ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ Советский патент 2009 года по МПК G01P3/54 

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустической техники, а именно к гидроакустическим измерителям скорости движения кораблей (абсолютным гидроакустическим лагам).

В настоящее время для измерения скорости движения корабля относительно дна, т.е. абсолютной скорости, применяются гидроакустические лаги, основанные на использовании эффекта Допплера. В этих устройствах ультразвуковая энергия излучается с корабля под заданным углом по направлению ко дну, отражается от него, и часть отраженной от дна энергии воспринимается установленной на корабле приемной антенной. При перемещении корабля относительно дна частота принимаемого сигнала отличается вследствие эффекта Допплера от частоты излучаемого сигнала. Этот допплеровсиий сдвиг (изменение) частоты является мерой скорости движения корабля. С точки зрения достижения максимальной точности измерения скорости наиболее предпочтительным является режим непрерывного излучения и, соответственно, приема отраженной от дна ультразвуковой энергии. Однако ввиду большого уровня помех прямого прохождения из излучающего тракта в приемный, а также явления объемной реверберации эффективная работа гидроакустических лагов на значительных глубинах под килем возможна лишь при импульсном излучении ультразвуковой энергии, когда во время приема излучение не производится и помехи прямого прохождения, а также сигнал объемной реверберации отсутствуют. В силу того, что время распространения ультразвуковых колебаний до дна и обратно пропорционально глубине под килем, при практическом осуществлении импульсного режима работы необходимо производить временное стробирование моментов излучения и приема в зависимости от глубины.

Существует целый ряд устройств, выполняющих данную задачу. Например, излучается узкий ультразвуковой импульс, и строб приема подстраивается под момент возвращения отраженного от дна импульса, т.е. производится временное сопровождение отраженного импульса. Известно устройство регулирования длительности излучаемых лагом импульсов, работающее по принципу следящей системы, замкнутой через среду, либо в состав гидроакустического лага дополнительно вводят канал измерения глубины (см., например, пат. США № 2257638 Н.кл. 340-3), либо используют информацию о глубине от корабельного штатного эхолота (см. а.с. № 1840743 от 4 июля 1973 г. М.кл. С01Р 3/54, положительное решение № р-22684 от 28.10.74 г.).

Из известных лагов наиболее близким по технической сущности является лаг по а.с. № 1840743.

Этот лаг содержит антенное устройство, передающее устройство, включающее в себя соединенные последовательно усилитель мощности, формирователь программы излучения и генераторное устройство, причем выход усилителя мощности подключен к антенному устройству; приемо-индикаторное устройство, соединенное с антенным устройством; соединенные последовательно триггер с раздельными входами, ключевое устройство, счетчик и дешифратор, причем выходы дешифратора соединены с передающим устройством, вход триггера, управляемый импульсом "0" эхолота соединен со входом "сброс" счетчика, а вход триггера, управляемый импульсом "H" эхолота - со входом "перепись" дешифратора; и генератор опорной частоты, подключенный ко второму входу ключевого устройства. В зависимости от времени задержки между электрическими импульсами "0" и "H", поступающими от штатного корабельного эхолота (импульс "0" соответствует моменту посылки эхолотом зондирующего звукового импульса, импульс "H" соответствует моменту прихода отраженного от дна импульса), на определенном выходе дешифратора вырабатывается электрический потенциал, используемый для включения требуемого режима излучения. До заранее заданной глубины лаг работает в режиме непрерывного излучения, на больших глубинах автоматически переходит на импульсное излучение ультразвуковой энергии, причем предусмотрено несколько импульсных режимов работы. Каждый режим излучения обеспечивает работоспособность лага в определенном диапазоне глубин.

Недостатком указанного лага является следующее. Переключения с одного режима излучения на другой происходят на определенных, заранее выбранных глубинах под килем. Вследствие неровностей морского дна и вызванных качкой вертикальных перемещений корабля, измеряемое эхолотом значение глубины под килем и, следовательно, время задержки между импульсом "0" и импульсом "H" изменяется в некоторых пределах. При плавании на глубинах под килем, близких к глубинам переключения режимов излучения лага, это приводит к частым переключениям с одного режима излучения на соседний. Каждое переключение режима излучения сопровождается сбоем в работе приемо-индикаторного устройства и тем самым нарушает его нормальное функционирование. Учитывая, что лаг имеет несколько режимов в зависимости от глубины (несколько глубин переключений), имеет место набор значений глубин под килем, на которых точность измерения скорости лагом низка.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения скорости на глубинах, близких к глубинам переключения режимов излучения лага.

Поставленная цель достигается тем, что в известный лаг введены делитель частоты с переменным коэффициентом деления, включенный между счетчиком и ключевым устройством, вход "сброс" которого соединен со входом "сброс" счетчика и многовходовое логическое устройство переключения коэффициента деления, входы которого соединены с выходами дешифратора, счетчика, входом "перепись" дешифратора и счетным входом счетчика соответственно, а выход - с управляющим входом упомянутого делителя частоты.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого лага. На фиг.2 приведена функциональная схема варианта выполнения логического устройства переключения коэффициента деления.

Предлагаемый лаг (фиг.1) содержит передающее устройство 1, включающее в себя усилитель мощности, формирователь программы излучения и генераторное устройство, приемо-индикаторное устройство 2, подключенные к антенному устройству 3, последовательную цепь из триггера 4 с раздельными входами, ключевого устройства 5, делителя частоты 6 с переменным коэффициентом деления, счетчика 7, вход "сброс" которого подключен к входу "сброс" делителя частоты 6, дешифратора 8, соединенного с передающим устройством 1, генератор 9 опорной частоты, подключенный к ключевому устройству 5, и многовходовое логическое устройство 10 переключения коэффициента деления, входы которого подключены к входу и выходам счетчика 7, к входу "перепись" и выходам дешифратора 8 соответственно, а выход - к управляющему входу делителя 6 частоты.

Передающее устройство 1 осуществляет генерирование сигнала рабочей частоты, формирование программы излучения и усиление сигнала рабочей частоты, который излучается в виде ультразвуковой волны антенным устройством 3. Отраженная от дна ультразвуковая волна преобразуется в антенном устройстве 3 в электрический сигнал. Усиление и обработка принятого сигнала осуществляется в приемо-индикаторном устройстве 2. Команды на переключение режимов излучения в зависимости от глубины вырабатываются следующим образом. В момент посылки эхолотом зондирующего импульса на один вход триггера 4 и на входы "сброс" счетчика 7 и делителя частоты 6 с переменным коэффициентом деления от эхолота поступает электрический импульс "0". Счетчик 7 и делитель частоты 6 устанавливаются в исходное "нулевое" состояние. Триггер 4 открывает ключевое устройство 5, и импульсы генератора опорной частоты 9 начинают поступать на делитель частоты 6, и после некоторого промежутка времени, необходимого для заполнения делителя частоты 6, - на счетчик 7. В момент прихода к эхолоту отраженного от дна импульса на второй вход триггера 4 и на входы "перепись" дешифратора 8 и многовходового логического устройства переключения коэффициента деления 10 поступает от эхолота электрический импульс "H". Триггер 4 запирает ключевое устройство 5, и заполнение делителя частоты 6 и счетчика 7 прекращается. Старший заполненный разряд счетчика 7 переписывается в соответствующий разряд памяти дешифратора 8. Многовходовое логическое устройство 10 вырабатывает сигнал управления коэффициентом деления делителя частоты 6.

Рассмотрим более подробно работу многовходового логического устройства 10. Заметим, что режимы излучения лага переключаются при изменении состояний триггеров памяти дешифратора 8, т.е. после поступления на счетчик 7 одного, двух, четырех, восьми и далее 2ⁿ импульсов. Для наглядности состояние триггеров счетчика 7 и триггеров памяти дешифратора 8 в зависимости от числа поступивших на счетчик импульсов приведено в таблице (для четырех разрядов). Как видно, моменту переключения режима излучения (моменту изменения состояния триггеров памяти дешифратора) всегда соответствует наличие логического "0" в предпоследнем заполненном разряде счетчика 7. По мере увеличения глубины под килем логический "0" в предпоследнем заполненном разряде счетчика будет сохраняться до достижения значения глубины, равного среднему значению для данного режима излучения, и затем сменится на логическую "1". Принцип действия логического устройства переключения коэффициента деления 10 основан на попарном сравнении состояния триггеров памяти каждого разряда дешифратора 8 с состоянием триггера предыдущего разряда счетчика 7, а состояние триггера памяти первого разряда дешифратора 8 сравнивается с состоянием выходного триггера делителя частоты 6. При наличии логической "1" на триггере памяти одного из разрядов дешифратора 8 и логической "1" на триггере предыдущего разряда счетчика 7 (или для первого разряда дешифратора 8 на выходном триггере делителя частоты 6) логическое устройство переключения коэффициента деления 10 не изменяет коэффициент деления делителя частоты с переменным коэффициентом деления 6.

Во всех других случаях логическое устройство 10 вырабатывает сигнал управления для уменьшения коэффициента деления делителя частоты 6. Таким образом, при увеличении глубины под килем и переключении на следующий режим излучения (например, за время между импульсом "0" и импульсом "H" на счетчик 7 поступило четыре импульса) в предпоследнем заполненном разряде счетчика (во втором разряде) - логический "0" и коэффициент деления делителя частоты 6 уменьшается. Частота импульсов, поступающих на счетчик 7, увеличивается и при уменьшении времени задержки между импульсами "0" и "H", вызванном уменьшением измеренного эхолотом значения глубины, число импульсов, поступивших на счетчик 7, остается достаточным (не менее четырех) для заполнения того же разряда счетчика, и обратного переключения режима излучения лага не происходит. При достижении средней для данного режима излучения глубины в предпоследнем (втором) заполненном разряде счетчика 7 логическая "1" и коэффициент деления делителя частоты 6 увеличивается до своего первоначального значения.

Таким образом, в предлагаемом лаге по сути дела переключения режимов излучения при увеличении глубины под килем происходят при одних значениях глубины (например, H₁, Н₂,…Н_n), а при уменьшении глубины - при других значениях глубины, меньше первых (т.е. H₁, H₂'…H_n' и H₁'<H₁, H₂'<H₂… H_n'<H_n).

Кол-во поступивших на счетчик импульсов Состояние триггеров счетчика и дешифратора Счетчик Дешифратор 1 разряд 2 разряд 3 разряд 4 разряд 1 разряд 2 разряд 3 разряд 4 разряд 0
1 0
1 0
0 0
0 0
0 0
1 0
0 0
0 0
0 2 0 1 0 0 0 1 0 0 3 1 1 0 0 0 1 0 0 4 0 0 1 0 0 0 1 0 5 1 0 1 0 0 0 1 0 6 0 1 1 0 0 0 1 0 7 1 1 1 0 0 0 1 0 8 0 0 0 1 0 0 0 1

Введение в лаг делителя частоты с переменным коэффициентом деления и многовходового логического устройства переключения коэффициента деления позволяет осуществлять автоматическое переключение режимов излучения лага в зависимости от глубины под килем по информации от корабельного штатного эхолота таким образом, что один и тот же режим излучения включается при различных значениях глубины под килем в зависимости от того уменьшается или увеличивается текущее значение глубины. При этом после переключения на какой-либо режим излучения незначительные изменения глубины под килем, вызванные неровностями морского дна и вертикальной качкой корабля, не приводят к переключению на соседний режим излучения. Таким образом устраняются сбои приемо-индикаторного устройства и повышается точность измерения лагом скорости движения корабля.

В качестве делителя частоты с переменным коэффициентом деления может быть использован, например, двоичный делитель частоты на триггерах, охваченный управляемой обратной связью.

Логическое устройство переключения коэффициента деления может быть выполнено, например, следующим образом (см. фиг.2). Выходы триггеров памяти дешифратора 8 собраны попарно с выходами триггеров предыдущих разрядов счетчика 7 (выход триггера памяти первого разряда дешифратора 8 собран, как указывалось выше, с выходом последнего триггера делителя частоты 6) на логические схемы И 11-15, выходы которых в свою очередь подключены к входам логической схемы ИЛИ 16. Следует заметить, что логическая "1" может быть одновременно на выходе только одной из схем И 11-15, поскольку принцип переключения режимов излучения допускает наличие логической "1" только на одном из выходов дешифратора 8. Таким образом логическая "1" может быть лишь на одном из входов схемы ИЛИ 16. Выход схемы ИЛИ 16 соединен с одним входом триггера 17 непосредственно и с другим входом этого триггера через инвертор 18. Вход "сброс" триггера 17 является входом "перепись" логического устройства 10, на него подается импульс "Н" в момент прихода к эхолоту отраженного от дна звукового импульса. Таким образом, потенциал управления коэффициентом деления делителя частоты 6 вырабатывается в момент переписи состояния счетчика 7 в дешифратор 8 (в момент прихода импульса "Н") и "запоминается" триггером 17.

Принципы построения делителя частоты с переменным коэффициентом деления и логического устройства переключения коэффициента деления позволяют использовать микроэлементную базу, отличающуюся высокой надежностью, малым электропотреблением и незначительными габаритами.

Гидроакустический лаг по авт. свид. № 1840743, дополнительно содержит делитель частоты с переменным коэффициентом деления, включенный между ключевым устройством и счетным входом счетчика, вход «сброс» которого соединен со входом «сброс» делителя. А также логическое устройство переключения коэффициента деления, входы которого подключены к выходам счетчика, дешифратора, счетному входу счетчика и входу «перепись» дешифратора, а выход - к управляющему входу делителя частоты. Технический результат - повышение точности измерения скорости на глубинах, близких к глубинам переключения режимов излучения лага. 1 табл., 2 ил.

Гидроакустический лаг по авт. свид. № 1840743, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены делитель частоты с переменным коэффициентом деления, включенный между ключевым устройством и счетным входом счетчика, вход "сброс" которого соединен со входом "сброс" делителя, и логическое устройство переключения коэффициента деления, входы которого подключены к выходам счетчика, дешифратора, счетному входу счетчика и входу "перепись" дешифратора, а выход - к управляющему входу делителя частоты.