СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ТОЛЩИН ЛЕДОВОГО ПОКРОВА Советский патент 2009 года по МПК G01N29/04 

Предлагаемое изобретение относится к области навигации, разделу гидроакустических средств подводной навигации - эхо-ледомерам, и может быть использовано на подводных лодках для обеспечения подледного плавания и безопасного всплытия через ледовый покров.

Известен способ измерения толщины ледового покрова, основанный на использовании гидростата для определения глубины погружения подводной лодки относительно поверхности воды и эхолота, направленного вверх для определения расстояния до нижней поверхности льда. По разности измеренных расстояний определяют толщину ледового покрова.

Недостатком этого способа измерения толщины ледового покрова является большая погрешность при измерении малых толщин льда, обусловленная зависимостью от атмосферного давления, величина которого, как известно, не может прогнозироваться на длительное время.

Известен фазово-импульсный способ, основанный на гидроакустическом принципе измерения малых толщин ледового покрова. В этом способе использована частотная зависимость ослабления звука в толщине льда и применяются импульсные сигналы с синусоидальным заполнением на двух широко разнесенных частотах.

Сигналы низкой частоты (порядка нескольких килогерц) служат для фиксации верхней поверхности льда, а сигналы высокой частоты (порядка сотен килогерц) - для фиксации нижней поверхности льда.

В фазово-импульсном методе измерения толщины ледового покрова различаются следующие операции:

а) формирование пачки коротких высокочастотных радиоимпульсов, длительность которой равна длительности низкочастотного импульса. При этом период высокочастотных импульсов равен периоду частоты заполнения низкочастотного импульса, причем каждый высокочастотный импульс излучается синхронно с определенным моментом фазы в периоде колебаний низкочастотного импульса;

б) при приеме эхо-сигналов низкой и высокой частоты от ледового покрова измеряется фазовый сдвиг положения высокочастотных импульсов относительно фазового положения их в периоде колебаний низкой частоты при излучении, который пропорционален толщине льда.

Недостатками этого способа измерения являются:

а) необходимость использования двух акустико-электронных трактов, каждый из которых вносит свои фазово-временные погрешности и одновременно уменьшается надежность аппаратуры;

б) использование гармонического низкочастотного сигнала для фиксации верхней поверхности льда связано с возможностью появления погрешности вследствие фазовых сдвигов в сигнале, обусловленных как дополнительными отражениями его от нижней поверхности льда по нормали, так и вследствие обратного рассеивания сигнала от ледового покрова в пределах диаграммы направленности акустической антенны;

в) необходимость создания низкочастотных акустических антенн с узкой диаграммой направленности;

г) большая зависимость погрешностей измерения от глубины погружения, крена и дифферента подводной лодки.

Целью предлагаемого изобретения являлась разработка более достоверного и надежного, а также скрытного способа измерения малых толщин молодого ледового покрова (порядка 50-100 см) по сравнению с существующими, учитывая, что скорость распространения звука в таком льду можно считать постоянной.

Предлагаемый способ обладает следующими отличительными признаками:

- излучением широкополосного квазислучайного шумового сигнала, имеющего экспоненциальный спад автокорреляционной функции,

- определением взаимокорреляционной зависимости между принятыми эхо-сигналами от нижней и верхней поверхностей льда и излученными сигналами,

- регистрацией корреляционной функции.

Сущность определяемого способа поясняется чертежами. На фиг.1а показан временной сдвиг (Δt) между реализациями шумового эхо-сигнала от нижней и верхней поверхностей льда ξ₁(t); ξ₂(t). Корреляционная функция суммарного шумового эхо-сигнала (рис.1б) будет представлять сумму соответствующих эхо-сигналам корреляционных функций В₁(τ) и B₂(τ).

Пространственно-временная корреляция определяется в общем случае тремя параметрами: скоростью распространения звука (с), направлением его распространения (cosα) и расстоянием (l), проходимым сигналами. Это видно из выражения для плоских волн

.

Измеряя функцию взаимной корреляции суммарного поля, можно разделить составляющие, связанные с расстоянием l.

Как известно, лед обладает частотной зависимостью затухания звука при его распространении, что может уменьшить степень взаимной корреляции между эхо-сигналами от верхней поверхности льда и излученными сигналами. Влиянием затухания звука при его распространении в воде можно пренебречь, учитывая малые расстояния до ледового покрова (порядка 200 метров).

Для компенсации частотной зависимости затухания звука во льду вводится регулируемая частотная коррекция усиления принятых эхо-сигналов, осуществляемая с помощью согласованного фильтра.

Периодическое подключение и отключение такой коррекции при измерениях позволит улучшить степень корреляции излучаемых сигналов с эхо-сигналами, соответственно, от верхней и нижней поверхностей ледового покрова. Введение согласованного фильтра для частотной коррекции оптимизирует прием эхо-сигналов от верхней поверхности льда, что обеспечит улучшение соотношения сигнал/помеха, в результате чего возможно уменьшение излучаемой мощности. Использование шумовых сигналов небольшой мощности по сравнению с тональными сигналами большей мощности в фазово-импульсном методе имеет преимущество с точки зрения скрытности работа эхо-ледомера.

Для улучшения разрешающей способности и исключения колебательного характера корреляционных функций необходимо сформировать спектральную плотность излучаемого шумового сигнала спадающей к верхним частотам, как это показано на фиг.1в. При этом получим экспоненциальный характер спада автокорреляционной функции. Эта операция производится при прохождении шумового сигнала через полосовой RC фильтр. Спектральное распределение мощности будет выражено

где: ω=2πf, ,

f - частота,

R₁ - последовательно включенный резистор,

R₂ и С - резистор и емкость, включенные параллельно.

При этом автокорреляционная функция шумового сигнала будет выражаться формулой

,

где τ - время задержки,

ϕ(o) - значение автокорреляционной функции при τ=0.

Предлагаемый способ измерения малых толщин молодого ледового покрова позволит использовать лишь один широкополосный низкочастотный приемо-излучающий акустико-электронный тракт, при этом за счет избирательности по когерентности при приеме эхо-сигналов и раскорреляции сигналов в пределах характеристики направленности требования к высокой направленности приемо-излучающей акустической антенны снижаются, что позволит уменьшить ее габариты.

Разрешающая способность предлагаемого способа измерения зависит, в основном, от следующих параметров аппаратуры:

а) ширина полосы квазислучайного шумового сигнала;

б) параметры и число временных отрезков (отводов) линии задержки;

в) постоянная времени интегрирования или необходимое время для снятия и регистрации корреляционной функции.

Выбором соответствующих параметров можно получить технически реализуемое устройство для измерения малых толщин молодого ледового покрова.

В качестве примера для иллюстрации предлагаемого способа на фиг.2 приведена блок-схема аппаратуры эхо-ледомера, где приняты следующие обозначения:

1 - генератор шумового квазислучайного сигнала,

2 - полосовой RC фильтр,

3 - модулятор,

4 - импульсатор,

5 - усилитель мощности,

6 - гидроакустический излучатель,

7 - измеряемый ледовый покров,

8 - приемник эхо-сигналов,

9 - усилитель принятых эхо-сигналов с периодически включаемым согласованным фильтром для частотной коррекции,

10 - широкополосная линия задержки с отводами,

11 - (от "1" до "n") - умножительные каскады,

12 - (от "1" до "n") - интегрирующие каскады,

13 - регистрирующее устройство,

14 - индикатор расстояния до нижней поверхности льда.

Шумовой сигнал с генератора шума 1 поступает через полосовой фильтр 2 в модулятор 3. При подаче с импульсатора 4 видеосигналов необходимой длительности в модулятор 3 на его выходе формируются импульсные сигналы с шумовым заполнением, которые через усилитель мощности 5 поступает на широкополосный излучатель 6 и излучаются в воду.

Эхо-сигналы от ледового покрова 7 принимаются приемником 8, усиливаются усилителем 9 с периодически включаемой частотной коррекцией, осуществляемой с помощью согласованного фильтра, и поступают в коррелятор, состоящий из широкополосной линии задержки 10 с многочисленными отводами, к каждому из которых подключены отдельные умножительный (11, 11¹, ... 11^n-1, 11ⁿ) и интегрирующий (12, 12¹ ... 12^n-1, 12ⁿ) каскады.

На умножительные каскады одновременно поступают также для перемножения сигналы с RC фильтра 2.

Сигналы с выхода умножительных каскадов 11, усредненные в интегрирующих каскадах 12 и соответствующие отдельным значениям функции корреляции, поступают в регистрирующее устройство 13.

Измеряемой толщине ледового покрова будет соответствовать временной интервал между максимумами корреляционной функции - τ, отсчет которого может производиться по известным значениям временной задержки того или иного отвода линии задержки 10 при соответствующей калибровке регистрирующего устройства.

Индикатор 14 служит, как и в других эхо-ледомерах, для определения расстояния до нижней поверхности льда при всплытии ПЛ.

Способ измерения малых толщин слоя льда из подводного положения, например, с подводной лодки, основан на измерении расстояний до нижней и верхней границ слоя льда путем излучения шумового сигнала и взаимно-корреляционной обработки отраженных от границ слоя эхо-сигналов с опорным. При этом компенсируют неравномерность затухания в слое льда различных частот эхо-сигнала, отраженного от верхней границы, путем подключения на время приема этого эхо-сигнала корректирующего фильтра на входе коррелятора. Технический результат - повышение достоверности измерений толщины слоя льда при сохранении скрытности измерений и их точности. 2 ил.

Способ измерения малых толщин слоя льда из подводного положения, например, с подводной лодки, основанный на измерении расстояний до нижней и верхней границ слоя льда путем излучения шумового сигнала и взаимно-корреляционной обработки отраженных от границ слоя эхо-сигналов с опорным, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений толщины слоя льда при сохранении скрытности измерений и их точности, компенсируют неравномерность затухания в слое льда различных частот эхо-сигнала, отраженного от верхней границы, путем подключения на время приема этого эхо-сигнала корректирующего фильтра на входе коррелятора.