ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ЛАГ
HYDROACOUSTIC DOPPLER LOG

Изобретение относится к области гидроакустической техники, а именно к гидроакустическим измерителям скорости движения судов (абсолютным допплеровским лагам).
В настоящее время для измерения скорости движения судов относительно дна, т.е. абсолютной скорости, применяются гидроакустические лаги, основанные на использовании эффекта Допплера. В этих устройствах ультразвуковая энергия излучается с судна под заданным углом по направлению ко дну акватории, отражается от него и часть отраженной энергии возвращается к установленной на судне приемной антенне. При перемещении судна относительно дна частота принимаемого сигнала вследствие эффекта Допплера отличается от частоты излучаемого сигнала. Этот допплеровский сдвиг частоты является мерой скорости движения судна.
g
В настоящее время для измерения скорости судна используются лаги с непрерывным излучением ультразвуковой энергии (например, лаг JN-400, см. Electronic News, 1963, v.8, №404, p.14 или французский патент №1.507.157, класс G01S, выданный 20 ноября 1967 года), отличащиеся простотой конструкции, эффективной системой обработки сигнала с минимальной аппаратурной погрешностью и повышенной точностью измерения скорости движения в условиях маневрирования, качки и при плавании на малых глубинах под килем. Эти устройства состоят из задающего генератора, усилителя мощности, акустических излучащей и приемной антенн, приемно-усилительного устройства и устройства индикации. Сигнал постоянной частоты задающего генератора подается на усилитель мощности. Остроналравленная акустическая антенна излучает эту мощность в виде ультразвуковых волн. Приемная антенна преобразует отраженную от дна ультразвуковую волну в электрический сигнал, сдвинутый по частоте относительно излучаемого сигнала на величину f
g
где f - допплеровский сдвиг частоты;
V - горизонтальная составляющая скорости движения судна в направлении излучения;
С - скорость распространения ультразвуковой волны;
о
f - частота излучения;
α - угол между направлением излучения и вертикалью.
Принятый сигнал усиливается и обрабатывается в приемно-усилительном устройстве и подается на устройство индикации.
В реальных конструкциях лагов прием полезного эхо-сигнала всегда происходит на фоне помех, вызванных различными причинами. В том числе это и сигналы прямого прохождения акустической и электрической энергии из излучающего тракта в приемный, источниками которых являются электрическая наводка на входные цепи приемных усилителей и излучение передающей антенной некоторой части энергии в сторону приемной антенны по дополнительным лепесткам диаграммы направленности. Наличие помех влияет на точность лага. Это сказывается в том, что измеренная частота отличается от частоты допплеровского сдвига. Полезный сигнал и сигнал помехи являются случайными статистически независимыми сигналами с амплитудами, распределенными по Релеевскому закону. Можно показать, [см. например, Бунимович В.И. "Флюктуационные процессы в радиоприемных устройствах" М., "Сов. радио", 1951], что ошибка Δω в измерении частоты в этом случае равна
с
где ω - угловая частота сигнала;
изм
ω - измеренное значение угловой частоты;
п
ω - угловая частота помехи;
p - вероятность того, что амплитуда помехи превышает амплитуду сигнала.
Вероятность p равна
п
2
где σ  - дисперсия помехи;
с
2
σ  - дисперсия сигнала.
Как видно из (3), увеличение амплитуды помехи приводит к увеличению вероятности p и, как следует из (2), - к увеличению ошибки в измерении скорости. Составляющие помех прямого прохождения для лагов с непрерывным излучением оказываются весьма существенными и в ряде случаев полностью определяют их помехоустойчивость.
Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости лагов с непрерывным излучением за счет подавления помехи прямого прохождения, это увеличивает точность измерения скорости судна или при заданной точности - рабочую глубину лага.
Поставленная цель достигается введением в излучающий тракт гетеродина и смесителя, а в приемный тракт - смесителя и режекторного фильтра.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена блок-схема предлагаемого лага. Лаг состоит из передающего и приемного каналов. Передающий канал содержит задающий генератор (1) и гетеродин (2), соединенные со смесителем (3). Выход смесителя (3) через усилитель мощности (4) соединен с излучающей акустической антенной (5). Приемный канал включает в себя приемную акустическую антенну (6), соединенную с входным усилителем (7), выход которого подключен к смесителю (8). Второй вход этого смесителя соединен с задающим генератором (1). Выход смесителя (8) через режекторный фильтр (9) подключен к приемно-усилительному устройству (10), связанному с устройством индикации (11).
з.г.
гет.
o
Сигналы задающего генератора (1) и гетеродина (2) с частотами соответственно f и f смешиваются в смесителе (3), частота сигнала на выходе которого (f) равна
o
o
g
g
o
гет.
g
гет.
гет.
Сигнал частоты f после усиления в усилителе мощности (4) излучается в виде ультразвуковой волны акустической антенной (5). Приемная антенна (6) преобразует отраженный от дна эхо-сигнал в электрические колебания, которые усиливаются входным усилителем (7) и подаются на один вход смесителя (8). Частота этих колебаний равна f+f, где f определяется выражением (1). Кроме полезного сигнала на этом входе смесителя присутствует помеха прямого прохождения с частотой f. На второй вход смесителя (8) поступают, как было указано выше, колебания задающего генератора (1). На выходе смесителя (8) присутствует полезный сигнал частоты f+f и сигнал помехи прямого прохождения о частотой f Режекторный фильтр (9), настроенный на частоту гетеродина f, подавляет помеху прямого прохождения. Таким образом улучшается соотношение сигнал/шум на входе приемно-усилительного устройства, уменьшается вероятность p превышения амплитуды помехи амплитуды сигнала и в соответствии с (3) увеличивается точность измерения скорости.
При заданной точности, т.е. при определенном соотношении сигнал/шум на входе приемно-усилительного устройства, подавление помехи прямого прохождения позволяет увеличить рабочую глубину лага, что демонстрируется фиг.2, на которой кривая 1 - зависимость уровня сигнала от глубины Н под килем, 2 - минимальный уровень входного сигнала, обеспечивающий заданную точность без подавления помехи прямого прохождения, 3 - минимальный уровень входного сигнала при подавлении помехи прямого прохождения.
Рабочая глубина определяется пересечением: в первом случае пересечением кривых 1 и 2 и во втором случае - кривых 1 и 3.
-4
Определим требования, предъявляемые к стабильности частоты колебаний гетеродина и частоты настройки режекторного фильтра. Очевидно, что полоса подавления режекторного фильтра определяет область нечувствительности лага по малым скоростям. Для измерения скоростей до 0,05 узла ширина полосы подавления фильтра должна составлять единицы герц, в то время как частота гетеродина составляет десятки килогерц, т.е. относительная полоса фильтра должна быть порядка 10. Для исключения ухода частоты гетеродина из полосы подавления фильтра стабильность частоты колебаний гетеродина и режекторного фильтра должны быть в несколько раз выше. Без применения смешения частот в излучающем канале и установке режекторного фильтра непосредственно на частоту излучения требования к относительной полосе и частотным стабильностям увеличиваются пропорционально отношению излучаемой частоты к частоте гетеродина, т.е. в 10-20 раз.
Следует заметить, что в предлагаемом устройстве возможно перестраивать частоту излучения. Для этого необходимо изменить частоту задающего генератора и согласовать с этим изменением параметры приемного и передающего трактов. При этом не требуется перестройка режекторного фильтра.