УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ НОСИТЕЛЯ В ВОДНОЙ СРЕДЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ДНА

Полезная модель относится к области технической гидроакустики, а более конкретно к гидроакустическим навигационным устройствам и может быть использована для измерения скорости носителя относительно дна.
Известны устройства измерения скорости носителя относительно дна, основанные на эффекте Доплера 1,2. Измерение скорости носителя производится по доплеровскому смещению центральных частот эхосигналов, отражённых от дна. Устройства, использующие однолучевые гидроакустические антенны являются простейшими. Серьезный недостаток подобных устройств - значительная методическая погрешность из-за нелинейности доплеровского смещения центральной частоты эхосигналов как функции скорости носителя, необходимости знания фактического угла наклона акустического луча и влияния вертикальной компоненты скорости 1,с.29 ,2,с. 132. Одним из путей развития данных устройств является уменьшение погрешностей измерения скорости носителя относительно дна.
Для повышения точности используются двух лучевые или четырёх лучевые гидроакустические антенны типа «Янус 1,с.29,с.133. Например, в 3 приведены сведения о навигационном доплеровском измерителе скорости
(доплеровском лаге) модели RDI Navigator DVL с четырех лучевой гидроакустической антенной типа «Янус, установленном на подводном аппарате.
На точность измерения скорости носителя относительно дна влияет непостоянство скорости звука, зависящей от температуры, глубины и солености водной среды в месте нахождения носителя. Устранение зависимости доплеровского сдвига частоты от скорости звука в водной среде достигается использованием двух лучевых или четырёх лучевых частотно-независимых в доплеровском смысле гидроакустических антенн типа «Янус 1,с.44,2,с.213. Гидроакустические лаги «Онега, ЛА-52 и ЛА-53 имеют четырёх лучевые частотно-независимые в доплеровском смысле гидроакустические антенны типа «Янус, выполненные в виде фазированных решеток акустических преобразователей 1,с.100,2,с.245,4. Подобными антеннами снабжены и зарубежные аналоги последних лет разработки, например, доплеровские гидролокаторы - измерители скорости носителей моделей EDO Model 3040, EDO Model 4240 5.
Наиболее близким аналогом по совокупности признаков к предложенной полезной модели является устройство измерения скорости носителя в водной среде относительно дна - доплеровский лаг «Онега. Устройство прототипа содержит излучающую и приемную четырёх лучевые частотнонезависимые в доплеровском смысле гидроакустические антенны типа «Янус, соединенные соответственно с генератором и входом приёмного тракта. Приёмный тракт построен по схеме двойного преобразования частоты. Выход приёмного тракта соединен с входом блока измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов, реализованного как цифровой реверсивный счётчик числа нулей, выход последнего соединен со входом блока вычисления мгновенных значений скорости носителя, выход последнего соединен со входом накопителя. Блок вычисления мгновенных значений скорости носителя и накопитель реализованы с помощью элементов дискретной и цифровой схемотехники. Накопитель может иметь время накопления 2 с, 12.5 с или 50 с, выход последнего соединен со входом разветвителя, выход которого производит выдачу измеренной скорости в двоичном коде потребителям. Смена индикации в конце каждого цикла накопления в 12.5 с или 50 с. Данные для времени накопления в 2 с выдаются непрерывно и обновляются в конце каждого цикла накопления. Блок управления соединен с управляющими входами генератора, приемного тракта, блоков измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов и вычисления мгновенных значений скорости носителя, накопителя и разветвителя 1,с.100,2,с.243. Доплеровские лаги ЛА-52 и ЛА-53 имеют аналогичную структуру 4.
Недостатком прототипа является сильная зависимость точности измерения скорости носителя относительно дна от флюктуации однократных измерений. Флюктуации определяются уровнем гидроакустических шумов, вызванных движением носителя и работой его механизмов, а также флюктуационным характером отражённых от дна эхосигналов, т. е. от отношения сигнал/шум. Например, цифровой реверсивный счётчик числа нулей блока измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов требует для нормальной работы отношения сигнал/шум не ниже 20 дБ 1,с. 47,2,с.221. Увеличение отношения сигнал/шум для уменьшения флюктуации однократных измерений может быть произведено путем увеличения излучаемой мощности. Однако такое увеличение нежелательно и ограничивается
соображениями потребляемой мощности от источника электропитания и скрытностью действия. Значительные флюктуации однократных измерений и конечное время накопления снижают точность измерения скорости носителя относительно дна.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения скорости носителя относительно дна.
При этом достигаются следующие технические результаты: устраняются грубые погрешности однократных измерений, что сопровождается повышением точности измерений скорости в присутствии значительных гидроакустических шумовых помех и флюктуации, отражённых от дна эхосигналов (сложной помехосигнальной ситуации), путем получения ее сглаженных значений.
Для достижения указанных технических результатов в устройство измерения скорости носителя относительно дна, содержащее излучающую гидроакустическую антенну типа «Янус, соединенную с генератором, так же содержащее последовательно соединённые приемную гидроакустическую антенну типа «Янус, приёмный тракт, блок измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов и блок вычисления мгновенных значений скорости, также содержащее накопитель и разветвитель, также содержащее блок управления, соединённый с управляющими входами генератора, приёмного тракта, блока измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов, блока вычисления мгновенных значений скорости, накопителя и разветвителя, введены новые признаки, а именно : введены блок сравнения и блок вычисления доверительных интервалов, при этом выход блока вычисления доверительных интервалов соединён с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединён с выходом блока вычисления мгновенных значений скорости, а выход блока сравнения соединён со входом накопителя, второй выход которого соединён со входом разветвителя, при этом вход блока вычисления доверительных интервалов соединен с первым выходом накопителя или с выходом внешнего измерителя скорости носителя, причем управляющие входы блока сравнения и блока вычисления доверительных интервалов соединены с блоком управления.
Поясним достижение указанных технических результатов.
Однократное измерение доплеровских смещений центральных частот эхосигналов производится на интервалах времени, превышающих в несколько раз абсолютный интервал корреляции эхосигналов 1,с.39,2,с.189
где А/ - ширина спектральной плотности мощности эхосигналов на уровне 0.5. Величины т составляют тысячные, десятые доли секунды. Мгновенные значения скорости F вычисляются при ориентации акустических лучей в направлении нос-корма ,с.30,2,с.135
где Ку - коэффициент пропорциональности, f и  мгновенные
доплеровские смещения центральных частот эхосигналов принятых по носовому и кормовому акустическим лучам.
При отсутствии шума флюктуации мгновенных значений скорости V подчиняются нормальному закону распределения 1,с.35,2,с.168. Для уменьшения флюктуации, т.е. для повышения точности измерений, произво.().(2)
дится накопление. Время накопления составляет единицы, десятки, иногда несколько сотен секунд 1,с.53,2,с.189. Накопление даёт сглаженную оценку
г  1угу.(3) Флюктуации мгновенных значений скорости F зависят от ширины
спектральной плотности мощности эхосигналов, которая на уровне 0.5 равна 1,с.30,39,2,с.168  -/ I I - С4)
J  ТУ1гл1 1 пV
Мерой флюктуации мгновенных значений скорости носителя К„ является среднеквадратичное отклонение, которое определяется кусочнолинейной функцией от ширины спектральной плотности мощности эхосигналов на уровне 0.5 и равно 1,с.54,2,с.190
К.. ,
Д/2 . .
Величины постоянных коэффициентов K,,K,K,K,K., определяются параметрами излучения и гидроакустических антенн типа «Янус 1,с.37,44,54,60;2,с.190,191,208,209.
В условиях сложной помехосигнальной ситуации флюктуации мгновенных значений скорости носителя V могут выходит за пределы ожидаемой кривой нормального распределения. Для того, чтобы мгновенные значения скорости носителя V, которые резко отличаются от априорно известных сглаженных значений не принимались во внимание, а производилось накопление только нормально флюктуирующих значений Г„, дающих сглажен 10уз,(5)
I
ог ,У
0уз.
ную оценку скорости носителя V, в устройство введены блок вычисления доверительных интервалов и блок сравнения Критерием резкого отличия является невыполнение известного правила трех среднеквадратичных отклонений нормальных флюктуации мгновенных значений скорости носителя Г„.
Доверительный интервал определяется в этом случае как неравенство
Введенные в устройство блок вычисления доверительных интервалов и блок сравнения реализуют выражения (5) и (6), что обеспечивает заявленные технические результаты.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, приведенной на фиг.1.
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит излучающую и приемную гидроакустические антенны 1 и 2 типа «Янус. Излучающая антенна 1 соединена с генератором 3. Устройство так же содержит последовательно соединённые приемную антенну 2, приёмный тракт 4, блок 5 измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов, блок 6 вычисления мгновенных значений скорости, блок 7 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 6, накопитель 8, второй выход которого соединен с разветвителем 9. Выход блока 10 вычисления доверительных интервалов соединён с первым входом блока 7 сравнения, а вход блока 10 соединен с первым выходом накопителя 8 или выходом внешнего измерителя скорости носителя. Устройство также содержит блок 11 управления, соединённый с управляющими входами генератора 3, приёмного тракта 4, блоков 5, 6, 7, накопителя 8, разветвителя 9 и блока 10.
F-Зсгр, V,,V +3ау .(6)
Внешним измерителем скорости носителя может быть, например, канал скорости инерциальной навигационной системы, относительный лаг, приемник спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОСНАСС.
Выполнение приемной и излучающей гидроакустических антенн типа Янус, генератора 3, приемного тракта 4 , блоков 5, 6 и 11, а также накопителя 8 и разветвителя 9, известно, например, из описания устройствапрототипа 1,с.100,2,с.243. Блок 10 производит вычисления по алгоритму, описанному выражениями (5) и (6). Выполнение блока 7 и других блоков предложенного устройства известно также из литературы 1,2 и из общей литературы по цифровой обработке сигналов.
Предлагаемое устройство может работать в двух режимах излучения и приема сигналов в зависимости от глубины под носителем устройства ЯЛ1,с.101,2,с.151-158,с.
непрерывный (...60 м), импульсный (...бО м).
Предлагаемое устройство работает следующим образом : В непрерывном режиме выходные сигналы генератора 3 подаются постоянно на излучающую гидроакустическую антенну 1 типа «Янус. По истечению заданного блоком 11 управления времени, величина которого равна нескольким десяткам мс, приёмный тракт 4 подключается постоянно к приёмной гидроакустической антенне 2 типа «Янус.
При работе в импульсном режиме выходные сигналы генератора 3 подаются на излучающую гидроакустическую антенну 1 на заданное блоком 11 время излучения. По истечению заданного блоком 11 времени, величина которого равна сумме времени излучения и времени затухания объемной реверберации, к приёмной гидроакустической антенне 2 подключается приёмный тракт 4. Как в непрерывном, так и в импульсном режимах блок 5 измерения доплеровских смещений центральных частот эхосигналов производит оценивание частот / и  блок 6 вычисляет мгновенные значения скорости согласно выражению (2); блок 7 сравнения, работает до первого истечения установленного блоком 11 времени накопления как повторитель и передает значения V в накопитель 8. По истечению установленного блоком управления 11 времени накопления, на блок 10 поступают значения скорости F носителя относительно дна из накопителя 8 или от внешнего измерителя скорости носителя, после чего осуществляется вычисление величины среднеквадратичного отклонения сг(/согласно выражению (5) и границ доверительного интервала согласно выражению (6). Блок 7 сравнивает текущие мгновенные значения скорости V с границами текущего доверительного интервала. При попадании в границы доверительного интервала мгновенные значения скорости V передаются блоком 7 сравнения в накопитель 8. Значения однократных измерений с грубыми погрешностями (т.н. промахами измерений), т.е. не попавшими в доверительный интервал (6), не передаются блоком 7 сравнения в накопитель 8, что особенно важно при сложной помехосигнальной ситуации. Разветвитель 9 передает сглаженные оценки скорости носителя F потребителям, например, навигационному комплексу, репитерам, дисплею устройства.
Источники информации:
1.Виноградов К.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Ленинград, Судостроение, 1990.
2.Бородин В.И. и др. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, Судостроение, 1983.
3.IEEE Journal of Oceanic Engineering, October 2001, vol.26, N4, pp. 548560
4. Сборник Судостроительная промышленность, серия
Общетехническая, вып. 34, 1991, с. 65-72,
5.www.janes.com Janes Underwater Technology 2000-2001