МНОГОУРОВНЕВАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к акустическим системам активной локации, в основе работы которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел. В данных устройствах, осуществив измерение сдвига частоты принятой рассеянной волны по отношению к частоте излученной, косвенным образом определяют как скорость перемещения носителя источника волн относительно рассеивающей поверхности, так и наоборот - скорость перемещения рассеивающей поверхности относительно источника. В предлагаемой многочастотной импульсной доплеровской навигационной системе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит выбирать необходимую скоростную чувствительность устройства, увеличить точность определения скорости судна-носителя как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды, причем, сопоставление доплеровских сдвигов для различных глубин на рабочих сигналах кратных частот между собой дает возможность дополнительно получать уточненные данные о распределении направлений и величин скоростей морских течений в звукорассеивающих слоях водной среды по глубине, т.е. исследовать в импульсном режиме тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений. Область использования - гидроакустика, метеорология, ультразвуковая диагностика.
Известна доплеровская навигационная система для измерения скорости корабля относительно дна или неподвижных объектов в воде (см. К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография. Основы и применения. - пер. с англ., Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1980. с.357-361.), содержащая генератор, соединенный с излучающим преобразователем, приемный
0.7
преобразователь, соединенный через резонансный усилитель и частотный дискриминатор с блоком вторичной обработки доплеровской информации, причем, второй вход частотного дискриминатора соединен с выходом генератора. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f, поступающий на излучающий преобразователь, формирующий в воде прямо по курсу корабля в сторону дна ультразвуковой пучок под углом  к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 θ. В соответствии с двойным эффектом Доплера дно можно рассматривать сначала как приемник, а затем как переизлучатель волн (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.215-217). Вследствие движения судна со скоростью и частота ультразвуковых колебаний волны, дошедшей до дна, будет равна
д
За время t прохождения акустическим сигналом со скоростью звука с в среде пути «излучающий преобразователь - дно - приемный преобразователь» корабль переместится на расстояние υt и эхосигнал от дна попадет на приемный преобразователь уже под углом Θ'. Частота колебаний эхосигнала, пришедшего на приемный преобразователь от поверхности дна, будет равна
2
D
D
Приемный преобразователь вырабатывает электрический сигнал с частотой f=f+f, который через резонансный усилитель поступает на первый вход частотного дискриминатора, на второй вход которого с выхода генератора подается электрический сигнал с частотой f. На выходе частотного дискриминатора вырабатывается напряжение с частотой f, подаваемое на вход блока вторичной обработки доплеровской информации
D
В рассматриваемом случае зависимость доплеровского приращения частоты f от скорости движения корабля υ имеет вид
D
откуда видно, что по доплеровскому сдвигу частот f можно измерить скорость судна υ (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62).
Разлагая (3) в степенной ряд и ограничиваясь лишь членами второго порядка малости, а также тем, что для реальных скоростей морских судов можно принять  выражение (3) примет вид
Из выражения (4) видно, что зависимость доплеровского приращения частоты от скорости движения судна носит нелинейный характер.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является малая точность косвенного измерения скорости движения судна с помощью данного однолучевого доплеровского лага, что обусловлено большими погрешностями при определении доплеровского сдвига частоты. Кроме того, существенным ограничением рассмотренного метода является отсутствие пространственного разрешения, т.е. такая доплеровская навигационная система с непрерывным излучением зондирующего сигнала не может различать эхосигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема и движущихся каждый по-своему, что не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине.
Перечислим основные причины возникновения погрешности в определении доплеровского сдвига частоты:
1) пренебрежение влиянием на величину доплеровского сдвига частоты со стороны квадратичного члена в выражении (4);
Д'
Д
2) использование приближенного равенства Θ≈Θ;
3) использование в расчетах постоянной скорости звука, хотя в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с;
0,7
4) замена телесного угла θ, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме
Д
акустических сигналов, углом Θ наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;
Д
Д
5) изменение величин углов Θ', Θ при постоянных крене и дифференте судна, а также при его качке;
6) внутри измерительного объема, образованного перекрывающимися в пространстве основными лепестками диаграмм направленности излучающей и приемной антенн, в водной среде рассеиватели двигаются как на разных удалениях от антенной системы, так и в различных направлениях с произвольными по величине скоростями, в результате чего доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов различной частоты.
Д
Для рассматриваемого лага при с=1500 м/с, Θ=60°, скорости υ=20 узлов, диапазоне изменения скорости звука в море 30 м/с, угле дифферента 3° относительные погрешности измерения доплеровского приращения частоты будут составлять в порядке их вышеуказанного перечисления соответственно 0,3%. 1%, 2%, (0,9%+0,3%), 9% (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.80-86). Рассмотрим более подробно причины возникновения погрешностей определения доплеровского сдвига частоты и, соответственно, скорости движения судна, вызываемые причинами, указанными в пункте 4.
Известно, что облучение рассеивающей поверхности коническим пучком звуковых волн приводит к расширению доплеровского спектра частот, причем, ширина этого спектра приблизительно может быть оценена из соотношения (см. Виницкий А.С. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М., Сов. Радио, 1961)
Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешности в определении доплеровского сдвига по двум причинам:
1) величина мгновенной частоты доплеровского спектра флюктуирует относительно среднего значения частоты спектра, причем, в данном случае
фл
флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна (δυ/υ) доплеровским лагом может быть оценена из соотношения (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.85)
д
D
0,7
д
где λ - доплеровская длина волны сигнала; Т - время усреднения результатов N измерений мгновенных значений частоты f пришедшего сигнала. Из (6) следует, что для уменьшения флуктуационной погрешности желательно уменьшать ширину основного лепестка θ диаграммы направленности по уровню 0,7 и длину волны доплеровского λ рассеянного сигнала при увеличении времени усреднения Т.
0,7
д
2) максимум энергии доплеровского спектра не соответствует центральной доплеровской частоте и смещен в сторону низких частот, что обусловлено имеющимися различиями как в условиях распространения излученного сигнала в направлениях крайних лучей (ближний и дальний по курсу судна проходят разные по длине трассы), так и в условиях их рассеяния дном, которое имеет угловую зависимость силы донного рассеяния. Относительная погрешность измерения скорости судна за счет деформации огибающей доплеровского спектра эхосигнала, обусловленная параметрами лага θ; Θ) и параметрами среды распространения (β - коэффициент затухания сигнала лага, χ - коэффициент обратного донного рассеяния для выбранного угла наклона акустической оси антенны, Н - глубина под килем судна), может быть оценена из соотношения
Из (7) следует, что для уменьшения погрешности смещения максимума энергии доплеровского спектра следует уменьшать ширину основного лепестка 607 диаграммы направленности по уровню 0,7 и не использовать в качестве рабочих акустические сигналы, испытывающие значительное пространственное затухание; знак (-) в правой части выражения (7) означает,
что величины измеряемой скорости движения судна будут занижены по сравнению с истинной.
Таким образом, данный однолучевой лаг неудовлетворительно работает при кренах и дифферентах судна, при его вертикальных перемещениях, имеет значительную погрешность при измерении скорости судна, не позволяет определять его поперечный относительно курса снос, отсутствует возможность выбора необходимой для изменяющихся условий лоцирования частоты зондирующего сигнала, и, соответственно, дальности действия устройства. Доплеровская навигационная система не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине в облучаемом измерительном объеме водной среды, геометрические размеры которого определяются как основным лепестком характеристики направленности, так и боковым полем приемно-излучающей антенной системы.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, излучающий и приемный преобразователи, резонансный усилитель, частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.
д
д
0.7
Известен доплеровский навигационный лаг, в котором излучение акустических волн производится вдоль диаметральной плоскости судна, в сторону носа и кормы под одним и тем же углом к горизонту Θ. (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62), содержащий генератор, соединенный с двумя излучающими преобразователями, два приемных преобразователя, соединенных через резонансные усилители с частотным дискриминатором, выход которого соединен с входом блока обработки и индикации. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f, поступающий на излучающие преобразователи, формирующие в воде в сторону дна два ультразвуковых пучка под углом Θ к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 2θ. Ультразвуковые
пучки лежат в плоскости «нос - корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от дна колебания со стороны носа и со стороны кормы поступают на соответствующие приемные преобразователи, вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно
D
2нос
2корма
Доплеровский сдвиг частот «нос - корма» в этом случае составит f=f-f и выражение для скорости движения судна запишется в виде
Данный двухлучевой доплеровский навигационный лаг обладает преимуществами перед однолучевым, так как из (10) следует линейная зависимость доплеровского частотного сдвига от скорости судна; а погрешности в определении доплеровского частотного сдвига по вышеперечисленным пунктам 1, 2, 5 практически устранены.
Однако часть причин, препятствующих достижению заявляемого технического результата и ограничивающих точность косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного двухлучевого доплеровского лага, осталась. Так, такая система тоже не может различать эхосигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема и движущихся каждый по-своему, что не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине в реальном масштабе времени.
Основные погрешности при определении доплеровского сдвига частоты для двухлучевого лага обусловлены следующими причинами:
1) использование в расчетах постоянной усредненной скорости звука (в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с);
0.7
2) замена телесного угла θ, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме
д
акустических сигналов, углом Θ наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;
3) внутри измерительных объемов в водной среде рассеиватели могут образовывать слоистые структуры, в пределах которых переноситься течением, находясь на разных удалениях от антенной системы в различных направлениях и с произвольными по величине скоростями, в результате чего доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов различной частоты, причем, пространственное разрешение слоистых структур с рассеивателями не осуществимо в данном устройстве.
Следует отметить, что относительные погрешности измерения скорости судна по этим указанным причинам имеют величины одного порядка, как для однолучевой, так и двухлучевой схем построения доплеровских лагов, причем, разработаны различные методы компенсации изменений скорости звука, что уменьшает влияние погрешности по пункту 1 (см. А.В.Богородский, Г.В.Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.60).
В то же время флуктуационная погрешность и погрешность смещения максимума энергии доплеровского спектра и для двухлучевой схемы построения доплеровского лага приводит к существенной неизменной погрешности измерения скорости судна вследствие расширения доплеровского спектра частот (см.соотношения (6) и (7)); двухлучевая схема построения лага не позволяет определять поперечный относительно курса снос судна; в данном устройстве реализован лишь режим измерения абсолютной скорости судна с использованием сигналов донной реверберации, в то время как сигналы объемной реверберации не используются для получения дополнительной информации о скорости подводных течений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, два излучающих и два приемных преобразователя, два резонансных усилителя,
частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.
Для определения не только продольной, но и поперечной составляющих скорости судна применяют четырехлучевые доплеровские системы. На крупнотоннажных судах устанавливают комбинацию четырехлучевой (ближе к носу) и двухлучевой (на корме в траверзной плоскости) систем для обеспечения, как навигационных целей, так и для определения поперечных скоростей носовой и кормовой оконечностей судна при осуществлении причаливания.
0
2нос
2корма
2лев.борт
2прав.борт
Известна доплеровская навигационная система (ДНС) JN-400, (см. А.Л.Простаков. - Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, с.184-185), содержащая генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями, четыре приемных преобразователя, соединенных через четыре резонансных усилителя попарно с двумя частотными дискриминаторами, выходы которых соединены с блоком обработки и индикации. Генератор вырабатывает высокочастотный гармонический сигнал с частотой f=1МГц, поступающий на четыре излучающих преобразователя, формирующих в водной среде в сторону дна четыре ультразвуковых пучка с углом наклона 30° к вертикали и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 около 3°. Отраженные от дна колебания поступают на приемные преобразователи, образующие вместе с излучающими пары - «нос (н)» и «корма (к)» в диаметральной плоскости судна, а также - «лев. борт (л.б.)» и «прав. борт (п.б.)» в его траверзной плоскости, что позволит определить как продольную, так и поперечную составляющие скорости судна относительно дна. Приемные преобразователи вырабатывают электрические сигналы с частотами f; f; f; f (см. соотношения (8) - (9)) и через резонансные усилители подают их на два входа каждого из двух частотных дискриминаторов, образуя два канала выделения доплеровских частот (см. соотношение (10)) - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»).
Выходы дискриминаторов соединены с блоком вторичной обработки доплеровской информации, который выдает информацию о скорости движения и угле сноса судна относительно курса.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, четыре излучающих и четыре приемных преобразователя, четыре резонансных усилителя, два частотных дискриминатора, блок вторичной обработки доплеровской информации.
В данном устройстве тоже реализован лишь режим измерения абсолютной скорости судна с использованием сигналов донной реверберации, в то время как сигналы объемной реверберации не используются для получения дополнительной информации о скорости подводных течений. Ограничения по точности (флуктуационная погрешность (6) и погрешность смещения максимума энергии (7) доплеровского спектра) косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного четырехлучевого доплеровского лага, также остались, так как их наличие и отрицательное влияние обусловлены определенной пространственной избирательностью (направленностью) находящихся в среде лоцирования интерференционных излучающих и приемных преобразователей, т.е. их способностью излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других, причем, во всех рассмотренных выше доплеровских системах среда распространения необходима лишь для переноса энергии продольной ультразвуковой волны «разрежения - сжатия» в прямом и обратном направлениях (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П.Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, с.221-223, 351).
Пространственное разрешение, т.е. способность к различению эхосигналов от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема и движущихся каждый по-своему, в рассмотренных выше доплеровских навигационных системах для измерения скорости корабля относительно дна может быть достигнуто за счет использования
и
сл
и
и
р
п
импульсного режима, который в существующих доплеровских навигационных системах используется при реализации принципа временной селекции именно для подавления объемной реверберационной помехи. В промышленных образцах доплеровских лагов преимущественно используется импульсный режим излучения с низкой частотой следования зондирующих импульсов в двух разновидностях: с постоянными и переменными длительностью и периодом следования импульсов, причем, недостатком таких систем является ограничение по минимальной глубине под килем (особенно на малых скоростях судна), так как при малых длительностях излучаемых импульсов резко ухудшается точность измерения скорости вследствие расширения доплеровского спектра эхосигналов (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение, с.154-160). Для повышения помехоустойчивости и точности измерений в гидроакустических лагах используется импульсный режим с переменными в зависимости от глубины под килем судна длительностью импульсов τ и периодом их повторения Т при постоянстве скважности Q=f(D)=2D/c. Длительность излучаемых импульсов регулируется по закону τ=f(D)=2D/c, где D - текущее значение наклонной дальности до дна, с - скорость звука в воде, т.е. излучение зондирующего импульса продолжается до тех пор пока эхо-сигнал от переднего фронта излученного импульса, отразившись от дна, не подойдет к антенне, переключаемой с этого момента на прием. При увеличении глубины под килем судна формирующие эпюру импульсного режима стробы τ, τ и τ (длительности зондирующего импульса, подавления эхосигналов объемной реверберации и приема эхосигналов донной реверберации соответственно) пропорционально растягиваются, при уменьшении глубины - сжимаются, сохраняя заданное для них соотношение (см. Гусев Н.М., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. - Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-66). Длительность приемного строба обычно равна длительности строба излучения либо несколько превышает его,
р
причем, некоторое время после окончания импульса излучения приемный тракт в известных доплеровских лагах держат закрытым с целью подавления наиболее интенсивных сигналов объемной реверберации (см. фиг.3 - эпюра изображена сплошной жирной линией) и длительность τ зависит от глубины под килем судна так же, как длительность импульсов и период их следования. Таким образом, скважность импульсов принимает значение Q>2 и выбор конкретного значения данного параметра определяется следующим - при увеличении скважности лучше осуществляется подавление реверберационной помехи, но одновременно ухудшаются условия сглаживания флуктуаций доплеровской частоты, обусловленные природой доплеровского сигнала.
1
2
3
4
1
д1
3
2
д2
4
Основной недостаток импульсного режима работы существующих доплеровских лагов - неполное использование общего времени работы лага для целей измерения доплеровской частоты, причем, для устранения этого недостатка предложено использовать многочастотный импульсный режим (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. - Л.: Судостроение, 1983, с.159), совмещающий в себе достоинство непрерывного режима излучения с точки зрения полного использования для целей измерения доплеровской частоты общего времени работы лага и преимущество импульсного режима, устраняющего реверберационную помеху. Так, излучение акустических сигналов с частотами f, f, f, f, циклически чередующихся во времени, производится непрерывно одной антенной, а прием эхосигналов в этой же последовательности - другой антенной, причем, во временной эпюре предложенного четырехчастотного импульсного режима последовательности стробов «излучение» и «прием» на данных частотах сдвинуты так друг относительно друга во времени так, что при приеме эхосигналов с частотой (f±f) излучение будет происходить на частоте f, а при приеме эхосигналов с частотой (f±f) излучение будет происходить на частоте f и т.д. Это обеспечит исключение возможности попадания сигналов с частотой
излучения в приемный тракт при постоянном наличии информационного доплеровского сигнала на измерительной схеме лага, причем, временная эпюра рассматриваемого многочастотного импульсного режима является сочетанием временных эпюр нескольких обычных импульсных режимов, сомкнутых на временной оси.
Реализация в данных устройствах режима измерения скорости течений в океане потребует кроме этого еще и применение дополнительного более высокочастотного приемно-излучающего доплеровского тракта, который работает в режиме измерения относительной скорости судна по сигналам объемной реверберации, причем, полезную информацию как о параметрах движения судна относительно воды, так и характеристиках течений в районе eго плавания можно получать с помощью сканирования приемного строба по дальности (глубине) при обработке сигналов, рассеянных близлежащими слоями водной среды (объемная реверберация). Разность значений скоростей судна относительно дна и относительно некоторого слоя рассеивателей, переносимых течением в водной среде, косвенно измеряемые с помощью двух структурно-идентичных доплеровских трактов, и дает возможность косвенного определения направления и величины скорости течения на рассматриваемой глубине. Для упрощения электронной аппаратуры данных устройств частоты излучаемых колебаний в высокочастотном и низкочастотном приемно-излучающих трактах целесообразно выбирать кратными (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. - Л.: Судостроение, 1983, с.224).
Между тем, известно, что водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной ультразвуковой волны различных нелинейных эффектов (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438-441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного
зондирующего сигнала накачки с частотой f, что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f, ... nf. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи, с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Анализируя представленную выше информацию о формирующихся полигармонических волновых нолях акустических локационных сигналов кратных частот f,2f,3f,...,nf можно сделать вывод о том, что с их использованием можно разработать многочастотную импульсную доплеровскую навигационную систему, в которой дополнительно возможно получение данных о тонкой структуре распределения скорости течений по глубине в реальном масштабе времени на ходу судна-носителя аппаратуры.
-
2
1
1
2
Нелинейные эффекты в звуковых полях большой амплитуды и различные вопросы их технического применения обсуждались в литературе (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации.- Л. Судостроение, 1990, - 256 с; Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д; Ростиздат, 2004. - 400 с), в частности, рассматривалось применение низкочастотной волны разностной частоты F=|f-f|, образующейся при нелинейном взаимодействии двух исходных мощных волн накачки с близкими частотами f, f, для построения доплеровских лагов (см. Виноградов К.А. Абсолютный гидроакустический лаг Parametric Array
1.2
+
1
2
Doppler Sonar (PADS) фирмы "Sperry Marine Systems". Судостроение за рубежом, 1977, №1 1(131), с.87-91), однако, дополнительное использование для описанных выше целей вторичных высокочастотных акустических сигналов вторых гармоник 2f, сигнала суммарной частоты f=f+f и т.д. является новым и перспективным направлением модернизации существующих доплеровских навигационных систем.
0,7(nf)
БП(nf)
0.7(f)
БП(ƒ)
0.7(2f)
БП(f)
0,7(3f)
БП(3f)
БП(3f)теор
Известны результаты теоретического и экспериментального исследований пространственных характеристик акустических полей сигналов основной частоты f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц, формирующихся в пресной воде при работе преобразователя поршневого типа диаметром 76 мм (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков //Акустика морских осадков/ Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227-273). Из множества данных приведенных в данном  источнике рассмотрим следующие: - на удалении 102 метра от преобразователя угловое распределение амплитуд звукового давления для этих сигналов, характеризуемое шириной главного максимума излучения по уровню половинной мощности θ и максимальным уровнем бокового поля излучения Р, имело величины: - для сигнала основной частоты ƒ=450 кГц θ=4,2° и Р=-12 дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±5°) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 3,98 раза); - для сигнала второй гармоники 2ƒ=900 кГц, θ=2,9° и Р=-22 дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4,5°) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 12,9 раза); - для сигнала третьей гармоники 3ƒ=1350 кГц θ=2,6° и Р экспериментально не зарегистрирован, в то время как расчетное значение Р=-32 дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4°) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 39,8 раз); на удалении 102 метра от преобразователя на его акустической оси звуковые давления для рассматриваемых сигналов составили соответственно 79320 Па, 14100 Па и
640 Па. В предлагаемой многочастотной импульсной доплеровской навигационной системе излучение зондирующего акустического сигнала конечной амплитуды осуществляется на частоте f, а в нелинейной среде происходит генерация высших гармонических компонент с частотами 2f,3f,...nf, амплитуды которых вблизи излучающей антенны еще невелики, что обусловливает незначительность маскирующей реверберационной помехи при работе на данных сигналах и позволяет одновременно с излучением cигнала с частотой f производить прием эхосигналов на частотах 2f,3f,...,nf.
Таким образом, вследствие нелинейной генерации в водной среде высших гармоник мощного излученного сигнала появляется возможность расширения рабочего  диапазона частот доплеровских навигационных систем, причем, высокая эффективность генерации данных сигналов, кратность частот и фазовая связь компонент в совокупности с отмеченными выше пространственными характеристиками при соответствующей обработке в n-канальном приемном тракте дает возможность обеспечения достаточной разрешающей способности устройства по времени (дальности), направлению прихода сигналов (угловые координаты) и частоте (радиальная скорость движения объектов) при анализе информативных эхосигналов как донной, так и объемной реверберации..
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей доплеровских навигационных систем за счет возможности осуществлении исследований в импульсном режиме тонкой структуры пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений при возможности выбора оптимальной скоростной чувствительности и разрешающей способности по скорости на формирующихся в водной среде рабочих сигналах кратных частот - высших гармониках мощного сигнала конечной амплитуды.
Технический результат достигается тем, что в известную доплеровскую навигационную систему для обеспечения мощного импульсного режима работы, возможности выбора оптимальной скоростной чувствительности и
разрешающей способности по скорости на формирующихся в водной среде рабочих сигналах кратных частот - высших гармониках мощного сигнала конечной амплитуды и осуществления сканирования приемного строба по дальности (глубине), что обеспечит получение профиля скорости течений одновременно в четырех направлениях («нос (н)» и «корма (к)» в диаметральной плоскости судна, а также - «лев. борт (л.б.)» и «прав. борт (п.б.)» в его траверзной плоскости), введены:
в излучающий тракт - импульсный модулятор и усилитель мощности, установленные между генератором и излучающими преобразователями;
в устройства первичной обработки информации:
- 4(n-1) резонансных стробируемых усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f,3f,...nf), включенные параллельно четырем резонансным стробируемым усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт») направлений, причем, входы данных резонансных стробируемых усилителей (н., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных стробируемых усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f,3f,...nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно с входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, здесь n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды;
- восемь n-входовых аналоговых ключа (по два на каждое направление - «нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), выходы которых соединены с двумя входами четырех дополнительных частотных дискриминаторов (по одному на каждое направление - «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), выходы которых соединены с дополнительными входами блока вторичной обработки информации, а n входов первого из аналоговых ключей во всех
четырех каналах соединены с выходами n соответствующих резонансных стробируемых усилителей, в то время как n входов второго из аналоговых ключей во всех четырех каналах соединены с генератором как напрямую, так и через (n-1) дополнительно введенных умножителя частоты с коэффициентами (×2,×3,...,×n),
и
р
п
1c
ic
kc
- блок управления, соединенный с управляющими входами таких блоков как импульсный модулятор, 4n стробируемых резонансных усилителей с частотами настройки f,2f,3f,...,nf,, восемь аналоговых ключей, что позволяет регулировать временные стробы τ, τ и τ импульсного режима как вручную, так и автоматически (а также регулировать параметры приемных стробов τ,...τ,... τ на сигналах с частотами 2f,3f,...,nf и скорость их сканирования в заданном диапазоне), осуществлять синхронизацию и контроль работы устройств первичной обработки информации предлагаемой системы.
Для достижения технического результата в доплеровскую навигационную систему, содержащую генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями (н., к., л.б., п.б.), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), соединенными через четыре резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f с двумя входами двух частотных дискриминаторов таким образом, что образуются два канала выделения доплеровских частот - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»), а выходы частотных дискриминаторов соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, дополнительно введены
в излучающий тракт - импульсный модулятор и усилитель мощности, установленные между генератором и излучающими преобразователями;
в устройства первичной обработки информации:
- 4(n-1) резонансных стробируемых усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f,3f,...nf), включенные параллельно четырем
резонансным стробируемым усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт») направлений, причем, входы данных усилителей (п., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных стробируемых усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f,3f,...nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно с входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, здесь n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды;
- восемь n-входовых аналоговых ключа (по два на каждое направление - «нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), выходы которых соединены с двумя входами четырех дополнительных частотных дискриминаторов (по одному на каждое направление - «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), выходы которых соединены с дополнительными входами блока вторичной обработки информации, а n входов первого из аналоговых ключей во всех четырех каналах соединены с выходами n соответствующих резонансных стробируемых усилителей, в то время как n входов второго из аналоговых ключей во всех четырех каналах соединены с генератором как напрямую, так и через (n-1) дополнительно введенных умножителя частоты с коэффициентами (×2,×3,...,×n),
и
р
п
1с
ic
kc
- блок управления, соединенный с управляющими входами таких блоков как импульсный модулятор, 4n стробируемых резонансных усилителей с частотами настройки f,2f,3f,...nf,, восемь аналоговых ключей, что позволяет регулировать временные стробы τ τ и τ импульсного режима как вручную, так и автоматически (а также регулировать параметры приемных стробов τ,...τ,...τ на сигналах с частотами 2f,3f,...,nf и скорость их сканирования в заданном диапазоне),
осуществлять синхронизацию и контроль работы устройств первичной обработки информации предлагаемой системы.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны: фиг.1 - структурная схема заявляемого устройства, фиг.2 - ориентация лучей в диаметральном направлении судна-носителя многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы и их прохождение через модель слоистой водной среды; фиг.3 - временная эпюра импульсного режима работы предлагаемой многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы (эпюра, изображенная сплошной жирной линией, - используется для сигнала с частотой f, а изображенная пунктиром - для сигналов с частотами 2f,3f,...,nf).
д
Многочастотная импульсная доплеровская навигационная система содержит генератор 1, соединенный через импульсный модулятор 2 и усилитель мощности 3 с четырьмя излучающими преобразователями 4 («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями 5 («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), причем, излучающие и приемные преобразователя расположены попарно («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт») и установлены таким образом, чтобы осуществлять излучение и прием ультразвуковых колебаний под углом Θ к горизонту как вперед («нос»), так и назад («корма») относительно курса судна в его диаметральной плоскости, а также как влево («лев. борт»), так и вправо («прав. борт») относительно курса судна в его траверзной плоскости. Приемные преобразователи 5 («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт») соединены с входами 4n резонансных усилителей 6,7,...8, настроенных соответственно на частоты f,2f,...nf; причем, выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки f,2f,...nf и попарно с указанных направлений («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт») соединены со входами 2n частотных дискриминаторов (направление «нос» и «корма» и направление «лев. борт» и «прав. борт» - частотные
дискриминаторы 9,10,...,11), выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации 17.
0.7(f)
д
Работа многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы, установленной на движущемся со скоростью υ относительно дна, судне происходит следующим образом. Генератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал частотой f, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора 2, на управляющий вход которого поступают с блока управления 18 периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с частотой заполнения f поступают через усилитель мощности 3 на акустические преобразователи 4 четырех каналов («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), которые излучают в сторону дна (вперед, назад, влево, вправо относительно направления «нос - корма») акустические пучки с шириной главного максимума по уровню 0,7 θ, наклоненные на угол Θ относительно горизонта. Ультразвуковые колебания распространяются в водной среде, обладающей нелинейностью упругих характеристик, причем, при распространении в среде акустические сигналы конечной амплитуды испытывают накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f,3f,...nf излученных сигналов с частотой f.
Неоднородности водной среды и ее границ (дно и поверхность) обусловливают появление полей рассеяния ультразвука, которые в месте расположения приемно-излучающей антенной системы, создают эффект, называемый реверберацией, которую подразделяют на три вида: объемную, определяемую рассеянием звука на распределенных по всему объему воды рассеивателях (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), которые могут образовывать геометрические области в водной среде, называемые рассеивающими слоями, в некоторых случаях рассеивающий слой также может возникать при
локализации в пределах некоторой области физических условий, обусловливающих случайное в пространстве-времени отклонение характеристик среды (температуры, солености, скорости течений) от средних значений, что влечет за собой случайные отклонения скорости звука и как следствие - рассеяние на объемных статистических неоднородностях (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е.Колесникова. - Л.: Судостроение, 1989, с.180); поверхностную, обусловленную рассеянием звука водной поверхностью и неоднородностями в приповерхностном слое; донную, характеризующуюся рассеянием от неровностей дна, причем, в нашем случае наиболее актуальны первый и третий виды.
1с
2с
3c
ic
kc
D(f)iсл
D(2f)iсл
D(nf)iсл
i рез
i сл
Полигармонические волновые поля акустических локационных сигналов кратных частот f,2f,3f,...,nf распространяются через данную слоистую структуру водной среды (см. фиг.2 для диаметрального направления «нос»-«корма»), содержащую в каждом слое отражающие волны объекты как с различной концентрацией и различного происхождения (газовые пузыри, биомассу - водоросли, рыбы, планктон), так и случайным образом расположенные в к слоях и движущиеся со скоростями υ,υ,υ,...,υ,υ вместе с течениями слоев в указанных направлениях «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт» на данных глубинах, отражаются от движущихся с разными скоростями слоев водной структуры, претерпевая для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты (±f), (±f),...(±f), где (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения корабля - приближению или удалению рассеивателей, а также о значении скорости корабля υ=υ±υ относительно рассеивающих объектов в каждом i-том рассеивающем горизонтальном слое (где i изменяется в пределах от 1 до к) четырех водных измерительных объемов, озвучиваемых акустическими преобразователями 4 в четырех направлениях («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), а также достигают дна по всем четырем
D(f)дон
D(2f)дон
D(nf)дон
направлениям и отражаются от него, также претерпевая для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты (±f), (±f),...(±f), где (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения корабля - приближению или удалению рассеивателей на донной поверхности, а также о значении абсолютной скорости корабля υ, относительно рассеивающих объектов на озвучиваемой четырьмя акустическими пучками участках донной поверхности в четырех направлениях («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»). Учитывая физические особенности нелинейной генерации и распространения акустических сигналов высших гармоник, состоящие в том, что максимальная амплитуда звукового давления сформировавшейся n-ной гармоники обратно пропорциональна ее номеру n, а пространственное затухание данных волновых процессов в водной среде пропорционально второй степени частоты сигнала, наибольшая дальность действия устройства будет обеспечена при работе на сигнале основной частоты f, а наименьшая - на частоте наивысшей используемой гармоники nf. Это обусловит использование для измерения абсолютной скорости корабля υ относительно рассеивающий донной поверхности преимущественно сигнала основной частоты f и исключение сканирования приемного строба по дальности в этом канале во избежание потери акустического контакта с дном, в то время как в других более высокочастотных каналах режим измерения относительной скорости по сигналам объемной реверберации при сканировании приемного строба по дальности и длительности может дать требуемый результат - возможность точного косвенного определения направления и величины скорости течений на рассматриваемых глубинах.
Ниже рассмотрим работу только диаметрального канала выделения доплеровских частот, так как функционирование траверзного канала полностью аналогично. Ультразвуковые пучки лежат в плоскости «нос -корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в
противоположную сторону. Отраженные от движущихся с разными скоростями горизонтальных слоев структуры водной среды и донной поверхности колебания со стороны носа и со стороны кормы (см. фиг.2) поступают на соответствующие приемные преобразователи 5 («нос», «корма»), вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно
а также
которые обрабатываются в соответствующих n-канальных приемных трактах диаметрального канала.
iсл
Внутри измерительного объема, геометрические размеры которого определяются направленностью приемно-излучающей антенной системы и длительностью излучаемого импульса, в слоистой водной среде рассеиватели могут двигаться на разных удалениях от антенной системы в различных направлениях и с произвольными по величине скоростями (±υ) в каждом i-том рассеивающем горизонтальном слое (где i изменяется в пределах от 1
до к), в результате чего доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов различной частоты, т.е. имеет сплошной спектр, а облучение рассеивающей донной поверхности коническим пучком звуковых волн приводит также к расширению доплеровского спектра частот, причем, как то так и другое расширение спектра приблизительно может быть оценено из соотношения (5) при условии подстановки соответствующих значений скоростей судна относительно горизонтальных рассеивающих слоев и донной поверхности. Режим измерения абсолютной скорости судна с использованием сигналов донной реверберации может быть реализован для любых рабочих сигналов кратных частот f,2f,3f,...,nf при условии выполнения требований к известным импульсным доплеровским навигационным устройствам (см. Гусев H.M., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. - Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-66).
i
iрез
iсл
Для пространственного разрешения отдельных слоев водной структуры, т.е. приема и обработки эхосигналов от движущихся со скоростью υ рассеивателей, расположенных в интересующем i-том слое озвученного водного объема, в двух n-канальных приемных трактах («нос», «корма») диаметрального канала выделения доплеровских частот предусмотрено согласованное сканирование приемного строба по дальности (глубине) на частотах высших гармоник 2f,3f,...,nf, что обеспечит получение (n-1) зависимостей скорости корабля υ=υ±υ относительно распределенных рассеивателей в слоистой водной среде в определенном диапазоне глубин. Это является существенным отличием предлагаемого устройства от известных импульсных доплеровских лагов.
1c
ic
kc
сл
Изменяя относительно начала излучения сигнала конечной амплитуды задержку приемного строба фиксированной ширины τ=...=τ=...=τ в пределах интересующей части периода следования импульсов Т (см. фиг.3), можно равномерно изменять дальность локации и непрерывно регистрируя изменение доплеровского сдвига частот на сформировавшихся в водной
iрез
iс н-к
среде акустических сигналах высших гармоник 2f,3f,...,nf, косвенным образом получить зависимости усредненной относительной скорости судна υ=υ±υ  в необходимом интервале глубин для направления «нос»-«корма».
iсл
iрез
iсл
ic
С этой целью электрические сигналы с частотами (11)-(16), выработанные акустическими преобразователями 5 («нос», «корма»), подаются на сигнальные входы двух резонансных стробируемых усилителей 6, настроенных соответственно на частоты f, а также на сигнальные входы 2(n-1) стробируемых резонансных усилителей 7,...8, настроенных соответственно на частоты 2f,3f,...,nf. Изменяя с помощью блока управления 18 величину задержки времени приемного строба относительно излучаемого акустическими преобразователями 4 импульсного сигнала конечной амплитуды, для двух направлений («нос», «корма»), можно выбирать глубину локации, а изменяя ширину приемного строба - регулировать величину измерительного объема рассеивателей, заключенных в движущемся слое водной массы. Это позволит с помощью предлагаемого устройства на кратных рабочих частотах высших гармоник, последовательно перемещая измерительный объем вдоль оси пучков в указанных направлениях, косвенным образом измерять распределение абсолютных скоростей течений (±υ) для различных слоев водной среды как разность значений результирующей скорости корабля υ=υ±υ относительно i-того рассеивающего горизонтального слоя и абсолютной скорости υ корабля относительно рассеивающий донной поверхности, зарегистрировав соответствующие доплеровские сдвиги частот в последовательности эхосигналов от них. Соответствующие сигналы (см. фиг.3) с блока управления 18 для этой цели подаются на управляющие входы 2(n-1) стробируемых резонансных усилителей 7,...8 данных двух направлений («нос», «корма»), настроенных соответственно на частоты 2f,...nf, причем, указанные выше параметры стробирования (ширина приемного строба τ и скорость его перемещения в заданном диапазоне дальностей) для каждой
частоты 2f,...,nf могут быть выбраны различными, но для получения усредненной скорости движения судна относительно i-того рассеивающего горизонтального слоя на одной частоте (2f или 3f...или nf) и двух направлений («нос», «корма») должны быть идентичны и согласованны (т.е. измерительный водный объем одинаков по обоим направлениям для одной и той же частоты, находится в одном слое и параметры сканирования приемных стробов одинаковы). Расфильтрованные и усиленные электрические сигналы с выходов резонансных усилителей 6,7,...8 поступают указанными парами - [см. соотношения (11),(12),...(13) и (14),(15),(16)] на частотные дискриминаторы 9, 10,...11, где происходит их перемножение, а затем выделение низкочастотных компонент, соответствующих доплеровским сдвигам частот, фильтром низкой частоты. Таким образом, частотные дискриминаторы 9,10,...11 вырабатывают n гармонических электрических сигналов с частотами
iрез
iсл
что вследствие сканирования приемных стробов по дальности (глубине) обеспечит получение (n-1) зависимостей величин как направлений, так и значений относительных скоростей движения судна υ=υ±υ в определенном диапазоне глубин для сигналов с частотами 2f,3f,..., nf, что при измеренных значениях абсолютной скорости судна относительно дна υ, даст возможность зафиксировать некоторое число уточненных зависимостей тонкой структуры поля морских течений на ходу судна в его диаметральной плоскости. Частоты электрических сигналов (17) пропорциональны скорости судна в его диаметральной плоскости как относительно i-того рассеивающего слоя, так и относительно донной поверхности, где n - число используемых в доплеровской навигационной системе акустических сигналов кратных частот. В результате доплеровские сдвиги частот для сигналов с частотами f,2f,...nf в диаметральной плоскости судна («нос - корма») будут определены с помощью первичной обработки доплеровской информации, что позволит в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 вычислить
зависимости значений для относительной скорости движения судна в этом направлении «нос - корма» в заданном диапазоне дальностей (2f,...nf), a также n значений абсолютной скорости судна относительно донной поверхности (f) по формулам
(nf)
Д
где K=4(nf)×соsΘ/с - скоростная чувствительность доплеровской локационной системы, характеризующая приращение доплеровской частоты при изменении скорости на один узел. Отметим, что при прочих равных условиях выгоднее иметь большую скоростную чувствительность, так как в этом случае точность измерения скорости (при фиксированной инструментальной погрешности измерения доплеровской частоты) будет выше.
Это была рассмотрена работа предлагаемого устройства в навигационном режиме. Ниже опишем стандартное функционирование одного из четырех n-канальных приемных трактов («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт») многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы в однолучевом измерительном режиме, применяемом в случае необходимости независимого разноглубинного получения данных о тонкой структуре распределения скорости течения в каждом из четырех направлений в отдельности, который может быть использован одновременно с применением навигационного режима. К достоинствам данного режима работы устройства следует отнести возможность выбора оптимального пространственного размера и формы измерительного водного объема и, соответственно, участка морского дна, облучаемых полигармоническими волновыми полями акустических локационных сигналов кратных частот f,2f,3f,...,nf, за счет увеличения остроты направленного действия приемно-излучающей антенной системы при использовании более высокочастотных гармонических составляющих, сформировавшихся в нелинейной водной среде, что также приводит еще и к
увеличению скоростной чувствительности доплеровской локационной системы и уменьшению погрешности измерений.
2нос(f)i сл
2нос(2f)i сл
2нос(nf)i сл
2нос(f) дон
2нос(2f) дон
2нос(nf) дон
iсл
ic
Расфильтрованные и усиленные электрические сигналы с частотами для направления «нос»: f, f,...f, и f, f,...f [см. первые формулы в соотношениях (11),(12),...(13) и (14),(15),(16)], соответствующие отраженным колебаниям от движущихся с разными скоростями (±υ) i-тых рассеивающих горизонтальных слоев структуры водной среды и донной поверхности со стороны носа судна, с выходов резонансных стробируемых усилителей 6,7,...8 для данного направления («нос») поступают на n входов аналогового ключа 12, который подает поочередно один из них на первый вход частотного дискриминатора 14, на второй вход которого с выхода аналогового ключа 13 подается также поочередно - один из сигналов с частотами f,2f,3f,...nf без доплеровского смещения. Для этого входы аналогового ключа 13 соединены с выходом высокочастотного генератора 1 с частотой f, а также с выходами (n-1) умножителей частоты 15,...16 с коэффициентами умножения в 2,3,...n раз. Выбор того или иного сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 18 сигналов на управляющие входы аналоговых ключей 12 и 13, как и одновременное сканирование приемного строба требуемой длительности τ соответствующего резонансного стробируемого усилителя или 7,... или 8... для данного направления («нос») по дальности (глубине) при обработке сигналов, рассеянных горизонтальными слоями структуры водной среды (объемная реверберация), в то время как сканирование приемного строба резонансного усилителя 6 не предусмотрено и временная эпюра импульсного режима для него не отличается от общепринятой (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение, c.157). На выходе частотного дискриминатора 14 выделяются электрические сигналы с частотами, соответствующими доплеровским смещениям для 1, 2, i-того,...к-того рассеивающих горизонтальных слоев структуры водной среды в
определенном диапазоне глубин и донной поверхности со стороны носа судна:
i рез нос i сл
(nf) нос дон
i сл нос
(nf) нос дон i
что позволяет в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 рассчитать значения скорости корабля υ=υ±υ относительно i-того рассеивающего слоя и значения абсолютной скорости υ судна относительно донной поверхности (где i принимает значения от 1 до к) на основе эффекта Доплера по упрощенным coотношениям, в которых не учтено влияние квадратичных членов
Пространственно-временная картина поля течений очень сложна и изменчива (см. А.В.Богородский, Г.В.Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.234-239). В общем случае анализ вертикальной стратификации вод океана позволяет выделить поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные водные массы. В поверхностном слое течения определяются в значительной мере взаимодействием океана и атмосферы и проникновение ветровых течений в толщу воды характеризуют глубиной трения ≤100 м. Верхняя граница промежуточных водных масс оценивается в 200-500 метров, нижняя - в 1000-2000 метров, причем, у верхней границы происходит существенная перестройка поля скорости течений в направлении ее значительного уменьшения. Анализ тонкой вертикальной структуры вод, показал, что скорость течения измеряется с глубиной скачкообразно стабильные области толщиной от десятков сантиметров до десятков метров и горизонтальной протяженностью до десятков километров сменяются граничными прослойками, где вертикальный градиент может достигать, от 2
до 10 см/с на метр глубины, что существенно влияет на траекторию звуковых лучей в океане. Существуют несколько ограничений, свойственных существующим практическим доплеровским системам для исследования поля скорости океана, связанных с остротой направленного действия и уровнем бокового поля антенной системы устройств:
1) в неоднородном поле течений измеренный радиальный компонент скорости, соответствующий акустической оси, может отличаться от скорости по другим направлениям, что приводит к расширению доплеровского спектра и ухудшению точностных характеристик устройства;
2) озвучиваемый объем воды увеличивается с расстоянием, что влияет на сопоставление результатов измерений и их точность,
3) для интерференционных антенн число рассеивателей, охваченных основным лепестком приемно-излучающей антенной системы, составляет лишь малую долю  рассеивателей в сравнении с общим числом озвученных рассеивателей в объеме на данной дистанции, что расширяет доплеровский спектр эхосигнала и ухудшает точность измерения доплеровского сдвига частоты.
Очевидно, что использование вторичных акустических сигналов высших гармоник мощной накачки в доплеровском измерителе скорости течений может уменьшить отрицательное влияние рассмотренных факторов.
(nf)
(nf)
При проектировании режима доплеровского измерения скорости течений необходимо оценить возможное дополнительное информативное уширение доплеровского спектра эхосигналов в трактах, использующих сигналы объемной реверберации на высших гармониках nf=nс/λ, где с - скорость звука в среде, λ - длина волны акустического сигнала с частотой nf. Так, в предположении, что рассеиватели пассивно переносятся течением, механизм уширения спектра обусловлен следующими причинами (см. А.В.Богородский, Г.В.Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.60):
T
T
T
1) турбулентными пульсациями показателя преломления, происходящими в рассеивающем водном объеме со среднеквадратичной скоростью u=(0,1-0,3)×|υ|, где υ - скорость течения в данном объеме. Уширение спектра для рабочих локационных сигналов в данном случае можно рассчитать
(nf)
и
2) конечностью размера озвучиваемого объема водной среды , где z - расстояние до рассеивающего объема, Δα - острота направленного действия приемно-излучающей антенной системы на кратных частотах, τ - длительность излучаемого импульса. В данном случае уширение спектра
(nf)
где L - поперечный размер рассеивающего акустический сигнал с частотой nf водного объема.
теч
3) пространственно-временной (x,t) неоднородностью поля средней скорости течений V. Соответствующие величины уширений спектра можно оценить из соотношений
теч
x
теч
t
и
где (V)', (V)' - частные производные по x, t; Т - время измерений.
Как следует из представленных выше соотношений (23) - (26) составляющие, определяющие результирующее уширение доплеровского спектра эхосигналов кратных частот, имеют большую величину для более высокочастотных сигналов, что обеспечит большую информативность и чувствительность каналов измерения скорости течения по каждому лучу - «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт» при, соответственно, меньшей величине погрешности измерения.
Рассмотрим такой параметр предлагаемой многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы как разрешающая способность по скорости, которая оценивается минимальной разностью радиальных
р
скоростей δ(υ) двух рассеивающих звук объектов, не разрешаемых по дальности и угловым координатам, что допускает их раздельное обнаружение и измерение их радиальных скоростей. Так, в случае импульсного входного сигнала с прямоугольной огибающей известные расчетные соотношения для потенциальных разрешающих способностей имеют вид
и
0
0.7(nf)
где с - скорость звука в воде, τ - длительность прямоугольного импульса, ω - циклическая частота используемого гармонического сигнала, θ - ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности, (см. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Под ред. Б.X.Кривицкого. В 2-х томах. Т.2. - М.: Энергия, 1977. с.166-180):
Отсюда видно, что при прочих равных параметрах в определенных случаях использование более высокочастотных и более остронаправленных акустических полей сигналов высших гармонических компонент сигнала конечной амплитуды, целесообразно и необходимо, так как позволит не только уточнить данные о параметрах движения судна, но и с разной степенью точности оценивать мелкомасштабные вариации скорости как на турбулентных, так и на биологических структурах внутри измерительного рассевающего объема водной среды регулируемой величины путем регистрации информативного расширения доплеровского спектра.