СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ ОБЪЕКТА И ГИДРОЛОКАТОРОМ
METHOD OF MEASURING DEPTH OF OBJECT USING SONAR

Настоящее изобретение относится к области гидролокации и предназначено для измерения глубины местоположения объекта, имеющего развитую вертикальную структуру, в том числе местоположение источников скрытых утечек газа из трубопроводов.
В настоящее время большое распространение получили газопроводы, которые прокладываются на больших расстояниях под водой. Они могут располагаться как по дну морей, так и в подводном положении в плавучем состоянии на некоторой глубине. В процессе эксплуатации возникают ситуации, которые могут нарушить уплотнение между трубами, что приведет к образованию отверстия, из которого будет происходить утечка газа. Обнаружить утечку газа можно по снижению давления в магистрали. Однако это не всегда возможно, поскольку давление в системе зависит от потребления, которое практически всегда является случайным и зависит от случайности включения и отключения источников потребления. Обнаружить утечку газа с поверхности воды затруднительно, поскольку на поверхности моря будет наблюдаться газовые пузыри, характер которых будет маскироваться волнующейся водной массой. Обнаружить утечку газа можно и с использованием многолучевых эхолотов, которые работают непосредственно по дну и по известному местоположению газового трубопровода. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-исследовательские средства. СПб.: Изд. «ЛЭТИ», 2009 г., с.89-113), однако
это требует точного знания положения трубопровода на дне, что связано с большими предварительными работами. Можно использовать гидролокаторы бокового обзора типа «Гидра» (Скнаря А.В., Трусилов В.Т., Седов М.В. Применение гидролокаторов бокового обзора для решения задач безопасности судоходства и экологического мониторинга. Специальная техника, №2, 2003 г.). Как правило, эти гидролокаторы являются буксируемыми и имеют дистанцию обнаружения порядка сотен метров, что также ограничивает возможности мониторинга состояния трубопроводов. Наиболее полно возможности использования гидролокаторов бокового обзора для задач обследования акваторий изложены в работе В.Г. Тимошенков. Разработка программно- математических средств идентификации подводных потенциально опасных объектов, регистрируемых с помощью гидроакустических средств. НИР «Объект» ЛЮКИ НИР 518-1. УДК 551.46.07. СПб, 2008 г. ОАО «Концерн «Океанприбор». Там же приведен патентный поиск по всем гидроакустическим средствам для обнаружения подводных потенциально опасных объектов с.117-137, который показал, что в имеющейся литературе отсутствуют методы обнаружения местоположения газовой пелены на больших пространствах и отсутствуют методы определения глубины источника утечки.
Известен метод определения глубины погружения цели с использованием гидролокатора, описанный в работе (А.П. Сташкевич. Акустика океана. Л.: Судостроение, 1966 г., с.263). Способ содержит измерение дистанции до цели и угла, определяемого направлением характеристики направленности в вертикальной плоскости.
Известен «Способ и устройство определения глубины подводного объекта»
авторы SATO KAZUO и др. по патенту JP 02708109 B2 от 04.02.98 г. G01S 15/10 HITACYI LTD, который основан на том же принципе, что и предыдущий способ, но определение направления производится с использованием сканирования характеристики направленности в вертикальной плоскости при излучении зондирующего сигнала узкой характеристикой направленности.
Недостатком данных методов является то, что необходимо точно знать направление на цель, которая определяется с использованием узкой характеристики направленности (ХН) в вертикальной плоскости. Результатом оценки глубины для объекта является величина, которая получается при решении прямоугольного треугольника по гипотенузе, определяемой по оценке дистанции и углу, определяемому направлением характеристики направленности.
Такая процедура определения глубины погружения зависит от правильности получения оценки направления на цель, которая зависит от ширины характеристики направленности в вертикальной плоскости. Чем уже ХН, тем точнее можно определить направление на цель. Существующие системы обнаружения эхосигнала имеют узкую характеристику направленности в горизонтальной плоскости и широкую характеристику направленности в вертикальной плоскости. Ширина характеристики направленности в вертикальной плоскости является конечной величиной и составляет в существующих системах величину порядка 20°-40° по уровню 0.7 от максимума.
1
1
1
2
1
соб
Известен измеритель глубины погружения объекта по патенту РФ №119127 и известен способ определения глубины погружения объекта с использованием подвижного носителя по патенту РФ №2350983. Они основаны на одном и том же принципе, но в измерителе по патенту РФ №119127 дополнительно учитывается курсовой угол на объект. Наиболее близким аналогом является способ по патенту РФ №2350983, который и принимается за прототип. Способ содержит излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала и измерение дистанции D на момент времени t, в момент времени t+Δt, повторяют процедуру измерения дистанции до объекта определяют дистанцию D до объекта в момент времени t+Δt, определяют скорость движения носителя V; и глубину погружения объекта относительно горизонта движения носителя определяют по формуле
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
, где
<mrow><mi>Δ</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mi>Δ</mi><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>V</mi><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
, где
1
1
D - дистанция до объекта в момент времени t,
2
1
D - дистанция до объекта на момент времени t+Δt,
изл
h - глубина погружения излучателя,
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>с</mi><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- скорость перемещения излучателя.
Этот способ предназначен для определения глубины погружения неподвижного локального объекта.
При нарушении герметичности трубопровода происходит выход газа, который образует пелену пузырей. При работе гидролокатора можно будет получить эхосигнала от пелены пузырей, образующейся при движении пузырей с глубины на поверхность. Такой отражатель имеет хорошо развитую вертикальную структуру, поскольку пузыри поднимаются вертикально вверх и увеличиваются в объеме, что приводит к расширению газового облака у поверхности. Поскольку этот объект имеет большую протяженность в вертикальной и горизонтальной плоскости, то существенно увеличивается ошибка оценки глубины, либо невозможность получения оценки глубины известными методами.
мин
макс
макс
мин
<mrow><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mn>0,5</mn><mi>C</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mn>0,5</mn><mi>C</mi></mrow>
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>Д</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Д</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
Указанный недостаток устраняется тем, что в известный способ измерения глубины погружения, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала и измерение дистанции дополнительно введены новые признаки, а именно прием эхосигналов осуществляется статическим веером характеристик направленности в горизонтальной плоскости, имеющих направленность в вертикальной плоскости порядка 40°, производится многоканальная обработка по всем характеристикам направленности, выбирается порог в каждом канале, обнаруживается эхосигнал, превысивший порог в каждом канале, определяется момент времени начала Т и момент времени окончания Т эхосигнала в каждом пространственном канале, выбирается канал с максимальным временем задержки Т и соответствующее ему Тминимальное время задержки, вычисляется
, вычисляется дистанции по окончанию эхосигнала,
, а глубину местоположения начала эхосигнала определяется по формуле
, где
H - глубина местоположения начала газовой пелены;
оконч
Д - дистанция, соответствующая максимальному времени окончания эхосигнала или выхода газовой пелены из трубопровода;
нач
Д - дистанция, соответствующая минимальному времени начала эхосигнала или выхода газовой пелены на поверхность;
C - скорость распространения звука в районе работы.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности определения глубины расположения начала эхосигнала от вертикально распределенной пелены пузырей, что соответствует местоположению источника нарушения герметичности газопровода.
Поясним достижение указанного технического результата и существо предлагаемого технического решения.
Американскими специалистами были проведены акустические исследования и были получены данные, что акустическую энергию хорошо отражают не только металлические и скальные объекты, но газовые пузыри, которые могут создаваться в кильватерных струях при движении надводного корабля. В монографии Физические основы подводной акустики /Под ред. Мясищева В.И. М.: Сов радио, 1955 г., с.604 рассмотрены вопросы отражения акустической энергии от отдельных пузырей и от пелены пузырей. В работе указывается, что эквивалентный радиус отражателя, состоящего из пелены пузырей, будет зависеть от их размеров. При совпадении частоты излучения с резонансной частотой пузыря эхосигнал резко увеличивается. Размеры пузырей зависят от глубины их нахождения, поскольку давление в месте установки газопровода большое, то и диаметр пузыря будет маленьким, так как он будет сжат гидростатическим давлением и пространственная протяженность будет мала. По мере всплытия диаметр пузыря будет увеличиваться и размеры пузырькового облака также будут увеличиваться по пространству.
На этой основе разработаны рыбопоисковые гидролокаторы, которые обнаруживают эхосигналы, отраженные от плавательных пузырей рыб как одиночных, так и их скоплений. Е.В. Шишкова. Физические основы промысловой акустики. М., 1977 г.. Известны гидролокаторы, разработанные для поиска и обнаружения скопления рыбных косяков, рассмотренные в работе Ю.С. Кобяков, Н.Н. Кудрявцев В.И. Тимошенко. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л.: Судостроение, 1986 г., с.5-27.
В нашем случае следует исходить из нескольких очевидных предпосылок: источник выхода газа находится на трубе, газ поднимается только вверх и объем его увеличивается вследствие расширения вплоть до поверхности, поэтому газовая пелена расположена вертикально, при подъеме пузырей их размер увеличивается. Наличие трубопровода не исключает получение эхосигнала от корпуса трубы, поскольку труба представляет собой полое пространство, заполненное газом, плотность которого отличается от плотности воды.
мин
макс
макс
мин
макс
нач
мин
оконч
макс
Для обнаружения и классификации пелены пузырей необходимо использовать обычный гидролокатор, содержащий приемную и излучающую антенну, коммутатор, генератор зондирующего сигнала и статический веер характеристик направленности при приеме. Поскольку зондирующий сигнал распространяется в водной среде по сферическому закону, то при излучении зондирующего сигнала с надводного корабля в горизонтальном направлении акустическая энергия будет распространяться, расширяясь в выбранном направлении. Первый эхосигнал придет от той части пелены пузырей, которая уже достигла поверхности, поскольку пространственная ширина пелены пузырей у поверхности максимальная. Последний эхосигнал придет от той части пелены пузырей, которая находится в начале выхода из трубопровода. Излучение производится в горизонтальном направлении широко направленной характеристикой (А.В. Богородский, Д.Б. Островский Гидроакустические навигационные и поисково-исследовательские средства. СПб.: Изд. «ЛЭТИ», 2009 г., с.192.). Прием эхосигнала осуществляется статическим веером характеристик направленности, каждая из характеристик которой имеет узкую направленность в горизонтальной плоскости и широкую направленность в вертикальной плоскости с раствором порядка 40°-50°.. (там же с.172-178.). Обработка принимаемого эхосигнала происходит автономно и независимо в каждой характеристике направленности. В каждой характеристике направленности происходит обнаружение эхосигнала, измерение амплитуды эхосигнала и момента начала эхосигнала и момента окончания эхосигнала. Поскольку пелена пузырей непрерывна на всем протяжении до поверхности и расширяется у поверхности, то эхосигнал будет представлять собой непрерывную временную функцию, где будет четко наблюдаться начало эхосигнала у поверхности и окончание эхосигнала у дна. Такая временная функция будет наблюдаться в двух или трех соседних пространственных горизонтальных каналах, если пространственные каналы статического веера характеристик направленности перекрываются, а ширина газового облака расширяется у поверхности. Поэтому необходимо обеспечить обнаружение эхосигнала в соседних характеристиках направленности, измерение момента начала эхосигнала отраженного от пелены пузырей, момента окончания эхосигнала отраженного от пелены пузырей в соседних характеристиках направленности. Когда характеристики перекрываются, то в одной характеристике будет наблюдаться эхосигнал с максимальной длительностью от начала эхосигнала у источника до окончания эхосигнала у поверхности, а у соседней характеристики только часть эхосигнала, соответствующую верхней части пелены. Это приведет к тому, что минимальное значение времени начала эхосигнала Тбудет обнаружено и измерено в одном канале, а максимальное время окончания эхосигнала Т будет зафиксировано в другом канале. Для этого необходимо из всей совокупности измерений выбрать канал, у которого измерена максимальное время окончания эхосигнала Т и соответствующее этому каналу Т. Момент окончания эхосигнала Т будет соответствовать моменту выхода газа и именно это определяет местоположение выхода газа из трубы. Вычислив минимальную дистанцию Д по времени задержки эхосигнала до места выхода газа на поверхность Тв выбранном канале и по значению скорости звука, что соответствует началу эхосигнала, и, вычислив дистанцию Д, соответствующую окончанию эхосигнала, по максимальному времени задержки эхосигнала Т в этом же канале и значению скорости, что соответствует началу выхода газа, можно определить глубину месторасположения источника разгерметизации газопровода в метрах по формуле:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>Д</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>ч</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>Д</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
, где
H - глубина месторасположения точки разгерметизации;
оконч
макс
Д=Т0,5С - максимальная дистанция, соответствующая окончанию эхосигнала,
нач
мин
Д=Т0,5С - минимальная дистанция, соответствующая началу эхосигнала.
Сущность предлагаемого способа поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема гидролокатора для определения глубины местоположения источника газовой пелены.
На фиг.1 обозначено
1 - антенна,
2 - коммутатор приема передачи,
3 - задающий генератор,
4 - система формирования статического веера характеристик направленности,
5 - процессор многоканальной системы обработки,
6 - блок выбора порога в каждом канале обнаружении,
мин
макс.
7 - блок измерения времени начала эхосигнала Ти измерения времени окончания эхосигнала Т в каждом канале;
макс
мин
нач
оконч
8 - блок выбора канала, у которого максимальное время окончания эхосигнала Т и соответствующие ему значения времени Т начала эхосигнала и вычисления дистанций Д, Д;
9 - блок вычисления глубины местоположения начала газовой пелены;
10 - блок отображения и управления.
11 - блок измерения скорости звука.
мин
макс
макс
мин
нач
оконч
Антенна 1 соединена двусторонней связью с коммутатор приема передачи 2 и через систему 4 формирования статического веера характеристик направленности соединена с процессором 5 многоканальной системы обработки эхосигналов, каждый канал из К каналов которого состоит из последовательно соединенных, блока 6 выбора порога обнаружения, блока 7 измерения времени начала Т эхосигнала и времени окончания эхосигнала Т, блока 8 выбора канала с временем Т и соответствующим ему временем Т и вычисления Д и Д, с первым входом блока 9 вычисления глубины местоположения начала газовой пелены, через двухсторонний вход блока 10 отображения и управления со входом задающего генератора 3 и далее со входом коммутатора 2 приема передачи. Измеритель скорости звука 11 соединен со вторым входом процессора 5 многоканальной системы обработки эхосигналов.
Антенна, коммутатор приема и передачи, задающий генератор являются известными устройствами и используются при разработке гидролокаторов. А.С. Колчеданцев. Гидроакустические станции. Л.: Судостроение, 1982 г., с.60-90. Система формирования статического веера характеристик направленности является известным устройством, который может быть сформирован как аналоговыми, так и цифровыми методами, например таким, как изложены в Справочнике по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988 г., с.18-29.
В настоящее время вся гидроакустическая аппаратура делается с использованием цифровых методов обработки и реализуется на спецпроцессорах или персональных компьютерах с соответствующим программным обеспечением, имеющимся в наличии или специально разработанным на основе стандартных методов программирования.
Цифровые процессоры являются известными устройствами, которые предназначены для осуществления конкретных алгоритмов обработки с использованием аппаратных решений и жесткой логикой вычислений. Их применение повышает быстродействие цифровых вычислительных систем в несколько раз, и в большинстве случаев сокращает аппаратные затраты. Описания спецпроцессоров приведены в книге Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004 г., с.281. Там же приведено описание гидроакустических комплексов и гидролокаторов, построенных на основе спецпроцессоров с.296, с.328.
Вопросы, связанные с цифровой обработкой сигналов, вопросы модуляции и демодуляции, спектральный анализ, а также использование пакетов расширения «Матлаб», которые обеспечивают последовательную процедуру использования разрабатываемых алгоритмов, рассмотрены в пособии А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. СПб., 2011 г., с.655. Измеритель скорости звука является известным устройством Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане. СПб.: Наука 2003 г.
Измерение глубины местоположения начала образования газовой пелены производится следующим образом.
мин
макс.
Блоком управления и отображения 10 формируется команда на излучение, которая передается в блок 3 задающего генератора. Задающий генератор формирует зондирующий сигнал нужной длительности, на нужной частоте и необходимой мощности. Этот сигнал передается через коммутатор 2 приема-передачи на антенну 1 и излучается в водное пространство. Принятый антенной 1 эхосигнал через коммутатор приема-передачи 2 поступает в систему формирования статического веера характеристик направленности, где осуществляется формирование характеристик направленности необходимой ширины в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости. Выход системы 4 соединен с первым входом процессора 5 многоканальной системы обработки эхосигналов, которая представляет собой систему обнаружения и измерения, число каналов которой равно числу характеристик направленности. В каждом канале существует блок 6 выбора порога и блок 7 измерения времени начала эхосигнала Тв канале и времени окончания эхосигнала Т
мин
макс
В блоке 7 определяется превышение амплитуды эхосигнала над выбранным в блоке 6 порогом, измеряется амплитуда эхосигнала и временное положение Т начала эхосигнала и Т времени окончания эхосигнала.
макс
мин
макс
мин
нач
конеч
Измеренные в блоке 7 времена по всем К - независимым каналам вместе с номерами каналов поступают в блок 8 выбора канала с максимальным временем окончания эхосигнала Т и соответствующим ему Тминимальным временем начала эхосигнала. По измеренным Т и Твычисляются оценки дистанции Д и Д с использованием измеренной оценки скорости звука блоком 11. Полученные оценки дистанций поступают в блок 9 вычисления глубины местоположения начала газовой пелены, где происходит вычисление глубины разработанным алгоритмом по приведенной формуле. Оценка глубины поступает в блок 10 отображения и управления и отображается на индикаторе или дисплее. Одновременно на индикатор выводится отображение в координатах пространственный канал - время процессов по всем каналам, и оператор может убедиться в правильности выбранного канала и правильности измерения времен, а также, если необходимо, провести корректировку измерений на основе опыта работы.
Таким образом, предложенный способ позволяет обнаружить пелену газовой течи и измерить глубину места образования газовой пелены гидроакустическими средствами на больших дистанциях, поэтому можно считать заявленный технический результат достигнутым.