Изобретение относится к корреляционным методам измерения скорости движения, позволяющим определять скорость судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, а также сопровождается измерением глубин акватории по пути следования с требуемой точностью. В предлагаемом способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной (относительной) скорости судна, так и пространственно-временной картины поля течений, а также регистрации глубин водоемов. Область использования - гидроакустика, океанография.
Изобретение может быть применено для измерения акустическим способом параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателями, которые обладают различными физико-химическими свойствами. Работоспособность способа основана на том, что информацию получают за счет эхозондирования ультразвуком совокупностей рассеивателей в
Известен автокорреляционный метод измерения скорости судна, в котором для определения его абсолютной скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента
Данный способ реализован в автокорреляционном измерителе путевой скорости судна, функционирование которого происходит следующим образом. Генератор вырабатывает гармонический сигнал с частотой
Поскольку при движении судна положение ИПИА относительно донных неровностей и случайным образом распределенных и переносимых течением рассеивателей в области УЗ облучения меняется непрерывно, то квадрат огибающей объемной реверберационной помехи и донного эхосигнала будет содержать спектр частот, а их огибающая будет изменяться, флуктуировать непрерывно и случайным образом. В последующей обработке используется только флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна. Отраженный от дна сигнал поступает на ИПИА, функционирующую в режиме приема и вырабатывающую электрический сигнал, поступающий через коммутатор, полосовой фильтр на частоту
Автокорреляционный метод измерения скорости требует использования одной ИПИА, в нем исключены погрешности, связанные с ориентировкой антенны относительно направления движения, однако автокорреляционный метод измерения скорости имеет следующие недостатки:
1) требуется стационарность принимаемого эхосигнала и, соответственно, повторяемость формы автокорреляционных функций для каждого значения скорости движения, что трудно осуществимо на практике, так как в реальных условиях форма автокорреляционной функции будет различной при одной и той же скорости движения судна в различных районах дна океана;
2) точность измерения скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИПИА и одночастотным режимом работы. Как следует из соотношения
3) в способе не предусмотрена возможность измерения глубины под килем движущегося судна, относительной скорости его движения, а также измерение параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателей.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:
1) размещают на днище судна ИПИА, состоящую из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой
3) регулируют пространственное расположение акустической оси ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
5) преобразуют электрические сигналы с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой
6) осуществляют УЗ облучение и устанавливают акустические контакты как с участком границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, так и с совокупностями рассеивателей водной среды, в
7) обеспечивают за счет движения судна-носителя аппаратуры непрерывное изменение положения ИПИА относительно участков поверхностей:
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обусловит формирование объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающей которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
8) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
9) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента автокорреляции огибающей эхосигнала, что позволяет вычислить скорость движения судна
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Известен взаимокорреляционный способ измерения скорости судна- носителя аппаратуры, в котором для расчета скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции флуктуаций огибающих эхосигналов от дна, принятых разнесенными в пространстве интерференционными приемными антеннами (ИПА) (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203- 204). В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, интерференционные антенны - излучающую и две приемные, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок pегулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Указанный способ реализуется следующим образом. С помощью генератора вырабатывают гармонический сигнал с частотой
1) с совокупностями рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
2) с границей раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей.
Это обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, имея наибольшую амплитуду в момент времени
1) с участками поверхностей других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
2) с тем же участком границы раздела «вода-дно» со случайным, но не изменившимся распределением донных неровностей.
В результате отраженные сигналы поступают на кормовую ИПА, вырабатывающую соответствующий электрический сигнал, что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, наибольшая амплитуда огибающей которого приходится уже на момент времени
В общем случае коэффициент
Здесь продольный разнос (база) ИПА составляет величину
Таким образом, с выходов двух цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра на частоту
В данной конструкции корреляционного измерителя путевой скорости приемные антенны расположены по продольной оси судна (угол
Выше описан режим работы автокорреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря.
Взаимокорреляционный способ измерения скорости судна-носителя аппаратуры имеет следующие недостатки:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИИА и ИПА и одночастотным режимом их функционирования. Так, например, относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости
где коэффициент
2) в способе не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем судна. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности измерения глубины и получения детального профиля дна предполагает возможность уменьшения как длительности зондирующего импульса, так и уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН при уменьшении бокового поля стабилизированной в пространстве интерференционной антенны, однако в данном аналоге это не осуществлено. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта УЗ зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины, составляющая для указанных выше параметров (
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение ультразвуковых методов, однако, в данном способе-аналоге данные измерения не осуществляются, причем работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:
1) размещают на днище судна в его диаметральной плоскости антенны, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, акустические оси всех антенн совпадают с нормалями относительно дна, ИПА разнесены на известное расстояние L друг от друга и расположены в кормовой и носовой частях судна, а ИИА - находится посередине между ними;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП антенн амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой
5) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования первой парой антенн - ИИА и носовой ИПА - первых акустических контактов с участками поверхностей:
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой антенны первые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от заданной поверхности границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
7) перемещают со скоростью
8) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования второй парой антенн - вторых акустических контактов с участками поверхностей:
- других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
- и той же границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП кормовой ИПА сдвинутые во времени вторые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от того же самого участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
10) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента взаимной корреляции для флуктуирующих хаотическим образом во времени огибающих первого и второго эхосигналов от одного и того же участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, что позволяет вычислить скорость движения судна
11) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Перечисленные недостатки взаимокорреляционных способов измерения путевой скорости ограничивают их применимость и делают более перспективным разработку аналогичных способов, функционирование которых основано на установлении статистической связи между случайными процессами, имеющими одинаковые корреляционные функции - двумя непрерывно регистрируемыми в реальном масштабе времени функциями распределения глубин водоема на пути следования судна.
Наиболее близким к заявляемому способу является корреляционный гидроакустический способ, позволяющий определять путевую скорость судна, в котором для определения абсолютного значения путевой скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции двух непрерывно регистрируемых напряжений на выходах ИПИА как функций распределения глубин водоема (профиля дна) на пути следования судна (см. Справочник по гидроакустике. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982, с.28-29).
В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: ИПИА, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Указанный способ реализуется следующим образом:
1) размещают на расстоянии
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой
5) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью
7) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов
8) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов
9) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Работа устройства, реализующего данный способ, происходит следующим образом. Имеющие одинаковые волновые размеры (носовая и кормовая) ИПИА эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база)
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
- границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
Как следует из вышеописанного, положительным качеством данного корреляционного гидроакустического лага является одновременное осуществление детального измерения глубин водоема по пути следования судна, т.е. описан режим работы устройства для измерения абсолютной путевой скорости судна.
Однако корреляционный гидроакустический способ-прототип имеет следующие недостатки:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосных ЭАП ИПИА и их одночастотным режимом работы. Так, например, для рассматриваемого прототипа относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости
2) в способе не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности профиля глубин водоема и подробной детализации рельефа дна предполагает возможность как уменьшения длительности зондирующего импульса, так и уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН ИПИА, что в прототипе не осуществляется. Данный подход наиболее эффективен при многочастотном режиме эхолотирования, предполагающем использование зондирующих тональных импульсных сигналов с различной длительностью и частотой заполнения: - на мелководье - малые длительности импульсов и высокочастотный УЗ, на морском шельфе - большие длительности импульсов и низкочастотный УЗ. Из практики эксплуатации эхолотов известно, что на точность измерения глубины эхолотом также влияет тип грунта, так как при отражении сигналов от илистого дна запись глубины на регистраторе - эхограмма - получается менее четкой, чем при отражении от плотного грунта, и в данном случае отрицательный эффект может быть уменьшен за счет концентрации излучаемой акустической энергии в меньшем телесном угле.
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение УЗ методов, однако, в способе-прототипе данные измерения не осуществляются, причем, работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:
1) размещают на днище судна две ИПИА, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой
3) регулируют пространственное расположение акустической оси обоих ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией:
участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
5) преобразуют электрические сигналы с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой
6) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
7) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА информационные сигналы, в частности, флуктуирующие по амплитуде эхосигналы от поверхностей разных участков границы раздела «вода-дно» со случайными и отличающимися друг от друга распределениями донных неровностей, причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
8) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов
9) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Между тем, известно, что водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной УЗ волны различных нелинейных эффектов (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438 - 441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой
Таким образом технической проблемой для известных в уровне техники акустических способов измерения параметров течений статистически неоднородной водной среды является невозможность получения достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего расширить эксплуатационные возможности корреляционного способа измерения скорости течений.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности получения информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей, что позволяет получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и добиться расширения эксплуатационных возможностей способа.
Заявляемый результат достигается тем, что в известный корреляционный гидроакустический способ измерения скорости течений, в котором:
- размещают на расстоянии
- обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой
- генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой
- осуществляют акустические контакты с участками поверхностей:
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой и кормовой ИПИА эхолотных систем, т.е. носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью
- определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов
- определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре (9),
дополнительно введены следующие операции
- задают для обоих ИПИА эхолотных систем критерий соответствия их волновых размеров интервалу значений
где
- генерируют с помощью излучающего тракта аппаратуры электрические мощные колебания с частотой
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП двух ИПИА эхолотных систем амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки мощных УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии, достаточной для проявления нелинейных упругих свойств водной среды под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью
- генерируют посредством обоих ПИА в водной среде два полигармонических пучка УЗ сигналов с частотами
- устанавливают на УЗ сигналах с частотами
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,
причем эти
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА
- осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,
- определяют в приемном тракте аппаратуры на каждой из частот
- определяют
- вычисляют для
течения в
- осуществляют последовательно операции 16 - 19 для следующих горизонтов глубин водоема, что позволит косвенно измерить параметры течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей;
Предлагаемый способ поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемое изобретение.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Реализующий способ многочастотный корреляционный гидроакустический лаг (фиг.1) функционально объединяет в себе две (нос и корма) эхолотовые системы (излучение, прием, отображение и регистрация информации), дополненные общими трактами: корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления. Эхолотовые системы имеют общий тракт излучения: генератор 1 соединен через последовательно включенные хронизатор-модулятор 2, усилитель мощности 3 и коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» с ИПИА 6 и 7 (корма и нос соответственно). Носовая 7 и кормовая 6 ИПИА размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база)
Работа многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ, происходит следующим образом. Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал
Отметим, что носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем обеспечивают формирование и прием волновых процессов в водной среде, т.к. именно УЗ является эффективным для передачи и получения информации в водной среде, причем, проектирование данного многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений обусловливает существенное увеличение мощностей излучаемых волн. В данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей среды - от линейной акустики, в рамках которой изменение плотности воды еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до нелинейной акустики, где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая как самовоздействие, так и взаимодействие распространяющихся волн конечной амплитуды, приводя к генерации новых спектральных компонент комбинационных частот. Следует учитывать, что все процессы, приводящие к уменьшению плотности потока акустической энергии - диссипативные, дифракционные и т.д. ослабляют нелинейные явления, что делает актуальным прояснение области значений нелинейного режима как для ЭАП носовой 7 и кормовой 6 ИПИА эхолотных систем, так и излучаемых мощных волн.
Ниже обсудим критерий соответствия (6) волновых размеров для обоих 6, 7 ИПИА эхолотных систем интервалу значений 10 <
- расстояние разрыва плоской волны с частотой
- длина области дифракции Френеля для волны накачки с частотой
- расстояние затухания акустической волны, м. Коэффициент затухания
амплитуда звукового давления сигнала накачки у поверхности ЭАП, Па. Здесь:
амплитуда звукового давления сигнала накачки, приведенного к расстоянию 1 метр от ЭАП с учетом затухания.
Приближенно оценивать предельные значения амплитуд звукового давления накачки, при которых начинают проявляться нелинейные эффекты, предложено (см Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.248-252) следующим образом. Образование разрывов для плоских волн характеризуется величиной параметра
где
Таким образом, амплитуда звукового давления
что ограничивает сверху величину волнового размера ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, причем, нижнюю границу (
Проведем анализ типичных результатов экспериментальных измерений пространственных характеристик акустических сигналов кратных частот, полученных при реализации линейного и нелинейного режимов излучения мощного одночастотного сигнала накачки, например, для ИПИА рыбопоисковой аппаратуры гидролокатора «Таймень - М» в режиме самовоздействия (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018.-176 с., стр.29-42). Так, для ИПИА РПА «Таймень-М» представлены несколько угловых распределений амплитуд звуковых давлений для акустических сигналов кратных частот, полученные в двух режимах:
1) (
2) (
Итак, ИПИА гидролокатора «Таймень-М» имеет: в нелинейном режиме - на частоте
в линейном режиме непосредственного возбуждения - на частоте
Из представленных данных видно, что в линейном режиме на всех частотах УЗ уровень бокового поля ХН практически не изменяется (- 18 дБ), а угловая ширина основного лепестка ХН уменьшается в соответствии с известными закономерностями - (14,4°, 7,2°, 4,8° ) - (см. А.П.Евтютов, В.Б.Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Судостроение, 1988. с.17-27), в нелинейном режиме мощный акустический сигнал наиболее заметно меняет упругие свойства водной среды именно на оси антенны, что и приводит к существенному ослаблению бокового поля -от (- 18 дБ) до (- 23 дБ) - и постепенному обострению основного лепестка - (14,4°, 10,°, 8,1°), причем, применение нелинейного режима существенно расширяет рабочий диапазон устройства, реализующего предлагаемый способ.
Анализируя представленную выше информацию о локационных сигналах кратных частот
Водная среда имеет неоднородную тонкую слоистую структуру в вертикальном направлении, обладающую граничными прослойками (см. Майкл С. Грегг. Микроструктура океана //Наука об океане / Под ред. О. И. Мамаева. - М.: Изд-во «Прогресс», 1983. - с. 219- 243) с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука), в водных объемах слоев (количество слоев i - от 1 до k) совокупности рассеивателей (фиг.1) случайным образом и статистически неоднородно распределены, пассивно переносятся водными массами слоев с различными скоростями
В процессе движения судна со скоростью
Отраженные спектральные компоненты полигармонического УЗ сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам линейной акустики, достигают ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА 7 и 6 в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры. Полигармонические электрические сигналы
Первым этапом является измерение скорости
Для получения информации о скоростях течений
С этой целью в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов
Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8 (
Таким образом, оператор устройства может определить, например, для
Для определения величин промежутков времени
что позволяет при измеренной ранее скорости
течения в
Для многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения скорости
Рассмотрим еще один пример. Относительная погрешность в измерении скорости
где
Заявляемый способ может найти широкое применение при измерении скорости движения судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, при этом сопровождаться измерением глубин акватории по пути следования с высокой точностью.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Корреляционный способ измерения параметров тонкой структуры водной среды | 2022 |
|
RU2799974C1 |
Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде | 2022 |
|
RU2795579C1 |
Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды | 2022 |
|
RU2801053C1 |
Способ измерения скорости подводных течений | 2022 |
|
RU2804343C1 |
Способ абсолютной градуировки излучающих и приемных электроакустических преобразователей антенного блока акустического доплеровского профилографа течений | 2023 |
|
RU2821706C1 |
Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения | 2019 |
|
RU2721307C1 |
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2019 |
|
RU2784885C1 |
СПОСОБ ПРОВОДКИ БЕСПИЛОТНОГО ГИДРОСАМОЛЁТА НА АКВАТОРИИ ЛЁТНОГО БАССЕЙНА | 2018 |
|
RU2705475C1 |
Способ связи подводного аппарата с летательным аппаратом | 2020 |
|
RU2733085C1 |
СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЛЕТНОГО БАССЕЙНА ГИДРОАЭРОДРОМА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ВЗЛЕТА И ПРИВОДНЕНИЯ ГИДРОСАМОЛЕТА | 2011 |
|
RU2464205C1 |
Использование: изобретение относится к корреляционным методам измерения скорости движения, позволяющим определять скорость судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, а также сопровождается измерением глубин акватории по пути следования с требуемой точностью. Сущность: в заявленном многочастотном корреляционном способе измерения скорости течений применяют носовую и кормовую ИПИА эхолотных систем комплексно 1) «нелинейный режим» - формирование в водной среде мощного полигармонического зондирующего сигнала, содержащего сигналы кратных частот
1. Многочастотный корреляционный способ измерения скорости течений, заключающийся в том, что:
размещают на расстоянии
обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента с заданной резонансной частотой
генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту
преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, и с циклической частотой
осуществляют акустические контакты с участками поверхностей
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2, …,
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой и кормовой ИПИА эхолотных систем, т.е. носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью
преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью
определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, в виде не совпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов
определяют величину коэффициента взаимной корреляции для не совпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов
отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре,
отличающийся тем, что
задают для обоих ИПИА эхолотных систем критерий соответствия их волновых размеров интервалу значений
где
генерируют с помощью излучающего тракта аппаратуры электрические мощные колебания с частотой
преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП двух ИПИА эхолотных систем амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки мощных УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии, достаточной для проявления нелинейных упругих свойств водной среды под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью
генерируют посредством обоих ПИА в водной среде два полигармонических пучка УЗ сигналов с частотами
устанавливают на УЗ сигналах с частотами
преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА
осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,
определяют в приемном тракте аппаратуры на каждой из частот
определяют
вычисляют для
течения в
осуществляют последовательно каждую из приведенных операций (16)–(19) для следующих горизонтов глубин водоема, для косвенного измерения параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
2. Многочастотный корреляционный способ измерения скорости течений по п. 1, отличающийся тем, что используют ЭАП, содержащий пьезоэлемент, узлы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
3. Многочастотный корреляционный способ измерения скорости течений по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выбирают пьезоэлемент в виде стержня, или пластины, или диска.
Справочник по гидроакустике | |||
А.П | |||
Евтютов, А.Е | |||
Колесников и др | |||
- Л.: Судостроение, 1982, с.28-29 | |||
Способ определения средней скорости и направления течения с судна | 1984 |
|
SU1224727A1 |
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ АКВАТОРИЙ | 1997 |
|
RU2134432C1 |
Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения | 2019 |
|
RU2721307C1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗВОЛНОВАННОЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ | 2011 |
|
RU2466425C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА | 2013 |
|
RU2534220C1 |
US 6282151 B1, 28.08.2001. |
Авторы
Даты
2023-05-05—Публикация
2022-10-03—Подача