Способ обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, и определение их местоположения Российский патент 2018 года по МПК G01S15/04 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке средств поиска объектов, находящихся на дне под слоем грунта и невидимых для таких гидролокационных средств, как гидролокатор бокового обзора.

Известен способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, который реализуется гидролокационным комплексом, содержащим гидролокатор бокового обзора, используемый на первом этапе работы, и акустический профилограф, который используется на втором этапе работы (А.В. Булыгин, Я В. Моисеенко, А.В. Мочалов, Ю.А. Рыклин «Опыт применения акустического профилографа в подводной археологии» Труды VIII международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. С.-Петербург, «Наука», 2006, с. 147-150). В данном способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, на первом этапе работы с носителя гидролокационной аппаратуры излучают антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду импульсный акустический сигнал в широком диапазоне углов скольжения. Затем принимают от находящегося в толще донного грунта объекта отраженный в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения акустического сигнала туда и обратно, вычисляют расстояние r до объекта, отображают пространственно-временное положение объекта, используя движение носителя гидролокационной аппаратуры относительно предполагаемого местоположения объекта, и визуально определяют на гидролокационном изображении дна, полученном с помощью гидролокатора бокового обзора, возможное местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта. На втором этапе работы, используя движение носителя гидролокационной аппаратуры, повторно выходят на место предполагаемого расположения объекта, находящегося в толще донного грунта, излучают акустической антенной акустического профилографа в водную среду в сторону грунта импульсный акустический сигнал в вертикальном направлении. Затем принимают отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют глубину Z объекта, находящегося в толще донного грунта, и отображают пространственно - временное положение объекта, находящегося в толще донного грунта, и отображают пространственно-временное положение объекта, находящегося в толще донного грунта, в вертикальной плоскости.

Недостатком такого способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, является большая вероятность пропуска объектов, находящихся под слоем грунта, но не выходящих на поверхность дна. Другим недостатком является малая эффективность поиска, связанная с двухэтапным режимом поиска, т.е. с необходимостью использования акустического профилографа на втором этапе для повышения вероятности обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта.

Известен способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, в котором акустическое зондирование верхнего слоя донного грунта осуществляют одновременно с зондированием поверхности морского дна локатором бокового обзора (Патент РФ №2280266 С2, МПК G01S 15/04, опубл. 20.07.2006 г., Бюл. №20). Для этого на носителе гидролокационной аппаратуры устанавливают приемопередающую антенну гидролокатора бокового обзора и дополнительные направленные в вертикальной плоскости излучающую и приемную акустические антенны, работающие синхронно с приемопередающей антенной гидролокатора бокового обзора. Затем, перемещая носитель гидролокационной аппаратуры над дном, излучают приемопередающей антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону дна импульсный акустический сигнал, принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала и отображают пространственно-временное положение объекта. Синхронно с излучением антенны гидролокатора бокового обзора излучают в водную среду импульсный акустический сигнал дополнительной направленной в вертикальной плоскости антенной под углом падения

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, C₁₂=C₁/C₂, ρ₁, ρ₂, C₁, С₂ - плотность и скорость звука в воде и грунте соответственно,

принимают от находящегося в толще донного грунта объекта и переизлученный в водную среду акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной приемной акустической антенной под критическим углом приема θ_np=arcsinC₁₂, перемещают направленную в вертикальной плоскости дополнительную излучающую антенну на высоте Z₁ над дном, связанной с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще донного грунта соотношением Z₁=Z₂/ρ_12, и вычисляют расстояние r до объекта по формуле

Данный способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, является наиболее близким к заявляемому способу и принят за прототип.

Недостатком указанного способа является малая дальность действия и малая глубина проникновения звуковой волны в грунт на рабочих частотах локатора бокового обзора. Это связано с тем, что грунтовая волна, которая возбуждается в составе придонной волны пограничного типа и используется в этом способе в качестве информативной составляющей, достаточно быстро затухает с расстоянием и с глубиной в донном грунте.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, позволяющего увеличить глубину проникновения звуковой волны в грунт и дальность действия при сохранении высокой разрешающей способности по дальности и угловому положению объекта.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, при котором с носителя гидролокационной аппаратуры излучают гидроакустическим излучателем в водную среду импульсный акустический сигнал, принимают приемной системой отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта акустический сигнал, измеряют время t₁ распространения акустического сигнала от излучателя до приемной системы, вычисляют расстояние от приемной системы до объекта, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с гидроакустическим излучателем над дном относительно предполагаемого местоположения объекта на расстоянии от дна Z₁, связанном с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще грунта соотношением Z₁ρ₁=Z₂ρ₂ (ρ₁, ρ₂ - плотность водной среды и грунта соответственно), и отображают пространственно-временное положение объекта, используют в качестве приемной системы установленный на дно акустический комбинированный приемник, содержащий канал звукового давления, три ортогональных канала вектора колебательной скорости и датчик углового положения локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат,

используют в качестве импульсного акустического сигнала низкочастотный (λ>Z₂, λ - длина волны) фазоманипулированный сигнал,

перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем по круговой траектории, в центре которой находится приемная система,

формируют в режиме приема статический веер характеристик направленности, содержащий 8 горизонтальных односторонне направленных пространственных каналов, сдвинутых друг относительно друга на 45°,

измеряют в n-м пространственном канале (n=1-8), ориентированном на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения t₁ акустического сигнала от излучателя до приемной системы, используя для повышения точности измерения времени распространения корреляционные алгоритмы обработки принятого фазоманипулированного сигнала,

измеряют в (m)-м пространственном канале (m=1-8), ориентированном на находящийся в толще донного грунта объект, сдвинутом на 180° относительно n-го пространственного канала (n=1-8), ориентированного на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения t₂ акустического сигнала от излучателя до находящегося в толще донного грунта объекта и от объекта до приемной системы, используя для повышения точности измерения времени распространения корреляционные алгоритмы обработки принятого фазоманипулированного сигнала,

определяют горизонтальное расстояние от находящегося в толще донного грунта объекта до приемной системы, координаты которой считаются известными, по формуле

где c₁, с₂ - скорость звука в придонном слое воды и в грунте соответственно,

вычисляют горизонтальные компоненты вектора интенсивности I_х, I_у в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником,

вычисляют в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, пеленг на находящийся в грунте объект по формуле

ϕ_лок=arctg(I_y/I_x),

пересчитывают пеленг, измеренный в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, в географическую систему координат по формуле

ϕгео=ϕ_о-ϕ_лок,

где ϕ₀ - угол поворота локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат, измеряемый датчиком углового положения,

и определяют местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта, координатами (r, ϕ_гео)_, измеренными относительно приемной системы, координаты которой считаются известными.

В заявленном способе обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, и определения их местоположения общими существенными признаками для него и для прототипа являются:

- излучают акустической антенной в водную среду импульсный акустический сигнал,

- принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, отраженный акустический сигнал,

- измеряют время распространения акустического сигнала туда и обратно, вычисляют расстояние до объекта,

- перемещают носитель гидроакустической аппаратуры с излучателем над дном относительно предполагаемого местонахождения объекта,

- перемещают излучатель над дном на расстоянии Z₁, связанном с глубиной залегания объекта Z₂ соотношением Z₁ρ₁=Z₂ρ₂ (ρ₁,ρ₂ - плотность водной среды и грунта соответственно),

- отображают пространственно-временное положение объекта.

Отличительными признаками заявленного способа обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, и определения их местоположения являются:

- используют в качестве приемной системы установленный на дно акустический комбинированный приемник, содержащий канал звукового давления, три ортогональных канала вектора колебательной скорости и датчик углового положения локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат,

- используют в качестве импульсного акустического сигнала низкочастотный (λ≥Z₂, λ - длина волны) фазоманипулированный сигнал,

- носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем перемещают по круговой траектории, в центре которой находится приемная система,

- формируют в режиме приема статический веер характеристик направленности, содержащий 8 горизонтальных односторонне направленных пространственных каналов, сдвинутых друг относительно друга на 45°,

- измеряют в n-м пространственном канале(n=1-8), ориентированном на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения t₁ акустического сигнала от излучателя до приемной системы,

- измеряют в (m)-м пространственном канале (m=1-8), ориентированном на находящийся в толще донного грунта объект, сдвинутом на 180° относительно n-го пространственного канала (n=1-8), ориентированного на носитель гидроакустической аппаратуры с излучателем, время распространения t₂ акустического сигнала от излучателя до находящегося в толще донного грунта объекта и от объекта до приемной системы,

- определяют горизонтальное расстояние от находящегося в толще донного грунта объекта до приемной системы, координаты которой считаются известными, по формуле

где c₁, c₂ - скорость звука в придонном слое воды и в грунте соответственно,

- вычисляют горизонтальные компоненты вектора интенсивности I_х, I_у в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником,

- вычисляют в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, пеленг на находящийся в грунте объект по формуле

ϕ_лок=arctg(I_y/I_x),

- пересчитывают пеленг, измеренный в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, в географическую систему координат по формуле

ϕ_гео=ϕ_о-ϕ_лок,

где ϕ₀ - угол поворота локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат, измеряемый датчиком углового положения,

- определяют местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта, координатами (r, ϕ_гео), измеренными относительно приемной системы, координаты которой считаются известными.

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позволила:

- обнаруживать любые объекты, находящиеся в толще донного грунта, даже если они не выходят на поверхность, за счет понижения рабочей частоты, увеличения глубины проникновения звуковой волны в грунт,

- повысить эффективность поиска и обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта за счет понижения рабочей частоты, увеличения глубины проникновения звуковой волны в грунт и увеличения дальности обнаружения,

- повысить помехоустойчивость приемной системы и эффективность способа за счет использования комбинированного приемника, в котором сформированы восемь пространственных каналов в горизонтальной плоскости,

- обеспечить высокую точность определения времени распространения за счет использования фазоманипулированного сигнала и корреляционных алгоритмов обработки сигналов в режиме приема,

- обеспечить высокую точность пеленгования объекта за счет использования в качестве приемной системы комбинированного приемника, снабженного датчиком углового положения,

- обеспечить высокую точность определения местоположения объекта за счет увеличения точности пеленгования и определения времени распространения,

- обеспечить отображение положения обнаруженных объектов, находящихся в толще донного грунта, в горизонтальной плоскости на материальном носителе.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известного уровня техники и пригодно для использования.

Заявленный способ обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, и определения их местоположения поясняется чертежом, где представлена схема движения носителя гидролокационной аппаратуры с излучателем относительно приемной системы и объекта, находящегося в толще донного грунта.

На чертеже приняты следующие обозначения.

1-8 8-канальный статический веер характеристик направленности приемной системы,

9 - приемная система, установленная на дно,

10 - носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем,

11 - объект, находящийся в толще донного грунта,

12 - круговая траектория движения носителя гидролокационной аппаратуры с излучателем.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

После постановки приемной системы 9 на дно и определения ее местоположения носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем 10, в качестве которого может быть использовано либо надводное судно, либо автономный подводный аппарат, работающий по заданной программе, движется по круговой траектории 12, в центре которой находится приемная система. При движении по круговой траектории расстояние от излучателя до морского дна Z₁ и предполагаемая глубина залегания объекта Z₂ в толще донного грунта должны удовлетворять условию Z₁ρ₁=Z₂ρ₂.

В приемной системе, оснащенной комбинированным приемником и датчиком углового положения, формируется по известным алгоритмам 8-канальный статический веер односторонне направленных характеристик направленности, перекрывающих весь диапазон изменения азимутального угла. При излучении импульсного фазоманипулированного сигнала в момент времени t₀ он принимается в момент времени t₁ в пространственном канале комбинированного приемника, ориентированном на излучатель под углом ϕ_n (n=1-8). [Б.А. Касаткин и др. Моделирование направленных свойств комбинированного приемника при смешанных алгоритмах обработки сигналов. Труды шестой всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана». Владивосток, 2015, с. 171-175].

Часть энергии звуковой волна проникает в грунт в виде придонной волны, локализованной на горизонте Z₂ в толще донного грунта, связанном с расстоянием от излучателя до морского дна Z₁ соотношением Z₁ρ₁=Z₂ρ₂. Часть энергии звуковой волны, проникшей в грунт, распространяется далее и, отражаясь от объекта 11, принимается приемной системой в момент времени в пространственном канале, ориентированном под углом ϕ_n+180°.

В момент приема вычисляются горизонтальные компоненты вектора интенсивности I_х, I_у в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, определяется пеленг на объект в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником,

ϕ_лок=arctg(I_у/I_х),

который затем пересчитывается в пеленг относительно географической системы координат по формуле ϕ_гео=ϕ_о-ϕ_лок,

где ϕ₀ - угол поворота локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат, измеряемый датчиком углового положения,

Координаты (r, ϕ_гео) определяют положение объекта относительно приемной системы, координаты которой определяются в момент постановки и считаются известными.

При необходимости приемная система снабжается радиоканалом связи с судном - носителем гидролокационной аппаратуры, вся первичная информация передается по радиоканалу на судно-носитель, а результаты обработки отображаются на мониторе в реальном времени.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке средств поиска объектов, находящихся на дне под слоем грунта и невидимых для таких гидролокационных средств, как гидролокатор бокового обзора. Техническим результатом является увеличение глубины проникновения звуковой волны в грунт и дальности действия при сохранении высокой разрешающей способности по дальности и угловому положению объекта. С носителя гидролокационной аппаратуры излучают гидроакустическим излучателем в водную среду импульсный акустический сигнал, принимают приемной системой отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта акустический сигнал, измеряют время распространения акустического сигнала от излучателя до приемной системы, вычисляют расстояние от приемной системы до объекта, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с гидроакустическим излучателем над дном относительно предполагаемого местоположения объекта на расстоянии от дна Z₁, связанном с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще грунта, соотношением Z₁ρ₁=Z₂ρ₂ (ρ₁, ρ₂ - плотность водной среды и грунта соответственно) и отображают пространственно-временное положение объекта, при этом используют в качестве приемной системы донный акустический комбинированный приемник, для увеличения дальности действия и глубины проникновения звуковой волны в грунт в качестве импульсного акустического сигнала используют низкочастотный (λ≥Z₂, λ - длина волны) фазоманипулированный сигнал, а носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем перемещают по круговой траектории, в центре которой находится приемная система. Использование низкочастотного фазоманипулированного сигнала в режиме излучения и корреляционных алгоритмов обработки принятого сигнала позволяет сохранить высокую разрешающую способность по дальности, а для увеличения помехоустойчивости приемной системы, дальности действия и высокой разрешающей способности по угловой координате формируют в режиме приема статический веер характеристик направленности, содержащий 8 горизонтальных односторонне направленных пространственных каналов, сдвинутых друг относительно друга на 45°, измеряют в n-м пространственном канале, ориентированном на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения акустического сигнала от излучателя до приемной системы, измеряют в пространственном канале, ориентированном на находящийся в толще донного грунта объект, время распространения акустического сигнала от излучателя до находящегося в толще донного грунта объекта и от объекта до приемной системы, используя для повышения точности измерения времени распространения корреляционные алгоритмы обработки принятого фазоманипулированного сигнала, определяют горизонтальное расстояние от находящегося в толще донного грунта объекта до приемной системы, координаты которой считаются известными, вычисляют горизонтальные компоненты вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, вычисляют в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, пеленг на находящийся в грунте объект, пересчитывают пеленг, измеренный в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, в географическую систему координат и определяют местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта, координатами (r, ϕ_гео), измеренными относительно приемной системы, координаты которой считаются известными. 1 ил.

Способ обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, и определения их местоположения, при котором с носителя гидролокационной аппаратуры излучают гидроакустическим излучателем в водную среду импульсный акустический сигнал, принимают приемной системой отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта акустический сигнал, измеряют время распространения акустического сигнала от излучателя до приемной системы, вычисляют расстояние от приемной системы до объекта, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с гидроакустическим излучателем над дном относительно предполагаемого местоположения объекта на расстоянии от дна Z₁, связанном с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще грунта соотношением Z₁ρ₁=Z₂ρ₂ (ρ₁, ρ₂ - плотность водной среды и грунта соответственно), и отображают пространственно-временное положение объекта, отличающийся тем, что в качестве приемной системы используют установленный на дно комбинированный акустический приемник, содержащий канал звукового давления, три ортогональных канала вектора колебательной скорости и датчик углового положения локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат; в качестве импульсного акустического сигнала используют низкочастотный (λ≥Z₂, λ - длина волны) фазоманипулированный сигнал, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем по круговой траектории, в центре которой находится приемная система, формируют в режиме приема статический веер характеристик направленности, содержащий 8 горизонтальных односторонне направленных пространственных каналов, сдвинутых друг относительно друга на 45°, измеряют в n-м пространственном канале (n=1-8), ориентированном на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения t₁ акустического сигнала от излучателя до приемной системы, используя для повышения точности измерения времени распространения корреляционные алгоритмы обработки принятого фазоманипулированного сигнала, измеряют в m-м пространственном канале (m=1-8), ориентированном на находящийся в толще донного грунта объект, сдвинутом на 180° относительно n-го пространственного канала (n=1-8), ориентированного на носитель гидролокационной аппаратуры с излучателем, время распространения t₂ акустического сигнала от излучателя до находящегося в толще донного грунта объекта и от объекта до приемной системы, используя для повышения точности измерения времени распространения корреляционные алгоритмы обработки принятого фазоманипулированного сигнала, определяют горизонтальное расстояние от находящегося в толще донного грунта объекта до приемной системы по формуле:

; , ,

где c₁, c₂ - скорость звука в придонном слое воды и в грунте соответственно, вычисляют горизонтальные компоненты вектора интенсивности I_x, I_y в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, вычисляют пеленг на находящийся в грунте объект в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, по формуле:

,

пересчитывают пеленг, измеренный в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, в географическую систему координат по формуле:

где - угол поворота локальной системы координат, связанной с комбинированным приемником, относительно географической системы координат, измеряемый датчиком углового положения, и определяют местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта, координатами (r, ), измеренными относительно приемной системы, координаты которой считаются известными.