КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ

Полезная модель относится к гидроакустике, а точнее к навигационным устройствам, конкретно к лагам, и может быть универсально использована для повышения точности измерения скорости движения надводных кораблей, подводных лодок и других судов водного транспорта на малых и больших глубинах.
С начала 70-х годов в области производства морской навигационной техники развитых стран мира (США, Швеции, Японии) отмечается повышенный интерес к корреляционным гидроакустическим лагам (КГАЛ). Повышенный интерес к КГАЛ вызван его преимуществами по сравнению с традиционными доплеровскими гидроакустическими лагами (ДГАЛ), такими как, высокая точность измерения скорости корабля, независимость работы КГАЛ от изменения скорости звука в воде, меньшее влияние качки корабля из-за лучшего акустического контакта с грунтом, за счет большей ширины антенны, а также не требуется температурная стабилизация задающих генераторов тракта излучения, меньше волновой размер антенны, сравнительно малая мертвая зона позволяет расширять диапазон рабочих глубин под килем, меньшее энергопотребление и излучаемая мощность. Дополнительным преимуществом является возможность одновременного измерения скорости корабля и глубины под килем без формирования антенной дополнительного (вертикального) луча. Меньшие габариты антенной системы позволяют устанавливать ее в клинкетах и заменять приемное устройство лага без постановки корабля в док.
Корреляционные гидроакустические лаги характеризуются:
1. По виду и объему исходной информации КГАЛ относятся к корреляционным навигационным системам (КЭНС-I) (первого класса "без памяти"), в которых информация о навигационном поле снимается в одной текущей "точке", т.е. выходной сигнал датчика поля представляет собой скалярную величину.
2. По методу определения абсолютной скорости корабля КГАЛ относятся к лагам, основанным на измерении физических величин, известных функциональных зависимостей, связанных со скоростью корабля.
3. По характеру используемого геофизического поля земли, используют стационарные поля естественного происхождения.
7
Известен корреляционный измеритель скорости, наиболее близкий по технической сущности заявленной полезной модели и выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит приемо-передающий тракт, включающий генератор, к которому подключен излучатель антенный, а также первую и вторую приемные антенны, причем выход каждой из приемных антенн соединен через соответствующие им усилители с входами первого и второго детекторов соответственно. В работе известного устройства заложено сохранение информации об амплитуде огибающего сигнала в широтно-импульсной модуляции и о переносе спектра сигнала в высокочастотную область за счет широтно-импульсного преобразования сигнала, сужения спектра сигнала на входе интегратора и повышения быстродействия измерения. (Патент 47530 Российская федерация, МПК G01P 3/80. Корреляционный измеритель скорости / Панченко А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение «Морской государственный университет имени адмирала Г.И.Невельского» (RU) - №2005107016; заявл. 10.03.2005; опубл. 27.08.2005).
Однако известное устройство, выбранное в качестве прототипа, не обладает высокой точностью определения параметров огибающего сигнала, налагает высокие требования к ориентации приемников и в то же время не удовлетворяет требованиям точности определения скорости корабля в различных условиях волнения моря, малой скорости и на больших глубинах. Причина этому - низкая точность измерения в широком диапазоне скоростей движения корабля, обусловленная неизменным временем осреднения в интеграторе при изменении в широких пределах спектрального состава огибающих принятых сигналов. Применение широтно-импульсного модуляции (ШИМ) при низкочастотных сигналах не эффективно и не целесообразно, так как известное устройство выдает большие погрешности на больших глубинах. Известный корреляционный измеритель скорости выполняет условие точности и быстродействия измерения скорости только при измерении высокочастотных сигналов и на малых глубинах.
Недостатки, присущие прототипу, устранены предлагаемой полезной моделью: «Корреляционный гидроакустический лаг», технической задачей которой является усовершенствование известных технических устройств корреляционных измерителей скорости и разработка нового конструктивного решения, обладающего повышенной точностью определения скорости движения надводных кораблей, подводных лодок и других судов водного транспорта на малых и больших глубинах в условиях разной степени волнения моря.
Реализация указанной технической задачи предлагаемой полезной моделью позволяет достигнуть следующий технический результат:
- низкочастотный корреляционный блок для расчетов взаиммо-корреляционной функции (ВКФ) и низкочастотный корреляционный блок для вычисления значений автокорреляционной функции (АКФ), с их конструктивными дополнениями, дали сумарный технический эффект, заключающийся в улучшении конструкционно технологических показателей полезной модели, что привело к увеличению точности определения скорости корабля в различных условий волнения моря;
- вычислительный блок использован с возможностью расчета скорости движения корабля по формуле: , что увеличило надежность и быстродействие обработки расчетов при определении скорости корабля;
- блок адаптации использован с возможностью выбора значения дополнительной вносимой регулируемой временной задержки таким, чтобы величина коэфициента взаимной корреляции находилась в пределах 0.3-0.8 от максимального значения взаимо-корреляционной функции.
Для достижения указанного технического результата предложен «Корреляционный гидроакустический лаг», содержащий приемо-передающий тракт, включающий генератор, к которому подключен излучатель антенный, а также первую и вторую приемные антенны. Выход каждой из приемных антенн соединен через соответствующие им усилители с входами первого и второго детекторов соответственно.
1
2
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что оно дополнительно содержит низкочастотный корреляционный блок для расчетов взаиммо-корреляционной функции, низкочастотный корреляционный блок для вычисления значений автокорреляционной функции, блок адаптации и вычислительный блок, использованный, с возможностью расчета скорости движения корабля по формуле: . При этом выход первого детектора соединен с первым входом первого блока регулируемой временной задержки, с возможностью задержки в нем временной задержки τ на заданную величину. Первый выход первого блока регулируемой временной задержки соединен с первым входом множительного устройства низкочастотного корреляционного блока ВКФ, в котором множительное устройство соединено через первый интегратор с экстремальным регулятором. Выход экстремального регулятора соединен с входом блока адаптации, с возможностью выбора в нем значений временной регулируемой задержки, имеющих величину коэффициента взаимной корреляции в пределах 0,3-0,8 от его максимума, а так же параллельно с первым входом вычислительного блока. Второй вход вычислительного блока соединен со вторым выходом первого блока регулируемой временной задержки, а его второй вход, в свою очередь, соединен с блоком адаптации. Кроме того, первый выход второго детектора соединен со вторым входом множительного устройства низкочастотного корреляционного блока ВКФ. Второй выход второго детектора соединен с первым входом второго блока регулируемой временной задержки, с возможностью задержки в нем временной задержки τ на заданную величину. Кроме того, третий выход второго детектора соединен с первым входом множительного устройства низкочастотного корреляционного блока АКФ, в котором выход соответствующего множительного устройства соединен со вторым интегратором, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного блока. Первый выход второго блока регулируемой временной задержки соединен со вторым входом множительного устройства низкочастотного корреляционного блока АКФ, а второй выход второго блока регулируемой временной задержки соединен с третьим входом вычислительного блока, выход которого соединен со вторым входом второго блока регулируемой временной задержки.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для эффективного определения скорости движения корабля относительно дна, определения коэффициента взаимной корреляции огибающих отраженных сигналов, принятых первым и вторым приемными антеннами, которые разнесены вдоль корпуса корабля, и определения скорости корабля, путем деления половины растояния между приемниками на корреляционную временную задержку, которая определяется по коэфициенту автокорреляции огибающей сигнала от первого приемника, а также суммирования значения этой задержки со значением корреляционной временной задержки. Только после этого производится определение скорости корабля, путем деления половины расстояния между приемниками на сумму величин введенной регулируемой задержки и корреляционной временной задержки. Кроме того, введена операция выбора значения коэфициента взаимной корреляции в диапазоне 0.3-0.8 от максимума. Выбор диапазонов коэффициентов корреляции 0.3-0.8 объясняется тем, что на этом участке крутизна рабочих характеристик наибольшая.
Дополнительным отличием является то, что первая и вторая приемные антенны идентичны и расположены в днище корабля на расстоянии друг от друга, обусловленном проектом корабля.
Другим дополнительным отличием от прототипа является то, что в качестве соответствующих антенных усилителей использованы два полосовых усилителя соответственно.
1
2
В результате такого взаимного расположения этих дополнительных конструктивных элементов в устройстве реализована возможность получения по максимуму значения принятого сигнала τ, τ и определения скорости корабля.
Именно наличие в заявленной полезной модели отличительных и дополнительных от прототипа признаков позволяет определить скорость корабля с повышенной точностью. Кроме того, достигается повышение функциональной устойчивости работы полезной модели. Это стало возможным за счет повышения точности измерения корреляционной временной задержки, путем смещения расчетов в область с большей крутизной и большим значением коэффициентов корреляции, что достигается введением операции суммирования корреляционной временной задержки и значения регулируемой временной задержки расчетом скорости движения корабля.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен «Корреляционным гидроакустический лаг».
Функциональная схема устройства включает:
А. Приемо-передающий тракт КГАЛ.
1. Генератор
2. Излучатель антенный (ИА)
3. Первая приемная антенна (1ПА)
4. Вторая приемная антенна (2ПА)
5. Первый полосовой усилитель (1ПУ)
6. Второй полосовой усилитель (2ПУ)
7. Первый детектор (1Д)
8. Второй детектор (2Д)
9. Первый блок регулируемой временной задержки (1БРЗ)
10. Низкочастотный корреляционный блок ВКФ
10.1 Множительное устройство (МУ)
10.2 Первый интегратор
10.3 Экстремальный регулятор (ЭР)
11. Вычислительный блок
12. Корреляционный блок АКФ (низкочастотный)
12.1 Множительное устройство (МУ акф)
12.2 Второй интегратор
13. Второй блок регулируемой временной задержки (2БРЗ)
14. Блок адаптации
15. Грунт.
В функциональной схеме приемо-передающий тракт корреляционного гидроакустического лага (КГАЛ) А. (фиг.1) предназначен для излучения акустических сигналов вертикально вниз ко дну 15 и приема отраженных от дна акустических сигналов. Первая (1ПА) 3 и вторая (2ПА) 4 приемные антенны идентичны и расположены в днище корабля, на расстоянии, обусловленном проектом корабля.
1
Первая приемная антенна (1ПА) 3 предназначена для передачи принятого отраженного от дна 15 акустического сигнала, который через первый полосовой усилитель (1ПУ) 5 и далее через первый детектор (1Д) 7 поступает на первый вход первого блока регулируемой временной задержки (1БРЗ) 9, с возможностью задержки в нем на заданную величину временной задержки τ.
Вторая приемная антенна (2ПА) 4 предназначена для передачи принятого отраженного от дна 15 акустического сигнала, который через второй полосовой усилитель (2ПУ) 6 поступает далее на второй детектор (2Д) 8.
Первый выход второго детектора (2Д) 8 соединен со вторым входом множительного устройства (МУ) 10.1 низкочастотного корреляционного блока ВКФ 10.
Последовательно соединенные между собой множительное устройство 10.1, первый интегратор 10.2 и экстремальный регулятор 10.3 в комплексе образуют низкочастотный корреляционный блок ВКФ 10. Первый выход экстремального регулятора (ЭР) 10.3 соединен с первым входом вычислительного блока 11.
Второй выход экстремального регулятора (ЭР) 10.3 низкочастотного корреляционного блока ВКФ 10 соединен с блоком адаптации 14, с возможностью сравнивания измеренных значений ВКФ с назначенными границами диапазона.
1
Выход блока адаптации 14 соединен со вторым входом первого блока регулируемой временной задержки (1БРЗ) 9, для получения результирующего значения временной задержки τ, которое со второго выхода первого блока регулируемой временной задержки (1БРЗ) 9 поступает на второй вход вычислительного блока 11.
2
Второй выход второго детектора (2Д) 8 соединен с первым входом второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13, с возможностью задержки в нем на заданную величину временной задержки τ, а третий выход второго детектора (2Д) 8 соединен с первым входом множительного устройства (МУ) 12.1 низкочастотного корреляционного блока АКФ 12, образованного последовательно соединенными множительным устройством МУ 12.1 и вторым интегратором 12.2.
Первый выход второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13 соединен со вторым входом множительного устройства (МУ) 12.1 низкочастотного корреляционного блока АКФ 12. Второй выход второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13 соединен с третьим входом вычислительного блока 11. Выход второго интегратора 12.2 низкочастотного корреляционного блока АКФ 12 соединен с четвертым входом вычислительного блока 11, выход которого соединен со вторым входом второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13.
Устройство работает следующим образом
Электрический гармонический сигнал, созданный в генераторе 1, с его выхода по электрической связи поступает на вход излучателя антенного (ИА) 2, в котором происходит преобразование электрического гармонического сигнала в акустический сигнал и дальнейшее его излучение вертикально вниз ко дну 15.
Отраженные от грунта 15 акустические сигналы принимаются разнесенными в диаметральной плоскости идентичными первой приемной антенной (1ПА) 3 и второй приемной антенной (2ПА) 4. Обе приемные антенны разнесены вдоль корпуса корабля на расстояние X. В обеих приемных антеннах (1ПА) 3 и (2ПА) 4 принятые отраженные от грунта акустические сигналы преобразуются в идентичные, но смещенные по времени электрические сигналы, которые поступают соответственно с выхода первой приемной антенны (1ПА) 3 на вход первого полосового усилителя (1ПУ) бис выхода второй приемной антенны (2ПА) 4 на вход второго полосового усилителя (2ПУ) 6. Смещенные по времени электрические сигналы усиливаются соответствующими полосовыми усилителями 5 и 6, а затем детектируются соответствующими детекторами 7 и 8.
1.
Выделенная огибающая продетектированного сигнала с выхода первого детектора 7 поступает на первый вход первого блока регулируемой временной задержки (1БРЗ) 9 и задерживается в нем на величину τ
1
2
С первого выхода первого блока регулируемой временной задержки (1БРЗ) 9 огибающий сигнал τ поступает на первый вход множительного устройства 10.1, входящего в состав низкочастотного корреляционного блока ВКФ 10. На второй вход этого же множительного устройства 10.1 поступает огибающая сигнала τ с выхода второго детектора (2Д) 8.
1
1
С выхода интегратора полученная разностная функция в виде сигнала подается на схему экстремального регулятора (ЭР). Экстремальный регулятор воздействует на блок регулируемой задержки, заставляя последний вводить такую задержку τ, чтобы на вычислительном приборе поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. Таким образом, данная корреляционная экстремальная система автоматического регулирования непрерывно поддерживает задержку τ в блоке регулированной временной задержки.
Низкочастотный корреляционный блок ВКФ 10 рассчитывает коэффициент взаимо-кореляционную функцию (ВКФ) и выдает его значение на первый вход вычислительного блока 11, а также на вход блока адаптации 14.
В блоке адаптации 14 измеренное значение коэффициента ВКФ сравнивается с границами диапазона 0,3-0,8 и вырабатывается управляющий сигнал, который поступает на второй вход блока регулируемой временной задержки (БРЗ) 9, на его изменение, с целью получения на выходе низкочастотного корреляционного блока 10 значения коэффициента ВКФ в пределах 0,3-0,8.
1
1
Одновременно с выбором значения τ, обеспечивающего получение коэффициента ВКФ в пределах 0,3-0,8, полученное значение временной задержки огибающего сигнала τсо второго выхода блока регулируемой временной задержки (БРЗ) 9 поступает на второй вход вычислительного блока 11.
2
2
2
С третьего выхода второго детектора (2Д) 8 огибающая сигнала τпоступает на первый вход множительного устройства 12.1 низкочастотного корреляционного блока АКФ 12, и на первый вход второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13. С первого выхода второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13 огибающая сигнала временной задержки τ поступает на второй вход множительного устройства 12.1 низкочастотного корреляционного блока АКФ 12. Причем со второго выхода второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13 значение корреляционной временной задержки τ поступает на третий вход вычислительного блока 11.
Вычислительное значение коэффициента АКФ (при данном значении корреляционной временной задержки, определяемом вторым блокам регулируемой временно задержки (2БРЗ) 13 с выхода второго интегратора 12.2, низкочастотного корреляционного блока 12, поступает на четвертый вход вычислительного блока 11.
2
Вычислительный блок 11 сравнивает значения коэффициентов АКФ и ВКФ и, управляя вторым блоком регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13 по электрической цепи, образованной соединением выхода вычислительного блока 11 со втором вход второго блока регулируемой временной задержки (2БРЗ) 13, выбирает такое значение корреляционной временной задержки τ при котором коэффициенты АКФ и ВКФ станут по величине равны.
1
2
Вычислительный блок 11, зафиксировав равенство коэффициентов АКФ и ВКФ, вычисляет скорость корабля путем деления половины расстояния между приемными антеннами (1ПА) 3 и (2ПА) 4 на сумму величин регулируемой временной задержки τ и автокорреляционной временной задержки τ по формуле:
При дальнейшем усовершенствовании полезной модели вычислительный блок 11, предлагаемого КГАЛ, отличается расширенными функциональными связями и может быть реализован на базе программного микроконтроллера, а блок адаптации 14 также может быть реализован на базе программного микроконтроллера.
Таким образом, заявленная полезная модель «Корреляционный гидроакустический лаг» является универсальным устройством для повышения точности измерения скорости движения надводных кораблей, подводных лодок и других судов водного транспорта на малых и больших глубинах в различных условиях волнения моря.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия промышленности, такие как приемники акустических сигналов, полосовые усилители, детекторы, блоки регулируемой задержки множительные устройства, интеграторы и другие электронно-измерительные приборы.