме ЭАП ПАУ: остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН;

11) регулировка точности измерения на выбранном участке границы раздела «вода – воздух» величин ординат ветровой волны за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

12) выделение полезного информационного сигнала в приемном тракте аппаратуры, который получен при отражении только от выбранного и облучаемого участка границы раздела «вода-воздух»;

13) восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого при использовании канального приемного тракта аппаратуры, реализующем многочастотный эхоимпульсный способ определения дистанции;

14) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Аппаратура акустического волнографа (пат. № 168083 РФ G01S 15/60 , опубл. 17.01.2017, Бюл №2) содержит коммутатор «прием-передача», а также тракты излучения и приема. В излучающем тракте генератор соединен через последовательно включенные усилитель мощности и коммутатор с ЭАП, расположенным в верхней части многоэлементного донного ПАУ (полусферическая конструкция, расположенная на донной поверхности в заданной точке акватории). Акустическая ось ЭАП расположена вертикально, т.е. облучение короткими ультразвуковыми импульсами взволнованной границы раздела сред « вода – воздух» осуществляется по кратчайшему расстоянию через нелинейную водную среду, причем, эхосигналы принимаются тем же ЭАП в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В приемном тракте аппаратуры волнографа используемый ЭАП соединен через коммутатор со входами параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа) из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на различные спектральные составляющие, амплитудных детекторов и аттенюаторов с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными - входами перемножителя. Выход перемножителя через пороговое устройство и счетчик импульсов соединен с входом запоминающего регистра ЭЦВМ, который также соединен как с входом цифрового табло, так и через цифроаналоговый преобразователь с входами самописца и интегратора. Два других входа счетчика импульсов соединены с выходами как тактового генератора, так и блока управления, причем, другие дополнительные выходы последнего соединены с управляющими входами генератора, резонансных усилителей и аттенюаторов.

Данный способ и устройство имеют недостатки и ограничения в применении:

1) в прототипе для получения сведений о закономерности изменения удаления облучаемой границе раздела от ЭАП, который расположен в верхней части донного ПАУ, используется только вертикальное направление облучения, что ограничивает точность измерений, поскольку для получения более полного и точного объема сведений о характеристиках взволнованной поверхности необходимо также использовать наклонное облучение границы раздела;

2) использование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности должно сопровождаться первоначальным определением генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, однако, в способе- прототипе данная операция не осуществима, что снижает достоверность проводимых измерений;

3) в прототипе для первоначально определенного генерального направления распространения поверхностной ветровой волны не реализована возможность классификации по отраженному сигналу параметров процесса морского волнения, в частности, при наклонном облучении в широком диапазоне изменения как углов визирования , так и частот ультразвукового зондирования.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

1) размещение на донной поверхности акватории ПАУ полусферической формы, которые выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) выбор для проведения измерений параметров морского волнения верхнего ЭАП, входящего в состав ПАУ полусферической формы, акустическая ось которого совпадает с вертикалью, что обеспечивает излучение снизу вверх по нормали к выбранному участку границы раздела «вода-воздух», для чего последний соединен кабелем с аппаратурой;

3) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущие колебания с частотой ;

4) преобразование кодированных электрических колебаний с помощью верхнего ЭАП ПАУ в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяются в направлении выбранного участка контролируемой границы раздела «вода-воздух»;

5) формирование в гидроакустическом канале ПИА, в объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

6) установление акустического контакта с выбранным участком границы раздела «вода-воздух», что обусловит отражение посылок ультразвуковых волн;

7) получение за счет отражения составляющих полигармонического сигнала амплитудной информации об облучаемом выбранном участке границы раздела на каждой спектральной компоненте;

8) прием и преобразование с помощью верхнего ЭАП ПАУ отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

9) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала - усиление, детектирование, изменение амплитуды и перемножение выделенных видеоимпульсных сигналов для получения электрического сигнала, соответствующего результирующему эхосигналу от выбранного участка границы раздела «вода-воздух»;

10) подбор регистрируемых спектральных составляющих эхосигналов и вариантов обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, что позволяет регулировать основные параметры в приеме ЭАП ПАУ: остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН;

11) регулировка точности измерения на выбранном участке границы раздела «вода – воздух» величин ординат ветровой волны за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

12) выделение полезного информационного сигнала в приемном тракте аппаратуры, который получен при отражении только от выбранного и облучаемого участка границы раздела «вода-воздух»;

13) восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого участка границы раздела «вода-воздух» при использовании канального приемного тракта аппаратуры, реализующем многочастотный эхоимпульсный способ определения дистанции;

14) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

Основной задачей изобретения является создание способа, позволяющего осуществлять как определение генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, так и использования резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения параметров волнения моря (высоты, периода, длины, направления и скорости распространения ветровой волны) в значительном диапазоне изменения их величин.

Технический результат достигается тем, что в известный (патент РФ № 168083) многочастотный эхоимпульсный способ измерения параметров морского волнения, включающий:

1) размещение на донной поверхности акватории ПАУ полусферической формы, которое выполнено из одинаковых ЭАП, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром полусферы, поверхность которой аппроксимируют плоскости апертур ЭАП, образуя упорядоченную систему параллелей и меридианов, из меридианов выделен и обозначен на поверхности ПАУ осевой меридиан, проекция которого должна быть установлена определенным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;

2) выбор для проведения измерений параметров морского волнения верхнего ЭАП, входящего в состав ПАУ полусферической формы, акустическая ось которого совпадает с вертикалью, что обеспечивает излучение снизу вверх по нормали к выбранному участку границы раздела «вода-воздух», для чего последний соединен кабелем с аппаратурой;

3) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических колебаний и их кодирование – преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущие колебания с частотой ;

4) преобразование кодированных электрических колебаний с помощью верхнего ЭАП ПАУ в кратковременные периодические посылки ультразвуковых волн с необходимой длительностью, которые распространяются в направлении выбранного участка контролируемой границы раздела «вода-воздух»;

5) формирование в гидроакустическом канале ПИА, в объеме которой распределены нелинейные источники формирующихся спектральных компонент, в результате чего генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) ультразвуковые сигналы;

6) установление акустического контакта с выбранным участком границы раздела «вода-воздух» для отражения посылок ультразвуковых волн;

7) получение за счет отражения составляющих полигармонического сигнала амплитудной информации об облучаемом выбранном участке границы раздела на каждой спектральной компоненте;

8) прием и преобразование с помощью верхнего ЭАП ПАУ отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы;

9) осуществление в канальном приемном тракте аппаратуры обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала - усиление, детектирование, изменение амплитуды и перемножение выделенных видеоимпульсных сигналов для получения электрического сигнала, соответствующего результирующему эхосигналу от выбранного участка границы раздела «вода-воздух»;

10) подбор регистрируемых спектральных составляющих эхосигналов и вариантов обработки в канальном приемном тракте аппаратуры, что позволяет регулировать основные параметры в приеме ЭАП ПАУ, таких как остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН;

11) регулировку точности измерения на выбранном участке границы раздела «вода – воздух» величин ординат ветровой волны за счет изменения разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях;

12) выделение полезного информационного сигнала в приемном тракте аппаратуры, который получен при отражении только от выбранного и облучаемого участка границы раздела «вода-воздух»;

13) восстановление функции движения и получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого при использовании канального приемного тракта аппаратуры, реализующем многочастотный эхоимпульсный способ определения дистанции;

14) отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре.

дополнительно введены следующие операции:

15) выбор двух ЭАП , расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ, при этом акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

16) генерирование с помощью излучающего тракта аппаратуры электрических несущих колебаний с частотой , при этом оба ЭАП соединяют через коммутатор с излучающим трактом аппаратуры;

17) синхронное преобразование электрических колебаний с помощью двух ЭАП в импульсный режим излучения ультразвуковых волн, распространяемых в направлении двух выбранных участков границы раздела «вода-воздух», формируя в водной среде две ПИА, в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие);

18) генерирование двух полигармонических пучков ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, пучки разнесены относительно оси симметрии выбранного ПАУ, их оси имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта, находясь в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ;

19) установление акустических контактов при облучении двух участков взволнованной границы раздела «вода – воздух», в пределах которых распространяется с горизонтальной скоростью поверхностная ветровая волна, причем, относительно выбранного ПАУ на первом участке – волновой процесс приближается, а на втором - удаляется;

20) преобразование с помощью двух ЭАП ПАУ отраженных ультразвуковых волн в электрические сигналы, частоты которых в соответствии с двойным эффектом Доплера изменены на величину сдвига частоты, причем, для первого участка частота повышена, а для второго - уменьшена;

21) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры алгебраического суммирования частот сигналов, принятых двумя ЭАП ПАУ, для каждой гармоники с частотами , в отдельности, а также измерение значений полученных наборов доплеровских частот;

22) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и сопряжение с внешними регистрирующими устройствами с последующим отображением, регистрацией и документированием результатов измерений в аппаратуре;

23) выбор следующей пары ЭАП, смещенных относительно исходно выбранной пары, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, при этом акустические оси данной пары ЭАП имеют те же одинаковые углы наклона относительно горизонта и также находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ;

24) последовательное выполнение операций, осуществляемых до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода – воздух», не достигнет максимального значения, что осуществляется при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП для данного этапа измерений;

25) осуществление в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры перехода от значения полученной максимальной доплеровской частоты к значению горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны, соответствующей ее генеральному направлению распространения;

26) выбор необходимой скоростной чувствительности канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры;

27) для найденного генерального направления распространения поверхностной ветровой волны осуществление облучения взволнованной поверхности границы раздела «вода- воздух» под фиксированным углом относительно горизонта на различных частотах зондирующего сигнала, с измерением амплитуды отраженного сигнала в канале волнографа приемного тракта аппаратуры;

28) для найденного генерального направления распространения поверхностной ветровой волны осуществление облучения взволнованной поверхности границы раздела «вода-воздух» при изменении угла относительно горизонта на нескольких фиксированных значениях частот излучаемых волн, с измерением амплитуды отраженного сигнала в канале волнографа приемного тракта аппаратуры.

Поставленная задача решается также устройством для реализации способа измерения параметров морского волнения, которое содержит береговую аппаратуру, ПАУ, полусферическая поверхность которого состоит из апертур одинаковых ЭАП, образующих упорядоченную систему параллелей и меридианов, при этом расположенное в водной среде на донной поверхности акватории и ориентированное заданным образом относительно сторон света, ЭАП соединены через многоканальный управляемый коммутатор с береговой аппаратурой, состоящей из излучающего тракта, включающего генератор, усилитель мощности и приемный тракт, содержащий каналы обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны и измерений параметров морского волнения в режимах нормального (наклонного) облучения участка границы раздела «вода- воздух».

Канал обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны содержит два ЭАП, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ, акустические оси обоих ЭАП имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии донного ПАУ, а расположение обоих ЭАП на заданной параллели может изменяться по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки, оставаясь соединенными через многоканальный управляемый коммутатор как с излучающим трактом, так и с входами резонансных усилителей, настроенных на частоты , , выходы которых соединены с двумя входами частотных дискриминаторов таким образом, что на два входа каждого подают электрические сигналы парами как одного частотного диапазона, так и доплеровского сдвига (но с разными знаками – «+» и «-»), выходы частотных дискриминаторов и резонансных усилителей, настроенных на частоты , , соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации, выход которого соединен со входами цифрового табло и самописца.

Режим нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода-воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения, который содержит ЭАП ПАУ, акустическая ось которого расположена вертикально, выход данного ЭАП соединен через многоканальный управляемый коммутатор со входами параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа ) из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на частоты и , амплитудных детекторов и аттенюаторов с регулируемыми коэффициентами передачи, выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными - входами перемножителя, выход перемножителя через пороговое устройство и счетчик импульсов соединен со входом запоминающего регистра ЭЦВМ, выход которого также соединен как с входом цифрового табло, так и через цифро-аналоговый преобразователь со входами самописца и интегратора; второй вход счетчика импульсов соединен с выходом тактового генератора;

Режим наклонного облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода- воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения, который содержит ЭАП ПАУ, акустическая ось которого расположена под углом относительно горизонта, выход данного ЭАП соединен через многоканальный управляемый коммутатор со входами параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа ) из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на частоты и , амплитудных детекторов и аттенюаторов с регулируемыми коэффициентами передачи, выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными - входами аналогового ключа, выход которого соединен со входом индикатора.

Устройство выполнено с возможностью наклонного ультразвукового облучения с частотами и взволнованной поверхности границы раздела «вода- воздух» в двух вариантах: - либо при неизменном угле относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП , - либо при изменении угла относительно горизонта за счет коммутации разных «меридианальных» ЭАП. Управляющие входы генератора, многоканального управляемого коммутатора, всех аттенюаторов, резонансных усилителей, настроенных на соответствующую спектральную составляющую и , тактового генератора, цифрового табло, самописца, интегратора, блока вторичной обработки доплеровской информации, аналогового ключа и индикатора соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки, совместное функционирование каналов и выбор варианта наклонного облучения осуществляется по командам оператора (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки. ПАУ выполнено в соответствии с пат. № 104732 РФ G01S 15/00; опубл. 20.05.2011, Бюл №14, причем, каждый ЭАП содержит пьезоэлемент и элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

Заявляемые способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом и позволяют решить техническую проблему улучшения эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры с параметрическим режимом излучения, используемой для океанографических исследований.

Заявляемый способ и устройство для его реализации поясняются следующими чертежами.

На фиг.1 схематически изображена структурная схема устройства для реализации способа, поясняющая режим обработки доплеровской информации;

на фиг.2 схематически представлена работа устройства, реализующего способ, в режиме волнографа;

на фиг.3 схематически представлена работа устройства, реализующего способ, в режиме обработки доплеровской информации;

на фиг.4 и 5 изображены экспериментальные угловые и частотные зависимости первых порядков для нормированных амплитуд отраженного сигнала при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 6 мм и высотой неровности = 2 мм, полученные при различных длинах облучающих ультразвуковых волн и углах визирования ;

на фиг. 6 представлены экспериментальные угловые зависимости высших порядков для амплитуд отраженного сигнала для поверхностей с заданной «резонансной» длиной = 12 мм и высотой неровности = 4 мм и при различных длинах облучающих ультразвуковых волн (кривая 1 - = 7,5 мм, кривая 2 - = 10 мм);

на фиг.7 представлена расчетная зависимость добротности образцов поверхности синусоидального профиля (кривая 1 - = 6 мм и = 7,5 мм, кривая 2 - = 20 мм и = 12 мм) от числа Р элементов пространственной структуры поверхности на облучаемой площадке.

Устройство для реализации способа содержит ПАУ (раскрытое в описании к патенту РФ № 104732), полусферическая поверхность которого состоит из апертур одинаковых ЭАП, образующих упорядоченную систему параллелей и меридианов. ПАУ расположено в водной среде на донной поверхности акватории, ориентировано заданным образом относительно сторон света, ЭАП соединены через многоканальный управляемый коммутатор с береговой аппаратурой (фиг.1, блоки находящиеся внутри штрихового контура), состоящей из излучающего и приемного трактов, включающая в себя каналы как измерений параметров морского волнения в режиме волнографа, так и обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 через блок управления и настройки 20. В излучающем тракте генератор 1 соединен через последовательно включенные усилитель мощности 2 и многоканальный управляемый коммутатор 3 с необходимым количеством из одинаковых электроакустических преобразователей (ЭАП) 4, акустические оси которых равномерно распределены в полупространстве и выходят из одной точки, являющейся центром донного ПАУ 5 полусферической формы. Из меридианов выделен и обозначен на поверхности каждого ПАУ 5 осевой меридиан, проекция которого ориентирована заданным образом относительно сторон света, причем, каждый ЭАП 4 снабжен пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (на чертежах не показаны).

Режим нормального облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода- воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения (режим волнографа, пат. № 168083 РФ G01S 15/60 , опубл. 17.01.2017, Бюл №2), в котором используется ЭАП 4. Акустическая ось ЭАП расположена вертикально, т.е. облучение короткими ультразвуковыми импульсами взволнованной границы раздела 7 (фиг. 2,3) сред «вода – воздух» осуществляется по кратчайшему расстоянию через нелинейную водную среду 6. Эхосигналы принимаются тем же ЭАП 4 в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В режиме волнографа (фиг. 1 и 2) в приемном тракте береговой аппаратуры выход ЭАП 4 соединен через многоканальный управляемый коммутатор 3 с приемным трактом для обработки высокочастотных и низкочастотных спектральных составляющих эхосигнала с частотами и , которые формируются в водной среде за счет нелинейных эффектов как самовоздействия, так и самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения и длительностью , канал включает в себя параллельно включенных цепочек (где =1,2,3, , и =1,2,3, , - целые числа ) из последовательно соединенных резонансных усилителей 8, настроенных на частоты и , амплитудных детекторов 9 и аттенюаторов 10 с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными - входами перемножителя 11. Выход перемножителя 11 через пороговое устройство 12 и счетчик импульсов 13 соединен с входом запоминающего регистра 14 ЭЦВМ, который также соединен как с входом цифрового табло 15, так и через цифро-аналоговый преобразователь 16 с входами самописца 17 и интегратора 18. Два других входа счетчика импульсов 13 соединены с выходами как тактового генератора 19 , так и блока управления и регулировок 20, причем, другие дополнительные выходы последнего соединены с управляющими входами генератора 1, многоканального управляемого коммутатора 3, резонансных усилителей 8 и аттенюаторов 10.

Канал обработки доплеровской информации для поиска генерального направления распространения поверхностной ветровой волны содержит два ЭАП 4^/, 4^//, расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП 4^/, 4^// имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5, оба ЭАП 4^/, 4^// соединены через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры – генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг.1). Импульсный режим излучения ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 ( фиг.3) «вода-воздух», формирует в водной среде 6 две ПИА (самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем, каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении ультразвуковых волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг.3), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке – волновой процесс приближается ( частота увеличена), а на втором – удаляется ( частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП 4^/, 4^// в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты , , соединены с двумя входами частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, причем, на оба входа последних подают электрические сигналы парами одного как частотного диапазона, так и доплеровского сдвига (но с разными знаками – «+» и «-»). В частотных дискриминаторах 24, 25, …, 26 происходит перемножение поступающих пар электрических сигналов, а затем выделение низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах , значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. Выходы частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26 и резонансных усилителей 21, 22, …, 23, настроенных на частоты , , соединены со входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами , принятых ЭАП 4^/, 4^// для каждой гармоники с частотами , в отдельности, измерение значений полученных наборов доплеровских частот, переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны и т.д.

Поиск генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, соответствующего максимальному значению ее горизонтальной скорости , осуществляется за счет аналогичного использования последующих пар ЭАП 4^/, 4^//, смещенных относительно исходно выбранной пары, которые также расположены на пересечениях той же заданной параллели и следующего меридиана полусферической поверхности отдельного донного ПАУ. Последовательное выполнение этих действий осуществляется до тех пор, пока в канале выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры измеряемое значение доплеровской частоты для ультразвуковых сигналов, отраженных от двух облучаемых участков взволнованной границы раздела «вода – воздух», не достигнет максимального значения, что имеет место при нахождении вектора горизонтальной скорости поверхностной ветровой волны в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ, в которой также расположены акустические оси обоих ЭАП для данного этапа измерений. Описанный режим обработки доплеровской информации позволяет выбирать необходимую скоростную чувствительность устройства на гармониках с частотами в приемном тракте аппаратуры. Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования резонансного ультразвукового рассеяния.

Режим наклонного облучения ультразвуковыми импульсами участка границы раздела «вода- воздух» обеспечивает канал измерений параметров морского волнения. Измерение резонансного ультразвукового рассеяния в режиме волнографа обеспечивает наклонное ультразвуковое облучение с частотами и взволнованной поверхности границы 7 раздела «вода- воздух», которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП 4^/, - либо при изменении угла относительно горизонта за счет коммутации разных «меридианальных» ЭАП 4^/. Для реализация применяются те же излучающий и приемный тракты режима волнографа, отличием приемного тракта является возможность отдельного измерения амплитуд отраженных спектральных компонент сигнала, в связи с чем в него добавлены последовательно включенные - входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными - входами перемножителя 11, их управляющие входы соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20, совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора 28 (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки 20.

Заявленный способ реализуется с помощью устройства измерения параметров морского волнения следующим образом.

По команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 (фиг.1, 2, 3) блок управления и настройки 20 вырабатывает синхроимпульс, поступающий на управляющий вход тактового генератора 19, причем, изменение скорости звука в водной среде 6 учитывается с помощью изменения тактовой частоты его выходного сигнала. С выхода тактового генератора 19 начинают поступать импульсы на вход счетчика импульсов 13, причем, одновременно, с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 поступают импульсы на управляющие входы как резонансных усилителей 8 («запирают» на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от границы раздела), так и генератора 1, вырабатывающего радиоимпульс длительностью с гармоническим заполнением с частотой . Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП 4, который, являясь составным элементом донного многочастотного приемоизлучающего антенного устройства (ПАУ) 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки в водную среду 6. Водная среда 6 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейных эффектов – самовоздействия и самодемодуляции (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. Ю. Житковского. – М.: Мир, 1977. – с. 227 – 273), которые можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой в области распространения. Получение достоверной информации о параметрах морского волнения с помощью устройства для реализации акустического способа измерения параметров морского волнения и его функционирование в режиме акустического волнографа, обеспечивается применением для облучения границы раздела «вода-воздух» 7 не только сигнала накачки с частотой , но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами , где - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами , , , , , где =1,2,3, …,, - порядковый номер максимума в спектре, - длительность излученного импульса соответственно. Нелинейные эффекты в акустическом поле, формируемом ЭАП 4, позволяют разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (ЭАП 4) и формирования направленного излучения (участок водной среды 6, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного импульса накачки, соответствующие его тональному заполнению и огибающей). В объеме ПИА распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего при небольших поперечных размерах ЭАП 4 генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) акустические сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий сигнал , содержащий спектральные составляющие с частотами , где - порядковый номер гармоники, и , , , , , где =1,2,3, …,, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела «вода-воздух» 7 и отражается от нее, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об облучаемой границе раздела 7, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об отражательной способности, акустическом сопротивлении и кинематических характеристиках границы раздела «вода-воздух» 7, а также о закономерности изменения ее удаления от ЭАП 4, входящего в состав донного многочастотного ПАУ 5. Отраженный полигармонический сигнал достигает ЭАП 4, находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами и , , , , . Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности и , а также чувствительностями и в режиме приема ЭАП 4 для каждой из рассеянных границей раздела «вода-воздух» акустических волн с указанными выше частотами колебаний, где - угол прихода рассеянных волн, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны. Эффективность направленного действия ЭАП 4 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих, причем, если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая ХН по интенсивности представляет собой среднее арифметическое их ХН для ЭАП 4 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.:Судостроение, 1988. – 288 с. Глава 1 Направленность судовых акустических антенн, § 1.1 Параметры, характеризующие направленность акустических антенн, с.5 - 16)

, (3)

где - ХН по давлению на -той частоте дискретной составляющей спектра, - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. На выходе канального приемного тракта обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала после усиления (резонансные усилители 8), детектирования (детекторы 9), изменения амплитуд (аттенюаторы 10) и перемножения (перемножитель 11) выделенных видеоимпульсных сигналов (), (), …. (), (), … получаем результирующее напряжение =, соответствующее результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела «вода-воздух», которое подается на вход порогового устройства 12. Перемножение электрических сигналов , уровни каждого из которых пропорциональны аналогичным пространственным ХН ЭАП 4, обеспечит сохранение электрических сигналов большой амплитуды, соответствующих основным лепесткам на акустической оси ЭАП 4, и ослабление электрических сигналов малой амплитуды, соответствующих добавочным максимумам для других внеосевых направлений, что эквивалентно уменьшению угловой ширины главного максимума и подавлению дополнительных максимумов в результирующей ХН преобразователя 4. Точность измерения ординат волны в ее вершине и подошве близка к разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях, а на склонах - определяется протяженностью «пятна засветки», причем, повышение точности измерений в режиме волнографа можно осуществить при реализации многоканального приемного тракта, воплощающего подход к обработке эхосигналов спектральных составляющих, описанный соотношением (7). Таким образом, выбор набора регистрируемых частот эхосигналов и алгоритм обработки в многоканальном приемном тракте устройства, реализующего акустический способ измерения параметров морского волнения, позволит регулировать основные параметры в приеме обратимого ЭАП 4: остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН. При функционировании устройства в режиме волнографа передний фронт видеоимпульсного напряжения = , соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», используется как характерный признак поступления отраженной от границы раздела «вода-воздух» посылки. Из теории электрических цепей (см. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде. М., Энергия, 1973. Глава 3 Преобразование информационных сигналов в канале приема. §§10, 11 Основные требования к тракту усиления, Аппаратурное время задержки, с.56 - 63) известно, что воздействие импульса гармонического колебания с частотой, равной собственной частоте избирательной системы (например, на резонансный усилитель 8), приводит к возникновению переходных процессов, проявляющихся в «затягивании» переднего и заднего фронтов. Так, выходной сигнал описывается следующим выражением , где - коэффициент усиления для сигнала, - постоянная времени системы. Возникновение запаздывания в формировании огибающей установившегося импульсного выходного сигнала (передний фронт) приводит к появлению аппаратурного времени задержки, которое добавляется ко времени пробега измеряемого расстояния упругими волнами и может вносить погрешность в результаты измерений. Аппаратурное время задержки определяется совместным действием двух факторов – полосой пропускания тракта и уровнем дискриминации сигнала при его детектировании. В эхо-импульсных устройствах уровень дискриминации вводится в приемный тракт для исключения ложных показаний устройства при наличии внешних акустических и других помех, для фиксации информативного сигнала необходимо его превышение над установленным порогом дискриминации, причем, увеличение амплитуды информативного сигнала приводит к уменьшению аппаратурного времени запаздывания. Для возможно большего ослабления флуктуаций аппаратурного времени задержки, определяющего величину погрешности проводимых измерений, необходимо как уменьшать порог дискриминации, так и увеличивать уровень полезного информативного сигнала. В устройстве именно использование полигармонического зондирующего ультразвукового сигнала, содержащего как низкочастотные, так и высокочастотные спектральные составляющие, может позволить снизить величину аппаратурного времени запаздывания при увеличении уровня результирующего информативного сигнала за счет перемножения. Обозначив относительный уровень дискриминации , где - абсолютный уровень дискриминации; - установившаяся амплитуда выходного сигнала, а также , запишем выражение для аппаратурного времени задержки . Приведем расчетные значения как времени аппаратурного запаздывания (мксек), так и соответствующего дополнительного расстояния (см) до отражающей границы раздела при относительных уровнях дискриминации 0,5; 0,3; 0,1 от установившейся величины сигнала : 220 мксек и 16,3 см; 114 мксек и 8,1 см; 33 мксек и 2,4 см. Итак, в устройстве полученное видеоимпульсное напряжение , соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», поступает на вход порогового устройства 12, которое срабатывает в момент прихода переднего фронта сигнала и останавливает счетчик импульсов 13. Подсчитанное число тактовых импульсов заносится в запоминающий регистр 14 ЭВМ, выдается на цифровое табло 15, а также после цифро-аналогового преобразования в блоке 16 поступает на входы как самописца 17, так и интегратора 18. В устройстве высота волны измеряется прямым методом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды, чем достигается достаточно высокая точность и достоверность измерений. Период волны измеряется в результате обработки серии экспериментальных наблюдений, полученных эхозондированием.

Исследование резонансного механизма ультразвукового рассеяния для получения дополнительных сведений о характеристиках взволнованной поверхности должно сопровождаться первоначальным определением генерального направления распространения поверхностной ветровой волны, в котором – «резонансная» длина взволнованной поверхности является максимальной, причем, получение данной информации обеспечивает функционирование канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации приемного тракта аппаратуры. Для измерений в режиме обработки доплеровской информации используются два ЭАП 4^/, 4^// расположенных на пересечениях заданной параллели и осевого меридиана полусферической поверхности донного ПАУ 5, акустические оси обоих ЭАП 4^/, 4^// имеют одинаковые углы наклона относительно горизонта (фиг.1 и 3) и находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5.

На фиг.3 представлены два варианта расположения обоих ЭАП 4^/, 4^// на полусферической поверхности донного ПАУ 5, в которых приняты обозначения с нижними индексами: 1) || - параллельно вектору (ЭАП , ЭАП ), 2) - перпендикулярно вектору (ЭАП ,ЭАП ), которые соответствуют взаимному расположению вектора горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны и вертикальных плоскостей (заштрихованы с разным углом наклона), проходящих через ось симметрии (сдвинуты друг относительно друга на 90⁰ в горизонтальной плоскости) донного ПАУ 5. Очевидно, что именно первый вариант, когда вектор горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны полностью проецируется на вертикальную плоскость, проходящую через ось симметрии отдельного донного ПАУ 5, в которой лежат акустические оси обоих ЭАП , ЭАП , может обеспечить при отражении ультразвуковых волн возникновение максимальных сдвигов их частот, обусловленных двойным эффектом Доплера. Это и есть генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны, которое может быть определено «на местности» относительно осевого меридиана ПАУ 5. Положение вектора горизонтальной скорости («туда» или «обратно») вдоль генерального направления распространения поверхностной ветровой волны (фиг.3) может быть установлено за счет регистрации изменения частот принимаемых ультразвуковых волн: 1) частота увеличена, т.е. волновой процесс приближается («оттуда», вектор скорости направлен к ЭАП ПАУ 5), 2) частота уменьшена, т.е. волновой процесс удаляется («туда», вектор скорости направлен от ЭАП ПАУ 5). Ниже рассмотрим промежуточное расположение (относительно изображенных на фиг.1 и 3) обоих ЭАП 4^/, 4^// , соединенных через многоканальный управляемый коммутатор 3 с излучающим трактом аппаратуры – генератором 1 и усилителем мощности 2 (фиг.1). Импульсный режим излучения ультразвуковых волн, которые распространяются в направлении двух выбранных участков границы раздела 7 «вода-воздух», формирует в водной среде 6 две параметрические излучающие антенны (ПИА, самовоздействие), в объемах которых генерируются два полигармонических пучка ультразвуковых сигналов с частотами , , где - порядковый номер гармоники, причем, каждый пучок локализован в пределах небольшого телесного угла при практически полном отсутствии бокового поля. При отражении ультразвуковых волн возникновение сдвигов их частот обусловлено двойным эффектом Доплера (фиг.3), так как относительно выбранного ПАУ на первом участке (на фиг.3 слева) – волновой процесс приближается (частота увеличена), а на втором (на фиг.3 справа)– удаляется ( частота уменьшена). Отраженные колебания поступают на ЭАП 4^/, 4^// в течение пауз между изучением зондирующих сигналов, выходы которых через многоканальный управляемый коммутатор 3 и резонансные усилители 21, 22, …, 23, настроенные на частоты , , соединены с двумя входами частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, причем, на оба входа последних подают электрические сигналы парами как одного частотного диапазона, так и доплеровского сдвига (но с разными знаками – «+» и «-»)

(4)

.

В частотных дискриминаторах 24, 25, …, 26 происходит перемножение поступающих пар электрических сигналов, а затем выделение низкочастотных компонент, которые пропорциональны на частотах , значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. Таким образом, частотные дискриминаторы 22, 23, … 24 вырабатывают гармонических электрическиx сигналов с частотами = , которые пропорциональны значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны. С учетом этого, на частотах можно вычислить значений горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны относительно поверхности дна по формуле

, (5)

где – скоростная чувствительность устройства, характеризующая приращение доплеровской частоты при изменении скорости на один узел. Выходы как частотных дискриминаторов 24, 25, …, 26, так и резонансных усилителей 21, 22, …, 23, настроенных на частоты , , соединены с входами блока вторичной обработки доплеровской информации 27. В блоке 27 осуществляется алгебраическое суммирование частот сигналов с доплеровскими сдвигами, принятыми ЭАП 4^/, 4^// для каждой гармоники с частотами , в отдельности, измерение значений полученных наборов доплеровских частот, переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям горизонтальной скорости распространения поверхностной ветровой волны, преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и индикация значений, сопряжение канала выделения доплеровских частот и вторичной обработки доплеровской информации с внешними регистрирующими устройствами и т.д. Данная информация с выхода блока 27 по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28, поступающей через блок управления и настройки 20 на управляющий вход блока 27, выводится на цифровое табло 15 и самописец 17.

Вышеуказанное можно проиллюстрировать следующими расчетными примерами.

Расчетный пример 1. Проиллюстрируем возможность получения различной точности отображения рельефа взволнованной границы раздела «вода-воздух» с использованием каналов обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ (самовоздействие) и НЧ (самодемодуляция) приемного тракта устройства. Например, по границе раздела со скоростью распространяется поверхностная ветровая волна, у которой облучаются снизу две соседние «подошвы» профиля одинаковой величины, расположенные на расстоянии и разделенные размахом ( - двойная амплитуда) волнового процесса (фиг.2), отметки от которых на волнограмме могут сливаться в одну, что может привести к неработоспособности устройства. Рассчитаем величину угла , при отклонении на который в области основного лепестка ХН ЭАП 4, оператор 28 уверенно зафиксирует уменьшение амплитуды сигнала от каждой из соседних «подошв» профиля одинаковой величины, т.е. они будут зарегистрированы раздельно с определенной точностью отображения волнового профиля на границе раздела «вода-воздух». Величиной этого угла характеризуют точность пеленгования, например, для максимального метода пеленгования , где - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05- 0,15); для слухового индикатора - ≥ 0,2 (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. – Л.: Судостроение, 1986. – 272 с. Глава 8 Параметры аппаратуры в режиме приема. §8.1 Методы и харакеристики пеленгования в режиме приема, с. 129 – 133). Оценим точность максимального метода пеленгования НЧ и ВЧ амплитудными трактами макета параметрического гидролокатора ближнего действия (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения.- Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2018 г.- 176 с. Глава 2 Параметрические локаторы с трактами обработки амплитудных, фазовых и частотных признаков эхосигналов, §2.4 Параметрическая локационная система ближнего действия для обеспечения подледного плавания автономных подводных аппаратов, с.96 - 124), который может быть использован в режиме волнографа. В данном устройстве угловая ширина основного лепестка результирующих ХН приемно-излучающей системы по уровню 0,7 составляет: ВЧ канал - при предлагаемой обработке сигналов = 476 кГц, = 456 кГц, = 496 кГц - при отсутствии боковых лепестков; НЧ канал - для сигнала разностной частоты = 20 кГц = 6,4° при наличии боковых лепестков с уровнями до 13%, что должно обеспечить при вертикальном лоцировании с донного ПАУ 5, расположенного на глубине 20 метров, следующие величины разрешающей способности по углу ~ 0,2 м и ~ 0,8 м соответственно. В данном случае при визуальном пеленговании соседних «подошв» профиля одинаковой величины оператором (μ=0,1) с помощью данной локационной системы точность пеленгования будет составлять: для ВЧ тракта при предлагаемой обработке - = 0,28°; для НЧ тракта на сигнале разностной частоты = 20 кГц - = 1,3°.

Расчетный пример 2.

В данном примере рассмотрена работоспособность и эффективность излучающего тракта устройства в режиме волнографа на основе анализа результатов испытаний рыбопоисковой аппаратуры (РПА) серии «Сарган» в штатных режимах, так как мощность излучения обратимой антенны достаточна для проявления нелинейности упругих свойств водной среды при распространении импульсного сигнала конечной амплитуды с частотой заполнения , т.е. формирования полигармонического зондирующего сигнала как с высокочастотными (самовоздействие), так и низкочастотными (самодемодуляция) спектральными составляющими. Двухчастотная антенна РПА «Сарган-К» позволяет излучать в водную среду акустический сигнал основной частоты = 19,7 кГц или 135 кГц, причем, предусмотрена возможность облучения разных по величине водных объемов (режимы «Широкая диаграмма направленности (ДН)» и «Узкая диаграмма направленности (ДН)») на каждой из данных частот за счет электрического возбуждения как центральной части, так и всех пьезоэлементов, составляющих ее поршневую апертуру. Известны (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения.- Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2018 г.- 176 с. Глава 1 Многочастотный режим РПА для оценки отражательной способности объектов промысла, §1.3 Пространственные характеристики акустических полей зондирующих сигналов, излучаемых антеннами РПА, с.29 - 42) экспериментальные ХН антенны РПА «Сарган», где – расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; – диаметр антенны, абсолютная погрешность измерения угловой ширины основного лепестка ХН по уровню 0,7 составляла (±0,2)⁰. Из них следует, что для сигнала основной частоты и его высших гармоник, формирующихся в воде: 1) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Широкая ДН» имеет: на частоте = 135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 = 4,7⁰ и уровень бокового излучения =(- 15,5 дБ); на частоте = 270 кГц - = 3,2° и = (- 20 дБ); на частоте = 405 кГц - = 2,8° и =(-50 дБ); 2) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» имеет: на частоте =135 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 = 2,1° и уровень бокового излучения = (- 9 дБ); на частоте =270 кГц - =1,7° и =(- 16 дБ); на частоте =405 кГц - = 1,3° и =(-33 дБ). Антенна комплекса «Сарган – К» в режиме излучения низкочастотного сигнала имеет: на частоте = 19,7 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0.7 = 16° и уровень бокового излучения = (-13 дБ); на частоте = 39,4 кГц - =11,7° и =(-20 дБ); на частоте = 59,1 кГц - = 9,6° и = (-28 дБ). Из представленных данных следует, что угловая ширина основного лепестка по уровню 0,7 и уровень бокового поля ХН антенны для формирующихся в водной среде акустических сигналов кратных частот уменьшаются, причем, при увеличении порядкового номера гармоники данные эффекты проявляются в большей степени. Следует отметить, что режим параметрического излучения (РПИ) на эффекте самодемодуляции был первым успешно внедрен в РПА «Сарган -К», «Сарган-ЭМ» (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.: Судостроение, 1986. – 272 с. Глава 7 Параметры аппаратуры в режиме излучения, §7.8 Основные характеристики излучения параметрических антенн, с.112 - 129), что расширило эксплуатационные возможности изделия при несложных доработках схемных решений. Например, в РПА «Сарган-ЭМ» при излучении в штатном высокочастотном (ВЧ) режиме зондирующего импульса с частотой заполнения 135 кГц в воде формируется низкочастотный самодемодулированный сигнал, энергетический спектр которого имеет максимумы и минимумы, расстояние между которыми на оси частот обратно пропорционально длительности излученного импульса, а также зависит от времен как нарастания, так и спада его фронтов. Один из максимумов энергетического спектра приходится на второй резонанс (19,7 кГц) амплитудно-частотной характеристики обратимой антенны РПА, что и позволяет осуществлять в режиме параметрического излучения эхопоиск за счет регистрации данной спектральной компоненты отраженного низкочастотного сигнала. Рассмотрим более подробно пример численного расчета характеристик режима параметрического излучения (РПИ) в серийной РПА «Сарган-ЭМ», в частности, как энергетического спектра самодемодулированного импульса (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.:Судостроение, 1986.–272с. рис.7.23 на стр.128), так и осевого распределения уровня звукового давления формирующегося в воде сигнала (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры.– Л.:Судостроение, 1986.–272с. рис.7.24 на стр.128). Из первого графика (рис.7.23 на стр.128) следует, что при излучении эхолотом «Сарган-ЭМ» импульсов с частотой заполнения 135 кГц (длительность излученного импульса =175 мкс, длительности как нарастания, так и убывания фронтов 58 мкс, частота следования импульсов =6,67 кГц) формируется за счет нелинейности упругих свойств водной среды распространения низкочастотный широкополосный сигнал, в спектре которого в областях частот ( 2,85 кГц, 8,57 кГц, 12,85 кГц, 19,95 кГц, , , где =1,2,3, … - порядковый номер максимума в спектре) содержатся максимумы энергии, причем, четвертый максимум энергии самодемодулированного импульса (заштрихован на рис.7.23 на стр.128)) соответствует одной из резонансных частот (19.7 кГц) обратимой интерференционной антенны. Из графиков (рис.7.24 на стр.128) следует, что осевые распределения уровней звукового давления как в пресной (кривая 1), так и соленой (кривая 2) водной среде аналогичны известным характеристикам для излучающих параметрических антенн, при этом следует отметить низкую эффективность генерации самодемодулированных спектральных составляющих в сравнении с высокочастотными (самовоздействие) гармониками волны конечной амплитуды с основной частотой заполнения . Сопоставление угловых распределений уровней звукового давления рабочих сигналов РПА «Сарган-М» для режимов: параметрического излучения (кривая 2), на высокой 135 кГц (кривая 1 ) и низкой 20 кГц (кривая 3) частотах (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации.–Л.:Судостроение, 1989. – 256 с. Глава 6 Параметрические антенны в режиме самодетектирования, § Диаграммы направленности, рис.6.14 на стр.174) показывает следующее. Итак, в РПИ самодемодулированное излучение практически не имеет бокового поля, основной лепесток близок к главному максимуму излучения на частоте 135 кГц, причем, по уровню 0,7 основной лепесток практически в пять раз уже в сравнении с главным максимумом излучения на частоте 20 кГц.

Ветровое воздействие на водную поверхность заключается в том, что оно создает на ее поверхности давление в направлении своего движения, причем, комбинация поверхностного натяжения и гравитационных сил создает каппилярно-гравитационные волны, для которых соотношение частоты и длины волны в «глубокой» воде (глубина больше половины длины поверхностной волны) описываются следующим выражением (см. К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография: Основы и применения. - Пер. с англ. Под ред.Ю.Ю. Житковского.–М.:Мир,1980.–580с. Глава 1. Море с акустической точки зрения § 1.4 Поверхность моря, с.26 - 29)

, (6)

где - угловая частота (рад/с), - волновое число, - частота (Гц), - длина волны (м), - ускорение силы тяжести (9,8 м/с²), - поверхностное натяжение, - плотность воды (кг/м³). При малых длинах волн (больших ) в соотношении доминирует второй член и с учетом, что , получается соотношение для капиллярных волн или , т.е. фазовая скорость капиллярных волн возрастает с уменьшением длины волны. Скорость гравитационных волн возрастает с увеличением длины волны в соответствии с выражением или , например, для гравитационных волн при длинах от 1 м до 100 м фазовые скорости находятся в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с соответственно.

Специфические условия эксплуатации устройства в режиме волнографа определяются непрерывным изменением формы отражающей поверхности границы раздела 7 и расстояния до нее. Положение отражающей поверхности «вода-воздух» 7 меняется от горизонтального для гребня или подошвы до крутонаклонного на ее скатах, причем, основной составляющей принимаемого полигармонического сигнала является сигнал зеркального отражения от горизонтальных участков поверхности 7. Предположим, что длина горизонтального участка взволнованной отражающей границы раздела «вода-воздух» - гребня или подошвы гравитационной волны – приблизительно составляет , причем, этому участку «облучения» соответствует угол - острота максимума основного лепестка ХН, в пределах которого каналы приемного тракта устройства нечувствительны к изменению уровней () эхосигналов на используемых спектральных компонентах с частотами и , , , , . Учитывая, что острота максимума основного лепестка ХН плоского поршневого ЭАП 4 на данных сигналах описывается соотношением , где - диаметр преобразователя (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.:Судостроение, 1988. – 288 с. Глава 1 Направленность судовых акустических антенн § 1.2 Направленность основных типов акустических антенн. с.17 – 27), данные величины можно связать соотношением =(), где - глубина расположения ЭАП 4 относительно границы раздела. Исходя из этого соотношения можно для заданных глубин расположения антенны РПА «Сарган» («обращенный» эхолот) рассчитать диапазон минимальных длин гравитационных волн, «оптимально» регистрируемых методом прямого счета на определенной спектральной составляющей зондирующего полигармонического сигнала. Так, для = 100м при использовании модернизированной антенны «Сарган-ЭМ» (диаметр =0,5 м) спектральным составляющим 40 кГц, 60 кГц, 135 кГц, 270 кГц и 405 кГц соответствуют «оптимально» регистрируемые минимальные длины гравитационных волн - 30 м, 20 м, 8,9 м, 4,5 м и 3 м, которые распространяются со скоростями 6 м/с, 5 м/с, 3 м/с, 2 м/с и 1,6 м/с (расчет) соответственно. Итак, глубины 100м –

на спектральной составляющей 405 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 3 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,53°); на спектральной частоте 270 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 4,5 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,6°); на спектральной частоте 135 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 8,9 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,9° ) и т.д.

Таким образом, устройство в режиме волнографа позволяет получать достоверную информацию о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин за счет оптимизации характеристик зондирующего ультразвукового поля, в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости ЭАП 4, являющегося элементом донного ПАУ 5, обеспечивая повышение точности и приводя к регистрации уточненных данных.

Обнаруженное генеральное направление распространения поверхностной ветровой волны позволяет получить дополнительные сведения о характеристиках взволнованной поверхности за счет использования резонансного ультразвукового рассеяния, в частности, модернизированный режим волнографа обеспечивает наклонное ультразвуковое облучение с частотами и взволнованной поверхности границы 7 раздела «вода- воздух», которое осуществляется в двух вариантах: - либо при неизменном угле относительно горизонта с помощью одного и того же ЭАП 4^/, - либо при изменении угла относительно горизонта за счет коммутации разных «меридианальных» ЭАП 4^/; для реализация применяются те же излучающий и приемный тракты режима волнографа, отличием приемного тракта является возможность отдельного измерения амплитуд отраженных спектральных компонент сигнала, в связи с чем в него добавлены последовательно включенные - входовый аналоговый ключ 29 и индикатор 30, сигнальные входы аналогового ключа 29 соединены с сигнальными - входами перемножителя 11, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20. Совместное функционирование блоков осуществляется по командам оператора 28 (или автоматической системы принятия решений) через блок управления и настройки 20.

Известен расчет конструкции ПАУ 5 для случая использования в качестве излучающих элементов круглых плоских поршневых ЭАП 4 (см. V.Y.Voloshchenko. “Seadrome: Increasing the safety of takeoff and landing operations in the seaplane basin”, Russian Aeronautics (Iz VUZ), 59(2), 271-276, DOI 10.3103/S1068799816020197,http://link.springer.com/article/10.3103/S1068799816020197 ,2016). Угловая ширина основного лепестка (в градусах) на заданном относительном уровне (0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) ХН круглого поршневого ЭАП 4 определяется его волновым размером ( - диаметр преобразователя, - длина волны акустического сигнала с частотой , распространяющегося со скоростью в воде) и может быть рассчитана по формуле где уровням = 0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента = 58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0 ( см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций – М., Пищ. пром., 1974. - 275с. Глава 1 Сплошные антенны § 1 Плоские антенны с круглым раскрывом. с. 15 – 19). Если акустические оси соседних ЭАП 4 с резонансной частотой кГц (6 мм) для кольцевых рядов разнесены на одинаковый угол , а относительный уровень перекрывания их основных лепестков (), то диаметр ЭАП 4 определяется соотношением , откуда м. В то же время диаметр ЭАП 4 и диаметр несущей полусферической конструкции ПАУ 5 могут быть связаны соотношением , откуда м. Оценим количество ЭАП 4 диаметром , размещаемых на полусфере ПАУ 5 диаметром . Так, для описанного выше варианта конструкции длина окружности нижнего кольцевого ряда составляет 1,98м, что при диаметре ЭАП 4 0,059м, дает размещаемое количество ЭАП 4 – 33, причем, для последующих десяти «вышележащих» рядов потребуется - 32, 29, 25, 23, 18, 12, 9, 6, 3 соответственно. Из геометрии полусферической конструкции ПАУ 5 следует соотношение: , где – угол в вертикальной плоскости между направлением облучения и нормалью к облучаемой границе раздела «вода-воздух» (угол визирования), причем, для указанных выше кольцевых рядов углы визирования составят 90°, 81°, 72°, 63°, 54°, 45°, 36°, 27°, 18°, 9°, 0°.

По команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 поступают импульсы на управляющие входы как резонансных усилителей 8 («запирают» на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от границы раздела), так и генератора 1, вырабатывающего радиоимпульс длительностью с гармоническим заполнением с частотой . Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через многоканальный управляемый коммутатор 3 на ЭАП 4^/ выбранного кольцевого ряда, обеспечивающего необходимый угол визирования , который, являясь составным элементом донного ПАУ 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки в водную среду 6. Водная среда 6 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейных эффектов – самовоздействия и самодемодуляции (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. – М.: Мир, 1977. – с. 227 – 273). Получение достоверной информации о параметрах морского волнения обеспечивается применением для облучения границы раздела «вода-воздух» 7 не только сигнала накачки с частотой , но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами , где - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами , , , , , где =1,2,3, …,, - порядковый номер максимума в спектре, - длительность излученного импульса соответственно. Полигармонический зондирующий сигнал , содержащий спектральные составляющие с частотами , где - порядковый номер гармоники, и , , , , , где =1,2,3, …,, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела «вода-воздух» 7 и отражается от нее, причем, основной вклад в обратно рассеянный сигнал вносят составляющие поверхности с волновым числом , подчиняющиеся условию «резонансного», или избирательного рассеяния, для которых выполняется условие

; , (7)

где – волновое число; – длина излучаемой волны; – угол между направлением облучения и нормалью к поверхности (угол визирования); – «резонансная» длина взволнованной поверхности; – порядок пространственного спектра. Отраженный полигармонический сигнал достигает ЭАП 4^/ , находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами и , , , , , среди которых есть и «резонансно» рассеянные компоненты. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными ХН и , чувствительностями и в режиме приема ЭАП 4^/ для каждой из рассеянных границей раздела «вода-воздух» акустических волн с указанными выше частотами колебаний, а также условием «резонансного», или избирательного рассеяния (11). В канальном приемном тракте обработки амплитудных характеристик спектра эхосигнала по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительных выходов блока управления и настройки 20 выбираются «резонансные» дискретные частотные составляющие, электрические сигналы (), (), …. (), () соответствующие которым, через резонансные усилители 8, детекторы 9, аттенюаторы 10 поступают на входов аналогового ключа 29, выход которого соединен со входом индикатора 30. Управляющие входы блоков 29 и 30 соединены с соответствующими выходами блока управления и настройки 20, причем, перемножитель 11 по команде оператора (или автоматической системы принятия решений) 28 с дополнительного выхода блока управления и настройки 20 отключен, т.е. описанный выше режим волнографа не функционирует. Таким образом, с помощью модернизированного режима волнографа можно как измерять амплитуды отраженного сигнала в приемном тракте аппаратуры, так и анализировать полученные экспериментальные зависимости, причем, при облучении взволнованной поверхности границы раздела «вода- воздух» либо под фиксированным углом относительно горизонта на различных частотах ультразвуковых сигналов, либо при изменении угла относительно горизонта на нескольких фиксированных значениях частот излучаемых ультразвуковых волн.

Пример 4.

С целью оценки возможностей применения ЭАП 4^/ из выбранного кольцевого ряда ПАУ 5, для исследования «резонансного» механизма рассеяния были проведены эксперименты в гидроакустическом бассейне, координатное устройство которого позволяло в вертикальной плоскости изменять угол визирования в диапазоне (30° – 70°), град при облучении различных плоских пенопластовых образцов достаточных поперечных размеров. Отражающая поверхность образцов имеет синусоидальный профиль с различными как «резонансными» длинами , так и высотами регулярных неровностей. Использовался ЭАП 4^/ с круглым плоским (диаметр 20 мм) пьезоэлементом с резонансной частотой = 2, 5 МГц, которой обеспечивал формирование в режиме параметрической излучающей антенны (ПИА) рабочих ультразвуковых сигналов в диапазоне (50 – 200) кГц. Анализ экспериментальных угловых (фиг.4) и частотных (фиг.5) зависимостей первых порядков () для нормированных амплитуд отраженного сигнала при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 6 мм и высотой неровности = 2 мм, полученные при различных длинах (кривые 1, 2, 3 - 7,5 мм, 8,57 мм, 10 мм, фиг.4) ультразвуковых волн в диапазоне изменения угла визирования ( от 30⁰ до 65⁰), а также для фиксированного угла визирования (фиг.5) в диапазоне изменения частоты ультразвукового облучения (от 175 кГц до 215 кГц), подтверждает соответствие расположения нормированных максимумов отраженных сигналов условию резонанса (10), причем, совпадение расчета и эксперимента составляет (10 – 20)%. Наряду с резонансами первого порядка наблюдались эффекты высших порядков и (фиг. 6): кривые 1 и 2 получены для различных длин = 7,5 мм и 10 мм ультразвуковых волн соответственно при облучении образца поверхности синусоидального профиля с «резонансной» длиной = 12 мм и высотой неровности = 4 мм. Полученные результаты подтверждают наличие резонансного механизма рассеяния и перспективность его использования для получения сведений о характеристиках взволнованной поверхности.

На фиг.7 представлена расчетная зависимость добротности Q образцов поверхности синусоидального профиля (кривая 1 - = 6 мм и = 7,5 мм, кривая 2 - = 20 мм и = 12 мм) от числа элементов пространственной структуры поверхности на облучаемой площадке, т.е. исследовалась зависимость ширины резонансной кривой от расстояния между ЭАП 4^/ и образцом поверхности синусоидального профиля. Из фиг. 7 следует, что добротность Q возрастает с увеличением числа , что соответствует физике явления. При этом добротность тем больше, чем меньше длина облучающей волны при одной и той же величине облучаемой площади. Исследовалась также зависимость резонансного рассеяния от соотношения между высотой неровностей и длиной облучаемой волны . При увеличении отношения , начиная с >1, резонансная картина становится менее выраженной, уменьшалась добротность резонансных пиков, возрастал уровень отражений в промежутках между резонансными частотами, для максимумов отраженного сигнала не соблюдалось резонансное условие (11).

Вышеизложенное позволяет давать практические рекомендации по выбору длины волны ультразвуковых волн для реализации предлагаемого акустического способа измерения параметров морского волнения.

Заявляемые способ и устройство могут найти широкое применение в области гидроакустики для измерения параметров волнения моря (высоты, периода, длины и направления распространения волны) с высокой точностью в значительном диапазоне изменения их величин.