Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге Российский патент 2018 года по МПК G01S17/88 

Описание патента на изобретение RU2670714C9

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.

Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна с использованием доплеровского лага (ДЛ) [1-6].

Физическим принципом, заложенным в работу ДЛ, является измерение доплеровского сдвига частоты эхосигнала (ЭС), отраженного от дна, относительно частоты излученного сигнала (фиг. 1). Этот сдвиг частот несет в себе информацию о скорости судна в соответствии с формулой [1]:

где

ƒЗС - частота зондирующего сигнала (ЗС), Гц;

ƒЭС - частота эхосигнала, Гц;

V - скорость судна, м/с;

ψизл - угол между направлением излучения ЗС и направлением вертикально вниз, град;

Czv - скорость звука в воде в месте расположения приемно-излучающей антенны, м/с.

Из формулы (1) скорость судна вычисляется по формуле

Таким образом, для измерения скорости судна необходимо измерить частоту ƒЭС эхосигнала, отраженного от дна.

Известны два способа измерения частоты эхосигнала - в частотной и временной области [1].

Способ измерения частоты эхосигнала в частотной области состоит в вычислении спектра Фурье сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны и обнаружении в нем методом частотного контраста спектрального окна, в котором находится эхосигнал. Средняя частота этого спектрального окна принимается за частоту эхосигнала.

Достоинством этого способа является высокая помехоустойчивость, обеспечиваемая тем, что негативное влияние на обнаружение и измерение частоты эхосигнала в спектре оказывает не вся помеха, поступающая с выхода антенны, а лишь та ее часть, которая попала в спектральное окно, ширина которого Δƒ равна обратной величине длительности ЗС τЗС. Недостатком этого способа является низкая точность измерения скорости судна при малых глубинах под килем, поскольку в этом случае приходится использовать ЗС с малой длительностью, что приводит к большой величине Δƒ.

Способ измерения частоты эхосигнала во временной области, проиллюстрированный на фиг. 2, заключается в прямом измерении средней частоты сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны, например, путем подсчета среднего числа ncp пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени с последующим вычислением обратной величины этого числа .

Достоинством второго способа является высокая точность измерения скорости судна при любых глубинах под килем (поскольку известно, что для измерения частоты тонального сигнала во временной области требуется значительно более короткая реализация сигнала, чем путем вычисления спектра), а недостатком - малая помехоустойчивость (поскольку на результат влияет помеха во всей полосе приема), что негативно сказывается при больших глубинах под килем.

В качестве прототипа выбран описанный в работе [1] способ измерения частоты ЭС во временной области.

Решаемая техническая проблема - повышение эксплуатационных характеристик доплеровского лага.

Технический результат - повышение помехоустойчивости ДЛ и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе объединяются достоинства обоих известных способов измерения частоты ЭС: в частотной области осуществляется обнаружение ЭС и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты ЭС, но уже не во всей полосе приемного тракта, а только в полосе шириной Δƒ.

Блок-схема заявляемого способа приведена на фиг. 3.

На вход блока 1 поступает сигнал с выхода приемной антенны в полосе частот [ƒmin, ƒmax],

где ,

,

Vmin, Vmax - минимальная и максимальная скорости судна соответственно.

В блоке 1 поступивший сигнал на последовательных перекрывающихся более чем на 50% интервалах времени, равных длительности зондирующего сигнала, подвергается спектральному анализу при помощи прямого преобразования Фурье.

В блоке 2 в каждом вычисленном спектре осуществляется обнаружение ЭС от дна методом частотного контраста и определяются границы спектрального окна, содержащего ЭС.

В блоке 3 спектр, в котором обнаружен ЭС, при помощи обратного преобразования Фурье преобразуется во временную область.

В блоке 4 полученный временной процесс подвергается фильтрации полосовым фильтром с границами, равными границам спектрального окна, в котором обнаружен ЭС.

В блоке 5 в профильтрованном процессе вычисляется среднее число пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

В блоке 6 вычисляется частота ЭС как обратная величина среднего числа пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается аналитическими расчетами и моделированием.

Источники информации:

1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги // Л.: Судостроение, 1990.

2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н. и др. Судовые измерители скорости. // Л.: Судостроение, 1978.

3. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983. 262 с.

4. Богородский В.В. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана // Л.: Гидрометиздат, 1984.

5. Виноградов К.А., Новиков И.А., Гидроакустические навигационные системы и средства // Навигация и гидрография, ГНИИГИ МОРФ, №7, 1999.

6. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхосигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.

Похожие патенты RU2670714C9

название год авторы номер документа
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2018
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
RU2702696C1
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2017
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2672464C1
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2017
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2665345C1
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2017
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2655019C1
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2017
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2659710C1
Способ измерения скорости судна доплеровским лагом 2017
  • Гучмазов Виталий Анатольевич
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2677102C1
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛАГ С АЛГОРИТМОМ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛА, ОСНОВАННЫМ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАНКА ФИЛЬТРОВ КАЛМАНА 2010
  • Дмитриев Сергей Петрович
  • Соколов Анатолий Игоревич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2439613C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ КОРАБЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ДНА МОРЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1977
  • Бородин Владимир Иванович
  • Ковалев Виктор Николаевич
  • Фомин Юрий Поликарпович
  • Яковлев Геннадий Васильевич
SU1840287A1
Способ позиционирования подводных аппаратов при плавании по постоянному маршруту 2022
  • Машошин Андрей Иванович
  • Пашкевич Иван Владимирович
RU2785215C1
Способ формирования характеристики направленности плоской, горизонтально расположенной многоэлементной излучающей антенны доплеровского лага 2017
  • Жуменков Сергей Васильевич
  • Машошин Андрей Иванович
  • Тимофеев Виталий Николаевич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2655020C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 670 714 C9

Реферат патента 2018 года Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна с использованием доплеровского лага. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости доплеровского лага и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем. Указанный технический результат достигается тем, что в частотной области осуществляется обнаружение эхосигнала, отраженного от дна, и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, определяемой длительностью зондирующего сигнала, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты эхосигнала в полосе частот шириной Δƒ, в которой обнаружен эхосигнал. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 670 714 C9

Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге, включающий прием сигнала с выхода гидроакустической антенны доплеровского лага, вычисление среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени и вычисление частоты эхосигнала как обратной величины среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени, отличающийся тем, что перед вычислением среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени периодически на последовательных перекрывающихся более чем на 50% интервалах времени, равных длительности зондирующего сигнала, при помощи прямого преобразования Фурье вычисляют спектр сигнала, в каждом вычисленном спектре методом частотного контраста обнаруживают эхосигнал, в случае его обнаружения определяют границы спектрального окна, содержащего эхосигнал, затем спектр, в котором обнаружен эхосигнал, при помощи обратного преобразования Фурье преобразуют во временную область, полученный временной процесс подвергают фильтрации полосовым фильтром с границами, равными границам спектрального окна, в котором обнаружен эхосигнал, после чего профильтрованный процесс подают на вычисление среднего числа пересечений им нулевого уровня в единицу времени.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2670714C9

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛАГ С АЛГОРИТМОМ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛА, ОСНОВАННЫМ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАНКА ФИЛЬТРОВ КАЛМАНА 2010
  • Дмитриев Сергей Петрович
  • Соколов Анатолий Игоревич
  • Юхта Павел Валерьевич
RU2439613C1
US 2014286131 A1, 25.09.2014
MILENKO ANDRIC et al., ACOUSTIC EXPERIMENTAL DATA ANALYSIS OF MOVING TARGETS ECHOES OBSERVED BY DOPPLER RADARS
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 58(2012)6, 386-393
US 2007233389, 04.10.2007
US 9244168 B2, 26.01.2016
CN 102243302 A, 16.11.2011.

RU 2 670 714 C9

Авторы

Гучмазов Виталий Анатольевич

Жуменков Сергей Васильевич

Машошин Андрей Иванович

Тимофеев Виталий Николаевич

Юхта Павел Валерьевич

Даты

2018-10-24Публикация

2017-10-06Подача