СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G01S15/08 

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

Известен способ измерения расстояния гидроакустическим дальномером, в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в среде между излучателем и приемником связаны соотношением
r = C•t, (1)
где
C - 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 Эйри. Физически это означает уширение акустического сигнала вследствие дисперсии на величину
δt = t•δC/C
где
δC = C_max - C_min;
C - некоторая средняя скорость.

При этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой:
δr = C•δt = r•δC/C;

Следовательно, основным недостатком известного способа является весьма значительная погрешность в измерении расстояния до контролируемого объекта.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения расстояния, использующий понятие инвариантной скорости C_инв, которая функционально выражается через фазовую C_ф групповую C_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
C² _инв = С_ф•C_г.

Суть соответствующего способа заключается в одновременном измерении фазового времени t_ф или фазовой скорости C_ф и группового времени запаздывания t_г акустического сигнала.

Данный способ измерения расстояния реализуется следующим образом.

На контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал в двух точках, разнесенных в направлении излучения на расстояние l, меньшее длины волны излучаемого сигнала. На основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое время запаздывания t_г соответственно по формулам


где

P₁(t), P₂(t) - сигналы, принятые в двух точках приема;
T₁, T₂ - предварительно определенные временные интервалы,
причем T₂<T₁<T, где T - период излучения импульсного сигнала,
и можно положить ориентировочно T₂ = T₀•ΔC/C; T₁ = T₀(1+ΔC/C); T₀ = r/C; ΔC = C_гр-C; C_гр - скорость звука в грунте; С - средняя скорость звука в воде.

Искомое расстояние вычисляется по соотношению

где
C_инв - инвариантная скорость, предварительно определяемая для данного водоема и конкретных условий распространения, которая слабо зависит от лучевой структуры звукового поля.

Основной недостаток известного способа, основанного на алгоритме (2), заключается в том, что инвариантная скорость зависит от конкретных условий распространения, хотя и в значительно меньшей степени, чем фазовые и групповые скорости, определенные для всей совокупности лучей, формирующих акустический сигнал. Эта зависимость приводит к погрешности измерения расстояния по алгоритму (2).

Другой недостаток, присущий известному способу измерения расстояния, заключается в ограниченной дальности действия. Дальность действия известного способа измерения расстояния ограничена в основном потерями на распространение, связанными со сферической расходимостью акустических волн в случае r≤h (h - глубина моря) и дополнительными потерями на отражение от поверхности моря и дна в случае r ≫ h (например, в мелком море).

В основу изобретения положена задача разработать способ измерения расстояния, обладающий меньшей погрешностью и большей дальностью действия 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 периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизировано с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, принимают сигнал на контролируемом объекте в двух точках приема, разнесенных на расстояние l, меньшее длины волны излучаемого сигнала, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое время запаздывания t_г соответственно по формулам


где

P₁(t), P₂(t) - сигналы, принятые в двух точках приема;
T₁, T₂ - предварительно определенные временные интервалы, причем Т₂<T₁<T, где T - период излучения импульсного сигнала;
а искомое расстояние r вычисляют по соотношению

где
C_инв - некоторая инвариантная скорость,
акустический сигнал излучают излучателем на контролирующем объекте направленно под углом скольжения

где

C₁₂ = C₁/C₂;
ρ₁, ρ₂ - - плотность воды и грунта соответственно;
C₁, C₂ - средние по трассе распространения скорость звука в придонном слое воды и скорость продольных волн в придонном слое грунта соответственно, а принимают акустический сигнал на контролируемом объекте гидрофонами, заглубленными в грунт на глубину Z_п ≥ ρ₁₂Z₀, , где Z₀ - возвышение над грунтом излучателя на контролирующем объекте, расстояние вычисляют по инвариантной скорости C_инв = C₁•cosα_п.
Согласно второму варианту изобретения акустический сигнал излучают под углом скольжения

излучателем, возвышение которого над грунтом не превышает длины волн, а принимают акустический сигнал на контролируемом объекте гидрофонами, расположенными непосредственно на грунте, расстояние r вычисляют по инвариантной скорости C_инв = C₁•cosα_п.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных способа решают одну и ту же задачу - уменьшение погрешности и увеличение дальности действия гидроакустических дальномерных систем принципиально одним и тем же путем - излучением акустического сигнала на контролирующем объекте направленно под определенным углом скольжения к плоскости дна и приемом акустического сигнала на контролируемом объекте гидрофонами, заглубленными в грунт или расположенными непосредственно на грунте. Оба способа являются равноценными для решения поставленной задачи и не могут быть объединены.

Заявляемые способы измерения расстояния до контролируемого объекта отличаются от прототипа тем, что при направленном излучении под углом скольжения к плоскости дна

на границе раздела вода - грунт возбуждается подповерхностная волна, амплитуда которой экспоненциально убывает при удалении от границы раздела в сторону жидкой среды и экспоненциально растет при удалении от границы раздела в сторону донного полупространства. Экспоненциальный рост амплитуды подповерхностной волны ограничен слоем толщиной на границе которого амплитуда волны достигает максимального значения, а за его пределами убывает по сферическому закону. В пределах подповерхностного слоя грунта подповерхностная волна распространяется как цилиндрическая волна, амплитуда которой убывает по цилиндрическому закону, т.е. с меньшими потерями на распространение в сравнении со сферической волной.

Скорости распространения подповерхностной волны, фазовая и групповая, равны между собой и равны инвариантной скорости
C_ф = C_г = C₁•cos α_п = C_инв
Скорость подповерхностной волны определяется только скоростью звука в придонном слое воды и придонном слое грунта толщиной порядка длины волны и не зависит от распределения скорости звука по всей толще воды и по всей толще морского дна.

Такие свойства подповерхностной волны как сравнительно малые потери на распространение и стабильность скорости распространения определяют целесообразность ее использования для измерения расстояния в гидроакустике, т.е. при разработке дальномерных гидроакустических устройств с повышенными точностью и дальностью действия.

На основании изложенного можно заключить, что все существенные признаки, характеризующие заявляемые изобретения, имеют причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты заявленных способов измерения расстояния. Благодаря данной совокупности существенных признаков каждого заявленного способа измерения расстояния стало возможным решать поставленную задачу.

Следовательно, заявленные способы измерения расстояния являются новыми и обладают изобретательским уровнем, так как явным образом не следуют из уровня техники.

На чертеже изображена схема возбуждения подповерхностной волны и ее функция поперечного сечения, где ρ₁, C₁ - плотность и скорость звука в морской воде, ρ₂, C₂ - плотность и скорость звука в грунте, Z₀ - возвышение излучателя над грунтом, Z_п - горизонт максимума амплитуды подповерхностной волны, α_п - угол скольжения, соответствующий возбуждению подповерхностной волны, r_п - расстояние от источника, при котором возникает подповерхностная волна, f_Z - профиль вертикального распределения (функция поперечного сечения) подповерхностной волны.

Способы измерения расстояния до контролируемого объекта реализуются следующим образом.

На контролирующем объекте излучатель, находящийся на расстоянии Z₀ от дна, излучает направленно акустический сигнал, причем максимум характеристики направленности должен соответствовать углу

Часть энергии излученного сигнала идет на формирование поля отраженных и прошедших волн, но большая часть идет на возбуждение подповерхностной волны, которая распространяется вдоль поверхности дна, причем максимум амплитуды подповерхностной волны имеет место на расстоянии Z_п = ρ₁₂Z₀ под поверхностью дна, а ее амплитуда убывает с расстоянием по цилиндрическому закону.

На контролируемом объекте сигнал принимается гидрофонами, заглубленными в грунт на расстояние в грунт на расстояние Z_п = ρ₁₂•Z₀ от поверхности дна, чем обеспечиваются наилучшие условия приема.

Поскольку подповерхностная волна локализована в придонном слое толщиной порядка длины волны, ее скорость распространения не зависит от распределения скорости звука по всей глубине водоема и всей толще дна, а инвариантная скорость равна скорости

На основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое время запаздывания t_г и искомое расстояние по формуле

При невозможности заглубления приемных гидрофонов на нужную глубину использование подповерхностной волны может быть достаточно эффективным, если излучатель на контролирующем объекте расположен на расстоянии не более длины волны от грунта, а приемники на контролируемом объекте располагаются непосредственно на грунте.

Способ измерения расстояния до контролируемого объекта, использующий подповерхностную волну, обладает существенно большей дальностью действия по сравнению с известным способом, использующим сферические волны. Численные оценки показывают, что потери на распространение сферической волны частотой f = 10 кГц на расстоянии r = 10 км примерно равны потерям на распространение цилиндрической волны частотой f = 5 кГц на расстоянии r = 100 км. Это означает, что акустическое дальномерное устройство, использующее предлагаемый способ измерения расстояния, будет иметь дальность действия, на порядок превышающую дальность действия аналогичного известного устройства, использующего сферическую волну.

Погрешность предлагаемого способа измерения расстояния соответствует погрешности известных способов, реализованных в свободном пространстве без отражающих поверхностей, и соответственно без дисперсионных искажений, и оценивается величиной: Δ r ≈ 10^-4•r, поскольку при использовании подповерхностной волны отсутствуют многолучевость и дисперсионные искажения. В отличие от известных способов предлагаемый способ позволяет реализовать минимальную погрешность измерения расстояния в акваториях ограниченных размеров с неоднородным распределением скорости звука, т.е. при наличии в реальных условиях дисперсионных и рефракционных искажений сигнала.

Источники информации:
Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. -Л.: Судостроение, 1989, с. 17;
Патент РФ N 2037848, G 01 15/18, 1995.

Muir T.S. The penetration of highly directional acoustic beams into sediments. Sound and Vib., 64 (4), p. 539-551, 1979;
Nicholas P. Chotiros High frequency acoustic bottom penetration: theory and experiment. Proceeding of Ocean's - 89, v. 3, p. 1158 - 1162.

Fraur A. , Boule, N.P. Chotiros. Experimental detection of a slow acoustic wave in sedirnent at shallow grazing angles. J. Acoust. Soc. Am. 91(5), May, 1992.

Касаткин Б. А. Подповерхностные волны в осадочном слое морского дна. Гипотезы и эксперимент. Морские технологии, Вып. 7. - Владивосток; Дальнаука, 1996 г. с. 247 - 259.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем. Достигаемый технический результат - увеличение дальности действия и уменьшение погрешности при измерении расстояний в водоемах ограниченных размеров в условиях наличия отраженных сигналов и сильных дисперсионных искажений. Согласно вариантам способа на контролирующем объекте излучают импульсный акустический сигнал, синхронизированный с началом отсчета времени в точках приема на контролируемом объекте, разнесенных на расстояние l, меньшее длины волны акустического сигнала.На основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое и групповое время запаздывания, а затем вычисляют искомое расстояние, при этом акустический сигнал излучают под углом скольжения, зависящим от плотностей воды и грунта и средних по трассе скорости распространения звука в придонном слое воды и продольных волн в придонном слое грунта, а принимают сигнал в разных вариантах гидрофонами, заглубленными в грунт или расположенными на грунте. Значение расстояния определяют в обоих вариантах по инвариантной скорости. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, принимают акустический сигнал на контролируемом объекте в двух точках приема, разнесенных на расстояние 1, меньшее длины волны излучаемого сигнала, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое t_г время запаздывания соответственно по формулам


где
P₁(t), P₂(t) - сигналы, принятые в двух точках приема;
T₁, T₂ - предварительно определенные временные интервалы,
причем T₂< T₁< T, где Т - период излучения импульсного сигнала, а искомое расстояние r вычисляют по соотношению

где C_инв - некоторая инвариантная скорость,
отличающийся тем, что акустический сигнал излучают излучателем на контролирующем объекте направленно под углом скольжения

где ρ₁₂= ρ₁/ρ₂;
C₁₂ = C₁/C₂;
ρ₁, ρ₂ - плотность воды и грунта соответственно;
C₁, C₂ - средние по трассе распространения скорость звука в придонном слое воды и скорость продольных волн в придонном слое грунта соответственно,
а принимают акустический сигнал на контролируемом объекте гидрофонами, заглубленными в грунт на глубину z ≥ ρ₁₂z₀, где z_o - возвышение над грунтом излучателя на контролируемом объекте, расстояние r вычисляют по инвариантной скорости C_инв= C₁cosα_п.
2. Способ определения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте в двух точках приема, разнесенных на расстояние 1, меньшее длины волны излучаемого сигнала, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое t_г время запаздывания соответственно по формулам


где
P₁(t), P₂(t) - сигналы, принятые в двух точках приема;
T₁, T₂ - предварительно определенные временные интервалы, причем T₂< T₁< T, где T - период излучения импульсного сигнала,
а искомое расстояние r вычисляют по соотношению

где C_инв - некоторая инвариантная скорость,
отличающийся тем, что акустический сигнал излучают на контролирующем объекте направленно под углом скольжения

где ρ₁₂ = ρ₁/ρ₂;
C₁₂ = C₁/C₂;
ρ₁, ρ_2/- плотность воды и грунта соответственно;
C₁, C₂ - средние по трассе распространения скорость звука в придонном слое воды и скорость продольных волн в придонном слое грунта соответственно,
излучателем, возвышение которого над грунтом не превышает длины волны, а принимают акустический сигнал на контролируемом объекте гидрофонами, расположенными непосредственно на грунте, расстояние r вычисляют по инвариантной скорости C_инв= C₁cosα_п.о