Способ измерения глубины погружения объекта Российский патент 2023 года по МПК G01S15/58 

Настоящее изобретение относится к области гидролокации и предназначено для измерения глубины погружения обнаруженного объекта гидроакустическими станциями освещения ближней обстановки.

Известен метод определения глубины погружения объекта с использованием гидролокатора, описанный в работе (А.П. Сташкевич, «Акустика океана», Судостроение, Ленинград, 1966 г, стр. 263).

Гидролокатор производит излучение зондирующего сигнала в момент времени t₁, приемник обрабатывает эхосигнал и измеряет временную задержку между моментами излучения зондирующего сигнала и приема эхосигнала, определяет на момент времени t₁ дистанцию D₁ до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, измеряет направления на цель в вертикальной плоскости; определяет глубину Н погружения по формуле Н=Dsin(α), где D - измеренная дистанция до объекта α - угол между направлением движения носителя и направлением на объект в вертикальной плоскости. Недостатком способа является необходимость измерения угла направления на объект, для чего производят сканирование по вертикали для поиска максимального сигнала, что не всегда обеспечено направленными свойствами гидролокатора.

Известен способ определения глубины погружения объекта по патенту РФ №2350983 от 15.02.2007 г., который содержит излучение зондирующего сигнала в момент времени t₁, и измерение дистанции до объекта D₁, излучение зондирующего сигнала в последующий момент времени t₂, и определение дистанции D₂, соответствующей времени t₂. По разности времен излучения t₂-t₁=Δτ, измеренным оценкам дистанции D₁ и D₂, оценке собственной скорости V в вычислителе определяется пройденный путь V Δt носителем гидролокатора между посылками и определяется глубина по формуле: где ΔD=(D₁²-D₂²-V² Δt²)/2VΔt.

Недостатком данного способа является то, что излучение зондирующего сигнала производится широкой характеристикой направленности, а прием эхосигнала в существующих гидролокаторах производится узкой характеристикой направленности для повышения отношения сигнал/помеха. При движении гидролокатора эхосигнал при повторном излучении может быть принят от другого объекта или от донной реверберации. Поэтому образуется большая ошибка определения глубины, связанная с погрешностью измерения дистанции в условиях наличия сложной помеховой ситуации, которая искажает оценку измерения дистанции. Кроме того, наличие реверберационной помехи, отражение от донных неровностях формируют ложные сигналы, поэтому по последовательным посылкам может происходить определение дистанции по случайным отражателям, что приведет к ошибкам измерения глубины.

Задачей изобретения является повышение достоверности измерения глубины обнаруженного подводного объекта, за счет снижения ложной информации.

Для решения поставленной задачи в способ, содержащий излучение зондирующего сигнала, измерение дистанции, измерение пути пройденного гидролокатором, повторное измерение дистанции по следующей посылке, пройденной гидролокатором за время между зондирующими сигналами по формуле D=TV, где V скорость гидролокатора в м/сек, а Т - время между излученными сигналами в секундах введены новые операции, а именно: прием эхосигнала осуществляют статическим веером горизонтальных характеристик направленности, пересекающихся на уровне 0,7, производят набор временных реализаций последовательно по всем характеристикам направленности, измеряют и запоминают дистанцию до обнаруженного объекта R_i, курсовой угол КУ_l, и номер пространственного канала K_i, в котором произошло обнаружение, определяют коэффициент корреляции между временными реализациями соседних пространственных каналов K_i+1, K_i и K_i-1, из них выбирают те соседние пространственные каналы, в которых коэффициент корреляции больше 0,5, при второй посылке принимают эхосигнал этим же веером статических характеристик направленности, определяют дистанция R_J и курсовой угол КУ_j, определяют пространственный канал K_J, соответствующий КУ_j, определяют коэффициенты корреляции между временными реализациями пространственных каналов K_j+1, K_j и K_j-1, если в обеих посылках есть соседние каналы с коэффициентом корреляции больше 0,5 и эти каналы частично совпадают, и при этом R_j<R_J, определяют глубину обнаруженного объекта по формуле H=2S/TV, где S площадь, определяемая по формуле , a P=0,5(R_i+R_J+VT).

Технический результат изобретения заключается в исключении влияния на измерение глубины погружения обнаруженного объекта реверберационных помех и сложной помеховой ситуации в акватории измерений, что повышает достоверность оценки измерений.

Существо предлагаемого технического решения заключается в следующем. Как правило, объекты, по которым производится измерение глубины погружения, расположены над дном. Обнаружение эхосигнала производится статическим веером характеристик направленности, ширина которых в горизонтальном направлении порядка 1,5° и пересекаются они на уровне 0,7. Поскольку объект может находиться на различной дистанции и на различной глубине, то в вертикальной плоскости ширина характеристики направленности имеет форму R(Q)=(cosecQ\cosecQmax) (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб НАУКА 2004 г. Стр 137). Это приводит к тому, что широкой характеристикой направленности в вертикальной плоскости измерение дистанции может производиться по случайным объектам на дне, захватываемых характеристикой направленности в вертикальной плоскости, или по донной реверберации. В каждой такой ситуации может быть сформирован случайный эхосигнал, который превысит порог в любой горизонтальной характеристики направленности. Поэтому предлагается уменьшить ошибку с использованием коэффициента корреляции между пространственными каналами. Для реального объекта коэффициент корреляции временных реализаций между соседними пространственными каналами будет больше 0,5 (В.Г. Тимошенков «Обнаружение эхосигнала на фоне нестационарной помехи». НТС «Гидроакустика», вып. 42(2),Спб. 2020. стр. 56-61). Для донной реверберации и нестационарной помехи коэффициент корреляции будет меньше 0,5, что позволит исключить ошибку при наличии нестационарной помехи. Эхо - сигнал от одного и того же объекта, можно идентифицировать по номерам пространственных каналов, в которых обнаружен объект по последовательным посылкам. За время собственного движения гидролокатор не изменит существенно свое местоположение за время между посылками, поэтому эхосигнал будет обнаружен в тех же пространственных каналах, хотя бы частично.

Для получения расчетных формул рассмотрим треугольник со сторонами R_j, R_i, VT и углом Q° (фиг. 1). С одной стороны площадь S треугольника определяется через периметр Р, т.е. , где R_i дистанция, измеренная по первой посылке, R_j дистанция измеренная по второй посылки, VT путь, пройденный гидролокатором за время между излучениями Т. Периметр равен P=0,5(R_i+R_J+VT). С другой стороны площадь этого же треугольника определяется по двум сторонам R_i и КГ и синусу угла между ними S=0,5 Ri VT SinQ°, где Q° угол между пройденной дистанцией за время между посылками VT и измеренной дистанцией R_i. В результате получаем оценку синуса угла между двумя сторонами Из рассмотрения другого треугольника ABC глубина будет равна H=R_i Sin Q°, где Q° угол между VT и Ri. После преобразования окончательно получим оценку глубины погружения объекта относительно положения гидролокатора Н=2S\TV, где Н в метрах, S в м², Т в сек, V в м/сек. Дополнительная проверка на достоверность измерения является разность между измеренными дистанциями. Если отражатель неподвижный или малоподвижный, всегда при движении гидролокатора первое измерение дистанции будет больше второго измерения, при этом R_j<R_i, Для подвижного отражателя это соотношение может не выполняться, и поэтому оценка глубины не будет соответствовать действительной глубине.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведена геометрическая интерпретация расчетных формул, а на фиг. 2 блок схема гидролокатора, реализующего предложенный способ.

Гидролокатор 1 (фиг. 2) соединен со спецпроцессором обработки 2, который содержит последовательно соединенные систему 3 формирования статического веера характеристик направленности, блок 4 измерения дистанции и пространственных каналов, блок 5 памяти измеренных параметров, блок 6 измерения коэффициента корреляции между пространственными каналами, блок 7 сравнения измеренных параметров, блок 8 определения площадей, блок 9 определение глубины. Второй вход блока 9 соединен с выходом блока 11 управления и отображения, вход которого соединен с блоком 12 измерения собственной скорости. Второй выход блока 11 через блок 10 соединен со вторым входом блока 9 определения глубины. Третий выход блока 11 соединен со входом гидролокатора,

Реализацию способа целесообразно рассмотреть на примере работы устройства (фиг. 2) Гидролокатор 1 по команде с блока управления и отображения 10, излучает зондирующие сигналы и принимает эхосигналы от обнаруженных объектов. Принятые эхосигналы передаются в спецпроцессор 2. Гидролокатор является известным устройством, которое используется для обнаружения эхосигналов от объектов с использования методов активной гидролокации. (А.С. Колчеданцев «Гидроакустические станции» Судостроение Л. 1982 г. стр. 54). Для качественного решения задач обработки гидроакустической информации в современных корабельных гидроакустических средствах (станциях) используются спецпроцессоры на основе ЦВС, обладающие высокой производительностью, функциональной надежностью и малыми габаритами. С использованием специального алгоритмического и программного обеспечения спецпроцессорами могут решаться все задачи формирования и обработки принимаемых гидроакустических сигналов, в том числе формирования статического веера характеристик направленности, измерения помехи, автоматическое обнаружение эхосигналов, измерения их параметров, корреляцию между временными реализациями и автоматическое измерение параметров обнаруженного объекта. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г. В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г. Стр.281). Принятые эхосигналы поступают в блок 3 системы формирования статического веера характеристик направленности, где производится пространственная обработка принятых эхосигналов по характеристикам направленности. Обнаруженные эхосигналы передаются в блоке 4, где измеряется превышение амплитуды эхосигнала над выбранным порогом и определяется дистанции до обнаруженного объекта Ri и Rj и соответствующие пространственные каналы, в которых произошло обнаружение и передаются в блок 5. В блоке 5 собирается вся информация по обнаруженным эхосигналам, превысившим порог. Эти данные поступают в блок 6 для измерения коэффициентов корреляции между соседними каналами с каналом, где обнаружено измерение дистанции по максимальному превышению порога. Если коэффициенты корреляции между соседними пространственными каналами превысил 0,5, то эта дистанция и курсовые углы, соответствующие этим каналам, запоминаются и передаются в блок 7 для сравнения измеренных параметров. Повторное излучение зондирующего сигнала производится автоматически с известным периодом Т. Повторяется процедура измерения дистанции и пространственных характеристик, в результате чего формируются параметры обнаруженной цели по второй посылки, которая передается в блок 7 и сравниваются сданными по первой посылки. На основании сравнения принимается решение о том, что это один и то же объект и данные передаются в блок 8 для определения площади и синуса угла SinQ°.

В блоке 9 производится определение глубины по измеренным параметрам. Для этого одновременно в блок 9 из блока 10 поступают данные о пути пройденному гидролокатором за время Т со скоростью V. Собственная скорость измеряется известным измерителем собственной скорости в блоке 12, которая через блок 11 управления и отображения передается в блок 9. Измеритель собственной скорости известный прибор, который выпускается серийно и устанавливается на всех кораблях и подводных лодках. (А.В. Богорадский Г.В. Яковлев Е.А. Корепин А.К. Должиков «Гидроакустическая техника исследования и освоения океана». Л. Гидрометиздат 1984). Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых используются вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко «Цифровая обработка сигналов» СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г.

Предлагаемая последовательность операций позволяет повысить достоверность измерения глубины погружения обнаруженного объекта на фоне нестационарной помехи, обусловленной донной реверберацией и случайными отражателями, находящимися в районе работы.

Использование: изобретение относится к области гидролокации и предназначено для измерения глубины погружения обнаруженного объекта гидроакустическими станциями освещения ближней обстановки. Сущность: в способе определения глубины погружения объекта, содержащем излучение зондирующего сигнала, измерение дистанции, измерение пути пройденного гидролокатором, повторное измерение дистанции по следующей посылке, пройденной гидролокатором за время между зондирующими сигналами по формуле D=TV, где V скорость гидролокатора в метрах/секунда, а Т - время между излученными сигналами в секундах прием эхосигнала осуществляют статическим веером горизонтальных характеристик направленности, пересекающихся на уровне 0,7, производят набор временных реализаций последовательно по всем характеристикам направленности, измеряют и запоминают дистанцию до обнаруженного объекта R_i, курсовой угол КУ_l, и номер пространственного канала K_i, в котором произошло обнаружение, определяют коэффициент корреляции между временными реализациями соседних пространственных каналов K_i+1, K_i и K_i-1, из них выбирают те соседние пространственные каналы, в которых коэффициент корреляции больше 0,5, при второй посылке принимают эхосигнал этим же веером статических характеристик направленности, определяют дистанция R_J и курсовой угол КУ_j, определяют пространственный канал K_J, соответствующий КУ_j, определяют коэффициенты корреляции между временными реализациями пространственных каналов K_j+1, K_j и K_j-1, если в обеих посылках есть соседние каналы с коэффициентом корреляции больше 0,5 и эти каналы частично совпадают, и при этом Rj<RJ, определяют глубину обнаруженного объекта по формуле H=2S/TV, где S - площадь, определяемая по формуле a P=0,5(R_i+R_J+VT). Технический результат: повышение достоверности измерений за счет исключения влияния на измерение глубины погружения обнаруженного объекта реверберационных помех и сложной помеховой ситуации в акватории измерений. 2 ил.

Способ определения глубины погружения объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала, измерение дистанции, измерение пути, пройденного гидролокатором, повторное измерение дистанции по следующей посылке, пройденной гидролокатором за время между зондирующими сигналами по формуле D=TV, где V - скорость гидролокатора в метр/секунда, а Т - время между излученными сигналами в секундах, отличающийся тем, что прием эхосигнала осуществляют статическим веером горизонтальных характеристик направленности, пересекающихся на уровне 0,7, производят набор временных реализаций последовательно по всем характеристикам направленности, измеряют и запоминают дистанцию до обнаруженного объекта R_i, курсовой угол КУ_l и номер пространственного канала K_i, в котором произошло обнаружение, определяют коэффициент корреляции между временными реализациями соседних пространственных каналов K_i+1, K_i и K_i-1, из них выбирают те соседние пространственные каналы, в которых коэффициент корреляции больше 0,5, при второй посылке принимают эхосигнал этим же веером статических характеристик направленности, определяют дистанция R_J и курсовой угол КУ_j, определяют пространственный канал K_J, соответствующий КУ_j, определяют коэффициенты корреляции между временными реализациями пространственных каналов K_j+1, K_j и K_j-1, если в обеих посылках есть соседние каналы с коэффициентом корреляции больше 0,5 и эти каналы частично совпадают, и при этом R_j<R_J, определяют глубину обнаруженного объекта по формуле H=2S/TV, где S - площадь, определяемая по формуле a P=0,5(R_i+R_J+VT).