БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭХОЛОТ-ПЕНЕТРОМЕТР

Полезная модель относится к области гидролокации, более конкретно к гидроакустической технике, в том числе к средствам разведки водных преград, предназначенным для определения глубины водной преграды, физических параметров грунта дна (несущей способности донного грунта) в ходе ведения инженерной разведки при оборудовании десантных, паромных (десантно-паромных), мостовых переправ, переправ танков под водой и переправ в брод, с целью создания необходимых условий войскам по преодолению водных преград без снижения общих темпов наступления или маневренных оборонительных действий.
Известно устройство «Ручной пенетрометр РП» («Инструкция по устройству и применению», Москва, Воениздат, 1982 г., 8 стр.), представляющее собой механический прибор, позволяющий по глубине погружения конусного наконечника в грунт с использованием специальной номограммы определить проходимость участка местности (дна водной преграды).
Недостатками этого устройства являются:
- предназначено только для оценки проходимости подходов и дна водной преграды колесными и гусеничными машинами;
- низкая точность результатов измерений;
- невозможность определения толщины слоя донных осадков;
- низкий темп ведения разведки водной преграды;
- большие трудозатраты.
По количеству общих признаков наиболее близким аналогом к заявленному устройству того же назначения является инженерный разведывательный эхолот ЭИР - прототип («Средства инженерной разведки. Руководство по материальной части и применению. Книга первая», Москва, Воениздат, 1987 г., с. 158-169.), содержащий излучающую и приемную антенны низкочастотного канала эхолота, усилитель и детектор приемного тракта низкочастотного канала, приемо-излучающую антенну высокочастотного канала, усилитель и детектор приемного тракта высокочастотного канала, коммутатор каналов, генератор зондирующих сигналов, устройство синхронизации, электромеханический регистратор эхосигналов. Данный эхолот предназначен для записи профиля дна водной преграды, измерения глубин и оценки относительной плотности грунта дна.
Недостатками инженерного разведывательного эхолота являются:
- измерение глубин с заданной точностью обеспечивается только при соблюдении определенных условий: скорость хода плавсредства не более 10 км/ч, уклон дна не превышает 30 градусов, крен и дифферент не более 10 градусов;
- низкая точность результатов измерений (погрешность измерения достигает 30-40%);
- сложность интерпретации результатов измерений;
- невозможность определения толщины слоя донных осадков.
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности и информативности измерений толщины донных осадков для определения несущей способности донных грунтов, глубины водной преграды, сокращение времени и трудозатрат на разведку водных преград.
Для достижения указанного технического результата в бесконтактный эхолот-пенетрометр, содержащий излучающую и приемную антенны, устройство усиления и фильтрации сигнала, устройство выделения первого и второго (по времени) отраженных эхосигналов и устройство вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя отраженными сигналами приемного тракта, устройство вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя сигналами, генератор зондирующих сигналов, усилитель мощности, устройство управления и синхронизации, причем вход генератора зондирующих сигналов канала эхолота соединен с одним из выходов устройства управления и синхронизации, а его выход соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности соединен с излучающей антенной передающего тракта канала эхолота, вход устройства усиления и фильтрации сигналов соединен с приемной антенной, а его выход соединен с устройством выделения первого и второго (по времени) отраженных эхосигналов, вход устройства вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя отраженными сигналами соединен с выходом устройства выделения первого и второго (по времени) отраженных эхосигналов, а его один выход соединен со спецвычислителем, введены новые признаки, а именно: отдельный канал пенетрометра, включающий генератор ЛЧМ-импульсов заданной формы и длительности, усилитель мощности, излучающую антенну пенетрометра, приемную антенну пенетрометра, коммутатор, устройство усиления и фильтрации принятого сигнала, детектор огибающей, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), спецвычислитель, блок базы данных, схему сравнения, при этом вход генератора ЛЧМ-импульсов заданной формы и длительности соединен со вторым выходом устройства управления и синхронизации, а его выход - с усилителе мощности, выход усилителя мощности соединен с излучающей антенной канала пенетрометра, вход коммутатора приемного тракта канала пенетрометра соединен с приемной антенной, а его выход - со входом устройства усиления и фильтрации, вход детектора огибающей соединен с выходом устройства усиления и фильтрации, а его выход - со входом аналого-цифрового преобразователя, один вход спецвычислителя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а другой - с выходом устройства вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя отраженными сигналами, один выход спецвычислителя соединен с первым входом схемы сравнения, а второй вход схемы сравнения соединен с выходом блока базы данных, второй выход спецвычислителя соединен со входом устройства управления и синхронизации.
Теоретической основой для создания полезной модели бесконтактного эхолота-пенетрометра является математическая модель акустического сигнала с линейно-изменяющейся несущей отраженного от слоистого дна.
Известно, что дно водоемов имеет слоистую структуру, состоящую из наносного слоя ила (торфа) и более плотного основания (глины, песка). Проходимость дна таких водоемов зависит как от толщины илового слоя, так и от несущей способности грунта материкового основания.
Огибающая отраженного акустического сигнала (коэффициент отражения) от слоистой донной поверхности при определенных углах падения образует периодическую последовательность, состоящую из регулярной последовательности пиков и впадин, представляющих собой резонансные явления определенного типа, структура которых, т.е. распределение и ширина резонансных пиков содержит необходимую информацию о среде взаимодействующей со звуком. На основании этого представляется возможным использовать найденную из измерений резонансную структуру для определения свойств исследуемой среды (донного грунта).
На фиг. 1 приведена лучевая картина распространения акустических волн в исследуемых слоях донных осадков. На фиг. 2 представлена амплитудная характеристика модуля коэффициента отражения при фиксированных угле падения и толщине слоя донных осадков, как функция от частоты излучаемого сигнала.
min
3
3
2
2
В основу работы канала пенетрометра (фиг. 1, 2) предлагаемого бесконтактного эхолота-пенетрометра заложен способ определения акустических характеристик грунта, основанный на излучении акустического сигнала с линейно-изменяющейся несущей под фиксированным углом , приеме эхосигнала отраженного донной поверхностью, определении минимального значения коэффициента отражения R, расстояния между резонансами Δх и полуширины волновых резонансов  при заданном угле падения и известной толщине слоя донных осадков d, а так же положения и полуширины (ширины) «угловых» резонансов при заданном изменении частоты зондирующего сигнала, позволяющий в заданном конкретном случае определить все параметры, описывающие отражающую структуру слоев донной поверхности (т.е. с, ρ - скорость распространения продольных волн и плотность для слоя материкового основания; с, ρ - скорость распространения продольных волн и плотность для слоя донных осадков).
Формула для расчета коэффициента отражения для случая изображенного на фиг. 1 была получена Бреховских (Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989, с. 411):
где ;
, ;
- акустические сопротивления слоев (волновые импедансы);
- частота зондирующего сигнала;
d - толщина наносного слоя (слоя донных осадков). Для резонансов, возникающих в результате изменения частоты сигнала (фиг. 2) при фиксированной толщине слоя донных осадков формулу для коэффициента отражения можно записать в виде:
где для амплитуды и полуширины резонанса введены следующие обозначения:
С учетом приведенных выше соотношений для коэффициента отражения и с учетом теоретических положений изложенных в книге: Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989, с. 411, алгоритм вычисления параметров исследуемого грунта будет следующий:
1
кр.
1. Измеряя расстояние между  резонансами при некотором заданном угле θ<θ, получаем отношение скоростей звука:
2. Находим скорость распространения продольных волн в слое донных осадков по формуле:
3. Вычисляем импеданса (акустического сопротивления) 3-его слоя (материковое основание).
Измерение полуширины  резонанса при некотором фиксированном угле дает:
Величину τ находим из минимума коэффициента отражения:
Поскольку все остальные величины в формуле (6) известны, то для S будут справедливы следующие соотношения:
Из выражения (8) получаем выражение для расчета , с учетом того, что S и τ известны.
Из определения импедансов находим:
3
С учетом формулы (9) получаем выражение для расчета акустического сопротивления z:
4. Вычисляем искомую плотность грунта слоя донных осадков ρ2.
1
1
1
3
2
Из формулы (10) с учетом того, что значение z=ρс (вода) известно изначально, а величина акустического импеданса z (материковое основание) рассчитано на предыдущем шаге по формуле (10) получим выражения для расчета z:
2
Из формулы (11) находим искомую величину ρ:
5. Вычислим плотность и скорость распространения продольных волн в 3-ем слое.
2
2
Плотность ρ находим по известному значению, τ, рассчитанному по формуле (7).
2
Для τ справедливо следующее выражение:
2
Из (12) получаем выражение для искомой величины ρ:
3
Величину скорости распространения продольных волн с находим из соотношения:
На фиг. 3 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения характеристик донных осадков.
Бесконтактный эхолот-пенетрометр содержит: генератор зондирующих сигналов эхолота 1, усилитель мощности 2, излучающую 3 и приемную 4 антенны эхолота, устройство усиления и фильтрации сигнала 5, устройство выделения первого и второго (по времени) отраженных эхосигналов 6; устройство вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя отраженными сигналами 7, спецвычислитель 8, устройство управления и синхронизации 9, генератор ЛЧМ-импульсов заданной формы и длительности пенетрометра 10, усилитель мощности 11, излучающую 12 и приемную 13 антенны пенетрометра, коммутатор 14, устройство усиления и фильтрации 15, детектор огибающей 16, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17; схему сравнения 18, базу данных 19.
0
min
2
3
2
3
Работа устройства осуществляется следующим образом. В момент времени t генератором зондирующего сигнала (ЗС) эхолота 1 вырабатывается тональная посылка. После усиления усилителем мощности 2 сигналы излучаются акустической антенной эхолота 3. Отраженные от границ раздела «вода-донные осадки» и «вода-материковое основание» эхо сигналы с выхода приемной акустической антенны эхолота 4, поступают на устройство усиления и фильтрации сигнала 5. С выхода устройства 5 сигналы транслируются в устройство выделения первого и второго (по времени) отраженных эхосигналов 6 и в дальнейшем поступают в устройство вычисления толщины слоя донных осадков по информации о временной задержке между двумя отраженными эхо-сигналами 7. С устройства 7 информация о толщине слоя донных осадков поступает в регистр памяти спецвычислителя 8, по команде которого устройство управления и синхронизации 9 запускает генератор ЛЧМ-импульсов заданной формы и длительности 10. Одновременно устройство 7 выдает управляющий сигнал на коммутатор 14, для открытия усилительного тракта приемного канала пенетрометра. С устройства 10 ЛЧМ-импульс с заданными параметрами длительности и частоты внутриимпульсной девиации поступает на усилитель мощности 11 и далее излучается в водную среду излучающей антенной пенетрометра 12. Отраженный эхосигнал принимается широкополосной приемной антенной пенетрометра 13, далее через коммутатор 14 поступает на устройство усиления и фильтрации 15. С выхода устройства 15 сигнал поступает на детектор огибающей 16. Огибающая принятого сигнала поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17 и далее информация поступает в спецвычислитель 8. Спецвычислителем по имеющейся информации (d - толщина слоя донных осадков, R - минимальное значение коэффициента отражения, Δx - расстояние между резонансами,  - полуширина резонанса) определяются параметры, описывающие отражающую среду (т.е. с - скорость для слоя донных осадков, с - скорость для материкового грунта, ρ - плотность для слоя донных осадков, ρ - плотность для материкового грунта).
Полученная таким образом информация о характере донных осадков поступает на схему сравнения 18, где сравнивается с имеющейся априорной информацией, хранящейся в базе данных 19 устройства, на основании чего принимается решение о физических параметрах грунта дна и его типе.
Использование предлагаемого технического решения позволяет измерять глубину водной преграды, оценивать плотность грунта дна, снимать профиль дна водной преграды.
Практическое исполнение блоков входящих в полезную модель, известно из практики гидроакустики и радиотехники. Устройство 18 может быть реализовано с использованием схем сравнения, см. например, «Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем». / Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М. и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. - М: Высш. шк., 1985. - c 31.
Устройство 8 выполняется с применением микропроцессорных систем обработки сигналов, см. например, «Микропроцессоры в радиотехнических системах». / Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М.; Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1982. - с. 145-193.
Устройства 12, 13 могут быть реализованы путем расчета параметров антенн по известным методам, см. например, Справочник. Гидроакустические антенны. / Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. - Л.: Судостроение, 1984. - с. 259-275.
Устройства 10, 11 выполняются по известным методикам, см. например, Евтютов А.П., Митько В.Б. - Инженерные расчеты в гидроакустике. 2-е изд. Л.: Судостроение, 1988. с. 288.
База данных 19 может быть создана на основании многолетних гидрогеологических наблюдений и экспериментов, см. например, Гидрогеология СССР. / Под общей редакцией А.В. Сидоренко - М,: изд. «Недра», 1966-72 г.г., т.т. I-XLV.
Устройство может быть выполнено в стационарном и навесном варианте и устанавливаться на различных плавсредствах, предназначенных в первую очередь для разведки водных преград при оборудовании переправ.
Оно позволит значительно повысить достоверность измерений (снизить погрешности измерений до 5-10%), сократить время ведения разведки водных преград 1,5 раза, создать необходимые условия войскам по их преодолению без снижения общих темпов наступления или ведения оборонительных маневренных действий.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в процессе разработки полезной модели подтверждают, что по основным тактико-техническим характеристикам и по критерию «эффективность применения-стоимость» предложенное техническое решение имеет более высокие показатели по сравнению с известными аналогами.