СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01S15/18 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем повышенной точности, предназначенных для работы в водоемах ограниченных размеров с большим дисперсионным искажением акустических сигналов.

Известен гидроакустический дальномер, в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в среде между излучателем и приемником связаны соотношением:
r c ˙ t, (1) где с скорость звука в среде, имеющая смысл групповой скорости, усредненной по трассе распространения, если среда является неоднородной.

В водоеме типа волновода точки излучения и приема связаны целым набором лучевых траекторий, а время распространения изменяется от некоторого минимального, соответствующего максимальной групповой скорости C_max в волноводе, до некоторого максимального, соответствующего минимальной групповой скорости C_min, называемой обычно скоростью волны Эйри. Физически это означает уширение акустического сигнала, вследствие дисперсии на величину δt t ˙ δ c/c, где δc C_max C_min, C некоторая средняя скорость, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недоступно большой:
δr c·δt r·δc/c (20-30)%
Известен способ измерения расстояния, использующий понятие инвариантной скорости С_инв, которая функционально выражается через С_ф и групповую С_г скорости распространения акустического сигнала в водоеме типа волновода и для различных лучевых траекторий сохраняет постоянное значение. Для однородных водоемов и неоднородных водоемов малой глубины инвариантная скорость определяется соотношением
С_инв² С_ф ˙ С_г.

Суть соответствующего способа заключается в одновременном измерении фазовой скорости С_ф и группового времени запаздывания t_г акустического сигнала.

Данный способ измерения расстояния реализуется устройством, в котором на контролирующем объекте размещены передатчик электромагнитных волн, генераторы высокой ω и низкой Ω частоты, умножитель, усилитель мощности, излучатель амплитудно-модулированного акустического сигнала, и на контролируемом объекте размещены приемник электромагнитных волн, два акустических приемника, разнесенных в пространстве на расстояние l, много меньшее длины волны на частоте ω, два фазометра, блок задания инвариантной скорости и вычислитель.

С помощью первого фазометра измеряется разность фаз Δ ϕ(Ω) низкочастотного акустического сигнала за время прохождения им контролируемого расстояния, причем за опорный принимается синхронно излученный с ним в эфир электромагнитный сигнал частоты ω, промодулированный частотой Ω.

С помощью второго фазометра измеряется разность фаз Δ ϕ(ω) между высокочастотными составляющими акустического сигнала, принятого двумя акустическими приемниками, разнесенными на расстояние l в направлении распространения волны.

Контролируемое расстояние вычисляется по формуле
r · · C2и

_нв (2) причем величины t_ф; t_г имеют смысл фазового t_ф и группового t_г времени запаздывания, а погрешность определения расстояния по алгоритму (2) определяется инструментальными погрешностями фазометров, погрешностью задания инвариантной скорости и слабо зависит от дисперсионных искажений сигнала.

По своей технической сущности, совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату данный способ измерения расстояния и реализующее его устройство являются наиболее близкими к изобретению.

Основным недостатком данного способа и реализующего его устройства является использование бигармонического (непрерывного) сигнала и большая погрешность фазовых измерений в водоемах с ограниченными размерами, связанная с наличием отраженных сигналов, искажающих фазовую структуру звукового поля.

В основу изобретения положена задача разработать такой способ измерения расстояния и устройство для его осуществления, чтобы уменьшить погрешность измерения расстояния в водоемах ограниченных размеров при наличии отраженных сигналов и сильных дисперсионных искажений.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают акустический сигнал, принимают сигнал на контролируемом объекте в двух точках приема, разнесенных на расстояние l, меньшее длины волны излучаемого сигнала, предварительно определяют инвариантную скорость С_инв², на основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое t_г время запаздывания и вычисляют искомое расстояние r по соотношению
r · C2и

_нв в соответствии с изобретением в качестве излучаемого сигнала используют периодический импульсный сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точках приема на контролируемом объекте, а фазовое t_ф и групповое t_г времена запаздывания определяют соответственно по формулам
t_г= t_ф= где K₁₂(τ) P₁(t)P₂(τ-t)dt
P₁(t), P₂(t) сигналы, принятые в двух точках приема;
Т₁, Т₂ предварительно орпеделенные временные интервалы; причем Т₂ < Т₁ < Т, где Т период излучаемого импульсного сигнала.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство для измерения расстояния до контрольного объекта, содержащее на контролирующем объекте генератор сигналов, выход которого соединен с первым входом перемножителя, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход с акустическим излучателем, на контролируемом объекте последовательно соединенные первый акустический приемник, первый усилитель и первый фильтр, последовательно соединенные второй акустический приемник, второй усилитель и второй фильтр, блок задания инвариантной скорости, вычислитель, первый вход которого соединен с выходом блока задания инвариантной скорости, а выход с входом индикатора, причем первый и второй акустические приемники разнесены на заданное расстояние в направлении распространения волны, в соответствии с изобретением введены на контролирующем объекте первый синхронизатор и модулятор, вход которого соединен с выходом первого синхронизатора, а выход с вторым входом перемножителя, на контролируемом объекте синхронизированный с первым синхронизатором второй синхронизатор, выход которого соединен с вторым входом вычислителя, и блок задания временных интервалов, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, при этом четвертый и пятый входы вычислителя соединены с выходами первого и второго фильтров.

Использование импульсного режима работы и селективного приема полезных сигналов с помощью временных интервалов Т₁ < Т, Т₂ < Т₁ позволяют исключить влияние отраженных сигналов на процедуру вычисления t_ф, t_г и тем самым уменьшить погрешность вычисления расстояния.

Временной интервал Т₁ выбирается таким, чтобы при определении группового времени учитывалась вся эффективная длительность принятого акустического сигнала Т₂, искаженного дисперсией, однако, импульсы, отраженные от границ водоема, не попадают в этот интервал. Аналогично, длительность временного интервала (-Т₂, Т₂) выбирается такой, чтобы при определении фазового времени запаздывания сигнала Р₂(t) относительно сигнала Р₁(t) учитывался весь эффективный интервал функции корреляции К₁₂(τ) этих сигналов, но в этот интервал не попадают дополнительные максимумы этой функции, связанные с отраженными сигналами.

На фиг.1 изображены диаграммы огибающих рабочих сигналов, поясняющие реализацию способа измерения расстояния, где
P_o(t) излученный акустический сигнал длительностью τ_o;
P₁(t) акустический сигнал, принятый первым гидрофоном, состоящий из прямого сигнала P₁₁(t), искаженного дисперсией, и отраженного от границы водоема сигнала Р₁₂(t);
P₂(t) акустический сигнал, принятый вторым гидрофоном, состоящий из прямого сигнала P₂₁(t), искаженного дисперсией, и отраженного от границ водоема сигнала P₂₂(t);
Т₂ эффективная длительность сигналов P₁₁(t); P₂₁(t);
Т_о начальный момент прихода сигнала P₁(t).

На фиг.2 изображена блок-схема устройства для измерения расстояния.

Для осуществления предлагаемого способа (см. фиг.1) необходима реализация алгоритмов (3), (4), для чего предварительно устанавливают значения временных интервалов Т₁ Т_о(1 + ΔC/C), Т₂ Т_о ΔC/C, где С средняя скорость, причем величина ΔТТ₂ τ_о характеризует дисперсионное уширение акустического сигнала, а величина Δ с определяется дисперсионными характеристиками водоема и, например, для однородного по глубине водоема определяется выражением ΔС С_гр С, где С_гр скорость звука в грунте.

При поступлении рабочего сигнала P₁(t) определяют групповое время запаздывания t_г как средневзвешенное по всей временной реализации сигнала P₁(t) с учетом его дисперсионного уширения на величину ΔТ, причем весовой функцией при таком усреднении является мгновенная мощность сигнала P²₁(t). Сигналы, отраженные от границ водоема, не попадают в интервал усреднения Т₁.

При поступлении двух задержанных друг относительно друга сигналов P₁(t), P₂(t) определяют функцию их взаимной корреляции К₁₂(τ), эффективная длительность которой не более 2Т₂, а положение максимума на временной оси соответствует фазовому времени запаздывания сигналов друг относительно друга.

Алгоритм вычисления t_ф аналогичен алгоритму вычисления t_г, но роль весовой функции играет мгновенное значение квадрата функции корреляции. Дополнительные максимумы корреляционной функции, связанные с наличием сигналов, отраженных от границ водоема, не попадают в интервал усреднения (-Т₂, Т₂) при вычислении t_ф.

Для реализации алгоритма (4) вычисления расстояния используют групповое t_г и фазовое t_ф времена запаздывания, определенные алгоритмом (3), и заранее определенное значение инвариантной скорости С_инв².

Устройство для измерения расстояния (фиг.2) включает контролирующий объект 1, содержащий синхронизатор 2, генератор 3 сигналов, перемножитель 4, модулятор 5, усилитель 6 мощности, акустический излучатель 7 и контролируемый объект 8, содержащий второй синхронизатор 9, первый акустический приемник 10, усилитель 11 и первый фильтр 12, второй акустический приемник 13, усилитель 14 и второй фильтр 15, блок 16 задания инвариантной скорости, блок 17 задания временных интервалов Т₁, Т₂, вычислитель 18 и индикатор 19.

Устройство для измерения расстояния работает следующим образом.

Сигнал частоты ω, вырабатываемый генератором 3 сигналов, и сигнал модулятора 5, который запускается синхронизатором 2, подаются на перемножитель 4, вход которого соединен с входом усилителя 6 мощности. Усиленный радиоимпульс подается на акустический излучатель 7, излучающий сигнал в водную среду.

Акустические сигналы, принятые акустическими приемниками 10, 13, разнесенными в пространстве на расстояние l в направлении распространения волны после усиления усилителями 11, 14 и фильтрации фильтрами 12, 15, поступают на соответствующие входы вычислителя 18, работой которого управляет второй синхронизатор 9, работающий синхронно с первым синхронизатором 2. В вычислитель 18 также поступает информация из блока 16 задания инвариантной скорости и блока 17 задания временных интервалов. С выхода вычислителя 18 информация поступает на индикатор 19. Вычислитель 18 работает в масштабе единого времени с первым синхронизатором 2, вычисляя групповое t_г и фазовое время t_ф по алгоритмам (3) и искомое расстояние по формуле (4).

Использование: гидроакустика, в частности в гидроакустических дальномерных системах повышенной точности. Сущность изобретения: для уменьшения погрешности измерения расстояния в водоемах ограниченных размеров при наличии переотражений и дисперсионных искажений принимают излученный акустический сигнал в двух разнесенных точках, определяют инвариантную скорость, на основе измеренных параметров принятых сигналов определяют фазовое и групповое время запаздывания и вычисляют расстояние согласно алгоритму, выведенному для периодического импульсного излучаемого сигнала, синхронизированного с отсчетом времени в точках приема. Устройство для измерения расстояния содержит на контролирующем объекте 1 первый синхронизатор 2, генератор 3 сигналов, перемножитель 4, модулятор 5, усилитель 6 мощности и акустический излучатель 7, а также на контролируемом объекте 8 разнесенные акустические приемники 10, 13, усилители 11, 14, фильтры 12, 15, соединенные с входами вычислителя 18, управляемого вторым синхронизатором 9, работающим синхронно с первым синхронизатором 2. С входами вычислителя соединены блоки 16 задания инвариантной скорости и блок 17 задания временных интервалов, а с его выходом - индикатор 19. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают акустический сигнал, принимают акустический сигнал на контролируемом объекте в двух точках приема, разнесенных на расстояние l, меньшее длины волны излучаемого сигнала, предварительно определяют инвариантную скорость c_инв, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое t_г время запаздывания и вычисляют искомое расстояние r по соотношению отличающийся тем, что в качестве излучаемого сигнала используют периодический импульсный сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точках приема на контролируемом объекте, при этом фазовое и групповое время запаздывания определяют соответственно по формулам



P₁(t), P₂(t) сигналы, принятые в двух точках приема;
T₁, T₂ предварительно определенные временные интервалы,
причем T₂ < T₁ < T, где T период излучаемого импульсного сигнала. 2. Устройство для измерения расстояния до контролируемого объекта, содержащее на контролирующем объекте генератор сигналов, выход которого соединен с первым входом перемножителя, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход с акустическим излучателем, на контролируемом объекте последовательно соединенные первые акустический приемник, усилитель и фильтр, последовательно соединенные вторые акустический приемник, усилитель и фильтр, блок задания инвариантной скорости, вычислитель, первый вход которого соединен с выходом блока задания инвариантной скорости, а выход с входом индикатора, причем первый и второй акустические приемники разнесены на заданное расстояние в направлении распространения волны, отличающееся тем, что в него введены на контролирующем объекте первый синхронизатор и модулятор, вход которого соединен с выходом первого синхронизатора, а выход с вторым входом перемножителя, на контролируемом объекте синхронизированный с первым синхронизатором второй синхронизатор, выход которого соединен с вторым входом вычислителя, и блок задания временных интервалов, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, при этом четвертый и пятый входы вычислителя соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров.