СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА ОТНОСИТЕЛЬНО ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S17/00 G01P5/18 

Изобретение относится к навигации и может быть использовано для измерения скорости движения судна.

Известны следующие способы и соответствующие им устройства измерения скорости движения судна относительно воды: гидродинамический, гидромеханический и наиболее распространенный электродинамический.

Основным недостатком данных устройств является то, что они контактны, а следовательно, подвержены разрушающему действию среды, вносят возмущения в обтекающий поток и устанавливаются в непосредственной близости от корпуса корабля. Это требует учета при интерпретации результатов, что не всегда реализуемо на практике. Кроме того, установка контактных датчиков сложна и может вести к снижению ходовых характеристик судна.

Некоторых из перечисленных недостатков лишен оптический способ измерения скорости частиц в потоке. Этот способ может быть использован и при определении скорости судна относительно воды. Сущность способа заключается в следующем: в потоке с помощью двух световых лучей создается база измерения и регистрируются двумя фотоприемниками моменты пролета частицами границ этой базы. Кроме того, регистрируются интенсивности излучения на входах фотоприемников при наличии и отсутствии частиц в зоне измерения. После этого определяют скорость частиц по формуле
V = , где l - размер базы; t - время пролета частицей базы измерения; I₁ и I₁^l- интенсивности излучения на входах фотоприемников при отсутствии и наличии частиц соответственно; К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптический локатор зеркальных площадок, который включает в себя непрерывный излучатель, зондирующий морскую поверхность узким световым лучом, и одноканальную фотоэлектрическую систему регистрации отраженных световых импульсов, имеющую высокое угловое разрешение. Оптические оси приемника и излучателя практически можно считать совмещенными.

Оптический локатор состоит из двух частей: выносной головки, расположенной на гиростабилизированной платформе, и соединенной с выносной головкой при помощи двух световодов остальной части прибора. Выносная головка крепится на носу корабля так, чтобы при движении производилось зондирование невозмущенной морской поверхности.

В качестве источника излучения используется непрерывный нелазер, освещающий через формирующую световой луч систему (линза, световод, линза) на поверхности моря пятно диаметром 4 мм. Для подавления помех от солнечных бликов интенсивность лазерного излучения модулируется с частотой 100 кГц. Линза служит для формирования параллельного пучка, падающего на интерфильтр. Диафрагма, расположенная в фокальной плоскости приемного объектива, предназначена для того, чтобы угол приема оптической системы не зависел от расстояния до поверхности моря. Полевая диафрагма предназначена для выделения в плоскости изображения водной поверхности формируемого линзой участка, освещенного световым лучом. Установка этой диафрагмы также связана с необходимостью подавления помех от солнечных бликов.

В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель, с анодной нагрузки которого сигнал поступал на истоковый повторитель, далее на резонансный усилитель, детектор, амплитудный дискриминатор и затем в блок обработки и регистрации. В последний входят коррелометр (работа коррелометра синхронизируется импульсами, приходящими с формирователя импульсов стандартной амплитуды), частотомер, служащий для измерения среднего периода импульсов сигнала, преобразователь код-аналог, самописец, с помощью которого осуществляется запись корреляционной функции сигнала и показаний частотомера, осциллограф, необходимый для контроля работы аппаратуры при проведении экспериментов.

Данный прибор предназначен для измерения двухточечных плотностей распределения уклонов морской поверхности, пропорциональной корреляционной функции сигнала прибора. В процессе проведения натурных исследований установлено, что по результатам измерений прибора можно судить о скорости судна. Однако непосредственное применение этого устройства для определения скорости затруднительно по причинам сложности обработки сигнала, большой погрешности измерения скорости и большого промежутка времени, необходимого для одного измерения, а также сложности и громоздкости устройства.

Недостатками известного способа являются влияние гидродинамических условий обтекания корпуса судна и датчика измерительного устройства на результаты измерений, отсутствие защиты от помех при солнечной засветке, невозможность вести измерения при малых или очень больших концентрациях частиц (в исследуемой зоне не должно находиться более одной частицы), сложность установки любого реализующего данный способ устройства на судне и возможное снижение после этого его ходовых характеристик.

Цель изобретения - повышение точности определения скорости судна за счет исключения влияния условий проведения измерений.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения скорости частиц в потоке, заключающемся в создании базы измерений и регистрации моментов пролета рассеивателями границ этой базы, используется модулированное лазерное излучение, направленное с носа судна вертикально на невозмущенную водную поверхность. При попадании излучения на площадку поверхности с нормалью, ориентированной по вертикали (зеркальная площадка), отраженное излучение попадает в приемное устройство, осуществляющее угловую фильтрацию. Определяется средняя длительность импульсов отраженного от поверхности излучения и после этого по формуле
V = , (1) где а - радиус светового луча, зондирующего поверхность; τ - средняя длительность импульсов сигнала прибора,рассчитывается скорость судна.

Устройство, осуществляющее данный способ, содержит лазерный излучатель с модулятором и последовательно соединенные приемную оптоэлектронную систему, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, частотомер и блок индикации, кроме того, фотодиод, синхронный детектор, щелевую диафрагму и линзу Френеля, причем в устройстве отсутствует система световодов, гиростабилизация и коррелометр.

Эти отличительные признаки позволяют:
1) упростить устройство;
2) повысить надежность в работе;
3) снизить время измерения и повысить его точность.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации установлено, что отличительные признаки предлагаемого изобретения проявляют свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений со сходными признаками, что дает основание сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Существенные отличия".

На чертеже дана блок-схема устройства.

Устройство содержит лазерный излучатель 1, модулятор 2, щелевую диафрагму 3 (щель расположена перпендикулярно курсу судна), линзу Френеля 4, полевую диафрагму 5, фотодиод 6, буферный каскад 7, резонансный усилитель 8, синхронный детектор 9, формирователь 10 импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения 11, частотомер 12 и блок индикации 13.

Устройство работает следующим образом.

Лазерный излучатель 1 освещает поверхность моря световым лучом, промодулированным по интенсивности с частотой 100 кГц с целью подавления помех от солнечных бликов. При попадании в освещенный на водной поверхности световой кружок площадки с нормалью, отклоненной от вертикали в пределах заданных углов, отраженный свет регистрируется фотоприемником. С помощью щелевой диафрагмы 3 осуществляется угловая фильтрация принимаемого излучения и, следовательно, задаются размеры отражающих площадок. В качестве объектива используется линза Френеля 4 с достаточно большим диаметром
d≥Zγ, где γ - среднеквадратичный уклон поверхности; z - высота установки устройства над водой.

Это позволяет существенно увеличить число зеркальных площадок, а следовательно, повысить точность и сократить время измерений. При достаточно малом по сравнению с диаметром лазерного луча значении поперечного размера площадки и равенстве нулю средней скорости зеркальных площадок (это условие выполняется в силу хаотичности их перемещений) средняя длительность отраженного светового импульса определяется по формуле (1).

Поперечные размеры зеркальных площадок определяются из следующего соотношения
χ = , где b - ширина диафрагмы; r - радиус кривизны поверхности; z - высота.

Контроль за выполнимостью условия малости поперечного размера зеркальных площадок можно осуществлять по малости амплитуды отраженных импульсов по сравнению с насыщенными импульсами от зеркальных площадок размером с диаметр луча.

Полевая диафрагма служит для выделения на водной поверхности освещенного участка с целью подавления помех от солнечных бликов. Электрический сигнал с фотодиода поступает на буферный каскад и далее по кабелю на вход резонансного усилителя. Усиленный сигнал поступает на синхронный детектор, с выхода которого низкочастотный сигнал, имеющий форму огибающей исходного, поступает на формирователь импульсов стандартной амплитуды. Сформированные импульсы заполняются на схеме совпадения импульсами меток, поступающими туда же с модулятора 100 кГц. Измерение средней длительности импульсов сигнала производится с помощью частотомера, работающего в режиме деления частот (по входу В отсчитывается 100 импульсов сигнала, а по входу A в течение этого времени считаются импульсы меток, заполнившие импульсы сигнала). В результате этой операции показания частотомера пропорциональны усредненной по ста импульсом длительности импульсов сигнала. Пересчет величины τ в V производится по формуле (1) и высвечивается на электронном табло в блоке индикации.

Изобретение относится к навигации и может быть использовано для измерения скорости объектов относительно воды. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния условий проведения измерений. В способе перед направлением на водную поверхность лазерное излучение модулируют по интенсивности и направляют излучение с заданным радиусом светового пучка a вертикально на невозмущенную поверхность, при приеме отраженного излучения осуществляют угловую фильтрацию, измеряют длительность отраженного сигнала, находят среднее значение длительности импульсов τ и определяют скорость судна относительно водной поверхности по формуле V = 2a/τ . Для осуществления способа объектив выполнен в виде линзы Френеля, диаметр которой определяется соотношением d ≥ Zγ , где Z - высота установки устройства относительно водной поверхности; g - среднеквадратичный уклон поверхности; диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы, ориентированной перпендикулярно курсу судна. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения скорости движения судна относительно водной поверхности, заключающийся в направлении светового излучения в среду, содержащую рассеивающие объекты, приеме отраженного излучения и преобразовании оптического отраженного сигнала в электрический, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния условий проведения измерений, перед направлением на водную поверхность лазерное излучение модулируют по интенсивности и направляют модулированное излучение с заданным радиусом светового пучка a вертикально на невозмущенную водную поверхность, при приеме отраженного излучения осуществляют угловую фильтрацию, измеряют длительность импульсов отраженного излучения, находят среднее значение длительности импульса отраженного излучения τ и определяют скорость судна относительно водной поверхности по формуле
v = 2a / τ . 2. Устройство определения скорости движения судна относительно водной поверхности, содержащее непрерывный лазерный излучатель, снабженный модулятором, передающую оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных диафрагмы, приемного объектива и полевой диафрагмы, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схема совпадения, частотомер и индикатор, при этом выход фотоприемного устройства соединен с входом буферного каскада, второй выход формирователя импульсов стандартной амплитуды соединен с вторым входом частотомера, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния условий проведения измерений, приемный объектив выполнен в виде линзы Френеля, диаметр которой определяется соотношением
d ≥ Z γ ,
где Z - высота установки устройства относительно водной поверхности,
γ - среднеквадратичный уклон поверхности,
диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы, ориентированной перпендикулярно курсу судна, фотоприемное устройство выполнено в виде фотодиода, детектор выполнен в виде синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом модулятора, который также соединен с вторым входом схемы совпадения.