УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ РЕЛЬЕФНОЙ СЪЕМКИ НИЖНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим средствам, предназначенным для съемки рельефа нижней поверхности ледового покрова путем определения дистанций и направлений до нижней поверхности ледового покрова с высоким угловым разрешением и разрешением по дистанции в широком секторе наблюдения над погруженным объектом.
Известны устройства [1, 2] для гидроакустической съемки рельефа поверхности дна, которые при изменении направления излучения зондирующих сигналов относительно погруженного объекта с направления "в сторону дна" на направление "в сторону ледовой поверхности" [3] решают ту же задачу съемки рельефа поверхности и могут рассматриваться как аналоги.
Принцип работы аналогов заключается в следующем.
Имеются две взаимно перпендикулярные антенны - излучающая и приемная, подобные кресту Миллса [4]. Ось излучающей антенны ориентирована параллельно движению погруженного объекта.
Для излучения зондирующих сигналов формируется одна характеристика направленности (ХН). Ее ось ориентирована вертикально вверх. ХН излучения является "узкой" в сечении по направлению движения погруженного объекта и "широкой" в перпендикулярном направлении.
r
r
r
i
r
Для приема отраженных от ледовой поверхности эхосигналов формируется I ХН (I - число ХН), образующих статический веер в пространстве над погруженным объектом. Все они, в противоположность ХН излучения, являются "широкими" в сечении направления движения объекта и "узкими" в перпендикулярном направлении. Ось центральной приемной ХН ориентирована вертикально. Оси остальных (I-1) ХН сдвинуты относительно нее на фиксированные углы α, где i - номер ХН (i=1, 2, …, I в статическом веере).
При излучении зондирующего сигнала вертикально над носителем, на поверхности льда "освещается" полоса, узкая в направлении движения погруженного объекта и широкая в перпендикулярном направлении. При приеме из "освещенной" полосы на поверхности выделяются узкие участки - элементы углового разрешения. Число элементов углового разрешения определяется числом пересечений приемных ХН с ХН излучения, а их угловые размеры - телесным углом, размер которого в направлении движения погруженного объекта равен ширине излучающей ХН, а в перпендикулярном направлении - ширине приемной ХН. Это позволяет реализовать высокое угловое разрешение, как в продольном направлении движения погруженного объекта, так и в поперечном.
Разрешение по координате "дистанция" определяется шириной функции неопределенности выбранного типа зондирующего сигнала, которая зависит от полосы частот зондирующего сигнала и способа его обработки.
В каждом цикле излучения и приема эхосигналов в пределах "освещенной" полосы определяются:
- расстояния до нижней поверхности льда в элементе разрешения;
- направления на элемент разрешения нижней поверхности льда в продольном и поперечном направлениях движения погруженного объекта.
Определение координат элементов разрешения производится в декартовой системе координат (СК), привязанной к погруженному объекту. При этом ось OX ориентирована вдоль направления движения, ось OZ ориентирована вертикально вверх, а направление оси OY выбрано для образования правосторонней СК.
Рассмотренная выше "освещенная" полоса формируется при неподвижном погруженном объекте. Ее размеры в продольном направлении движения (X) и в поперечном направлении (Y) равны:
где Δα - ширина центральной излучающей ХН;
ΔB - угол сектора обзора приемной антенны;
H - глубина погруженного объекта.
j
0
0
j
0
0
j,i
i
j,i
j,i
Для съемки рельефа ледовой поверхности требуемой площади производится перемещение "освещенной" полосы, вследствие движения погруженного объекта. В моменты времени t=t+j·T, где t - начальное время, T - период излучения зондирующих сигналов, j - номер излучения, j=0, 1, …, J-1, J - число излучений. При постоянной по величине и направлению скорости движения (V) им соответствует положение погруженного объекта X=X+j·V·T, где X - начальное значение координаты X. За период T в каждой i-той приемной ХН производится определение расстояния до погруженного объекта (R) по задержке пришедшего от элемента разрешения эхосигнала. Затем, учитывая угол наклона приемной ХН (α), вычисляются вертикальная (Z) и горизонтальная (Y) координаты выделенного участка поверхности - элемента разрешения в СК погруженного объекта по формулам:
Для повышения точности определения координат элементов разрешения, в ряде случаев, учитывается геометрическое искривление лучей, по которым распространяется излученный и принятый сигнал, обусловленное изменением скорости звука по трассе распространения зондирующего сигнала [4].
Для исключения пропусков в "освещении" поверхности скорость движения погруженного объекта ограничена условием:
Из условия (3) следует, что чем выше угловое разрешение излучающей антенны (чем меньше ширина излучающей ХН), тем меньше должна быть скорость и, соответственно, тем большее время требуется для осуществления съемки рельефа ледовой поверхности требуемой площади.
Наиболее близким к заявляемому устройству прототипом является многолучевой эхолот SeaBat 7125 [1].
Прототип состоит из:
- излучающей антенной решетки (АР);
- многоканального генераторного устройства (МГУ), формирующего излучаемые сигналы в каждом гидроакустическом преобразователе (ГАП) излучающей АР;
- приемной антенной решетки;
- аппаратуры предварительной обработки сигналов (АПОС), обеспечивающей полосовую фильтрацию, усиление и аналого-цифровое преобразование сигнала, принятого каждым ГАП приемной АР;
- устройства формирования статического веера приемных ХН;
- устройства обработки эхосигналов;
- устройства управления и отображения.
Недостатки прототипа:
- Низкая производительность съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом (под производительностью съемки понимается площадь съемки, выполняемая за один цикл обзора), которая обусловлена ограничением скорости движения погруженного объекта согласно соотношению (3) и, соответственно, большим временем съемки при заданной площади. Это приводит также к ограничению площади съемки при заданном времени.
- Узкая область съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом при нулевой скорости погруженного объекта из-за узкой ширины характеристики направленности излучающей антенной решетки, что приводит к большому времени определения размеров полыней и разводий при специальном маневрировании погруженного объекта перед всплытием.
Задачей полезной модели является:
- повышение производительности съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом;
- обеспечение съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом при нулевой скорости погруженного объекта.
Технический результат заявляемого устройства заключается в получении трехмерного рельефа нижней поверхности льда большой площади за минимальное время при любых, в том числе и нулевых, скоростях движения погруженного объекта.
Технический результат заявляемого устройства достигается за счет применения внутриимпульсного сканирования при излучении зондирующих посылок, которое позволяет в одном цикле излучения-приема сформировать несколько излучающих ХН, освещающих большую площадь нижней поверхности льда над погруженным объектом.
Внутриимпульсное сканирование заключается в следующем. Излучаемый сигнал в каждом цикле излучения-приема состоит из набора "элементарных" ортогональных сигналов. Каждый элементарный ортогональный сигнал последовательно излучается в собственное заданное направление. При этом происходит последовательное "освещение" (сканирование) нижней поверхности льда. Направления излучения обеспечиваются введением необходимых задержек в элементарные сигналы аналогично тому, как это происходит при формировании статического веера ХН приемной АР. При приеме за счет ортогональности элементарных сигналов происходит их разделение по направлениям излучения элементарного сигнала. Это позволяет за один цикл излучения-приема "осветить" большой сектор нижней поверхности льда с повышенным пространственным разрешением.
Ортогональные элементарные сигналы формируются по следующему правилу.
Формируется базовая последовательность импульсов. Число импульсов в ней равно М. Длительность каждого импульса равна Ti. Центральные частоты импульсов определяются формулой:
где: m - порядковый номер импульса в базовой последовательности, m=0, 1, … M-1;
min
F - нижняя граница полосы частот излучаемого сигнала;
DFi=1/Ti - полоса частот одиночного импульса;
Из базовой последовательности импульсов формируются ортогональные элементарные сигналы одним из следующих способов:
а) элементарные сигналы представляют одиночные импульсы на заданной частоте, определяемой по формуле (4), при этом каждый импульс излучается в за- данное ему направление;
б) элементарные сигналы формируются из ортогональных последовательностей М импульсов, например последовательности Костаса [5], при этом каждая последовательность импульсов излучается в заданное ей направление.
При приеме выполняется согласованная с типом зондирующего сигнала фильтрация.
Для обеспечения заявляемого результата вводятся новые элементы, а именно:
а) устройство управления внутриимпульсным сканированием;
б) устройство согласованной фильтрации сигналов с внутриимпульсным сканированием.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг. 1.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - излучающая антенная решетка,
2 - многоканальное генераторное устройство,
3 - устройство управления внутриимпульсным сканированием,
4 - приемная антенная решетка,
5 - аппаратура предварительной обработки сигналов,
6 - устройство формирования статического веера приемных характеристик направленности,
7 - устройство согласованной фильтрации сигналов с внутриимпульсным сканированием,
8 - устройство обработки эхосигналов,
9 - устройство управления и отображения. Устройство работает следующим образом.
При включении в устройстве управления и отображения 9 для каждого цикла излучения-приема назначаются параметры режима работы:
- в устройстве управления внутриимпульсным сканированием 3: параметры внутриимпульсного сканирования - число направлений и их углы, и параметры ортогональных элементарных сигналов - число в последовательности, частоты и длительности импульсов;
- в многоканальном генераторном устройстве 2: параметры для каждого ГАП, используемые при формировании излучения в одном направлении - мощность, последовательность задержек, частоты, длительности сигналов;
- в аппаратуре предварительной обработки сигналов 5: те же параметры, что и в устройствах 2 и 3, что необходимо для согласования работы аппаратуры с излучаемыми сигналами;
- в устройстве формирования статического веера приемных характеристик направленности 6: параметры, обеспечивающие формирование веера ХН - число ХН, их направления и соответствующие им задержки в каждом канале ГАП;
- в устройстве согласованной фильтрации сигналов с внутриимпульсным сканированием 7: параметры излученных сигналов - число и тип элементарных ортогональных сигналов, направления их излучения;
- в устройстве обработки эхосигналов 8: параметры, обеспечивающие определение задержки эхосигнала, в том числе отметку времени момента излучения, координат элемента разрешения нижней поверхности льда для формирования трехмерного (X, Y, Z) отображения нижней поверхности льда - координаты начала системы координат антенн, углы курса, крена и дифферента, вертикальный разрез скорости звука.
Получив от устройства управления и отображения 9 назначенный режим работы, устройство управления внутриимпульсным сканированием 3 формирует заданный набор элементарных ортогональных сигналов, которые передает в многоканальное генераторное устройство 2.
Многоканальное генераторное устройство 2 для каждого ГАП в излучающей антенной решетке 1 вводит временные задержки элементарного ортогонального сигнала, соответствующие назначенному направлению излучения, и передает этот сигнал с задержками в излучающую антенную решетку 1.
Излучающая антенная решетка 1 излучает элементарный сигнал в назначенное направление.
Затем устройство 2 вводит временные задержки для следующего элементарного ортогонального сигнала, снова передает его в излучающую антенную решетку 1, которая производит излучение в следующее направление. Цикл повторяется до исчерпания числа направлений, выбранных в данном цикле излучения-приема.
Приемная антенная решетка 4 принимает отраженные ледовой поверхностью сигналы и передает их в аппаратуру предварительной обработки сигналов 5.
Аппаратура предварительной обработки сигналов 5 производит фильтрацию, усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов, принятых в каждом канале ГАП приемной антенной решетки 4, и передает их в устройство формирования статического веера приемных характеристик направленности 6.
Устройство формирования статического веера приемных характеристик направленности 6 вводит в сигналы с выхода каждого канала ГАП приемной антенной решетки 4, временные задержки, соответствующие назначенным направлениям веера приемных характеристик направленности. Для каждого направления производит суммирование сигналов со всех ГАП. Суммарный сигнал является сигналом с данного направления ХН приема. Затем сигналы с выхода всех приемных ХН статического веера передаются в устройство согласованной фильтрации сигналов с внутриимпульсным сканированием 7.
Устройство согласованной фильтрации сигналов с внутриимпульсным сканированием 7 выполняет многоканальную согласованную фильтрацию эхосигналов, следующих с выхода всех приемных ХН. Импульсные характеристики каналов многоканального фильтра равны излученным элементарным ортогональным сигналам. В результате многоканальной фильтрации в каждом направлении из статического веера приемных ХН определяются номера излученных элементарных сигналов, которые соответствуют направлениям излучающей ХН. Таким образом, формируются эхосигналы, соответствующие направлениям на элемент разрешения в продольной и поперечной плоскостях движения погруженного объекта. Они передаются в устройство обработки эхосигналов 8.
Устройство обработки эхосигналов 8 для каждого направления на элемент разрешения определяет задержку прихода эхосигнала и по ней определяет дистанцию до элемента разрешения. Затем вычисляет координаты элемента разрешения в прямоугольной системе координат с использованием полученных дистанций и направлений, определенных в устройстве 7. Эти координаты передаются в устройство управления и отображения 9.
Устройство управления и отображения 9 выполняет построение и отображение трехмерного рельефа нижней поверхности льда.
Приведенный принцип работы заявляемого устройства обеспечивает различные режимы работы, в том числе:
(А) - режим работы при использовании одной ХН излучения в каждом цикле излучения-приема,
(Б) - режим работы, при котором обеспечивается обзор пространства над погруженным объектом в широком секторе углов направлений ХН излучения.
В режиме (А) заявляемое устройство работает, как обычный многолучевой эхолот. В режиме (Б) применяется внутриимпульсное сканирование и обеспечивается заявляемый технический результат.
Практическое использование внутриимпульсного сканирования поясняется следующим.
Каждому моменту времени соответствует объем пространства, отражающий или рассеивающий падающее акустическое поле, который является элементом разрешения. Объем элемента разрешения равен:
где  - дистанция элемента разрешения в момент времени X,
α - направление излучения, относительно горизонтальной плоскости,
- элемент разрешения по дистанции,
ΔF - полоса зондирующего сигнала,
c - средняя скорость звука в воде,
Δα, Δβ - элементы разрешения, которые равны ширине излучающей (Δα) и приемной (Δβ) ХН, соответственно.
Пусть вся зона обзора составляет: R - по дистанции, ΔA - угол сектора обзора в продольной плоскости движения погруженного объекта и ΔB - в поперечной плоскости. Для ее просмотра, учитывая параллельный обзор приемной антенной в секторе размером ΔB, при использовании одной излучающей ХН требуется время:
Заявляемое устройство позволяет сократить время обзора, определяемое соотношением (6).
s
s
s
s
В заявляемом устройстве формируется излучающий сигнал, состоящий из K элементарных ортогональных сигналов (K - число сигналов). Излучающая антенная решетка 1 излучает последовательно каждый элементарный ортогональный сигнал в отдельную ХН излучения. При этом происходит последовательное "освещение" (сканирование) полосы нижней поверхности льда, ширина которой в K раз шире, чем у прототипа. При приеме эхосигналов за счет ортогональности элементарных сигналов в каждой ХН статического веера производится определение направления пришедшего эхосигнала, соответствующее направлению излучения элементарного сигнала. В результате время обзора, определяемое соотношением (6) сокращается в K раз. Описанный принцип обзора нижней поверхности льда проиллюстрирован на Фиг. 2. На Фиг. 3 показана зона обзора пространства за один цикл излучения.
Возможность получения при осуществлении полезной модели указанного технического результата определяется на основе теоретических оценок эффектом, получаемым с помощью заявляемого устройства, по сравнению с прототипом:
Прототип обеспечивает производительность съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом, с учетом формулы (1), равную:
где Tс - время одного цикла обзора.
Заявляемое устройство в режиме (Б), указанном выше, обеспечивает производительность съемки рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом, равную:
где ΔA - угол сектора обзора в продольной плоскости движения погруженного объекта, который обеспечивает внутриимпульсное сканирование.
Таким образом, увеличение производительности обзора рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом, заявленного устройства, по отношению к производительности прототипа составит:
0
P
В частности, при Δα≈1°, ΔA≈±45° величина выигрыша в производительности составит K≈60.
При нулевой скорости погруженного объекта прототип обеспечивает обзор рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом, площадь которого определяется формулой:
При нулевой скорости погруженного объекта заявляемое устройство обеспечивает обзор рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом, площадь которого определяется формулой:
Таким образом, увеличение площади обзора рельефа нижней поверхности льда над погруженным объектом при нулевой скорости погруженного объекта, заявленного устройства, по отношению к площади обзора прототипа составит:
и совпадает с увеличением производительности съемки, которое оценивается по формуле (9).
Список литературы.
1. SeaBat 7125; www.mnsspb.ru, сайт ЗАО "Морские навигационные системы".
2. "Гидролокатор высокого разрешения - звуковизор" разработки ОАО "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" (www.akin.ru)
3. Jerevy P. Wilkinson, Peter Wadhams and Nick E. Hughes. “A review of the sonar underwater vehicles to obtain information on sea ice draft”. - “Arctic sea ice thickness. Past, present & future”. International workshop, Rungstedgaard, Denmark, 8-9 november, 2005.
4. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. // Пер. с английского - Л.: Судостроение, 1978.
5. Costas, J.P. (1984). “A study of a class of detection waveforms having nearly ideal range - Doppler ambiguity properties”. Proceedings of the IEEE 72 (8): 996-1009.