RU2452040C1 - Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment - Google Patents
Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2452040C1 RU2452040C1 RU2010141675/28A RU2010141675A RU2452040C1 RU 2452040 C1 RU2452040 C1 RU 2452040C1 RU 2010141675/28 A RU2010141675/28 A RU 2010141675/28A RU 2010141675 A RU2010141675 A RU 2010141675A RU 2452040 C1 RU2452040 C1 RU 2452040C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parametric
- frequency
- waves
- reception
- signals
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических системах комплексного дальнего мониторинга характеристик инфранизкочастотных, сверхнизкочастотных полей протяженных морских акваторий, облучаемых береговыми и прибрежными источниками.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in hydroacoustic systems for integrated long-range monitoring of the characteristics of infra-low-frequency, ultra-low-frequency fields of extended marine areas irradiated by coastal and coastal sources.
Известен способ параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающий формирование вблизи приемника рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе способа заложена закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).A known method for the parametric reception of an acoustic (elastic) wave in a marine environment, including the formation of a non-linear interaction near the receiver and a parametric conversion of pump waves and measured information waves by radiation into this zone of an additional signal. The method is based on the regularity of nonlinear interaction and parametric transformation of pump waves with measured information waves (see B.K. Novikov, O.V. Rudenko, V.I. Timoshenko. Non-linear hydroacoustics. L .: Sudostroenie, 1981, p.7- 12).
Недостатками этого технического решения являются низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, а также практическая невозможность приема таких волн в морской среде, сформированных удаленными береговыми и прибрежными источниками.The disadvantages of this technical solution are the low sensitivity and the short range of the parametric reception of information signals (waves) in the infra-low-frequency and fractional ranges, as well as the practical impossibility of receiving such waves in the marine environment formed by remote coastal and coastal sources.
Известен также способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.).There is also known a method for the parametric reception of waves of various physical nature in the marine environment, including the formation in it of a zone of nonlinear interaction and parametric transformation of elastic pump waves with measured information signals (see RU No. 2158029,
Известное решение является способом приема упругой волны в морской воде, при этом зона параметрического приема (параметрическая антенна) формируется в ближней зоне приемника. Причем модуляционные возмущения используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне параметрического приема. При этом изменение параметра нелинейности среды за счет непосредственного воздействия измеряемых волн в расчет не принимается.The known solution is a method of receiving an elastic wave in sea water, while a parametric reception zone (parametric antenna) is formed in the near zone of the receiver. Moreover, modulation perturbations are used only to increase the nonlinearity parameter of the medium in the working area of the parametric reception. In this case, a change in the nonlinearity parameter of the medium due to the direct influence of the measured waves is not taken into account.
Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкая чувствительность и ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов (волн) в инфранизкочастотном и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах, при этом практически невозможен дальний прием в морской среде и измерения характеристик (например, частотной, а также пространственно-временной (угловой) и спектральной структуры) информационных сигналов (волн), формируемых источниками и объектами, расположенными в прибрежной и береговой зонах в заданном секторе углов наблюдения (приема). Эти недостатки рассматриваемого способа приема упругих информационных сигналов (волн) в морской среде обусловлены низким эффектом их нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования с волнами накачки (просветными волнами), которые заключается в следующем.Thus, the disadvantages of the known technical solution are the low sensitivity and the limited (units of kilometers) range of the parametric reception of information signals (waves) in the infra-low-frequency and fractional (units-parts of Hertz) ranges, while long-range reception in the marine environment and measurement of characteristics (for example , frequency, as well as spatio-temporal (angular) and spectral structure) of information signals (waves) generated by sources and objects located in the coastal and area zones in a given sector of observation angles (reception). These disadvantages of the considered method of receiving elastic information signals (waves) in the marine environment are due to the low effect of their nonlinear interaction and parametric conversion with pump waves (translucent waves), which is as follows.
Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит, так называемый, нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°C; 3,5 - при 20°C; 3,7 - при 40°C. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°C величина E равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности E в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. Исходя из этого, необходимо применить другие методы усиления эффекта взаимодействия и параметрического преобразования волн, например, за счет использования в качестве рабочей зоны протяженной области контролируемой среды, а также усиления (модуляции) параметра нелинейности среды измеряемыми информационными волнами, что существенно повышает общий эффект нелинейного взаимодействия волн и увеличивает дальность параметрического приема. Дальнее измерение в морской среде пространственно-временных и спектральных характеристик суммарного инфранизкочастотного и дробного излучения, формируемого береговыми и прибрежными источниками, требует применение иных, нетрадиционных, технических решений формирования измерительных параметрических систем и их реализации в условиях протяженных морских акваторий. Для этого можно воспользоваться, например, перемещающимся в заданном секторе горизонтальных углов излучением волн накачки, формирующим сканирующую низкочастотную параметрическую антенну.It is known that the so-called non-linear parameter of water E, which, as a rule, is insignificant, makes the main contribution to the efficiency of converting a high-frequency signal to low-frequency harmonics. For example, for distilled water, E = 3.1 at a temperature of 0 ° C; 3.5 - at 20 ° C; 3.7 - at 40 ° C. For sea water at a salinity of 35% in the temperature range of 20-30 ° C, the value of E is 3.6. Experimental work carried out in the open sea showed that the non-linearity coefficient E in a wide frequency range up to depths of 300 m varies slightly and does not exceed 4. Therefore, fundamentally new effects cannot be expected compared to those already studied in the open ocean at arbitrary depths. Based on this, it is necessary to apply other methods of enhancing the interaction effect and parametric wave transformation, for example, by using an extended region of a controlled medium as the working zone, as well as strengthening (modulating) the nonlinearity parameter of the medium by measured information waves, which significantly increases the overall effect of nonlinear interaction waves and increases the range of parametric reception. Long-range measurement in the marine environment of the spatio-temporal and spectral characteristics of the total infra-low-frequency and fractional radiation generated by coastal and coastal sources requires the use of other, non-traditional, technical solutions for the formation of measuring parametric systems and their implementation in extended sea areas. To do this, you can use, for example, pumping radiation moving in a given sector of horizontal angles, forming a scanning low-frequency parametric antenna.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в достижении дальнего и сверхдальнего параметрического приема в морской среде и измерения пространственно-временных (угловых) и спектральных характеристик информационных волн в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых береговыми и прибрежными источниками на дистанциях десятки-сотни километров.The problem to which the claimed invention is directed is expressed in achieving long-range and ultra-long parametric reception in the marine environment and measuring the spatio-temporal (angular) and spectral characteristics of information waves in the infra-low-frequency and fractional ranges generated by coastal and coastal sources at distances of tens to hundreds of kilometers .
Технический результат - достижение дальнего и сверхдальнего приема в морской среде и измерения пространственно-временной (угловой), а также спектральной структуры суммарного поля инфразвукового и дробного излучения береговых и прибрежных источников, что достигается использованием низкочастотной накачки (прозвучивания) протяженного пространства контролируемой среды, что позволяет увеличить протяженность объема пространственной параметрической системы контроля среды до десятков-сотен километров (т.е. сформировать протяженную пространственную параметрическую антенну соответствующей длины), тем самым обеспечивается дальний и сверхдальний параметрический прием волн, создаваемых сейсмическими, синоптическими и другими возмущениями морских акваторий в инфразвуковом и дробном диапазонах частот.EFFECT: achieving long-range and ultra-long-range reception in the marine environment and measuring the spatiotemporal (angular), as well as the spectral structure of the total field of infrasound and fractional radiation of coastal and coastal sources, which is achieved using low-frequency pumping (sounding) of the extended space of the controlled environment, which allows increase the volume of the spatial parametric environmental control system to tens to hundreds of kilometers (i.e., to form an extended simple spatial parametric antenna of the corresponding length), thereby providing long-range and ultra-long parametric reception of waves generated by seismic, synoptic and other disturbances in marine areas in the infrasound and fractional frequency ranges.
Для решения поставленной задачи способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в среде рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами, отличается тем, что в зоне действия приемной антенны формируют сканирующую в горизонтальной плоскости пространственную параметрическую антенну, для чего, в названной зоне, в заданном секторе углов приема информационных полей, предпочтительно на удалении от приемной антенны соответствующем протяженности контролируемого участка морской среды, перемещают подвижный излучатель волн накачки, посредством которого непрерывно облучают среду низкочастотными сигналами накачки, при этом волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными полями принимают в непрерывном режиме, усиливают в полосе частот параметрического преобразования, переносят их временной масштаб в высокочастотную область и измеряют узкополосные спектры, выделяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней боковой полосы, а по ним с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также местоположения параметрической антенны восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, например частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры. Кроме того, контролируемую среду прозвучивают широкополосными низкочастотными акустическими сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией. Кроме того, волны накачки формируют акустическими сигналами с частотой в диапазоне десятки-сотни герц.To solve this problem, the method of parametric reception of waves of various physical nature in the marine environment, including the formation of a non-linear interaction in the medium of the working zone and the parametric conversion of elastic pump waves with measured information signals, is characterized in that a spatial parametric scanning horizontal plane is formed in the receiving antenna’s coverage area an antenna, for which, in the said zone, in a given sector of the angles of reception of information fields, preferably at a distance from the receiving antenna corresponding to the length of the monitored section of the marine environment, the mobile pump wave emitter is moved, by means of which the medium is continuously irradiated with low-frequency pump signals, while the pump waves interacting with the measured information fields are received in a continuous mode, amplified in the frequency band of the parametric conversion, transferred them temporarily scale into the high-frequency region and measure narrow-band spectra, isolate them and record the parametric composition yayuschie lower sideband, and in considering them and parametric frequency-time conversion of the pump wave and the parametric array locations are reduced and fixed characteristics measured information fields, such as frequency range, intensity, spatial-temporal and spectral structure. In addition, the controlled environment is heard by broadband low-frequency acoustic signals with time-frequency or phase modulation. In addition, pump waves are formed by acoustic signals with a frequency in the range of tens to hundreds of hertz.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the claimed and well-known technical solutions indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.
Признаки «в зоне действия приемной антенны формируют сканирующую в горизонтальной плоскости пространственную параметрическую антенну» обеспечивают формирование сплошной пространственно-временной зоны измерения пространственно-временной и спектральной структуры информационных сигналов (волн) формируемых береговыми и прибрежными источниками.The signs “in the operating zone of the receiving antenna form a spatial parametric antenna scanning in the horizontal plane” provide the formation of a continuous spatio-temporal zone for measuring the spatio-temporal and spectral structure of information signals (waves) generated by coastal and coastal sources.
Признаки, указывающие, что в зоне действия приемной антенны «в заданном секторе углов приема информационных полей, предпочтительно на удалении от приемной антенны соответствующем протяженности контролируемого участка морской среды», обеспечивают возможность максимального (по территории) охвата и контроля береговых и прибрежных источников формирования измерительных сигналов (волн), составляющих информационные поля контролируемой акватории (контролируемого участка морской среды).Signs indicating that in the range of the receiving antenna "in a given sector of the reception angles of the information fields, preferably at a distance from the receiving antenna corresponding to the length of the monitored section of the marine environment", provide the possibility of maximum (in territory) coverage and control of coastal and coastal sources of formation of measuring signals (waves) that make up the information fields of a controlled area of water (a controlled area of the marine environment).
Признак «перемещают подвижный излучатель волн накачки, посредством которого непрерывно облучают среду низкочастотными сигналами накачки» обеспечивает формирование сканирующей параметрической антенны. При этом использование низкочастотного акустического излучения обеспечивает повышение дальности (протяженности) зоны прозвучивания морской среды, поскольку такое излучение является слабозатухающим, причем его легко осуществить существующими радиогидроакустическими средствами.The sign "move the mobile emitter of the pump waves, through which the medium is continuously irradiated with low-frequency pump signals" provides the formation of a scanning parametric antenna. At the same time, the use of low-frequency acoustic radiation provides an increase in the range (extent) of the sound zone of the marine environment, since such radiation is weakly attenuated, and it is easy to implement it with existing radio-acoustic means.
Признаки, указывающие, что «волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными волнами, принимают в непрерывном режиме», обеспечивают возможность последующего решения задачи дальнего измерения характеристик информационных полей (сформированных береговыми и прибрежными источниками информационных сигналов) по закономерностям их амплитудно-фазовой модуляции, кроме того, они обеспечивают возможность сканирующего режима работы параметрической антенны.Signs indicating that "the pump waves interacting with the measured information waves are received in a continuous mode" provide the possibility of further solving the problem of the long-range measurement of the characteristics of information fields (formed by coastal and coastal sources of information signals) according to the laws of their amplitude-phase modulation, in addition , they provide the ability to scan the parametric antenna.
Признак, указывающий, что волны накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными полями, «усиливают в полосе частот параметрического преобразования», обеспечивают повышение точности и достоверности информации, получаемой при обработке принятых информационных сигналов.A sign indicating that the pump waves interacting with the measured information fields "amplify in the frequency band of the parametric conversion", provide increased accuracy and reliability of the information obtained by processing the received information signals.
Признаки, указывающие, что частотно-временной масштаб волн накачки, взаимодействовавших с измеряемыми информационными полями «переносят в высокочастотную область», обеспечивают последующую возможность выполнения узкополосного спектрального анализа в диапазонах инфранизких и дробных частот существующими методами и радиотехническими приборами. Теоретические и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии даны в работе В.М.Черницер, Б.Г.Кадук «Преобразователи временного масштаба». М.: Сов. радио, 1972, с.3-16.Signs indicating that the time-frequency scale of the pump waves interacting with the measured information fields is “transferred to the high-frequency region”, provide the subsequent possibility of performing narrow-band spectral analysis in the infra-low and fractional frequency ranges by existing methods and radio devices. Theoretical and practical ways of implementing such a processing method as applied to hydroacoustics and seismology are given in the work of V.M. Chernitser, B. G. Kaduk "Time-scale converters". M .: Sov. Radio, 1972, pp. 3-16.
Признаки, указывающие, что «измеряют узкополосные спектры, выделяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней боковой полосы», обеспечивают при использовании известных методов узкополосного спектрального анализа восстановление частоты исходных информационных сигналов.Signs indicating that "measure the narrow-band spectra, select them and record the parametric components of the lower sideband", provide, using known methods of narrow-band spectral analysis, the frequency of the original information signals is restored.
Признаки, указывающие, что при использовании выявленных параметров частоты исходных информационных сигналов «с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также местоположения параметрической антенны (т.е. данных сканирования характеристики направленности параметрической антенны) восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, например, частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры», обеспечивают восстановление характеристик измеряемых информационных полей при использовании известных методов обработки информационных сигналов, а также являются завершающими признаками в решении задачи дальнего параметрического приема и измерения характеристик волн различной физической природы, формируемых береговыми и прибрежными источниками.Signs indicating that when using the identified frequency parameters of the source information signals "taking into account the parametric and time-frequency conversion of the pump waves, as well as the location of the parametric antenna (i.e., the scanning data of the directivity of the parametric antenna) restore and record the characteristics of the measured information fields, for example, the frequency range, intensity, spatio-temporal and spectral structure ”, provide restoration of characteristics measured information fields when using known methods of processing information signals, and are also the final features in solving the problem of long-range parametric reception and measurement of the characteristics of waves of various physical nature formed by coastal and coastal sources.
Признаки, указывающие, что восстанавливают и фиксируют частотный диапазон, интенсивность, пространственно-временную и спектральную структуры измеряемых информационных полей, уточняют перечень фиксируемых характеристик.Signs indicating that they restore and fix the frequency range, intensity, spatio-temporal and spectral structures of the measured information fields, clarify the list of recorded characteristics.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повышение информационных возможностей параметрической системы, которые достигаются при обработке сигналов. Например, за счет резонансных эффектов взаимодействующих волн, что, в свою очередь, позволяет судить о принадлежности информационных волн к вероятным источникам или объектам их формирования.The signs of the second claim provide an increase in the information capabilities of the parametric system, which are achieved during signal processing. For example, due to the resonant effects of interacting waves, which, in turn, allows us to judge the belonging of information waves to probable sources or objects of their formation.
Признаки третьего пункта формулы изобретения конкретизируют частотный диапазон волн накачки, оптимальный для реализации заявленного способа.The signs of the third paragraph of the claims specify the frequency range of the pump waves, optimal for the implementation of the claimed method.
Совокупность отличительных признаков (низкочастотная накачка контролируемой среды, формирование в ней протяженного пространственного объема взаимодействия волн) обеспечивает последующую реализацию задачи изобретения - «дальний и сверхдальний параметрический прием поля сигналов инфранизкочастотного и дробного диапазонов (включая единицы-доли герца)», что характерно для информационных волн, порождаемых пространственно-распределенными прибрежными, береговыми источниками и объектами, а также сейсмическими явлениями.The set of distinctive features (low-frequency pumping of a controlled medium, formation of an extended spatial volume of wave interaction in it) provides the subsequent implementation of the objective of the invention - “long-range and ultra-long parametric reception of the field of signals of the infra-low-frequency and fractional ranges (including units-fractions of hertz)”, which is typical for information waves generated by spatially distributed coastal, coastal sources and objects, as well as seismic phenomena.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведена схема измерительной системы, реализующей способ дальнего параметрического приема в морской среде и измерения суммарно инфранизкочастотного излучения береговых прибрежных источников. Она представляет собой функциональную схему реальной системы дальнего параметрического измерения характеристик суммарного поля излучения береговых и прибрежных источников. На фиг.2 приведена схема широкомасштабного морского эксперимента на трассе м. Сосунова (Приморье) - о.Сахалин (р-н г.Невельска). Протяженность измерительной трассы составляла более 300 км. Буксировка забортного излучателя накачки с частотой около 400 Гц осуществлялась исследовательским судном. На фиг.3 приведены пространственно-временная (угловая) структура интенсивности и спектрального состава информационных полей излучений, приходящих со стороны о. Сахалин.The claimed invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a diagram of a measuring system that implements the method of long-range parametric reception in the marine environment and measuring the total infra-low-frequency radiation of coastal coastal sources. It is a functional diagram of a real system of long-range parametric measurement of the characteristics of the total radiation field of coastal and coastal sources. Figure 2 shows a diagram of a large-scale marine experiment on the route of Sosunova metro station (Primorye) - Sakhalin Island (Nevelsk borough). The length of the measuring path was more than 300 km. Towing an outboard pump emitter with a frequency of about 400 Hz was carried out by a research vessel. Figure 3 shows the spatio-temporal (angular) structure of the intensity and spectral composition of the information fields of the radiation coming from about. Sakhalin.
Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды и распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом измерительных сигналов, воздействующих на акваторию. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно и своевременно зарегистрированы.It is known that the characteristics of the hydrophysical fields of the marine environment of various physical nature in which the hydroacoustic wave propagates affect its parameters (see Voronin V.A., Kirichenko I.A. Study of a parametric antenna in a stratified medium with a variable sound velocity field. Journal “ Proceedings of the universities. ”- Electromechanics, No. 4, 1995). This is due to the fact that the influence of hydrophysical fields is carried out through a change in the density and coefficient of elasticity of the medium. According to its physical nature, the inventive method provides for a change in the density and (or) temperature of a controlled aqueous medium and the distribution of these values in an extended working area of parametric reception (interaction of waves of various physical nature), which is a result of exposure to the marine environment by measured information fields generated by a complex of measuring signals affecting the water area. It is obvious that all infra-low-frequency waves generated by special marine sources or natural disasters (for example, earthquakes or tsunamis) will be recorded reliably and in a timely manner.
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.Qualitative and quantitative characteristics of the process of interaction of elastic (acoustic) waves in conductive media are as follows. When an electromagnetic wave is emitted into a marine electrically conductive medium, its absorption and attenuation occur. At the same time, its length is significantly reduced. Depending on the conductivity of the marine environment, the distance at which the electromagnetic wave of infra-low frequencies decays (from units of Hz to hundreds of Hz) can range from 10-20 meters to 100-200 meters. In this case, the "length" of the damped electromagnetic wave can be from 0.1-0.2 to 10-20 meters.
Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду.Mathematically, the process of propagation of an electromagnetic wave is described by the well-known diffusion equation, which is derived on the basis of the theory of the interaction of an electromagnetic wave in a conducting fluid, which approximately describes the marine environment.
Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения.The theoretical basis of the pattern under consideration is that the electric currents generated by the electromagnetic wave pass into Joule heat. Dissipative losses on the conduction current in the marine environment are converted into heat losses, which in turn change the mechanical characteristics of the conductive fluid (density, temperature, heat capacity, etc.). If an acoustic pump wave is transmitted through such a nonlinear elastic medium modulated in space, its parameters will be modulated by changing the phase velocity of the wave along the propagation path.
Спектр упругой (акустической) волны накачки изменяется, в нем появляются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие (за счет нелинейного взаимодействия). Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и выделяется в тракте обработки сигналов.The spectrum of the elastic (acoustic) pump wave changes; high-frequency and low-frequency parametric components appear in it (due to nonlinear interaction). The parametric reception of information waves in the system under consideration is manifested as amplitude-phase modulation of the acoustic pump wave, which propagates with it to the receiving point and is allocated in the signal processing path.
Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.The process of generating parametric wave reception by a transverse hydroacoustic line can be explained by the usual system of hydrodynamic equations for a viscous fluid when superimposed on the equation of state of the corresponding changes in the phase velocity of sound in time and space.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулуTo calculate the propagation velocity of an elastic (acoustic) wave, one can apply the well-known formula
где 
υ - удельный объем.υ is the specific volume.
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью βs=Gυ/Gpβt, можно получить следующее выражение для фазовой скоростиUsing the relation between adiabatic and isothermal compressibility β s = Gυ / G p β t , we can obtain the following expression for the phase velocity
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления P при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую среду.It is obvious that qualitatively any changes in density ρ and pressure P at a constant temperature lead to a change in the phase velocity of sound in time in the zone of interaction of an electromagnetic wave with an elastic wave through a marine medium conducting electric current.
То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны.That is, in contrast to the classical equations of hydrodynamics for an ideal fluid, which are used in the theory of nonlinear parametric radiators, in the latter equations the phase velocity of an elastic wave changes in time and space according to the law of change of the electromagnetic wave.
Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ωэм, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C(t) также будет меняться с той же частотой Ωзв=Ωэм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.Thus, if an electromagnetic wave of a harmonic frequency Ω em propagates in the working zone of the lumen parametric system, then the phase velocity of the elastic (lumen acoustic) wave C (t) will also change with the same frequency Ω sv = Ω em . Quantitative characteristics of the modulation depth can be obtained using specific engineering models for implementing the method.
Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа, проводилась при использовании электромагнитных волн для преобразования нелинейных характеристик рабочей зоны взаимодействия. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными, также должны реально существовать, т.е. в зоне приема упругих волн будет формироваться спектр дополнительных волн (составляющих суммарной и разностной частоты).Testing the performance of the ideas that are the basis of the proposed method was carried out using electromagnetic waves to convert non-linear characteristics of the working interaction zone. Obviously, the laws of nonlinear interaction for other waves, as in the case of a positive effect with electromagnetic waves, must also really exist, i.e. in the zone of reception of elastic waves, a spectrum of additional waves (components of the total and difference frequencies) will be formed.
Натурные испытания предлагаемого способа были проведены в Татарском проливе (Охотоморский регион) на трассе протяженностью более 300 км. Сигналы накачки среды с частотой 400 Гц излучались забортным излучателем опытового испытательного судна. Прием просветных сигналов накачки осуществлялся дрейфующими радиогидроакустическими буями, установленными с другого испытательного судна.Field tests of the proposed method were carried out in the Tatar Strait (Okhotsk region) on a route with a length of more than 300 km. Pumping signals of a medium with a frequency of 400 Hz were emitted by an outboard emitter of an experimental test vessel. Reception of pumping luminescent signals was carried out by drifting radio-acoustic buoys installed from another test vessel.
На чертежах показаны тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1, местоположения излучателя 2, приемная антенна 3, тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4, генератор стабилизированной частоты 5, тиристорный инвертор 6, блок согласования его выхода с кабелем 7, широкополосный усилитель 8, вход которого связан с, преобразователь частотно-временного масштаба волн 9, блок узкополосного спектрального анализа 10 и функционально связанные с ним рекордер 11 и самописец 12. Кроме того, на чертежах показана поверхность 13, области нелинейного взаимодействия волн накачки и измерительных сигналов (волн), т.е. рабочие зоны 14, источники 15 береговых информационных волн, угол дальнего горизонтального измерения информационных волн 16, контролируемая морская среда 17, траектория перемещения излучателя 2.The drawings show the path for generating and amplifying acoustic pump signals 1, the location of the
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов накачки 1 представляет электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 5, тиристорный инвертор 6, блок согласования его выхода с кабелем 7 и далее с излучателем 2 (см. фиг.1).Structurally, the path for generating and amplifying acoustic pump signals 1 is an electronic circuit containing a stabilized
Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 4 представляет собой электронную схему, содержащую широкополосный усилитель 8, вход которого связан с приемной антенной 3, преобразователь частотно-временного масштаба волн 9, блок узкополосного спектрального анализа 10 и функционально связанные с ним рекордер 11 и самописец 12.Structurally, the signal receiving, processing and
В качестве излучателя 2 использован подводный звуковой маяк марки ПЗМ-400, излучающий на частоте около 400 Гц, в качестве приемной антенны 3 использован приемный радиогидроакустический буй.PZM-400 underwater sound beacon emitting at a frequency of about 400 Hz was used as
Заявленный способ реализуется следующим образом.The claimed method is implemented as follows.
Излучатель 2 и приемную антенну 3 размещают по отношению к источникам 15 береговых информационных сигналов (волн) по траектории 18 так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области нелинейного взаимодействия волн. Понятно, что при контроле акватории большой площади с большим количеством береговых источников 15 измерительных сигналов, удаленность от приемника 3 траектории 18 перемещения излучателя 2 должна быть максимальной, для получения более точной картины информационного поля акватории. Воздействие источников 15 информационных волн приводит к изменению механических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой низкочастотной просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы контроля среды.The
Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение инфранизкочастотных и дробных информационных волн существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и последующей регистрации их на носителях.The increased effect of nonlinear interaction and parametric wave transformation is achieved through the use of the interaction of waves commensurate with the length of the medium of the spatial working zone (extended volume). The use in the receiving and processing path of conversion (transfer) operations of the frequency-time scale of pump waves to the high-frequency region ensures the efficient separation of infra-low-frequency and fractional information waves by existing methods and means of narrow-band spectral analysis and their subsequent recording on carriers.
Таким образом, техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема и измерения характеристик волн низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы контроля и комплексного мониторинга полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых береговыми и прибрежными источниками. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни герц, что подтверждено результатами натурного морского эксперимента.Thus, the technical solutions of the proposed method for the long-range parametric reception and measurement of the characteristics of low-frequency, infra-low-frequency and fractional wavelengths have implemented practical ways to build and operate a large-scale hydroacoustic monitoring system and integrated monitoring of fields in the infra-low-frequency and fractional ranges formed by coastal and coastal sources. The length of the system under consideration (a large scale of the range of parametric wave reception) is ensured by sounding (pumping) the medium by weakly damped low-frequency acoustic signals in the range of tens to hundreds of hertz, which is confirmed by the results of a full-scale marine experiment.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010141675/28A RU2452040C1 (en) | 2010-10-11 | 2010-10-11 | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010141675/28A RU2452040C1 (en) | 2010-10-11 | 2010-10-11 | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010141675A RU2010141675A (en) | 2012-04-20 |
| RU2452040C1 true RU2452040C1 (en) | 2012-05-27 |
Family
ID=46032245
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010141675/28A RU2452040C1 (en) | 2010-10-11 | 2010-10-11 | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2452040C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2536837C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
| RU2536836C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
| RU2550588C1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions |
| RU2593673C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment |
| RU2602995C2 (en) * | 2014-12-22 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method of formation and spatial development of luminal parametric antenna in the marine environment |
| RU2660311C1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет" | Horizontally developed radio hydro-acoustic system of the objects and marine environment hydrophysical and geophysical fields monitoring |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3882444A (en) * | 1971-06-18 | 1975-05-06 | Automation Ind Inc | Steerable parametric conversion array |
| EP0219340A2 (en) * | 1985-10-14 | 1987-04-22 | Gec Avionics Limited | Acoustic direction finder for use as an active responder |
| RU2096808C1 (en) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method detection of low-frequency hydroacoustic radiations |
| SU702852A1 (en) * | 1978-05-10 | 1999-12-20 | Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова | ACOUSTIC PARAMETRIC RECEIVER |
| RU2158029C2 (en) * | 1998-12-15 | 2000-10-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) |
| RU2215304C2 (en) * | 2002-01-25 | 2003-10-27 | Бахарев Сергей Алексеевич | Procedure of detection of sea objects with surfacing of submersible vehicle |
-
2010
- 2010-10-11 RU RU2010141675/28A patent/RU2452040C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3882444A (en) * | 1971-06-18 | 1975-05-06 | Automation Ind Inc | Steerable parametric conversion array |
| SU702852A1 (en) * | 1978-05-10 | 1999-12-20 | Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова | ACOUSTIC PARAMETRIC RECEIVER |
| EP0219340A2 (en) * | 1985-10-14 | 1987-04-22 | Gec Avionics Limited | Acoustic direction finder for use as an active responder |
| RU2096808C1 (en) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method detection of low-frequency hydroacoustic radiations |
| RU2158029C2 (en) * | 1998-12-15 | 2000-10-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) |
| RU2215304C2 (en) * | 2002-01-25 | 2003-10-27 | Бахарев Сергей Алексеевич | Procedure of detection of sea objects with surfacing of submersible vehicle |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2536837C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
| RU2536836C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
| RU2550588C1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions |
| RU2602995C2 (en) * | 2014-12-22 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method of formation and spatial development of luminal parametric antenna in the marine environment |
| RU2593673C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment |
| RU2660311C1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет" | Horizontally developed radio hydro-acoustic system of the objects and marine environment hydrophysical and geophysical fields monitoring |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010141675A (en) | 2012-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2474793C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2452040C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2452041C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2453930C1 (en) | Method of parametric reception of waves of different physical origin in sea medium | |
| RU2593625C2 (en) | Method of transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back | |
| RU2536836C1 (en) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
| JPS63502138A (en) | Marine seismic exploration device | |
| RU2550588C1 (en) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions | |
| RU2593673C2 (en) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment | |
| RU2602763C2 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature of sources, processes and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment | |
| Bimpas et al. | Design and implementation of an integrated high resolution imaging ground penetrating radar for water pipeline rehabilitation | |
| US20120078516A1 (en) | Water quality measuring method, water quality measuring device, and water quality measuring program for marine surface layers | |
| RU2158029C2 (en) | Method for receiving of elastic waves in sea-water (modifications) | |
| RU2474794C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
| RU2624607C1 (en) | Method of acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
| RU2436134C1 (en) | Method for rapid investigation of atmosphere, earth's surface and ocean | |
| RU2592741C1 (en) | Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks | |
| RU2602995C2 (en) | Method of formation and spatial development of luminal parametric antenna in the marine environment | |
| RU2602993C1 (en) | System of acoustic tomography of hydrophysical and geophysical fields in marine environment | |
| Esipov et al. | A parametric antenna for hydrophysical research on long-distance paths | |
| RU2300781C1 (en) | Device for hydrometeorological observations of sea range water area | |
| RU2536837C1 (en) | Method for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
| RU2624602C1 (en) | Acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
| RU2167454C2 (en) | Method for transmitting elastic waves in see water | |
| Meadows et al. | High frequency radar and its application to fresh water |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121012 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150420 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181012 |