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

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 kF_o и lF_o одной и той же частоты F_о, где (k-l) = 1. Согласно этому способу радиоимпульсы частот kF_о и lF_o 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 x_k(t) с частотой kF_oвозводятся в Р-степень [x_k(t)]^p, эхо-сигналы x_e(t) с частотой lF_oвозводятся в q-степень [x_e(t)]^q так, чтобы pk = ql, сигналы [x_k(t)] ^p и [x_e(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 kF_o и lF_o(высокая избирательность фильтров предполагает работу с радиоимпульсами длительностью не менее τ_u≥1 / Δ f, где Δf - полоса пропускания фильтра, что ухудшает разрешающую способность Δl ≃ cτ_и/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 180^о 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 τ_u≥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 Z_л больше импеданса воды Z_в. При отражении от границы лед/воздух фазы обеих волн изменяются на 180^o, так как импеданс льда Z_л больше импеданса воздуха Z_вз. 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 = 180^о. Так как эхо-сигналы с частотами F и 2F при отражении от границы лед/воздух инвертировали фазу, то им соответствует Δ ϕ = 180^о 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.

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.

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 .