МНОГОЛУЧЕВОЙ ЭХОЛОТ

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначено для использования в многолучевых эхолотах для измерения глубины.
Для измерения глубины места под движущимся судном используют промерные эхолоты. Промерные эхолоты подразделяются на однолучевые, которые измеряют глубину место непосредственно под судном и на многолучевые, которые предназначены для измерения глубины не только под килем судна, но и на значительных расстояниях от него. Точность измерения глубины зависит от достоверности измерения скорости звука в воде по трассе распространения сигнала и в особенности от скорости звука на дне. Для точной оценки глубины необходимо достоверно знать распределение скорости звука по глубине на всей обследуемой акватории, что не всегда возможно. Постоянный мониторинг распределения скорости звука по глубине в процессе съемки на больших глубинах не используется, т.к. его практически трудно организовать. Существуют прямые и косвенные методы определения скорости распространения звука в воде. Косвенные методы предполагают предварительное измерение температуры воды и солености воды, и дальнейший расчет по известным номограммам скорость звука. (В.А.Комляков «Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане» СПб. «Наука» 2003 г. стр.50-87). Эти способы позволяют определять скорость звука по физическим измерениям температуры и солености, которые производятся путем забора проб воды и проведением химического анализа при конкретной процедуре измерения температуры. Измерение производится с использованием специальных судов и стандартных океанографических измерительных средств, в которые входят глубоководный опрокидывающийся термометр, термометр-глубомер, батитермограф, а так же комплексные гидрологические зонды. Количество параметров измеряемых зондом и измерительных каналов зависят от выполняемых им конкретных задач. Информация об измеренных параметрах передается в бортовые приборы по одножильному кабель-тросу. Недостатком этих методов является необходимость специализированного судна и длительная процедура измерения. Существуют прямые методы измерения скорости звука при использовании конкретных приборов, которые измеряют скорость звука на глубине нахождения с использованием интерферометрических методов, фазовых методов, импульсных методов и частотных методов. Эти приборы, как правило, устанавливаются на борту судна и измеряют скорость звука при погружении до определенной глубины. Имеются методы измерения скорости звука с помощью, лебедки которая опускает измеритель на глубину, что не эффективно и требует значительного времени. (Кравец М.В., Лободин И.Б., Серавин Г.Н. «Малогабаритная аппаратура измерения скорости звука АНАП - ИСЗ» Труды 8 международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СПб, «Наука», 2006 г., с 175.) Аппаратура содержит измерительный зонд, кабель трос с ручной лебедкой и бортовую ПЭВМ со специальным программным обеспечением. Все эти приборы могут быть использованы при измерении глубины с помощью многолучевого эхолота, но при этом возникают ошибки измерения связанные с точностью измерения скорости звука.
По количеству общих признаков наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является многолучевой эхолот, рассмотренный в книге А.В.Богородский, Д.Б.Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства». СПб, 2009 г., с 122. Эхолот содержит излучающую и приемную антенны аппаратуру предварительной обработки, основной процессор системы блок вторичной обработки и измеритель скорости звука. Недостатком рассматриваемого эхолота является недостаточная точность измерения скорости звука на дне и соответствующая недостаточная точность оценки глубины. Задачей полезной модели является повышение точности измерения глубины с помощью многолучевого эхолота.
Для обеспечения заявленного технического результата в известный многолучевой эхолот содержащий излучающую антенну, приемную антенну с системой формирования характеристик направленности, последовательно соединенную с основным процессором системой управления и регистрации и измерителем скорости звука введены новые элементы а именно: блок выделения характеристик направленности, блок выбора угла наклона первой характеристики, блок выбора угла наклона второй характеристики, блок измерения времени прихода эхосигнала по первой характеристики, блок измерения времени прихода эхосигнала во второй характеристики, блок вычисления отношения времен, блок вычисления функции, блок выбора оценки скорости, при этом выход основного процессора системы соединен последовательно через блок выделения характеристик направленности блок выбора угла наклона первой характеристики блок вычисления функции блок выбора оценки скорости звука с со входом системы управления и регистрации, второй выход блока выделения характеристики направленности через блок выбора наклона второй характеристики, через блок измерения времени эхосигнала по второй характеристики соединен с со вторым входом блока вычисления отношения, второй выход блока выбора угла наклона первой характеристики через блок измерения времени эхосигнала по первой характеристики соединен с первым входом блока вычисления отношения, а выход блока вычисления отношений соединен со вторым входом блока выбора оценки скорости звука, второй выход блока выбора угла наклона второй характеристики соединен со вторым входом блока вычисления функции ,а третий вход блока вычисления функции соединен с выхода измерителя скорости звука на горизонте излучения.
Поясним достижения положительного результата.
Рассмотрим возможность неконтактной оценки градиента скорости звука по результатам вертикальной локации. В качестве технического средства решения задачи будем использовать многолучевой эхолот. Время распространения сигнала по лучу от излучателя до дна в слое с постоянным градиентом скорости звука можно записать согласно (Бреховских Л.М., Лысанова Ю.П. Акустика океана. - В кн.: Физика океана, т.2, М., «Наука», 1978, с.49-145) как:
,
где α и α′ - углы скольжения (относительно горизонтали) луча в точке излучения и у дна соответственно.
1
2
Сравним времена прохождения сигналов по разным лучам под углами α и α, используя соотношение , а также , согласно закону Снелиуса для углов скольжения получим тождество:
.
Таким образом, из выражения видно, что путем оценивания времени прихода отраженных от дна сигналов по двум разнесенным по углам лучам, может быть рассчитано значение скорости звука у дна, необходимое для аппроксимации линейной зависимостью реального распределения скорости звука. Оценка искомой скорости звука соответствует минимальной разности этих отношений.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1 , на которой приведена структурная схема предлагаемого многолучевого эхолота и поясняется принцип его работы. На фиг.1 многолучевой эхолот 1, в состав которого входит антенна 2 излучающая с генератором, система 4 управления и регистрации, антенна 3 приемная с системой 5 формирования характеристик направленности, соединенная через основной процессор 6 многолучевого эхолота, через блок 7 выделения характеристик направленности, первый выход которого через блок 8 выбора угла наклона первой характеристики направленности, через блок 13 вычисления функции, через блок 14 выбора оценки скорости звука, соединен со входом блока 4 системы управления и регистрации многолучевого эхолота 1. Второй выход блока 7 выделения характеристик направленности через блок 11 выбора угла наклона второй характеристики направленности соединен со вторым входом блока 13 вычисления функции, второй выход блока 11 выбора угла наклона второй характеристики направленности соединен через блок 12 измерение времени приема по второй характеристики направленности со первым входом блока 10, вычисления отношений, второй выход блока 8 выбора характеристики первой характеристики направленности через блок 9 измерения времени приема первой характеристики направленности соединен со вторым входом блока 10 вычисления отношения, а выход блока 10 вычисления отношений соединен со вторым входом блока 14 выбора оценки скорости. Измеритель скорости 15 соединен с третьим входом блока 13 вычисления функции, а система 4 регистрации и управления первым выходом соединена с антенной 2 излучения, а вторым выходом со вторым входом системы 5 формирования характеристик направленности.
Реализация способа с использованием предлагаемого устройства происходит следующим образом. Многолучевой эхолот 1 работает в своем штатном режиме. Это известный прибор, который выпускается серийно во многих развитых странах. Достаточно подробно принципы работы многолучевого эхолота рассмотрены в отечественной литературе А.В.Богородский Д.Б.Островский Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства СПб 2009 г. Изд. ЛЭТИ с.116-122, а так же Ю.А.Корякин С.А.Смирнов Г.В.Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с.320-327. Из системы регистрации 4 поступает команда на излучение зондирующего сигнала на антенну 2 излучения и в блок 5 формирование характеристик направленности для обеспечения приема эхосигнала соответствующего излученному зондирующему сигналу. Приемной антенной 3 принимаются эхосигналы по всей апертуре антенны, и через систему 5 формирования характеристик направленности передается в систему 6, где производится оптимальная обработка принятых эхосигналов в статическом веере характеристик направленности системы 5 формирования характеристик направленности. Системы 6 предварительной обработки работает в своем стационарном режиме и одновременно с блоком 7 выделения характеристик направленности. Блок 7 выбирает характеристики направленности в соответствии с требованиями, изложенными в формуле изобретения, что необходимо для обеспечения решения задачи определения скорости звука на глубине. По выбранной характеристики в блоке 8 определяется угол наклона, его значение и параметры характеристики направленности, которые поступают на первый вход блока 13 вычисления функции. На второй вход блока 13 вычисления функции поступает оценка угла наклона с выхода блока 11 выделения угла наклона второй характеристики направленности. На третий вход блока 13 поступает оценка скорости звука из блока 15 измерителя скорости звука, измеренной на глубине излучения зондирующего сигнала. Измеритель скорости звука является известным устройством, который выпускается серийно и широко известен в литературе. (В.А.Комляков «Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане» СПб. «Наука» 2003 г. стр.50-87).
В блоке 13 происходит вычислении функции, которая происходит в соответствии с разработанной программой и фиксированными алгоритмами вычисления по приведенной формуле. Вычисленные значения функции для всего выбранного диапазона скоростей звука передаются в блок 14 выбора оценки скорости звука. Со второго выхода блока 8 выбора первой характеристики направленности и со второго выхода блока 11 выбора второй характеристики направленности временные реализации поступают в блок 9 измерения времени распространения по первой характеристики направленности и блок 12 измерения времени распространения по второй характеристики направленности, где определяются времена распространения сигналов до дна. Измеренные времена распространения сигналов до дна от первой характеристики и от второй характеристики поступает в блок вычисления отношения 10 и далее на третий вход блока 14 выбора оценки скорости звука. В блоке 14 выбора оценок скорости звука определяется та скорость звука, при которой имеет место минимум разности между вычисленными значениями функции и измеренным отношением времен распространения эхосигнала в выбранных характеристиках. Из блока 14 выбранная оценка скорости звука поступает в блок 4 управления и отображения многолучевого эхолота1 для определения глубины места во всех характеристиках направленности. Все блоки 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, используемые для определения скорости звука, могут быть выполнены в тех же спецпроцессорах, на которых реализуется работа многолучевого эхолота. Это стандартные спецпроцессоры, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А.Корякин С.А.Смирнов Г.В.Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб. «Наука» 2004 г. с.281-289). Все современные многолучевые эхолоты разрабатываются с использованием современной высокоскоростной цифровой техники на основе спецпроцессоров.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет использовать стандартную разработанную аппаратуру многолучевого эхолота и с помощью дополнительной программы определять скорость звука на глубине с достаточной достоверностью, что позволит повысить точность оценки глубины предлагаемого многолучевого эхолота.