ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ПЛАВСРЕДСТВА ОТНОСИТЕЛЬНО ДНА

Полезная модель относится к области гидроакустической техники, в частности к гидроакустическим навигационным устройствам, и может быть использовано для удержания плавсредства в точке и позиционирования при выполнения миссий различными подводными аппаратами, подводными лодками, при работе с дрейфующих льдов и т.п.
Известно построение подобных гидроакустических устройств с донными маяками-ответчиками (ДМО) для удержания плавсредства в точке и позиционирования. Устройства состоят из частей - несколько ДМО, установленных на дне судном-постановщиком и запросно-приемная часть, размещаемая на плавсредстве. Связь между частями посредством гидроакустического канала связи. Основные технические характеристики приведены, например, в [1, 6].
Основным недостатком указанных устройств является необходимость постановки на дно ДМО.
От указанного недостатка свободны устройства с приемными плоскими квадратными эквидистантными антенными решетками (АР) гидрофонов при использовании излучателя штатного судового эхолота, обеспечивающего нормальное падение звука на дно. Подобное построение имели устройства «Пласт», «Пласт-2», «Клен», «Гранат» и эксплуатировавшиеся на научно-исследовательских судах. Устройства предназначены для измерения в горизонтальной плоскости различных корреляционных характеристик эхосигналов от дна и изменчивости амплитуды эхосигналов от дна на апертуре АР, получение генерального рельефа дна и других океанологических измерений, а также поиска и разведки железомарганцевых конкреций («Гранат»). Основные характеристики устройств - 64…256 гидрофонов АР, относительно низкие рабочие частоты 1…30 кГц [2].
Недостатком указанных устройств являются громоздкость составных частей (размеры АР «Пласт-2» 3×3 м, «Гранат» 4.2×4.2 м), наличие лебедки для погружения АР, обработка эхосигналов от дна на судовой ЭВМ не в реальном масштабе времени, а также энергоемкость и большая стоимость, что связано с ориентацией на океанские глубины до 6000 м, крупнотоннажные суда, т.е. экспериментальный, научно-исследовательский характер устройств.
К подобным устройствам с корреляционной обработкой эхосигналов от дна на апертуре АР относятся компактные гидроакустические корреляционные измерители скорости (лаги) плавсредства. Корреляционный лаг фирмы RD Instruments использует для излучения 7 гидрофонов и приема эхосигналов от дна плоскую АР из 8 гидрофонов с неэквидистантным расположением. Рабочая частота 22 кГц. Конструктивно гидрофоны и электронные компоненты размещены в цилиндрическом корпусе диаметром 46 см [3].
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является компактное устройство корреляционного лага COVELIA фирм Н Scientific Ltd и Chelsea Technologies, которое предназначено для размещения на подводных аппаратах и подводных лодках. Рабочая частота 60 кГц, заполнение импульсов излучения фазоманипулированным кодом. Скорость измеряется одномерной корреляционной обработкой эхосигналов от дна на апертуре АР. АР плоская размером 330×220×70 мм имеет излучающие и с неэквидистантным расположением приемные гидрофоны. В устройстве используются операционные усилители (ОУ), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) и интегральная схема (ИС) цифровой обработки сигналов (ЦОС). Электроника выполнена на 4-х печатных платах, размещенных в цилиндрическом корпусе диаметром 100 мм, длиной 230 мм, электропитание - аккумуляторная батарея на 24 в емкостью 3.0 Ah. Корреляционная обработка эхосигналов от дна и выдача потребителю значений скорости в реальном масштабе времени [4, 5].
Недостатком прототипа является неэквидистантное расположение приемных гидрофонов АР, т.е. пространственная двумерная (в двух взаимно перпендикулярных направлениях) взаимная корреляция двух «срезов» акустического поля на апертуре приемных гидрофонов АР имеет неравномерную дискретность по пространству, что приводит к снижению точности измерения положения максимума взаимной корреляции и в итоге к снижению точности измерения смещения плавсредства.
Задачей полезной модели является более точное измерение смещения плавсредства посредством приемной плоской квадратной эквидистантной АР гидрофонов.
Для решения поставленной задачи в гидроакустическое устройство измерения смещения плавсредства относительно дна состоящее из последовательно соединенных излучающего гидрофона, усилителя мощности, задающего генератора, а также программируемую логическую интегральную схему, соединенную с усилителем мощности, задающим генератором, а также последовательно соединенных приемные гидрофоны, операционные усилители, аналого-цифровые преобразователи, а операционные усилители, аналого-цифровые преобразователи соединены с программируемой логической интегральной схемой, последняя соединена с интегральной схемой цифровой обработки сигналов, последняя соединена с потребителем измеренного смещения плавсредства, введен новый признак, а именно: приемные гидрофоны расположены как плоская квадратная эквидистантная АР.
Технический результат заключается в увеличении точности измерения смещения плавсредства относительно дна, что обеспечивается приемной плоской квадратной эквидистантной АР гидрофонов.
Технический результат достигается за счет равномерной дискретности пространственной двумерной взаимной корреляции двух «срезов» акустического поля.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена укрупненная схема заявленного устройства (пунктиром обведены отдельные части заявленного устройства), на фиг. 2 представлено объемное и на фиг. 3 в виде изолиний изображение модуля коэффициента равномерной дискретной пространственной двумерной взаимной корреляции двух «срезов» акустического поля.
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные излучающий гидрофон 1, усилитель мощности 2, задающий генератор 3, а также программируемую логическую интегральную схему 7, соединенную с усилителем мощности 2, задающим генератором 3, а также последовательно соединенные приемная плоская квадратная эквидистантная АР гидрофонов 4, операционные усилители 5, аналого-цифровые преобразователи 6, а операционные усилители 5, аналого-цифровые преобразователи 6 соединены с программируемой логической интегральной схемой 7, которая соединена с интегральной схемой цифровой обработки сигналов 8, последняя соединена с потребителем измеренного смещения плавсредства. Излучающий гидрофон 1 и приемная плоская квадратная эквидистантная АР гидрофонов 4 - конструктивно отдельная часть устройства, а все остальные перечисленные элементы другая конструктивно отдельная часть устройства, части устройства соединены между собой многожильным кабелем.
Возможная реализация устройства, размещенного, как пример, на плавсредстве для работы на глубинах до 500 м (районы шельфа) и имеющее 8×8=64 гидрофонов приемной плоской квадратной эквидистантной АР, следующая.
Тогда рабочая частота 50 кГц соответствует принятому выбору для судовых эхолотов с максимальной измеряемой глубиной 500 м [6]. Излучающий гидрофон 1 и 64 гидрофона приемной плоской квадратной эквидистантной АР 4 могут быть заимствованы от устройства эхолота НЭЛ-1000-3 (Санкт-Петербург, НТП «Нави-Далс»). Гидрофоны НЭЛ-1000-3 имеют следующие параметры:
- частота F=(50±1.5) кГц;
- полоса пропускания ΔF=7.5 кГц;
- активное сопротивление Rw=(118±5)ом;
- чувствительность в режиме излучения Sизл=(160±30)Па⋅м/В;
хн
- ширина характеристики направленности θ=(30±5)°;
- чувствительность в режиме приема Sпр=(550±50)Мкв/Па;
- емкость 30 нФ;
- диаметр 80 мм.
Размер приемной плоской квадратной эквидистантной АР 4 не более 750×750×100 мм при расстоянии между соседними гидрофонами 90 мм, что обеспечивает измерение смещения менее ≈90 мм.
Усилитель мощности 2 может быть выполнен как ключевой резонансный мостовой усилитель на четырех биполярных транзисторах с изолированным затвором, например, КП829Г (Ульяновск, АО «ОКБ «Искра»), и согласующей схемой с излучающим гидрофоном 1 на выходе. Мощность излучения задается напряжением питания.
Задающий генератор 3 должен тогда выдавать пилообразные напряжения, сдвинутые по фазе на 180°. Реализация - интегральные схемы контроллера широтно-импульсной модуляции, например, 1156ЕУ2А (Брянск, ЗАО «Группа кремний ЭЛ»), и две управляющие интегральные схемы (драйверы), например, 1308ЕУ (Брянск, ЗАО «Группа кремний ЭЛ»).
Операционные усилители 5 в количестве 64 и 64 аналого-цифровых преобразователя 6 могут быть выполнены на программируемых интегральных схемах серии 5400 (Москва, Зеленоград, АО «Дизайн центр «Союз»). Например, интегральная схема 5400ТР064 может быть запрограммирована на 86 различных операционных усилителей, на 6 12-ти разрядных синхронных аналого-цифровых преобразователей с максимальной частотой дискретизации 500 кГц. Интегральная схема 5400ТР045 использует те же функциональные блоки, однако их количество уменьшено. Как следствие, микросхема имеет более компактный корпус.
Программируемая логическая интегральная схема 7 может быть из серии 5578ТС (Воронеж, АО «Воронежский завод полупроводниковых приборов-сборка»).
В качестве интегральной схемы цифровой обработки сигналов 8 можно использовать 1892 ВМ3Т (Москва, Зеленоград, АО НПЦ «ЭЛВИС») с производительностью 240 MFlops, ядро центрального процессора является ведущим в двухпроцессорной конфигурации.
Излучающий гидрофон 1 и приемная плоская квадратная эквидистантная АР гидрофонов 4 конструктивно отдельная часть, все остальные перечисленные элементы как другая конструктивно отдельная часть устройства на нескольких (5…6) плат формата 6U Евромеханика размером 233×160×40 мм, например, в виде одноэтажного приборного шкафа навесного типа небольшого размера и веса.
Использование интегральных схем 1156ЕУ2А, 1308ЕУ, 1892 ВМ3Т и из серий 5400, 5578ТС вписывается в концепцию создания систем обработки сигналов в гидроакустике на базе отечественной микроэлектроники.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Интегральная схема цифровой обработки сигналов 8 получает от потребителя измеренного смещения плавсредства, например, навигационного комплекса, системы динамического позиционирования или информационно-управляющей системы, значение глубины и производит расчет временной диаграммы излучения и приема, коэффициента усиления, уровня излучаемой мощности. На малых и средних глубинах излучается пара импульсов. На малой глубине после приема эхосигнала излучается следующий импульс. На средних глубинах прием эхосигналов производится после окончания излучения пары импульсов. На больших глубинах излучается один импульс и прием эхосигнала после окончания излучения. Выработанные временная диаграмма излучения и приема, коэффициент усиления, уровень излучаемой мощности транслируется в программируемую логическую интегральную схему 7 и далее задающему генератору 3, усилителю мощности 2, операционным усилителям 5, аналого-цифровым преобразователям 6. Согласно временной диаграмме начинается излучение и прием. Усиленные операционными усилителями 5 и оцифрованные значения (дискретные отсчеты) аналого-цифровыми преобразователями 6 при частоте дискретизации 50*4=200 кГц принятых эхосигналов от 64 каналов приемной плоской квадратной эквидистантной АР, поступают на обработку в программируемую логическую интегральную схему 7. Получение низкочастотных квадратурных составляющих (математически сопряженных по Гильберту, типовая процедура цифровой обработки полосовых эхосигналов от дна) начинается путем умножения дискретных отсчетов принятых эхосигналов на дискретные отсчеты функций sin(2*3.14159*50000*0.005*0.001*k) и cos(2*3.14159*50000*0.005*0.001*k), k=0, 1, 2, 3 - номера отсчетов с учетом периодичности функций. Далее производится цифровая фильтрация с помощью фильтров нижних частот с полосой 0 - 1000 Гц, реализуемых фильтрами с конечной импульсной характеристикой. Выходные отсчеты фильтров нижних частот подвергаются прореживанию с коэффициентом 40, т.е. отсчеты низкочастотных квадратурных составляющих имеют темп 0.2 мс, и транслируются в интегральную схему цифровой обработки сигналов 8.
Определение коэффициента дискретной двумерной пространственной взаимной корреляции для двух «срезов» акустического поля в соседние моменты времени (КВК) производится интегральной схемой цифровой обработки сигналов 8 для приемной плоской квадратной эквидистантной АР гидрофонов согласно математическому выражению [2]
ij
где a и  - квадратные матрицы модулей низкочастотных квадратурных составляющих отсчетов поля для двух моментов времени, полученные от программируемой логической интегральной схемы 7, N=64 - число гидрофонов приемной плоской квадратной эквидистантной АР, m, n - сдвиг одной реализации относительно другой по осям х и у, выраженный в единицах расстояния между соседними гидрофонами 90 мм,
m
m
m
m
Посткорреляционная обработка (определение положения максимума модуля КВК, величин смещения и трансляция потребителю) производится интегральной схемой цифровой обработки сигналов 8. Положение максимума m и n модуля КВК определяется методами экстремальной корреляции, использующие алгоритмы интерполяции, например, [7]. По найденным значениям m, n и расстояния между соседними гидрофонами 90 мм, определяются величины смещения плавсредства Δх/2 и Δу/2, которые транслируются потребителю измеренного смещения плавсредства.
Для пояснения полезной модели на фиг. 2 и 3 представлены результаты полунатурного моделирования обработки согласно (1) - (5) на офисном компьютере в среде МАТЛАБа. Фиг. 2 - объемное изображение и фиг. 3 - изолинии модуля КВК r(m,n) двух «срезов» акустического поля, принятых синхронно каждый в два момента времени 8×8 приемной плоской квадратной эквидистантной АР гидрофонов. Из рассмотрения фиг. 3 видно, что смещение максимума модуля КВК по оси абсцисс Δх≈0 и по оси ординат Δу≈-20 см, но смещение плавсредства Δу/2≈-10 см.
Технический результат достигается за счет равномерной дискретности пространственной двумерной взаимной корреляции двух «срезов» акустического поля, что обеспечивается приемной плоской квадратной эквидистантной АР гидрофонов.
Источники информации
1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Санкт-Петербург: Наука, 2004.
2. Воловов В.И. Отражение звука от дна океана. М.: Наука, 1993.
3. G. Griffiths, S.Е. Bradley, "A correlation speed log for deep water", Sea Technology, 39(3), pp. 29-35,1998.
4. Phillips В., Robinson H., Hill M., "On the development of a correlation sonar velocity log", International Unmanned Undersea Vehicles Symposium, Naval Undersea Warfare Center, Newport, U.S.A., April 24 - 27,2000.
5. Boltryk P., Hill M., Keary A., Phillips В., Robinson H., White P., "An ultrasonic transducer array for velocity measurement in underwater vehicles", Ultrasonics, 42, 2004,473-478.
6. Богородский A.B., Яковлев Г.В., Корепин E.A., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
7. Баклицкий В.К., Юрьев А.Н. Корреляционно-экстремальные методы навигации. М.: Радио и связь, 1982.