Система регулирования длительности и скважности излучаемых импульсов высокоточного доплеровского лага

Полезная модель относится к области гидроакустической техники, а более конкретно к гидроакустическим навигационным устройствам и может быть использована в высокоточных доплеровских лагах.
Известны общие принципы выбора длительности г„ и периода
следования Г излучаемых импульсов доплеровского лага.
В доплеровских лагах с невысокой точностью измерения абсолютной скорости носителя (среднеквадратичная погрешность первые единицы процента) используются постоянные значения г„ и Т 1, с. 156.
Длительность т„ выбирается исходя из значения минимальной рабочей глубины Я„(„
где с - скорость звука в водной среде;
в - угол между вертикалью и осью акустического луча.
)
ccos
Период следования 7 выбирается исходя из значения максимальной рабочей глубины
Т (2)
ел -уп V /
Например, в 1, с. 156 приведены значения  мс и  мс для доплеровского лага MRQ фирмы «Марквардт с  13 м и Н 240 м.
Доплеровские лаги с более высокой точностью измерения абсолютной скорости носителя (среднеквадратичная погрешность (0.5-1)%) используют ступенчатые значения т„ и Т. При этом весь диапазон рабочих глубин
( -Я„ах) разбивается на несколько поддиапазонов. Для каждого из поддиапазонов г„ выбирается по минимальной глубине, а Г, по
максимальной глубине. Например, в доплеровском лаге «Онега 1, с. 244 245 диапазон рабочих глубин (3 - 170) м разбивается на пять поддиапазонов. В каждом поддиапазоне период следования Г выбирается как
min/о
сл -а
где / - номер поддиапазона глубины.
Серьезным недостатком постоянных значений г„ и Т является
недостаточная временная режекция (пропуск) сигнала объемного рассеяния звука водной средой (объемной реверберации), который предоставляет собой помеху при измерении абсолютной скорости носителя.
CCOS
использованием переменных значений г„ и Г в зависимости от текущей глубины Я. При этом
с..(4)
где Гр - интервал временной режекции сигнала объемной реверберации, г„ интервал приема, но соотношения между интервалами остаются постоянными, т. е. скважность излучаемых импульсов
Рекомендуется 2, с. 138 выбирать значения
Общая структурная схема регулирования г„и Т (Q  const) в
зависимости от текущей глубины Я„ приведена , с. 222. На вход
временного дискриминатора поступает квадрат огибающей сигнала с выхода усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемного тракта доплеровского лага. На управляющие входы временного дискриминатора поступают два селекторных сигнала г, и   Выходной сигнал дискриминатора поступает на вход блока интегрирования и усиления. Выходной сигнала блока поступает на блоки перестраиваемого по частоте генератора, делителя частоты и формирования импульсов управления, последний выдает в аппаратуру лага значения г„, г,, г„ и два селекторных сигнала  и
Q   const.(5)
.(6)
с cos б
.(7)
Начальная установка глубины Я„д производится вручную оператором
или автоматически, например, по данным из навигационного комплекса носителя. Например, в 2, с. 152 - 155 приведены краткие сведения о доплеровских лагах моделей Alpha Dolog и PADS (Q  const  3 при Я  var),
в которых имеются подобные системы автоматического регулирования г„ и ,. Использование системы автоматического регулирования г„ и ,{Q  const) позволяет достигнуть среднеквадратичной погрешности
измерения абсолютной скорости носителя до 0.2%.
Наиболее близким устройством по структуре и совокупности признаков к предлагаемой полезной модели является система регулирования г„(я) и
Г(я) (б  СОЛ5/, Я  var, 3  Я  400 м) импульсного доплеровского лага ЛА52 (ЛА-53). Сведения о лаге приведены в статьях 3, 4, монографиях 5, с.469-483, 6, с.146-155. Блоки системы регулирования г„(я) и Т(н)
(сопровождения донного сигнала , 3, с.бб) реализованы с помощью элементов дискретной схемотехники и интегральных схем серий 580 (8разрядный микропроцессорный набор) и 1810 (16-разрядный микропроцессор). Конструктивно блоки системы входят в состав приборов 16 и 16А лага, который имеет каналы обмена с навигационным комплексом и гидрографической радиодальномерной системой. Среднеквадратичная погрешность измерения абсолютной скорости носителя равна 0.3%.
Структура системы регулирования имеет постоянную скважность Q и
сигнал на временной дискриминатор подается в широкой полосе частот, что снижает точность измерения абсолютной скорости носителя.
Недостатком прототипа является постоянное значение скважности Q ввиду того, что разброс отношения коэффициентов обратного донного рассеяния т и объемного рассеяния (реверберационная помеха) т
может достигать в океане (3 - 4) и более порядков 2, с. 148 - 149, 7, с. 451477, с. 491-558. Снижение значения D приводит к увеличению уровня реверберационной помехи, т. е. к снижению точности измерения абсолютной скорости носителя, что недопустимо для высокоточных доплеровских лагов. Фиксированное (постоянное) уменьшение величины г„, заложенное при
проектировании лага, для увеличения времени режекции реверберационной помехи Тр нежелательно по двум причинам:
-уменьшается фактическое время осреднения
где  - полное время работы лага 2, с.
-расширяется мгновенный спектр отдельного полезного эхосигнала 1,с. 157.
Другим недостатком прототипа является широкая полоса частот на входе временного дискриминатора, которая равна полосе пропускания УПЧ приемного тракта. Данное обстоятельство ухудшает дискриминационные и флюктуационные характеристики временного дискриминатора, т. к. полоса частот полезного сигнала существенно меньше полосы пропускания УПЧ приемного тракта.
D  (8)
т т - (q
оср - . W/
Все это ведет к снижению точности измерения абсолютной скорости носителя
Задачей полезной модели является повышение точности измерения абсолютной скорости носителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 заявленная полезная модель устройства и на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства.
При этом достигается следующее: стабилизируется отношение интенсивностей обратного донного рассеяния (полезный эхосигнал) 1 и
объемного рассеяния (реверберационная помеха) /„ и улучшение
дискриминационных и флюктуационных характеристик временного дискриминатора, что приводит к повышению точности измерения абсолютной скорости носителя.
Для достижения технического результата в систему в систему регулирования длительности г„(я) и скважности Т(н}, содержащей последовательно
соединенные временной дискриминатор 1, блок 2 интегрирования и коррекции, блок 3 управления, при этом управляющие входы временного дискриминатора 1 соединены с соответствующими выходами блока 3 управления, введены блок 4 полосовой фильтрации и блок 5 измерения отношения интенсивностей обратного донного рассеяния 1 и объемного
рассеяния 1, при этом один вход блока 4 подключен к выходу УПЧ приемного тракта, а другой его вход соединен с выходом внешнего измерителя скорости носителя F, выход блока 4 соединен с входом временного дискриминатора 1 и входом блока 5, выход последнего соединен
СО вторым входом блока 3, третий вход которого соединен с внешним источником начальной глубины Я„„, а управляющие входы блока 5
соединены с соответствующими выходами блока 3, являющимися одновременно выходами системы регулирования.
Поясним достижение указанных технических результатов, т.е. г„(я), с.Н. , I,pll,const.
Как известно, ширина полосы пропускания Д/уяу УПЧ приемного тракта определяется из заданного при проектировании диапазона скоростей носителя 1, с. 219 - 220, с. 245. Ширина спектральной плотности мощности (СПМ) А/ полезного эхосигнала существенно меньше полосы пропускания
А/УЯУ
Например, в случае диаметрально-траверзной ориентации акустических лучей доплеровского лага, ширина А/ в инженерном
приближении может быть записана для кормового и носового акустических лучей
2V . 2К
А/,.,(10)
сс
где V - проекция вектора скорости носителя на ось X горизонтальной, жёстко связанной с носителем системы координат, с - скорость звука в водной среде, /„ - частота излучаемых импульсов, Аа - ширина
характеристики направленности (ХН) антенны, а - угол направления ХН, например, 8, с. 37. Центральная частота полезного эхосигнала в
инженерном приближении в этом примере равна для носового акустического луча, например, 8, с. 29
Ширина полосы пропускания  равна
где V - максимальная скорость носителя. Соотношение полос в этом примере
Фильтрация принятого сигнала, согласованная по полосе с полезным эхосигналом, улучшает за счёт увеличения отношения сигнал/помеха дискриминационные и флюктуационные характеристики временного дискриминатора, т.е. отслеживание текущей глубины Нтек- и точность измерения отношения интенсивностей обратного донного рассеяния (полезный эхосигнал) /„ и объемного рассеяния (реверберационная
помеха)  за счет уменьшения уровня акустического шума.
Сигналы процессов обратного донного рассеяния и объемного рассеяния являются независимыми и их интенсивности складываются на интервалах времени т„, т.е. суммарная интенсивность равна (/ор + /одр) и
пропорциональна квадрату огибающей рассеянных сигналов на выходе полосового фильтра. В небольших промежутках времени после окончания т„ и до начала г„ объемное рассеяние /„ также пропорционально квадрату
+ -1-(11)
V с )
(12)
«20.(13)
(квадраты огибающих сигналов), т.к. необходимо только отношение lodp/ op
7, с. 458-462.
Заявленная система регулирования (фиг. 1) содержит последовательно соединённые временной дискриминатор 1, блок 2 интегрирования и коррекции, блок 3 управления и содержит также блок 4 полосовой фильтрации и блок 5 измерения отношения интенсивностей обратного донного рассеяния и объёмного рассеяния. Один вход блока 4 подключён к выходу усилителя УПЧ приёмного тракта доплеровского лага, а другой его вход соединён с выходом внешнего измерителя скорости
носителя V и выход блока соединён с входом временного дискриминатора 1 и входом блока 5 измерения отношения интенсивностей обратного донного рассеяния и объёмного рассеяния. Выход последнего соединён со вторым входом блока 3 управления, третий вход которого соединён с внешним источником начальной глубины Ннач- Выходы блока 3 управления соединены:
-первый и второй с первым и вторым управляющими входами временного дискриминатора 1;
-третий соединён с аппаратурой лага;
-четвёртый и пятый соединены с управляющими входами блока 5 измерения отношения интенсивностей обратного донного рассеяния и объёмного рассеяния и с аппаратурой лага.
Внешним измерителем скорости V может быть, например, канал скорости инерциальной навигационной системы, относительный лаг, приёмник спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОСНАСС.
Внешним источником начальной глубины Ннач может быть, например, ввод Ннач оператором лага, снимающего глубину по данным карты или навигационный комплекс носителя.
Выполнение временного дискриминатора 1, блока 2 интегрирования и коррекции, блока 3 управления известно, например, из описания прототипа и специальной литературы 9, с. 350-410. Например, для 10 м  Я  1000 м
величины интервалов времени г„, т, г„, т,,  и о/ могут быть в пределах
(0.005-4)с, что реализуемо таймерами микропроцессоров. Блок 4 производит полосовую фильтрацию, согласованную по полосе с полезным эхосигналом. Возможные значения ширины спектральной плотности мощности (СПМ) А/
полезного эхосигнала могут быть в пределах (5-100) Гц для среднечастотных и низкочастотных лагов. Например, для F  10 уз, при /„  75 кГц , с
1500 м/с , Да  3°, а  60° с помощью выражения (10) получается А/  23,17 Гц; в макете доплеровского лага PADS 10 вторичная частота /„  10 кГц, А/  7 Гц при F. 10уз и г„  2,5 с при Н s 3300 м. Блок 5 производит измерение отношения интенсивностей lodp/ op о известной процедуре,
например, в 7, с. 458-462, с. 494-499 описана процедура измерения абсолютных значений коэффициентов рассеяния т и т, а в 10 описано
измерение т с помощью макета доплеровского лага PADS. Выполнение
блоков 4 и 5 известно из общей литературы по цифровой обработке сигналов.
Предлагаемая система работает следующим образом.
необходимый фильтр согласно выражениям (10-11) с учетом значения центральной частоты УПЧ и производит фильтрацию и выделение квадрата огибающей на интервалах времени т и г„ (фиг. 2). Выходной сигнал блока
4 поступает на входы временного дискриминатора 1 и блока 5 измерения отношения интенсивностей /оф//ор. Блок 5 производит до начала времени
г„ ив небольших промежутках времени после окончания т„ измерения интенсивности объемного рассеяния 7, а на интервалах времени т„ измерение суммарных интенсивностей объемного 1 и обратного донного рассеяния . К началу следующего цикла излучение/прием блок 5
передает в блок 3 управления отношение интенсивностей за предыдущий цикл излучение/прием. Временной дискриминатор 1 вырабатывает выходной сигнал рассогласования по временному положению селекторных сигналов  и т (Фиг. 2). Сигнал рассогласования поступает на блок 2
интегрирования и коррекции, который осуществляет необходимые в подобных следящих системах названные процедуры.
Блок 3 управления начинает работу с выдачи сигналов г,,  - и  Тр по значению начальной глубины Ннач согласно выражениям (6) и (7) с
учетом (5), при использовании в (6) и (7) знаков равенства. По истечению определенного числа циклов излучение/прием, например, согласно рекомендациям из 7, с. 462 число циклов равно 6-10, сравнивается текущее осредненное значение отношения интенсивностей   заданным при
проектировании доплеровского лага. В зависимости от результата сравнения изменяется значение скважности Q в сторону увеличения или уменьшения.
Источники информации:
1.Бородин В.И. и др. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, Судостроение, 1983.
2. Богородский А.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984.
3.Сборник Судостроительная промышленность, серия Общетехническая, вып. 34, 1991, с. 65-72.
4.Записки по гидрографии, вып. 231, 1994, с. 37-42.
б.Технические средства судовождения. Под ред. Смирнова Е.Л., Спб, Элмор, 2000.
б.Морская навигационная техника. Справочник. Под ред. Смирнова Е.Л., Спб, Элмор, 2002.
7.Акустика океана. Под ред. Бреховских Л.М., Москва, Наука, 1974.
8.Виноградов К.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Ленинград, Судостроение, 1990.
9.Кривицкий Б.Х. Автоматические системы радиотехнических устройств. Госэнергоиздат. 1962.
10.IEEE Journal of Oceanic Engineering, April 1977,vol.2, N2, pp. 190-200