Способ измерения дистанции гидролокатором до неподвижного объекта Российский патент 2023 года по МПК G01S11/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала гидролокатора и, в частности, повышения точности измерения дистанции при использовании тональных зондирующих сигналов.

Разрешающая способность зондирующего сигнала определяется шириной функции неопределенности по измеряемому параметру. Чем больше длительность сигнала, тем хуже разрешающая способность по дальности (Д.Е. Вакман «Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации». Сов. радио М. 1965 г., стр. 111).

Известны способы измерения дистанции, основанные на приеме эхосигнала гидролокатора на фоне шумов, преобразование акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, определении энергетического спектра электрического процесса, представляющего собой смесь электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, изложенные, например, в работе Е.С. Евтютова и В.Б. Митько «Примеры инженерных расчетов в гидроакустике», Судостроение 1981 г, стр. 77. Способ содержит спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей и обнаружение сигнала при сравнении с порогом. В момент превышения выбранного порога определяется время задержки эхосигнала и по нему высчитывается дистанция до цели с использованием оценки скорости звука.

Аналогичный способ обнаружения эхосигнала и измерения дистанции изложен в книге B.C. Бурдика «Анализ гидроакустических систем». Судостроение 1988 г. стр. 347 и содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом. По каналу с максимальной амплитудой сигнала по частоте определяется смещение спектра, которое пропорционально радиальной скорости цели, а по моменту превышения выбранного порога определяется задержка эхосигнала и дистанция до цели с использованием скорости звука.

Подобный способ приведен в «Справочнике по гидроакустике», Судостроение 1988 г. стр. 27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса. («Применение цифровой обработки сигналов», изд. Мир М. 1990 г. стр. 296). Перечисленные способы имеют точность измерения дистанции, определяемую длительностью зондирующего сигнала. Как правило, при определении дистанции используется средняя скорость звука или скорость звука на горизонте излучения. Требования, предъявляемые к гидроакустическим средствам, заключаются в обеспечении их высокой эффективности. Это достигается путем получения в данной обстановке оценки дальности, приближающейся к максимально точной. Главным препятствием при его выполнении является большая изменчивость параметров окружающей среды, к которым относится и оценка скорости звука, которая используется для определения дальности. Сигнал, распространяясь в слоистой среде, претерпевает воздействия различных факторов и на разных уровнях среды распространяется с различной скоростью. Поэтому для правильной оценки дальности до цели необходимо знать реальную скорость распространения гидроакустического сигнала по трассе, по которой прошел зондирующий сигнал и отраженный сигнал. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк «Дальность действия гидроакустических средств». Судостроение. Л. 1981 г. стр. 154).

Существуют прямые и косвенные методы определения скорости распространения звука в воде. Косвенные методы предполагают предварительное измерение температуры воды и солености воды, и дальнейший расчет по известным номограммам скорости звука. (В.А. Комляков «Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане» СПб. «Наука» 2003 г., стр. 50-87). Существуют прямые методы измерения скорости звука при использовании конкретных приборов, которые измеряют скорость звука на глубине нахождения с использованием интерферометрических методов, фазовых методов, импульсных методов и частотных методов. Эти приборы, как правило, устанавливаются на борту судна и измеряют скорость звука при погружении до определенной глубины. Для расчетов траекторий распространения сигналов используется таблицы, снятые для всех глубин и для всех морей и океанов, в которых указаны значения скоростей звука на различных глубинах. Как правило, эти значения являются устаревшими и не всегда соответствуют решаемым задачам, (стр. 98 там же). Есть разовые гидрофизические зонды, которые погружаются до дна и по мере погружения передают информацию о значении скорости звука на конкретной глубине. Этот способ является дорогим и затратным и не всегда может быть использован при решении конкретных задач. Кроме того, определение скорости звука этими методами не гарантирует реальной оценки скорости звука по трассе распространения при неизвестной глубине положения обнаруженного объекта.

Известен способ измерения дистанции по патенту РФ 2571432, опубликовано 20.12.2015, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала, измерение времени задержки между временем излучения зондирующего сигнала t_из1 и временем приема отраженного эхосигнала t_пр2, определения дистанции по формуле Д=0,5C(t_из1 - t_пр1), где С - скорость звука. В соответствии с этим способом измеряют собственную скорость движения V, излучают второй зондирующий сигнал через интервал времени Т, измеряют время излучения второго зондирующего сигнала t_из2, измеряют время приема второго эхосигнала t_пр2, определяют скорость звука при распространении по трассе по формуле C=2VT/{(t_из - t_пр) - (t_из2 - t_пр2)}, a оценку измеренной дистанции Д производят с использованием измеренной скорости звука.

Недостатком данного способа измерения дистанции является то, что для его реализации необходимо два излучения коротких зондирующих сигналов, что возможно только при работе с гидролокаторами освещения ближней обстановки, которые работают в режиме излучения коротких зондирующих сигналов постоянно на малой дальности. Существуют гидролокаторы, которые используют длительные зондирующие сигнала для обнаружения объектов на больших дистанциях. Большие длительности не позволяют получить хорошее разрешение по времени. Поэтому нельзя использовать предлагаемый способ для измерения скорости звука по трассе при применении длительных зондирующих сигналов.

Задачей изобретения является повышение точности измерения дистанции до неподвижного объекта за счет измерения скорости звука при распространении зондирующего тонального сигнала большой длительности излучения.

Техническим результатом предлагаемого решения является определение скорости звука по дистанции и повышение точности оценки дистанции по трассе распространения по одной посылке одновременно с обнаружением эхосигнала.

Для решения поставленной задачи в известный способ измерения дистанции гидролокатором до неподвижного объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала, измерение времени задержки между излучением зондирующего сигнала t_из1 и приемом отраженного эхосигнала t_пр2, измерение собственной скорости движения V, определения дистанции по формуле Д=0,5C(t_из1 - t_пр1), где С - скорость звука, введены новые операции, а именно, измеряют частоту излученного сигнала F_из, измеряют частоту принятого сигнала F_пр, определяют разность частот |F_из - F_пр|, определяют курсовой угол гидролокатора Q_гид, определяют курсовой угол на неподвижный объект Q_об, определяют разность этих курсовых углов Q, а скорость звука при расчете дистанции Д определяют по формуле С=F_из2VCosQ/(|F_из - F_пр|).

Поясним достижения получаемого результата.

Предлагаемое техническое решение по определению скорости звука основано на использовании эффекта Доплера. (Дж. Уоррен Хортон «Основы гидролокации» Л. Изд. Судостроительной промышленности. 1961 г. стр. 450-455). Согласно формуле (774) (стр. 452 там же) разность частот излученного и принятого отраженного сигналов можно записать как F_из - F_пр = F_из 2_ΔV/ С, где _ΔV - скорость сближения. В общем случае, когда курсовой угол собственного движения гидролокатора Q_гид и курсовой угол на неподвижный объект Q_об не совпадают, скорость сближения к неподвижному объекту определяется как проекция вектора скорости движения гидролокатора на направление на неподвижный объект _ΔV=VCosQ, где Q разность между этими углами, как показано на фиг. 1. Поскольку все указанные параметры могут быть определены, можно определить скорость звука как

C = F_из2VCosQ/(|F_из - F_пр|)

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведено пояснение к определению скорости сближения _ΔV, на фиг. 2 блок - схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство (фиг. 2) содержит гидролокатор 1, процессор 2 спектрального анализа и формирования характеристик направленности, процессор 3 обработки, блок 10 отображения и управления и блок 9 измерения собственной скорости и курса. Процессор 3 содержит последовательно соединенные блок 4 определения курсового угла на неподвижный объект и блок 6 определения разности углов и скорости сближения, также содержит последовательно соединенные блок 5 определения частоты эхосигнала, блок 7 определения разности частот и блок 8 определения скорости звука. Выход гидролокатора 1 соединен с процессором 2, первый выход которого соединен с блоком 4. Второй выход процессора 2 соединен с блоком 5. Блок 9 соединен со вторым входом блока 6, который по выходу соединен со вторым входом блока 8, а его выход соединен с первым входом блока 10.

Третий выход процессора 2 соединен со вторым входом блока 10, который по двум выходам соединен с гидролокатором 1 и со вторым входом блока 7.

Гидролокатор является известным устройством, который широко используется в современной гидроакустической технике (А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов «Гидролокаторы ближнего действия» Судостроение. Л. 1983 г.).

Гидроакустический измеритель собственной скорости движения блок 9 является известным устройством, которые выпускаются серийно и устанавливаются на всех современных судах (А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства». Санкт Петербург 2009 г. Изд. ЛЭТИ стр. 40 - 81).

Блоки 2 и 3 являются стандартными спецпроцессорами, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с. 281-289). Практически все указанные процедуры (блоки 4, 5, 6, 7 и 8) могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко «Цифровая обработка сигналов» СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г.).

Реализация предлагаемого способа с помощью устройства (фиг. 2) осуществляется следующим образом. По команде из блока 10 управления и отображения гидролокатор формирует и посылает зондирующий тональный сигнал. Гидролокатор принимает отраженные эхосигналы своей стандартной аппаратурой, передает в реальном масштабе времени временные реализации на блок 10 для представления оператору и передает измеренные реализации в процессор 2, где происходит измерение эхосигнала и курсового угла, определяющего направление на обнаруженный объект. В процессоре 3 обработки выделяется спектр обнаруженного объекта и курсовой угол, на котором объект обнаружен. Эти измеренные параметры, а также сведения о собственной скорости и курсе гидролокатора с блока 9 поступают в блок 6, в котором определяется разность курсовых узлов и скорость сближения. Выделенная оценка собственной скорости передается в блок 8 определения скорости звука. Со второго выхода блока 2 выделенный спектр поступает в блок 5 определения частоты эхосигнала и далее в блок 7 определения разности частот. В блоке 8 по поступившим измерениям определяется скорость звука, которая передается в блок 10 для получения оценки дистанции.

Точность измерения спектра, излученного зондирующего сигнала зависит от его длительности и может быть обеспечена современными методами обработки достаточно высокая. Погрешность измерения собственной скорости движения современными измерителями составляет величину меньше 0,01 м/с (А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства» Санкт Петербург 2009 г. Изд. ЛЭТИ стр. 48).

Предлагаемая процедура принятия решения и достаточно высокие точности измерения параметров, а следовательно, оценки скорости звука, позволит считать поставленную задачу повышения точности измерения дистанции выполненной.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала гидролокатора и, в частности, повышения точности измерения дистанции при использовании тональных зондирующих сигналов. Сущность: при реализации способа определяют изменение частоты принятого сигнала, образованного вследствие эффекта Доплера. После определения изменений частоты принятого сигнала и скорости относительного сближения с неподвижной целью можно определить скорость звука в существующих условиях. При этом способ определяет дистанцию до цели с более высокой точностью. Способ основан на излучении зондирующего сигнала, приеме эхосигнала, измерение времени задержки между излучением зондирующего сигнала и приемом отраженного эхосигнала, определения дистанции после оценки скорости звука на основании спектрального анализа принятого сигнала. Технический результат: определение скорости звука по дистанции и повышение точности оценки дистанции по трассе распространения по одной посылке одновременно с обнаружением эхосигнала. 2 ил.

Способ измерения дистанции гидролокатором до неподвижного объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала, измерение времени задержки между излучением зондирующего сигнала t_из1 и приемом отраженного эхосигнала t_пр2 измерение собственной скорости движения V, определения дистанции по формуле Д=0,5C(t_из1 - t_пр1), где С - скорость звука, отличающийся тем, что измеряют частоту излученного сигнала F_из, измеряют частоту принятого сигнала F_пр, определяют разность частот |F_из - F_пр|, определяют курсовой угол гидролокатора Q_гид, определяют курсовой угол на неподвижный объект Q_об, определяют разность этих курсовых углов Q, а скорость звука при расчете дистанции Д определяют по формуле С=F_из2VCosQ/(|F_из - F_пр|).