ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ЛАГ Советский патент 2008 года по МПК G01S7/52 G01P3/42 

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

В настоящее время широкое распространение получили гидроакустические лаги, основанные на использовании эффекта Допплера. В этих устройствах ультразвуковая энергия излучается с судна под фиксированными углами к вертикали по заданным направлениям. Часть энергии, рассеянной морским дном либо водной массой, возвращается к установленной на судне антенной системе. При движении судна частота принимаемого сигнала вследствие эффекта Допплера отличается от частоты излучаемого сигнала на величину, пропорциональную скорости движения. Этот допплеровский сдвиг частоты используется для измерения скорости движения корабля.

Современные лаги формируют в излучении и приеме четырехлучевую характеристику направленности, развернутую на угол δ относительно диаметральной плоскости корабля. Проекция лучей характеристики направленности на горизонтальную плоскость и проекции на эту плоскость составляющих скорости движения приведены на фиг.1. Допплеровские частоты f₁, f₂, f₃ и f₄ сигналов, принимаемых по каждому лучу, определяются следующими выражениями:

где V_x - проекция горизонтальной составляющей скорости корабля на ось x;

V_y - проекция горизонтальной составляющей скорости корабля на ось y;

c - скорость распространения звука;

f₀ - частота излучения;

α - угол между направлением излучения и вертикалью;

δ - горизонтальная проекция угла между направлением излучения и диаметральной плоскостью корабля.

Для определения составляющих скорости V_х и V_y принятые сигналы обрабатываются в соответствии с выражениями

Каждая из составляющих скорости V_x и V_y определяется по сигналам всех четырех каналов. Устройство обработки лага выполняет преобразования [(f₂-f₁)+(f₃-f₄)] и [(f₁-f₄)+(f₂-f₃)]. Величины c/8f₀sinα·sinδ и c/8f₀sinα·cosδ для выбранных значений f₀, α и δ есть величины постоянные и представляют собой масштабирующие коэффициенты.

Подобный четырехканальный лаг описан, например, в патенте США № 3.436.721, кл. 340-3. Указанный лаг содержит в приемном тракте акустическую антенну, четырехканальный усилитель, устройства, образующее сигналы с частотами, равными разности частот сигналов соседних каналов (2-го и 1-го, 2-го и 3-го, 3-го и 4-го, 1-го и 4-го) четырехканального усилительного устройства, два устройства, образующие сигналы с частотами, равными сумме частот входных сигналов, и индикаторное устройство.

Недостатком указанного лага является то обстоятельство, что при уменьшении уровня сигнала в одном из приемных каналов ниже заданного вследствие уменьшения коэффициента отражения участка дна, локального изменения условий распространения звука в среде или выхода из строя одного из усилительных каналов, отношение сигнал/шум в этом канале становится менее допустимого, и лаг начинает вырабатывать информацию о скорости движения корабля с ошибкой до 25%.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы гидроакустического лага путем автоматического перехода с вычисления скорости по сигналам всех четырех каналов при уменьшении уровня сигнала в одном из каналов ниже заданного на вычисление скорости по сигналам трех оставшихся каналов и обратного перехода при восстановлении сигнала.

Согласно изобретению указанная цель достигается введением в схему лага ряда элементов и узлов, выполняющих указанную функцию.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 изображена проекция лучей характеристики направленности на горизонтальную плоскость и проекция на эту плоскость составляющих скорости движения корабля;

на фиг.2 изображена блок-схема предлагаемого лага.

При уменьшении уровня сигнала в одном из каналов ниже заданного сохраняется возможность измерения скорости по трем оставшимся лучам. Для этого необходимо дополнительно исключить из обработки парный луч для каждой составляющей и в два раза изменить масштабирующие коэффициенты. Так, при замирании сигнала в 1-ом канале (см. фиг.1) для определения составляющей скорости V_x необходимо исключить из обработки сигнал 4-го канала и для измерения составляющей V_y исключить сигнал 2-го канала. В этом случае определение составляющих скорости движения корабля должно производиться в соответствии со следующими выражениями:

При замирании сигнала в каком-либо другом канале обработку принятых сигналов необходимо изменить аналогичным образом.

Предлагаемый лаг содержит в приемном тракте акустическую антенну 1, формирующую четырехлучевую диаграмму направленности, соединенную с четырехканальным усилителем 2. Выходы усилителя 2 подключены к четырем детекторам уровня 3, 4, 5, 6 и к дискриминатору разностных частот 7, формирующему сигналы с частотами, равными разности частот сигналов соседних каналов четырехканального усилителя. Выходы дискриминатора 7 подключены к сигнальным входам ключевых устройств 8, 9, 10, 11. Управляющие входы этих ключевых устройств соединены с выходами двухвходовых логических схем И 12, 13, 14, 15, входы которых подключены к выходам детекторов уровня 3, 4, 5, 6 следующим образом: схема И 12 подключена к выходам детекторов уровня 3 и 4, схема 13 - к выходам детекторов 4 и 5, схема 14 - к выходам детекторов 5 и 6, схема 15 - к выходам детекторов 3 и 6. Выходы ключевых устройств 8, 10 и 9, 11 подключены соответственно к частотным сумматорам 16 и 17, которые формируют сигналы с частотами, равными сумме частот входных сигналов. Выход частотного сумматора 16 соединен с делителем частоты 18 и сигнальным входом ключевого устройства 19. Выход делителя частоты 18 подключен к сигнальному входу ключевого устройства 20 с инверсным управляющим входом. Выходы ключевых устройств 19 и 20 собраны на логическую схему ИЛИ 21. Выход частотного сумматора 17 соединен с делителем частоты 22 и сигнальным входом ключевого устройства 23. Выход делителя частоты 22 подключен к сигнальному входу ключевого устройства 24 с инверсным управляющим входом. Выходы ключевых устройств 23 и 24 собраны на логическую схему ИЛИ 25. Управляющие входы ключевых устройств 19, 20, 23, 24 соединены с выходом четырехвходовой логической схемы И 26, на входы которой подключены выходы двухвходовых схем И 12, 13, 14 и 15. Выходы логических схем ИЛИ 21, 25 соединены с индикаторным устройством 27. Рассмотрим работу лага. Отраженные от дна ультразвуковые колебания преобразуются приемной акустической антенной 1 в электрические колебания, которые после усиления в четырехканальном усилителе 2 подаются на входы дискриминатора разностных частот 7. На его выходах формируются сигналы с частотами (f₂-f₁), (f₂-f₃), (f₃-f₄) и (f₁-f₄). Выходные напряжения усилителя 2 подаются на четыре детектора уровня 3, 4, 5, 6, которые вырабатывают электрические сигналы при уровне входных сигналов выше заданного.

Рассмотрим далее два случая.

а) Уровни входных сигналов во всех каналах выше заданного.

На выходах детекторов уровня 3, 4, 5, 6, а следовательно, на входах логических схем И 12, 13, 14, 15 вырабатываются электрические напряжения. Схема И представляет собой устройство, вырабатывающее потенциал на выходе при наличии потенциалов одновременно на всех входах. Напряжения с выходов логических схем И 12, 13, 14 и 15 открывают по управляющим входам ключевые устройства 8, 9, 10, 11. Сигналы с частотами (f₁-f₄) и (f₂-f₃) поступают на входы частотного сумматора 17, образующего на выходе сигнал суммарной частоты [(f₁-f₄)+(f₂-f₃)], определяющий в соответствии с выражением (5) продольную составляющую скорости корабля V_x.

Сигналы с частотами (f₂-f₁) и (f₃-f₄) поступают на входы частотного сумматора 16, образующего на выходе сигнал суммарной частоты [(f₂-f₁)+(f₃-f₄)], определяющий в соответствии с выражением (6) поперечную составляющую скорости корабля V_y. На всех входах логической схемы И 26 присутствует электрический потенциал, следовательно, вырабатывается потенциал на ее выходе, который подается на управляющие входы ключевых устройств 19, 20, 23, 24. Ключевые устройства 20 и 24 открываются при наличии потенциала на управляющих входах. Ключевые устройства 19 и 23 открываются при отсутствии потенциала на их управляющих входах. В рассматриваемом случае сигналы с выходов частотных сумматоров 16 и 17 через делители частоты 18 и 22 и ключевые устройства 20 и 24 поступают соответственно на входы логических схем ИЛИ 21 и 25, выходы которых подключены к индикаторному устройству 27. Таким образом, на входах индикаторного устройства 27 присутствуют сигналы с частотами и . В индикаторном устройстве 27 для определения составляющей скорости V_x вводится масштабирующий коэффициент c/4f₀sinα·cosδ и для определения составляющей скорости V_y - коэффициент c/4f₀sinα·sinδ и общие масштабирующие коэффициенты соответствуют выражениям (5) и (6).

б) Уровень сигнала в одном из приемных каналов менее заданного. Для определенности полагаем, что уменьшился уровень сигнала в 1-ом канале. В этом случае на выходе детектора уровня 3 и, следовательно, на одном из входов логических схем И 12 и 15 электрический потенциал становится равным нулю. Ключевые устройства 8 и 11 запираются. На вход частотного сумматора 17 поступает сигнал с частотой (f₂-f₃), на вход частотного сумматора 16 поступает сигнал с частотой (f₃-f₄). На вторые входы этих устройств сигналы не подаются.

Как видно, для измерения составляющей скорости V_x из обработки дополнительно исключается сигнал 4-го канала и для измерения составляющей V_y - сигнал 2-го канала. Потенциал на выходе логической схемы И 26 равен нулю (т.к. отсутствуют потенциалы на двух ее входах). Сигналы с выходов частотного сумматора 17 с частотой (f₂-f₃) и частотного сумматора 16 с частотой (f₃-f₄) через ключевые устройства 23 и 19 подаются на схемы ИЛИ 25 и 21. Ключевые устройства 20 и 24 запираются и деление частот сигналов делителями частоты 18 и 22 не происходит. Определение составляющих скорости корабля производится в соответствии с выражениями (7), (8). На индикаторное устройство поступают сигналы с частотами (f₂-f₃) и (f₃-f₄).

Все необходимые изменения обработки принимаемых сигналов в предлагаемом лаге осуществляются автоматически. При этом не требуется изменение масштабирующих коэффициентов.

При переходе на определение скорости движения корабля по сигналам трех каналов, каждая составляющая скорости определяется по двум лучам и тем самым сохраняются преимущества системы, отличающейся пониженной чувствительностью к качке корабля. Изменение допплеровского сдвига частоты сигнала, принимаемого по одному лучу, вызванное качкой судна, компенсируется изменением допплеровского сдвига противоположного знака сигнала, принимаемого по другому лучу.

Предлагаемый лаг отличается существенно большей вероятностью безотказной работы. Действительно, в прототипе отказ любого из четырех приемных каналов приводит к отказу всего лага, вероятность безотказной работы p₁, таким образом, равна

где а - вероятность безотказной работы одного из каналов. Для предлагаемого лага к отказу приводит одновременный выход из строя двух и более каналов, и его вероятность безотказной работы p₂ равна

Учитывая, что a≤1

Положив для примера a=0,9, высчитаем вероятности безотказной работы p₁=0,65, p₂=0,97.

Гидроакустический допплеровский лаг содержит в приемном тракте акустическую антенну с четырехлучевой характеристикой направленности, четырехканальный усилитель с детекторами уровня, дискриминатор разностных частот входных сигналов, два частотных сумматора и устройство индикации. В приемный тракт введены четыре двухвходовые логические схемы И, подключенные к выходам детекторов уровня соседних каналов, четырехвходовая логическая схема И, соединенная с выходами упомянутых двухвходовых схем И, четыре ключевые устройства, включенные между дискриминатором разностных частот соседних каналов и частотными сумматорами. Управляющие входы этих ключевых устройств соединены с выходами упомянутых двухвходовых схем И. А также два делителя частоты, соединенные с выходами частотных сумматоров, четыре ключевые устройства, два из которых соединены с выходами частотных сумматоров, а два других - с выходами упомянутых делителей частоты. Управляющие входы всех четырех ключевых устройств соединены с выходами упомянутой четырехвходовой схемы И. Кроме того, две логические схемы ИЛИ, входы одной из которых соединены с выходом двух ключевых устройств, относящихся к одному из частотных сумматоров, входы другой соединены с выходами двух ключевых устройств, относящихся к другому частотному сумматору. Выходы этих двух логических схем ИЛИ подключены к устройству индикации. Технический результат - повышение надежности за счет обеспечения работоспособности лага при наличии сигнала только в трех приемных каналах. 2 ил.

Гидроакустический допплеровский лаг, содержащий в приемном тракте акустическую антенну с четырехлучевой характеристикой направленности, четырехканальный усилитель с детекторами уровня, дискриминатор разностных частот входных сигналов, два частотных сумматора и устройство индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет обеспечения работоспособности лага при наличии сигнала только в трех приемных каналах, в приемный тракт введены четыре двухвходовые логические схемы И, подключенные к выходам детекторов уровня соседних каналов, четырехвходовая логическая схема И, соединенная с выходами упомянутых двухвходовых схем И, четыре ключевые устройства, включенные между дискриминатором разностных частот соседних каналов и частотными сумматорами, управляющие входы этих ключевых устройств соединены с выходами упомянутых двухвходовых схем И, два делителя частоты, соединенные с выходами частотных сумматоров, четыре ключевые устройства, два из которых соединены с выходами частотных сумматоров, а два других - с выходами упомянутых делителей частоты, причем управляющие входы всех четырех ключевых устройств соединены с выходом упомянутой четырехвходовой логической схемы И, и две логические схемы ИЛИ, входы одной из которых соединены с выходом двух ключевых устройств, относящихся к одному из частотных сумматоров, входы другой соединены с выходами двух ключевых устройств, относящихся к другому частотному сумматору, а выходы этих двух логических схем ИЛИ подключены к устройству индикации.