СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2012 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 мелком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Общеизвестен способ измерения расстояния гидроакустическим дальномером, в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в среде между излучателем и приемником связаны соотношением

где C - скорость звука в среде, имеющая смысл групповой скорости, усредненной по трассе распространения, если среда является неоднородной (Милн П.Х. «Гидроакустические системы позиционирования». Л.: Судостроение, 1989 г., с.49-60).

В водоеме типа мелкого моря (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, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения расстояния до контролируемого объекта (Патент РФ №2313803 «Способ измерения расстояния до контролируемого объекта», МПК G01S 15/08, 2006 г.). Указанный способ измерения расстояния использует понятие инвариантной скорости C_ИНВ, которая функционально выражается через фазовую C_ф и групповую C_г скорости распространения акустического сигнала в водоемах типа волновода и для различных лучевых траекторий сохраняет постоянное значение. Для водоемов типа мелкого моря с отрицательным градиентом скорости звука C₁(z) инвариантная скорость определяется соотношением

а фазовая скорость может быть определена через скорость звука в водной среде в придонной области C₁(h) и угол скольжения β лучей в придонной области формулой

С учетом (2)-(3) искомое расстояние выражается через измеряемые параметры соотношением

Суть указанного способа заключается в одновременном измерении скорости звука в воде в придонной области C₁(h), угла скольжения β в точке приема и группового времени t_г запаздывания акустического сигнала, а в качестве инвариантной скорости предложено использовать скорость распространения придонной волны

где , , ρ₁, C₁(h), ρ₂, C₂ - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно.

Данный способ измерения расстояния до контролируемого объекта реализуется следующим образом.

На контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(C_ИНВ/C₁) периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в месте приема на контролируемом объекте, причем возвышение излучателя над грунтом не превышает длины волны акустического излучения в воде λ₁. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние l, причем один из приемников расположен непосредственно на грунте и является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C₁(h)/С₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), причем второй приемник размещают на расстоянии l от грунта, значительно большем длины волны акустического излучения λ₁.

На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле

где T₁, T - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T, Т - период излучения импульсного сигнала, P₁(t) - сигнал на выходе приемника.

На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u_z, u_r определяют угол скольжения в точке приема

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние вычисляют по формулам (4)-(5).

Основной недостаток известного способа заключается в неэффективности возбуждения придонной волны на низких частотах, которые используются для измерения достаточно больших расстояний. Кроме того, скорость придонной волны определяется формулой (5) недостаточно точно и должна корректироваться в соответствии с экспериментальными данными в сторону уменьшения.

В основу изобретения положена задача разработать способ измерения расстояния, обладающий наименьшей погрешностью в условиях нерегулярного волновода типа мелкого моря с помощью акустических средств, наиболее эффективно работающих в придонной области.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения расстояния до контролируемого объекта на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной двухмодульной антенной, модули которой располагаются симметрично относительно поверхности морского дна и возбуждаются противофазно, а сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением

где χ₁ - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство. Излучение акустического сигнала синхронизируют с началом отсчета времени в месте приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, причем один из приемников расположен непосредственно на грунте и является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C₁(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), причем второй приемник размещают на расстоянии l от грунта, значительно большем длины волны акустического излучения λ₁.

На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле (6)

где T₁, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T, Т - период излучения импульсного сигнала, P₁(t) - сигнал на выходе приемника.

На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u_z, u_r определяют угол скольжения в точке приема по формуле (7)

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника,

а искомое расстояние вычисляют с использованием предварительно определенной инвариантной скорости C_ИНВ, измеренной фазовой скорости C_ф и группового времени t_г запаздывания по формуле (4)

C_ф=C₁(h)/cosβ,

в которой инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением

Значение частотного параметра χ₁, соответствующее первой резонансной частоте, предварительно определяется известным способом из расчета корней дисперсионного уравнения, как это сделано в (Б.А.Касаткин, Н.В.Злобина «Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред», М.: Наука, 2009 г., с.142). Так, например, для грунтов песчаного типа этот параметр равен χ₁=2.7.

В заявленном способе измерения расстояния до контролируемого объекта общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал,

- синхронизируют излучение сигнала с началом отсчета времени на контролируемом объекте,

принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние l,

- располагают один из приемников непосредственно на грунте,

- определяют на основе измерений параметров принятых сигналов групповое время запаздывания t_г по формуле

- вычисляют искомое расстояние r с использованием предварительно определенной инвариантной скорости C_ИНВ, измеренной фазовой скорости C_ф и группового времени t_г запаздывания.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- излучают акустический сигнал вертикально ориентированной двухмодульной антенной, модули которой располагают симметрично относительно поверхности морского дна и возбуждают противофазно, а сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением

h=λ₁χ₁/2π,

где χ₁ - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство,

- инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволила существенно повысить эффективность возбуждения придонной волны в береговом клине за счет правильного выбора глубины моря в месте установки излучателя и резонансных свойств самого волновода, повысить отношение сигнал/шум в точке приема и уменьшить погрешность определения расстояния. Кроме того, скорость распространения придонной волны и равная ей инвариантная скорость, определенные уточненной формулой (9), меньше скорости звука в воде вблизи дна на 1.0-2.0% во всем диапазоне изменения параметров морского грунта, а потому лучше соответствуют экспериментальным данным.

На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.

Способ измерения расстояния до контролируемого объекта реализуется следующим образом.

На контролирующем объекте излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной двухмодульной антенной, модули которой располагают симметрично относительно поверхности морского дна и возбуждают противофазно, а сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением

h=λ₁χ₁/2π,

где χ₁ - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство.

Излучение антенны синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. При соответствующем выборе глубины моря в месте установки антенны и длины волны акустического излучения, которое легко реализуется в береговом клине переменной глубины, в волноводе возникает резонанс, значительно (до 30 дБ) увеличивающий уровень возбуждаемой придонной волны, которая распространяется в сторону контролируемого объекта.

На контролируемом объекте сигнал принимается двумя приемниками. В качестве приемника, расположенного непосредственно на грунте, используют векторный приемник, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C₁(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), причем второй приемник размещают на расстоянии l от грунта, значительно большем длины волны (например, на порядок) акустического излучения λ₁.

На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле (6)

где T₁, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T, Т - период излучения импульсного сигнала, P₁(t) - сигнал на выходе приемника.

На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u_z, u_r определяют угол скольжения в точке приема по формуле (7)

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника,

а искомое расстояние вычисляют по формуле (4)

C_ф=C₁(h)/cosβ,

в которой инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением

Использование заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволило существенно увеличить уровень возбуждаемой придонной волны (примерно на 30 дБ) в месте расположения контролирующего объекта и снизить на 1.0-2.0% погрешность измерения расстояния в водоемах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Использование: при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в мелком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала. Сущность: на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной двухмодульной антенной, модули которой располагают симметрично относительно поверхности морского дна и возбуждают противофазно. Антенна устанавливается на дно моря. Излучение акустического сигнала синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками. Один из приемников расположен непосредственно на грунте и в его качестве используют векторный приемник, на выходе которого измеряют вертикальную и горизонтальную компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления. По измеренным параметрам, с учетом предварительно измеренных плотности и скорости звука в придонном слое воды, а также плотности и скорости продольных волн в грунте и предварительно определенном значении частотного параметра, определяют расстояние до контролируемого объекта. Технический результат: уменьшение погрешности измерений.

Способ измерения 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 двумя приемниками, разнесенными на расстояние l, значительно большее длины волны акустического излучения λ₁, причем один из приемников, расположенный непосредственно на грунте, является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C₁(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле

где T₁, T - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T, Т - период излучения импульсного сигнала; P₁(t) - сигнал на выходе приемника звукового давления, на основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u_z, u_r определяют угол скольжения в точке приема


- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние вычисляют с использованием предварительно определенной инвариантной скорости С_инв, измеренной фазовой скорости С_ф и группового времени t_г запаздывания по формуле
C_ф=C₁(h)/cosβ,
отличающийся тем, что излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной двухмодульной антенной, модули которой располагают симметрично относительно поверхности морского дна и возбуждают противофазно, сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением
h=λ₁χ₁/2π,
где χ₁ - предварительно определенное значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство, а инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, c₁₂=C₁(h)/C₂, ρ₁, C₁(h), ρ₂, C₂ - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно.