СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ДНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным приборам.

Известны способ и устройство для корреляционного определения глубины [1]
Также известны способ и устройство для определения глубины [2] с регулируемой временной задержкой. Недостатком этих технических решений является невысокая точность.

Наиболее близким техническим решением к предложенному являются способ и устройство [2] для измерения глубины с регулируемой временной задержкой. К их недостаткам следует отнести невысокую точность.

Цель изобретения повышение точности измерения глубины.

Поставленная цель достигается заменой операции поиска значения регулируемой временной задержки по максимуму взаимно-корреляционной функции (ВКФ) отраженного и задержанного излученного сигналов на операцию поиска данной задержки по минимуму отношения произведения ВКФ задержанного излученного сигнала и преобразования Гильберта отраженного сигнала на ВКФ задержанного излученного и отраженного сигналов к результату разности квадратов данных ВКФ соответственно.

Расстояние до дна определяется по формуле
Д
(1) где С скорость звука в воде.

Известно, что крутизна ВКФ в районе максимума недостаточно велика, чтобы обеспечить высокую точность определения, а значит, и расстояния Д. Для оценки повышения точности заявляемого технического решения рассмотрим типичную для прототипа форму ВКФ задержанного излученного и отраженного сигналов
R_xy (τ)=σ_xσ_yρ_xy(τ)=σ_xσ_ye^-b(τ)cos2πf_oτ, (2) где f_o частота сигнала;
b коэффициент, определяемый характеристиками гидроакустического канала до дна и обратно;
R_xy(τ),ρ_xy(τ) ВКФ от излученного Х и отраженного Y сигналов и ее коэффициент;
σ_x,σ_y среднеквадратические отклонения для сигналов Х и Y.

Возьмем преобразование Гильберта от отраженного Y сигнала, получим Y ПГ (Y), а затем вычислим ВКФ от Х и Y, получим
R(τ)σ_xσ_ye^-b/τ/sin2πf_oτ
(3)
Произведение (2) и (3) дает выражение
R_xy(τ)R(τ) e^-2b/τ/sin4πf_oτ
(4)
Разность квадратов КВФ равна
R2x

_y(τ)-R(τ) σ_xτ_ye^-2b/τ/cos4πf_oτ
(5) Определим отношение выражения (4) к (5)
B(τ) R_xy(τ)R(τ)[R2x_y(τ)-R(τ) tg4πf_oτ
(6)
Анализ выражения (6) по сравнению с прототипом [2] показал, что B( τ) имеет значительную величину крутизны, а значит, и значительно большую точность определения аргумента функции и значения Д, см [1]
Кроме того, B( τ) нечетная функция, что облегчает поиск направления выбора τ_p. При этом получено еще одно преимущество: B(τ) функция удвоенного аргумента, что также повышает точность и чувствительность технического решения. Эти свойства позволяют сделать вывод о соответствии критериям новизны и существенных отличий.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит генератор 1, излучатель 2, блок 3 регулируемой временной нагрузки, первый умножитель 4, первый интегратор 5, приемник 6, экстремальный регулятор 7, индикатор 8, коррелятор 17, дополнительно внесенные блок 9 преобразования Гильберта, второй 10 и третий 12 умножители, второй интегратор 11, блок деления 13, блок разности 14, первый квадратор 15, второй квадратор 16, второй коррелятор 18.

Генератор 1 соединен с излучателем 2 и первым входом блока 3 регулируемой временной задержки, первый выход которого соединен через первый 4 умножитель с входом первого 5 интегратора, при этом второй вход первого 4 умножителя соединен с приемником 6. Второй вход блока 3 регулируемой временной задержки соединен со вторым выходом экстремального регулятора 7, первый выход которого соединен с индикатором 8. Приемник 6 соединен через блок 9 преобразования Гильберта со вторым входом второго 10 умножителя, первый вход которого соединен одновременно с первым выходом блока 3 регулируемой временной задержки и первым входом первого 4 умножителя, при этом выход второго 10 умножителя соединен через последовательно включенные второй 11 интегратор и третий 12 умножитель с входом делимого блока 13 деления, выход которого подключен к входу экстремального 7 регулятора, а вход делителя блока деления 13 соединен с выходом блока 14 разности, вход уменьшаемого блока 14 разности соединен через первый квадратор 15 одновременно с выходом первого 5 интегратора и вторым входом третьего 12 умножителя. Первый вход 12 умножителя соединен не только с выходом второго 11 интегратора, но и с входом второго квадратора 16, выход которого подключен к входу вычитаемого блока 14 разности.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Генератор 1 передает сигнал на излучатель 2 для излучения на дно, а также передает сигнал через первый вход блока 3 регулируемой временной задержки на первый вход первого 4 умножителя, на второй вход последнего поступает принятый приемником 6 отраженный от дна сигнал. На выходе первого интегратора 5 формируется ВКФ вида (2), которая поступает на умножитель 12, а также через первый квадратор 15 на вход уменьшаемого блока 14 разности, на вход вычитаемого которого поступает квадрат ВКФ от задержанного сигнала 4 и преобразования Гильберта отраженного сигнала. Для этого отраженный сигнал преобразуется в блоке 9 преобразования Гильберта, перемножается в блоке 10 умножителя с задержанным излученным сигналом и вычисляется ВКФ во втором корреляторе, состоящем из элементов 3, 10 и 11. На выходе второго интегратора 11 формируется сигнал (3), который не только возводится в квадрат во втором квадраторе 16 и поступает на вход вычитаемого блока 14 разности, но и поступает на третий умножитель 12, на второй вход которого поступает сигнал вида (2) с выхода первого 5 интегратора, на выходе третьего умножителя 12 формируется сигнал вида (4) и поступает на вход делимого блока 13 деления, на выходе формируется сигнал, описываемый выражением (6), и поступает в экстремальный 7 регулятор. Последний обеспечивает непрерывное удержание минимального напряжения на выходе блока 13 деления путем управления блоком 3 регулируемой временной задержки. На шкале индикатора 8 величина введенной регулируемой временной задержки отображается в виде значения расстояния Д до дна.

Элементы устройства общеизвестны и описаны в научно-технической литературе [1, 2]

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: определение корреляционной временной задержки между излученным и отраженным сигналами по минимуму отношения произведения взаимно-корреляционной функции задержанного сигнала и преобразования Гильберта отраженного сигнала на взаимно-корреляционную функцию задержанного излученного и отраженного сигналов к разности квадратов данных взаимно-корреляционных функций соответственно. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения расстояния до дна, основанный на излучении сигнала на дно, определении взаимно корреляционной функции отраженного и излученного сигналов и определении расстояния путем умножения половины скорости звука в воде на значение регулируемой временной задержки излученного сигнала в момент равенства ее значению времени распространения сигнала до дна и обратно, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют преобразование Гильберта отраженного сигнала и дополнительно определяют взаимно корреляционную функцию от задержанного излученного сигнала и преобразование Гильберта отраженного сигнала, а регулируемую временную задержку излученного сигнала находят по минимуму отношения результата произведения взаимно корреляционной функции задержанного сигнала и преобразование Гильберта отраженного сигнала на взаимно корреляционную функцию задержанного излученного и отраженного сигналов к результату разности квадратов данных взаимно корреляционных функций соответственно. 2. Устройство для определения расстояния до дна, состоящее из генератора, соединенного одновременно с излучателем и первым входом блока регулируемой временной задержки, первый выход которого соединен через первый умножитель с входом первого интегратора, при этом второй вход первого умножителя соединен с приемником, кроме того, второй вход блока регулируемой временной задержки соединен с вторым выходом экстремального регулятора, первый выход которого соединен с индуктором, отличающееся тем, что приемник дополнительно соединен через дополнительно внесенный блок преобразования Гильберта с вторым входом дополнительно внесенного второго умножителя, первый вход которого соединен одновременно с первым выходом блока регулируемой временной задержки и первым входом первого умножителя, при этом выход дополнительно внесенного второго умножителя соединен через последовательно включенные дополнительно внесенный второй интегратор и дополнительно внесенный третий умножитель с входом делимого дополнительно внесенного блока деления, выход которого подключен к входу экстремального регулятора, а вход делителя данного блока деления соединен с выходом дополнительно внесенного блока разности, при этом вход уменьшаемого данного блока разности соединен через дополнительно внесенный первый квадратор одновременно с выходом первого интегратора и вторым входом дополнительно внесенного третьего умножителя, кроме того, первый вход данного умножителя соединен не только с выходом дополнительно внесенного второго интегратора, но и с входом дополнительно внесенного второго квадратора, выход которого подключен к входу вычитаемого дополнительно внесенного блока разности.