Способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора и фазовый гидролокатор бокового обзора для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01S15/00 

Оиг. I

Изобретение относится к области гидрографии, в частности, к способам и техническим средствам определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, и может быть использовано для выполнения съемки рельефа дна акватории.

Известен способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, включающий излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных на расстоянии d по вертикали, измерение времени задержки тз отраженных сигналов и их фазового сдвига р в этих точках, определение направления (а) приема отраженных сигналов по формуле

&

(1)

где f- частота гидроакустического сигнала;

С - скорость распространения звука в воде.

Измерение прибором угла {fy бортовой качки носителя антенн и вычисление глубин (Z) акватории производится по формуле

Z $ sin у,

(2)

где у а + /3,

Однако данный способ имеет недостаточно высокую точность.

Это объясняется тем, что при его использовании имеет место существенная погрешность (ту)определения направления (у) прихода отраженных сигналов по измеренным значениям их фазового сдвига р в точках приема.

Значение т , исходя из формулы (1), можно вычислить по формуле

1

-(

1п)

т,

(3)

где т,- погрешность измерения р.

Так как достоверное определение направления у (без разрешения неоднозначности) возможно только лишь в случае малого разноса d антенн, не превышающего двух длин (А) волн, то возможный диапазон изменения фазового сдвига у при d Aсоставит 0-2 п.

Погрешность m j-, как видно из формулы (3), изменяется нелинейно и при т игу , а при р 2п достигает максимума и может составить 2 ггу .

Данное обстоятельство обуславливает существенную погрешность (mz) определения глубины акватории/.при использовании известного способа.

Значение mz, исходя из формулы (2). можно вычислить по формуле

10

С -t.3 mz -и- cos 9 m i

(4)

5

0

5

5

0

5

0

5

0

где у а +р.

Например, когда м/с ,7 с yK30° cos ,87 m 2 -0,0017 (ту у современных фазовых гидролокаторов бокового обзора не превышает 1°). Тогда mz составит 13 м или около 4% от величины.

Допустимая погрешность определения глубины акватории з соответствии с нормативными документами по съемке рельефа дна составляет 1% от глубины Z.

Известен также способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, выбранный в качестве прототипа, включающий одновременное излучение в сторону дна основного и вспомогательного гидроакустических сигналов, отличающихся по частоте на малую величину, и прием отраженных основных и вспомо- гательных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии d, измерение времени tc задержки прихода синфазных основных и вспомогательных сигналов с помощью двух многоканальных двухчастотных приемоиз- мерительных блоков, измерение прибором угла бортовой качки носителя антенн, определение по полученным данным направлений прихода синфазных основных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем.

Известен фазовый гидролокатор бокового обзора, выбранный в качестве прототипа устройства, который содержит первую и вторую двухчастотные антенны, расположенные по вертикали на заданном расстоянии (d), передающий блок, первый и второй двухчастотные многоканальные приемоиз- мерительные блоки, блок управления, вычислитель и регистратор, при этом выходы первой и второй двухчастотных антенн подключены соответственно к входам первого и второго двухчастотных многоканальных приемоизмерительных блоков, выход передающего блока соединен с излучающей ан- тенной, выходы первого и второго двухчастотных многоканальных приемоизмерительных блоков подключены к выходу вычислителя, выход последнего подключен к регистратору.

Недостаток способа и устройства (фазового гидролокатора бокового обзора) заключается в том, что они сложны в использовании.

Зто объясняется тем, что для повышения точности определения глубин акватории в данных технических решениях осуществляют прием отраженных гидроакустических сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на большом по сравнению с аналогом расстоянии ( Я) в несколько длин волн, и измеряют время задержки сигналов, то есть сигналов, в которых фазовый сдвиг отсутствует или кратен целому числу 2 п.

Выполнение данного действия обеспечивает высокую точность определения глубин акватории, так как при фазовом сдвиге , как видно из формулы (3), погрешность будет минимальной и равной т .

Однако в этом случае возникает необходимость в решении сложной задачи - исключении многозначности в определении направлений прихода синфазных сигналов. Для решения этой задачи при использовании первого рассматриваемого известного способа необходимо, кроме основных, выполнить дополнительно следующие сложные действия:

-принимать в третьей точке, расположенной по вертикали на вспомогательной базе на заданном расстоянии от общей точки, отраженные гидроакустические сигналы;

-измерять в третьей и основных точках время задержки прихода синфазных сигналов.

Для осуществления данных действий необходимо фазовый гидролокатор бокового обзора снабдить приемной антенной и приемоизмерительным блоком, то есть существенно усложнить структурную схему и повысить массо-габаритные характеристики фазового гидролокатора бокового обзора.

При использовании способа-прототипа для решения этой же задачи необходимо выполнять, кроме основных, следующие дополнительные действия:

-излучать вспомогательный гидроакустический сигнал на заданной частоте, отличающейся от основной;

-принимать отраженные вспомогательные сигналы (синфазные) в тех же случаях, где принимается основной синфазный сигнал;

-измерять время задержки прихода вспомогательных синфазных сигналов.

Для осуществления данных действий необходимо использовать вспомогательный фазовый гидролокатор бокового обзора. То есть для осуществления данного

способа необходимо использовать практически два фазовых гидролокатора бокового обзора, работающих на разных частотах, что и обуславливает значительную сложность в использовании способа-прототипа и

устройства-прототипа.

Цель изобретения состоит в упрощении

процесса определения глубины акватории

фазовым гидролокатором бокового обзора.

Поставленная цель достигается тем, что

в способе определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, включающем излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных

по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки прихода синфазных сигналов, угла бортовой качки носителя антенн и определение по полученным данным направлений $п прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем, измерение времени ts задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, отделяют временные задержки (tp) прихода

синфазных сигналов в случае их отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному ((9р) направлению по формуле

TPn 7Т

tb

ЖтеГ+ Г

ть cos ($pn +j3 ) sin с sin (0pn -F/TJsin (9pn -}

(5)

где n- 1.2, 3....N;

N cl/A количество расчетных направлений вр;

Ё, - генеральный угол наклона дна в полосе зондирования,

Затем определяют сходимость вычисленных Тр и измеренных tc значений по критерию (сг), вычисленному по формуле

, М-1

2, Ktpn + 1-tpn)- m 1

-(tcm-f-i-tcm)}2,

(6)

где М - количество измеренных значений tc для каждого количества М расчетных направлений 9р.

При этом последовательно изменяют начальное значение n от 1 до К N - М, а за

искомые направления прихода синфазных сигналов принимают М расчетных направлений Ор, характеризующихся минимальным значением сг.

Поставленная цель достигается также тем, что фазовый гидролокатор бокового обзора, содержащий первую и вторую антенны, расположенные по вертикали на заданном расстоянии, передающий блок, первый и второй приемоизмерительные блоки, блок управления, вычислитель и регистратор, при этом выходы первой и второй антенн подключены соответственно к входам первого и второго приемоизмеритель- ных приборов, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выход первого и второго приемоизмери- тельных блоков подключены к входу вычислителя, выход последнего подключен к регистратору, а блок управления соединен с первым и вторым приемоизмерительными блоками, передающим блоком, вычислителем и регистратором, снабжен блоком определения временных задержек прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вход которого соединен с блоком управления, а выход подключен к входу вычислителя.

Именно снабжение известного фазово- го гидролокатора бокового обзора блоком определения временных задержек прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению обеспечивает согласно способу достижение цели изобретений.

Вывод формулы (5) можно произвести следующим образом. При отсутствии генерального угла наклона дна Ј значение времени задержки tpn прихода синфазного сигнала отточки С можно вычислить по формуле

tpn

tb

sin(tfpn+Ј)

При наличии генерального угла наклона дна значение изменится на величину времени задержки tpn прихода синфазного сигнала от точки D до точки С,

В ABCD угол у 180° - ( 9Рп + /3); угол р 180° - Ј - 180° + ( Орп +р) врп +/3 - Ј Из Д BCD по теореме синусов можно записать, что

ttb COS (0pn+fi) Sing

tpn ИгГ +p)(Vpn+p-Z) (ti)

Сложив правые части формул (7) и (8),

получают формулу (5). Значение генераль510 15 20 25

30 35

4045

50

55

ного угла наклона дна Ј можно определить заранее по мелкомасштабной батиметрической карте и использовать его как постоянную величину при расчетах. Можно вычислить значение Ј по значениям измеренных временных задержек прихода синфазных сигналов с левого и правого борта носителя по известной формуле. Во всех вычислениях угол/Зимеетзнак + при крене носителя на правый борт и знак - при крене на левый борт. Угол Ј имеет знак + при увеличении глубины от правого к левому борту и знак - в обратном направлении.

Исходя из теории вероятности, наиболее приемлемым для характеристики сходимости tB и tc является критерий, вычисленный по формуле (6). Это обосновывается следующим образом. В разностях Рп + 1 tpn и tcm+1-tcm практически отсутствуют погрешности от рефракции и от распространения звука в воде, то есть эти разности возможно определить с требуемой точностью.

При сг min M значений tc и соответствующие им М значений tp отличаются на малую величину, а при сг 0 данные tc и tp равны. Это позволяет сделать вывод о том, что и М направлений вп, по которым измерены tc и М направлений врп, по которым определены tp, тоже при сг min отличаются на малую величину, а при о2 0 равны между собой. Данное обстоятельство обуславливает возможность достоверного определения направлений вп по известным расчетным направлениям вр„ согласно с заявленным способом.

На фиг. 1 схематически изображен способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора. На фиг. 2 изображена структурная схема фазового гидролокатора бокового обзора для осуществления способа.

Фазовый гидролокатор бокового обзора для осуществления заявленного способа (см. фиг. 1) содержит (см. фиг. 2) закрепленные на носителе 1, например, судне, первую 2 и вторую 3 антенны, одна из которых, например 3, приемоизлучающая, расположенные по вертикали на заданном расстоянии, передающий блок 4, первый 5 и второй 6 приемоизмерительные блоки, блок управления 7, блок 8 определения временных задержек прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вычислитель 9 и регистратор 10. При этом выходы: первый 2 и второй 3 антенн подключены соответственно к входам первого 5 и второго 6 приемоизмерительных блоков, выход

передающего блока 4 соединен с приемоиз- лучающей антенной 3, выходы первого 5 и второго 6 приемоизмерительных блоков, блока 8 определения временных задержек прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению подключены к входу вычислителя 9, выход последнего подключен к регистратору 10, а блок управления 7 соединен с первым 5 и вторым 6 приемоизмерительными блоками, предающим блоком 4, блоком 8 определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вычислителем 9 и регистратором 10.

Блок управления 7 и вычислитель 9 могут быть выполнены в виде ЭВМ типа СМ-4.

Первый вариант блока 8 определения временных задержек прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению может быть выполнен в виде последовательно соединенных первого 5 или второго 6 приемоизмерительного блока, датчика угла бортовой качки носителя и микропроцессора, реализующего формулу

tb

+

(Орп+р)

tb cos ( врп +/3) sin Ј

+

sin(6kn+/S)sin(6fen+yS-Ј)

где IB измеренное приемоизмеритель- ным блоком время задержки по направлению , т.е. по направлению, которое отличается от вертикали на минимальную величину.

Возможно также использовать в качестве данного блока 8 узколучевой эхолот или любой штатный современный эхолот судна- носителя 1.

Данный фазовый гидролокатор бокового обзора при осуществлении заявленного способа работает следующим образом.

По командным импульсам, выработанным блоком управления 7 в соответствии с управляющей программой осуществляется формирование в передающем блоке 4 акустического импульса и излучение его при- емоизлучающей антенной 3 в сторону дна, а также прием и преобразование в электрический сигнал отраженных сигналов первой 2 и второй 3 антеннами. Затем эти сигналы по командным импульсам, выработанным блоком управления 7, поступают от первой 2 и второй 3 антенн соответственно на вход первого 5 и второго 6 приемоизмерительного блока. В первом 5 и втором 6 приемоизмерительных блоках вырабатываются электрические сигналы, пропорциональные временным задержкам tc прихода отраженных синфазных сигналов, а в блоке 8 выра- батываются электрические сигналы, пропорциональные временным задержкам tp прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому

расчетному направлению врп, которые вычисляются по формуле

15

РП arcsin -ft

где п - порядковый номер расчетного направления (0, 1, 2....N),

Затем по командным импульсам, выработанным блоком управления 7, электриче0 ские сигналы, пропорциональные значениям tp и tc, поступают на вход вычислителя. В вычислителе 9 по программе опре- деляются направления прихода отраженных синфазных сигналов и искомые

5 глубины Z акватории по формуле (2).

Затем по командным сигналам, выработанным блоком управления 7, электрические сигналы, пропорциональные Z, поступают на регистратор 10.

0 Формула изобретения

1. Способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора,включающий излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и

5 прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени tc задержки синфазных сигналов, угла fi бортовой качки носителя антенн и определение по

0 полученным данным направлений вп прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем, отличаю - щ и и с я тем, что, с целью упрощения процесса определения глубин акватории 5 фазовым гидролокатором бокового обзора, измеряют время задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, определяют время tB задержки прихода тех же синфазных сигналов в слу0 чае из отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному направлению 9Р по формуле

tpn -

tb

sin(0pn+

+

+

tb cos ( врп +fi ) sin Ј sin(0pn+)sin(0pn+/S-)

где п - 1, 2, 3....N;

N - количество расчетных направлений вр:

Ј- генеральный угол наклона дна в полосе зандирования,

затем определяют сходимость вычисленных tp и измеренных tc значений по критериюо2, вычисленному по формуле

, ,

L Л ( tpn + 1 tpn) - ( tcm + 1 - tcm)r, m - 1

где М - количество измеренных значений tc, для каждого количества М расчетных направлений вр.

при этом последовательно измеряют начальное значение п от 1 до , а за искомые направления прихода синфазных сигналов принимают М расчетных направлений вр, характеризующихся минимальным значением.

2, Фазовый гидролокатор бокового обзора для определения глубин акватории, содержащий первую и вторую антенны, одна из которых приемоизлучающая, расположенные по вертикали на заданном расстоянии, передающий блок, первый и второй

приемоизмерительные блоки, блок управления, вычислитель и регистратор, при этом выходы первой и второй антенн подключены соответственно к входам первого и второго приемоизмерительных блоков, выход

передающего блока соединен с приемоиз- лучающей антенной, выходы первого и второго приемоизмерительных блоков подключены к входам вычислителя, выход последнего подключен к регистратору, а

блок управления соединен с первым и вторым приемоизмерительными блоками, передающим блоком, вычислителем и регистратором, отличающийся тем, что он снабжен блоком определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вход которого соединен с выходом блока управления, а выход подключен к входу

вычислителя.

Изобретение относится к гидрографии, в частности к способам и техническим средствам определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, и может быть использовано для выполнения съемки рельефа дна акватории. Цель изобретения - упрощение процесса определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора. Способ определения глубин акватории гидролокатором бокового обзора, включающий излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки прихода синфазных сигналов, времени задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, угла бортовой качки носителя антенн, определение расчетным путем времени задержки прихода синфазных сигналов в случае их отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному направлению и определение по полученным данным направления прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем. Фазовый гидролокатор бокового обзора для определения глубин акватории содержит функционально соединенные первую 2 и вторую 3 антенны, одна из которых приемоизлучаю- щая, передающий блок 4, первый 5 и второй 6 приемоизмерительные блоки, блок управления 7, блок 8 определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вычислитель 9 и регистратор 10. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. Ё 00 hO О О ь чэ

И

&/ I if1 Линия горизонта

Lm Профиль

рельефа, дна