СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДКИ АЙСБЕРГА Российский патент 2015 года по МПК G01S15/60 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для обнаружения айсбергов и оценки их характеристик с использованием гидроакустических средств.

Как правило, это необходимо для защиты морских сооружений (в том числе нефтяных и газовых буровых платформ) от ледяных образований (в первую очередь, айсбергов).

Известен акусто-гидростатический способ определения толщины погруженной части льда (или осадки айсберга), суть которого состоит в вычислении разности между глубиной погружения акустической антенны узколучевого эхолота с обращенной вверх антенной, определяемой с помощью преобразователя абсолютного гидростатического давления, и дистанции от антенны до границы раздела вода-лед, определяемой с помощью гидролокатора (А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства», СПб, изд. «ЛЭТИ», 2009 г. С.123-170). Основным недостатком этого способа является то, что он позволяет определить осадку айсберга только при его нахождении непосредственно над антенной.

Известен гидроакустический способ определения толщины молодых льдов, сущность которого заключается в том, что оценка толщины льда достигается с помощью направленного к поверхности моря эхолота, излучающего зондирующие импульсы одновременно на двух частотах высокой и низкой, существенно (на порядок и более) отличающихся друг от друга. Зондирующий импульс с высокочастотной несущей отражается от нижней поверхности льда, а с низкочастотной несущей - от его верхней (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г., стр.129-130). Для реализации гидроакустического способа нижняя частота должна находиться в районе 1 кГц, а высокая в районе 100 кГц. Основным недостатком данного способа является то, что его точность зависит от точности знания средней скорости звука в слое льда, которая может меняться в достаточно широких пределах в зависимости от условий образования льда, его возраста, толщины и времени года. В этой связи целесообразная область применения гидроакустического эхоледомера - измерение толщины молодых льдов, толщина которых не превышает 1,0…1,2 м.

Наиболее близким аналогом, который может быть выбран за прототип, является способ обследования нижней поверхности ледового покрова, приведенный на стр.131-139 в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г., с помощью ГАС бокового и кругового (секторного) обзора, которые дают информацию о форме, размерах и распределении акустических неоднородностей нижней поверхности льда в пределах обследуемой ими площади, в виде двумерного яркостного изображения поверхности, формируемого на устройствах отображения. Интерпретация изображений обследуемых участков нижней поверхности льда базируется на различии коэффициентов обратного рассеяния звуковых волн, отраженных поверхностью разводья, и окружающим его льдом. Недостатком такого способа является малая зона обзора, которая зависит от отстояния антенн гидролокатора от нижней поверхности льда. Эффективная полоса зоны обзора ГБО и ГКО при обследовании ровных, не подвергавшихся торошению льдов составляет 6-7 значений отстояния антенн гидролокатора от нижней поверхности льда. При обследовании паковых льдов значение этой основной характеристики ГАС снижается до 3,0…3,5 значений отстояния вследствие проявления эффекта затенения поверхности элементами рельефа на скользящих углах падения акустического луча. Так, например, при отстоянии антенны ГБО от нижней кромки льда, равном 100 м, эффективная полоса обзора пакового льда не превысит 300…350 м.

Задачей предлагаемого способа является повышение эффективности определения параметров айсберга.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения осадки айсберга в автоматическом режиме.

Для обеспечения заявленного технического результата в известный способ, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени Т_м.изл, прием эхо-сигнала, фильтрацию, детектирование и вывод на индикатор, включены новые признаки, а именно прием эхо-сигнала осуществляют приемной антенной со статическим веером характеристик направленности (ХН) в вертикальной плоскости (ВП), пронумерованных от поверхности ко дну, выбирают порог П₂=а*П₁, где П₁ - порог, определенный по уровню изотропной помехи, а - эмпирический коэффициент, зависящий от эквивалентного радиуса айсберга, определенного по результатам натурных исследований отражательной способности айсбергов различной формы и размера, измеряют длительность превышения Т_прев принятым эхо-сигналом порога П₂ в каждой ХН в ВП, отбирают ХН, в которых выполняется условие Т_прев>Т_изл, где Т_изл - длительность излучаемого сигнала, из отобранных ХН выбирают ХН с максимальным номером и фиксируют момент времени обнаружения эхо-сигнала от айсберга Т_м.а, далее в этой ХН определяют момент времени приема эхо-сигнала от поверхности Т_м.пов как момент превышения амплитуды эхо-сигнала над порогом П₁ при выполнении условия Т_м.пов>Т_м.а, определяют дистанцию до нижней точки отражения от айсберга Д_а=(Т_м.а-Т_м.изл)*С/2, где С - скорость звука в воде, определяют дистанцию до начала отражения от поверхности Д_пов=(Т_м.пов-Т_м.изл)*С/2, определяют угол обнаружения эхо-сигнала от поверхности по формуле cos(β)=h/Д_пов, где h - глубина размещения фазового центра приемной антенны, определяют осадку айсберга по формуле Н_а=(Д_пов-Д_а)*cos(β) и индицируют числовое значение осадки айсберга.

Сущность предлагаемого способа основана на локации пространства гидролокатором, содержащим излучатель, а также приемную антенну, имеющую статический веер узких ХН в ВП.

Информацию об осадке айсберга можно получить по величине зоны акустической тени от айсберга (до начала отражения от поверхности за айсбергом), которая характеризуется длиной зоны отсутствия сигнала после отражения от айсберга, что будет определяться ХН, в которой будет обнаружен эхо-сигнал от айсберга и эхо-сигнал от поверхности с максимальным значением момента времени его прихода.

Размер зоны акустической тени напрямую связан с осадкой айсберга и углом локации. Угол локации можно определить по глубине погружения фазового центра приемной антенны и по измеренной дистанции до поверхности (за зоной акустической тени после айсберга). По длине тени и углу локации можно определить осадку айсберга.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, а на фиг.2 этот способ проиллюстрирован.

Устройство содержит излучающую антенну 1, соединенную через коммутатор 3 приема передачи двусторонней связью с блоком 4 управления и согласования, далее с блоком 5 формирования ХН и зондирующих сигналов, далее с блоком 6 выбора порогов, блоком 7 измерения длительности ответного эхо-сигнала, далее с блоком 8 селекции ХН, блоком 9 определения дистанции, далее с блоком 10 определения угла локации айсберга и блоком 11 определения осадки айсберга и индикации.

Приемная антенна 2 через коммутатор 3 приема передачи соединена со вторым входом блока 4 двусторонней связью и далее с блоком 5 формирования ХН и зондирующих сигналов.

Антенны 1 и 2 являются известными направленными акустическими антеннами. Так же аппаратура приема передачи 3 является известным устройством, используемым в прототипе. Блоки 4-11 могут быть реализованы в едином вычислительном устройстве - спецпроцессоре. Для качественного решения задач обработки гидроакустической информации в современных корабельных гидроакустических средствах (станциях) используются спецпроцессоры на основе ЦВС, обладающие высокой производительностью, функциональной надежностью и малыми габаритами. С использованием специального алгоритмического и программного обеспечения спецпроцессорами могут решаться все задачи формирования и обработки принимаемых гидроакустических сигналов, в том числе для автоматического определения осадки айсберга (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г., стр.281).

Реализацию способа целесообразно рассмотреть на примере работы устройства.

В блоке 5 формируется зондирующий сигнал, который через блок 4 управления и согласования и аппаратуру 3 приема передачи поступает на излучающую антенну 1, которая облучает айсберг. Отраженный эхо-сигнал поступает на приемную антенну 2, далее через аппаратуру 3 приема передачи и блок 4 в блок 5, где формируется статический веер ХН приемной антенны 2.

В блоке 6 выполняется выбора порога П₂=а*П₁, где порог, определяемый по уровню изотропной помехи как среднее значение амплитуд U_c1 всех отсчетов первого цикла обработки всех ХН в ВП, m - количество отсчетов на первом цикле обработки, k - количество ХН в ВП, а - эмпирический коэффициент, зависящий от эквивалентного радиуса айсберга, определенного по результатам натурных исследований отражательной способности айсбергов различной формы и размера. В блоке 7 определяется в каждой ХН в ВП амплитуда отсчета, превысившего порог обнаружения П₂, номер временного отсчета, номер временного цикла обработки и определяется длительность эхо-сигнала Т_прев. как число отсчетов превысивших порог обнаружения П₂, умноженных на длительность Δt между отсчетами.

В блоке 8 выполняется селекция ХН, в которых обнаружен эхо-сигнал от айсберга (амплитуда эхо-сигнала U_c больше порога обнаружения П₂) и длительность эхо-сигнала больше длительности излученного сигнала (Т_прев>Т_изл,). Выбирается ХН в ВП с максимальным порядковым номером.

Далее в блоке 9 определяется момент времени Т_м.а обнаружения принятого эхо-сигнала от айсберга и момент времени обнаружения принятого эхо-сигнала от поверхности Т_м.пов в отобранной ХН. Определяется дистанция до начала отражения от айсберга Д_а (фиг.2) по формуле Д_а=(Т_м.а-Т_м.изл)*С/2 и дистанция до начала отражения от поверхности Д_пов за айсбергом по формуле Д_пов=(Т_м.пов-Т_м.изл)*С/2. После этого в блоке 10 определяется угол локации β (угол обнаружения сигнала отражения от поверхности из выражения cos(β)=h/Д_пов. В блоке 11 вычисляется осадка айсберга Н_а с учетом данных о глубине фазового центра приемной антенны Н_а=(Д_пов-Д_а)*cos(β) и на индикатор выводится числовое значение осадки айсберга Н_а.

Таким образом, обеспечивается автоматическое определение осадки айсберга и повышается точность определения осадки, поскольку оценка осадки айсберга вырабатывается автоматически на основе информации о задержках между зондирующим сигналом, отраженным эхо-сигналом от айсберга и от поверхности за ним, а не оператором на основе анализа двумерного яркостного изображения лоцируемой поверхности, результат которого зависит от квалификации оператора ГБО (ГКО). Это позволяет считать, что технический результат достигнут.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в навигационных приборах (гидроакустических станциях) обнаружения ледяных образований (в том числе айсбергов) и оценки его характеристик. Способ предназначен для автоматического определения осадки айсберга для защиты морских сооружений (в том числе нефтяных и газовых буровых платформ) от ледяных образований (в первую очередь, айсбергов). Для этого айсберг облучают с помощью направленной (в горизонтальной плоскости) гидроакустической антенны и принимают отраженный эхо-сигнал от айсберга с помощью приемной гидроакустической антенны с формированием статического веера узких характеристик направленности в вертикальной плоскости. Порог автоматического обнаружения выбирается по уровню изотропной помехи, как среднее значение амплитуд всех отсчетов первого цикла обработки всех характеристик направленности в вертикальной плоскости (ХН ВП). Определяются в каждой ХН ВП амплитуда отсчета, превысившего порог обнаружения, номер временного отсчета, номер временного цикла обработки. Длительность эхо-сигнала определяется как произведение числа отсчетов, превысивших порог обнаружения, с длительностью между отсчетами. Решение о наличии эхо-сигнала от цели принимается путем сравнения амплитуды эхо-сигнала с порогом обнаружения с одновременной оценкой длительности эхо-сигнала. После этого выбираются временные циклы обработки соседних ХН и выполняется их анализ. Осадка айсберга определяется по размеру зоны акустической тени на поверхности, которая будет определять величину задержки между эхо-сигналом от айсберга и эхо-сигналом от поверхности в одной ХН. Точность определения осадки айсберга будет определяться точностью определения глубины погружения фазового центра приемной антенны и шириной ХН приемной антенны. 2 ил.

Способ определения осадки айсберга, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени T_м.изл, прием эхо-сигнала, фильтрацию, детектирование и индикацию, отличающийся тем, что: прием эхо-сигнала осуществляют приемной антенной со статическим веером характеристик направленности (ХН) в вертикальной плоскости (ВП), пронумерованных от поверхности ко дну, выбирают порог П₂=а*П₁, где П₁ - порог, определенный по уровню изотропной помехи, а - эмпирический коэффициент, зависящий от эквивалентного радиуса айсберга, определенного по результатам натурных исследований отражательной способности айсбергов различной формы и размера, измеряют длительность превышения T_прев принятым эхо-сигналом порога П₂ в каждой ХН в ВП, отбирают ХН, в которых выполняется условие T_прев>T_изл, где T_изл - длительность излучаемого сигнала, из отобранных ХН выбирают ХН с максимальным номером и фиксируют момент времени обнаружения эхо-сигнала от айсберга T_м.а, далее в этой ХН определяют момент времени приема эхо-сигнала от поверхности T_м.пов как момент превышения амплитуды эхосигнала над порогом П₁ при выполнении условия T_м.пов>T_м.а, определяют дистанцию до нижней точки отражения от айсберга Д_а=(T_м.а-T_м.изл)*C/2, где C - скорость звука в воде, определяют дистанцию до начала отражения от поверхности Д_пов=(T_м.пов-T_м.изл)*C/2, определяют угол обнаружения эхо-сигнала от поверхности по формуле cos(β)=h/Д_пов, где h - глубина размещения фазового центра приемной антенны, определяют осадку айсберга по формуле H_а=(Д_пов-Д_а)*cos(β) и индицируют числовое значение осадки айсберга.