СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА С ПОДВОДНОГО НОСИТЕЛЯ
METHOD OF MEASURING THICKNESS OF ICE FROM UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в навигационных приборах обнаружения льда и измерения его характеристик.
Как правило, такие приборы используются подводными носителями, для которых необходимо знание ледовой обстановки, в том числе дистанционная оценка толщины льда с высокой точностью при движении подо льдом на фиксированной глубине.
Известен акустико-гидростатический способ измерения толщины погруженной части льда, который содержит измерение высоты водяного столба, измеряемого датчиком забортного давления, и измерение расстояния до нижней поверхности льда, определяемое эхолотом. Толщина льда при этом есть разность измеренной высоты столба и оценки расстояния до поверхности (А.В.Богородский, Д.Б.Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. СПб.: ЛЭТИ, 2009 г., с.123-170). Основным недостатком этого способа является недостаточная точность измерения, которая определяется точностью гидростатического измерителя, зависящей от знания атмосферного давления на момент измерения, и точностью измерения эхолотом, показания которого зависят от точности измерения скорости звука. Скорость звука может быть измерена на глубине движения, а по трассе распространения сигнала и особенно в районе, близком к кромке льда, измерить ее практически невозможно.
Для измерения толщины молодого морского льда значительный интерес представляют чисто акустические способы измерения.
Известен способ измерения толщины льда с использованием параметрического излучения. Нелинейное взаимодействие в воде сигналов двух частот приводит к возникновению разностной частоты, на которой и измеряется толщина льда. Характеристики направленности имеют практически такую же ширину, как и на исходных частотах накачки. Практическая реализация эхоледомера на параметрическом методе излучения столкнулась с рядом технических и технологических трудностей, присущих параметрическому методу, которые не позволили обеспечить требуемую точность измерения во всем диапазоне толщин льда.
В настоящее время для измерения толщины льда используются гидроакустические эхоледомеры (Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004 г., с.127-142). Гидроакустический эхоледомер свободен от недостатков акустогидростатического, так как его показания не зависят от абсолютного гидростатического давления. Гидроакустический эхоледомер состоит из высокочастотного канала, который содержит генератор, антенну, приемник и измеритель расстояния, низкочастотного канала, содержащего генератор, антенну, приемник и измеритель расстояния, индикатора и блока измерения толщины льда. Зондирующий импульс с высокочастотной несущей отражается от нижней поверхности льда, а сигнал низкочастотной несущей - от его верхней поверхности. Физической основой этого эффекта служит аномально большое затухание акустической энергии в кристаллической структуре молодого льда, обнаруженное во время изучения его акустических свойств. При очень низких частотах порядка 1 кГц затухание сигнала в толще льда небольшое, при частотах выше 100 кГц затухание настолько сильное, что эхосигнал формируется только самым нижним слоем льда (В.В.Богородский, Г.Е.Смирнов, С.А.Смирнов. Поглощение и рассеяние звуковых волн морским льдом. Труды ААНИИ. Л. 1975 г., с.128-134). При толщине льда меньше 0,5 м, что соответствует молодому льду, точность измерения толщины льда таким способом недостаточна для решения практических задач. Кроме того, этот способ требует участия оператора для ручной отработки результатов.
Задачей предлагаемого способа является повышение точности и обеспечение автоматического измерения толщины молодого льда.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении автоматического измерения толщины молодого льда с высокой точностью.
Способ, реализованный в гидроакустическом эхоледомере, по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемого способа.
i
i
i
i
i
i
i
i
Для обеспечения заявленного технического результата в известный способ измерения толщины льда, содержащий излучение из подводного положения носителя в направлении льда высокочастотного и низкочастотного зондирующих гидроакустических сигналов раздельно высокочастотной и низкочастотной антеннами соответственно, прием отраженных от льда сигналов высокочастотной антенной - высокочастотного, и низкочастотной антенной - низкочастотного соответственно, введены новые признаки, а именно измеряют глубину погружения Н носителя, формируют и излучают низкочастотный сигнал длительностью Т<2Н/С, где С - скорость звука на горизонте измерения, и частотой F<1200 Гц/d(M), где d - толщина молодого льда в метрах, формируют и излучают высокочастотный сигнал f≥100 кГц с длительностью М=10/f, причем высокочастотный сигнал излучают в моменты времени, соответствующие равенству нулю фазы низкочастотного сигнала, измеряют время прихода переднего фронта высокочастотного сигнала Q, измеряют время равенства нулю фазы низкочастотного сигнала t, где i - порядковый номер измерения, вычисляют разности времен Q-t, определяют фазу задержки низкочастотного сигнала по формуле θ=(Q-t)360°/M, определяют толщину льда из формулы h=θ/η, где η - эмпирический коэффициент, который определяют по результатами графической зависимости фазы низкочастотного сигнала от отношения толщины льда к длине волны низкочастотного колебания, которые измерены предварительно, или выбирают равным 500, а окончательную оценку толщины льда определяют как среднее значение всех i измерений толщин льда на число измерений за длительность низкочастотной посылки.
Сущность работы предлагаемого способа основана на физических принципах гидроакустического метода, в котором используется зависимость отражательной способности льда от частоты, но в отличие от прототипа используется фазовый метод измерения. Низкочастотная излучающая антенна формирует ориентированную вверх характеристику направленности на частотах F<1200 Гц/d(M), где d - толщина молодого льда в метрах (С.А. Смирнов. Отражение низкочастотного гидроакустического сигнала от слоя молодого морского льда. Труды 8-й международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб.: Наука. 2006 г., с.115). Высокочастотная излучающая антенна формирует узконаправленный луч, ориентированный вверх, и излучает короткие импульсы в моменты, соответствующие нулевым фазам низкочастотного зондирующего сигнала. При отражении зондирующего высокочастотного сигнала от слоя молодого льда формируется нижняя граница льда. Низкочастотный зондирующий сигнал проходит через молодой лед практически без затухания и отражается от верхней границы льда. При отражении от границы лед - воздух происходит поворот фазы на 180 градусов, и отраженный низкочастотный сигнал принимается низкочастотной приемной антенной (там же). Таким образом, временная задержка между принятым высокочастотным импульсом, время приема которого характеризует нижнюю границу льда, и измеренным временем перехода фазы низкочастотного сигнала, который отразился от верхней кромки льда, через ноль функционально связана с толщиной льда. При излучении моменты времени формирования высокочастотного сигнала должны быть жестко связаны с моментами времени перехода фазы несущей низкочастотного сигнала через ноль, поэтому количество высокочастотных зондирующих сигналов равно количеству переходов несущей частоты низкочастотного импульса через ноль.
Измеряя разность между временем прихода высокочастотного сигнала и следующим за ним моментом времени перехода фазы несущей частоты низкочастотного импульса через ноль, получим оценку задержки фазы низкочастотного сигнала относительно высокочастотного сигнала. Точность измерения фазы будет определяться длительностью высокочастотного импульса. Поэтому длительность высокочастотного импульса должна быть минимальной, при которой будет обеспечено хорошее отношение сигнал - помеха при приеме. Исходной величиной для определения длительности низкочастотного сигнала является глубина погружения носителя Н, поэтому сначала измеряется глубина погружения носителя, которая измеряется на всех подводных носителях с помощью стандартного глубиномера. Длительность низкочастотного сигнала должна быть меньше Т<2Н/С, где Н - глубина погружения антенн носителя, а С - скорость звука, что гарантирует разнесение по времени излучения зондирующего сигнала и прием отраженного от верхней кромки льда эхосигнала. Частота низкочастотного сигнала определяется на основе проведенных экспериментальных исследований, согласно которым измеряли граничную частоту низкочастотного сигнала, отраженного от верхней кромки льда. Эта частота определялась из выражения F<1200 Гц/d(M) и равнялась примерно 1000 Гц, а конкретное значение определяется техническими и технологическими возможностями реализации (Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004 г., с.127-142). Частота излучения высокочастотного сигнала зависит от времени работы и свойств льда, которые могут изменяться, что сказывается на отражательной способности. Эта частота находится, как правило, в пределах от 100 до 200 кГц и определяется особенностями построения конкретного эхоледомера (В.В.Богородский, В.П.Гаврило. Лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1984 г.).
i
i
i
i
i
Длительность высокочастотного зондирующего импульса должна быть не менее 10 периодов несущей частоты. Это обеспечивает достаточное отношение сигнал - помеха, с одной стороны, и предельную точность измерения фазы несущей частоты низкочастотного сигнала, с другой стороны, что практически определяет инструментальную точность измерений предлагаемым способом. После излучения сигналов производят прием отраженных сигналов. Прием высокочастотного сигнала и низкочастотного сигнала производят на разные антенны. Первым приходит высокочастотный сигнал, отразившись от нижней кромки льда. Определение времени прихода высокочастотного сигнала происходит с использованием стандартной процедуры после измерения помехи и выбора порога, при этом фиксируют момент превышения порога амплитудой огибающей высокочастотного импульса. Этот измеренный момент времени является сигналом для формирования процедуры измерения времени пересечения амплитуды несущей низкочастотного сигнала нулевого уровня, который соответствует нулевой фазе низкочастотного сигнала. Подобные измерения известны и достаточно подробно изложены в специальной литературе (Б.Н.Митяшев. Определение временного положения импульсов при наличии помех. М.: Сов. радио, 1962 г.). Поскольку первым приходит высокочастотный сигнал, отразившись от нижней кромки льда, то он и обеспечивают высокую точность измерения нулевого уровня низкочастотного сигнала даже при наличии помехи. Операции измерения времени происходят последовательно, поэтому совпадение порядковых номеров обеспечивается автоматически по каждому приему высокочастотного сигнала и соответствующей ему нулевой фазе низкочастотного сигнала. По каждой паре измерений производится определение фазы задержки низкочастотного сигнала в зависимости от точности измерения, которая определяется длительностью используемого высокочастотного импульса по формуле θ=(Q-t)360°/M. Далее определяется толщина льда из формулы h=θ/η, где η - эмпирический коэффициент, который уточняется по результатам экспериментальных оценок. Можно использовать графическую зависимость отношения толщины льда к длине волны низкочастотного колебания от сдвига фазы и запрограммировать процедуру сравнения фазы и соответствующей ей толщины льда по таблице для конкретного значения низкой частоты. Можно воспользоваться усредненным значением коэффициента, полученным аппроксимацией той же графической зависимости (ориентировочно η=500) (С.А.Смирнов. Отражение низкочастотного гидроакустического сигнала от слоя молодого морского льда. Труды 8-й международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СПб.: Наука, 2006 г., с.115). Некоторая потеря точности не будет существенной, поскольку не будет выходить за границу, которая определяется априорной неопределенностью исходных данных и незнанием условий работы. В процессе работы используются несколько периодов низкой частоты, определяемых длительностью низкочастотного сигнала. По каждому периоду определяется значение толщины льда, поэтому можно использовать ряд последовательных измерений и получить статистическую оценку среднего значения, которая будет являться окончательным результатом измерений по одному циклу излучение - прием.
Блок схема устройства, реализующего предложенный способ, представлена на фиг.1.
Устройство содержит низкочастотную антенну 1, соединенную через аппаратуру 3 приема передачи низкочастотного (НЧ) сигнала двусторонней связью с блоком 5 управления и согласования и далее со спецпроцессором 6 обработки входных данных и выработки оценки толщины льда. Антенна 2 через аппаратуру приема-передачи высокочастотного (ВЧ) сигнала соединена со вторым входом блока 5 управления и согласования двусторонней связью. Измеритель 7 глубины и скорости звука соединен со вторым входом спецпроцессора 6 обработки входных данных и выработки оценки толщины льда, а третий вход спецпроцессора 6 соединен с блоком 8 формирования априорных данных.
Антенны 1 и 2 являются известными направленными акустическими антеннами, так же аппаратура приема-передачи 3 и 4 является известными устройствами, используемыми в прототипе. Блок 5 управления и согласования может быть частью вычислительного устройства, реализованного в спецпроцессоре 6. Для качественного решения задач обработки гидроакустической информации на современных кораблях используются спецпроцессоры на основе ЦВС, обладающие высокой производительностью, функциональной надежностью и малыми габаритами. С использованием специального алгоритмического и программного обеспечения спецпроцессорами могут решаться все задачи формирования и обработки принимаемых гидроакустических сигналов, в том числе и для автоматического измерения толщины льда (Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004 г., с.281).
Реализацию способа целесообразно рассмотреть на примере работы устройства.
В спецпроцессор 6 поступает оценка глубины и оценка скорости звука из измерителя 7, который является известным устройством и работает в штатном режиме (В.А.Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане». СПб.: Наука, 2003 г.). По оценке глубины в спецпроцессоре 6 рассчитываются длительность низкочастотного сигнала и времена выработки высокочастотных зондирующих импульсов, которые согласованы с нулевыми фазами низкочастотного сигнала, и определяется число формируемых сигналов. Эта информация поступает в блок 5 управления и согласования, который формирует последовательность работы низкочастотного канала на антенну 1 и высокочастотного канала на антенну 2. Аппаратура 4 приема-передачи формирует зондирующие сигналы высокой частоты, которые антенной 2 излучаются в направлении льда. Одновременно аппаратура 3 приема-передачи формирует низкочастотные сигналы, которые антенной 1 излучаются в направлении льда. Отраженные нижней кромкой льда высокочастотные эхосигналы принимаются антенной 2 и поступают на аппаратуру 4 приема-передачи ВЧ сигнала, где происходит оптимальная обработка принятых сигналов, пороговое обнаружение сигналов и фиксация моментов времени приема высокочастотного сигнала, которые передаются в блок 5. Одновременно эхосигнал НЧ, отраженный от верхней кромки льда, принимается антенной 1 и поступает на аппаратуру 3 приема-передачи НЧ сигнала, где происходит оптимальная обработка низкочастотного сигнала, определение момента пересечения фазой низкочастотного сигнала нулевого уровня и передача этих данных в блок 5. В блоке 5 происходит сравнение моментов излучения и приема в соответствии с выбранной временной диаграммой и передача полученных временных оценок в спецпроцессор 6 для обработки входных данных и выработки оценки толщины льда. Из блока 8 формирования априорных данных в спецпроцессор 6 поступают исходные данные по району работы, времени года и графики зависимости оценки фазы от отношения толщины льда к длине волны, полученные по результатам экспериментальных исследований. В спецпроцессоре 6 происходит выработка среднего значения оценки толщины льда по всем полученным измерениям на длительности низкочастотного сигнала.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет автоматически измерять толщину льда с подводного носителя при использовании фазоимпульсного метода измерения и осреднения результатов нескольких измерений в процессе накопления информации за один цикл излучение - прием.