Гидроакустическое устройство для определения скорости звука и угла наклона грунта Советский патент 1992 года по МПК G01C13/00 

It/i

Изобретение относится к акустическим измерениям. Цель изобретения повышение функциональных возможностей Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, расстояние между которыми равно S, блок 9 выделения (измерения) до- плеровского сдвига частоты, блок 10 авто взаимокорреляционной обработки, первое 11 и второе 13 множительные устройства, делитель 14, индикатор 15 скорости звука, блок 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 - то же

Фиг. 1

при наклонном излучении, третье 18 и четвертое 20 множительные устройства, сумматор 21, второй делитель 22, индикатор 23 угла наклона грунта. В блоке 9 путем сравнения частот излучаемой f и принимаемой измеряется доплеровский сдвиг частоты тд. В блоке 10 измеряются значения коэффициентов автовзаимокорреляции, сравниваются, определяется время, при котором значение коэффициента автокорреляции равно значению коэффициента взаимной корреляции. -В устройстве 11 формируется сигнал тдГ, который поступает в делитель 14. В другом устройстве 13 формируется сигнал sfcos 0, где в - угол наклона излучаемого сигнала к плоскости антенны, который также поступает в делитель 14. В блоке 14 определяется скорость звука в среде С путем

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано, в частности, для определения скорости звука и угла наклона грунта при исследованиях Мирового океана с подвижных и неподвижных объектов.

Известно гидроакустическое устройство, позволяющее получать информацию о наклоне поверхности дна в направлении движения судна. Устройство содержит антенну, передатчик, приемник и блок обработки информации.

Недостатком этого устройства является узкая область применения, а именно использование только с подвижного объекта и ограниченные функциональные возможности при применении.

Известно также устройство для определения скорости звука в жидкой среде содержащее две излучающе-принимающие антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик, синхронизатор, схему сброса, блоки измерения доплеровского сдвига частоты, блок автовзаимокорреляци- онной обработки, два множительных устройства, преобразователь для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала, делитель, блок индикации скорости звука в жидкой среде и соответствующие связи.

Недостатком этого устройства является также узкая область его применения, а именно невозможность определения скорости чвука с неподвижных объектов и ограни- чрнмые функциональные возможности

Цель изобретения - повышение функциональных возможностей и расширение

реализации в нем отношения sfcos в /тл г. которая индицируется в блоке 15. Кроме того, в блоке 17 формируется сигнал, пропорциональный времени прохождения до грунта и обратно при наклонном излучении ti 2D/C. где D - дальность до отражающей поверхности, а в блоке 16 - то же самое при вертикальном излучении t 2H/C, где Н - глубина. В блоке 18 формируется сигнал ticos 0, а в блоке 20 - сигнал tisin в. На выходе сумматора 21 получается сигнал t - tisin в. В итоге, в блоке 23 определяется угол наклона грунта путем реализации зависимости arctg(t - tisin Q/ticos в, которая поступает на его вход с выхода делителя 22 в виде отношения (t - tisin 6)/ticos в. Информация об угле наклона грунта индицируется в блоке 23 2 ил.

области применения, повышение точности и безопасности кораблевождения.

Поставленная цель достигается тем. что в устройстве, содержащем первую и вторую

излучающе-приемные антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик, синхронизатор, схему сброса, блок измерения доплеровского сдвига частоты, блок автовзаимно корреляционной обработки, первый блок умножения, преобразователь для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр памяти), второй блок умножения, делитель и блок индикации. Выходы блока задержки подключены

к входам первой и второй - излучающе-приемных антенн и преобразователя для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала. Входы первого и второго приемников соединены соответственно с выходами

первой и второй антенн, а выходы первого и второго приемников подключены соответственно к первым и вторым выводам блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно корреляционной обработки. Выходы синхронизатора соединены с входами передатчика, схемы сброса, с третьими выходами блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно корреляционной обработки и с первым

входом блока задержки. Выход передатчика подключен к вторым входам блока задержки и второго блока умножения и к четвертому входу блока измерения доплеровского сдвига частоты, первый и второй входы первого

блока умножения соединены соответственно с выходами блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно

корреляционной обработки, второй и третий входы делителя соединены соответственно с выходами схемы сброса и первого блока умножения, а выход делителя соединен с входом блока индикации скорости зву- ка. В устройство дополнительно введены блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выхо- дом одного из приемников и с выходом синхронизатора, а выход - с первым выходом сумматора, блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, входы которо- го соединены с выходом передатчика, с выходом того же приемника и с выходом синхронизатора, а выход - с входом третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом преобразователя для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала, соединенного, в свою очередь, с блоком задержки, и с входом четвертого блока- умножения, второй вход которого соединен с выходом преобразова- теля для получения синуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр памяти), сумматор, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, а выход - с входом второго делителя, второй вход которого соединен в свою очередь с выходом третьего блока умножения, а выход делителя - с входом блока индикации угла наклона грунта.

Техническое решение позволяет рас- ширить функциональные возможности и область применения, так как измеряет дополнительно к скорости звука угол наклона, грунта.

Измерения можно вести как с движуще- гося, так и с неподвижного объекта.

При движении приемника и излучателя звука относительно отражающей поверхности возникает эффект Доплера. На выходе приемника наблюдается эхосигнал с часто- той, отличающейся от излучаемой частоты f на величину доплеровского сдвига

fn-fcvfcosfl/C,

где / - скорость объекта (судна)

О - угол между направлением излучений звука и плоскостью излучающе-приемных антенн,

С - скорость звука в среде.

Для уменьшения влияния изменения угла в обычно используют две излучающе- приемные антенны с базой S.

При ориентации по диаметральной плоскости объекта курсовая скорость определяется по формуле

VK CfA/4fcos в.

(2)

В то же время курсовую скорость можно определить и по формуле

vK S/4T,

(3)

где т - время, при котором значение коэффициента автокорреляции равно значению коэффициента взаимной корреляции.

Для одного и того же объекта значения vK, определенные по формуле 2 и 3. равны, следовательно

Cffl/4fcos0 S/4r После преобразования С Sfcos0/fflr

При вертикальном излучении расстояние до грунта равно Н ---. где t время

между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении.

При наклонном излучении расстояние

до грунта равно D , где ti - время

между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; геометрические соотношения при измерении угла наклона грунта

Из фиг.2 после геометрических преобразователей можно получить

х Н - Dsin в, у Dcos 9, тд у х/у (6) откуда

у arctg(H - Dsin в /Dcos 0

arctg(t-tisin#/ticos0l(7)

Формулы (5) и (6) являются исходной 50 информацией для доказательства достоверности решения задачи по определению скорости звука м угла наклона грунта, причем, как видно из формулы, ограничений на получение информации по скорости движения 55 нет.

Предлагаемое устройство за счет введения в него блока измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блока измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, третьего и четвертого блоков умножения второго регистра памяти, сумматора, второго делителя и блока индикации позволяет измерять и угол наклона грунта. При этом, функции антенны, передатчика, приемника, синхронизатора, регистра памяти и блока задержки, используемые в известном устройстве сохраняют в предлагаемом устройстве свое назначение и при указанном измерении угла накло- на грунта. Таким образом, не ухудшая режима работы известного устройства, повышаются его функциональные возможности, т.е. дополнительно к функции измерения скорости звука определяется угол наклона грунта, причем с подвижного и с неподвижного объекта, что расширяет область использования устройства

На фиг.2 показана блок-схема устройства.

Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, представляющие собой линейные решетки, состоящие из отдельных преобразователей (не показаны), приемники 3 и 4, блок 5 задержки, передатчик 6, синхронизатор 7, схему 8 сброса, блок 9 выделения (измерения) доплеровского сдвига частоты, блок 10 автовзаимно корреляционной обработки, первое множительное устройство 11, преобразователь 12 для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр памяти), второе множительное устройство 13, делитель 14, индикатор 15 скорости звука в жидкой среде, блок 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, третье множительное ус/ройство 18, преобразователь 19 для получения синуса угла наклона излучаемого сигнала (второй регистр памяти), четвертое множительное устройство 20, сумматор 21, второй делитель 22, индикатор 23 угла наклона грунта. Причем, выходы первой и второй излучающе- приемных антенн 1, 2 соединены соответственно с первым 3 и вторым 4 приемниками, а входы через блок 5 задержки соединены с выходом передатчика 6, с эхо- дом блока 5 задержки, с входом схемы 8 сброса, с входом блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты и с входом блока 10 автозаимно корреляционной обработки, вторые и третьи входы которых (блоков 9 и 10) соединены соответственно с выходами приемников 3, 4. а четвертый вход блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты

соединен с выходом передатчика 6 Входы первого множительного устройства 11 соединены с выходом блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты и с выходом блока

10 автовзаимно корреляционной обработки сигналов. Вход преобразователя 12 для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала соединен с выходом блока 5 задержки, а выход - с первым входом множитель0 ного устройства 13, второй вход которого соединен с выходом передатчика 6. а третий вход предназначен для ввода масштабного коэффициента. Входы делителя 14 соединены с выходом схемы 8 сброса, с выходом

5 первого 11 и второго 13 множительных устройств, а его выход с входом блока 15 индикации скорости звука в среде Входы блока 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при

0 вертикальном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом одного из приемников 3 или 4, с выходом синхронизатора 7, а выход - с первым входом сумматора 21. Входы блока.17 измерения

5 промежутка времени между посылкой и приемом сиггнала при наклонном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом того же приемника 3 или соответственно 4 и с выходом синхронизатора 7, а

0 выход - с входом третьего множительного устройства 18, второй вход которого соединен с выходом преобразователя 12 косинуса угла наклона излучаемого сигнала, и с входом четвертого множительного устройства

5 20, второй вход которого соединен с выходом преобразователя 19 синуса угла наклона излучаемого сигнала, вход которого соединен с блоком 5 задержки. Второй вход сумматора 21 соединен с выходом четверто0 го множительного устройства 20, а выход - с входом второго делителя 22, второй вход которого соединен с выходом третьего множительного устройства 18, а выход - с входом блока 23 индикации угла наклона

5 грунта.

Устройство работает следующим образом.

Техническое решение имеет два самостоятельных канала для выработки одно0 временно информации о скорости звука в жидкой среде и об угле наклона грунта, который объединены в работе только общими блоками 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 12

С учетом этого работа канала выработки

5 информации о скорости звука в жидкой среде происходит следующим образом

При подаче питания по команде синхронизатора 7 в передатчике 6 формируется излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, при помощи которого формируется угол между направлением излучения и плоскостью антенн, подается на антенны 1 и 2. Эти антенны представляют собой линейные решетки, состоящие из отдельных преобразователей, питание к которым подается от блока 5 с небольшим сдвигом по фазе. Антенны 1 и 2 излучают сигнал в сторону отражающей поверхности. Отраженный от грунта сигнал принимают на антенны 1 и 2, с выходов которых сигнал поступает на входы приемников 3 и 4, где эхо-сигналы приводятся к виду, приемлемому для обработки в блоке 9 В блоке 9 происходит разделение сигналов, усиление, преобразование по частоте и т.д. и путем сравнения излучаемой частоты f и принимаемой частоты происходит измерение доплеровского сдвига частоты тд, значение которого передается в блок 11 Во время этого цикла работы блок 10 отключен синхронизатором 7. При следующем цикле работы блок 10 отключен синхронизатором 7 При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключаются от обработки эхо-сигналов блоки 9 и 5.

При этом передатчик 6 формирует излучаемый импульс, поступающий на антенны 1 и 2 без сдвига по фпз (за счет предварительного отключения блока 5 задержки по команде синхронизатора 7) В этом случае угол излучения 6 90°, и эхо-сигнал с выходов антенн 1 и 2 через приемники 3 и 4 поступают на входы блока 10 В блоке 10 происходит регистрация значений коэффициентов авто- и взаимной корреляции, сравнение их и определение времени г, при котором значение коэффициента автокорреляции равно значению коэффициентов взаимной коррекции Сигналы с выходов блоков 9 и 10 поступают на первый блок 11 умножения, с выхода которого сигнал вида тд т поступает на делитель 14 Одновременно на делитель 14 поступает сигнал вида sfcos в, который формируется на втором блоке 13 умножения, на входы которого в свою очередь подается масштабный коэффициент, пропорциональный базе S. частота излучаемого сигнала f с выхода передатчика 6 и cos в с выхода регистра 12 памяти, вход которого подключен к выходу блока 5 задержки. С выхода делителя 14 информация о скорости звука в жидкой среде поступает на блок 15 индикации где ее визуально и воспринимают

При следующем цикле по команде синхронизатора 7 через схему 8 сбора осуществляется сброс информации на выходе делителя 14, блоке 15 индикации и установки блоков 9 и 10 в исходное состояние для

последующих измерений Затем цикл измерений в соответствии с режимом работы синхронизатора 7 повторяется.

Работа канала выработки информации 5 об угле наклона грунта независимо от имее- мой своей скорости происходит следующим образом

При подаче питания по команде синхронизатора 7 в передатчике б формируется 10 излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, г деформируется угол 0 между на- t правлением излучения и плоскостью антенн, подается на антенны 1 и 2. Антенны 1 и 2 пой углом Ок плоскости антенн излучают

5 сигнал в сторону отражающей поверхности. Одновременно по команде синхронизатора 7 отключается блок 1б и подключается блок 17, запуск которого осуществляется передним фронтом импульса передатчика 6 От0 раженный от грунта сигнал поступает на антенны 1 и 2, с выходов которых сигнал передается на входы приемных устройств 3 и 4 С выхода одного из приемных устройств, допустим 4, сигнал поступает на вто5 рой вход блока 17, в результате чего на выходе этого блока 17 получают информацию о времени прохождения сигнала до грунта и обратно при наклонном излучении (ti 2D/C), которая передается в блоки 18

0 и 20. Одновременно при наклонном излучении в блоке 19 преобразуется угол наклона в в синус этого угла Вход этого блока 19 подключен к выходу блока 5 задержки, а выход - к входу четвертого блока 20 умно5 жения.

При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключается блок 5 и передатчик 6 формирует очередной излучаемый импульс, поступающий на антен0 ны 1 и 2, но уже без сдвига (за счет предварительного отключения блока 5 задержки по команде синхронизатора 7). Одновременно по команде синхронизатора 7 отключается блок 17 и подключается блок

5 16. на второй вход которого поступает импульс передатчика 6. На третий вход блока 16 с приемника 4 поступает отраженный сигнал, в результате чего на выходе блока 16 получают информацию о времени прохож0 дения сигнала до грунта и обратно при вертикальном излучении (t 2H/C), которая передается далее на вход сумматора 21 Затем в третьем блоке 18 умножения, на входы которого ранее поданы с выхода блока 17

5 сигнал ц и с выхода блока 12 сигнал cos 0. формируется сигнал ticos в В четвертом блоке 20 умножения, на выходы которого ранее поданы сигнал ц с выхода блока 17 и сигнал sin вс выхода блока 19, формируется

сигнал tisln 0. Далее в сумматоре 21. работающем в режиме на вычитание, входы которого подключены к выходам блоков 16 и 20. формируется сигнал t - tisln в. Выходы блоков 18 и 21 подключены на выходы второго делителя 22, который на выходе формирует сигнал в виде отношения (ti - tisln 0 )/ticos в. Зтот сигнал в блоке 23| преобразуется к виду у arctg(t - ttsln ф/ticos в и индицируется как измеренный угол наклона грунта в блоке 23.

Затем циклы измерений в соответствии с режимом работы синхронизатора 7 повторяются.

Формула изобретения Гидроакустическое устройство для определения скорости звука и угла наклона грунта, содержащее первую и вторую излучающе-приемные антенны, выходы которых соединены с первым и вторым приемниками, а входы через блок задержки соединены с выходом передатчика, синхронизатор, выходы которого соединены с входом передатчика, с входом блока задержки, с входом схемы сброса, с входом блока измерения доплеровского сдвига частоты и с входом блока автовзаимно корреляционной обработки, вторые и третьи входы которых соединены с выходами приемников, а четвертый вход блока измерения доплеровского сдвига частоты соединен с выходом передатчика, первое множительное устройство, входы которого соединены с выходом блока измерения доплеровского сдвига частоты и с выходом блока автовзаимно корреляционной обработки сигналов, второе множительное устройство, преобразователь косинуса угла наклона излучаемого сигнала, вход которого соединен с выходом блока задержки, а выход - с первым входом

второго множительного устройства, «торой вход которого соединен с выходом передатчика, а третий вход предназначен для ввода масштабного коэффициента, пропорционального базе - расстоянию между излучающе-приемными антеннами, делитель, входы которого соединены с выходом схемы сброса, с входом первого и второго множительных устройств, а его выход - с входом

блока индикации скорости звука в среде, отличающееся тем, что. с целью повышения его функциональных возможностей и расширения области применения, оно дополнительно содержит третье и четвертое множительные устройства, блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом одного из

приемников и с выходом синхронизатора, а выход - с первым входом сумматора, блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом того же приемника и с выходом синхронизатора, а выход - с входом третьего множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом преобразователя косинуса угла

наклона излучаемого сигнала и с входом четвертого множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом пре- образоёателя синуса угла наклона излучаемого сигнала, сумматор, второй

вход которого соединен, с выходом-четвертого множительного устройства, а выход - с входом второго делителя, второй вход которого соединен с выходом третьего множительного устройства, а его выход - с входом

блока индикации угла наклона грунта.