Способ измерения дальности под водой Российский патент 2025 года по МПК G10K11/18 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, для измерения малых дальностей в локальных навигационных системах при управлении движением подводных объектов.

Известны амплитудные способы измерения дальности (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. - М.: Воен. Издат., 1967.) Однако амплитудные способы измерения дальности имеют большую погрешность.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ измерения дальности, описанный в Патенте на изобретение № 2657016 Россия, МПК G01S 15/08, опубликованном 08.06.2018, Бюл. № 16.

По этому способу измерения дальности в измерительной станции первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой . При этом непрерывные колебания подают одновременно на вход передающей рамочной магнитной антенны и на вход передающего акустического преобразователя, оба из которых располагают на одном конце измерительной трассы. Таким образом, излучают в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле и акустическую волну. На другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы. При этом измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя. После чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя. При этом определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

,

где - скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.

Однако реализация указанного способа предполагает использование рамочных магнитных антенн, работающих на частотах звукового диапазона. Эффективность рамочных магнитных антенн в этом диапазоне низка и для реализации требуемого радиуса действия системы измерения дальности требуется подавать на передающую рамочную магнитную антенну сигналы мощностью порядка 100 Вт и более для реализации дальности действия до 100 м (проверено экспериментально). При этом приемная часть должна строиться по принципу прямого усиления сигнала, что не способствует получению высокой чувствительности. Кроме того, дальность действия системы также зависит от размеров рамочных магнитных антенн, чем диаметр антенн выше, тем дальность действия больше. Показатели по габаритам рамочных магнитных антенн звукового диапазона накладывают определенные ограничения на их использование в ряде случаев. Показатели энергетики реализуемой линии связи также накладывают определенные ограничения на ряд практических применений.

Целью настоящего изобретения является снижение габаритов рамочных магнитных антенн без снижения эффективности их использования, а также повышение энергетики линии связи, что способствует достижению того же радиуса действия системы измерения дальности, что и у прототипа, но при меньших мощностях, подводимых к передающей рамочной магнитной антенне.

Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения дальности под водой первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной низкой частотой звукового диапазона, при этом эти колебания подают на вход модулятора передатчика сверхдлинных или длинных или средних или коротких волн, генерирующего сигнал с высокой частотой и далее сигнал этого передатчика с высокой частотой модулированный сигналом низкой частотой звукового диапазона подают на вход передающей рамочной магнитной антенны, при этом эти же непрерывные колебания с фиксированной низкой частотой звукового диапазона подают на вход передающего акустического преобразователя, при этом передающую рамочную магнитную антенну и передающий акустический преобразователь располагают на одном конце измерительной трассы, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле высокой частоты , модулированное сигналом низкой частоты и акустическую волну с частотой , после чего на другом конце измерительной трассы модулированное переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы, после чего сигнал, принятый приемной рамочной магнитной антенной подают на вход приемника сигналов высоких частот, где его усиливают и демодулируют, в результате чего на выходе приемника сигналов высоких частот получают сигнал низкой частоты , после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемника сигналов высоких частот и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру модуляции, излучения, приема, демодуляции переменного магнитного поля и излучения и приема акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями низкой частоты, формируемыми на выходе приемника сигналов высоких частот и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

,

где - скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в снижении габаритов и массы рамочных магнитных антенн, работающих на более высоких частотах, а также снижение мощности излучения переменного магнитного поля высокой частоты передающей рамочной магнитной антенной, что можно скомпенсировать усилением сигналов высокой частоты в приемнике модулированных сигналов.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в необходимости излучения и приема переменного магнитного поля низкой частоты звукового диапазона, габариты и масса рамочных магнитных антенн должны быть существенно выше. Кроме того, по способу прототипу на приемной стороне можно использовать исключительно приемник прямого усиления, усиление которого не может быть большим, что вызывает необходимость подавать на вход передающей рамочной магнитной антенны сигнал большой мощности, порядка 100 Вт, что было проверено в реальных условиях. По заявляемому способу усиление модулированных сигналов, принятых приемной рамочной магнитной антенной, можно осуществлять в несколько миллионов раз, как это происходит, например, в супергетеродинных приемниках. Такое усиление возможно за счет преобразования частот несущей в трактах приемника и реализация парциального усиления сигналов. Высокое усиление сигналов на приемной стороне позволяет снизить излучаемую мощность на передающей стороне.

Указанный способ измерения дальности под водой можно реализовать с помощью устройства, приведенного на фиг. 1.

Устройство измерения дальности под водой состоит из генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1, передатчика сигналов высокой частоты 2, передающей рамочной магнитной антенны 3, передающего акустического преобразователя 4, приемной рамочной магнитной антенны 5, приемного акустического преобразователя 6, приемника сигналов высокой частоты 7, измерителя разности фаз 8.

Выход генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 соединен с входом модуляции передатчика сигналов высокой частоты 2, выход которого соединен с входом передающей рамочной магнитной антенны 3, при этом выход генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 соединен также с входом передающего акустического преобразователя 4, при этом выход приемной рамочной магнитной антенны 6 соединен с входом приемника сигналов высокой частоты, выход которого соединен с первым входом измерителя разности фаз 8, при этом выход приемного акустического преобразователя 6 соединен со вторым входом измерителя разности фаз 8.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

С помощью генератора непрерывных колебаний 1 первоначально генерируют непрерывные колебания с известной частотой , начальной фазой и амплитудой

. (1)

Частота этих колебаний выбирается невысокой. Значение частоты этих колебаний лежит в звуковом диапазоне длин волн. Эти колебания подают на вход модуляции передатчика высокой частоты 2 сверхдлинных или длинных или средних или коротких волн, генерирующего сигнал с высокой частотой . Модулированный сигналом низкой частоты сигнал передатчика высокой частоты подают на вход передающей рамочной магнитной антенны 3. Одновременно на вход передающего акустического преобразователя 4 подают сигнал генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1.

С помощью передающей рамочной магнитной антенны 3 излучают в направлении другого конца измерительной трассы электромагнитную волну. Теорией и практикой доказано, что электромагнитные волны очень быстро затухают при их распространении в воде, особенно в морской воде. Это неоспоримый факт. Он обусловлен наличием проводимости воды. Как только в воде формируется вектор напряженности электрического поля и на этом участке наводится ЭДС, тут же появляются токи проводимости, которые собственно и приводят к затуханию электрического поля. Далее по ходу магнитное поле не формируется и электромагнитная волна не распространяется.

Однако передающая рамочная магнитная антенна первично формирует переменное магнитное поле, не электрическое. Если учесть, что дальность связи по предполагаемому патенту мала, до сотни метров, то можно утверждать, что передающая и приемная рамочные магнитные антенны работают в своей ближней зоне и их результирующее излучаемое (принимаемое) поле является преимущественно переменным магнитным полем. Именно магнитное поле обладает известной проникающей способностью даже в проводящей среде (вспомним, что медный или алюминиевый лист не является экраном для переменного магнитного поля, для электрического поля - да, для магнитного - нет). Факт наличия проникающих способностей у переменного магнитного поля даже в водной среде, даже для относительно высоких частот многократно доказан и исследован несколькими школами (см., например, https://dzen.ru/a/Y1--6fjzoRhf55sd).

Электромагнитная или магнитная волна с частотой при распространении на расстояние от передающей рамочной магнитной антенны 2 до приемной рамочной магнитной антенны 4 получает набег фазы , где - скорость света. Однако этот набег фазы сигнала высокой частоты не имеет значения, поскольку он происходит на частоте несущей модулированного сигнала. При демодуляции этого сигнала этот набег фазы пропадает. Этот факт описан в патенте на изобретение № 2747263. Вместе с тем, можно и нужно рассматривать гипотетический набег фазы модулирующего сигнала, при его гипотетическом распространении на расстояние : . При низких частотах звукового диапазона длин волн и при малых дальностях , составляющих до сотни метров, длина волны гипотетического электромагнитного излучения с частотой оказывается много больше измеряемой дальности . При этом набегом фазы можно пренебречь и можно утверждать, что непрерывные колебания низкой частоты , формируемые на выходе приемника сигналов высокой частоты 7, являются синфазными, по отношению к непрерывным колебаниям, поступающим на вход модулятора передатчика сигналов высоких частот 2 и описываются одним и тем же выражением (1). Причем место установки передающей и приемной рамочных магнитных антенн не принципиально.

С другой стороны, с помощью передающего акустического преобразователя 3 излучают в направлении другого конца измерительной трассы акустическую волну. Акустическая волна с частотой при распространении на расстояние от передающего акустического преобразователя 3 до приемного акустического преобразователя 5 также получает свой набег фазы , где - скорость звука в среде распространения. Значением этого набега фазы пренебречь нельзя, поскольку его величина может достигать нескольких тысяч фазовых циклов величиной каждый. Таким образом, на выходе приемного акустического преобразователя 5 формируется непрерывные колебания

. (2)

Непрерывные колебания с выхода приемника сигналов высоких частот 7, описываемые выражением (1) и с выхода приемного акустического преобразователя 6, описываемые выражением (2), подают на входы измерителя разности фаз 8, на выходе которого формируют сигнал, пропорциональный разности фаз сигналов (1) и (2). Однако измеритель разности фаз 8 способен адекватно отобразить измеряемую разность фаз, если величина этой разности фаз лежит в пределах от 0 до . Другими словами измеритель разности фаз формирует сигнал, пропорциональный некоторой величине , которая связана с реальным набегом фазы соотношением

,

где - некоторое целое число, которое может достигать нескольких тысяч и более.

Для решения этой проблемы указанное измеренное значение фиксируют, после чего изменяют значение частоты непрерывных колебаний до некоторой известной величины и повторяют всю процедуру излучения и приема электромагнитных и акустических волн и вновь измеряют разность фаз непрерывных колебаний на выходе приемника сигналов высоких частот 7 и на выходе приемного акустического преобразователя 6, которую вновь фиксируют. После чего определяют разность фаз и вычисляют дальность по формуле

.

Важно при этом помнить, что изменение частоты не должно приводить к изменению разности фаз сигналов на величину бóльшую, чем . Другими словами

.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности измерения дальности под водой c высокой эффективностью. При этом габариты и масса рамочных магнитных антенн может быть снижена.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности при меньшей мощности излучения передающей рамочной магнитной антенной.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способу измерения дальности под водой на малых расстояниях. Технический результат - снижение габаритов и массы рамочных магнитных антенн без снижения эффективности их использования, а также повышение энергетики линии связи. Результат достигается тем, что предложен способ измерения дальности под водой, характеризующийся тем, что передача на вход передающей рамочной магнитной антенны опорного сигнала осуществляется посредством модуляции информационным низкочастотным сигналом сигнала передатчика высоких частот коротких волн, при этом информационный низкочастотный сигнал звукового диапазона передается через акустический канал связи, по разности фаз опорного и информационного принимаемых сигналов определяют расстояние между передающим и приемным акустическими преобразователями. 1 ил.

Способ измерения дальности под водой, характеризующийся тем, что первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной низкой частотой звукового диапазона, при этом эти колебания подают на вход модулятора передатчика коротких волн, генерирующего сигнал с высокой частотой , и далее сигнал этого передатчика с высокой частотой , модулированный сигналом низкой частотой звукового диапазона, подают на вход передающей рамочной магнитной антенны, при этом эти же непрерывные колебания с фиксированной низкой частотой звукового диапазона подают на вход передающего акустического преобразователя, при этом передающую рамочную магнитную антенну и передающий акустический преобразователь располагают на одном конце измерительной трассы и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле высокой частоты , модулированное сигналом низкой частоты , и акустическую волну с частотой , после чего на другом конце измерительной трассы модулированное переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы, после чего сигнал, принятый приемной рамочной магнитной антенной, подают на вход приемника сигналов высоких частот, где его усиливают и демодулируют, в результате чего на выходе приемника сигналов высоких частот получают сигнал низкой частоты , после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемника сигналов высоких частот и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру модуляции, излучения, приема, демодуляции переменного магнитного поля и излучения и приема акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями низкой частоты, формируемыми на выходе приемника сигналов высоких частот и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

,

где - скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.