МНОГОЧАСТОТНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ

Полезная модель относится к корреляционным гидроакустическим лагам, позволяющим определять скорость судна как относительно дна, так и относительно звукорассеивающих водных масс при использовании корреляционной обработки флуктуирующих амплитудных характеристик соответствующих эхосигналов, что сопровождается измерением глубин акваторий по пути следования с требуемой точностью. В предлагаемом устройстве данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной и относительной скоростей судна, так и регистрации глубин водоемов. Область использования - гидроакустика.
11
Известен автокорреляционный измеритель скорости судна, в котором для определения его абсолютной скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента r(τ) автокорреляции низкочастотной огибающей эхосигнала от морского дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-121), содержащий генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, коммутатор, интерференционную приемоизлучающую антенну, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, вычитающее устройство, источник постоянного напряжения и измерительный прибор.
Работа автокорреляционного измерителя путевой скорости судна происходит следующим образом. Генератор вырабатывает гармонический сигнал с частотой f, поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор на интерференционную приемоизлучающую антенну, с помощью которой с движущегося судна облучают вертикально излученным пучком ультразвуковых волн определенную область неровной поверхности морского дна. Поскольку при движении судна положение приемоизлучающей антенны относительно неровностей в области ультразвукового облучения меняется непрерывно, то квадрат огибающей суммарных эхосигналов будет содержать целый спектр частот, а их огибающая будет изменяться, флуктуировать непрерывно и случайным образом.
Э
При нормальном падении направленного пучка ультразвуковых волн формировать отраженный сигнал будет донная поверхность площадью S, радиус которой
ГР
где Н - глубина моря, Θ - угловой размер отражающей площади дна. В случае акустически ровной поверхности дна формирование отраженного сигнала происходит в пределах площади, ограниченной первой зоной Френеля, радиус которой при нормальном облучении можно рассчитать
ГР
0,7
ГР
ГР
0,7
где λ - длина волны зондирующего ультразвука (см. Акустика океана / под ред. Л.М.Бреховских. - М.: Наука, 1974). Если поверхность дна неровная, то лишь зеркально отраженная компонента результирующего отраженного сигнала формируется площадкой, имеющей размеры порядка первой зоны Френеля, а рассеянная компонента формируется на неровностях, положение которых не ограничено этой областью. Внесение ясности в размер отражающей площади дна важно как при расчете величины эхосигнала от дна, так и при оценке отражающих свойств дна с помощью приемоизлучающей антенной системы, обладающей различной остротой направленного действия на разных частотах зондирующих акустических сигналов. Как известно (см. Воловов В.И. Об экспериментальном определении ширины индикатрисы рассеяния звука дном океана. - Труды Акустического института АН СССР, 1970, Вып. X111, с.53-59), угловой размер Θ отражающей площади дна равен половине угловой ширины индикатрисы рассеяния акустического сигнала дном моря, что позволяет сделать вывод о том, что при использовании «слабонаправленной» антенной системы, у которой ширина характеристики направленности больше половины угловой ширины индикатрисы рассеяния (θ>Θ), отражающие свойства дна не будут зависеть от ее ширины характеристики направленности. В свою очередь, применение «высоконаправленной» антенной системы, когда половина угловой ширины индикатрисы рассеяния больше ширины характеристики направленности (Θ>θ), обусловит то, что отражающие свойства дна будут зависеть от ее остроты направленного действия на различных акустических сигналах.
фл.макс
0,7
ГР
0,7
ГР
Таким образом, наличие большого числа неровностей в перемещающейся за счет движения судна донной зоне облучения обусловит то, что квадрат амплитуды эхосигнала будет содержать спектр частот, а огибающая эхосигнала будет флюктуировать хаотическим образом, причем, при фиксированных значениях величин скорости судна, длины волны излучаемого ультразвукового сигнала и глубины моря, максимальная частота флуктуации f определяется самым большим расстоянием между неровностями, которое зависит от размеров отражающей площади дна. Так, если ширина характеристики направленности приемоизлучающей антенны θ по уровню 0,7 больше углового размера Θ отражающей области дна (θ>θ), то
0,7
ГР
Если же характеристика направленности приемно-излучающей антенны уже углового размера отражающей области дна (θ<θ), то
Таким образом, в первом случае спектр эхосигнала не зависит от ширины характеристики направленности и определяется характером рельефа дна, в то время как во втором - спектр эхосигнала будет определяться именно шириной характеристики направленности приемоизлучающей антенны, но не будет зависеть от характера рельефа дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.106-119). Данный вывод позволяет сделать заключение о том, что наличие многочастотной высоконаправленной приемоизлучающей антенной системы с регулируемой остротой направленного действия в корреляционном гидроакустическом лаге может позволить получить дополнительный объем уточненной первичной информации как о характеристиках движения судна-носителя, так и о регистрируемых глубинах водоемов по пути следования.
1
1
11
0,7
Флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна поступает на интерференционную антенну, функционирующую в режиме приема и вырабатывающую электрический сигнал, поступающий через коммутатор, полосовой фильтр на частоту f, усилитель и амплитудный детектор на два входа перемножающего устройства, причем, на один вход данный электрический сигнал u(t) поступает непосредственно, а на другой - сигнал u(t-τ) - через блок регулируемой задержки времени. На основе анализа результатов множества экспериментальных исследований в гидроакустике (см. А.К.Новиков. Статистические измерения в судовой акустике. - Л.: Судостроение, 1985. - 272 с) принято считать, что сформировавшиеся на выходах приемно-усилительных трактов эхолотирующих систем электрические сигналы, соответствующие эхосигналам от дна, за счет осуществления временной автоматической регулировки усиления и узкополосной фильтрации, представляют собой нормальные стационарные процессы, что позволяет, в свою очередь, рассматривать эхосигналы как эргодические случайные процессы. Известна аналитическая зависимость коэффициента автокорреляции огибающей эхосигналов r(τ) от ширины основного лепестка характеристики направленности θ по уровню 0,7 приемоизлучающей интерференционной антенны, длины волны λ и волнового числа  зондирующего сигнала, среднего квадратичного угла δ наклона неровностей дна и скорости движения судна υ (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М: Пищевая промышленность, 1980, с.106-119):
0
0
где Ф - интеграл вероятности от соответствующего аргумента; . Выражение (5) получено в предположении, что для донной поверхности параметр Рэлея достаточно велик и выполняется условие υ·τ<<R (где τ - радиус временной корреляции флуктуации огибающей эхосигнала, R - горизонтальный размер облученной поверхности). Данное соотношение (5) допускает рассмотрение двух частных случаев формирования отраженного сигнала от дна: 1) дно со слабо расчлененным рельефом, мелкомасштабными неровностями, 2) дно с сильно расчлененным рельефом, крупномасштабными неровностями (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.106-119).
0,7
ГР
При разработке гидроакустических лагов используют в качестве рабочих зондирующих сигналы ультразвукового диапазона частот, в связи с чем актуален именно второй случай. Так, если , т.е. ширина характеристики направленности приемоизлучающей антенны меньше полуширины индикатрисы рассеяния дна (θ<θ), коэффициент автокорреляции огибающей эхосигналов описывается выражением
0
11
причем, коэффициент автокорреляции (6) является осциллирующей функцией времени. Из последнего выражения (6) можно определить радиус временной корреляции τ флуктуации эхосигнала по спаду функции r(τ) в е раз
0,7
где с - скорость звука в воде. Входящие в аргумент функции (6) сомножители - волновое число k=2π/λ и ширина основного лепестка характеристики направленности по уровню 0,7 θ=58,5·λ/D приемоизлучающей интерференционной антенны круглой формы (для малых углов тангенс можно заменить его аргументом) зависят от длины волны λ рабочего акустического сигнала, однако как видно из соотношения (6) величина коэффициента автокорреляции огибающей эхосигналов определяется диаметром D антенны, временем задержки τ и скоростью движения судна υ.
11
11
υ
0
Проанализируем изменение значений функции, описываемой выражением (6), для различных скоростей судна, входящих в ее аргумент. Видно, что при υ=0 значение r(τ)=1 независимо от времени задержки τ и диаметра антенны, так как отражение идет от одной и той же площадки дна. С увеличением времени задержки τ при υ≠0 коэффициент автокорреляции немонотонно убывает, причем, чем больше скорость судна, тем больше крутизна изменения коэффициента автокорреляции. Сужение автокорреляционной функции с увеличением скорости судна объясняется расширением спектра эхосигнала. Из рассмотренного выше следует, что коэффициент автокорреляции низкочастотной огибающей донных эхосигналов является функцией скорости судна относительно дна, причем, однозначная зависимость ординаты коэффициента автокорреляции от скорости судна при некотором фиксированном значении временного интервала τ позволяет измерять скорость судна относительно дна с помощью прибора, вычисляющего коэффициент автокорреляции r(τ). Такой прибор - коррелятор - реализован с помощью блоков и описанных ниже связей. С помощью блока регулируемой задержки во второй канал перемножающего устройства вводят такую временную задержку τ=τ, чтобы на выходе интегратора появился определенный сигнал, который бы скомпенсировал в вычитающем устройстве постоянный сигнал u, пропорциональный заданному уровню коэффициента автокорреляции. Нулевое показание измерительного прибора позволяет брать отсчет по шкале блока регулируемой задержки, отградуированной в единицах скорости.
Выше описан режим работы автокорреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря, глубины которого не превышают 200 метров. На больших глубинах устройство может работать в относительном режиме, носителем информации в котором является объемная реверберация.
фл.макс
Автокорреляционный метод измерения скорости требует использования одной приемоизлучающей антенны, исключены погрешности, связанные с ориентировкой антенны относительно направления движения, однако автокорреляционные измерители путевой скорости имеют и недостатки: 1) требуется стационарность принимаемого эхосигнала и, соответственно, повторяемость формы автокорреляционных функций для каждого значения скорости движения, что трудно осуществимо на практике, так как в реальных условиях форма автокорреляционной функции будет различной при одной и той же скорости движения судна в различных районах дна океана; 2) для рассматриваемого устройства точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосной интерференционной приемоизлучающей антенны и одночастотным режимом работы. Действительно, как следует из соотношений (3), (4) максимальная частота флуктуации f огибающей эхосигнала от перемещающейся за счет движения судна области неровного морского дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.109) зависит как от скорости судна и остроты направленного действия приемоизлучающей антенны, так и длины волны зондирующего сигнала, что в конечном итоге определяет значительность методических и инструментальных погрешностей автокорреляционных измерителей путевой скорости. Как следует из (6), крутизна спадания коэффициента автокорреляции при прочих равных условиях для более высокочастотных сигналов будет больше, чем для низкочастотных, что может позволить более четко выделять максимум автокорреляции и повысить точность измерений (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.115).
3) в устройстве не предусмотрена возможность измерения глубины под килем движущегося судна.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации как об абсолютной и относительной скоростях движения судна-носителя, так и о глубинах акватории, что обусловлено отсутствием возможности выбора необходимой угловой разрешающей способности интерференционной приемоизлучающей антенной системы.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, коммутатор, интерференционная приемоизлучающая антенна, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, измерительный прибор.
Перечисленные недостатки автокорреляционных измерителей путевой скорости ограничивают их применимость и делают более перспективным построение аналогичных устройств, использующих взаимокорреляционные методы.
Известен взаимокорреляционный измеритель путевой скорости судна, в котором для расчета искомой величины используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции флуктуации огибающих эхосигналов от дна, принятых разнесенными в пространстве антеннами (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203-204), содержащий генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, излучающую и две приемные интерференционные антенны, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
1
1
1
2
2
2
T12
2
1
Работа взаимокорреляционного измерителя путевой скорости судна происходит следующим образом. Генератор вырабатывает гармонический сигнал с частотой f, поступающий через хронизатор-модулятор и усилитель мощности на излучающую антенну (И), с помощью которой вертикально с движущегося судна облучают ультразвуковым импульсом определенную область неровной поверхности морского дна, и в частности, участок а (фиг.1, А). Отражаемая участком а акустическая энергия в основном поступает на носовую приемную антенну (П1), вырабатывающую соответствующий электрический сигнал, огибающая которого е=f(t) изображена на фиг.1, В, наибольшая амплитуда этого сигнала приходится на момент времени t. Следующий импульс излучается в тот момент, когда судно, идущее со скоростью υ, переместилось на расстояние L/2 и изучающая антенна (И) заняла предыдущее месторасположение носовой приемной антенны (П2) (фиг.1, Б). В этом случае вновь облучается участок а морского дна, в результате чего отраженный сигнал поступает на кормовую приемную антенну (П2), вырабатывающую соответствующий электрический сигнал, огибающая которого е=f(t) также изображена на фиг.1, В, наибольшая амплитуда этого сигнала приходится уже на момент времени t. Таким образом, на входы двух цепочек, состоящих из последовательно соединенных полосового фильтра с частотой пропускания f, усилителя, амплитудного детектора поступают поочередно два идентичных электрических сигнала - эхосигналы от участка а морского дна (фиг.1, А и Б), для которых запаздывание второго относительно первого равное τ=t-t, зависит от скорости судна υ и продольного разноса (базы) приемных антенн L: τ=L/υ. Две приемные антенны (носовая П1 и кормовая П2) и излучающая антенна (И) установлены на корпусе судна таким образом, что глубина Н под днищем много больше расстояния между антеннами и за время τ движения судна со скоростью υ оно пройдет малое расстояние υ·τ по линии пути, так что углы облучения элементарных рассеивающих площадок дна и наклонные расстояния до них существенно не изменятся.
12
0,7
В общем случае коэффициент r(τ) взаимной корреляции флуктуации огибающей эхосигналов, принятых носовой П1 и кормовой П2 антеннами, имеющими идентичные осесимметричные характеристики направленности с шириной θ основного лепестка по уровню 0,7 (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-124), описывается соотношениями
T12
1
2
0,7
Здесь продольный разнос (база) приемных антенн составляет величину L, α - угол между продольной осью судна и линией, соединяющей центры приемных антенн, β - угол сноса с курса по линии движения судна с путевой скоростью υ, τ - транспортное запаздывание, т.е. временная задержка при которой наступает максимум взаимокорреляционной функции. Из (8) видно, что значение коэффициента взаимной корреляции для флуктуации огибающих эхосигналов е, е зависит от ширины основных лепестков характеристик направленности приемных и излучающих антенн, частоты (длины волны) излучаемого ультразвука, продольного разноса (базы) приемных антенн, путевой скорости и угла сноса судна, угла между продольной осью судна и линией, соединяющей центры приемных антенн, причем, отношение (λ/θ)=ΔR определяет ширину пика (максимума кривой) функции взаимной корреляции (см. А.В.Богородский, Г.В.Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.163-175).
2
Т12
1
2
1
T12
Т12
Таким образом, с выходов двух цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра на частоту f, усилителя, амплитудного детектора, низкочастотные электрические сигналы, соответствующие флуктуирующей огибающей донных отражений поочередно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, на один его вход электрический сигнал u(t) от кормовой приемной антенны (П2) поступает непосредственно, а на другой - задержанный на время τ=τ сигнал u(t-τ) от носовой приемной антенны (П1), прошедший блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции сигналов u(t) и u(t-τ), поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, который вырабатывает такую задержку τ=τ, чтобы на измерительном приборе непрерывно поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. Таким образом, данная корреляционная экстремальная система автоматического регулирования непрерывно в блоке регулируемой задержки поддерживает задержку τ, равную транспортному запаздыванию τ. Шкала блока регулируемой задержки отградуирована в единицах скорости, что позволяет вести непрерывное измерение скорости судна в соответствии с соотношением
В данной конструкции корреляционного измерителя путевой скорости приемные антенны расположены по продольной оси судна (угол α=0) и при отсутствии сноса судна с курса (угол β=0) путевая скорость однозначно определяется выражением
Выше описан режим работы автокорреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря, глубины которого не превышают 200 метров. В устройстве используется гидроакустический приемоизлучающий модуль, в состав которого входят интерференционные как излучающие, так и приемные резонансные антенны (f=150 кГц) для которых ширина характеристики направленности по уровню 0,7 составляет 30°, предусмотрена возможность работы в режиме эхолота. Для больших глубин водной транспортной системы устройство может работать в режиме измерения относительной скорости движения судна по рассеянным сигналам объемной реверберации.
Взаимокорреляционные измерители путевой скорости имеют недостатки:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосных интерференционных электроакустических преобразователей антенной системы и одночастотным режимом работы. Так, например, относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости и (методическая погрешность устройства, обусловленная вероятностным характером флуктуации огибающей эхосигналов от дна) определяется соотношением
υ
где коэффициент к=(0,3-0,4) - определяется рассеивающими свойствами морского дна, L - продольный разнос (база) приемных антенн, Т - время осреднения данных (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.143-157). Из (11) следует, что относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости υ определяется техническими параметрами системы и в наибольшей степени зависит от значений измеряемой скорости, длины волны зондирующего сигнала, остроты направленного действия приемоизлучающей антенны, причем, для снижения погрешности предлагается увеличивать продольный разнос антенн и время усреднения, повышать рабочую частоту и расширять характеристику направленности (для интерференционных поршневых антенн при неизменной апертуре при повышении рабочей частоты острота направленного действия повышается, т.е. характеристика направленности обужается).
0,7
2) в устройстве не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем судна. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности измерения глубины и получения детального профиля дна предполагает возможность уменьшения длительности зондирующего импульса и сужение основного лепестка характеристики направленности при уменьшении бокового поля стабилизированной в пространстве антенны, однако в данном аналоге это не осуществлено. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины, составляющая для указанных выше параметров (θ=30°, H=200 м) устройства около 7 метров (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М. Пищевая пром-сть, 1978, с.255-258).
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации как о абсолютной и относительной скоростях движения судна-носителя, так и регистрируемых глубинах акватории, что обусловлено отсутствием возможности выбора необходимой угловой разрешающей способности приемоизлучающей антенной системы.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, две интерференционные приемные и излучающая антенны, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор, измерительный прибор.
Перечисленные недостатки взаимокорреляционных измерителей путевой скорости ограничивают их применимость и делают более перспективным построение аналогичных устройств, функционирование которых основано на установлении статистической связи между случайными процессами, имеющими одинаковые корреляционные функции - двумя непрерывно регистрируемыми в реальном масштабе времени функциями распределения глубин водоема на пути следования судна.
В качестве прототипа выбран корреляционный гидроакустический лаг, позволяющий определять путевую скорость судна, в котором для определения абсолютного значения путевой скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции двух непрерывно регистрируемых напряжений на выходах приемных антенн как функций распределения глубин водоема (профиля дна) на пути следования судна (см. Справочник по гидроакустике. А.П.Евтютов, А.Е.Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982, с.28-29), содержащий две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: интерференционную приемоизлучающую антенну, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
1
1
2
2
K
H
Т12
T12
12
K
H
Т12
12
Т12
Работа корреляционного гидроакустического лага происходит следующим образом. Имеющие одинаковые волновые размеры (носовая и кормовая) приемоизлучающие интерференционные антенны эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база) L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз (фиг.2), причем, характеристики направленности должны иметь такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области дна не перекрывались, в результате чего регистраторы каждой эхолотной системы фиксируют с достаточной разрешающей способностью мелкие детали подробных профилей «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся в данных момент времени под носовой (Н) и кормовой (K) частями движущегося судна соответственно. Общий генератор излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал с частотой f, поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутаторы на приемоизлучающие антенны. Электрические колебания преобразуются работающими в режиме излучения интерференционными антеннами в механические колебания, которые передаются водной среде, в результате чего вертикально с носа и кормы движущегося со скоростью υ судна облучают ультразвуковыми импульсами определенные области неровной поверхности морского дна, которые образуют в совокупности вертикальную проекцию пути движения судна. Интерференция колебаний водной среды, отраженных от обоих «по-своему неровных» поверхностей морского дна (соответствующих носовой (Н) и кормовой (K) частям движущегося судна), сформирует две распространяющиеся в обратном направлении волны, амплитуды которых определяются рассеивающими и отражающими свойствами, степенью расчлененности рельефа и масштабом неровностей, волновыми размерами данных «уникально неровных» областей донной поверхности. Отражаемая участками Н и K акустическая энергия в основном поступает на соответствующие антенны, работающие в режиме приема. Интерференционные антенны вырабатывают соответствующие электрические сигналы е=f(t) и e=f(t), которые через коммутаторы, полосовые фильтры с частотой пропускания f, усилители и амплитудные детекторы поступают на соответствующие входы индикаторов и регистраторов. Таким образом, по мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов u(t) и u(t), пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину τ=L/υ (фиг.2). Для определения величины промежутка времени τ сигналы с выходов амплитудных детекторов приемных трактов эхолотных систем дополнительно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, сигнал от носовой антенны - через блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту r(τ) взаимной корреляции сигналов u(t) и u(t), поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, устанавливающий такую задержку τ=τ, чтобы на измерительном приборе поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента r(τ) корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость судна
Как следует из вышеописанного, положительным качеством данного корреляционного гидроакустического лага является одновременное осуществление детального измерения глубин водоема по пути следования судна, т.е. описан режим работы устройства для измерения абсолютной путевой скорости судна.
Корреляционный гидроакустический лаг имеет недостатки:
0,7
0,7
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосных электроакустических преобразователей интерференционных антенной системы и одночастотным режимом работы. Так, например, для рассматриваемого прототипа относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости υ, определяемая соотношением (11), так же актуальна как и для рассмотренного выше аналога - взаимокорреляционного измерителя путевой скорости (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203-204). Из (11) следует, что не смотря на снижение величины относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости за счет увеличения продольного разноса L (базы) антенн, в устройстве отсутствует возможность увеличения точностных характеристик за счет регулировки величины важного параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения υ в узкостях, на акватории гавани и т.д. В прототипе изменение ширины пика взаимокорреляционной функции затруднено тем, что данная величина определяется взаимосвязанными параметрами - длиной волны зондирующего сигнала и остротой направленного действия приемоизлучающей интерференционной поршневой антенны (при неизменной апертуре при уменьшении длины волны зондирующего сигнала острота направленного действия повышается, так как ширина характеристики направленности плоской поршневой антенны по уровню 0,7 в соответствии с соотношением θ=2·arcsin(0,64·λ/D) уменьшается) (см. А.П.Евтютов, В.Б.Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. с.17-27).
2) в устройстве не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности профиля глубин водоема и подробной детализации рельефа дна предполагает возможность как уменьшения длительности зондирующего импульса, так и сужение основного лепестка характеристики направленности интерференционной антенны, что в прототипе не осуществляется. Данный подход наиболее эффективен при многочастотном режиме эхолотирования, предполагающем использование зондирующих тональных импульсных сигналов с различной длительностью и частотой заполнения: - на мелководье - малые длительности импульсов и высокочастотный ультразвук, на морском шельфе - большие длительности импульсов и низкочастотный ультразвук. Из практики эксплуатации эхолотов известно, что на точность измерения глубины эхолотом также оказывает тип грунта, так как при отражении сигналов от илистого дна запись глубины на регистраторе - эхограмма - получается менее четкой, чем при отражении от плотного грунта, и в данном случае отрицательный эффект может быть уменьшен за счет концентрации излучаемой акустической энергии в меньшем телесном угле.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: приемоизлучающую антенну, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности перестройки пространственных характеристик акустических полей приемоизлучающих интерференционных антенн корреляционного гидроакустического лага, что ограничивает его применимость в специфических условиях плавания и делают более перспективным построение аналогичных многочастотных устройств, функционирование которых основано на установлении статистической связи между случайными процессами, имеющими одинаковые корреляционные функции - непрерывно регистрируемыми зависимостями распределения глубин водоема по пути следования судна, полученными синхронно на нескольких рабочих частотах, что обеспечивает получение информации о профиле донной поверхности с различной степенью детализации.
Между тем, известно, что водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной ультразвуковой волны различных нелинейных эффектов (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438-441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой f, что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей донной поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f, …nf, где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте f изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей.
0,7(nf)
БП(nf)
0,7(f)
БП(f)
0,7(2f)
БП(2f)
0,7(3f)
БП(3f)
БП(3f)теор
Известны результаты теоретического и экспериментального исследований пространственных характеристик акустических полей сигналов основной частоты f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц, (фиг.3) формирующихся в пресной воде при работе электроакустического преобразователя поршневого типа диаметром 76 мм (см. Т.Дж.Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М: Мир, 1977. - с.227-273). Из множества данных приведенных в данном источнике отметим следующие: на удалении 102 метра от преобразователя угловое распределение амплитуд звукового давления для этих сигналов кратных частот, характеризуемое шириной главного максимума излучения по уровню половинной мощности θ и максимальным уровнем бокового поля излучения Р, имело величины: для сигнала основной частоты f=450 кГц θ=4,2° и Р=-12дБ; для сигнала второй гармоники 2f=900 кГц θ=2,9° и Р=-22дБ; для сигнала третьей гармоники 3f=1350 кГц θ=2,6° и Р экспериментально не зарегистрирован, в то время как расчетное значение Р=-32 дБ; причем, на данном удалении от преобразователя на его акустической оси амплитуды звуковые давления для рассматриваемых сигналов составляли 79320 Па, 14100 Па и 640 Па соответственно.
Известны результаты экспериментальных исследований пространственных характеристик акустических сигналов кратных частот, полученные для интерференционных антенн рыбопоисковой аппаратуры (РПА) - эхолота «Язь», гидролокатора «Таймень-М» и комплекса «Сарган-К» (гидролокатор и эхолот) (см. Волощенко В.Ю. Вопросы исследования акустических сигналов высших гармоник для модернизации рыбопоисковой аппаратуры (часть 1). - Изв. вузов Сев.-Кав. регион. Естеств. науки. - 2007. - №2. - с.38-42). На фиг.4 представлены характеристики направленности антенны гидролокатора «Таймень-М», где z - расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; 2а - диаметр антенны, абсолютная погрешность измерения ширины характеристики направленности по уровню 0,7 составляла (±0,1) град. Используя нанесенный на представленных записях горизонтальный и вертикальный масштабы, для интерференционной антенны РПА «Таймень-М» сравним угловые распределения амплитуд звуковых давлений для акустических сигналов кратных частот, полученные в двух режимах: 1) (*) - «линейный», соответствующий непосредственному возбуждению антенны на частотах f=50 кГц (*), 2f=100 кГц (*), 3f=150 кГц (*); 2) (∇) - «нелинейный», соответствующий штатному режиму возбуждения антенны РПА на частоте f=50 кГц (∇), что приводит к генерации в водной среде высших гармоник 2f, 3f (∇). Итак, интерференционная антенна гидролокатора «Таймень-М» имеет:
0,7
БП(f)
0,7(2f)
БП(2f)
0,7(3f)
БП(3f)
в «нелинейном» режиме - на частоте f=50 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(∇)=14,4° и уровень бокового излучения Р(∇)=(-19 дБ); на частоте 2f=100 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(∇)=10,8° и уровень бокового излучения Р(∇)=(-23 дБ); на частоте 3f=150 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(∇)=8,1° и уровень бокового излучения Р(∇)=(-23 дБ);
0,7(f)
БП(f)
0,7(2f)
БП(2f)
0,7(3f)
БП(3f)
в «линейном» режиме непосредственного возбуждения - на частоте f=50 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(*)=14,4° и уровень бокового излучения Р(*)=(-19 дБ); на частоте 2f=100 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(*)=7,2° и уровень бокового излучения Р(*)=(-19 дБ); на частоте 3f=150 кГц ширину характеристики направленности по уровню 0,7 θ(*)=4,8° и уровень бокового излучения Р(*)=(-18 дБ). Из представленных данных видно, что в «линейном» случае на всех частотах уровень бокового поля практически не изменяется, а ширина главного лепестка уменьшается в соответствии с известными закономерностями (см. А.П.Евтютов, В.Б.Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. Судостроение, 1988. с.17-27), в «нелинейном» режиме мощный акустический сигнал наиболее заметно меняет упругие свойства водной среды именно на оси антенны, что и приводит к существенному ослаблению бокового поля и постепенному обострению главного лепестка.
Анализируя представленную выше информацию о угловых распределениях амплитуды звукового давления локационных сигналов кратных частот f, 2f, 3f, …, nf можно сделать вывод о том, что с их использованием целесообразна разработка многочастотного корреляционного гидроакустического лага, в котором возможно получение уточненных данных как о детальной структуре распределения глубин водоема в реальном масштабе времени на ходу судна-носителя аппаратуры, так и о абсолютной (относительной) скорости его движения.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей корреляционного гидроакустического лага.
Технический результат полезной модели заключается в возможности получения дополнительной уточненной информации как о характеристиках движения судна-носителя многочастотного корреляционного гидроакустического лага, так и рельефе границы раздела «вода-дно», что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширит эксплуатационные возможности устройства.
Технический результат достигается тем, что в корреляционный гидроакустический лаг, содержащий две (носовую и кормовую) эхолотовые системы, каждая из которых включает в себя: приемоизлучающую антенну, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор, дополнительно введены в приемные тракты обоих эхолотовых систем по (n-1) каналов из последовательно соединенных полосового фильтра, усилителя, амплитудного детектора и одного n-входового аналогового ключа в каждом, а также блок управления, причем, в приемных трактах обоих эхолотовых систем выходы коммутаторов соединены с входами n полосовых фильтров с частотами пропускания f, 2f, …, nf соответственно, а выходы n амплитудных детекторов в каждом приемном тракте соединены с n входами аналоговых ключей, выходы которых соединены одновременно с входами индикатора и регистратора как носовой, так и кормовой эхолотовых систем, а также с двумя входами перемножающего устройства, причем, n-входовый аналоговый ключ из носового канала - через блок регулируемой задержки времени, а управляющие входы индикаторов, регистраторов, n-входовых аналоговых ключей в эхолотовых системах, как и управляющий вход хронизатора-модулятора соединены с соответствующими выходами блока управления.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительные (n-1) каналы приемных трактов носовой и кормовой эхолотовых систем, использование которых позволит за счет регулировки угловой разрешающей способности приемоизлучающей антенной системы (излучение и прием - «нелинейный» и «линейный» режимы соответственно) получать дополнительную уточненную информацию как о характеристиках движения судна-носителя многочастотного корреляционного гидроакустического лага, так и рельефе границы раздела «вода-дно» по пути следования.
H
K
Фиг.1 иллюстрирует принцип работы взаимокорреляционного измерителя путевой скорости судна (Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203-204); фиг.2. иллюстрирует принцип действия корреляционного гидроакустического лага (Справочник по гидроакустике. А.П.Евтютов, А.Е.Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982, с.28-29); на фиг.3 представлены характеристики направленности электроакустического преобразователя поршневого типа диаметром 76 мм (Т.Дж.Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227-273); на фиг.4 представлены характеристики направленности антенны гидролокатора «Таймень-М»; на фиг.5 схематично изображены зависимости величин электрических напряжений U5, U5, вырабатываемых приемными трактами носовой и кормовой эхолотных систем, от текущего времени t на зондирующих сигналах кратных частот: , , … , т.е. функции глубины моря (профили дна на спектральных компонентах полигармонического зондирующего сигнала); на фиг.6 представлена структурная схема многочастотного корреляционного гидроакустического лага.
Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг (фиг.6) функционально объединяет в себе две (нос и корма) эхолотовые системы (излучение, прием, отображение и регистрация информации), дополненные общими трактами: корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления. Эхолотовые системы имеют общий тракт излучения: генератор 1 соединен через последовательно включенные хронизатор-модулятор 2, усилитель мощности 3 и коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» с приемоизлучающими антеннами 6 и 7 (нос и корма соответственно). Носовая 6 и кормовая 7 приемоизлучающие интерференционные антенны размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база) L, ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна. Ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности осуществляются через нелинейную водную среду. Эхолотовые системы имеют раздельные приемные тракты. Антенна 6 через коммутатор 4 (нос) в режиме «Прием» соединена через n параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 8, 9, …, 10 (частоты f, 2f, …, nf), усилителей 14, 15, …, 16, амплитудных детекторов 20, 21, …, 22 с n-входовым аналоговым ключом 26, а антенна 7 через коммутатор 5 (корма) в режиме «Прием» соединена через n параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 11, 12, …, 13 (частоты f, 2f, …, nf), усилителей 17, 18, …, 19, амплитудных детекторов 23, 24, …, 25 с n-входовым аналоговым ключом 27. В обоих эхолотовых системах предусмотрены тракты отображения и регистрации информации, для чего выходы n-входовых аналоговых ключей соединены со входами индикаторов и регистраторов: в носовой эхолотной системе - n-входовый аналоговый ключ 26 - с индикатором 33 и регистратором 34, а в кормовой эхолотной системе - n-входовый аналоговый ключ 27 - с индикатором 35 и регистратором 36. Приемные тракты эхолотовых систем подключены к общему тракту корреляционной обработки информации и измерения путевой скорости судна: выходы n-входовых аналоговых ключей 26 и 27 соединены с двумя входами перемножающего устройства 29, причем, аналоговый ключ 26 (нос) - через блок регулируемой задержки времени 28, управляющий вход которого соединен через экстремальный регулятор 32 с выходом интегратора 30 и входом измерительного прибора 31. Вход интегратора 30 соединен с выходом перемножающего устройства 29. Функционирование блоков эхолотовых систем определяется трактом управления: управляющие входы аналоговых ключей 26 и 27, индикаторов 33 и 35, регистраторов 34 и 36, хронизатора-модулятора 2 соединены с соответствующими выходами блока управления 37.
CP
ср
ср
ср
ср
OБ
об
об
CP
H
K
H
K
H
H
K
K
Работа многочастотного корреляционного гидроакустического лага происходит следующим образом. Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает высокочастотный электрический сигнал U1 с частотой f, поступающий на вход хронизатора-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 37, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U2 с гармоническим ВЧ заполнением. После усилителя мощности 3 радиоимпульс U3 поступает через коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» на приемоизлучающие антенны 6 и 7 (нос и корма соответственно), излучающие мощные зондирующие ультразвуковые сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. Носовая 6 и кормовая 7 приемоизлучающие интерференционные антенны эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз (фиг.6), причем, их характеристики направленности должны иметь такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области дна не перекрывались. При распространении в среде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, акустический сигнал конечной амплитуды по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f, 3f, …, nf излученного сигнала с частотой f. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают следующими пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте f изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, 2f, 3f, …, nf, распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρс), где ρ - плотность среды, с - скорость звука в ней, достигает расположенных в среде подвижных (рассеиватели, формирующие сигнал объемной реверберации) и покоящихся (дно) относительно нее объектов с акустическим сопротивлением (Z=ρс)≠(Z) и отражается от них. Амплитуды отраженных ультразвуковых волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами. Отраженные спектральные компоненты полигармонического ультразвукового сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики, достигают приемоизлучающих антенн 6 и 7 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются ими в соответствующие электрические, причем, полигармонические электрические сигналы U4, U4 несут определенную амплитудную информацию о границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности в широкой полосе частот (f-nf), а также и о их удалении от приемоизлучающих антенн 6 и 7. Таким образом, при движении судна со скоростью υ с помощью обоих эхолотных систем на различных спектральных компонентах f, 2f, 3f, …, nf отраженного полигармонического сигнала можно зафиксировать с различной разрешающей способностью детали подробных профилей «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся на общем маршруте следования, но в данный момент времени в разных его частях - под носовой (Н) и кормовой (K) частями движущегося судна соответственно. С этой целью в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов U4, U4. В результате этого на выходе приемного тракта носовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8 (f), 9 (2f), … 10 (nf)), усиления (усилители 14, 15, …16), детектирования (детекторы 20, 21, …22) и соответствующего переключения n-входового аналогового ключа 26 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f, 2f, 3f, …, nf от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под носовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал U5 подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 33 и регистратора 34, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37. Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 11 (f), 12 (2f), …13 (nf)), усиления (усилители 17, 18, …19), детектирования (детекторы 23, 24, …25) и соответствующего переключения n-входового аналогового ключа 27 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f, 2f, 3f, …, nf от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под кормовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал U5 подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 35 и регистратора 36, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.
0,7(nf)рез
0,7(f)изл
0,7(2f)изл
0,7(nf)изл
0,7(f)пр
0,7(f)пр
0,7(f)пр
0,7(f)рез
0,7(2f)рез
0,7(nf)рез
На характер записи рельефа морского дна эхолотной системой влияет как ширина основного лепестка характеристики направленности, так и уровень бокового излучения интерференционных антенн, в частности, в нашем случае - результирующая острота направленного действия θприемоизлучающей антенны, где n=1, 2, 3, …, n, в результате чего изображение рельефа дна на эхограмме в основном соответствует действительному рельефу, однако, неровности дна (впадины и возвышенности) получаются сглаженными. При прохождении носа судна над впадиной (фиг.5 и 6) ее склоны облучает полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий сформировавшиеся в нелинейной водной среде спектральные составляющие с частотами f, 2f, 3f, …, nf, на которых антенна 6 в режиме излучения имеет разную остроту направленного действия θ>θ>…>θ (нелинейный режим). Следует отметить, что острота направленного действия той же антенны 6 в режиме приема более высокочастотной компоненты также возрастает: θ=2·θ=…=n·θ (линейный режим). Таким образом, формирование результирующей характеристики направленности приемоизлучающей антенны 6 для каждой спектральной компоненты имеет свои особенности, обусловленные перемножением ее характеристик направленности по давлению в обоих режимах: ослабление уровня бокового излучения, более медленное обужение основного лепестка, причем, θ>θ>…>θ. Как следует из Фиг.6 сигналы различных спектральных компонент отражаются от различных по площади участков поверхности впадины, в результате чего возвращаются к антенне 6 неодновременно, что приводит к удлинению эхосигналов, а так же регистрации на эхограмме первыми отраженных сигналов, пришедших от ближайших к приемнику точек поверхности впадины. Таким образом, изображение рельефа впадины на эхограмме представляет собой геометрическое место точек на горизонтальной проекции облученной площади углубления морского дна, находящихся на кратчайшем расстоянии от приемной антенны при различных положениях носа судна относительно впадины (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.292-296). Как видно из графических построений, степень искажения профиля впадин и возвышенностей дна на эхограмме уменьшается для более высокочастотных спектральных компонент (фиг.5 и 6).
0,7
Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины и неровности на полученной эхограмме изображаются сглаженными. В том случае, если измерение глубин производится на акваториях с большими уклонами дна, индикатор и регистратор эхолота будут фиксировать глубины меньше фактической, так как их срабатывание обусловлено приходом первого эхосигнала, соответствующего кратчайшему расстоянию между антенной и дном, что обусловливает наличие в практике измерений соответствующих поправок. В частности, если α - угол наклона дна больше, чем ширина основного лепестка характеристики направленности θ по уровню 0,7, то первым к антенне придет эхосигнал, распространяющийся по направлению перпендикулярному к наклонному участку дна, и поправка на уклон дна определится по формуле (см. Судовые эхолоты / А.А.Хребтов и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с.174-180)
0,7
α
0,7
причем, в данном направлении участок наклонного дна может «акустически освещать» и дополнительный лепесток характеристики направленности, что говорит об актуальности снижения уровня бокового излучения приемоизлучающих интерференционных антенн эхолотов. Из соотношения (13) видно, что увеличение остроты направленного действия приемоизлучающей интерференционной антенны эхолота (т.е. уменьшение θ) приводит к уменьшению ΔН. При прохождении судном акваторий с сильно расчлененным дном погрешность измерения глубины будет зависеть также и от профиля дна: при движении судна «акустически освещается» полоса донной поверхности шириной 2·H·tgθ, в пределах которой регистрируются ближайшие площадки дна, что маскирует имеющиеся в непосредственной близости неровности, в связи с чем увеличение остроты направленного действия приемоизлучающей антенны приведет к более точному отображению сложного профиля дна на регистраторе.
K(nf)
H(nf)
T12(nf)
(nf)
T12(nf)
2(nf)
1(nf)
K
H
12
(nf)
K(nf)
H(nf)
Т12(nf)
12
T12
(nf)
Таким образом, по мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов U5(t) и U5(t), пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса. Эти функции идентичны друг другу и могут быть зарегистрированы оператором на любой из рабочих частот f, 2f, 3f, …, nf в зависимости от конкретных условий навигации, но сдвинуты во времени на величины τ=L/υ (фиг.5). Для определения величин промежутков времени τ=t-t видеоимпульсные электрические сигналы U5 и U5, соответствующие эхосигналам какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f, 2f, 3f, …, nf эхолотных систем поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от носовой антенны - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту r(τ) взаимной корреляции сигналов U5(t) и U5(t), поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку τ=τ, чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента r(τ) корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость судна, измеренная на нескольких частотах f, 2f, …nf
(nf)
0,7
(nf)
0,7(nf)рез
(nf)
0,7(nf)рез
(nf)
0,7(nf)рез
Для многочастотного корреляционного гидроакустического лага имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости υ, определяемой соотношением (11), за счет регулировки величины важного параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения υ в узкостях, на акватории гавани и т.д. Следует отметить, что использование обратимой интерференционной антенны РПА «Таймень» в качестве приемоизлучающей антенны многочастотного корреляционного гидроакустического лага может обеспечить снижение относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости υ, определяемой соотношением (9), за счет того, что в силу описанных выше закономерностей имеется возможность регулировки величины параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции для соответствующей спектральной компоненты полигармонического сигнала (при использовании более высокочастотного сигнала числитель λ уменьшается быстрее, чем знаменатель θ, что вызывает уменьшение самого отношения), где λ - длина волны используемого ультразвукового сигнала (изменяется в n раз), θ - ширина результирующей характеристики направленности приемоизлучающей антенны (излучение - «нелинейный» режим, прием - «линейный» режим).
Относительная погрешность в измерении путевой скорости из-за вертикальных перемещений судна на качке при амплитудном детектировании описывается соотношением (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.143-157)
K
где h - среднее значение размаха вертикальных перемещений судна, T - период вертикальных колебаний судна. Из (15) видно, что при амплитудном детектировании относительная погрешность в измерении путевой скорости из-за вертикальных перемещений судна на качке растет с увеличением размаха вертикальных перемещений и с уменьшением путевой скорости судна и периода качки, но уменьшается при более узких характеристиках направленности приемоизлучающих антенн. Выше описан режим работы корреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря, причем, на больших глубинах устройство может работать в относительном режиме, носителем информации в котором является объемная реверберация.
Полезная модель относится к средствам кораблевождения, предназначенных для обеспечения безопасности судоходства, измерения глубин под килем судна и путевой скорости судна как относительно дна, так и относительно звукорассеивающих водных масс при использовании корреляционной обработки амплитудных характеристик соответствующих эхосигналов. В предлагаемом устройстве данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной и относительной скоростей судна, так и регистрации глубин водоемов.