Способ восстановления формы рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств и устройство для его осуществления

Способ восстановления формы рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к способам измерения глубин с последующей пространственной интерполяцией восстановления рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств, и может быть использовано при измерении параметров водной среды при решении прикладных задач, включая анализ ветровых полей, анализ радиологического и химического загрязнения, топографические исследования и т.д.

Известно устройство для распознавания морского грунта путем измерения параметров эхосигнала при зондировании дна прямоугольными импульсами [1]. В зависимости от типа грунта эхосигнал при нормальном падении на дно изменяет свою форму в широких пределах от теоретически неискаженного прямоугольного импульса на монолитах до существенно широкого импульса с весьма пологим фронтом и длительностью, в несколько раз превышающей длительность посылки на грунте, представляющим собой жидкую массу. В качестве информативного параметра используется крутизна фронта нарастания эхосигнала, которая измеряется и сравнивается с заранее проградуированной сеткой с нанесенными на нее границами жесткости для различных типов грунта. Так как практически невозможно перекрыть зондирующими сигналами всю исследуемую площадь, то для дальнейшего построения поверхности рельефа дна или получения рельефа некоторой двумерной скалярной геопространственной характеристики применяют методы линейной и нелинейной интерполяции (см., например, - Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 1999, №11, с.13). Помимо основного недостатка, заключающегося в низкой достоверности распознавания морского грунта, обусловленной тем, что крутизна нарастания эхосигнала определяется главным образом акустическими свойствами границы раздела вода/грунт, а не всей толщины грунта, то при наличии на поверхности жидкого грунта неровностей или каменистых отложений крутизна нарастания фронта эхосигнала определяется отражательными свойствами неровностей или отложений, что приводит к получению завышенных значений жесткости грунта, а в сочетании с последующим восстановлением поверхности рельефа по интерполяции измерений может привести к необоснованным решениям, и, следовательно, к существенным потерям в реализации конкретной задачи.

В известном техническом решении [2], представляющим собой эхолокатор для распознавания морских грунтов, благодаря тому, что определяется степень физического состояния грунта по величине удлинения эхоимпульса, исходя из зависимости удлинения эхосигнала от физико-механических характеристик грунта обеспечивается повышение точности определения параметров отражающей границы и достоверности результатов измерений по сравнению с техническим решением [1]. Однако восстановление рельефа по всей исследуемой поверхности сводится к применению формального метода интерполяции по измеренным величинам, что приводит к существенным потерям в реализации конкретной задачи.

Кроме того, в известных способах в качестве модели рельефа, как правило, принимается гладкая поверхность, вложенная в трехмерное объемлющее пространство. Исходная информация о рельефе представляет собой множество скалярных значений в изолированных пространственных точках. Для восстановления поверхности по измеренным точечным значениям применяют математические методы интерполяции и аппроксимации, которые применимы только для гладких функций, если известен аналитический вид исковой функции или если известен класс функций, к которому относится искомая функция. В случае геопространственных полей эти требования не выполнены, поэтому ошибка восстановления поверхности рельефа неизвестна.

В то же время в практических задачах чаще всего требуется не восстановление вида поверхности, а информация об изменчивости рельефа, например, при прокладке подводных коммуникаций, а также изменений рельефа под действием гидродинамических и литодинамических процессов, влияющих на безопасность эксплуатации подводных коммуникаций, в частности магистральных трубопроводов.

При обработке результатов измерений глубин посредством гидроакустических средств изменчивость поверхности количественно представляется в виде первых и даже вторых производных. Однако свойство гладкости у всех геопространственных полей (за исключением приливных колебаний уровня моря) отсутствует. Это видно не только в отсутствие свойств дифференцируемости, но и в особенностях численной обработки данных наблюдений. Действительно, даже задача отыскания производной одномерной гладкой функции (fx) по экспериментальным данным значительно отличается от задачи дифференцирования функции, для которой известны точные данные. Наблюдения не свободны от ошибок, а отношения (f(x+h)-f'(x))/h (где h - глубина) очень чувствительны даже к небольшим ошибкам, если h становится достаточно малым (в случае мелкого моря). Поэтому обычные формулы численного дифференцирования существенно искажают конечные результаты. Решение такой задачи требует введение дополнительных предположений, не следующих и не связанных с измеренной информацией, что вносит элемент субъективности. Не спасает положение и применение методов сглаживания. Применение методов двумерной фильтрации вносит существенные артефакты используемой вычислительной процедуры и вдобавок искажает местоположение структурных линий геопространственного поля.

Все это не позволяет эффективно использовать вычислительные возможности ЭВМ при обработке данных о геопространственных полях для прикладных задач, решаемых на основе восстановленного рельефа геопространственного поля.

В известном способе определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора и фазовый гидролокатор бокового обзора для его осуществления [3], включающем излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки синфазных сигналов, угла бортовой качки носителя антенн и определение по полученным данным направлений прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем, в котором измеряют время задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, определяют время задержки прихода тех же синфазных сигналов в случае их отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному направлению в соответствии с математическим выражением с определением сходимости вычисленных и измеренных значений времени задержки.

Определение сходимости вычисленных и измеренных значений позволяет уменьшить погрешность определения глубины акватории при проведении съемки рельефа дна акватории. Однако реализация данного способа требует выполнения предварительных вычислений для определения расчетных направлений, что обеспечивается при условии использования результатов ранее проводимых съемок на данной акватории. Так как с течением времени структура поверхности грунта не остается постоянной в силу изменчивости гидродинамических и геофизических факторов, то использование расчетных данных не всегда является корректным и может привести к существенным погрешностям получения конечных результатов при съемке рельефа дна. Кроме того, восстановление рельефа дна по всей исследуемой поверхности, как и в известных технических решениях [1, 2], сводится к применению формального метода интерполяции по измеренным дискретным величинам, что приводит к существенным потерям в реализации конкретных задач, в частности при формализации результатов измерений в картографическую продукцию. При решении данной задачи вводятся дополнительные предположения, не следующие и не связанные с измеренной информацией, что вносит элемент субъективности. Не спасает положение и применение методов сглаживания. Применение методов двумерной фильтрации вносит существенные артефакты используемой вычислительной процедуры и вдобавок искажает местоположение структурных линий геопространственного поля.

Это обусловлено тем, что при использовании известных способов решение задачи восстановления рельефа сводится к построению непрерывной двумерной функции, проходящей через измеренные дискретные значения глубины. При этом на первом этапе производится триангулирование точек измерения, т.е. на множестве точек измерения вводятся отношения "близости" точек, а на втором этапе строится собственно искомая функция, как композиция элементарных весовых функций (линейных или нелинейных). При такой обработке исходной информации свойства рельефа никак не учитываются и в процессе обработки возникают артефакты ложных гребней и ложбин в форме рельефа и, следовательно, именно на этом этапе нарушается морфологический способ восстановления рельефа.

При реализации известных способов применяют различные технические средства: многолучевые эхолоты [1, 2], гидролокатор бокового обзора [3], гидроакустический зонд [4].

При измерении глубин посредством эхолота выполняют следующую последовательность действий, включающих измерение глубины посредством эхолота, определение поправок эхолота путем прямых измерений, обусловленных углублением вибраторов, выбором места нуля эхолота, вычисление поправки за отклонение фактической вертикальной скорости распространения звука в воде от номинальной для данного эхолота путем косвенных измерений, заключающихся в измерении температуры воды и солености морской воды на стандартных горизонтах, вычисление исправленных значений глубин с последующей интерполяцией полученных результатов измерений (Инструкция по промеру ИП-64. Л., Управление гидрографической службы, 1964).

Недостатком при использовании эхолотов является появление погрешностей, обусловленных наличием боковых лепестков диаграммы направленности, что может привести при достаточно короткой посылке к появлению от одного того же слоя нескольких групп рассеянных сигналов, так как истинный сигнал проходит по основному максимуму, а по боковым лепесткам проходят ложные сигналы.

Известный гидролокатор бокового обзора для определения глубин акватории [3] содержит функционально соединенную первую и вторую антенны, одна из которых приемоизлучающая, передающий блок, первый и второй приемоизмерительные блоки, блок управления, блок определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вычислитель и регистратор, в котором выходы первой и второй антенн подключены соответственно к входам первого и второго приемоизмерительных блоков, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выходы первого и второго приемоизмерительных блоков подключены к входам вычислителя, выход последнего подключен к регистратору, а блок управления соединен с первым и вторым приемоизмерительными блоками, передающим блоком, вычислителем и регистратором, вход блока определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вход которого соединен с выходом блока управления, а выход подключен к входу вычислителя.

Существенным недостатком данного устройства является то, что для достижения технического результата, заявленного в способе, блок управления и вычислитель должны быть выполнены в виде ЭВМ типа СМ-4 ввиду большего количества расчетных и вычислительных операций, что ограничивает его применение только при использовании для промерных работ крупнотоннажных носителей (судов), снабженных мощной ЭВМ.

Акустический зонд для измерения скорости звука в море [4] содержит импульсно-циклический датчик скорости звука и последовательно соединенные усилитель мощности и гидроакустический излучатель, в котором с целью повышения помехоустойчивости он снабжен модулятором и блоком преобразования сигнала в двоичный код, подключенным первым входом к выходу импульсно-циклического датчика скорости звука, вторым входом к первому выходу задающего генератора и к управляющему входу модулятора, третьим, четвертым и пятым входами соответственно к второму, третьему и четвертому выходам задающего генератора, а первым и втором выходами соответственно к маркерному и информационному входам модулятора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, а задающий генератор выполнен из последовательно соединенных кварцевого генератора фиксированной частоты, первого и второго делителей частоты и элемента задержки, выход которого является третьим выходом задающего генератора, первым, вторым и четвертыми выходами которого являются соответственно выходы кварцевого генератора фиксированной частоты, второго и первого делителей частоты, а блок преобразования сигнала в двоичный код выполнен из последовательно соединенных вычитающего устройства, временного селектора, двоичного счетчика и сдвигового регистра, последовательно соединенных формирователя маркерного сигнала и формирователя сигнала параллельной записи, маркерный и тактовый входы которого являются соответственно первым выходом и пятым входом блока, первый и второй входы вычитающего устройства являются соответственно первым и вторым входами блока, формирователь интервала отсчетов, вход которого является третьим входом блока, подключен выходом к второму входу временного селектора, вход сброса двоичного счетчика является четвертым входом блока, первый и второй выходы формирователя сигнала параллельной записи соединены соответственно с входами параллельной записи и входом сдвига кода сдвигового регистра, выход которого является вторым выходом блока.

В известном способе определения поправки при измерении глубин [5], в котором поправки определяют по данным измерения скорости распространения звука в воде посредством датчиков, установленных на разных горизонтах и транслирующих сигналы на носитель измерительной аппаратуры по гидроакустическому каналу связи или по проводной линии связи.

Реализация данного способа требует использования дополнительной аппаратуры, что существенно повышает трудоемкость и, кроме того, не обеспечивается непрерывный контроль за изменением средней скорости распространения звука, так как трансляция сигналов от дополнительно установленных датчиков осуществляется циклами при нахождении носителя измерительной аппаратуры в зоне радиуса действия каждого датчика.

В общем случае, при использовании гидроакустических средств решение задачи восстановления рельефа сводится к определению вертикального распределения скорости звука на фоне шумов морской среды. В соответствии с принятой классификацией шумов морской среды (см., например, Соловьев С.Л. Проблемы цунами и ее значение для Камчатки и Курильских островов. // В кн. Проблема цунами. М.: Наука, 1968, с.7-50) шумы морской среды подразделяются на динамические обусловленные приливно-отливными движениями, ветровыми волнами, турбулентными потоками в воде и атмосфере, дождями, прибойными движениями и т.п., шумы от морских судов и прибрежных технических сооружений, сейсмические, к которым помимо сигналов, вызванных тектоническими сдвигами, относят также сигналы, обусловленные тектонической деятельностью и распространением цунами, подледные, обусловленные процессами образования, структурой и динамикой ледового покрова, биологические и тепловые.

На интенсивность помех, вызываемых шумами морской среды, также влияют гидрометеорологические параметры (сила ветра, состояние поверхности моря, характеристики подводного звукового канала, влияющие на изменение скорости звука с глубиной), сезонная изменчивость параметров морской среды (включая изменение бионаселенности и наличие ледового покрова), близость судоходных трасс к району наблюдений, глубины размещения и технические характеристики измерительной аппаратуры (направленность датчиков, разрешающая способность и т.д.).

Кроме того, в вертикальном направлении морская водная среда представляет собой горизонтально неоднородную среду с переменной скоростью звука. При прохождении в вертикальном направлении от поверхности до дна излученный звуковой импульс будет частично отражаться на внутренних неоднородностях водной среды и эти сигналы, также как и сигналы отраженные от дна, будут регистрироваться приемным устройством. В итоге после момента излучения звукового импульса до момента приема сигнала, отраженного от дна, будут регистрироваться сигналы, отраженные от дна и от внутренних неоднородностей водной среды. В результате устройством регистрируются временные ряды плотности звуковой энергии, отраженной от дна и от внутренних неоднородностей водной среды.

В известных способах и устройствах сигналы, принятые от внутренних неоднородностей водной среды, подвергают сложной обработке с целью уменьшения их влияния на конечные результаты измерений. Однако интенсивные звуковые волны в воде не распространяются независимо, а вследствие нелинейных эффектов взаимодействуют между собой. Обычно в акустике дисперсия практически отсутствует и волны близких частот в квадратичном приближении эффективно взаимодействуют лишь только при коллинеарном распространении, когда выполняется условие синхронизма (см., например, Аредов А.А., Дронов P.M., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана. // Акустический журнал, 1994, т.40, №3, с.357-361. Курьянов Б.М., Моисеев А.А. Исследование глубинной зависимости низкочастотных шумов океана с помощью буя управляемой плавучести. // Акустический журнал. 1994, т.40, №3, с.487-488. Деревянкина П.И., Капиельсон Б.Г., Любченко А.Ю. Вертикальная структура интенсивности низкочастотного шумового поля мелкого моря. // Акустический журнал. 1994, т.40, №3, с.380-384). Однако при взаимодействии волн, существенно различающихся по частоте, например, если интенсивный высокочастотный звуковой пучок распространяется в среде, возмущенной низкочастотной волной, возможен эффект модуляции высокочастотного пучка, степень которого будет зависеть от величины нелинейного параметра водной среды и угла между векторами распространения волн.

Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности восстановления формы рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе восстановления рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств, установленных на подвижных морских объектах, включающем измерение глубины с предварительным определением поправки, обусловленной местом установки гидроакустического средства, определение вертикального распределения скорости звука в воде по отраженным сигналам путем получения данных о триангуляции точек наблюдений с последующей их интерполяцией, восстановление формы рельефа дна, построение поверхности дна, в котором при определении поправки дополнительно измеряют доплеровский сдвиг частоты опорного сигнала гидроакустического лага, определяют скорость подвижного морского объекта посредством приемоиндикатора радио- и спутниковых навигационных систем, при этом поправку определяют в соответствии с зависимостью

где Z_э - глубина, определенная посредством гидроакустического средства;

V_o - средняя вертикальная скорость распространения звука в воде, излучаемого гидроакустическим средством;

V_ср - средняя вертикальная скорость распространения звука в воде, излучаемого гидроакустическим измерителем скорости.

Определение вертикального распределения скорости звука в воде выполняют по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженного от дна сигнала с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна в соответствии с зависимостью U(Z=0, t), где Z - глубина в моменты времени t, a скорость звука в воде C(Z) определяют путем решения обратной задачи рассеяния, дополнительно регистрируют низкочастотные волны посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, по которым судят о взаимной ориентации взаимодействующих волн и величине параметра нелинейности среды, восстановление формы рельефа выполняют по относительным изменениям высоты рельефа в соответствии с неравенством

|h(r₂)-h(r₁)|<A|r₂-r₁|^λ,

где h(r₂)-h(r₁) - разность высот в двух пространственных точках r₁, r₂;

А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1, при этом выполняют оценку точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба, при построении рельефа поверхности дна данные о триангуляции точек наблюдений интерпретируют в виде структуры неориентированного графа с определением длин (весов) ребер графа, а в устройство для осуществления способа, представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом с выходом формирователя накачки, который своим входом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления, соединенным еще одним входом с выходом излучающего преобразователя накачки.

Выполнение оценки точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба позволяет учитывать информацию о погрешности в измерениях как точек измерения, так и погрешности при восстановлении рельефа.

При использовании известных способов решение задачи восстановления рельефа сводится к построению непрерывной двумерной функции, проходящей через измеренные дискретные значения глубины. При этом на первом этапе производится триангулирование точек измерения, т.е. на множестве точек измерения вводится отношения "близости" точек, а на втором этапе строится собственно искомая функция, как композиция элементарных весовых функций (линейных или нелинейных), посредством методов линейной и нелинейной интерполяции: различные сплайты, полиноминальные, крекинг-метод и его модификации и т.д. (Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Обзорная информация. М.: ВИНИТИ, 1999, вып.11, 136 с.). При такой обработке исходной информации свойства рельефа никак не учитываются и в процессе обработки возникают артефакты ложных гребней и ложбин в форме рельефа и, следовательно, именно на этом этапе нарушается морфологический способ восстановления рельефа.

Новыми отличительными признаками заявляемого технического решения являются:

- определение средней вертикальной скорости распространения звука в морской воде путем дополнительного измерения доплеровского сдвига частоты опорного сигнала гидроакустического лага, скорости движения носителя по внешним источникам информации, определение поправки в соответствии с зависимостью

где Z_э - глубина, определенная посредством гидроакустического средства;

V_o - средняя вертикальная скорость распространения звука в воде, излучаемого гидроакустическим средством;

V_ср - средняя вертикальная скорость распространения звука в воде, излучаемого гидроакустическим измерителем скорости;

- определение вертикального распределения скорости звука в воде по временным рядам плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей водной среды и дна, путем регистрации всех приходящих сигналов, рассеянных от внутренних неоднородностей морской среды, от момента посылки звукового импульса до момента прихода отраженных от дна сигналов с формированием временного ряда плотности звуковой энергии, отраженной от внутренних неоднородностей морской среды и дна в соответствии с зависимостью U(Z=0, t), где Z - глубина в моменты времени t, а скорость звука в воде C(Z) определяют путем решения обратной задачи рассеяния с регистрацией низкочастотных волн посредством искусственно возбуждаемых высокочастотных волн накачки, по которым судят о взаимной ориентации взаимодействующих волн и величине параметра нелинейности среды;

- восстановление формы рельефа выполнят по относительным изменениям высоты рельефа в соответствии с неравенством

|h(r₂)-h(r₁)|<А|r₂-r₁|^λ,

где h(r₂)-h(r₁) - разность высот в двух пространственных точках r₁, r₂;

А (постоянная Гельдера), λ (показатель Гельдера) - положительные числа; 0<λ≤1. При этом выполняют оценку точности восстановления рельефа по величине относительного изменения высоты рельефа в зависимости от пространственного масштаба;

- при построении рельефа поверхности дна данные о триангуляции точек наблюдений интерпретируют в виде структуры неориентированного графа с определением длин (весов) ребер графа.

В отличие от известных технических решений, в которых определение поправки выполняется путем определения средней вертикальной скорости распространения звука в воде посредством определения гидрологических параметров путем измерения температуры и солености на стандартных горизонтах или путем измерения скорости распространения звука в воде на разных горизонтах путем установки дополнительных датчиков в водной среде, соединенных линией связи с носителем измерительной аппаратуры глубины, в заявляемом техническом решении дополнительно измеряют доплеровский сдвиг опорного сигнала и скорость движения носителя по внешним источникам информации, по которым определяют среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде, по полученным значениям которой определяют поправку, что обеспечивает возможность непрерывного контроля за изменением средней вертикальной скорости распространения звука в морской воде в процессе выполнения мониторинга за состоянием Мирового океана, упрощает процесс определения средней вертикальной скорости распространения звука в водной среде с требуемой точностью для определения поправок измеренных значений глубин, а также исключает необходимость применения специальной дополнительной аппаратуры.

При использовании данного способа выполняется требование к точности определения глубины при промерных работах, установленное действующим нормативным документом (см., например, Инструкция по промеру (ИП-64), Л., Управление гидрографической службы, 1964.), что обусловлено возможностью измерения доплеровского сдвига опорного сигнала гидроакустического лага и скорости движения носителя измерительной аппаратуры глубины по внешним источникам информации, по которым определяют среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде. Находящиеся в эксплуатации спутниковые и радионавигационные системы позволяют определить место носителя со средней квадратической погрешностью ±7,8 м, что позволяет определить скорость носителя со средней квадратической погрешностью, равной ±0,037 м/с, а среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде со средней квадратической погрешностью, равной ±7,5 м/с.

Восстановление формы рельефа дна по дискретным измерениям выполняют путем интегральных преобразований, что не приводит к увеличению ошибок наблюдений в исходных данных при обработке в отличие от известных методов, имеющих дифференциальный характер.

При построении рельефа дна двумерное поле преобразуют в набор однородных полиномов, коэффициенты которых характеризуют пространственную изменчивость в различных масштабах.

Методы обработки наборов однородных полиномов являются наиболее разработанными методами в компьютерной алгебре, а комбинаторный метод анализа геопространственных нолей по точечным измерениям позволяет решать прикладные задачи с учетом пространственно-временной динамики этих полей.

Совокупность новых отличительных признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Техническая реализация заявляемого изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. Структурная схема устройства. Устройство включает формирователь сигналов накачки 1, предназначенный для формирования двухчастотных зондирующих сигналов накачки с заданной длительностью и заданной модуляцией, формирования импульсов синхронизации и сигналов стробирования приемного тракта, параметрический излучающий тракт 2, предназначенный для усиления сигналов накачки по обеим частотам до номинального уровня (при этом в отдельных каналах может осуществляться коррекция фаз амплитуд), излучающий преобразователь накачки 3, предназначенный для преобразования электрических сигналов в акустические сигналы необходимой характеристики направленности, приемную антенну сигналов разностной частоты 4, предназначенную для формирования характеристики направленности для приема и преобразования акустических волн разностной частоты в электрические сигналы, приемный тракт 5, предназначенный для предварительной обработки принятых сигналов и усиления их до уровня, необходимого для регистрации принятых сигналов, графопостроитель 6, блок управления 7 и вычислителя 8.

Фиг.2. Функциональная схема формирователя сигналов накачки. Формирователь сигналов накачки 1 состоит из кварцевого генератора 9 опорной частоты, формирователя 10 периода следования излучаемых импульсов накачки, устройства 11 формирования длительности излучаемого импульса, двух каналов 12 и 13 формирования радиоимпульсов с частотами накачки, основу которых составляют фазовые накопители 14 и 15, представляющие собой накапливающие сумматоры и постоянные запоминающие устройства 16 и 17, цифроаналоговых преобразователей 18 и 19, усилителей мощности 20 и 21, фильтров 22 и 23 нижних частот, арифметико-логических устройств 24, 25, 26 и 27, счетчика 28, накапливающих сумматоров 29 и 30, генератора кодов фазы 31, аналого-цифрового преобразователя 32.

Усилители мощности 20, 21 состоят из четырех идентичных широкополосных блоков, включающих предварительные усилители и усилители мощности мощностью до 4000 Вт каждый, разбитых на две группы по два блока для усиления частот накачки f₁ и f₂. Перед усилителями установлены четыре фазокомпенсационных устройства. Выходной усилитель выполнен по двухконтактной схеме на мощных транзисторах ТК-152. Предварительный усилитель состоит из операционного усилителя и двух пар комплементарных среднемощных транзисторов.

Фиг.3. Блок-схема приемного тракта. Приемный тракт предназначен для приема, усиления и частотной селекции рассеянных сигналов волны разностной частоты в полосе частот 5-50 кГц. Чувствительность его по акустическому давлению составляет не менее 0,001 Па. Приемник выполнен по схеме прямого усиления. Приемник состоит из приемной антенны 33, предназначенной для преобразования акустических сигналов в электрические, полосовых фильтров 34 и 35, антенного усилителя 36, основного усилителя 37, формирователей 38, 39 кодов управления, блока фильтров 40, амплитудного детектора 41, фильтра 42 нижних частот, коммутатора 43, выходного усилителя 44.

Фиг.4. Пример восстановления рельефа дна на участке континентального склона Северного Ледовитого океана: а) восстановленный по реальным измерениям глубины на основе интегральных преобразований: в) соответствующий ему график амплитуд градиентов, построенный путем численного дифференцирования.

Фиг.5. График восстановления глубины: а) при линейной интерполяции; в) на основе интегральных преобразований.

Формирователь сигналов накачки 1 (фиг.2) работает следующим образом. Кварцевый генератор 9 опорной частоты вырабатывает импульсы с частотой следования 2,04 МГц. Импульсы опорной частоты поступают на вход формирователя 10 периода следования излучаемых импульсов накачки, на входе которого формируются короткие импульсы с заданным периодом следования. Эти импульсы поступают на вход устройства 11 формирования длительности излучаемого импульса. С выхода устройства 11 снимаются прямоугольные импульсы, длительность которых может изменяться с помощью двоичных кодов, поступающих с блока управления 7.

Сформированные таким образом прямоугольные импульсы с заданными длительностью и частотой повторения поступают на два канала 12 и 13 формирования радиоимпульсов с частотами накачки. Основу обоих каналов формирователя составляют фазовые накопители 14 и 15 и постоянные запоминающие устройства 16 и 17. Фазовые накопители управляются тактовыми импульсами генератора 9 опорной частоты и импульсами, поступающими с устройства 11. Восьмиразрядные коды с фазовых накопителей 14 и 15 поступают на адресные входы соответствующих постоянных запоминающих устройств 16 и 17, в которых записаны отсчеты периода синусоиды. Эти отсчеты выбираются в виде восьмиразрядных кодов, подаются на входы соответствующих цифроаналоговых преобразователей 18 и 19, с выходов которых через фильтры 20 и 21 нижних частот радиоимпульсы с прямоугольной огибающей и выбранными частотами заполнения, поступают на входы усилителей мощности 22 и 23.

Изменение частот накачки f₁ и f₂ производится с помощью двоичных кодов, подаваемых на входы фазовых накопителей 14 и 15 с арифметико-логических устройств 24 и 25 соответственно. Частота излучения может автоматически изменяться через каждый импульс излучения, через два, четыре, восемь или шестнадцать импульсов. Количество импульсов одной частоты задается счетчиком 28. Дискретность перестройки (62,5, 125, 200, 500 или 1000 Гц) выбирается блоком управления 7, устанавливающим соответствующий код на входах накапливающих сумматоров 29 и 30. Аналогово-цифровой преобразователь 32 своими выходными кодами, подаваемыми на нижние входы арифметико-логических устройств 26 и 27, определяет начальную разностную частоту. Изменение кодов осуществляется изменением опорного напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя 18. На верхних входах устройств 26 и 27 постоянно заданы коды, определяемые резонансной частотой каждого из двух каналов антенны накачки. В формирователе сигналов накачки 1 имеется возможность формирования внутриимпульсной линейной частотной модуляции с фиксированными частотами. При этом сигнал формируется путем подачи кодов фазы на фазовые накопители 14 и 15 с генератора кодов фазы 31.

В приемном тракте 5 (фиг.3) полосовые фильтры 34 и 35 служат для подавления частот сигналов накачки, а также помех ниже частот рабочего диапазона. Они представляют собой пассивные фильтры верхних и нижних частот, включенных последовательно. Подавление сигналов частот накачки не хуже 60 дБ. Антенный усилитель 36 представляет собой широкополосный малошумящий предварительный усилитель. Для ослабления синфазной помехи последний каскад выполнен в дифференциальном включении. Коэффициент усиления составляет 26 дБ. Основной усилитель 37 трехкаскадный с ручной регулировкой усиления. Регулировка усиления осуществляется цифровыми кодами. Диапазон регулировки составляет 0-80 дБ. Блок фильтров 40 представляет собой набор фильтров нижних и верхних частот, которые с помощью коммутации объединены в полосовые фильтры с переменной полосой пропускания. Управление коммутаторами, а следовательно, и полосой пропускания осуществляется цифровыми кодами. Формирователи кодов 38 и 39 служат для формирования кодов управления коэффициентом усиления основного усилителя 37 и полосой пропускания блока фильтров 40. Линейный