CC BY
21
Раздел I. Методы и средства акустического мониторинга
УДК 621.3721.54; 534.222 DOI 10.23683/2311-3103-2018-6-6-18
А.В. Элбакидзе, В.И. Каевицер, И.В. Смольянинов, П.П. Пивнев, С.П. Тарасов, В.А. Воронин
АВТОНОМНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДНА И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МЕЛКОВОДНЫХ ВОДОЕМОВ
Приведено описание экспериментальных многофункциональных комплексов обследования дна и донных грунтов мелководных районов водоемов, установленных на моделях автономных катеров. Автономные комплексы разработаны во Фрязинском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (в ФИРЭ им. Котельникова РАН) и Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (ИНЭП ЮФУ). Комплекс экологического мониторинга разрабатываемый в ФИРЭ им. Котельникова РАН размещается на платформе маломерного катамарана JABO 5C и состоит из гидролокатора бокового обзора и профилографа собственной разработки. Комплекс разрабатываемый на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники ИНЭП ЮФУ базируется на разработанном совместно с Таганрогским колледжем морского приборостроения (ТКМП) необитаемом катере и состоит из гидролокатора бокового обзора и параметрического профилографа, разработанных совместно ИНЭП ЮФУ и ООО «НЕЛАКС». Представлена структурная схема комплекса экологического мониторинга, приведены фрагменты «акустической карты» дна, эхограммы полученные с помощью ГБО, профилографа и параметрического про-филографа. Приведены основные технические характеристики гидроакустических приборов входящих в автономные комплексы. Представлены экспериментально измеренные на уникальной научной установке «Имитационно-натурный гидроакустический комплекс» ЮФУ диаграммы направленности параметрической антенны параметрического профило-графа. Приведена траектория движения (галсы) судна при получении гидролокационных данных. Приведены экспериментальные результаты работы комплексов по обследованию дна мелководных районов водоемов, подтверждающие перспективность их использования для различных задач.
Гидролокатор бокового обзора; профилограф; параметрический профилограф; необитаемый надводный катер; акустическое изображение дна.
A.V. Elbakidze, V.I. Kaevitser, I.V. Smolyaninov, P.P. Pivnev, S.P. Tarasov,
V.A. Voronin
AUTONOMOUS COMPLEXES FOR INVESTIGATION OF THE BOTTOM AND BOTTOM SOILS IN THE SHALLOW WATER AREAS
Given is a description of experimental multifunctional complexes for examining the bottom and bottom soils in the shallow water areas established on the model of autonomous boats. Autonomous complexes are developed in the Fryazino branch of the Institute of Radio Engineering and Electronics. V.A. Kotelnikov Russian Academy of Sciences (at Kotelnikov Institute of Physics and Technology, RAS) and the Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation of the Southern Federal University (INEP SFEDU). The complex of environmental monitoring is being developed at FIDE. Kotel'nikov RAS is located on the platform of a small-sized catamaran JABO
5C and consists of a side-scan sonar and a proprietary profilograph of its own design. The complex developed at the department of electro-hydroacoustic and medical equipment of INEP SFedU is based on the unmanned boat developed jointly with the Taganrog College of Marine Instrumentation (TKMP) and consists of a side-scan sonar and parametric profilograph developed jointly by INEP SFU and LLC NELAX. The structural scheme of the complex of ecological monitoring is presented, the fragments of the "acoustic map" of the bottom, the echograms obtained with the help of a HBO, a profilograph and a parametric profilograph are given. The main technical characteristics of the hydroacoustic devices included in the autonomous complexes are given. Experimentally measured on a unique scientific installation "Imitation-natural hydroacoustic complex" SFD directional diagram of a parametric antenna of a parametric profilograph. The trajectory of the vessel's track (tacks) is given when receiving the sonar data. The experimental results of the operation of the complexes for the investigation of the bottom of the shallow water areas of reservoirs, confirming the prospects of their use for various tasks are presented.
Side scan sonar; profilograph, parametric profilograph; uninhabited surface boat; acoustic image of the bottom.
Введение. Современные самоходные морские автономные необитаемые аппараты (АНА) представляют собой отдельный класс робототехнических объектов с присущими им задачами, особенностями технологии, составом систем и функциональными свойствами. При всем разнообразии самоходных АНА (по целевому назначению, массогабаритным характеристикам, конструктивному облику, типу энергосиловой установки, диапазону рабочих глубин и т.п.) общепризнанной классификации в этом классе робототехники еще не разработано сложилось. Обзор отечественных и зарубежных публикаций в области подводной техники [1] позволил сформулировать наиболее общее и непротиворечивое условное деление самоходных АНА (рис. 1).
В настоящее время сложились предпосылки для технической реализации автоматизированной информационной системы экологического мониторинга морских акваторий с применением автономных технических средств и робототехниче-ских комплексов. Современные технические средства могут обеспечить информацией об экологической ситуации на морских акваториях. Однако практическая реализация сложных технических систем требует проведения целого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ [3].
Постановка задачи. Для обследования дна малых водоемов и в прибрежной мелководной части морей удобно устанавливать гидроакустическое оборудование на малые автономные катера [1], а при обследовании дна на глубинах более 20 метров рекомендуется применение автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА).
Гидролокатор бокового обзора (ГБО) позволяет обследовать поверхность дна водоемов с целью поиска объектов и исследования характеристик поверхностного грунта. Для целей мониторинга донных отложений и очистки водоемов полезно знать характеристики толщи донных отложений. С этой целью автономный катер необходимо оснастить профилографом.
В ФИРЭ им. Котельникова РАН и ИНЭП ЮФУ в тесном сотрудничестве ведутся работы по созданию автономных надводных комплексов экологического мониторинга акватории. Основные требования к аппаратуре, устанавливаемой на АНА, малые габариты, малое энергопотребление, приемопередатчики, не требующие подстройки параметров при изменяющихся условиях съемки, электрическая и акустическая совместимость оборудования. Этим задачам хорошо отвечают современные гидроакустические приборы, работающие с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) зондирующих посылок и применением оптимальных методов приема и обработки эхосигналов [1, 22].
Так в ФИРЭ им. Котельникова РАН создан экспериментальный комплекс экологического мониторинга, включающий в себя разработанный гидролокатор бокового обзора и линейный профилограф с линейной частотной модуляцией ЛЧМ зондирующих сигналов и профилографом. В качестве носителя ГБО была использована относительно вместительная модель в виде катамарана JABO 5C [2]. Однако большие габариты антенны линейного профилографа не позволили установить её на носителе и она буксировалась за ним на кабеле. Следует отметить, что использование параметрических профилографов для решения задач экологического мониторинга малых водоемов с помощью АНА является более перспективным из-за высокой направленности излучения и малых габаритов антенн.
В Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники совместно с ООО «НЕЛАКС» разрабатывается комплекс обследования мелководных акваторий включающий в себя гидролокатор бокового обзора и параметрический профило-граф высокого разрешения собственной разработки. В качестве носителя используется маломерный необитаемый катер разработанный студенческим КБ «Акустика» ИНЭП ИТА ЮФУ и Колледжем морского приборостроения (г. Таганрог).
Рассмотрим вначале комплекс разрабатываемый в ФИРЭ им. Котельникова РАН. Радиоуправляемая модель катамарана JABO 5C имеет следующие технические характеристики: размеры катамарана 790x575x270 мм, вес - 9,4 кг, грузоподъемность до 5 кг, время автономной работы до 3 часов, радиус действия управления до 500 метров, скорость до 2 м/сек (1-10 км/ч по воде).
Разработанная аппаратура состоит из двух частей: первая установлена на катере, вторая на берегу. На катере установлен малогабаритный ГБО диапазона 450 кГц с ЛЧМ зондирующими сигналами, профилограф диапазона 7 КГц, навигационный приемник Глонасс-GPS, датчики курса, качки и точки доступа Wi-Fi для обеспечения оперативного просмотра, регистрации информации и управления движением катера ПЭВМ берегового терминала. Питание аппаратуры катера осуществляется от двух аккумуляторов ёмкостью 7-а/ч и напряжением 24 В. Аппаратура береговой стации состоит из ноутбука, и подключенных к нему Wi-Fi адаптера, приемника спутниковой навигации и пульта управления движением катера.
ГБО обладает следующими техническими характеристиками: рабочая частота - 455 кГц, разрешающая способность по дальности 1.5 см, длительность сигнала зондирования 0.5^10 мс, частота посылок - 50-1 раз в секунду, мощность излучения 60^100 Вт, полоса обзора 5-10 глубин под собой, диапазон рабочих глубин 0.5-50 м.
Профилограф обладает следующими техническими характеристиками: диапазон рабочих частот - 4.5-9 кГц, разрешающая способность по глубине 20 см, длительность сигнала зондирования 0.5^10 мс, частота посылок - 20 ^ 1 раз в секунду, мощность излучения 500 Вт.
Блок схема аппаратуры комплекса с внешними датчиками навигационной информации приведена на рис. 1. Внешний вид катера с установленной аппаратурой изображен на рис. 2.
Программное обеспечение базовой станции позволяет задавать параметры зондирующих сигналов, запускать и останавливать сбор данных, управлять скоростью и направлением движения катера, архивировать поступающие по локальной сети эхосигналы и данные датчиков пространственного положения катера, а также и отображать их и акустическое изображение на экране ноутбука базовой станции в реальном времени. Связь между микроконтроллером катера (8) и ноутбуком базовой станции (13), осуществляется через беспроводную сеть Wi-Fi. На катере ус-
тановлена точка доступа (5), с выходами на проводной Ethernet, которая позволит, в дальнейшем, наращивать комплекс дополнительными устройствами. К ноутбуку подключен USB Wi-Fi адаптер (16) с внешней антенной для увеличения радиуса действия сети.
Рис. 1. Структурная схема комплекса ГБО с профилографом, установленного на автономный катер (вверху) и береговой базовой станции (внизу слева)
Рис. 2. Комплекс разработанный в ФИРЭ им. Котельникова РАН в снаряженном состоянии на воде буксирующий антенну профилографа
На рис. 3 представлено изображение экранов программы комплекса в реальном времени. На первом экране нанесены границы водоема и траектория движения катамарана. На втором экране контролируется свертка принимаемых эхосигналов с образцом зондируемого ЛЧМ сигнала и акустические изображения ГБО, на третьем - те же данные для профилографа.
Рис. 3. Экраны программы контроля работы комплекса в реальном времени
На рис. 4 представлен фрагмент «акустической карты» исследуемого мелководного водоема.
-1-1-^-1
439745 439750 439755 439760 439765 439770 439775 М
Рис. 4. Фрагмент «акустической карты» дна мелководного водоема
На изображении хорошо видны заранее расположенные на дне объекты: 1 - автомобильные покрышки; 2 - кирпич, 3 - металлическое ведро, а также общее состояние донной поверхности.
На рис. 5 представлен фрагмент профилограммы дна исследуемого водоема.
Рис. 5. Фрагмент профилограммы донных отложений. Среди кратных отражений поверхности дна хорошо проявился наклонный слой в области 20-30 м, изменяющийся по глубине от 20 до 17 м
Рассмотрим теперь комплекс, разрабатываемый в ИНЭП ЮФУ. Носитель имеет следующие технические характеристики: размеры катера 1750x700x550 мм, вес - 24 кг, грузоподъемность до 40 кг, время автономной работы до 6 часов, скорость движения до 10 км/ч. Управление либо по радиоканалу (радиус до 500 метров), либо по заранее заданной программе с использованием данных GPS. На рис. 6 представлена модель катера.
Рис. 6. Корпус катера
Комплекс состоит из двух частей: первая установлена на катере, вторая на берегу. На катере установлен малогабаритный ГБО диапазона 500 кГц с ЛЧМ зондирующими сигналами, параметрический профилограф диапазона 7-20 кГц, навигационный приемник Глонасс-GPS, датчики курса, качки и точки доступа Wi-Fi для обеспечения оперативного просмотра, регистрации информации и управления движением катера. Аппаратура береговой стации состоит из ноутбука, Wi-Fi адаптера, приемника спутниковой навигации и пульта управления движением катера. В табл. 1 представлены основные характеристики гидролокатора бокового обзора, а в табл. 2 - основные характеристики параметрического гидролокатора.
С высоким разрешением локализовать подводный заиленный объект при большой производительности поиска позволит параметрический профилограф. При этом значительно уменьшаются массогабаритные характеристики по сравнению с «классическим» профилографом.
Одной из наиболее важных характеристик параметрической антенны является характеристика направленности. Именно благодаря высокой направленности на низких частотах, постоянной в широком диапазоне разностных частот, и отсутствию боковых лепестков в диаграмме направленности параметрические антенны находят широкое применение во многих областях гидролокации. На рис. 7 приведены диаграммы направленности параметрической антенны на разностных (рабочих) частотах.
Таблица 1
Основные технические характеристики ГБО
Параметр Значение
Рабочая частота 500 кГц±15 %
Характеристика направленности антенны 0,5х40°
Вид корпуса антенны Безкорпусная (моноблок)
Рекомендуемые обследуемые глубины 1-40 м
Тип зондирующего сигнала ЛЧМ (Chirp)
Разрешение по дальности 1,5 см
Полоса обзора 5-7 глубин
7 кГц 12 кГц 14 кГц 20 кГц
Рис. 7. Диаграммы направленности параметрической антенны разностных
(рабочих) частотах
Таблица 2
Технические характеристики параметрического профилографа
Параметр Значение
Рабочие (разностные) частот 7...21 кГц
Ширина характеристики направленности в диапазоне рабочих частот, град 3
Глубина проникновения в грунт < 30 м (в зависимости от типа донного грунта)
Средняя частота волн накачки 150 кГц ±15%
Тип зондирующего сигнала тон, ЛЧМ
Рекомендуемая максимальная рабочая глубина до 100 м
Разрешение по дальности 10 см
На рис. 8 представлено акустическое изображение с ГБО.
Рис. 8. Акустическое изображение с ГБО На рис. 9 представлена карта с траекториями движения (галсами) судна.
Рис. 9. Траектории движения судна при получении гидролокационных данных
На рис. 10 представлен фрагмент мозаичного акустического изображения района работ.
Рис. 10. Фрагмент мозаичного акустического изображения
На рис. 11 представлена профилограмма полученная параметрическим про-филографом, на которой отчетливо виден «карман с осадочными породами».
Г.... !....¥... .»....»...Ж.,..»....»....»...*...»....»....*...'Щ....Ч...:Т.... ¥...¥.., .¥....¥...*..*...'К...■!•..
.У
Рис. 11. Профилограмма
Натурные экспериментальные исследования оборудования проводились на акватории Черного и Азовского морей.
На рис. 12 представлена фотография экспериментального образца параметрического профилографа, а на рис. 13 - фотография гидролокатора бокового обзора. Экспериментальные образецы разработаны на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (каф. ЭГАиМТ ИНЭП ЮФУ) совместно с ООО «НЕЛАКС» (г. Таганрог).
Рис. 12. Параметрический Рис. 13. Гидролокатор бокового обзора
гидролокатор
Получить информацию от обоих комплексов возможно несколькими способами. Первый - осуществлять запись информации на съемный носитель (внешний жёсткий диск, флеш-память), второй - осуществить передачу информации в режиме реального времени на удаленный ПК по радиоканалу.
Выводы. Рассмотренные в этой работе комплексы являются автономными, что дает возможность проводить работы дистанционно, без непосредственного нахождения человека на борту. Малогабаритность позволяет снизить затраты на работы, а также позволяет оперативно доставить катер к месту проводимых работ.
Разработанные макеты катеров с гидролокационным оборудованием позволили провести экспериментальные исследования дна на мелководье. Созданные для них аппаратура и программное обеспечение подтвердили эффективность и широкие возможности АПА для проведения гидрографических работ и экологического мониторинга дна водоемов. Разработанные экспериментальные комплексы и программно-технические средства могут быть легко адаптированы и установлены на другие платформы.
Полученный опыт разработок и исследований имеет большое значение при разработках перспективных надводных роботизированных комплексов экологического мониторинга. Данные комплексы отличаются высокой эффективностью и информативностью, тогда, как затраты на исследования с их применением будут существенно меньшими по сравнению с аналогичными обитаемыми исследовательскими комплексами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В., Денисов Е.Ю. Дистанционно управляемый катер с гидролокатором бокового обзора для картографирования дна малых водоемов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2016.
- № 10 (183). - С. 80-91.
2. Интернет ресурс. https://rc-today.ru/product/katamaran-jabo-5a-10/ (дата обращения 13.06.2017).
3. Минаев Д.Д. Принципы построения региональной автоматизированной информационной системы экологического мониторинга морских акваторий с применением автономных технических средств и робототехнических комплексов. - http://www.imtp.febras.ru/ images/stories/journal/2_12_2011/64-68.pdf.
4. Скнаря A.B., Трусилов В.Т., СедовМ.В. Применение гидролокатора бокового обзора для решения задач безопасности судоходства и экологического мониторинга. - М.: БНТИ, 2007. - 6 с.
5. Лукьянченко А.А., Бондарева Е.Ю., Пивнев П.П. Применение роботизированных систем при экологическом мониторинге акваторий // Системы обеспечения техносферной безопасности: материалы IV Всероссийской конференции и школы для молодых ученых (с международным участием) (Таганрог, Россия, 11-15 сентября 2017 г.). - Таганрог: ЮФУ, 2017. - 271 с.
6. Тарасов С.П., Воронин В.А., Пивнев П.П. Антенные системы донного мониторинга, устанавливаемые на подводных аппаратах // Глава в монографии «Радиолокационные системы специального и гражданского назначения 2015-2017». - М.: Радиотехника 2016.
- С. 791-802.
7. Федосов В.П., Тарасов С.П., Пивнев П.П., Воронин В.В., Кучерявенко С.В., Легин А.А., Ломакина А.В., Франц В.А. Сети связи для подводных автономных роботизированных комплексов: монография. - Ростов-на-Дону - Таганрог, 2018.
8. Voloshchenko A.P., Pivnev P.P., Soldatov G.V., Tarasov S.P. Monitoring the technical state of the underwater section of hydraulic and traffic structures by means of hydroacoustic instruments // Power Technology and Engineering. - 2018. - Vol. 52, No. 1. - P. 30-38.
9. Exploration and Monitoring of the Continental Shelf Underwater Environment. Ed. by Iftikhar B. Abbasov. - Wiley-Scrivener, 2018. - 318 p. ISBN: 978-1-119-48828-6.
10. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Ленинград: Судостроение, 1982. - 200 с.
11. Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике.
- Ленинград: Судостроение, 1988. - 552 с.
12. Касаткин Б.А., Матвиенко Ю.В. К оценке широкополосности низкочастотных цилиндрических пьезопреобразователей // Акустический журнал. - 1983. - Т. 29, №1. - С. 60-63.
13. Воронин, В.А., Пивнев П.П., Тарасов С.П. Построение широкополосных и сверхширокополосных антенн гидроакустических поисковых средств // Труды XI Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». - СПб.: Наука, 2012. - С. 108-111.
14. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004. - 400 с.
15. Пьезокерамические преобразователи; справочник / под ред. С.И. Пугачева. - Ленинград: Судостроение, 1984. - 356 с.
16. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Ленинград: Судостроение, 1981. - 264 с.
17. Воронин В.А., Кузнецов В.П., Мордвинов Б.Г., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2007. - 448 с.
18. Борисов С.А., Тарасов С.П., Филатов К.В. Излучение пространственно частотных сигналов с помощью параметрических антенн // Межвуз. сб. «Теория электрических цепей и сигналов». - Таганрог: ТРТУ, 1994.
19. Филатов К.В. Анализ авто- и взаимокорреляционных свойств пространственно-частотных сигналов // Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Теория и техника пространственно-временной обработки сигналов». - Свердловск, 1989. - С. 74-75.
20. Скнаря А.В., Залогин Н.Н. Применение сверхширокополосных сигналов в активной гидролокации // В кн. Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2015-2017: монография / под ред. Ю.И. Белого. - М.: Радиотехника, 2016. - С. 769-773.
21. Солдатов Г.В., Пивнев П.П., Бондарева Ж.Ю., Лукьянченко А.А., Анищенко А.Е., Петров А.И. Экспериментальное определение акустических свойств морских осадков в целях экологического мониторинга // Системы обеспечения техносферной безопасности: Материалы III Всероссийской конференции и школы для молодых ученых. - 2016. - С. 121-123.
22. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В. Локальное позиционирование подводных аппаратов гидроакустической системой с лчм зондирующими сигналами // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2018. - № 11. - URL: http://jre.cplire.ru/jre/may18/9/text.pdf.
REFERENCES
1. Kaevitser V.I., Krivtsov A.P., Razmanov V.M., Smol'yaninov I.V., Elbakidze A.V., Denisov E.Yu. Distantsionno upravlyaemyy kater s gidrolokatorom bokovogo obzora dlya kartografirovaniya dna malykh vodoemov [Remotely controlled boat with side-view sonar for mapping the bottom of small ponds], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 10 (183), pp. 80-91.
2. Internet resource. Available at: https://rc-today.ru/product/katamaran-jabo-5a-10/ (accessed 13 June 2017).
3. Minaev D.D. Printsipy postroeniya regional'noy avtomatizirovannoy informatsionnoy sistemy ekologicheskogo monitoringa morskikh akvatoriy s primeneniem avtonomnykh tekhnicheskikh sredstv i robototekhnicheskikh kompleksov [The principles of the regional automated information system of ecological monitoring of sea areas with the use of Autonomous hardware tools and robotic systems]. Available at: http://www.imtp.febras.ru/images/ sto-ries/journal/2_12_2011/64-68.pdf.
4. Sknarya A.B., Trusilov V.T., Sedov M.V. Primenenie gidrolokatora bokovogo obzora dlya resheniya zadach bezopasnosti sudokhodstva i ekologicheskogo monitoring [Application of side-view sonar to solve the problems of safety of navigation and environmental monitoring]. Moscow: BNTI, 2007, 6 p.
5. Luk'yanchenko A.A., Bondareva E.Yu., Pivnev P.P. Primenenie robotizirovannykh sistem pri ekologicheskom monitoringe akvatoriy [Application of robotic systems in environmental monitoring of water areas], Sistemy obespecheniya tekhnosfernoy bezopasnosti: materialy IV Vserossiyskoy konferentsii i shkoly dlya molodykh uchenykh (c mezhdunarodnym uchastiem) (Taganrog, Rossiya, 11-15 sentyabrya 2017 g.) [Technosphere safety systems: proceedings of the IV all-Russian conference and school for young scientists (with international participation) (Taganrog, Russia, September 11-15, 2017)]. Taganrog: YuFU, 2017, 271 p.
6. Tarasov S.P., Voronin V.A., Pivnev P.P. Antennye sistemy donnogo monitoringa, ustanavlivaemye na podvodnykh apparatakh [Antenna systems of bottom monitoring installed on underwater vehicles], Glava v monografii «Radiolokatsionnye sistemy spetsial'nogo i grazhdanskogo naznacheniya 2015-2017» [Chapter in the monograph "Radar systems for special and civil purposes 2015-2017"]. Moscow: Radiotekhnika 2016, pp. 791-802.
7. Fedosov V.P., Tarasov S.P., Pivnev P.P., Voronin V.V., Kucheryavenko S.V., Legin A.A., Lomakina A.V., Frants V.A. Seti svyazi dlya podvodnykh avtonomnykh robotizirovannykh kompleksov: monografiya [Communication networks for underwater Autonomous robotic systems: monograph]. Rostov-on-Don - Taganrog, 2018.
8. Voloshchenko A.P., Pivnev P.P., Soldatov G.V., Tarasov S.P. Monitoring the technical state of the underwater section of hydraulic and traffic structures by means of hydroacoustic instruments, Power Technology and Engineering, 2018, Vol. 52, No. 1, pp. 30-38.
9. Exploration and Monitoring of the Continental Shelf Underwater Environment. Ed. by Iftikhar B. Abbasov. Wiley-Scrivener, 2018, 318 p. ISBN: 978-1-119-48828-6.
10. Mit'ko V.B., Evtyutov A.P., Gushchin S.E. Gidroakusticheskie sredstva svyazi i nablyudeniya [Hydroacoustic means of communication and observation]. Leningrad: Sudostroenie, 1982, 200 p.
11. Evtyutov A.P., Kolesnikov A.E., Korepin E.A. i dr. Spravochnik po gidroakustike [Handbook of hydroacoustics]. Leningrad: Sudostroenie, 1988, 552 p.
12. Kasatkin B.A., Matvienko Yu.V. K otsenke shirokopolosnosti nizkochastotnykh tsilindricheskikh p'ezopreobrazovateley [To the estimation of the broadband of low-frequency cylindrical piezoelectric transducers], Akusticheskiy zhurnal [Acoustic journal], 1983, Vol. 29, No. 1, pp. 60-63.
13. Voronin, V.A., Pivnev P.P., Tarasov S.P. Postroenie shirokopolosnykh i sverkhshiroko-polosnykh antenn gidroakusticheskikh poiskovykh sredstv [Construction of broadband and ultra-wideband antennas of hydroacoustic search facilities], Trudy XI Vserossiyskoy konferentsii «Prikladnye tekhnologii gidroakustiki i gidrofiziki» [Proceedings of the XI all-Russian conference "Applied technologies of hydroacoustics and Hydrophysics"]. Saint Petersburg: Nauka, 2012, pp. 108-111.
14. Voronin V.A., Tarasov S.P., Timoshenko V.I. Gidroakusticheskie parametricheskie sistemy [Parametric sonar system]. Rostov-on-Don: Rostizdat, 2004, 400 p.
15. P'ezokeramicheskie preobrazovateli. Spravochnik [Piezoceramic transducers], under the ed. of S.I. Pugacheva. Leningrad: Sudostroenie, 1984, 356 p.
16. Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nelineynaya gidroakustika [Nonlinear underwater acoustics]. Leningrad: Sudostroenie, 1981, 264 p.
17. Voronin V.A., Kuznetsov V.P., Mordvinov B.G., Tarasov S.P., Timoshenko V.I. Nelineynye i parametricheskie protsessy v akustike okeana [Nonlinear and parametric processes in ocean acoustics]. Rostov-on-Don: Rostizdat, 2007, 448 p.
18. Borisov S.A., Tarasov S.P., Filatov K.V. Izluchenie prostranstvenno chastotnykh signalov s pomoshch'yu parametricheskikh antenn [Radiation spatial frequency signals by using paramet-rical antennas], Mezhvuz. sb. «Teoriya elektricheskikh tsepey i signalov» [Interuniversity collection "Theory of electrical circuits and signals"]. Taganrog: TRTU, 1994.
19. Filatov K.V. Analiz avto- i vzaimokorrelyatsionnykh svoystv prostranstvenno-chastotnykh signalov [Analysis of auto-and intercorrelation properties of spatio-frequency signals], Tezisy dokladov Vsesoyuznoy NTK «Teoriya i tekhnika prostranstvenno-vremennoy obrabotki signalov» [Abstracts of the all-Union STC "Theory and technique of spatio-temporal signal processing"]. Sverdlovsk, 1989, pp. 74-75.
20. Sknarya A.V., Zalogin N.N. Primenenie sverkhshirokopolosnykh signalov v aktivnoy gidrolokatsii [Application of ultra-wideband signals in active sonar], Vkn. Radiolokatsionnye sistemy spetsial'nogo i grazhdanskogo naznacheniya. 2015-2017: monografiya [In the book, Radar systems for special and civil purposes. 2015-2017: monograph], under the ed. of Yu.I. Belogo. Moscow: Radiotekhnika, 2016, pp. 769-773.
21. Soldatov G.V., Pivnev P.P., Bondareva Zh.Yu., Luk'yanchenko A.A., Anishchenko A.E., Petrov A.I. Eksperimental'noe opredelenie akusticheskikh svoystv morskikh osadkov v tselyakh ekologicheskogo monitoringa [Experimental determination of the acoustic properties of marine sediments for environmental monitoring], Sistemy obespecheniya tekhnosfernoy bezopasnosti: Materialy III Vserossiyskoy konferentsii i shkoly dlya molodykh uchenykh [Technosphere safety systems: Materials of the III all-Russian conference and school for young scientists], 2016, pp. 121-123.
22. Kaevitser V.I., Krivtsov A.P., Smol'yaninov I.V., Elbakidze A.V. Lokal'noe pozitsioni-rovanie podvodnykh apparatov gidroakusticheskoy sistemoy s lchm zondiruyushchimi signalami [Local positioning of underwater vehicles by hydroacoustic system with LSM probing signals], Zhurnal radioelektroniki: elektronnyy zhurnal [Journal of radio electronics: electronic journal], 2018, No. 11. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/may18/9/text.pdf.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.Е. Панич.
Каевицер Владилен Иосифович - ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН; e-mail: [email protected]; 141190, Московская обл., г. Фрязино, пл. акад. Б.А. Введенского, 1; тел.: 84965652616; г.н.с.; д.т.н.
Смольянинов Илья Вячеславович - e-mail: [email protected]; тел.: 84965652451; с.н.с.
Элбакидзе Андрей Владимирович - e-mail: [email protected]; тел.: 84965652447; с.н.с.
Тарасов Сергей Павлович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347922, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2 (корп. Е); тел.: 88634371795; кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; д.т.н.; профессор.
Воронин Василий Алексеевич - e-mail: [email protected], кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; д.т.н.; профессор.
Пивнев Петр Петрович - e-mail: [email protected]; кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; к.т.н.; доцент.
Kaevitser Vladimir Iosifovich - Kotel'nikov institute of Radio Engineering and Electronics of RAS; e-mail: [email protected]; 141190, Moscow region, Fryazino, sq. acad. B.A. Vvedenskogo, 1; phone: +74965652616; chief researcher; dr. of eng. sc.
Smolyaninov Il'ya Vyacheslavovich - e-mail: [email protected]; phone: +74965652451; senior scientist.
Elbakidze Andrey Vladimirovich - e-mail: [email protected]; phone: +74965652447; senior scientist.
Tarasov Sergey Pavlovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street (bldg. E), Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634371795; the department of electrohydroacoustical and medical equipment; dr. of eng. sc.; professor.
Voronin Vasiliy Alexeevich - e-mail: [email protected]; the department of electrohydroacoustical and medical equipment; dr. of eng. sc.; professor.
Pivnev Petr Petrovich - e-mail: [email protected]; the department of electrohydroacoustical and medical equipment; cand. of eng. sc.; associate professor.
УДК 534.222.2 Б01 10.23683/2311-3103-2018-6-18-26
В.А. Воронин, Е.А. Казакова
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ С АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫМ СИГНАЛОМ НАКАЧКИ*
Обсуждаются особенности излучения акустических сигналов в воздушной среде параметрической излучающей антенной. Приведены методы формирования взаимодействующих в нелинейной среде волн и выявлены их преимущества и недостатки. Для построения системы передачи речевой информации узким звуковым пучком предложено использовать параметрическую антенну с амплитудно-модулированным сигналом накачки. Для реализации в воздушной среде параметрической антенны предлагается в качестве преобразователей в антенне накачки использовать высокочувствительные громкоговорители в режиме излучения. Для равномерного распределения акустической энергии у поверхности антенны накачки предлагается использовать акустические рупоры. При расчете параметров нелинейного взаимодействия акустических волн используются паспортные данные выбранных громкоговорителей. Выведено выражение для расчета коэффициента ампли-
* Работа была выполнена при финансовой поддержке Фонда Содействия Инновациям в рамках научного проекта № 13431ГУ/2018.
