Приемный тракт импульсного гидроакустического доплеровского лага

Полезная модель относится к области гидроакустической техники, в частности к гидроакустическим навигационным устройствам. Одним из таких устройств является доплеровский лаг, предназначенный для определения абсолютной скорости носителя, и устанавливается на носителях, перемещение которых должно контролироваться с высокой точностью. В числе таких носителей подводные лодки, подводные аппараты и, особенно, буи в сетецентрической системе подводного наблюдения, координаты которых определяют достоверность и точность информации о наблюдаемых целях.
Известно построение приемных трактов импульсных гидроакустических доплеровских лагов, которые выполняются с использованием схем выделения низкочастотных квадратурных компонент, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), сверхбольших интегральных схем (СБИС) цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Подобное построение имеют приемные тракты импульсных доплеровских лагов ЛДУ-160М, ЛДУ-160 и ЛДУ-400 [1], WHN 300, WHN 600, WHN 1200 и низкочастотного (38 кГц) доплеровского профилометра "Ocean Surveyor" [2].
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является приемный тракт импульсного доплеровского лага, который содержит последовательно соединенные 4-канальный усилитель, 4-канальный полосовой фильтр, 4-канальный АЦП и цифровой приемник [3].
Недостатком прототипа является неполное использование максимально возможного времени сеанса работы лага для измерения доплеровской частоты из-за постоянства скважности излучение/прием, что не позволяет оперативно учитывать интенсивность реверберационной помехи и приводит к снижению точности измерения скорости и пройденного пути носителя
Задачей полезной модели является более полное использование времени сеанса работы лага при использовании отечественных СБИС ЦОС.
Для решения поставленной задачи в приемный тракт импульсного гидроакустического доплеровского лага, содержащего последовательно соединенные 4-канальный усилитель, 4-канальный полосовой фильтр, 4-канальный АЦП и цифровой приемник введены новые признаки, а именно: цифровой приемник выполнен 4-канальным квадратурным, содержащим входной интерфейс, соединенный с выходами 4-канального АЦП, выходы входного интерфейса соединены с соответствующими сигнальными входами 4-х квадратурных умножителей, гетеродинные входы которых соединены соответственно с выходами 4-х квадратурных гетеродинов, а каждые два выхода каждого из 4-х квадратурных умножителей соединены с входами каждых двух из 8-ми фильтров-дециматоров, выходы которых соединены с выходным интерфейсом цифрового приемника, при этом в приемный тракт введен контроллер, содержащий входной интерфейс, соединенный с выходным интерфейсом цифрового приемника и последовательно соединенные блок квадрирования с суммированием, блок экстраполирования, блок накопления, блок вычисления коэффициента распознавания, блок установки длительности импульса излучения, которые соединены входами управления с выходом блока таймера, при чем вход блок квадрирования с суммированием соединен с выходом входного интерфейса, а вход блока таймера соединен с интерфейсом ввода/вывода, который соединен с внешним источником глубины, а выход блока установки длительности импульса излучения соединен с интерфейсом ввода/вывода выполненным с возможностью передачи установленного значения длительности импульса излучения в передающий тракт доплеровского лага.
Технический результат заключается в увеличении временного интервала измерения доплеровской частоты, что приводит к увеличению точности измерения скорости и пройденного пути носителя.
Технический результат достигается путем адаптации длительности импульса излучения к интенсивности реверберационной помехи, что обеспечено включением в формулу полезной модели новых признаков.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена блок схема заявленного устройства, на фиг. 2  показан импульс излучения (прямоугольная форма), реверберационная помеха и полезный эхосигнал импульсного доплеровского лага, на фиг. 3 и 4 - временные эпюры одного цикла излучение/прием измерений реверберационной помехи и доплеровской частоты соответственно.
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные 4-канальный усилитель 1, 4-канальный полосовой фильтр 2, 4-канальный АЦП 3, цифровой приемник с входным интерфейсом 4, четыре квадратурных умножителей 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, четыре квадратурных гетеродинов 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, четыре фильтра - дециматоров 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, выходной интерфейс 8, контроллер с входным интерфейсом 9, блок квадрирования с суммированием 10, блок экстраполирования 11, блок накопления 12, блок вычисления коэффициента распознавания 13, блок установки длительности импульса излучения 14, блок таймера 15, интерфейс ввода/вывода 16.
Малошумящие предварительные каскады 4-канального усилителя 1 могут быть выполнены на микросхемах аналоговых усилителей, например, SSM2017 (собственные шумы порядка 1нв/, усиление 60 дБ), ОРА1632, AD600. Последующие каскады 1 могут быть выполнены на микросхемах SSM2018, ОР284, AD600. Выходы 4-канального усилителя 1 соединены с 4-канальным полосовым фильтром 2, который может быть выполнен как фильтры сосредоточенной селекции (ФСС). Выходы ФСС соединены с 4-канальным АЦП 3, например, AD7622 (16 бит, 2 MSPS). В качестве цифрового приемника и контроллера можно использовать СБИС 1288XK1T и 1892ВМ3Т соответственно. Поставка АО НПЦ «ЭЛВИС» (Москва, Зеленоград). СБИС 1288XK1T содержит четыре идентичных канала, реализующих функции входного интерфейса 4, четырех квадратурных умножителей 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, четырех квадратурных гетеродинов 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, четырех фильтров - дециматоров 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, выходного интерфейса - 8, т.е. в отличие от цифрового приемника прототипа блоки цифрового гетеродинирования и фильтра-дециматора реализуются СБИС. СБИС 1892ВМ3Т имеет RISC и DSP процессоры, которые реализуют входной интерфейс 9, блок квадрирования с суммированием 10, блок экстраполирования 11, блок накопления 12, блок вычисления коэффициента распознавания 13, блок установки длительности импульса излучения 14, блок таймера 15, интерфейс ввода/вывода 16.
Использование СБИС ЦОС 1288XK1T и 1892ВМ3Т вписывается в концепцию создания систем обработки сигналов в гидроакустике на базе отечественной микроэлектроники.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Соотношение между интенсивностями эхосигнала и реверберационной помехи на интервале приема эхосигнала должно быть
s
ν
где I - интенсивность эхосигнала, q - коэффициент распознавания, отношение по напряжению, I - интенсивность реверберационной помехи. Значение коэффициента распознавания q определяется видом алгоритма измерения доплеровской частоты [4, с. 106; 5, с. 142].
Наименьшая интенсивность объемной реверберации имеет место в холодных водах. Для иллюстрации на фиг. 2 показан импульс излучения (прямоугольная форма), реверберационная помеха и полезный эхосигнал импульсного доплеровского лага. Запись произведена в северной акватории Ладожского озера на глубинах более 150 метров, температура воды на поверхности около 10 градусов. Усиление приемного тракта постоянно, отношение с/ш >> 1, частота заполнения импульса 250 кГц. Из рассмотрения фиг. 2 видно, что интенсивность объемной реверберации мала и длительность импульса может быть увеличена примерно в два раза. При разработке импульсного доплеровского лага была принята постоянная скважность около трех [4, с. 103, 5, с. 138].
ν
При фиксированных (постоянных) значениях параметров лага интенсивность реверберационной помехи I при фиксированной дистанции r пропорциональна изменению озвученного объема воды
0.7
где Δθ - ширина главного максимума характеристики направленности антенны на уровне 0.7, с - скорость звука в воде и пропорционально длительности импульса τ [5, с. 158-161; 6, с. 250-255].
Реверберационный процесс, как и любой квазигармонический случайный процесс, может быть представлен в виде, например, [7, с. 103]
0
V(t)=E(t)cos[ωt+ϕ(t)],
0
E(t) - огибающая, характеризующая изменение во времени амплитуды сигнала, ω - центральная частота, ϕ(t)- текущая фаза. Тогда низкочастотные квадратурные составляющие
c
V=E(t)cos[ϕ(t)] и
s
V=E(t)sin[ϕ(t)].
Квадрат огибающей (интенсивность сигнала на выходе приемного тракта) записывается как
.
Относительное измерение во времени интенсивности реверберационной помехи производится по уровню квадрата огибающей при постоянном усилении приемного тракта. Длительность импульса выбирается из соотношений
0.7
2
где Н - глубина, Δθ - ширина главного максимума характеристики направленности антенны на уровне 0.7, θ - угол наклона характеристики направленности антенны к вертикали, с - скорость звука в воде [5, с. 8-9]. Результаты измерений E(t) усредняются для 8…10 циклов излучение/прием при значениях времени измерений, соответствующих τ+τ/2<t<(2R/c)+τ, R=H/cos(θ) - наклонная дальность. Для получения усредненной интенсивности реверберационной помехи на интервале 2R/c<t<(2R/c)+τ используется усреднение экстраполированных интенсивностей.
р
р
д
р
д
Также усредняется интенсивность на интервале времени приема эхосигнала от дна. Как графическая иллюстрация на фиг. 3 и 4 представлены временные эпюры одного цикла излучение/прием, 2R/c - время распространения импульса до дна и обратно [4, с. 104]. Фиг. 3 измерение реверберационной помехи, период повторения импульса Т≈6τ, интервал измерения реверберационной помехи, экстраполирования реверберационной помехи и измерение интенсивности на интервале времени приема эхосигнала от дна, τ≈5τ. Фиг. 4 - измерение доплеровской частоты, период повторения импульса Т≈2.6τ, интервал «гашения» реверберационной помехи τ≈0.6τ, интервал измерения доплеровской частоты τ=τ. Из рассмотрения Фиг. 4 и Фиг. 3 видно, что имеет место увеличение временного интервала измерения доплеровской частоты, т.е. увеличивается точность измерения скорости и пройденного пути носителя.
0.7
Работу заявленного устройства продемонстрируем на примере функционирования лага, предназначенного для условий глубокого океана - глубина, Н=3000 м, ширина главного максимума характеристики направленности антенны на уровне 0.7 Δθ=4°, угол наклона характеристики направленности антенны к вертикали θ=30° [4, с. 114]. Значение глубины поступает из навигационного комплекса носителя или с пульта управления, где оператор задает значение глубины, через интерфейс ввода/вывода 16. Значение глубины транслируется блоком 15 из интерфейса 16 в блок 14, где согласно условиям (3) определяется длительность импульса τ для измерения реверберационной помехи. Для Н=3000 м значение τ=0.5 с, соответствует условиям (3), и передается в интерфейс 16. Количество циклов излучение/прием равно N=8…10. Ведение временной диаграммы излучение/прием (Фиг. 3) обеспечивается блоком 15. Время начала приема определяется значением τ+τ/2, дискретность приема τ/2. Время окончания приема определяется, как (2R/c)+τ и для рассматриваемого примера {[2Н/cos(30°)]/1500}+τ=5.12 с. Усиленные, отфильтрованные и оцифрованные в блоках 1-3 значения принимаемых сигналов по 4-м лучам антенны поступают во входной интерфейс 4. Выходные отсчеты фильтров-дециматоров 7-1…7-8, реализованные как фильтры с конечной импульсной характеристикой, поступают в выходной интерфейс 8 и далее во входной интерфейс 9 и затем поступают в блок 10. В рассматриваемом примере при дискретности приема в 0.25 с по 4-м каналам приема за один цикл излучение/прием запоминается 4⋅19=76 значений квадратов для времени приема 0.75, 1.0, 1.25,…, 4.75, 5.0, 5.25 с. Далее в блоке 11 производится экстраполирование реверберационной помехи для интервала приема 2R/c<t<(2R/c)+τ, т.е. (4.62…5.12) с, по значениям для интервала приема τ+τ/2<t<(2R/c), т.е. (0.75…4.5) с. Алгоритмы экстраполирования широко известны, например, приближение многочленом. По окончанию циклов излучение/прием в блоке 12 производится усреднение интенсивностей  и усреднение экстраполированных интенсивностей реверберационной помехи . Далее определяется коэффициент распознавания в блоке 13 согласно (1) как , где  - усредненная интенсивность и  - усредненное экстраполированное значение помехи. Так как  прямо пропорционально τ согласно (2), то в блоке 14 производится установка длительности зондирующего импульса как . Значение длительности импульса передается в интерфейс 16, которое транслируется в передающий тракт доплеровского лага.
Установка длительности импульса обеспечивает адаптацию длительности импульса к интенсивности реверберационной помехи, т.е. достигается технический результат.
Источники информации
1. Сравнительные характеристики унифицированных гидроакустических доплеровских лагов серии ЛДУ // Гидроакустический журнал (Украина), 2011, №8, с. 88-89.
2. wvyw.rdinstruments.com, Патент США №5615173.
3. Патент РФ №2439613. Опубликовано 10.01.2012/ Бюл. №1.
4. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб: Наука. 2004.
5. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1984.
6. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение. 1978.
7. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. Л.: Судостроение. 1983.