Устройство вторичной обработки высокоточного абсолютного доплеровского лага

УСТРОЙСТВО ВТОРИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНОГО АБСОЛЮТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА
Полезная модель относится к области гидроакустической техники, а более конкретно к гидроакустическим навигационным устройствам и может быть использована в высокоточных доплеровских лагах, предназначенных для работы в океанских условиях.
Известны устройства вторичной обработки доплеровских лагов 1, с. 221, 2, с. 137, 3, с. 41. Основными блоками устройств являются следующие:
-блок измерения доплеровских сдвигов частот;
-блок масштабных преобразований, выполняющий переход от значений частот к значениям составляющих вектора скорости носителя;
-блок интегрирования (осреднения) значений скорости;
-блок определения пройденного расстояния.
В 1, с. 225-227 приведён более широкий перечень блоков устройства вторичной обработки обобщённой структурной схемы «синтезированного высокоточного абсолютного доплеровского лага.
Имеются доплеровские лаги, в которых блоки устройства вторичной обработки реализованы программно-аппаратно с использованием микропроцессоров. Например, в 3, с. 51; 4 приведены сведения об аналогах - устройствах
МПК301 S 15/58
JfMli
вторичной обработки доплеровского лага модели YLN-1001 и навигационного доплеровского измерителя скорости доплеровского лага) модели RDI Navigator DVL. В обоих этих лагах устройства вторичной обработки - аналоги содержат микропроцессоры.
Наиболее близким устройством по совокупности признаков: состав и связи блоков, реализация устройства с использованием микропроцессоров - является устройство вторичной обработки высокоточного абсолютного доплеровского лага ЛА-52. Доплеровский лаг ЛА-52 прошел морскую отработку в двух дальних походах и установлен на различных носителях ВМФ и гражданского флота. Сведения о лаге приведены в 5,6,7, 8, с.469-483, 9, с. 146-155.
Устройство вторичной обработки - прототип содержит :
-блок измерения доплеровских сдвигов частот,
-блок вычисления составляющих вектора скорости;
- блок осреднения;
-блок вычисления дополнительных информационных параметров (пройденного расстояния, модуля вектора скорости и направления течения, глубин в точках падения на дно акустических лучей и горизонтального отстояния точек падения от центра антенны, углов крена и дифферента носителя).
Блок измерения доплеровских сдвигов частот и блок вычисления составляющих вектора скорости соединены последовательно. При этом первый вход блока осреднения соединен с выходом блока вычисления составляющих вектора скорости, первый вход блока вычисления дополнительных информационных параметров соединен с выходом блока осреднения, а вторые входы блока осреднения и блока вычисления дополнительных информационных параметров
соединены соответственно с внешними источниками сигналов времени осреднения и времён распространения колебаний по акустическим лучам характеристики направленности (ХН) гидроакустической антенны.
Блоки устройства реализованы с помощью элементов дискретной схемотехники и интегральных схем серий 580 (8-разрядный микропроцессорный набор) и 1810 (16-разрядный микропроцессор). Предельная (.997) погрешность измерения скорости (скорость носителя более 10 узлов и качка до одного градуса) не более 1%. Некоторые другие характеристики прототипа приведены в табл.1.
Погрешности измерения лагом скорости носителя вызваны целым рядом факторов 1, с. 187, 2, с. 142-150. Недостатком устройств вторичной обработки аналогов и прототипа является наличие погрешности из-за смещений центральных частот и деформаций форм спектров эхосигналов. Возникновение погрешности связано с пространственным затуханием сигнала, угловой зависимостью коэффициента обратного донного рассеяния, сферическим законом расширения фронта волны. Смещение и деформация наиболее снижает точность измерения абсолютной скорости носителя на океанских глубинах 1, с. 202-205, 2, 145-147.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения абсолютной скорости носителя за счёт коррекции погрешности из-за смещений центральных частот и деформаций форм спектров эхосигналов.
Для решения указанной задачи в устройство вторичной обработки высокоточного абсолютного доплеровского лага, содержащее последовательно соединенные блок измерения доплеровских сдвигов частот, блок вычисления
ставляющих вектора скорости, также содержащее блок осреднения, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления составляющих вектора скорости, а второй его вход соединен с внешним источником сигнала времени осреднения, также содержащее блок дополнительных информационных параметров, имеющий два входа и выходы по числу дополнительных информационных параметров плюс два, причем первый вход последнего соединен с внешним источником сигналов времён распространения колебаний по акустическим лучам ХН гидроакустической антенны, введены новые признаки, а именно: в него введён блок коррекции погрешности смещения, первый вход которого соединён с выходом блока осреднения, второй вход которого соединен с соответствующим выходом блока дополнительных информационных параметров, а его выход соединён со вторым входом блока дополнительных информационных параметров.
Техническим результатом является повышение точности измерения абсолютной скорости носителя за счёт коррекции погрешности из-за смещения центральной частоты и деформации спектра эхосигналов.
Поясним достижение указанного технического результата.
Физический механизм формирования погрешности состоит в следующем. Элементарные лучи, близкие к вертикали, проходят меньший путь, чем элементарные лучи, расположенные под большими углами к вертикали (конечность раствора ХН). Поэтому потери на распространение и сферическое расхождение на обратном участке трассы у крайних элементарных лучей ХН различны. Кроме того, сказывается угловая зависимость интенсивности обратного донного рассеяния.
В литературе 1, с. 205, 2, с. 146, 3, с.55 приводится выражение для относительной погрешности измерения скорости носителя, обусловленной смещением центральной частоты и деформацией спектра эхосигнала, принятого единственным лучом ХН гидроакустической антенны, а именно носовым лучом. Доплеровские лаги с однолучевой ХН не получили распространения из-за присущих им недостатков 1, с. 132-133. Для извлечения доплеровской информации, как правило, используются двух- или четырёхлучевые ХН гидроакустических антенн типа «Янус и именно такие антенны имеют место быть в аналогах.
Если провести математические выкладки, подобные 1, с. 203-205, для двухлучевой гидроакустической антенны типа «Янус и опустить промежуточные результаты, получается следующее выражение откорректированной скорости носителя
V,V(C,H,,,+C,},(1)
где V - измеренная скорость,
Я„,. - текущая глубина под килем, км,
С, и Cj - константы, определяемые через параметры доплеровского лага и морской среды следующими выражениями
i  ,  . «
12.1cos 0 J3ff А«(2) С,1 + Аа  j,.(3) коэффициент пространственного затухания звука, дБ/км, ширина характеристики направленности (ХН), рад. j2 + ctge.
- угол между вертикалью и осями акустических лучей, рад,
е - коэффициент, определяющий угловую зависимость обратного донного рассеяния, 1/рад.
Возможные значения s как функции в и рабочей частоты доплеровского
лага /о приведены в 2, с. 18-19, 10, с. 87-100. Из рассмотрения угловых зависимостей коэффициента обратного донного рассеяния s следует, что в пределах возможных значений А«, Q и /о для доплеровских лагов е, 1/рад, т.е.
С,.,.да(±0).(4)
Величина Я может быть определена, например, по известным значениям глубин в точках падения на дно акустических лучей (прототип), по данным эхолота, карты или системы автоматического регулирования длительности излучаемых сигналов лага.
Величину Я„,,,,. для прототипа можно принять равной
.5(Я,+Я,),(5)
где Я, Яз - известные в прототипе значения глубин в точках падения на дно акустических лучей, км.
Величина 5 зависит от рабочей частоты /о и физических параметров
морской среды (температура, солёность, глубина). Известны различные аппроксимирующие выражения для / как функции /ц и физических параметров морской среды. Например, в 2, с. 10-14 приведён краткий обзор различных аппроксимирующих выражений для j.
в 3, с. 92-95 приведены результаты статистического информационного анализа по накопленным фактографическим данным для j. Одним из результатов является следующее выражение для оценки математического ожидания коэффициента пространственного затухания звука
Q Q2/169 -, ЮкГг/  /о  50кГг/, км
/
0.36/ - 3.6   -1 -9, -  50кГг  /о  200кГг.
Там же приведены выражения для нижней и верхней границ доверительных интервалов коэффициента пространственного затухания звука, соответствующих доверительной вероятности 0.95
-1.75 д
0.014/,-,10кГг/ /о 50кГг/, км
0.208/-8.5-lOV +4.2, -, 50кГг/  /  200кГг/
1.65 дБ
0.026/ %, ЮкГг/  /о  50кГг/, км
0.59/- 9.1  lOV-13.2, -,  /О  200кГг
С учетом влияния глубины 3, с. 95, 11, с. 128
/,(1-з.з.).
Следовательно, априорно известны значения всех величин, входящих в выражение (1), и введение блока коррекции погрешности смещения, который реализует выражение (1) с учетом выражений (5) и (9), обеспечивает достижение указанного технического результата.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой на фиг. 1.
Jll
(6)
(7)
(8)
(9)
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединённые блок 1 измерения доплеровских сдвигов частот и блок 2 вычисления составляющих вектора скорости, блок 3 осреднения, первый вход которого соединен с выходом блока 2, а второй вход блока 3 соединён с внешним источником сигнала времени осреднения Г, а выход соединён с первым входом блока 4 коррекции погрешности смещения, выход которого соединён со вторым входом блока 5 дополнительных информационных параметров. Второй вход блока 4 коррекции погрешности смещения соединен с соответствующим выходом блока 5, являющимся источником значений глубин Я, в точках падения на дно акустических лучей ХН гидроакустической антенны. При этом первый вход блока 5 соединен с внешним источником сигналов времен распространения колебаний г,
по акустическим лучам ХН гидроакустической антенны.
Выполнение блоков 1-3 и 5 известно, например, из описания прототипа, где применяются элементы дискретной схемотехники и программируемые интегральные схемы серий 580 (8-разрядный микропроцессорный набор) и 1810 (16-разрядный микропроцессор). Аппаратная реализация блока 4 коррекции погрешности смещения в виде необходимых для способа связей отдельных элементов требует не более шести умножителей, трех сумматоров, четырех буферов для хранения промежуточных результатов и констант, изготавливаемых электронной промышленностью в виде интегральных схем. Выполнение блока 4 коррекции погрешности смещения также возможно программно-аппаратно с использованием микропроцессоров. Например, в 12, 13 рассматривается использование 32-разрядных микропроцессоров цифровой обработки сигналов
т)
(ЦОС) с плавающей запятой и тактом (30-50) не в различных гидроакуотических устройствах. Реализация блока коррекции 4 занимает, например, на микропроцессоре ЦОС DSP96002 (отечественный аналог 1В577) примерно 1 мкс.
Предлагаемое устройство вторичной обработки работает следующим образом.
Выходные сигналы приемного тракта подаются на блок 1 измерения доплеровских сдвигов частот, где производится измерение и алгебраическое суммирование значений доплеровских сдвигов частот, принятых по акустическим лучам ХН гидроакустической антенны, лежащих в одной плоскости. Блок 2 вычисления составляющих вектора скорости осуществляет перемножение значений доплеровских сдвигов частоты на коэффициенты скоростной чувствительности доплеровского лага, уточнённые в результате морских испытаний лага. Блок 3 осуществляет осреднение на заданном интервале времени Т, который
может задаваться и составлять (1..300) с 1, с. 189, 2, с. 136, 155. Блок 4 коррекции погрешности смещения производит коррекцию скорости носителя F согласно выражениям (5), (9), (2), (3) и (1).
В результате повышается точность измерения скорости носителя. Для сопоставления в табл. 1 приведены возможные максимальные значения относительной погрешности, вызванной смещением, для некоторых высокоточных абсолютных доплеровских лагов (AF,,-разница измеренной и истинной скоростей), имеющие устройства вторичной обработки, описанные ранее (столбцы 13) и в качестве прототипа (столбец 4).. В столбце 5 табл.1 приведены относительные погрешности лага ЛА-52, устройство вторичной обработки которого выполнено в соответствии с предложением, для нижней и верхней границ доверительного интервала значений коэффициента пространственного затухания звука, которые равны соответственно 33 дБ/км и 55 дБ/км (выражения (7) и (8)).
Как показывает сопоставление, относительные погрешности из-за смещений центральных частот и деформаций форм спектров эхосигналов уменьшаются не менее чем на порядок, что позволяет считать задачу полезной модели решенной.
fflued/H
Таблица 1
Источники информации:
1.Бородин В.И. и др. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, Судостроение, 1983.
2.Богородский А.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984.
З.Виноградов К.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Ленинград, Судостроение, 1990.
4.IEEE Journal of Oceanic Engineering, October 2001, vol.26, N4, pp. 548-560
5.Сборник Судостроительнаяпромышленность,серия
Общетехническая, вып. 34, 1991, с. 65-72.
6.Записки по гидрографии, вып. 231, 1994, с. 37-42.
7. Гидроакустические доплеровские лаги ЛА-52 и ЛА-53. Правила штурманской службы , 24, ГУНиО МО РФ, 1996.
8.Технические средства судовождения. Под ред. Смирнова Е.Л., Спб, Элмор, 2000.
9.Морская навигационная техника. Справочник. Под ред. Смирнова Е.Л., Спб, Элмор, 2002.
Ю.Акустика дна океана. Под ред. У. Купермана и Ф. Енсена, М., Мир, 1984.
И.Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Ленинград, Судостроение, 1978.
12. Лисе А. P., Рыжиков А. В. /Структурное построение цифровых вычислительных комплексов ГАК и ГАС, Труды пятой международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, 6-9 июня 2000, Санкт-Петербург, 2000.
13.Научно-технический сборник Гидроакустика, вып. 2, 2000, с. 6-14.