СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСТАНЦИИ ДО ЦЕЛИ Советский патент 2006 года по МПК G01S5/18 

В настоящее время в гидроакустике для определения дистанции до цели используются режим эхопеленгования, способы триангуляции, разнесенного приема и т.п.

Как известно, в основу эхопеленгования положен принцип приема энергии, отраженной от цели. Для осуществления других указанных способов необходимо наличие нескольких объектов, на которых расположены приемные акустические антенны, и связь между ними для решения, например, триангуляционной задачи.

При решении задачи измерения дистанции с помощью многих пеленгов требуется достаточно большое время, связанное с определением пеленгов при маневрировании корабля-носителя.

В случае использования способа определения дистанции по излученному спектру корабля противника в пассивном режиме требуется первоначальное решение задачи классификации цели, что невозможно осуществить, не имея данных о расстоянии до пеленгуемого корабля. Таким образом, указанные пассивные способы имеют ряд существенных недостатков, настолько сильно сужающих область их применения, что в настоящее время активный метод является по-существу единственным, применяющимся на практике.

В настоящей заявке предлагается способ определения дистанции в режиме шумопеленгования, который не связан с излучением акустической энергии в окружающее пространство, не требует использования нескольких кораблей-носителей и задача измерения дистанции решается в течение малого времени.

Перечисленные выше способы определения дистанции до цели используют полезный сигнал в виде поля давления; при этом предполагается, что поле давлений является единственным носителем полезной информации. Между тем, если определять одновременно несколько информативных волновых параметров поля, скорости распространения которых различаются по величине, то используя корреляционную технику обработки сигнала, можно определять расстояния между источником сигнала и приемной антенной по разнице времен прихода колебаний, присущих этим процессам.

Этим свойством могут обладать волновые поля собственно процессов и поля их пространственных производных при распространении в средах, обладающих дисперсией фазовой скорости. Такого рода средой является любое пространство, в котором существуют рефракционные явления, связанные с координатной зависимостью скорости распространения волн.

Эффекты такого рода могут также проявляться, в частности, в средах, имеющих границы раздела, т.е. там, где фазовая скорость распространения обладает дисперсией, связанной с наличием многомодовой структурной нормальных волн. Наиболее отчетливо физические особенности способа могут быть выяснены на простейшем примере в случае распространения звука в плоском волноводе, который и приводится ниже исключительно в целях иллюстрации предлагаемого способа.

В рассматриваемом примере сигнал от источника распространяется в среде, ограниченной двумя поверхностями, с одной стороны акустически жестким дном, а с другой - акустически мягкой поверхностью моря. В этом случае результирующий эффект можно представить в виде совокупности нормальных волн [1]. Для потенциала скорости имеем выражение

где h - глубина моря (толщина волновода);

Z; Z_o - расстояния от нижней границы до приемного элемента и источника излучения соответственно;

r - расстояние по горизонтали от источника до приемника;

- функция Ганкеля первого рода нулевого порядка.

Давление в точке поля с координатами (r; Z) определится Р=-iωρψ и может быть записано в виде

Нормальная составляющая колебательной скорости (составляющая вдоль оси Z), определяемая как запишется в виде

Разместим приемные антенны таким образом, что линейная антенна из приемников, регистрирующих V_n, расположена перпендикулярно оси Z, а антенна из приемников давления - параллельно оси Z. Тогда, учитывая, что r велико (фраунгоферова дифракция), получим выражения для выходных эффектов на антеннах. Для антенны давления имеем

и соответственно для антенны нормальной составляющей скорости

Анализ выражения (4) показывает, что наибольший вклад вносят те нормальные моды, для которых l мало, в частности моды при l=0. При увеличении номера l члены ряда убывают по крайней мере как величина . Из выражения (5) видно, что при l=0 получаем наименьший член суммы и затем происходит их возрастание более быстрое, чем по закону, пропорциональному величине l. Максимальное значение достигается при b_e≈к.

Нормальная волна распространяется со скоростью

т.е. видно, что с увеличением номера l скорость распространения возрастает. Таким образом, имеем, что выходной эффект для антенны давления будет определяться нормальными волнами с l≳0, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости звука с в неограниченной среде. Выходной эффект для антенны нормальной составляющей скорости будет определяться нормальными волнами, для которых индекс l велик (b_e≲к) и соответственно скорость их распространения будет больше с. Такое различие в скорости распространения процессов, регистрируемых на выходах двух типов антенн, является основой предлагаемого способа, физическое существо которой проявляется на этом простейшем примере наиболее отчетливо.

Аналогичная ситуация возникает в условиях распространения звука в реальных средах в том случае, когда производится одновременная регистрация двумя типами антенн - поля давления и поля его пространственных производных (например, поле колебательной скорости); фазовые скорости распространения полей различных типов оказываются различными за счет наличия дисперсии скорости звука в естественных волноводах.

На этой основе формулируется порядок определения дистанции до цели.

С помощью антенны давления и усилительно-регистрационной части схемы устанавливается контакт с целью в режиме обнаружения, определяются угловые координаты и производится сопровождение цели. После того как сигнал на выходе антенны скорости также зарегистрирован, то производится определение дистанции следующим образом.

При определении дистанции включаются блоки линии задержки на выход сумматора антенны . Сигналы с выходов линии задержки и сумматора антенны подаются на входы коррелятора и регистрируются на индикаторе. По максимуму функции пространственной корреляции между сигналами, определенными и замеряется время запаздывания τ_о=t_p-t_v сигнала в канале антенны по отношению к сигналу в канале антенны

Расстояние между источником сигнала и приемными антеннами r=c_pt_p=c_vt_v или, выражая через время запаздывания, имеем

Данная формула является основным расчетным соотношением для определения дистанции; ее практическое использование требует знания независимой информации о скоростях распространения волн давления и колебательной скорости (с_р и с_v соответственно). Эта информация может быть получена либо экспериментально путем определения координаты первого нуля функции пространственно-временной корреляции распространяющихся волн сигнала, воспринимаемого соответственно антеннами давления и колебательной скорости, либо теоретически на основе известного дисперсионного уравнения, описывающего естественный волновод.

В рассматриваемом иллюстративном примере, поскольку и соответственно

Пренебрегая квадратичным членом , поскольку h≫λ имеем

Определим величину t_v

c_vt_v-c_pt_p=0 или

Отсюда получаем, что

Учитывая сказанное, получаем выражение для определения дистанции

Вообще, как следует из выражения (6), расстояние определяется временем запаздывания и скоростями распространения нормальных волн, воспринимаемых антеннами давления С_p и колебательной скорости С_v. Оценим погрешность определения расстояния.

Из выражения (6) следует, что относительная погрешность при определении расстояния, представляется выражением

при этом предполагалось, что и погрешность определения скорости распространения нормальной волны, воспринимаемой антенной колебательной скорости по порядку величины равна погрешности скорости распространения волны, воспринимаемой антенной давления. Относительная погрешность определения скорости составляет порядка единиц процента, а

Следовательно, погрешность определения дистанции определяется погрешностью измерения скорости и не превышает 10%.

Если в рассматриваемом частном примере принимать, что достаточно существенно на выходе антенны давления будут представлены эффекты, получаемые от десяти начальных нормальных волн (при этом в случае ненаправленного излучения амплитуда десятой нормальной волны будет составлять менее 10% от волны нулевого порядка), то можно оценить погрешность определения скорости распространения.

Поскольку

Принимая конкретные значения величин, например l=10; h=1000 и λ=1,5 м, имеем

Анализ имеющихся теоретических данных по распространению волн в неоднородных средах показывает, что учет 10-20 нормальных волн при регистрации поля давления приводит к хорошему совпадению с экспериментальными результатами.

Источники информации

1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах, АН СССР, 1957.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при построении шумопеленгаторных систем различного типа. Технический результат заключается в обеспечении быстродействия и исключения априорной информации по классификационным характеристикам цели при сохранении скрытости. Способ определения дистанции до цели, пеленгуемой пассивными гидроакустическими средствами, заключается в том, что устанавливают антенну для приема колебательных скоростей взаимно перпендикулярно антенне давлений. Затем производят одновременно прием сигналов по каналам давлений и колебательных скоростей, вводят временную задержку в канал колебательной скорости. Затем находят величину задержки в этом канале, соответствующую максимальному значению функции пространственно-временной корреляции между напряжениями в обоих каналах. По найденному времени и известным значениям скоростей распространения обоих процессов в среде определяют искомую величину.

Способ определения дистанции до цели, основанный на измерении разности времени прихода шумового сигнала в двух каналах и использовании функции взаимной корреляции приходящего к приемникам шума, отличающийся тем, что, с целью обеспечения исключения априорной информации по классификационным характеристикам цели при сохранении скрытности, определяют фазовые скорости распространения волновых процессов в каждом из каналов, например, для волн звукового давления и колебательной скорости и по значениям скоростей и времени запаздывания сигналов, распространяющихся в разных каналах, находят искомую величину.