СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПОДО ЛЬДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК G01S13/95 

Предлагаемое техническое решение относится к способам и устройствам для определения толщины льда в интересах естественных наук, организации ледовых автомобильных трасс и переправ, рыболовства со льда и проведения спасательных работ.

Известен способ измерения толщины льда, реализованный в приборе [1], заключающийся в том, что как только лед начнет выдерживать тяжесть человека, во льду вырубается прорубь в форме буквы Г. Часть проруби, соответствующая горизонтальной черте буквы Г, делается шириной 25 см и длиной 120 см. Через нее в воду погружается рама и труба. Другая часть проруби, соответствующая вертикальной черте буквы Г, делается шириной 6-8 см и длиной 110 см и в ней устанавливают прибор. Прибор ставят, опирая его на края проруби фланцем. Трубе придают совершенно вертикальное положение. В трубу наливают керосин для предотвращения замерзания воды в трубе. Через эту трубу опускают измерительные инструменты и по ним делают замеры толщины льда.

Недостатком этого способа является необходимость предварительной установки прибора на уже замерзший лед безопасной толщины, что надо как-то определить, и невозможность оперативного измерения толщины льда в произвольной точке водоема и при движении транспортного средства или человека в режиме реального времени.

Также известен способ измерения толщины льда [2], предполагающий установку в водоем перед льдообразованием с возможностью плавания полого, герметичного, эластичного элемента, а в период льдообразования измерение давления в полости элемента и по изменению давления с помощью тарировочного графика определение толщины льда.

Этот способ не позволяет производить замеры толщины льда неконтактным способом в произвольной точке водоема при движении транспортного средства или человека в режиме реального времени и не обладает достаточной точностью измерения.

Так же известен способ [3], предназначенный для проведения измерений с метеорологического искусственного спутника земли, заключающийся в том, что по приведенным математическим формулам вычисляется априорно множество эталонов нелинейных коэффициентов подобия между рельефом истинной толщины льда и рельефом температурного поля ледяного покрова. Затем коэффициенты подобия определяются по данным анализируемого инфракрасного изображения, где выбираются тестовые участки, температура поверхности которых соответствует участкам воды при температуре замерзания и участкам «толстого» (толщина >120 см) заснеженного льда. При одинаковых гидрометеорологических условиях из множества эталонных значений для данных на время приема изображения выбираются коэффициенты подобия, равные рассчитанным, и определяются температурные интервалы, соответствующие выбранным дискретным интервалам толщины льда. На изображении ледяного покрова участки с заданными интервалами толщины льда выделяются с помощью палитры цветов. В качестве тестовых участков на ИК изображении, соответствующих поверхностной температуре или яркости пикселей «толстого» заснеженного льда, выбирают участки изображения земной заснеженной поверхности, расположенной вблизи исследуемого ледяного покрова.

Недостатками способа являются необходимость использования тестовых участков, невозможность оперативного автоматического получения результатов измерения и отсутствие возможности контроля толщины льда в локальных точках, расположенных по трассе движения автомобиля или человека.

Аналогом заявляемому является способ измерения толщины льда, реализованный в приборе [4], основанный на принципе георадара, когда производится излучение коротких импульсов в направлении льда, определении разницы задержек импульсов, отраженных от границы воздух-лед и соответственно лед-вода и вычислении по этой задержке толщины льда.

Недостаток этого способа заключается в том, что зондирующие импульсы относятся к сверхширокополосным, следовательно, на погрешность измерения оказывает существенное влияние дисперсия электромагнитных волн в толще льда. Кроме того, отсутствует возможность определения характера подстилающей среды подо льдом, что очень важно для определения опасных для человека ситуаций, например, крупных воздушных полостей или наличия висящего льда.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков (прототипом на способ) является способ измерения толщины льда радиоледомером, который выполнен на основе радиодальномера с частотной модуляцией зондирующих волн [5], включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией по линейному закону в заданном диапазоне с известными значениями центральной частоты, диапазона частотной модуляции и начальными значениями периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, формирование и излучение радиоволн в направлении нормали к поверхности льда, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о расстояниях до обеих поверхностей льда, его толщины и свойствах подстилающей поверхности, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление частот и амплитуд пиков спектра по цифровым отсчетам СРЧ с помощью последовательного использования быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами, при минимизации отличия между ними методом нелинейных наименьших квадратов (МННК) [6]. Опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков квадратурных слагаемых гармонического сигнала с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции, числа дискретных отсчетов частоты и вычисленными частотами и амплитудами пиков спектра при использовании БПФ. Затем варьируют амплитуду, частоту и фазу опорного СРЧ до минимума разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при минимуме этой разницы частоту опорного СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины. При этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполняют с использованием МННК с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ. Затем вычисляют расстояние до поверхности и толщину льда по известным значениям периода модуляции, скорости распространения радиоволн, диапазону частотной модуляции и вычисленным частотам пиков спектра СРЧ, вычисляют отношение амплитуд гармонических слагаемых СРЧ, соответствующих отражению от нижней и верхней поверхностей льда, и вычисляют два граничных значения отношения амплитуд, определяют свойства подстилающей среды подо льдом путем сравнения вычисленного отношения амплитуд гармоник с указанными граничными значениями и формируют сигнал тревоги, если толщина льда меньше заданной безопасной толщины или если подо льдом находится воздух.

Цитированный способ может быть реализован устройством (наиболее близким к заявляемому устройству, по совокупности существенных признаков - прототип на устройство) [7], содержащим управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами, первый и второй последовательно соединенные направленные ответвители, вход первого из которых соединен с первым выходом УГРС, антенно-волноводное устройство, вход которого соединен с первым выходом второго направленного ответвителя, смеситель с двумя входами, соединенными с соответствующими выходами вторичных линий направленных ответвителей, и одним выходом, соединенным с последовательно соединенными двумя фильтрами, первый из которых является дифференцирующим, а второй является фильтром нижних частот, схемой предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с двумя входами и одним выходом, схему цифровой обработки сигналов (СЦОС), первый вход которой соединен с выходом АЦП, один выход является информационным выходом устройства, а второй соединен со вторым входом АЦП, синтезатор частоты с одним выходом, соединенным с входом управляемого генератора радиочастотного сигнала УГРС, и двумя входами, первый их которых соединен с третьим выходом СЦОС, а второй соединен со вторым выходом управляемого генератора радиочастотного сигнала УГРС

Недостатки цитированных способа и устройства следующие:

- Для вычисления частот и амплитуд пиков спектра необходимо использовать какой-либо из методов высокого разрешения [8]. В данном случае используется МННК. Все методы высокого разрешения требуют для своей реализации выполнения большого количества вычислений. Невозможно выполнить эти вычисления в реальном масштабе времени, что очень важно для оперативного измерения толщины льда при движении по льду техники или человека.

- Невозможно определить ситуацию, когда на льду находится вода и измерение невозможно, или когда устройство для измерения расположено над грунтом без слоя льда.

- Входные сигналы, отраженные от верхней и нижней поверхностей льда, имеют большой мгновенный динамический диапазон, в результате чего снижается разрешающая способность, точность измерения и практически невозможно выполнить указанные в способе преобразования сигнала без его искажений, приводящих к полной неработоспособности цитируемых способа и устройства.

- На различных водоемах электрофизические свойства льда различные, что также не позволяет достоверно определять, какая среда находится подо льдом.

Технический результат изобретения - снижение искажений входных сигналов, снижение величины мгновенного динамического диапазона сигнала, уменьшение погрешности измерения толщины льда, обнаружения наличия воды на льду и увеличение достоверности определения свойств среды подо льдом при одновременном уменьшении времени определения толщины льда и увеличении допустимой скорости перемещения по его поверхности.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, включающем генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией по линейному закону с известными значениями центральной частоты, диапазона частотной модуляции, периода модуляции и начальным значением числа дискретных отсчетов частоты, формирование и излучение радиоволн в направлении нормали к поверхности льда, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о расстояниях до обеих поверхностей льда, его толщины и свойствах подстилающей среды подо льдом, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление частот и амплитуд пиков спектра по цифровым отсчетам СРЧ с помощью последовательного использования быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами при минимизации отличия между ними методом высокого спектрального разрешения, вычисление расстояния до поверхности и толщины льда по значениям частот пиков спектра СРЧ, периода модуляции, скорости распространения радиоволн и диапазона перестройки частоты, вычисление соотношения амплитуд гармонических слагаемых СРЧ с учетом измеренной толщины льда, вычисление двух граничных значений соотношения амплитуд и определение свойств подстилающей среды подо льдом путем сравнения указанного соотношения амплитуд с этими граничными значениями, с соблюдением указанных ниже условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий: формируют эталонный сигнал, используя эхо-волны, отраженные эталонным отражателем, размещенном на электродинамическом расстоянии, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения, причем минимальное расстояние между раскрывом антенны и верхней поверхностью льда не менее четырех элементов разрешения, выполняют предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом и записывают в память калибровочные параметры, включающие отношение амплитуд пиков спектра, соответствующих эхо-волнам, отраженным эталонным отражателем и верхней поверхностью льда, коэффициент затухания электромагнитных волн в слое льда, параметры управляющего воздействия на функцию преобразования СРЧ в устройстве для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом, фазы спектра на частотах максимумов, соответствующих отраженным сигналам от верхней и нижней поверхности льда и используют их при измерениях, в которых выделяют эталонный СРЧ и используют его при определении наличия воды на поверхности льда, причем при проведении измерений число дискретных отсчетов частоты и СРЧ дискретно уменьшают пропорционально измеренной толщине льда при сохранении неизменным диапазона частотной модуляции и периода частотной модуляции, при уменьшенном числе дискретных отсчетов частоты выполняют новый и последующие циклы измерений, а при превышении толщиной льда заранее заданного значения выполняют измерения с начальными значениями числа дискретных отсчетов частоты.

Целесообразно в качестве эталонного отражателя использовать отрезок фидера в режиме стоячих волн, имеющего электродинамическую длину не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения.

Предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом необходимо выполнять при неподвижном начальном положении носителя измерительного устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора функции преобразования СРЧ в устройстве до выравнивания амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда.

Возможно предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом выполнять при неподвижном начальном положении носителя измерительного устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда до выравнивания произведения амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда на величину, обратную затуханию электромагнитных волн в слое льда.

Наличие воды на поверхности льда определяют по соотношению амплитуд пиков спектра, соответствующих эхо-волнам, отраженным эталонным отражателем и верхней поверхностью льда, с учетом записанных калибровочных параметров.

Первоначальное измерение расстояния до поверхности льда и его толщины выполняют методом сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами.

Целесообразно генерировать опорный СРЧ в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты и минимизировать разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ использовать для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполнять с использованием метода Eigen Vector (EV) [8] с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

Возможно генерировать опорный СРЧ в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты и минимизировать разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ использовать для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполнять с использованием метода Прони [8] с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

Также возможно генерировать опорный СРЧ в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты и минимизировать разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ использовать для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполнять с использованием метода MUSIC [8] с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

Желательно генерировать опорный СРЧ в виде цифровых отсчетов отрезков квадратурных слагаемых гармонического сигнала, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты и минимизировать разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ использовать для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ предпочтительно выполнять с использованием МННК с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

В каждом цикле измерений сравнивают вычисленное на предыдущем цикле измерений значение толщины льда с заранее заданным пороговым значением и при толщине льда, меньшей этого значения, выполняют аналого-цифровое преобразование СРЧ при уменьшенном на заданную величину значении числа отсчетов частоты и СРЧ, а расстояние до поверхности льда, его толщину и свойства подстилающей среды подо льдом определяют с использованием метода сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами и минимизации разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ.

В каждом цикле измерений сравнивают вычисленное на предыдущем цикле измерений значение толщины льда с заранее заданным пороговым значением и при достижении или превышении толщиной льда этого значения выполняют аналого-цифровое преобразование СРЧ при начальном значении числа отсчетов частоты и СРЧ, а расстояние до поверхности льда, его толщину и свойства подстилающей среды подо льдом определяют с последовательным использованием быстрого преобразования Фурье и непрерывно-дискретного преобразования Фурье.

Наличие воздуха под слоем льда определяют по одновременному уменьшению отношения амплитуды отраженных сигналов от нижней поверхности льда к амплитуде отраженных сигналов от верхней поверхности льда в 1,2-2,4 раза и изменению фазы спектра на частоте его максимума, соответствующей отраженному сигналу от нижней поверхности льда, по меньшей мере, на 120 градусов

Технический результат достигается также тем, что в первом варианте в устройство для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, содержащее управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами, первый и второй последовательно соединенные направленные ответвители (ПНО и ВНО) вход первого из которых соединен с первым выходом УГРС, антенно-волноводное устройство (АВУ), вход которого соединен с первым выходом второго направленного ответвителя ВНО, смеситель (См) с двумя входами и одним выходом, соединенным с последовательно соединенными двумя фильтрами, второй из которых является фильтром нижних частот (ФНЧ), схемой предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с двумя входами и одним выходом, схему цифровой обработки сигналов (СЦОС), вход которой соединен с выходом АЦП, первый выход является информационным выходом устройства, а второй выход соединен со вторым входом АЦП, синтезатор частоты (СЧ) с одним выходом, соединенным с входом УГРС, и двумя входами, первый их которых соединен с третьим выходом СЦОС, а второй соединен со вторым выходом УГРС, дополнительно введены следующие элементы и связи. Второй выход ВНО соединен с дополнительно введенным отрезком фидера (ОФ) с электродинамической длиной, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения, а первый и второй входы См соединены, соответственно, со вторым и третьим выходами ПНО, при этом первый фильтр является управляемым фильтром (УФ) с возможностью изменения добротности и с дополнительным входом, соединенным с выходом дополнительно введенного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), вход которого соединен с четвертым выходом СЦОС.

Предпочтительно ПНО выполнить на связанных линиях, первичная линия которого своим входом соединена с выходом УГРС, выходом соединена с первым входом См, а вторичная линия первым выходом соединена с входом первичной линии ВНО, а вторым выходом соединена со вторым входом См, при этом ВНО предпочтительно выполнить шлейфным, у которого выход его первичной линии соединен с АВУ, первый выход вторичной линии соединен с ОФ, а второй выход вторичной линии соединен с согласованной нагрузкой.

Целесообразно УФ выполнить в виде параллельного колебательного контура, подключенного параллельно выходу смесителя, и шунтированного управляемым резистором, вход управления которого соединен с выходом ЦАП.

Резонансная частота УФ F_рез должна быть связанной с максимальной измеряемой толщиной льда, расстоянием, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты, соотношением

,

где - F_рез - резонансная частота фильтра,

ΔF - диапазон частотной модуляции;

Н - высота подвеса антенны надо льдом,

H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда,

L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта,

с - скорость света,

ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда,

Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF.

Добротность УФ выбирается СЦОС в диапазоне Q=(1,7÷5), в зависимости от коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда.

Можно УФ выполнить в виде операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого через первый резистор и первый конденсатор соединен с входом УФ, выход ОУ, являющийся выходом УФ, через второй конденсатор соединен с его инвертирующим входом, вторым резистором подключен к точке соединения первого резистора и первого конденсатора, и третьим резистором подключен к его не инвертирующему входу, причем точка соединения первого резистора и первого конденсатора через третий конденсатор подключена к общей шине, неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной двумя параллельными ветвями, в первой из которых включен четвертый резистор, а во второй включены последовательно соединенные пятый резистор и управляемый резистор, выполненный, например, в виде полевого транзистора, истоком соединенного с общей шиной, а стоком соединенного с пятым резистором, при этом затвор полевого транзистора является входом управления УФ, соединенным с выходом ЦАП, причем резонансная частота управляемого фильтра УФ F_рез связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты, соотношением

,

где - F_рез - резонансная частота фильтра;

ΔF - диапазон частотной модуляции;

Н - высота подвеса антенны надо льдом,

H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;

L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;

с - скорость света;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;

Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;

а добротность УФ выбирается СЦОС в диапазоне Q=(1,7÷5), в зависимости от коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда.

Технический результат достигается также тем, что во втором варианте в устройство для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, содержащее управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами, первый и второй последовательно соединенные направленные ответвители (ПНО и ВНО), вход первого из которых соединен с первым выходом УГРС, антенно-волноводное устройство (АВУ), вход которого соединен с первым выходом ВНО, смеситель (См) с двумя входами и одним выходом, соединенным с последовательно соединенными двумя фильтрами, второй из которых является фильтром нижних частот (ФНЧ), схемой предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с двумя входами и одним выходом, схему цифровой обработки сигналов (СЦОС), первый вход которой соединен с выходом АЦП, первый выход является информационным выходом устройства, а второй соединен со вторым входом АЦП, синтезатор частоты (СЧ) с одним выходом, соединенным с входом УГРС, и двумя входами, первый их которых соединен с третьим выходом в СЦОС, а второй соединен со вторым выходом УГРС, дополнительно введены следующие элементы, связи и изменены параметры элементов. Второй выход ВНО соединен с дополнительно введенным отрезком фидера (ОФ) с электродинамической длиной, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения, а первый и второй входы См соединены, соответственно, со вторым и третьим выходами ПНО, при этом первый фильтр выполнен полосовым фильтром (ПФ).

Предпочтительно ПНО выполнить на связанных линиях, первичная линия которого своим входом соединена с выходом УГРС, выходом соединена с первым входом См, а вторичная линия первым выходом соединена с входом первичной линии ВНО, а вторым выходом соединена со вторым входом См, при этом второй направленный ответвитель ВНО предпочтительно выполнить шлейфным, у которого выход его первичной линии соединен с АВУ, первый выход вторичной линии соединен с ОФ, а второй выход вторичной линии соединен с согласованной нагрузкой.

Целесообразно ПФ в виде параллельного колебательного контура, подключенного параллельно выходу смесителя и шунтированного резистором.

Резонансная частота F_рез ПФ должна быть связана с максимальной измеряемой толщиной льда, расстоянием, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты, соотношением

,

где - F_рез - резонансная частота фильтра;

ΔF - диапазон частотной модуляции;

Н - высота подвеса антенны надо льдом,

H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;

L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;

с - скорость света;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;

Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF.

Добротность ПФ выбирается в пределах Q=(1,8÷2).

Можно ПФ выполнить в виде операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого через первый резистор и первый конденсатор соединен с входом УФ, выход ОУ, являющийся выходом УФ, через второй конденсатор соединен с его инвертирующим входом, вторым резистором подключен к точке соединения первого резистора и первого конденсатора, и третьим резистором подключен к его неинвертирующему входу, причем точка соединения первого резистора и первого конденсатора через третий конденсатор подключена к общей шине, неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной через четвертый резистор, при этом резонансная частота ПФ F_рез связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты соотношением

,

где - F_рез - резонансная частота фильтра;

ΔF - диапазон частотной модуляции;

Н - высота подвеса антенны надо льдом,

H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;

L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;

с - скорость света;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;

T - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;

а добротность ПФ выбирается в пределах Q=(1,8÷2).

Оба варианта устройства относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивают получение одного и того же технического результата.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипов способа и устройства позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемых объектах, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть, что известны ряд способов измерения уровня [9, 10], с использованием эталонного сигнала, формируемого в эталонном фидере, для повышения точности измерения частоты и, соответственно, расстояния. Такие технические решения предназначены для уточнения величины диапазона модуляции, поэтому длина эталонного фидера должна быть по возможности большой и скорость распространения электромагнитной волны в фидере должна обладать высокой температурной и временной стабильностью. В заявленном способе эталонный сигнал формируется для получения пика спектра, разрешаемого по частоте с сигналом от верхней поверхности льда и с сигналами отраженными от неоднородностей антенно-волноводного тракта при минимальной высоте подвеса прибора над поверхностью льда. При этом не предъявляются высокие требования к стабильности такой важной характеристики, как скорость распространения электромагнитной волны в фидере. Но в заявленном способе и устройстве отличия в параметрах эталонного сигнала и действиях с ним приводят к появлению качественно нового свойства заявленного способа - возможности определения воды на поверхности льда и формирования предупреждающего сигнала о невозможности проведения измерений.

Сопоставление других признаков известных и предлагаемого способов и устройства для анализа изобретательского уровня показывает существенное различие используемых устройств, их связей, условий, режимов осуществления действий над электрическими сигналами (как континуальными, так и в виде цифровых отсчетов), которые характеризуются амплитудой, частотой и фазой.

Широко известно, что когда частоты сигналов близки, для их разрешения используются методы высокого спектрального разрешения. В заявленном способе метод высокого спектрального разрешения, требующий очень большого объема вычислений, используется с исходным числом отсчетов частоты и СРЧ только один раз, при первом измерении, для первоначального определения толщины льда, когда еще нет движения человека или транспортного средства по льду, и не требуется высокая скорость проведения измерений, а в дальнейших циклах измерения он используется только на тонком льду. В этом случае, для уменьшения объема и времени вычислений уменьшают число отсчетов частоты и СРЧ. Соответственно уменьшается время проведения измерений. При большой толщине льда и, соответственно, большом числе отсчетов частоты и СРЧ последовательно используют БПФ и непрерывно-дискретное преобразование Фурье, что также позволяет существенно ускорить все вычисления;

Использование в измерительном устройстве фильтра с заданной и регулируемой частотной характеристикой позволяет уменьшить мгновенный динамический диапазон обрабатываемых сигналов и предотвратить потерю информации о толщине льда вследствие искажения сигнала.

Проведение предварительной калибровки устройства позволяет учесть различия в коэффициентах затухания электромагнитных волн в различных водоемах и использовать одновременное уменьшение отношения амплитуды отраженных сигналов от нижней поверхности льда к амплитуде отраженных сигналов от верхней поверхности льда в 1,2-2,4 раза и изменение фазы спектра на частоте его максимума, соответствующей отраженному сигналу от нижней поверхности льда, по меньшей мере, на 120 градусов для более достоверного контроля наличия воздуха под слоем льда

Эти отличия приводят к появлению еще нескольких качественно новых свойств заявленного способа и устройства - возможности уменьшения погрешности измерения толщины льда, увеличение достоверности определения свойств среды подо льдом, при одновременном уменьшении времени определения толщины льда и увеличении допустимой скорости перемещения по льду.

Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - "Изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью устройства, схематично изображенного на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6, и графиков, изображенных на фиг.7 и фиг.8.

На фиг.7 приведены амплитудно-частотные характеристики управляемого фильтра для различных коэффициентов затухания электромагнитных волн в слое льда.

На фиг.8 приведена экспериментально полученная зависимость погрешности измерения от толщины льда.

Сущность способа состоит в том, что для достоверного определения свойств подстилающей среды подо льдом необходимо определить модуль и фазу электромагнитных волн, отраженных от нижней поверхности льда. Однако и амплитуда, и фаза электромагнитных волн при распространении в среде с дисперсией изменяются. Причем эти изменения зависят от электрофизических параметров льда и его толщины, которые различны в разных водоемах и в разное время. В предлагаемом способе и устройстве выполняется адаптивный учет электрофизических параметров льда во время калибровки, после которой определение свойств подстилающей среды подо льдом на конкретном водоеме становится достоверным. Вторым важным свойством способа и устройства является скорость определения измеряемой толщины слоя льда, которая значительно увеличена за счет адаптации числа отсчетов частоты и СРЧ и метода его обработки к измеряемой толщине льда.

Первый вариант устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, (фиг.1) содержит: управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 1 с одним входом и двумя выходами; первый направленный ответвитель (ПНО) 2; второй направленный ответвитель (ВНО) 3; антенно-волноводное устройство (АВУ) 4; смеситель (См) 5 с двумя входами и одним выходом; управляемый фильтр (УФ) 6; фильтр нижних частот (ФНЧ) 7; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 8; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 с двумя входами и одним выходом; схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 10 с одним входом и четырьмя выходами; синтезатор частоты (СЧ) 11 с одним выходом и двумя входами; отрезок фидера (ОФ) 12; цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 13.

Первый выход СЦОС 10 является информационным выходом устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом.

ПНО 2 и ВНО 3 соединены последовательно. Вход ПНО 2 соединен с первым выходом УГРС 1, первый выход ВНО 3 соединен с АВУ 4, а его второй выход соединен с ОФ 12. Два выхода ПНО 2 соединены, соответственно, с двумя входами См 5, выход которого соединен с последовательно соединенными УФ 6, ФНЧ 7, СПАО 8 и АЦП 9. Второй вход АЦП 9 соединен с третьим выходом СЦОС 10, а вход СЦОС 10 соединен с выходом АЦП 9. Второй выход СЦОС 10 соединен с первым входом СЧ 11, второй вход которого соединен со вторым выходом УГРС 1, а выход СЧ 11 соединен с входом УГРС 1. Вход управления УФ 6 соединен с выходом ЦАП 13, а вход ЦАП 13 соединен с четвертым выходом СЦОС 10.

СЦОС 10 может быть выполнена стандартной, содержащей генератор импульсов синхронизации и цифровой процессор, включающий устройство памяти и арифметическое устройство.

Целесообразно СПАО 8 выполнить с аналоговой схемой автоматической регулировки усиления.

УФ 6 выполнен в виде параллельного колебательного контура подключенного параллельно выходу смесителя 5 и шунтированного управляемым резистором, вход управления которого соединен с выходом ЦАП 13. На фиг.2 приведена электрическая схема УФ. УФ содержит параллельный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L1 и конденсатора С1, зашунтированного параллельно соединенными постоянным резистором R1 и управляемым резистором. Управляемый резистор можно выполнить в виде полевого транзистора VT1, истоком и через разделительный конденсатор С2 стоком, подключенным параллельно колебательному контуру. Затвор полевого транзистора подключается к выходу ЦАП 13.

Можно УФ выполнить в виде операционного усилителя (ОУ) с регулируемой цепью обратной связи. Электрическая схема УФ 6 на базе ОУ приведена на фиг.3. УФ 6 содержит ОУ Da1, инвертирующий вход которого через резистор R1 и конденсатор С1 соединен с входом УФ 6. Выход ОУ Da1, являющийся выходом УФ 6, через конденсатор С2 соединен с его инвертирующим входом, резистором R2 подключен к точке соединения резистора R1 и конденсатора С1 и резистором R3 подключен к его неинвертирующему входу. Точка соединения резистора R1 и конденсатора С1 через конденсатор С3 подключена к общей шине. Неинвертирующий вход ОУ Da1 соединен с общей шиной двумя параллельными ветвями. В первую ветвь включен резистор R4, а во вторую включены последовательно соединенные резистор R5 и управляемый резистор. Управляемый резистор можно выполнить в виде полевого транзистора VT1, истоком соединенным с общей шиной, а стоком соединенным с резистором R5. Затвор полевого транзистора является управляющим входом УФ 6, подключенным к выходу ЦАП 13.

Оба фильтра имеют одинаковые характеристики.

ПНО 2 выполнен на связанных линиях, первичная линия которого своим входом соединена с выходом УГРС 1, выходом соединена с первым входом СМ 5, а вторичная линия первым выходом соединена с входом первичной линии ВНО 3, а вторым выходом соединена со вторым входом СМ 5. ВНО 3 выполнен шлейфным, выход его первичной линии соединен с АВУ 4, первый выход вторичной линии соединен с ОФ 12, а второй выход вторичной линии соединен с согласованной нагрузкой.

Второй вариант устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, (фиг.4) содержит: управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 14 с одним входом и двумя выходами; первый направленный ответвитель (ПНО) 15; второй направленный ответвитель (ВНО) 16; антенно-волноводное устройство (АВУ) 17; смеситель (См) 18 с двумя входами и одним выходом; полосовой фильтр (ПФ) 19; фильтр нижних частот (ФНЧ) 20; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 21; аналого-цифровой преобразователь (АЦП 22) с двумя входами и одним выходом; схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 23 с одним входом и тремя выходами; синтезатор частоты (СЧ) 24 с одним выходом и двумя входами; отрезок фидера (ОФ) 25.

Первый выход СЦОС 23 является информационным выходом устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом.

ПВО 15 и ВНО 16 соединены последовательно. Вход ПНО 15 соединен с первым выходом УГРС 14, первый выход ВНО 16 соединен с АВУ 17, а второй выход соединен с ОФ 25. Два выхода ПНО 15 соединены соответственно, с двумя входами См 18, выход которого соединен с последовательно соединенными ПФ 19, ФНЧ 20, СПАО 21 и АЦП 22. Второй вход АЦП 22 соединен с третьим выходом СЦОС 23, а вход СЦОС 23 соединен с выходом АЦП 22. Второй выход СЦОС 23 соединен с первым входом СЧ 24, второй вход которого соединен со вторым выходом УГРС 14, а выход СЧ 24 соединен с входом УГРС 14.

ПФ 19 выполнен в виде параллельного колебательного контура (фиг.5), подключенного параллельно выходу смесителя 18 и шунтированного постоянным резистором R1. Можно ПФ 19 выполнить в виде операционного усилителя (ОУ) с нерегулируемой цепью обратной связи. Электрическая схема ПФ 19 на базе ОУ приведена на фиг.6. ПФ 9 содержит ОУ Da1, инвертирующий вход которого через резистор R1 и конденсатор С1 соединен с входом ПФ 19. Выход ОУ Da1, являющийся выходом ПФ 19, через конденсатор С2 соединен с его инвертирующим входом, резистором R2 подключен к точке соединения резистора R1 и конденсатора С1 и резистором R3 подключен к его не инвертирующему входу. Точка соединения резистора R1 и конденсатора С1 через конденсатор СЗ подключена к общей шине. Неинвертирующий вход ОУ Da1 соединен с общей шиной резистором R4.

Направленные ответвители по выполнению совпадают с первым вариантом устройства.

Практическая реализация обоих вариантов устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами «ANALOG DEVICES», «MOTOROLA», «MICRONETICS», «PEREGRINE» и др.

С помощью устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом, способ измерения толщины льда и определение свойств подстилающей поверхности подо льдом осуществляют следующим образом.

Устройство для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом фиксируют на носителе так, чтобы ось диаграммы направленности антенны была ориентирована, по возможности, по нормали к поверхности льда.

Генерируемый радиочастотный сигнал с периодической частотной модуляцией по линейному закону с известным периодом Т_мод и интервалом Т линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF, в виде последовательности радиочастотных сигналов, N известных дискретных частот в которой эквидистантно распределены по диапазону частот модуляции ΔF с шагом ΔF_дискр=ΔF/(N-1), от УГРС 1 (фиг.1), управляемого СЧ 11, через последовательно соединенные первый и второй направленные ответвители 2 и 3 с первого выхода ВНО 3 поступает в антенну АВУ 4, которая формирует направленное излучение на поверхность льда, и со второго выхода ВНО 3 в ОФ 12. Электрическая длина ОФ 12 не менее суммы электродинамического расстояния до раскрыва антенны АВУ 4 и двух элементов разрешения частотного метода измерения, причем высота подвеса антенны на носителе такова, что минимальное расстояние между раскрывом антенны АВУ 4 и верхней поверхностью льда не менее четырех элементов разрешения. После отражения от зондируемой поверхности эхо-волны принимаются антенной АВУ 4 и преобразуются в отраженный сигнал, который через ВНО 3 и ПНО 2 с выхода вторичной линии ПНО 2 поступает на второй вход См 5. Сюда же поступает эталонный сигнал, сформированный в ОФ 12. В качестве гетеродинного сигнала, поступающего на первый вход См 5, используют выделенную на выходе первичной линии ПНО 2 часть генерируемого сигнала. При таком выделении гетеродинного сигнала См 5 имеет максимальный динамический диапазон по уровню входных сигналов с антенны АВУ 4

В первом варианте устройства выходной сигнал См 5 после фильтрации УФ 6 и ФНЧ 7 обрабатывается СПАО 8 путем усиления.

На выходе СПАО 8 выделяется СРЧ u_СРЧ(t), содержащий информацию о расстоянии до поверхности льда, его толщине и свойствах подстилающей поверхности подо льдом. Одновременно в выделенном СРЧ присутствует также эталонная составляющая, сформированная в ОФ 13.

Выделенный СРЧ u_СРЧ(t) через АЦП 9 в виде последовательности цифровых отсчетов u_СРЧ(i) поступает на первый вход СЦОС 10. С применением СЦОС 10 выполняют все действия над СРЧ, управляют СЧ 10 заданием количества дискретных частот N и их кодов, синхронизируют работу АЦП 9, осуществляют режим калибровки и записывают в память калибровочные параметры.

Перед началом измерений на конкретном водоеме производят калибровку. Калибровку первого варианта устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом выполняют при неподвижном начальном положении носителя и наличии воды подо льдом, путем подбора функции преобразования СРЧ в измерительном устройстве до выравнивания амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда. При этом записывают в память параметры управляющего воздействия на функцию преобразования СРЧ (параметры управляющего воздействия на управляемый резистор, выполненный на полевом транзисторе VT1) и фазы экстремумов спектра, соответствующие отражениям электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда.

Подбор функции преобразования СРЧ в первом варианте устройства выполняют путем изменения добротности УФ 6. При фиксированной частоте УФ 6

выбор значения добротности Q≈1,7 соответствует такой частотной характеристике УФ 6, при которой равенство амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда наступает при отсутствии затухания в слое льда. Частотная характеристика УФ 6 становится практически линейной до частоты (0,7…0,9) F_рез (фиг.7, кривая 26), и компенсирует только затухание электромагнитных волн, обусловленное сферической расходимостью фронта волны. Увеличение добротности Q>1,7 изменяет частотную характеристику УФ 6 так, что равенство амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда наступает при наличии некоторого среднего затухания в слое льда (фиг.7, кривая 27). Значение Q≈5 соответствует максимально возможному затуханию (фиг.7, кривая 28).

Во втором варианте устройства выходной сигнал СМ 18 фильтруется ПФ 19 и ФНЧ 20 и обрабатывается СПАО 21 путем усиления. ПФ 19 выполняют с добротностью Q=(1,8÷2) и, соответственно с частотной характеристикой практически линейной до частоты (0,7…0,9) F_рез. При этом компенсируется только затухание электромагнитных волн, обусловленное сферической расходимостью фронта волны.

Во втором варианте устройства предварительную калибровку также выполняют при неподвижном начальном положении носителя измерительного устройства и наличии воды подо льдом. Но, при этом, с помощью СЦОС 23 подбирают и записывают в память цифровое значение коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда а в величине затухания ехр(-αL), обеспечивающее выравнивание произведения амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда на величину обратную затуханию электромагнитных волн в слое льда exp(αL).

В результате предварительной калибровки амплитуды пиков спектра, соответствующие эхо-волнам, отраженным от верхней и нижней поверхностей льда становятся равными независимо от колебаний толщины льда и колебаний высоты подвеса устройства при движении носителя, если под слоем льда находится вода.

После калибровки устройства начинают движение по льду и по цифровым отсчетам u_СРЧ(i), (где i=0, …, N-1) с помощью СЦОС 10 (или СЦОС 23) периодически выполняют циклы измерений, в которых вычисляют имеющиеся в СРЧ отдельные частотные пики, соответствующие отражению от эталонного отражателя с амплитудой А₀ и частотой f₀, отражению от верхней и нижней поверхностей льда с амплитудами и частотами, соответственно, А₁, А₂ и f₁, f₂ и в каждом цикле измерений сравнивают между собой амплитуды А₀ и А₁.

Если ,

то принимают решение, что на льду находится вода, или устройство находится над грунтом без слоя льда и измерение толщины льда в данных условиях невозможно.

В этом выражении К(R) - функция преобразования устройством слагаемого СРЧ, соответствующего отражению от верхней поверхности льда; K(R_эт) - функция преобразования устройством слагаемого СРЧ, соответствующего отражению от эталонного отражателя; R - расстояние от антенны до верхней поверхности льда; - модуль коэффициента отражения от поверхности льда; G - коэффициент усиления антенны; λ - длина волны; L_HO - коэффициент передачи второго направленного ответвителя из первичной во вторичную линию (обычно выражается через напряжения на входах НО); η_ф - коэффициент полезного действия отрезка эталонного фидера,

Если , по найденным частотам f₁, f₂ рассчитывают расстояние R до поверхности льда

где с - скорость распространения электромагнитных волн в воздухе, и толщину L льда

где v - скорость распространения электромагнитных волн в слое льда.

Кроме того, в каждом цикле измерений проверяют наличие воздуха под слоем льда. Для этого определяют соотношение l_A=A₂/A₁ амплитуд гармоник, соответствующих отражению от нижней и верхней поверхностей льда. Наличие воздуха под слоем льда определяют по одновременному уменьшению отношения амплитуды отражения электромагнитных волн от нижней поверхности льда к амплитуде отражения электромагнитных волн от верхней поверхности льда в 1,2-2,4 раза и изменению фазы спектра на частоте его максимума, соответствующего отражения электромагнитных волн от нижней поверхности льда, по меньшей мере, на 120 градусов.

В первом цикле измерений перед началом движения по льду количество N дискретных отсчетов частоты и СРЧ в течение полупериода модуляции СЦОС 1 задает исходя из максимальной измеряемой толщины льда N=N₁:

где Int[*] - функция выделения целой части числа; ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда.

Для определения частот и амплитуд пиков спектра генерируют опорный СРЧ в виде цифровых отсчетов отрезков квадратурных слагаемых гармонического сигнала, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, минимизируют разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при минимуме этой разницы опорный СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины (частот и амплитуд пиков спектра). Целесообразно минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполнить с использованием метода нелинейных наименьших квадратов МННК [5].

Возможно также применение метода наименьших квадратов Прони, метода Eigen Vector (EV) или метода MUSIC [7]. При этом опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами.

После проведения первого измерения сравнивают измеренную толщину льда L с величиной v/ΔF. Если измеренная толщина льда равна или больше этой величины, то отдельные частотные пики будут разрешаться при использовании быстрого преобразования Фурье. В этом случае при втором и последующих циклах измерения для поиска гармоник в сигнале биений производят следующие действия:

1. выделяют новый набор отсчетов СРЧ с исходным значением числа отсчетов N=N₁;

2. генерируют цифровые отсчеты весовой функции, например функции Блэкмана

3. по полученным отсчетам СРЧ и генерируемым отсчетам весовой функции вычисляют БПФ;

4. находят в полученном дискретном спектре три наибольшие гармоники;

5. запоминают дискретные номера k₀, k₁ и k₂, этих гармоник;

6. для каждой гармоники, варьируя x в пределах (k_i-1)/N<х<(k_i+1)/N, i=0; 1; 2; находят значения x₀, x₁ и х₂, соответствующие положениям максимума функции , являющейся непрерывно-дискретным преобразованием Фурье [7]

где W(i) - генерируемые отсчеты весовой функции;

7. определяют частоту каждой гармоники f₀=x₀N/T, f₁=x₁N/T и f₂=x₂N/T и значения амплитуд гармоник , и .

Найденные значения являются основой для определения толщины льда, характера подстилающей среды подо льдом, возможности проведения дальнейших измерений и возможности перемещения по льду.

Если измеренная толщина льда L меньше v/ΔF, то отдельные частотные пики не будут разрешаться при использовании быстрого преобразования Фурье. В этом случае при втором и последующих циклах измерения новые отсчеты частоты и СРЧ с помощью СЦОС 10 (или СЦОС 23) получают в количестве N=N₂ при сохранении начальной частоты и диапазона частотной модуляции:

Для определения частот и амплитуд пиков спектра вновь используют метод сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами. При этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами производят на основе одного из методов высокого спектрального разрешения, перечисленных выше, предпочтительно с помощью МННК.

Экспериментальная проверка макета предлагаемого устройства на специальном стенде, имитирующем поверхности льда, показала работоспособность и эффективность предложенного метода измерения толщины льда. На фиг.8 показана экспериментально снятая зависимость погрешности измерения от измеряемой толщины льда. Видно, что погрешность измерения не превышает 6 мм и уменьшается с увеличением толщины слоя льда, что соответствует практическим требованиям к подобным приборам [4, 5]. При этом все вычисления выполняются в реальном масштабе времени, позволяющем производить перемещение носителя прибора по поверхности льда с приемлемой скоростью. Имитация изменения коэффициента отражения от верхней или нижней поверхности льда подтвердила надежность определения типа среды подо льдом и наличие воды на поверхности льда.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Прибор для измерения толщины льда в водоемах. Вютрих В.Р. АС №52131, МПК⁶ Е02В 15/02, G01B 5/06, G01B 3/30. Заявка: ТП-4894, 08.02.1937. Опубликовано: 01.01.1937.

2. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Очинский В.В., Кожухов А.А. Патент РФ №2422736, G01B 13/06, F25C 5/16. Приоритет от 24.02.2010. Опубликовано 27.06.2011.

3. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА ЗАМЕРЗАЮЩИХ АКВАТОРИЙ Лебедев Г.А., Парамонов А.И. Патент РФ №2319205, G06K 9/68, G01B 7/06. Приоритет от 23.05.2006. Опубликовано 10.03.2008.

4. КОНТРОЛЬНО-ИНДИКАЦИОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И СТРУКТУРЫ ЛЬДА. Симаков В.В., Зеркаль А.Д., Серёгин Г.М. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. Вып. 1, 2, 2012 г. С.67-69.

5. Измерение толщины льда при помощи частотно-модулированного дальномера. Езерский В.В., Баранов И.В., Каминский А.Ю. Измерительная техника, 2008 г., №7, с. 21-25.

6. Лабутин С.А., Путин М.В. Помехоустойчивость и быстродействие методов измерения частоты по короткой реализации гармонического сигнала // Измерительная техника. - 1998. - №9. - с.34-37.

7. Патент США №6107957, 22.08.2000.

8. Марпл. - мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 584 с.

9. Патент США №4044355, 23 август, 1977 г.

10. Патент США №4737791, 12 апреля 1988 г.

Изобретение предназначено для измерения толщины льда и основано на принципе радиолокации с периодической дискретной частотной модуляцией зондирующих радиоволн. Достигаемый технический результат - уменьшение погрешности измерения толщины льда и увеличение достоверности определения свойств среды подо льдом при одновременном уменьшении времени определения толщины льда и увеличении допустимой скорости перемещения по льду. Сущность изобретения заключается в измерении времени распространения электромагнитных волн (ЭВ) до поверхности и в слое льда и сравнении амплитуд и фаз слагаемых спектра сигнала разностной частоты, соответствующих верхней и нижней поверхностям с учетом толщины слоя льда и затухания ЭВ. Различие в коэффициентах затухания ЭВ в слоях льда на разных водоемах учитывают предварительной калибровкой устройства, которую выполняют при неподвижном начальном положении носителя устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора частотно-зависимой функции преобразования сигнала разностной частоты (СРЧ) в устройстве, до выравнивания амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению ЭВ от верхней и нижней поверхностей льда, при этом число дискретных отсчетов частоты и СРЧ дискретно уменьшают пропорционально измеренной толщине льда при сохранении неизменным диапазона частотной модуляции. Устройство, реализующее способ, выполнено на основе радиодальномера. Особенностями устройства является регулируемая частотно-зависимая функция преобразования СРЧ и наличие устройства получения эталонного сигнала. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией по линейному закону с известными значениями центральной частоты, диапазона частотной модуляции, периода модуляции и начальным значением числа дискретных отсчетов частоты, формирование и излучение радиоволн в направлении нормали к поверхности льда, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о расстояниях до обеих поверхностей льда, его толщины и свойствах подстилающей среды подо льдом, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление частот и амплитуд пиков спектра по цифровым отсчетам СРЧ с помощью последовательного использования быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами при минимизации отличия между ними методом высокого спектрального разрешения, вычисление расстояния до поверхности и толщины льда по значениям частот пиков спектра СРЧ, периода модуляции, скорости распространения радиоволн и диапазона перестройки частоты, вычисление соотношения амплитуд гармонических слагаемых СРЧ с учетом измеренной толщины льда, вычисление двух граничных значений соотношения амплитуд и определение свойств подстилающей среды подо льдом путем сравнения указанного соотношения амплитуд с этими граничными значениями, отличающийся тем, что формируют эталонный сигнал, используя эхо-волны, отраженные эталонным отражателем, размещенным на электродинамическом расстоянии, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения, причем минимальное расстояние между раскрывом антенны и верхней поверхностью льда не менее четырех элементов разрешения, выполняют предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом и записывают в память калибровочные параметры, включающие соотношение амплитуд пиков спектра, соответствующих эхо-волнам, отраженным эталонным отражателем и верхней поверхностью льда, коэффициент затухания электромагнитных волн в слое льда, параметры управляющего воздействия на функцию преобразования СРЧ в устройстве для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом, фазы спектра на частотах максимумов, соответствующих отраженным сигналам от верхней и нижней поверхностей льда, и используют их при измерениях, в которых выделяют эталонный СРЧ, и используют его при определении наличия воды на поверхности льда, причем при проведении измерений число дискретных отсчетов частоты и СРЧ дискретно уменьшают пропорционально измеренной толщине льда при сохранении неизменным диапазона частотной модуляции, при уменьшенном числе дискретных отсчетов частоты выполняют новый и последующие циклы измерений, а при превышении толщиной льда заранее заданного значения выполняют измерения с начальными значениями числа дискретных отсчетов частоты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эталонного отражателя используют отрезок фидера в режиме стоячих волн с электродинамической длиной, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны и двух элементов разрешения частотного метода измерения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом выполняют при неподвижном начальном положении носителя устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора функции преобразования СРЧ в устройстве до выравнивания амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительную калибровку устройства для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей поверхности подо льдом выполняют при неподвижном начальном положении носителя устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда до выравнивания произведения амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению электромагнитных волн от верхней и нижней поверхностей льда на величину, обратную затуханию электромагнитных волн в слое льда.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наличие воды на поверхности льда определяют по соотношению амплитуд пиков спектра, соответствующих эхо-волнам, отраженным эталонным отражателем и верхней поверхностью льда с учетом записанных калибровочных параметров.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначальное вычисление расстояния до верхней поверхности льда и его толщины осуществляют с использованием сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, минимизируют разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполняют с использованием метода Eigen Vector (EV) с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, минимизируют разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполняют с использованием метода Прони с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков, по меньшей мере, трех гармонических сигналов с варьируемыми параметрами, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, минимизируют разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполняют с использованием метода MUSIC с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что опорный СРЧ генерируют в виде цифровых отсчетов отрезков квадратурных слагаемых гармонического сигнала, с известными значениями диапазона модуляции, длительности периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты, минимизируют разницу между выделенным СРЧ и опорным СРЧ, а при достижении минимума этой разницы опорный СРЧ используют для вычисления расстояния до поверхности льда и его толщины, при этом минимизацию разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ выполняют с использованием метода нелинейных наименьших квадратов (МННК) с начальным значением числа дискретных отсчетов частоты и СРЧ.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают вычисленное на предыдущем цикле измерений значение толщины льда с заранее заданным пороговым значением и при толщине льда, меньшей этого значения, выполняют аналого-цифровое преобразование СРЧ при уменьшенном на заданную величину значении числа отсчетов частоты и СРЧ, а расстояние до поверхности льда, его толщину и свойства подстилающей среды подо льдом вычисляют с использованием сравнения выделенного СРЧ с генерируемым опорным СРЧ с варьируемыми параметрами и минимизации разницы между выделенным СРЧ и опорным СРЧ.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают вычисленное на предыдущем цикле измерений значение толщины льда с заранее заданным пороговым значением и при достижении или превышении толщиной льда этого значения выполняют аналого-цифровое преобразование СРЧ при начальном значении числа отсчетов частоты и СРЧ, а расстояние до поверхности льда, его толщину и свойства подстилающей среды подо льдом вычисляют с последовательным использованием быстрого преобразования Фурье и непрерывно-дискретного преобразования Фурье.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наличие воздуха под слоем льда определяют по одновременному уменьшению отношения амплитуды отраженных сигналов от нижней поверхности льда к амплитуде отраженных сигналов от верхней поверхности льда в 1,2 - 2,4 раза и изменению фазы спектра на частоте его максимума, соответствующей отраженному сигналу от нижней поверхности льда, по меньшей мере, на 120 градусов.

14. Устройство для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, содержащее управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами, первый и второй последовательно соединенные направленные ответвители (ПНО и ВНО), вход первого из которых соединен с первым выходом УГРС, антенно-волноводное устройство (АВУ), вход которого соединен с первым выходом ВНО, смеситель (См) с двумя входами и одним выходом, соединенным с двумя последовательно соединенными фильтрами, второй из которых является фильтром нижних частот (ФНЧ), схемой предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с двумя входами и одним выходом, схему цифровой обработки сигналов (СЦОС), первый вход которой соединен с выходом АЦП, первый выход является информационным выходом устройства, а второй выход соединен со вторым входом АЦП, синтезатор частоты (СЧ) с одним выходом, соединенным с входом УГРС, и двумя входами, первый их которых соединен с третьим выходом СЦОС, а второй соединен со вторым выходом УГРС, отличающееся тем, что второй выход ВНО соединен с дополнительно введенным отрезком фидера (ОФ) с электродинамической длиной, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны АВУ и двух элементов разрешения частотного метода измерения, а первый и второй входы См соединены, соответственно, со вторым и третьим выходами ПНО, при этом первый фильтр является управляемым фильтром (УФ) с возможностью изменения добротности и с дополнительным входом, соединенным с выходом дополнительно введенного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), вход которого соединен с четвертым выходом СЦОС.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что ПНО выполнен на связанных линиях, первичная линия которого своим входом соединена с выходом УГРС, выходом соединена с первым входом См, а вторичная линия первым выходом соединена с входом первичной линии ВНО, а вторым выходом соединена со вторым входом См, при этом ВНО выполнен шлейфным, выход его первичной линии соединен с АВУ, первый выход вторичной линии соединен с ОФ, а второй выход вторичной линии соединен с согласованной нагрузкой.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что УФ выполнен в виде параллельного колебательного контура, подключенного параллельно выходу См и шунтированного управляемым резистором, вход управления которого соединен с первым выходом ЦАП.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что резонансная частота управляемого фильтра УФ F_рез связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты соотношением

Где:
F_рез - резонансная частота фильтра;
ΔF - диапазон частотной модуляции;
Н - высота подвеса антенны надо льдом,
H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;
L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;
с - скорость света;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;
Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;
а добротность УФ выбирается СЦОС в диапазоне Q=(1,7÷5), в зависимости от коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда.

18. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что УФ выполнен в виде операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого через первый резистор и первый конденсатор соединен с входом УФ, выход ОУ, являющийся выходом УФ, через второй конденсатор соединен с его инвертирующим входом, вторым резистором подключен к точке соединения первого резистора и первого конденсатора и третьим резистором подключен к его неинвертирующему входу, причем точка соединения первого резистора и первого конденсатора через третий конденсатор подключена к общей шине, неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной двумя параллельными ветвями, в первой из которых включен четвертый резистор, а во второй включены последовательно соединенные пятый резистор и управляемый резистор, выполненный, например, в виде полевого транзистора, истоком соединенного с общей шиной, а стоком соединенного с пятым резистором, при этом затвор полевого транзистора является входом управления УФ, соединенным с выходом ЦАП, причем резонансная частота УФ F_рез связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты соотношение

Где:
F_рез - резонансная частота фильтра;
ΔF - диапазон частотной модуляции;
Н - высота подвеса антенны надо льдом,
H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;
L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;
с - скорость света;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;
Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;
а добротность УФ выбирается СЦОС в диапазоне Q=(1,7÷5), в зависимости от коэффициента затухания электромагнитных волн в слое льда.

19. Устройство для измерения толщины льда и определения свойств подстилающей среды подо льдом, содержащее управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами, первый и второй последовательно соединенные направленные ответвители (ПНО и ВНО), вход первого из которых соединен с первым выходом УГРС, антенно-волноводное устройство (АВУ), вход которого соединен с первым выходом ВНО, смеситель (См) с двумя входами и одним выходом, соединенным с последовательно соединенными двумя фильтрами, второй из которых является фильтром нижних частот (ФНЧ), схемой предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с двумя входами и одним выходом, схему цифровой обработки сигналов (СЦОС), первый вход которой соединен с выходом АЦП, первый выход является информационным выходом устройства, а второй соединен со вторым входом АЦП, синтезатор частоты (СЧ) с одним выходом, соединенным с входом УГРС, и двумя входами, первый их которых соединен с третьим выходом СЦОС, а второй соединен со вторым выходом УГРС, отличающееся тем, что второй выход ВНО соединен с дополнительно введенным отрезком фидера (ОФ) с электродинамической длиной, не менее суммы электродинамических расстояний до раскрыва антенны АВУ и двух элементов разрешения частотного метода измерения, а первый и второй входы См соединены, соответственно, со вторым и третьим выходами ПНО.

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что ПНО выполнен на связанных линиях, первичная линия которого своим входом соединена с выходом УГРС, выходом соединена с первым входом См, а вторичная линия первым выходом соединена с входом первичной линии ВНО, а вторым выходом соединена со вторым входом См, при этом ВНО выполнен шлейфным, выход его первичной линии соединен с АВУ, первый выход вторичной линии соединен с отрезком фидера ОФ, а второй выход вторичной линии соединен с согласованной нагрузкой.

21. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что первый фильтр выполнен полосовым фильтром (ПФ) в виде параллельного колебательного контура, подключенного параллельно выходу смесителя и шунтированного резистором.

22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что резонансная частота F_рез ПФ связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты соотношением

Где:
F_рез - резонансная частота фильтра;
ΔF - диапазон частотной модуляции;
Н - высота подвеса антенны надо льдом,
H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;
L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;
с - скорость света;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;
Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;
а добротность ПФ выбирается в пределах Q=(1,8÷2).

23. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что ПФ выполнен в виде операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого через первый резистор и первый конденсатор соединен с входом УФ, выход ОУ, являющийся выходом УФ, через второй конденсатор соединен с его инвертирующим входом, вторым резистором подключен к точке соединения первого резистора и первого конденсатора и третьим резистором подключен к его неинвертирующему входу, причем точка соединения первого резистора и первого конденсатора через третий конденсатор подключена к общей шине, неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной через четвертый резистор, при этом резонансная частота ПФ F_рез связана с максимальной измеряемой толщиной льда, диапазоном частотной модуляции и периодом модуляции, включающим интервал линейного изменения частоты соотношением

Где:
F_рез - резонансная частота фильтра;
ΔF - диапазон частотной модуляции;
Н - высота подвеса антенны надо льдом,
H_Lmax - максимальная измеряемая толщина льда;
L_A - электродинамическая длина антенно-волноводного тракта;
с - скорость света;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость льда;
Т - интервал линейного изменения частоты, в течение которого генерируемая частота изменяется на ΔF;
а добротность ПФ выбирается в пределах Q=(l,8÷2).