СПОСОБ ОЦЕНКИ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ С ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 1994 года по МПК G01S13/95 

Описание патента на изобретение RU2022298C1

Изобретение относится к способам акустической локации, предназначенным для обнаружения льда на поверхности воды, измерения толщины льда, регистрации профиля верхней и нижней поверхностей льда с подводного аппарата.

Известен способ определения толщины льда и рельефа нижней границы ледяного покрова с борта подводного аппарата, использующий две частоты излучения - высокую (ВЧ) - 50-100 кГц и низкую (НЧ) - 5-15 кГц, по которому радиоимпульсы высокой и низкой частот одновременно излучаются по направлению к границе вода/лед НЧ- и ВЧ-антеннами, отдельно принимаются отразившиеся от границы вода/лед эхо-сигналы ВЧ, по задержке эхо-сигналов ВЧ определяют расстояние до льда и рельеф нижней границы ледяного покрова, отдельно принимаются отразившиеся от верхней поверхности льда эхо-сигналы низкой частоты, по задержке эхо-сигналов НЧ определяют расстояние до верхней границы льда, по разности времени прихода эхо-сигналов ВЧ и НЧ определяют толщину льда.

Известен способ измерения толщины льда, согласно которому в воде создаются два акустических сигнала: первый сигнал, имеющий первую несущую частоту, промодулирован по амплитуде и второй непрерывный сигнал, имеющий вторую несущую частоту, немодулирован. В результате нелинейного взаимодействия амплитудно-модулированного сигнала с массой воды создается низкочастотная акустическая энергия с частотой модуляции, которая распространяется через слой льда над водой и отражается от поверхности раздела лед/воздух. Сигнал с первой несущей частотой, отразившийся от поверхности раздела вода/лед, принимается гидролокатором. Сигнал с второй несущей частотой, отразившийся от поверхности раздела вода/лед, нелинейно взаимодействует в воде с отраженным сигналом модуляционной частоты. В результате по обе стороны второй несущей частоты возникают боковые полосы частот и формируется частотно-модулированный сигнал второй несущей частоты, который используется для выделения сигнала модуляционной частоты, отраженного от поверхности раздела лед/воздух. Временной интервал между моментами приема сигналов первой несущей частоты и второй несущей частоты измеряется, и на основании измеренного временного интервала определяется толщина льда.

В качестве прототипа выбран способ оценки ледовой обстановки с подводного аппарата, использующий фазовое различие отражающей поверхности с помощью сигналов посылки в виде суммы двух соседних гармоник kFo и lFo одной и той же частоты Fо, где (k-l) = 1. Согласно этому способу радиоимпульсы частот kFо и lFo одновременно излучаются по направлению к границе вода/лед единой антенной, отразившиеся от нижней и верхней границ льда эхо-сигналы обеих частот принимаются той же антенной, разделяются по частоте, эхо-сигналы xk(t) с частотой kFoвозводятся в Р-степень [xk(t)]p, эхо-сигналы xe(t) с частотой lFoвозводятся в q-степень [xe(t)]q так, чтобы pk = ql, сигналы [xk(t)] p и [xe(t)] q перемножаются и усредняются во времени, по полярности результирующего сигнала определяют наличие льда на поверхности воды, по времени разнесения результирующих сигналов с различной полярностью определяют толщину льда.

Недостатком известного способа оценки ледовой обстановки с подводного аппарата является низкая точность измерения толщины льда вызванная, во-первых, низкой разрешающей способностью по дальности, обусловленной требованием высокой избирательности фильтров приемного тракта, осуществляющих разделение близких по величине частот kFo и lFo(высокая избирательность фильтров предполагает работу с радиоимпульсами длительностью не менее τu≥1 / Δ f, где Δf - полоса пропускания фильтра, что ухудшает разрешающую способность Δl ≃ cτи/2 ; во-вторых, низкой достоверностью результатов измерения толщины льда, обусловленной наличием эхо-сигналов от нижней границы льда от боковых лепестков характеристики направленности антенны. Сдвиг по фазе на 180о волны в боковом лепестке относительно волны в основном лепестке приводит к тому, что эхо-сигнал бокового лепестка от границы вода/лед будет иметь такой же отклик, как и эхо-сигнал от границы лед/воздух. Поэтому принятие эхо-сигнала бокового лепестка за эхо-сигнал от границы лед/воздух дает ошибку в определении толщины льда. Эта ошибка имеет место в случае полного отсутствия льда.

Целью изобретения является повышение точности определения толщины льда.

Это достигается тем, что при способе оценки ледовой обстановки с подводного аппарата, включающем прием эхо-сигналов на частотах F и 2F, возведение в квадрат сигнала на частоте F, перемножение квадрата эхо-сигнала на частоте F и сигнала на частоте 2F, усреднение полученного сигнала во времени, определение наличия льда по полярности первого результирующего сигнала и толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности, излучают высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты F с коэффициентом модуляции m, 05 m 2.

Способ оценки ледовой обстановки с подводного аппарата включает в себя излучение в воду акустического сигнала высокой частоты, модулированного по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты F, коэффициент модуляции которого находится в пределах 0,5 m ≅ 2, прием низкочастотных эхо-сигналов, состоящих из суммы двух гармоник с частотами F и 2F, отразившихся от нижней и верхней границ льда, разделение эхо-сигналов по частоте, возведение эхо-сигналов с частотой F во вторую степень, перемножение квадрата эхо-сигнала с частотой F и сигнала с частотой 2F, усреднение во времени полученного произведения сигналов, определение наличия льда на поверхности воды по полярности первого результирующего сигнала и определение толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг.2 - пример записи на регистраторе информации о рельефе нижней поверхности льда, о наличии льда на поверхности воды и толщине льда; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства для измерения толщины льда.

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 радиоимпульсов с амплитудно-модулированным заполнением, и излучающую антенну 3, последовательно соединенные приемную низкочастотную антенну 4, селективный усилитель 5, удвоитель частоты 6 и фазовый детектор 7, включенный между приемной антенной 4 и фазовым детектором 7 селективный усилитель 8, последовательно соединенные пороговую схему 9, подключенную к выходу фазового детектора 7, формирователь импульсов 10, сумматор 11 и регистратор 12, последовательно соединенные между фазовым детектором 7 и сумматором 11 пороговую схему 13 и формирователь импульсов 14, подключенную своими входами к синхронизатору 1 и выходу пороговой схемы 13 схему ИЛИ 15, нагруженную на S-вход схемы измерения толщины льда 16, соединенную с индикатором 17. R-вход схемы измерения толщины льда 16 соединен с выходом пороговой схемы 9, синхронизатор 1 соединен с регистратором 12.

Устройство работает следующим образом. Синхронизатор 1 посредством коротких однополярных импульсов U1 запускает развертку регистратора 12 и генератор радиоимпульсов с амплитудно-модулированным (АМ) заполнением 2, вырабатывающий напряжение U2 с длительностью импульса τu≥10/F, которое подается на излучающую антенну 3 с резонансной частотой, совпадающей с частотой несущей АМ сигнала f. Антенна 3 излучает в среду в направление льда акустическую волну, совпадающую по форме с напряжением U2. В воде нелинейно генерируются низкочастотные волны с частотами F и 2F, распространяющиеся с исходной АМ волной, они отражаются от нижней и верхней границ льда и принимаются приемной низкочастотной антенной 4.

При отражении от границы вода/лед волны с частотами F и 2F отражаются без изменения фазы, так как импеданс льда Zл больше импеданса воды Zв. При отражении от границы лед/воздух фазы обеих волн изменяются на 180o, так как импеданс льда Zл больше импеданса воздуха Zвз. Эхо-сигналы разделяются по частоте с помощью избирательных фильтров 5 и 8, настроенных соответственно на частоты F и 2F, на их выходах формируются напряжения U3 и U4. В удвоителе частоты частота сигнала U3удваивается, и напряжение с его выхода U5 совместно с напряжением U4подается на фазовый детектор 7. На выходе фазового детектора 7 образуется напряжение U6, полярность которого связана с разностью фаз между сигналами U4 и U5 следующим образом: U6 > 0 при Δ ϕ = 0 и U6 < 0 при Δ ϕ = 180о. Так как эхо-сигналы с частотами F и 2F при отражении от границы лед/воздух инвертировали фазу, то им соответствует Δ ϕ = 180о и U6 < 0, в то время как для эхо-сигналов от границы вода/лед имеет место Δ ϕ = 0 и U6 > 0.

Пороговые схемы 9 и 13 выполняют роль селектора сигналов по полярности: схема 9 вырабатывает на выходе сигнал U7 только при условии U6 > 0, а схема 13 вырабатывает сигнал U8 только при поступлении на вход U6 < 0. Формирователи импульсов 10 и 14 вырабатывают на выходе сигналы U9 и U10 в виде импульсов, различающихся по длительности. При этом сигнал U9 имеет длительность τ1, а сигнал U10 - τ2, причем τ1≠ τ2, чтобы на регистраторе по длительности метки можно было отличить нижнюю границу льда от верхней (см.фиг.2). Сигналы U9 и U10 перед подачей на регистратор 12 суммируются в сумматоре 11.

Помимо записей на регистраторе 12 текущая толщина льда измеряется автоматически с помощью схемы, состоящей из схемы ИЛИ 15, схемы измерения толщины льда 16 и индикатора 17. Любым из двух сигналов - U1или U8, объединенных схемой (ИЛИ) 15, схема измерения толщины 16 устанавливается в исходное состояние. Запуск схемы 16 в режим измерения осуществляется сигналом U7, соответствующим эхо-сигналу от нижней границы льда. На выходе схемы 16 вырабатывается импульс U12, длительность которого равна времени запаздывания эхо-сигнала от верхней границы льда относительно эхо-сигнала от нижней границы льда. Длительность импульса U12 измеряется индикатором 17.

Использование предлагаемого способа оценки ледовой обстановки с подводного аппарата позволяет многократно увеличить точность результатов измерения толщины льда.

Похожие патенты RU2022298C1

название год авторы номер документа
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛЕДОМЕР 1991
  • Гаврилов А.М.
RU2019855C1
Эхоледомер 1991
  • Гаврилов Александр Максимович
SU1818608A1
ЭХОЛОКАТОР ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ МОРСКИХ ГРУНТОВ 1992
  • Гаврилов А.М.
  • Германенко О.Н.
RU2045081C1
Способ обнаружения объектов вблизи дна и на дне 1991
  • Гаврилов Александр Максимович
SU1809405A1
ЭХОЛОКАТОР ДЛЯ ПОИСКА ОБЪЕКТОВ ВБЛИЗИ ДНА, НА ДНЕ И В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДНА 1992
  • Гаврилов А.М.
  • Семенистый С.В.
RU2050559C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ 1991
  • Гаврилов А.М.
  • Савицкий О.А.
RU2006876C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ 1991
  • Гаврилов А.М.
  • Савицкий О.А.
RU2006877C1
Устройство для классификации объектов по акустической жесткости 1991
  • Гаврилов Александр Максимович
  • Максимов Виталий Николаевич
SU1827654A1
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР 1996
  • Волощенко В.Ю.
RU2133047C1
Параметрический эхолокатор 1991
  • Гаврилов Александр Максимович
  • Савицкий Олег Анатольевич
  • Тимошенко Владимир Иванович
SU1815615A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 022 298 C1

Реферат патента 1994 года СПОСОБ ОЦЕНКИ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ С ПОДВОДНОГО АППАРАТА

Использование: в акустической локации. Сущность изобретения: способ оценки ледовой обстановки с подводного аппарата включает излучение в сторону водной поверхности высокочастотного акустического сигнала, модулированного по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты с коэффициентом модуляции m (0,5 меньше/равно m меньше/равно 2), прием эхосигналов на частотах F и 2F, возведение в квадрат эхосигнала на частоте F, перемножение квадрата эхосигнала на частоте F и сигнала на частоте 2F, усреднение полученного сигнала во времени, определение наличия льда по полярности первого результирующего сигнала и толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 022 298 C1

СПОСОБ ОЦЕНКИ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ С ПОДВОДНОГО АППАРАТА, включающий излучение сигнала в сторону водной поверхности, прием эхосигналов на частотах F и 2F, возведение в квадрат эхосигнала на частоте F, перемножение квадрата эхосигнала на частоте F и сигнала на частоте 2F, усреднение полученного сигнала во времени, определение наличия льда по полярности первого результирующего сигнала и толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения толщины льда, излучают высокочастотный акустический сигнал, модулированный по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты F с коэффициентом модуляции m, где 0,5 ≅ m ≅ 2,0 .

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2022298C1

Краснощеков Е.М
Гидролокатор для оценки ледовой обстановки с борта подводного аппарата
Тезисы доклада I-го Всесоюзного совещания "Глубоководные системы и комплексы", ч.I, Черкассы, 1986, с.77-78.

RU 2 022 298 C1

Авторы

Гаврилов А.М.

Даты

1994-10-30Публикация

1991-04-03Подача