СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к области навигации и может использоваться для измерения оптическими методами скорости движения судов, в том числе судов на воздушной подушке и заходящих на посадку гидросамолетов.

Традиционно измерение скорости движения судна осуществляется контактными способами и устройствами: гидродинамическим, гидромеханическим и наиболее распространенным электродинамическим [см. книгу С.И.Штернберга и др. Лаги и автосчислители - Л., 1964 г.]. Как правило, контактные датчики устанавливаются в непосредственной близости от корпуса корабля. Их установка достаточно сложна и может вести к снижению ходовых характеристик судна. На высоких скоростях движения судна датчики подвержены разрушающему действию среды. Кроме того, они вносят возмущения в обтекающий поток, которые необходимо учитывать при интерпретации результатов измерений, что достаточно сложно и не всегда реализуемо на практике.

Известен оптический способ измерения скоростей частиц в потоке [см. а.с. СССР № 901910, МПК G 01 Р 5/18, приор. 10.06.80], заключающийся в направлении светового луча в среду, содержащую рассеивающие объекты, приеме отраженного излучения и преобразовании оптического сигнала в электрический. Способ может быть использован и при определении скорости судна относительно водной среды. Согласно способу в потоке с помощью двух световых лучей создается база измерения и регистрируются двумя фотоприемниками моменты пролета частицами границ этой базы. Одновременно регистрируются интенсивности излучения на входах фотоприемников при наличии и отсутствии частиц в зоне измерения. После этого определяют скорость частиц по формуле , где l - размер базы, t - время пролета частицей базы измерения, j₁ и - интенсивности излучения на входах фотоприемников при отсутствии и наличии частиц соответственно, K₁ и К₂ - коэффициенты пропорциональности, зависящие от вида частиц и их распределения по форме и размерам (устанавливаются при тарировочных испытаниях).

Известно устройство, реализующее этот способ [см. а.с. СССР № 901910, МПК G 01 Р 5/18, приор. 10.06.80], содержащее лазерный источник зондирующего излучения с выходной диафрагмой, систему полупрозрачных и глухих зеркал для разделения светового пучка, схему совпадений и регистрирующее устройство с двумя фотоприемниками.

В данных технических решениях для точного измерения скорости мелких, по сравнению с диаметром лазерного луча, частиц излучение необходимо фокусировать в измерительный объем. Без специальной динамической системы сфокусировать лазерный луч через взволнованную поверхность воды невозможно из-за изменения расстояния между источником излучения и поверхностью, а также варьирования кривизны поверхности. Приемник излучения, регистрирующий рассеиваемые частицами малые световые потоки, должен располагаться в непосредственной близости от рассеивателей света, что ведет к тому, что в данном решении измеряется скорость судна не относительно водной поверхности, а относительно водной среды, возмущенной корпусом судна. Кроме того, описанные способ измерения и устройство для его осуществления обладают значительными погрешностями из-за наличия помех от солнечных бликов и возмущенной водной поверхности; конструктивное решение сложно вследствие необходимости регистрации малых световых потоков и не может быть использовано при движении судна в «чистых» водах, с малой концентрацией рассеивающих частиц.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ локации водной поверхности [см. Зурабян А.З. и Тибилов А.С. Определение статистических характеристик уклонов морской поверхности при помощи оптического локатора. - Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1987 г., т.23, № 2, с.194-199], включающий направление по вертикали на невозмущенную поверхность воды модулированного по интенсивности излучения, прием и симметричную относительно оптической оси угловую фильтрацию отраженного излучения, преобразование оптического сигнала в электрический и определение статистических характеристик водной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является оптический локатор зеркальных площадок [см. Зурабян А.З. и Тибилов А.С. Определение статистических характеристик уклонов морской поверхности при помощи оптического локатора - Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1987 г., т.23, №2, с.194-199], включающий непрерывный лазерный излучатель с модулятором, приемную оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных круглой апертурной диафрагмы, приемного объектива и полевой диафрагмы, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения, частотомер и блок индикации, при этом выход фотоприемного устройства соединен с входом буферного каскада, второй выход формирователя импульсов стандартной амплитуды соединен со вторым входом частотомера.

Этот способ и устройство для его осуществления предназначены для измерения двухточечных плотностей распределения уклонов морской поверхности, по результатам измерений которых можно косвенно судить и о скорости судна. Существенными недостатками данных решений является большая погрешность измерений, связанная с зависимостью времени сканирования площадки лазерным лучом от ее расположения относительно освещенного на поверхности кружка. Кроме того, из-за сложности обработки цикл формирования сигнала одного измерения занимает достаточно длительный промежуток времени.

Технический эффект предложенной группы изобретений «Способ определения скорости движения судна и устройство для его осуществления» заключается в повышении точности и надежности измерения скорости судна и упрощении обработки получаемой информации.

Такой технический эффект достигнут нами, когда:

- в способе определения скорости движения судна, заключающемся в направлении по вертикали на невозмущенную судном поверхность воды модулированного по интенсивности светового излучения, приеме и угловой фильтрации отраженного светового излучения, преобразовании оптического сигнала в электрический и определении статистических характеристик водной поверхности, новым является то, что на невозмущенную судном поверхность направляют пучок излучения с заданным диаметром 2а, выбранным из условия 2а≤λ/2, где λ - длина поверхностной волны,

прием отраженного светового излучения осуществляют в угле поля зрения, позволяющем регистрировать зеркальные площадки поверхностной волны, при приеме осуществляют несимметричную относительно оптической оси угловую фильтрацию отраженного излучения таким образом, что апертурный угол в плоскости, перпендикулярной к направлению движения судна, превышает апертурный угол в плоскости, совпадающей с направлением его движения, измеряют длительность импульсов отраженного излучения, находят среднее значение длительности τ импульсов отраженного излучения и скорость V движения судна определяют по формуле ;

- в устройстве для определения скорости движения судна, содержащем непрерывный лазерный излучатель с модулятором, формирующую пучок оптическую систему, приемную оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных апертурной диафрагмы, приемного объектива и полевой диафрагмы, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения, частотомер и блок индикации, при этом выход фотоприемного устройства соединен со входом буферного каскада, второй выход формирователя импульсов стандартной амплитуды соединен со вторым входом частотомера, новым является то, что приемный объектив выполнен в виде линзы Френеля, диаметр d которой найден из соотношения d≥γZ,

где Z - высота установки приемной оптической системы относительно водной поверхности;

γ - среднеквадратичный уклон поверхности,

апертурная диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы шириной , где X_max - поперечный размер зеркальной площадки на водной поверхности;

r - гауссовский радиус кривизны зеркальной площадки, ориентированной перпендикулярно курсу судна, фотоприемное устройство выполнено в виде фотодиода, детектор выполнен в виде синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом модулятора, который также соединен со вторым входом схемы совпадения.

На чертеже изображено устройство для определения скорости движения судна, реализующее заявленный способ (пример конкретного выполнения), содержащее непрерывный лазерный излучатель с формирующей пучок оптической системой 1, модулятор 2, приемную оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных апертурной щелевой диафрагмы 3, ориентированной перпендикулярно курсу судна, приемного объектива 4, выполненного в виде линзы Френеля, полевой диафрагмы 5 и фотодиода 6, выход которого соединен с буферным каскадом 7, последовательно с которым включены резонансный усилитель 8, синхронный детектор 9, формирователь 10 импульсов стандартной амплитуды, схема 11 совпадения, частотомер 12 и блок 13 индикации. Второй выход формирователя 10 импульсов стандартной амплитуды соединен со вторым входом частотомера 12, а второй вход синхронного детектора 9 соединен с выходом модулятора 2, который в свою очередь соединен со вторым входом схемы 11 совпадения, 14 - водная поверхность;

Z - высота установки устройства относительно водной поверхности 14;

r - гауссовский радиус кривизны зеркальной площадки водной поверхности 14;

2a - диаметр пятна засветки водной поверхности 14 (диаметр лазерного луча);

V - скорость судна;

- направление перемещения судна;

Х - поперечный размер отражающих зеркальных площадок водной поверхности 14, задаваемый апертурной щелевой диафрагмой 3.

Диаметр d линзы Френеля определяют соотношением d≥γZ, где Z - высота установки устройства относительно водной поверхности 14; γ - среднеквадратичный уклон поверхности.

Устройство, реализующее способ определения скорости движения судна, работает следующим образом.

Выбирают взаимное расположение лазерного излучателя с формирующей пучок оптической системой и элементов приемной оптической системы в зависимости от типа и конструкции носителя (судно, гидросамолет и т.д.). Подходы к решению этой задачи известны.

Лазерный излучатель 1 установлен, например, на носу судна и освещает невозмущенную судном водную поверхность модулированным по интенсивности световым лучом (модулятор 2). Благодаря выбору малого диаметра пятна засветки водной поверхности 2a≤λ/2, где λ - длина поверхностной волны, в световой кружок на водной поверхности могут поочередно попадать площадки в районе вершин и впадин поверхностной волны с нормалью, близкой к вертикали, (зеркальные площадки) и таким образом формировать импульсы отраженного излучения.

При попадании лазерного излучения на зеркальную площадку отраженный свет поступает в приемную оптическую систему, осуществляющую с помощью апертурной щелевой диафрагмы 3 его угловую фильтрацию, и регистрируется фотодиодом 6.

Благодаря несимметричной относительно оптической оси угловой фильтрации отраженного излучения на водной поверхности выделяют зеркальную площадку в виде узкого прямоугольника, ориентированного поперек курса судна, и задают его размеры. Поперечный размер Х зеркальной площадки определяют из соотношения . Здесь

r - гауссовский радиус кривизны зеркальной площадки на водной поверхности 14;

b - ширина щелевой диафрагмы 3;

Z - высота установки устройства относительно водной поверхности 14.

Благодаря большому продольному размеру зеркальной площадки применение щелевой диафрагмы позволяет увеличить интенсивность световых импульсов, что ведет к повышению точности измерений.

Известно, что средняя скорость хаотично перемещающихся зеркальных площадок равна нулю. В случае измерения длительности импульса, отраженного от непрерывно изменяющейся поверхности, задавая ширину щелевой диафрагмы b из соотношения , обусловленную выбором апертурного угла приемной оптической системы, можно добиться малости поперечных размеров зеркальных площадок Х_max по сравнению с диаметром 2а лазерного луча (например, Х_max≈0,2a). Это весьма существенно при измерении скорости судна, так как при соблюдении данного условия время сканирования зеркальной площадки лазерным лучом не зависит от ее расположения относительного освещенного на поверхности кружка и средняя длительность отраженного светового импульса τ определяется только скоростью судна V . Контроль выполнения этого условия может быть осуществлен, например, по амплитуде отраженных импульсов, поскольку амплитуда импульсов, отраженных зеркальной площадкой размером, сопоставимым с диаметром лазерного луча, существенно (на ˜50% и более) больше амплитуды импульсов, отраженных малыми, по сравнению с диаметром лазерного луча, зеркальными площадками.

Полевая диафрагма 5, выделяющая в плоскости изображения водной поверхности, формируемой линзой Френеля 4, участок, освещенный лазерным лучом, служит для ослабления помех от солнечных бликов. Полное подавление данной помехи достигается путем выбора частоты модуляции интенсивности лазерного излучения и селективного приема сигнала этой частоты. Подходы к решению этой задачи известны.

Электрический сигнал с фотодиода 6 поступает в буферный каскад 7 и далее по кабелю на вход резонансного усилителя 8 и затем в синхронный детектор 9. Сигнал с модулятора 2, подаваемый на вход опорного канала синхронного детектора 9, служит для выделения огибающей сигнала от отраженного луча.

После усиления и детектирования в синхронном детекторе 9 полученный низкочастотный сигнал поступает в формирователь импульсов 10. Импульсы стандартной амплитуды с формирователя 10, длительности которых зависят от скорости судна, поступают на один из входов схемы совпадения 11, на второй вход этой схемы подается сигнал с модулятора 2. В результате на выходе схемы совпадения 11 формируются импульсы сигнала, заполненные «метками» сигнала модулятора.

Эти импульсы поступают на вход А частотомера 12, а на его вход Б приходят импульсы с формирователя 10. Частотомер 12 работает в режиме деления частот (А/Б). При этом по входу А считаются импульсы «меток» сигнала модулятора 2 в течение времени, пока на вход В не поступит, например, n=100 импульсов (от 100 зарегистрированных зеркальных площадок). Выбор числа импульсов n осуществляют из условия , где δV - требуемая погрешность измерения скорости судна.

В результате на индикаторе частотомера высвечивается величина τ, пропорциональная среднему значению (по 100 импульсам) длительности импульсов сигнала от зеркальных площадок.

Пересчет значения τ в скорость V движения судна производится по формуле , полученный результат высвечивается на электронном табло блока индикации 13.

Пример конкретного исполнения.

Был изготовлен макетный образец заявленного устройства для определения скорости движения научно-исследовательского судна «Гидрооптик» (водоизмещение 1149 т). В качестве источника излучения использован непрерывный He-Ne лазер с расходимостью ˜10^-3 рад. При такой расходимости лазерного излучения диаметр луча медленно меняется с расстоянием, и результаты измерений в достаточно широких пределах практически не зависят от расстояния между поверхностью воды и излучателем. Формирующая система (линза - гибкий световод - линза), установленная на выходной апертуре лазерного излучателя (не указана), обеспечивала диаметр пятна засветки на водной поверхности ˜4 мм, интенсивность лазерного излучения модулировалась по питанию с частотой ˜100 кГц и осуществлялся селективный прием сигнала этой частоты.

Приемная оптическая система с фотодиодом располагалась на высоте Z≈4 м от водной поверхности. В качестве приемного объектива была выбрана линза Френеля диаметром 40 см (размер определен из принятого среднеквадратичного уклона поверхности γ=0,1). Использована полевая диафрагма, выделяющая в плоскости изображения, формируемой линзой Френеля, освещенный лазерным лучом участок водной поверхности диаметром ˜4 мм.

Использование щелевой диафрагмы шириной b˜0,5 см позволило выделить на водной поверхности зеркальную площадку в виде прямоугольника, ориентированного поперек курса судна, и, таким образом, исключить зависимость времени сканирования площадки лазерным лучом от ее расположения относительно освещенного на поверхности кружка. Кроме того, со щелевой диафрагмой возросла на ˜50% амплитуда импульсов сигнала благодаря увеличению продольного размера зеркальной площадки.

Операция усреднения длительностей импульсов сигнала, предшествующая вычислению скорости судна, осуществлялась с помощью частотомера Ч3-36 путем суммирования длительности 100 импульсов с последующим делением ее результата на 100.

В процессе проведения натурных испытаний было установлено, что по результатам измерений прибора можно с достаточно высокой точностью (не хуже 10% в диапазоне изменения скоростей от 3 до 12 узлов) судить о скорости судна.

Таким образом, предложенные способ определения скорости движения судна и устройство для его осуществления позволяют повысить точность и стабильность измерений в условиях реальной эксплуатации. Благодаря неконтактному зондированию невозмущенной корпусом судна водной поверхности и исключению влияния условий и среды проведения измерений обеспечена высокая надежность измерений. Оно имеет высокую помехоустойчивость от солнечных бликов и по своим точностным и функциональным характеристикам может найти широкое применение в области навигации, в том числе для измерения скорости движения судов на воздушной подушке и заходящих на посадку гидросамолетов.

Область применения - навигация, измерение скорости движения судов, в том числе судов на воздушной подушке и заходящих на посадку гидросамолетов. На невозмущенную судном поверхность направляют пучок излучения с заданным диаметром 2а. Прием отраженного светового излучения осуществляют в угле поля зрения, позволяющем регистрировать зеркальные площадки поверхностной волны. При приеме осуществляют угловую фильтрацию отраженного излучения. Находят среднее значение длительности τ импульсов отраженного излучения. Скорость V движения судна определяют по формуле . Устройство для определения скорости движения судна содержит лазерный излучатель с модулятором, оптическую систему, приемную оптическую систему, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения, частотомер и блок индикации. Приемный объектив выполнен в виде линзы Френеля. Апертурная диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы. Фотоприемное устройство выполнено в виде фотодиода. Детектор выполнен в виде синхронного детектора. Технический результат - повышение точности и надежности измерения скорости судна и упрощение обработки получаемой информации. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения скорости движения судна, заключающийся в направлении по вертикали на невозмущенную судном поверхность воды модулированного по интенсивности светового излучения, приеме и угловой фильтрации отраженного светового излучения, преобразовании оптического сигнала в электрический и определении статистических характеристик водной поверхности, отличающийся тем, что на невозмущенную судном поверхность направляют пучок излучения с заданным диаметром 2а, выбранным из условия 2a≤λ/2, где λ - длина поверхностной волны, прием отраженного светового излучения осуществляют в угле поля зрения, позволяющем регистрировать зеркальные площадки поверхностной волны, при приеме осуществляют несимметричную относительно оптической оси угловую фильтрацию отраженного излучения таким образом, что апертурный угол в плоскости, перпендикулярной к направлению движения судна, превышает апертурный угол в плоскости, совпадающей с направлением его движения, измеряют длительность импульсов отраженного излучения, находят среднее значение длительности τ импульсов отраженного излучения и скорость V движения судна определяют по формуле .2. Устройство для определения скорости движения судна, содержащее непрерывный лазерный излучатель с модулятором, формирующую пучок оптическую систему, приемную оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных апертурной диафрагмы, приемного объектива и полевой диафрагмы, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения, частотомер и блок индикации, при этом выход фотоприемного устройства соединен со входом буферного каскада, второй выход формирователя импульсов стандартной амплитуды соединен со вторым входом частотомера, отличающееся тем, что приемный объектив выполнен в виде линзы Френеля, диаметр d которой найден из соотношения d≥γZ, где Z - высота установки приемной оптической системы относительно водной поверхности; γ - среднеквадратичный уклон поверхности, апертурная диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы шириной

,

где Х_max - поперечный размер зеркальной площадки на водной поверхности;

r - гауссовский радиус кривизны зеркальной площадки, ориентированной перпендикулярно курсу судна,

фотоприемное устройство выполнено в виде фотодиода, детектор выполнен в виде синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом модулятора, который также соединен со вторым входом схемы совпадения.