Способ измерения расстояния до движущегося подводного объекта
METHOD FOR MEASURING DISTANCE TO MOVING UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в мелком и глубоком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.
Общеизвестен способ измерения расстояния гидроакустическим дальномером (Милн П. Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л. Судостроение. 1989г, с.49-60), в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в морской среде от излучателя до приёмника связаны соотношением
(1)
где С-скорость распространения акустического сигнала в воде, имеющая смысл эффективной групповой скорости, усреднённой по трассе распространения, если среда является неоднородной по скорости звука.
В водоёме типа мелкого моря (волновода) точки излучения и приёма акустического сигнала связаны целым набором лучевых траекторий. В этом случае время распространения акустического сигнала изменяется от некоторого минимального, соответствующего максимальной групповой скорости в волноводе, до некоторого максимального значения, соответствующего минимальной групповой скорости, называемой обычно скоростью волны Эйри. Физически это означает уширение импульсного акустического сигнала, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой.
ф
г
1
Известен способ измерения расстояния до контролируемого объекта (Патент РФ №2311662 опубликован: 27.11.2007 Бюл. № 33). Указанный способ измерения расстояния использует понятие инвариантной скорости , которая функционально выражается через фазовую С и групповую С скорости распространения акустического сигнала в водоёмах типа волновода и для различных лучевых траекторий сохраняет постоянное значение. Для водоёмов типа мелкого моря с отрицательным градиентом скорости звука С(z) инвариантная скорость определяется соотношением
(2)
1
а фазовая скорость может быть определена через скорость звука в водной среде в придонной области С(h) и угол скольжения β лучей в придонной области формулой
.         (3)
С учётом (2)-(3) искомое расстояние выражается через измеряемые параметры соотношением
.         (4)
1
г
Суть указанного способа заключается в одновременном измерении скорости звука в воде в придонной области С(h), угла скольжения β в точке приёма и группового времени t запаздывания акустического сигнала, а в качестве инвариантной скорости предложено использовать скорость распространения придонной волны
(5)
1
1
где , , ρ, С(h),  - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно. Данный способ измерения расстояния реализуется следующим способом.
инв
1
1
z
r
кр
1
2
1
1
На контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(C/C) периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчёта времени в месте приёма на контролируемом объекте, причём возвышение излучателя над грунтом не превышает длины волны акустического излучения в воде λ. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приёмниками, разнесёнными на расстояние l, причём один из приёмников расположен непосредственно на грунте и является векторным приёмником, на выходе которого измеряют вертикальную u и горизонтальную u компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приёмника используют направленный приёмник звукового давления с углом приёма, равным критическому углу скольжения α=arccos(C(h)/C) для границы раздела вода – морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление Р(t), причём второй приёмник размещают на расстоянии l от грунта, значительно большим длины волны акустического излучения λ.
г
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t запаздывания по формуле
(6)
1
1
1
T, T –предварительно определённые временные интервалы, причём T<T, T-период излучения импульсного сигнала, Р(t)-сигнал на выходе приёмника.
z
r
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u, u определяют угол скольжения в точке приёма
(7)
, , , - параметр, измеряемый с помощью векторного приёмника, а искомое расстояние вычисляют по формулам (4)-(5).
Основной недостаток известного способа заключается в неэффективности возбуждения придонной волны на низких частотах, которые используются для измерения достаточно больших расстояний. Кроме того, скорость придонной волны определяется формулой (5) недостаточно точно и должна корректироваться в соответствии с экспериментальными данными в сторону увеличения. Кроме того, при реализации данного способа предполагается, что контролируемый объект является неподвижным.
Известен способ измерения расстояния (Патент РФ №2456635, опубликован: 20.07.2012 Бюл. № 20), обладающий меньшей погрешностью в условиях неоднородного, нерегулярного волновода типа мелкого моря с помощью акустических средств, наиболее эффективно работающих в придонной области, который принят за прототип. В этом способе измерения расстояния до контролируемого объекта на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырёхмодульной антенной. Модули антенны располагаются попарно симметрично относительно поверхности морского дна, верхний и нижний модули возбуждаются противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними, а сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением
,          (8)
1
1
z
r
1
где χ-значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод – полупространство. Излучение акустического сигнала синхронизируют с началом отсчёта времени в месте приёма на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приёмниками, разнесёнными на расстояние l, меньшее длины волны акустического излучения λ, расположенными непосредственно на грунте, причём  один из приёмников является векторным приёмником, на выходе которого измеряют вертикальную u и горизонтальную u компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приёмника используют ненаправленный приёмник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление Р(t).
г
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t запаздывания по формуле
1
1
1
T, T –предварительно определённые временные интервалы, причём T<T, T-период излучения импульсного сигнала, Р(t)-сигнал на выходе приёмника.
z
r
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u, u определяют угол скольжения в точке приёма
, , , - параметр, измеряемый с помощью векторного приёмника, а искомое расстояние вычисляют по формуле (4)
ф
1
, С=С(h)/cosβ,
в которой инвариантная скорость, равная скорости придонной волны, определяется соотношением
,   (9)
1
1
Значение частотного параметра χ, соответствующее первой резонансной частоте, предварительно определяется известным способом из расчёта корней дисперсионного уравнения, как это сделано в работе (Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. М: Наука, 2009, с.142). Так, например, для грунтов песчаного типа этот параметр равен χ=2.7.
Способ измерения расстояния до контролируемого объекта реализуется следующим образом. На контролирующем объекте излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырёхмодульной антенной, модули которой располагаются попарно симметрично относительно поверхности морского дна,  верхний и нижний модули возбуждаются противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними, а сама антенна устанавливается на дно моря, глубина которого в месте установки определяется соотношением
1
1
h=λχ/2π ,
1
где χ-значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод – полупространство,
z
r
1
Излучение антенны синхронизируют с началом отсчёта времени в точке приёма на контролируемом объекте. При соответствующем выборе глубины моря в месте установки антенны и длины волны акустического излучения, которое легко реализуется в береговом клине переменной глубины, в волноводе возникает резонанс, значительно (до 30дБ) увеличивающий уровень возбуждаемой придонной волны, которая распространяется в сторону контролируемого объекта. На контролируемом объекте сигнал принимается двумя приёмниками. В качестве приёмника, расположенного непосредственно на грунте, используют векторный приёмник, на выходе которого измеряют вертикальную u и горизонтальную u компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приёмника используют направленный приёмник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление Р(t).
г
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t запаздывания по формуле
1
1
1
T, T –предварительно определённые временные интервалы, причём T<T, T-период излучения импульсного сигнала, Р(t)-сигнал на выходе приёмника.
z
r
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости u, u определяют угол скольжения в точке приёма
, , , - параметр, измеряемый с помощью векторного приёмника, а искомое расстояние вычисляют по формуле (4)
ф
1
, С=С(h)/cosβ,
в которой инвариантная скорость, равная скорости придонной волны, определяется соотношением
,
Использование заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволило существенно увеличить уровень возбуждаемой придонной волны (примерно на 30 дБ) в месте расположения контролирующего объекта и снизить погрешность измерения расстояния в водоёмах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.  Недостатком указанного изобретения является большая погрешность измерения группового времени по формуле (6) и угла скольжения по формуле (7) в условиях мелкого моря, неоднородного по профилю вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) и характерной для него многолучёвости распространения акустического сигнала. Кроме того, при реализации данного способа предполагается, что контролируемый объект является неподвижным. Кроме того, реализация условия резонансного возбуждения волновода (8) возможно только на частотах инфразвукового диапазона в мелком море типа берегового клина, глубина которого изменяется линейно с расстоянием от береговой черты, что ограничивает рабочий диапазон частот дальномерного устройства. Указанное изобретение взято в качестве прототипа.
г
β
ф
г
Для устранения перечисленных недостатков, т.е. для измерения дистанции до движущегося контролируемого объекта, для увеличения точности измерения группового времени запаздывания с учётом профиля ВРСЗ, увеличения точности задания угла скольжения и расширения рабочего диапазона частот дальномерного устройства в способе измерения расстояния до движущегося подводного объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчёта времени на контролируемом объекте, принимают акустический сигнал на контролируемом объекте, определяют на основе измерения параметров принятого сигнала групповое время запаздывания t принятого сигнала, а искомое расстояние вычисляют с использованием предварительно определённого инварианта β, предварительно определённой инвариантной скорости с, предварительно определённой фазовой скорости с и группового времени запаздывания t по формуле
(10)
г
1
периодический импульсный акустический сигнал излучают как сложный сигнал, например ЛЧМ - сигнал (частотно-модулированный сигнал с линейным законом модуляции), а в качестве приёмника акустического сигнала на контролируемом объекте используют помещённый в обтекатель комбинированный приёмник, содержащий канал звукового давления и три векторных канала для измерения компонент вектора колебательной скорости. Кроме того, определяют групповое время запаздывания t принятого сигнала как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции, измеряют профиль вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в водной среде с(z), определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле
(11)
i
i
i
max
i
i
где I-максимум взаимной корреляционной функции I(τ)=P(t)×V(t-τ) при τ=τ, i=x,y,z, P(t), V(t-τ)-сигналы в канале звукового давления и векторных каналах V.
ф
1
определяют фазовую скорость соотношением с=с(h)/cosα, где h-глубина моря, определяют инвариантную скорость как скорость неоднородной волны, соответствующей нулю коэффициента отражения границы раздела вода морское дно, по формуле
(12)
2
2
1
1
1
где , -предварительно измеренные плотность и средняя скорость звука в водном слое, ρ, с плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно, ∆c=c(0)-c(h),
к
а горизонт позиционирования движущегося подводного объекта во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h при движении в глубоком море.
В заявленном способе измерения расстояния до контролируемого объекта общими существенными признаками для него и для прототипа являются:
-на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал,
-синхронизируют излучение сигнала с началом отсчёта времени на контролируемом объекте,
-принимают акустический сигнал на контролируемом объекте,
г
-определяют на основе измерений параметров принятого сигнала групповое время запаздывания t,
-вычисляют искомое расстояние r с использованием предварительно определённого инварианта β,
β
ф
г
предварительно определённой инвариантной скорости с, измеренной фазовой скорости с и группового времени запаздывания t.
Отличительными признаками заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта и прототипа являются:
- на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический сложный импульсный акустический сигнал, например, ЛЧМ - сигнал, установленным вблизи дна излучателем,
- принимают акустический сигнал на контролируемом объекте помещённым в обтекатель комбинированным приёмником,
г
- определяют на основе измерений параметров принятого сигнала групповое время запаздывания t как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции,
1
-измеряют профиль вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в водной среде с(z),
-определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле (11)
i
i
i
max
i
i
где I-максимум взаимной корреляционной функции I(τ)=P(t)×V(t-τ) при τ= τ, i=x,y,z, P(t), V(t-τ)-сигналы в канале звукового давления и векторных каналах V,
-принимают уточнённое значение инварианта β=-2,
к
- горизонт позиционирования движущегося подводного объекта во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h при движении в глубоком море.
Данная совокупность существенных и отличительных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволит учесть неоднородность водного слоя по профилю ВРСЗ, повысить точность определения группового времени запаздывания, повысить точность определения угла скольжения, повысить точность определения инварианта и инвариантной скорости, а, следовательно, и точность определения расстояния до контролируемого объекта при его движении. На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с заявленным изобретением. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.
Способ измерения расстояния до контролируемого движущегося объекта реализуется следующим образом.
г
i
i
i
г
max
ф
1
1
На контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал установленным вблизи морского дна излучателем. Для увеличения дальности действия способа, увеличения точности определения группового времени распространения t импульсного сигнала и точности определения расстояния r до контролируемого объекта излучаемый сигнал генерируют как сложный сигнал, например, как ЛЧМ – сигнал. Электронная копия генерируемого сигнала предварительно передаётся на контролируемый объект. Излучение синхронизируют с началом отсчёта времени на контролируемом объекте. На контролируемом объекте сигнал принимается комбинированным приёмником, установленным в обтекатель для уменьшения шумов обтекания. На основе измерения параметров принятого сигнала в канале звукового давления Р(t) и в векторных каналах V(t) комбинированного приёмника (i=x,y,z) вычисляют взаимные корреляционные функции I(τ)=P(t)×V(t-τ), а групповое время запаздывания t определяют как момент времени τ, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции. определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле (11), и определяют фазовую скорость соотношением с=с(h)/cosα и инвариантную скорость формулой (12) с учётом предварительно измеренного профиля ВРСЗ с(z).
Для того, чтобы воспользоваться формулой (10) для определения расстояния до контролируемого объекта необходимо уточнить значение инварианта β в соответствии с его определением (С.Д. Чупров Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане. Акустика океана. Современное состояние. М. Наука 1982, с.71-91).
(13)
ф
г
где с, с – фазовая и групповая скорости, соответствующие произвольному углу скольжения α.
После уточнения инварианта β определяют расстояние до контролируемого объекта по формуле (10) с учётом (13)
к
Горизонт позиционирования движущегося подводного объекта во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h при движении в глубоком море.
Использование в заявленном способе определения расстояния до контролируемого объекта уточнённого значения инварианта (13) и уточнённой инвариантной скорости с учётом неоднородности водной среды по профилю ВРСЗ по формуле (12) позволяет уменьшить относительную погрешность определения расстояния до 0.1% в водоёмах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала. Кроме того, использование в излучении сложного сигнала, например, ЛЧМ – сигнала, и корреляционных алгоритмов обработки позволяет уменьшить влияние дисперсионных искажений акустического сигнала и повысить точность определения группового времени запаздывания.