МНОГОЛУЧЕВОЙ ЭХОЛОТ-2

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначена для использования в многолучевых эхолотах для измерения глубины и отображения рельефа дна.
Для измерения глубины места под движущимся судном используют промерные эхолоты. Промерные эхолоты подразделяются на однолучевые, которые измеряют глубину место непосредственно под судном и на многолучевые, которые предназначены для измерения глубины не только под судном, но и на значительных расстояниях от него. Точность измерения глубины зависит от достоверности измерения скорости звука в воде по трассе распространения сигнала и в особенности от скорости звука на дне. Для точной оценки глубины необходимо достоверно знать распределение скорости звука по глубине на всей обследуемой акватории, что не всегда возможно. Постоянный мониторинг распределения скорости звука по глубине в процессе съемки на больших глубинах не используется, т.к. его практически трудно организовать.
Достаточно подробно принципы работы многолучевого эхолота рассмотрены в отечественной литературе А.В. Богородский Д.Б. Островский Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства СПб 2009 г. Изд. ЛЭТИ с.116-122, а так же Ю.А. Корякин С.А. Смирнов Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с.320-327.
Известен многолучевой эхолот, выполненный в соответствии патентом РФ №126146 на полезную модель, который содержит антенну с генератором, приемную систему с системой формирования характеристик направленности, последовательно соединенную с процессором обработки, блок выделения характеристик направленности, блок выбора угла наклона первой характеристики направленности, блок выбора угла наклона второй характеристики направленности, блоки измерения времен прихода сигнала по характеристикам направленности, блок вычисления отношения времен прихода, блок вычисления функции, блок перебора оценок скоростей звука. Это техническое решение позволяет использовать стандартную разработанную аппаратуру многолучевого эхолота и с помощью дополнительной программы определять скорость звука на глубине с достаточной достоверностью, что позволит повысить точность оценки глубины многолучевого эхолота… Наличие эффекта рефракции наклонных лучей приводит к появлению параллакса, когда определяемое в результате промеров положение отражающей точки по прямой линии искажается от истинного. Этот эффект тем больше, чем шире угловой сектор обзора МЛЭ и больше полоса обзора.
Поэтому недостатком рассматриваемого МЛЭ, взятого нами за прототип, является то, что он не позволяет в полной мере использовать предельные возможности измерения по ширине полосы обзора, которую дает многолучевой эхолот. Целью настоящего изобретения является повышение предельной возможности достоверного измерения оценки глубины по всей ширине полосы обзора, которую дает многолучевой эхолот и исключение влияние параллакса возникающего в силу не точной оценки скорости звука.
Указанный технический результат достигается тем, что в многолучевой эхолот, содержащий антенну излучения, последовательно соединенную с системой управления и регистрации, приемную антенну, соединенную с процессором обработки, в который входят последовательно соединенные система формирования характеристики направленности, система предварительной обработки и блок выделения характеристик направленности, второй вход системы формирования характеристики направленности соединен с выходом системой управления и регистрации, а так же блок измерения скорости звука на глубине приемной антенны введены новые признаки, а именно: блок измерения времени распространения эхосигнала по каждой характеристики направленности, блок определения глубины до дна для характеристики направленности с нулевым углом наклона, блок вычисления функции, блок определения глубины по каждой характеристики направленности, блок определения истинного горизонтального расстояния по каждой характеристики направленности, блок определения и отображения рельефа дна, при этом блок выделения характеристик направленности последовательно соединен с блоком измерения времени распространения эхосигнала от дна по каждой характеристики направленности, блоком определения глубины для характеристики направленности с нулевым углом наклона, блоком вычисления функции, блоком определения истинного горизонтального расстояния по каждой характеристики направленности, первым входом блока определения и отображения рельефа дна, второй выход блока измерения по каждой характеристики через первый вход блока определения глубины по каждой характеристики соединен со вторым входом блока определения и отображения рельефа дна, а второй выход блока определения глубины по каждой характеристики соединен со вторым входом блока определения истинного горизонтального расстояния, третий вход которого соединен с третьим выходом блока измерения времени по каждой характеристики направленности, а четвертый выход этого блока через второй выход блока вычисления функции соединен со вторым входом блока определения глубины по каждой характеристики направленности, первый выход блока измерения скорости звука на глубине приемника соединен с третьим входом блока вычисления функции, второй выход блока измерения скорости соединен с четвертым входом блока определения истинного горизонтального расстояния, а третий выход блока измерения скорости соединен с третьим входом блока определения глубины по каждой характеристики направленности.
Существо данного предложения заключается в следующем.
Считаем, что полный профиль звука по глубине не известен, но известна только скорость звука на глубине погружения приемника. Известны также углы приемных лучей в вертикальной плоскости и могут быть измерены времена распространения эхосигналов по каждому лучу. При линейном градиенте скорости звука можно записать время распространения по вертикальной характеристике направленности до дна и обратно. Время распространения сигнала по лучу от излучателя до дна в слое с постоянным градиентом скорости звука можно записать согласно (Бреховских Л.М., Лысанова Ю.П. Акустика океана. - В кн.: Физика океана, т.2, М., «Наука», 1978, с.49-145).
k
где H - глубина места под килем.
Откуда можно определить значение градиента g.
Время распространения сигнала по наклонному лучу в слое с постоянным градиентом скорости звука можно записать как:
где α и α′ - углы наклона луча (относительно горизонтали) в точке приема и у дна, соответственно.
Воспользуемся законом Снелиуса для углов скольжения и получим соотношение между углами выхода луча и падением луча на отражатель . Тогда для времени распространения сигнала по наклонному лучу можно записать (там же):
H
где C - скорость звука, которая определяет вертикальную координату точки на дне, от которой отразился луч.
накл
Для решения поставленной задачи из (1) можно найти градиент скорости звука g. После чего из (3) находим глубину отражающей точки, сигнал от которой пришел по лучу с углом прихода α за время T. Для расчета значения глубины, используя (1), перепишем (3) в виде
Теперь, когда известно значение глубины отражающей точки Н, определим ее горизонтальную координату D расстояние от вертикальной характеристики направленности с нулевым углом наклона. Согласно (Сташкевич А.П. Акустика моря. Л., Судостроение 1966 г.) горизонтальное расстояние, пройденное лучом, можно найти из выражения
H
Угол луча на дне α можно найти, используя закон Снелиуса.
H
Таким образом, имеются координаты положения точки, определяемые углом наклона характеристики направленности α, глубиной погружения H и расстоянием D от положения вертикальной характеристикой направленности с нулевым углом наклоном.
На фиг.1 представлена блок схема представленной полезной модели.
Антенна 1 излучения, последовательно соединена с первых выходом системой 14 управления и регистрации, второй выход которой соединен со вторым входом блока 4 системы формирования характеристик направленности.
Приемная антенна 2 соединена со спецпроцессором 3, в который входит последовательно соединенные система 4 формирования характеристики направленности, система 5 предварительной обработки, блок 6 выделения характеристик направленности, последовательно соединенный с блоком 7 измерения времени распространения эхосигнала от дна по каждой характеристики направленности, блоком 8 определения глубины для характеристики направленности с нулевым углом наклона, блоком 9 вычисления функции, блоком 11 определения истинного горизонтального расстояния по каждой характеристики направленности, первым входом блока 13 определения и отображения рельефа дна. Второй выход блока 7 измерения по каждой характеристики через первый вход блока 10 определения глубины по каждой характеристики соединен со вторым входом блока 13 определения и отображения рельефа дна, а второй выход блока 10 определения глубины по каждой характеристики соединен со вторым входом блока 11 определения истинного горизонтального расстояния, третий вход которого соединен с третьим выходом блока 7 измерения времени по каждой характеристики направленности, а четвертый выход этого блока через второй выход блока 9 вычисления функции соединен со вторым входом блока 10 определения глубины по каждой характеристики направленности. Первый выход блока 12 измерения скорости звука на глубине приемника соединен с третьим входом блока 9 вычисления функции, второй выход блока 12 измерения скорости соединен с четвертым входом блока 11 определения истинного горизонтального расстояния, а третий выход блока измерения скорости соединен с третьим входом блока 10 определения глубины по каждой характеристики направленности.
верт.,
накл.,
Многолучевой эхолот работает в своем штатном режиме. Это известный прибор, который выпускается серийно во многих развитых странах. Достаточно подробно принципы работы многолучевого эхолота рассмотрены в отечественной литературе А.В. Богородский Д.Б. Островский Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства СПб 2009 г. Изд. ЛЭТИ с.116-122, а так же Ю.А. Корякин С.А. Смирнов Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с.320-327. Из системы 14 регистрации и управления поступает команда на излучение зондирующего сигнала на антенну 2 излучения и в блок 5 формирование характеристик направленности для обеспечения приема эхосигнала соответствующего излученному зондирующему сигналу. Приемной антенной 1 принимаются эхосигналы по всей апертуре антенны, и через систему 4 формирования характеристик направленности передается в систему 5, где производится оптимальная обработка принятых эхосигналов в статическом веере характеристик направленности системы 4 формирования характеристик направленности. Системы 5 предварительной обработки работает в своем стационарном режиме и с блоком 6 выделения характеристик направленности, где происходит выделения тех характеристик направленности, где произошло обнаружение эхосигнала. Блок 7 по каждой характеристике направленности определяет время прихода эхосигнала от дна. По выбранной характеристики в блоке 8 определяется угол наклона, его значение, время распространения и глубина для характеристики направленности с нулевым углом наклона и передаются в блок 9 вычисления функций. Туда же поступают с блока 7 все измеренные параметры по каждой характеристики и измеренное значение скорости звука с блока 12. Измеритель скорости звука является известным устройством, который выпускается серийно и широко известен в литературе. (В.А. Комляков «Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане» СПб. «Наука» 2003 г. стр.50-87). В блоке 9 вычисления функции происходит по разработанной программе вычисление основных параметров T Tg. Эти параметры вычисляются на основании приведенных формул (1, 2, 3, 4, 5, 6) по стандартным программам Матлаб, Маткард, которые входят в программное обеспечение любого компьютера и процессора. В соответствии с этими программами можно прямо вводить приведенные формулы, подставлять исходные данные, определять последовательность действия и получать необходимые параметры. (А.Б. Сергиенко «Цифровая обработка сигналов» Санкт Петербург «БХВ-Петербург» 2011 г). Эти параметры передаются в блок 10 для определения глубины по каждой характеристике и в блок 11 для определения истинного горизонтального расстояния по каждой характеристике направленности. Вычисленные оценки H и D поступают в блок 13 для отображения рельефа дна на индикаторе и вывода результата. Все вычислительные операции производятся в спецпроцессоре 3 с использованием стандартных процедур и разработанного программного обеспечения и могут быть выполнены в тех же спецпроцессорах, на которых реализуется работа многолучевого эхолота. Это стандартные спецпроцессоры являются известными устройствами, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А. Корякин С.А. Смирнов Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с.281-289). Таким образом, практическое внедрение предлагаемого полезной модели позволяет исключить влияние рефракции лучей, может дать значительный выигрыш по времени, затрачиваемому на съемку, поскольку позволит максимально эффективно использовать результаты промерных работ на одном галсе по всей полосе обзора многолучевого эхолота.