МНОГОЧАСТОТНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ
MULTI-FREQUENCY CORRELATION METHOD FOR MEASURING CURRENT VELOCITY

Изобретение относится к корреляционным методам измерения скорости движения, позволяющим определять скорость судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, а также сопровождается измерением глубин акватории по пути следования с требуемой точностью. В предлагаемом способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной (относительной) скорости судна, так и пространственно-временной картины поля течений, а также регистрации глубин водоемов. Область использования - гидроакустика, океанография.
..,
Изобретение может быть применено для измерения акустическим способом параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателями, которые обладают различными физико-химическими свойствами. Работоспособность способа основана на том, что информацию получают за счет эхозондирования ультразвуком совокупностей рассеивателей в слоях неоднородной водной среды, которые разделены граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука), причем, совокупности рассеивателей случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев (от 1,2,…,,). Рассеиватели (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.) в слоях имеют нейтральную плавучесть и акустические сопротивления , , …., , величины которых произвольно флюктуируют относительно значения акустического сопротивления  водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна. Например, с акустической точки зрения планктон представляет собой совокупность рассеивателей в водной среде, плотность и сжимаемость которых отличается от аналогичных характеристик окружающей жидкости, т.е. в общем случае совокупность рассеивателей может быть, как акустически мягкой, так и акустически жесткой относительно водной среды. Эффективность рассеяния ультразвука зависит от того, насколько плотность и сжимаемость рассеивателей отличаются от соответствующих свойств окружающей среды и от того, в каком соотношении находятся размеры рассеивателей и длина УЗ волны.
Известен автокорреляционный метод измерения скорости судна, в котором для определения его абсолютной скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента  автокорреляции низкочастотной огибающей эхосигнала от морского дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-121).
..,
Данный способ реализован в автокорреляционном измерителе путевой скорости судна, функционирование которого происходит следующим образом. Генератор вырабатывает гармонический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор на интерференционную приемоизлучающую антенну (ИПИА). С помощью ИПИА, установленной на днище движущегося судна, облучают сверху вниз УЗ энергией участок границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей в слоях водной среды, которые разделены граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука). Совокупности рассеивателей случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев 1, 2,…,,.
Поскольку при движении судна положение ИПИА относительно донных неровностей и случайным образом распределенных и переносимых течением рассеивателей в области УЗ облучения меняется непрерывно, то квадрат огибающей объемной реверберационной помехи и донного эхосигнала будет содержать спектр частот, а их огибающая будет изменяться, флуктуировать непрерывно и случайным образом. В последующей обработке используется только флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна. Отраженный от дна сигнал поступает на ИПИА, функционирующую в режиме приема и вырабатывающую электрический сигнал, поступающий через коммутатор, полосовой фильтр на частоту , усилитель и амплитудный детектор на два входа перемножающего устройства, причем на один вход данный электрический сигнал  поступает непосредственно, а на другой - сигнал  - через блок регулируемой задержки времени. Однозначная зависимость ординаты коэффициента автокорреляции от скорости судна при некотором фиксированном значении временного интервала  позволяет измерять скорость судна относительно дна с помощью прибора, вычисляющего коэффициент автокорреляции . 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 , чтобы на выходе интегратора появился определенный сигнал, который бы скомпенсировал в вычитающем устройстве постоянный сигнал , пропорциональный заданному уровню коэффициента автокорреляции. Нулевое показание измерительного прибора позволяет брать отсчет по шкале блока регулируемой задержки, отградуированной в единицах скорости.
Автокорреляционный метод измерения скорости требует использования одной ИПИА, в нем исключены погрешности, связанные с ориентировкой антенны относительно направления движения, однако автокорреляционный метод измерения скорости имеет следующие 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;
υ
λ
2) точность измерения скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИПИА и одночастотным режимом работы. Как следует из соотношения  максимальная частота флуктуаций  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 угловой ширины основного лепестка ХН приемоизлучающей антенны , так и длины волны зондирующего сигнала, что в конечном итоге определяет значительность методических и инструментальных погрешностей автокорреляционного способа;
3) в способе не предусмотрена возможность измерения глубины под килем движущегося судна, относительной скорости его движения, а также измерение параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателей.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:
1) размещают на днище судна ИПИА, состоящую из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;
..,
3) регулируют пространственное расположение акустической оси ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна;
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;
5) преобразуют электрические сигналы с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует за счет интерференции в водной среде УЗ пучок;
6) осуществляют УЗ облучение и устанавливают акустические контакты как с участком границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, так и с совокупностями рассеивателей водной среды, в слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна;
7) обеспечивают за счет движения судна-носителя аппаратуры непрерывное изменение положения ИПИА относительно участков поверхностей:
..,
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, а также пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обусловит формирование объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающей которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
8) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
9) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента автокорреляции огибающей эхосигнала, что позволяет вычислить скорость движения судна ;
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Известен взаимокорреляционный способ измерения скорости судна- носителя аппаратуры, в котором для расчета скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции флуктуаций огибающих эхосигналов от дна, принятых разнесенными в пространстве интерференционными приемными антеннами (ИПА) (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203- 204). В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, интерференционные антенны - излучающую и две приемные, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок pегулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Указанный способ реализуется следующим образом. С помощью генератора вырабатывают гармонический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор и усилитель мощности на ИИА. С помощью ИИА и носовой ИПА, образующих первую приемоизлучающую пару, осуществляют при проведении цикла эхозондирования акустические контакты:
..,
1) с совокупностями рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, обладая нейтральной плавучестью они пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна, причем, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором значений - размером , отражательной способностью  и акустическим сопротивлением , причем величина последнего произвольно флюктуируют относительно значения акустического сопротивления  водной среды, т.е. в любом из слоев некоторые совокупности рассеивателей могут быть как акустически мягкими, так и акустически жесткими относительно водной среды,
2) с границей раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей.
..,
Это обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, имея наибольшую амплитуду в момент времени . Преобразуют с помощью пьезоэлементов ЭАП носовой ИПА первые информационные сигналы в электрические, однако для последующей обработки в приемном тракте аппаратуры используют только электрический сигнал, соответствующий отражению от границы раздела «вода-дно» со случайным распределением по поверхности донных неровностей. Дальнейшее движение со скоростью  судно-носитель аппаратуры по курсу приводит к тому, что вторая пара антенн - ИИА и кормовая ИПА - размещаются над тем же самым участком границы раздела «вода-дно» со случайным распределением по поверхности донных неровностей, но уже над другими поверхностями совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, они оказались в области УЗ облучения за счет их переноса водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна. Одновременно оператор осуществляет за счет проведения следующего цикла эхозондирования второй парой антенн - ИИА и кормовой ИПА - вторых акустических контактов:
..,
1) с участками поверхностей других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, они оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна, например, на -томгоризонте глубины с линейной скоростью течений  относительно дна - количество составит  при линейных размерах , отражательных способностях  и акустических сопротивлениях , причем каждая совокупность может быть как акустически жесткой >), так и акустически мягкой <) - относительно водной среды,
2) с тем же участком границы раздела «вода-дно» со случайным, но не изменившимся распределением донных неровностей.
В результате отраженные сигналы поступают на кормовую ИПА, вырабатывающую соответствующий электрический сигнал, что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, наибольшая амплитуда огибающей которого приходится уже на момент времени . Таким образом, в приемном тракте на входы двух цепочек, состоящих из последовательно соединенных полосового фильтра с частотой пропускания , усилителя, амплитудного детектора поступают поочередно два идентичных электрических сигнала - эхосигналы от определенного участка границы раздела «вода - дно», для которых запаздывание второго относительно первого равное , зависит от скорости судна  и продольного разноса (базы) приемных антенн : . Две ИПА (носовая и кормовая) и ИИА установлены на корпусе судна таким образом, что глубина  под днищем много больше расстояния между антеннами и за время  движения судна со скоростью  оно пройдет малое расстояние  по линии пути, так что углы облучения элементарных рассеивающих площадок дна и наклонные расстояния до них существенно не изменятся.
В общем случае коэффициент  взаимной корреляции флуктуаций огибающей эхосигналов, принятых носовой и кормовой ИПА, имеющими идентичные осесимметричные характеристики направленности (ХН) с угловой шириной  основного лепестка по уровню 0,7 (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-124), описывается соотношениями
Здесь продольный разнос (база) ИПА составляет величину ,  - угол между продольной осью судна и линией, соединяющей центры ИПА,  - угол сноса с курса по линии движения судна с путевой скоростью ,  - транспортное запаздывание, т.е. временная задержка при которой наступает максимум взаимокорреляционной функции. Из (1) видно, что значение коэффициента взаимной корреляции для флуктуаций огибающих эхосигналов зависит от угловой ширины основных лепестков ХН приемных и излучающих антенн, частоты (длины волны) излучаемого УЗ, продольного разноса (базы) приемных антенн, путевой скорости и угла сноса судна, угла между продольной осью судна и линией, соединяющей центры приемных антенн, причем, отношение  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).
Таким образом, с выходов двух цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра на частоту , усилителя, амплитудного детектора, низкочастотные электрические сигналы, соответствующие флуктуирующей огибающей донных эхосигналов поочередно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, на один его вход электрический сигнал от кормовой ИПА поступает непосредственно, а на другой - задержанный на время  сигнал от носовой ИПА, прошедший блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции указанных сигналов, поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, который вырабатывает такую задержку , 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 , равную транспортному запаздыванию . 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 ) и при отсутствии сноса судна с курса (угол ) путевая скорость однозначно определяется выражением
Выше описан режим работы автокорреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря.
Взаимокорреляционный способ измерения скорости судна-носителя аппаратуры имеет следующие недостатки:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИИА и ИПА и одночастотным режимом их функционирования. Так, например, относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости  (методическая погрешность измерений, обусловленная вероятностным характером флуктуаций огибающей эхосигналов от дна) определяется соотношением
где коэффициент (0,3 - 0,4) - определяется рассеивающими свойствами морского дна,  продольный разнос (база) ИПА,  время осреднения данных (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.143-157). Из (4) следует, что относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости  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 увеличивать угловую ширину основного лепестка ХН (для интерференционных антенн при неизменной апертуре при повышении рабочей частоты острота направленного действия повышается, т.е. угловая ширина основного лепестка ХН уменьшается).
2) в способе 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 как длительности зондирующего импульса, так и уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН при уменьшении бокового поля стабилизированной в пространстве интерференционной антенны, однако в данном аналоге это не осуществлено. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта УЗ зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины, составляющая для указанных выше параметров () устройства около 7 метров (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.:Пищевая пром-сть, 1978, с.255-258);
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение ультразвуковых методов, однако, в данном способе-аналоге данные измерения не осуществляются, причем работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:
L
1) размещают на днище судна в его диаметральной плоскости антенны, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, акустические оси всех антенн совпадают с нормалями относительно дна, ИПА разнесены на известное расстояние друг от друга и расположены в кормовой и носовой частях судна, а ИИА - находится посередине между ними;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП антенн амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует УЗ импульсное излучение за счет интерференции в водной среде;
5) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования первой парой антенн - ИИА и носовой ИПА - первых акустических контактов с участками поверхностей:
..,
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой антенны первые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от заданной поверхности границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
..,
7) перемещают со скоростью  судно-носитель аппаратуры по курсу движения так, чтобы вторая пара антенн разместилась над тем же самым участком поверхности границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, но уже другими участками поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, рассеиватели оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна;
8) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования второй парой антенн - вторых акустических контактов с участками поверхностей:
..,
- других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, рассеиватели оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
- и той же границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;
9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП кормовой ИПА сдвинутые во времени вторые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от того же самого участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;
10) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента взаимной корреляции для флуктуирующих хаотическим образом во времени огибающих первого и второго эхосигналов от одного и того же участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, что позволяет вычислить скорость движения судна ;
11) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Перечисленные недостатки взаимокорреляционных способов измерения путевой скорости ограничивают их применимость и делают более перспективным разработку аналогичных способов, 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.
Наиболее близким к заявляемому способу является корреляционный гидроакустический способ, 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 ИПИА 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).
В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: ИПИА, 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.
Указанный способ реализуется следующим образом:
1) размещают на расстоянии  в диаметральной плоскости судна, в частности, в носовой и кормовой частях днища, ИПИА эхолотных систем, которые состоят из необходимого количества электроакустических преобразователей (ЭАП), каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, ИПИА ориентированы акустическими осями вертикально вниз, имеют одинаковые волновые размеры, причем, облучаемые УЗ области дна под носом и кормой судна не перекрываются;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой  и формируя за счет интерференции в водной среде под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью  судна УЗ облучающие пучки;
..,
5) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -томгоризонте глубины -количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность  и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью  судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом;
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью  судна две пространственно-временные зависимости информационных сигналов, в частности, амплитуд эхосигналов от обоих облучаемых участков границы раздела «вода-дно» со случайными и различными распределениями донных неровностей, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры;
7) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов  и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину ;
8) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов  и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса по курсу движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна ;
9) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Работа устройства, реализующего данный способ, происходит следующим образом. Имеющие одинаковые волновые размеры (носовая и кормовая) ИПИА эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база)  и ориентированы акустическими осями вертикально вниз. ХН ИПИА обеспечивают такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области неровного 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 (К) частями движущегося судна соответственно. Общий генератор излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутаторы на обе ИПИА одновременно. Электрические колебания преобразуются работающими в режиме излучения ЭАП ИПИА, осуществляя акустические контакты с участками поверхностей:
..,
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -томгоризонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность  и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
- границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,
t
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью  судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом. Обе ИПИА в режиме приема вырабатывают соответствующие электрические сигналы  и , которые через коммутаторы, полосовые фильтры с частотой пропускания , 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 во времени функции распределения глубин водоема, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов  и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину . Для определения величины промежутка времени  сигналы с выходов амплитудных детекторов приемных трактов эхолотных систем дополнительно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, сигнал от носовой ИПИА - через блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту  взаимной корреляции сигналов  и , поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, устанавливающий такую задержку , чтобы на измерительном приборе поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента  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.
Однако корреляционный гидроакустический способ-прототип имеет следующие недостатки:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосных ЭАП ИПИА и их одночастотным режимом работы. Так, например, для рассматриваемого прототипа относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости , определяемая соотношением (4), так же актуальна и для рассмотренного выше аналога - способа взаимокорреляционного измерения путевой скорости (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203- 204). Из (4) следует, что несмотря на снижение величины относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости за счет увеличения продольного разноса  (базы) ИПИА, в способе отсутствует возможность увеличения точностных характеристик за счет регулировки величины важного параметра -  - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения  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 ИПИА. Так, при неизменной апертуре за счет уменьшения длины волны зондирующего сигнала острота направленного действия повышается, что следует из соотношения  (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 способе 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 уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН ИПИА, 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 УЗ, на морском шельфе - большие длительности импульсов и низкочастотный УЗ. Из практики эксплуатации эхолотов известно, что на точность измерения глубины эхолотом также влияет 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.
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение УЗ методов, однако, в способе-прототипе данные измерения не осуществляются, причем, работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:
1) размещают на днище судна две ИПИА, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;
3) регулируют пространственное расположение акустической оси обоих ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией:
..,
участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, имея акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна;
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;
5) преобразуют электрические сигналы с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует за счет интерференции в водной среде УЗ пучок;
6) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей
..,
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, имея акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью  судна, что обеспечивает формирование информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом;
7) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА информационные сигналы, в частности, флуктуирующие по амплитуде эхосигналы от поверхностей разных участков границы раздела «вода-дно» со случайными и отличающимися друг от друга распределениями донных неровностей, причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью  судна, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры;
8) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов  и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину ;
9) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов  и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса на пути движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна ;
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Между тем, известно, что водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной УЗ 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 , что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей донной поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами , где  - порядковый номер гармоники. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают специфическими пространственными характеристиками: на акустической оси ИПИА изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой  происходит в наибольшей степени, в связи с чем угловая ширина основного лепестка ХН для каждой последующей гармоники меньше, а в направлениях дополнительных максимумов ХН на основной частоте  изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля ХН для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей (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. 245-250). Анализируя представленную выше информацию об угловых распределениях амплитуды звукового давления локационных сигналов кратных частот  можно сделать вывод о том, что с их использованием целесообразна разработка многочастотного корреляционного способа измерения скорости движения, в котором возможно получение уточненных данных о детальной структуре распределения глубин водоема в реальном масштабе времени на ходу судна-носителя аппаратуры, абсолютной (относительной) скорости его движения, а также получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Таким образом технической проблемой для известных в уровне техники акустических способов измерения параметров течений статистически неоднородной водной среды является невозможность получения достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
Задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего расширить эксплуатационные возможности корреляционного способа измерения скорости течений.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности получения информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей, что позволяет получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и добиться расширения эксплуатационных возможностей способа.
Заявляемый результат достигается тем, что в известный корреляционный гидроакустический способ измерения скорости течений, в котором:
- размещают на расстоянии  в диаметральной плоскости судна, в частности, в носовой и кормовой частях днища две ИПИА эхолотных систем, которые состоят из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, при этом ИПИА ориентированы акустическими осями вертикально вниз, имеют одинаковые волновые размеры, а облучаемые УЗ области дна под носом и кормой судна не перекрываются (1);
- обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой (2);
- генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту  (3);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой  и формируя за счет интерференции в водной среде под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью  судна УЗ облучающие пучки (4);
- осуществляют акустические контакты с участками поверхностей:
..,
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -томгоризонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность  и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, а также нейтральной плавучестью вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна,
границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,
причем эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой и кормовой ИПИА эхолотных систем, т.е. носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью  судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будут содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом (5);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью  судна две пространственно-временные зависимости информационных сигналов, в частности, амплитуд эхосигналов от обоих облучаемых участков границы раздела «вода - дно» со случайными и различными распределениями донных неровностей в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры (6);
- определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов  и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью  судна, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину  (7);
- определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов  и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса по курсу движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна  (8);
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре (9),
дополнительно введены следующие операции
- задают для обоих ИПИА эхолотных систем критерий соответствия их волновых размеров интервалу значений
где  - диаметр антенны,  - длина волны УЗ с частотой , распространяющегося со скоростью  в воде,  - амплитуда звукового давления в Паскалях у поверхности ИПИА в режиме излучения (10);
- генерируют с помощью излучающего тракта аппаратуры электрические мощные колебания с частотой , поступающие на две ИПИА эхолотных систем в режиме излучения (11);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП двух ИПИА эхолотных систем амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки мощных УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии, достаточной для проявления нелинейных упругих свойств водной среды под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью  судна, что формирует в водной среде две параметрические излучающие антенны (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие) (12);
- генерируют посредством обоих ПИА в водной среде два полигармонических пучка УЗ сигналов с частотами , где  - порядковый номер гармоники, акустические поля гармоник соосны, их волновые векторы ориентированы вертикально вниз, причем, с ростом номера гармоники пучки имеют уменьшающиеся величины поперечного сечения (13);
- устанавливают на УЗ сигналах с частотами  акустические контакты с участками поверхностей:
..,
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…,,слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -томгоризонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность  и акустическое сопротивление ,
причем эти участки поверхностей совокупностей рассеивателей в слоях водной среды находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью () судна относительно -го слоя, что обеспечивает формирование  носовых и кормовых информационных сигналов, в частности,  объемных реверберационных процессов, огибающие которых флуктуируют хаотическим образом (14);
i
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА  носовых и кормовых информационных сигналов, в частности,  объемных реверберационных процессов от участков поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, которые движутся с различными скоростями  течений на  горизонтах глубин и находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью () судна относительно -го слоя, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры (15);
..,
- осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,,горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот  стробирование полученной амплитудной информации, установив одинаковые величины - ширины строба , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба, в частности, для получения по горизонту глубин расчетных данных об усредненной величине скорости  течения (16);
- определяют в приемном тракте аппаратуры на каждой из частот , где , по мере движения судна по заданному курсу по паре меняющихся функций распределения пространственной плотности совокупностей рассеивателей в водной среде, т.е.  пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей для амплитуд электрических сигналов  и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей на -том горизонте под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью  судна относительно -го горизонта, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты в парах на промежутки времени, имеющие  значений
- определяют  величин коэффициентов взаимной корреляции для  пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов  и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей в водной среде на -том горизонте глубины водоема под носовой и кормовой частями корпуса движущегося судна, что позволяет вычислить  значений скорости () движения судна относительно -го слоя, где знак «+» соответствует попутному, знак «-» - встречному направлению течения на -том горизонте глубины водоема соответственно (18);
- вычисляют для -го горизонта глубины с совокупностями рассеивателей на частотах  величин значений скорости их движения, т.е.  скоростей () течения на -том горизонте глубины водоема при вычисленной ранее скорости движения судна  относительно дна, что позволяет рассчитать величину средней арифметической скорости
течения в -томслое, которая наиболее близко соответствует имеющемуся значению скорости  течения (19);
- осуществляют последовательно операции 16 - 19 для следующих горизонтов глубин водоема, что позволит косвенно измерить параметры течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей;
Предлагаемый способ поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемое изобретение.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
..,
Реализующий способ многочастотный корреляционный гидроакустический лаг (фиг.1) 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 ИПИА 6 и 7 (корма и нос соответственно). Носовая 7 и кормовая 6 ИПИА размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база) , ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна. УЗ эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности осуществляются через водную среду. Водная среда имеет неоднородную тонкую структуру, обладающую граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука) для слоев совокупностей рассеивателей, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев (1, 2,…,,), имея различное акустическое сопротивление  и нейтральную плавучесть, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений  относительно дна. Эхолотовые системы имеют раздельные приемные тракты. ИПИА 6 через коммутатор 4 (корма) в режиме «Прием» соединена через  параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 8, 9, ….,10 (частоты ), стробируемых усилителей 14, 15, …,16, амплитудных детекторов 20, 21, ...,22 с - входовым аналоговым ключом 26, а ИПИА 7 через коммутатор 5 (нос) в режиме «Прием» соединена через  параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 11, 12, ….,13 (частоты ), стробируемых усилителей 17, 18, …19, амплитудных детекторов 23, 24, ...,25 с -входовым аналоговым ключом 27. В обеих эхолотовых системах предусмотрены тракты отображения и регистрации информации, для чего выходы -входовых аналоговых ключей соединены со входами индикаторов и регистраторов: в кормовой эхолотной системе - -входовый аналоговый ключ 26 - с индикатором 33 и регистратором 34, а в носовой эхолотной системе - -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 -входовых аналоговых ключей 26 и 27 соединены с двумя входами перемножающего устройства 29, причем, аналоговый ключ 26 (корма) - 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 стробируемых усилителей 14,15, …,16 и 17,18, …,19, аналоговых ключей 26 и 27, индикаторов 33 и 35, регистраторов 34 и 36, хронизатора-модулятора 2 соединены с соответствующими выходами блока управления 37.
Работа многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ, происходит следующим образом. Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал  с частотой , 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  с гармоническим заполнением. После усилителя мощности 3 радиоимпульс  поступает через коммутаторы 5 и 4 в режиме «Передача» на ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно), излучающие мощные зондирующие УЗ сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. Носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии  и ориентированы акустическими осями вертикально вниз (фиг.1), причем, их ХН должны иметь такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области дна не перекрывались.
Отметим, что носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем обеспечивают формирование и прием волновых процессов в водной среде, т.к. именно УЗ является эффективным для передачи и получения информации в водной среде, причем, проектирование данного многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений обусловливает существенное увеличение мощностей излучаемых волн. В данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей среды - от линейной акустики, в рамках которой изменение плотности воды еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до нелинейной акустики, где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая как самовоздействие, так и взаимодействие распространяющихся волн конечной амплитуды, приводя к генерации новых спектральных компонент комбинационных частот. Следует учитывать, что все процессы, приводящие к уменьшению плотности потока акустической энергии - диссипативные, дифракционные и т.д. ослабляют нелинейные явления, что делает актуальным прояснение области значений нелинейного режима как для ЭАП носовой 7 и кормовой 6 ИПИА эхолотных систем, так и излучаемых мощных волн.
Ниже обсудим критерий соответствия (6) волновых размеров для обоих 6, 7 ИПИА эхолотных систем интервалу значений 10 <  < , что обеспечивает работоспособность многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ. В нелинейной акустике принято оценивать относительное влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на мощные излучаемые волны, рассчитав безразмерные величины: параметр Хохлова , число Рейнольдса  или параметр  (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.13-14, 100-102, Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. - М.: Изд-во «Наука», 1966. - 520 с., стр. 98-110) для конкретной ПИА с использованием соотношений:
- расстояние разрыва плоской волны с частотой  (рад/с) и амплитудой звукового давления  (Па) у поверхности ЭАП, м;
- длина области дифракции Френеля для волны накачки с частотой  (рад/с), м;
- расстояние затухания акустической волны, м. Коэффициент затухания  (Нп/м) акустического сигнала с частотой  в морской воде рассчитывать по соотношениям Шихи и Хелли, а также Либермана (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.23-26). Для пресной воды коэффициент затухания  (Нп/м) связан с частотой (1/с) следующим уравнением:  (см. Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.:Судостроение, 1983.-200с., стр.7-9)
амплитуда звукового давления сигнала накачки у поверхности ЭАП, Па. Здесь:
амплитуда звукового давления сигнала накачки, приведенного к расстоянию 1 метр от ЭАП с учетом затухания.
Приближенно оценивать предельные значения амплитуд звукового давления накачки, при которых начинают проявляться нелинейные эффекты, предложено (см Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.248-252) следующим образом. Образование разрывов для плоских волн характеризуется величиной параметра  отсюда соответствующая амплитуда звукового давления у поверхности антенны равна
где  - диссипативный коэффициент среды. Но так как дифракционные явления значительно ослабляют нелинейные эффекты, то для ограниченных пучков накачки при этих значениях  разрыв может и не наступить. Тогда, пренебрегая нелинейным затуханием волны накачки и полагая , предельные уровни амплитуд звукового давления рассчитывают по формуле
Таким образом, амплитуда звукового давления  у поверхности ЭАП для каждого из сигналов накачки ПИА заключена в пределах, определяемых в соответствии с (14) и (15). Соотношение (15) с учетом того, что диаметр ИПИА ,  и частота , можно преобразовать и представить в виде
что ограничивает сверху величину волнового размера ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, причем, нижнюю границу () можно установить из результатов экспериментов (см Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.,стр.161-165,171-179,182-188).
Проведем анализ типичных результатов экспериментальных измерений пространственных характеристик акустических сигналов кратных частот, полученных при реализации линейного и нелинейного режимов излучения мощного одночастотного сигнала накачки, например, для ИПИА рыбопоисковой аппаратуры гидролокатора «Таймень - М» в режиме самовоздействия (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018.-176 с., стр.29-42). Так, для ИПИА РПА «Таймень-М» представлены несколько угловых распределений амплитуд звуковых давлений для акустических сигналов кратных частот, полученные в двух режимах:
1) () - линейный, соответствующий непосредственному возбуждению антенны на частотах =50 кГц (), =100 кГц (), =150 кГц ();
2) () - нелинейный, соответствующий штатному режиму возбуждения антенны РПА на частоте =50 кГц (), что приводит к генерации в водной среде высших гармоник ().
Итак, ИПИА гидролокатора «Таймень-М» имеет: в нелинейном режиме - на частоте =50 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 =14,4° и уровень бокового излучения =(-19 дБ); на частоте = 100 кГц -  =10,8° и = (- 23 дБ); на частоте = 150 кГц - =8,1° и = (- 23 дБ);
в линейном режиме непосредственного возбуждения - на частоте =50 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7= 14,4° и уровень бокового излучения = (-19 дБ); на частоте = 100 кГц - = 7,2° и = (- 19 дБ); на частоте = 150 кГц - = 4,8° и = (- 18 дБ).
Из представленных данных видно, что в линейном режиме на всех частотах УЗ уровень бокового поля ХН практически не изменяется (- 18 дБ), а угловая ширина основного лепестка ХН уменьшается в соответствии с известными закономерностями - (14,4°, 7,2°, 4,8° ) - (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 -от (- 18 дБ) до (- 23 дБ) - и постепенному обострению основного лепестка - (14,4°, 10,°, 8,1°), причем, применение нелинейного режима существенно расширяет рабочий диапазон устройства, реализующего предлагаемый способ.
Анализируя представленную выше информацию о локационных сигналах кратных частот , можно сделать вывод о том, что целесообразно применение носовой 7 и кормовой 6 ИПИА эхолотных систем комплексно: - 1) «нелинейный режим» - формирование в водной среде мощного полигармонического зондирующего сигнала, содержащего сигналы кратных частот , 2) «линейный режим» - прием отраженных сигналов кратных частот , что расширит эксплуатационные возможности известного корреляционного способа, обеспечив, в частности, получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.
i
k
i
Водная среда имеет неоднородную тонкую слоистую структуру в вертикальном направлении, обладающую граничными прослойками (см. Майкл С. Грегг. Микроструктура океана //Наука об океане / Под ред. О. И. Мамаева. - М.: Изд-во «Прогресс», 1983. - с. 219- 243) с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука), в водных объемах слоев (количество слоев  - от 1 до ) совокупности рассеивателей (фиг.1) случайным образом и статистически неоднородно распределены, пассивно переносятся водными массами слоев с различными скоростями  течений относительно дна на горизонтах глубин. Каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -томгоризонте глубины - их количество составляет , каждая совокупность из находящихся в -том слое имеет свой линейный размер , отражательную способность  и акустическое сопротивление , причем совокупность может быть как акустически жесткой >), так и акустически мягкой < ) - относительно водной среды.
..,
..,
В процессе движения судна со скоростью  относительно дна носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем обеспечивают необходимое количество циклов эхозондирования мощным полигармоническим зондирующим сигналом, содержащим сигналы кратных частот . Таким образом, оператор многочастотного корреляционного гидроакустического лага осуществляет одновременно - как по горизонтали, так и по вертикали соответственно - серии акустических контактов с близлежащими зонами участков поверхностей распределенных совокупностей рассеивателей на 1, 2,…,,горизонтах глубин при скоростях движения (), (), …., () судна относительно этих 1, 2,…,,слоев.
..,
Отраженные спектральные компоненты полигармонического УЗ сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам линейной акустики, достигают ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА 7 и 6 в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры. Полигармонические электрические сигналы  (фиг.1) несут амплитудную информацию о близлежащих зонах участков горизонтально распределенных поверхностей совокупностей рассеивателей на 1, 2,…,,-тыхгоризонтах глубин, а также границы раздела «вода-дно», позволяя судить об их отражательной способности в широкой полосе частот (), а также и о их удалении от ИПИА 7 и 6.
t
Первым этапом является измерение скорости  судна относительно дна за счет обработки эхосигналов от облучаемых участков границы раздела «вода - дно», квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом. С этой целью по команде оператора через блок управления 37 в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов , которые вырабатывают обе ИПИА 7 и 6 в режиме приема. Электрические сигналы с частотой  вырабатываются при соответствующей обработке в коммутаторах 5, 4, полосовых фильтрах 11, 10 с частотой пропускания , усилителях 17, 16 и амплитудных детекторах 23, 22 поступают через управляемые аналоговые ключи 27, 26 на соответствующие входы индикаторов 33, 35 и регистраторов 34 и 36. По мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две медленно меняющиеся во времени функции распределения глубин водоема (фиг.1), т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов  и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину . Для определения величины промежутка времени  сигналы с выходов амплитудных детекторов 23, 20 приемных трактов эхолотных систем дополнительно поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от носовой ИПИА - через блок 28 регулируемой задержки времени. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту  взаимной корреляции сигналов  и , поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок 28 регулируемой задержки, устанавливающий такую задержку , чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента  корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость судна
..,
Для получения информации о скоростях течений , , …,  в слоях тонкой структуры водной среды оператор устройства применяет вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,,горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот , стробирование полученной амплитудной информации, установив одинаковые величины - ширины строба , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба. Отметим, что в приемных трактах эхолотных систем для входных сигналов на частоте  стробирование для пространственной стратификации совокупностей рассеивателей водной среды, находящихся в горизонте водной среды, не осуществляется.
..,
С этой целью в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов  по команде оператора через блок управления 37. В результате этого на выходе приемного тракта носовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 11 (), 12 (),…13 ()), стробирования и усиления (стробируемые усилители 17, 18, …19), детектирования (детекторы 23, 24,…25) и соответствующего переключения -входового аналогового ключа 27 может быть выделен видеоимпульсный электрический сигнал , соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот , ,….,  от облучаемых участков совокупностей рассеивателей из любого 1, 2,…,,горизонтов водной среды, а также морского дна, находящихся под носовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал  подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 35 и регистратора 36, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.
..,
Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8 (), 9 (),…10 ()), стробирования и усиления (стробируемые усилители 14, 15, …16), детектирования (детекторы 20, 21,…22) и соответствующего переключения -входового аналогового ключа 26 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал , соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот , ,….,  облучаемых участков совокупностей рассеивателей из любого 1, 2,…,,горизонтов водной среды, а также морского дна, находящихся под кормовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал  подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 33 и регистратора 34, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.
Таким образом, оператор устройства может определить, например, для -того горизонта глубины водоема, на любой из частот , где , по мере движения судна по заданному курсу по паре меняющихся функций распределения пространственной плотности совокупностей рассеивателей в водной среде, т.е.  пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей для амплитуд электрических сигналов  и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей на -том горизонте под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью () судна относительно -го горизонта, где знак «+» соответствует попутному, знак «-» - встречному направлению течения на -том горизонте глубины водоема соответственно, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты в парах на промежутки времени, имеющие  значений
Для определения величин промежутков времени  видеоимпульсные электрические сигналы  и , соответствующие эхосигналам от совокупностей рассеивателей в водной среде на -том горизонте глубины для какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот ,…,  поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от кормовой ИПИА - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту  взаимной корреляции сигналов  и , 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 , чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента  корреляции. По величине введенной задержки может быть определена скорость движения судна  относительно -го горизонта, измеренная на любой из набора частот
что позволяет при измеренной ранее скорости  движения судна относительно дна вычислить  значения скоростей () течения в -том горизонте на рабочих спектральных компонентах из набора частот ,…., . Полученные данные позволяют вычислить для -го горизонта с совокупностями рассеивателей на любой из частот  величину средней арифметической скорости
течения в -томгоризонте, которая наиболее близко соответствует имеющемуся значению скорости  течения в нем.
)
Для многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения скорости  течения, определяемой соотношением (7), за счет регулировки величины важного параметра -  - ширины пика взаимокорреляционной функции. Следует отметить, что использование обратимой интерференционной антенны РПА «Таймень» в качестве ИПИА многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ, может обеспечить снижение относительной флуктуационной погрешности измерения скорости  течения, определяемой соотношением (4), за счет того, что в силу описанных выше закономерностей имеется возможность регулировки величины параметра -  - ширины пика взаимокорреляционной функции для соответствующей спектральной компоненты полигармонического сигнала (при использовании более высокочастотного сигнала числитель  уменьшается быстрее, чем знаменатель , что вызывает уменьшение самого отношения, где  - длина волны используемого ультразвукового сигнала (изменяется в  раз),  - угловая ширина результирующего основного лепестка ХН ИПИА (излучение - «нелинейный» режим, прием - «линейный» режим).
Рассмотрим еще один пример. Относительная погрешность в измерении скорости  течения 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)
где  - среднее значение размаха вертикальных перемещений судна,  - период вертикальных колебаний судна. Из (21) видно, что при амплитудном детектировании относительная погрешность в измерении 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 узком основном лепестке ХН ИПИА.
Заявляемый способ может найти широкое применение при измерении скорости движения судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, при этом сопровождаться измерением глубин акватории по пути следования с высокой точностью.