УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМКИ РЕЛЬЕФА ДНА АКВАТОРИИ

Настоящая полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в гидрографических исследованиях.
Повышение скорости хода судна при съемке рельефа дна акватории, позволяющее снизить стоимость промера, является актуальной задачей.
Известно устройство для съемки рельефа дна акватории (Патент РФ №2340916 C1, МПК G01S 15/06, 2007), содержащее приемоизлучающую антенну, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок управления, блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна, а также блок определения средней скорости распространения звука в воде в направлении излучения гидроакустического сигнала.
Недостатком данного устройства является использование для съемки рельефа дна акватории однолучевого эхолота с гидроакустической приемоизлучающей антенной, имеющей узкую характеристику направленности. В результате за один цикл зондирования получается только одно значение глубины, что ограничивает производительность съемки рельефа и увеличивает ее стоимость.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является многолучевой эхолот SeaBat 8101 фирмы «Reson» (адрес сайта в интернете http://www.reson.com./).
Указанный многолучевой эхолот содержит излучающую и приемную гидроакустические антенны, которые размещаются в днище судна, причем излучающая антенна расположена в диаметральной плоскости, а приемная - в траверзной плоскости на заданном горизонтальном расстоянии, передающий блок, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок управления, блок хранения, блок вычисления поправок, индикатор, при этом выход блока управления соединен с входами передающего и приемного блоков, блока цифровой обработки сигналов, индикатором и блоком хранения, выход передающего блока соединен с входом излучающей антенны, выход приемной антенны соединен с входом приемного блока, выход которого соединен с входом блока цифровой обработки сигналов, причем выход последнего соединен с входами блока хранения и индикатора, а выход блока вычисления поправок соединен с входом блока цифровой обработки сигналов.
Устройство-прототип обладает существенным недостатком, заключающимся в относительно небольшой скорости выполнения съемки рельефа дна, особенно при малой глубине дна, что существенно увеличивает себестоимость ее выполнения.
Максимальная скорость движения судна при съемке рельефа дна определяется по формуле (Фирсов Ю.Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров. - СПб.: Нестор-История, 2010. - с. 185):
z
Где d - глубина дна, F - частота зондирований, определяемая
установленной шкалой дальности, Δα - ширина характеристики направленности в диаметральной плоскости при излучении.
Учитывая необходимость перекрытия полос обзора на соседних циклах зондирования при выполнении беспропускной съемки, устанавливают скорость движения судна меньше максимальной, определенной из (1). Кроме того, анализируя (1) видно, что при малых глубинах дна максимальная скорость движения судна небольшая. Например, для устройства-прототипа при установленной шкале дальности 10 м - частота зондирований составляет 40 Гц, а максимальная скорость съемки при глубине дна 8 м и Δα=1.5° равна согласно (1) 4.19 м/с, что соответствует 8.38 узлов.
Задачей полезной модели является разработка устройства для съемки рельефа дна акватории повышенной эффективности, позволяющего снизить себестоимость съемки.
Технический результат заключается в повышении скорости съемки рельефа дна акватории.
Для достижения указанного технического результата в известное устройство для съемки рельефа дна, содержащее Т-образно расположенные первую излучающую и первую приемную антенны, образующие пару и размещенные в днище судна, причем излучающая антенна расположена в диаметральной плоскости, а приемная - в траверзной плоскости, также содержащее передающий блок, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок управления, блок хранения, блок вычисления поправок, индикатор, при этом выход блока управления соединен с входами передающего и приемного блоков, блока цифровой обработки сигналов, индикатором и блоком хранения, первый выход передающего блока соединен с входом первой излучающей антенны, выход первой приемной антенны соединен с входом первого приемного блока, выход которого соединен с входом блока цифровой обработки сигналов, а выход последнего соединен с входами блока хранения и индикатора, при этом выход блока вычисления поправок соединен с входом блока цифровой обработки сигналов, введены следующие новые признаки:
- дополнительно введены вторая и третья излучающие антенны, расположенные в днище судна в диаметральной плоскости.
- дополнительно введены вторая и третья приемные антенны, расположенные в днище судна в траверзной плоскости.
- вторая излучающая и вторая приемная антенны, третья излучающая и третья приемная антенны образуют пары, в каждой из которых излучающая и приемная антенны расположены Т-образно.
- три пары приемных и излучающих антенн расположены в один ряд на заданном горизонтальном расстоянии друг от друга, так, что оси продольной симметрии излучающих антенн лежат на линии пересечения днища судна его диаметральной плоскостью.
- передающий блок и приемный блок выполнены трехканальными, причем второй и третий выходы передающего блока соединен с входами второй и третьей излучающей антенны, а выходы второй и третьей приемных антенн соединены со вторым и третьим входами приемного блока.
Поясним достижение технического результата.
С помощью предложенного устройства за один цикл зондирования получают сразу три профиля рельефа дна, указанные профили получены от перекрывающихся участков дна, что гарантирует отсутствие пропусков при съемке.
Ширина полосы обзора в диаметральной плоскости, образованной одной парой Т-образно соединенных излучающей и приемной антенн МЛЭ определяется по формуле:
где α - угол наклона оси ХН в диаметральной плоскости при излучении, D - глубина, Δα - ширина ХН в диаметральной плоскости при излучении.
В предлагаемом способе съемки рельефа дна за один цикл зондирования формируются сразу 3 полосы обзора. Размер участка дна, образованного тремя полосами обзора, в диаметральной плоскости с учетом их перекрытия вычисляется по формуле:
Таким образом, за один цикл зондирования получают сразу три профиля рельефа дна, указанные профили получены от перекрывающихся участков дна, что гарантирует отсутствие пропусков при съемке.
Ширина полосы обзора в диаметральной плоскости, образованной одной парой Т-образно соединенных излучающей и приемной антенн МЛЭ определяется по формуле:
где α - угол наклона оси ХН в диаметральной плоскости при излучении, D - глубина, Δα - ширина ХН в диаметральной плоскости при излучении.
Размер участка дна, образованного тремя полосами обзора, в диаметральной плоскости с учетом их перекрытия вычисляется по формуле:
p
i
где K - коэффициент перекрытия, значения L определяются по формуле:
1
2
3
p
Углы наклона осей ХН в диаметральной плоскости при излучении равны α=-0.8Δα, α=0, α=0.8Δα, что обеспечивает перекрытие соседних полос обзора на 20%, при этом K=0.8.
Максимальную скорость съемки рельефа дна для традиционного МЛЭ, формирующего одну полосу обзора за один цикл зондирования определяют по формуле:
0
Где Т - период зондирования, L - ширина полосы обзора при нулевом угле наклона оси ХН в диаметральной плоскости.
0
Значение L с учетом условия Δα<<1, рассчитывается по формуле:
Максимальная скорость съемки рельефа дна для предлагаемого МЛЭ, формирующего три полосы обзора за один цикл зондирования рассчитывается по формуле:
V
Оценим увеличение скорости съемки в предлагаемом способе съемки рельефа дна с помощью соответствующего коэффициента K:
i
При Δα<<1 и α<<1, ширина полосы обзора в диаметральной плоскости вычисляется по следующей формуле:
1
3
2
0
Учитывая, что L=L, L=L, , получаем
4
Для традиционных МЛЭ Δα лежит в пределах 1° до 3°, поэтому членом 0.64Δα можно пренебречь в силу его малости.
Окончательно коэффициент увеличения скорости съемки определяется по формуле:
V
p
K=1+2K=1+2·0.8=2.6.
Таким образом, скорость съемки в предлагаемом способе повышается в 2.6 раза по сравнению со скоростью съемки с помощью традиционного МЛЭ. Например, при скорости съемки традиционного МЛЭ в 8 узлов, скорость съемки в предлагаемом способе составит 20.8 узла.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема устройства съемки рельефа дна.
На фиг. 2 показано расположение трех пар излучающих и приемных антенн.
На фиг. 3 показано взаимное расположение частотных диапазонов, в каждом из которых работает заданная пара излучающей и приемной антенн.
На фиг. 4 представлен трехканальный приемный блок, на фиг. 5 - трехканальный передающий блок, на фиг. 6 - блок цифровой обработки сигналов.
Устройство (фиг. 1) состоит из трех пар Т-образно расположенных приемных антенн 1, 3, 5 и излучающих антенн 2, 4, 6, трехканального приемного блока 7, трехканального передающего блока 8, блока 9 цифровой обработки сигналов, блока 10 управления, блока 11 вычисления поправок, блока 12 хранения, индикатора 13.
Входы излучающих антенн 2, 4, 6 соединены с выходами трехканального передающего блока 8, выходы приемных антенн 1, 3, 5 соединены с входами трехканального приемного блока 7, выход которого соединен с входом блока 9 цифровой обработки эхосигналов, выход блока 9 соединен с входами блока 12 хранения и индикатора 13, выход блока 11 соединен с входом блока 9. Выход блока 10 соединен с входами трехканального передающего блока 8 и трехканального приемного блока 7, блока 9, блока 11, блока 12, индикатора 13. Расположение трех пар антенн показано на фиг. 2.
Т-образное расположение приемной и излучающей антенн необходимо для формирования полосы обзора многолучевого эхолота, образуемой в результате пространственного перекрытия характеристик направленности излучающей и приемной антенн.
Использование более трех пар антенн для одновременного формирования большего числа полос обзора с целью повышения скорости съемки рельефа дна нецелесообразно, поскольку максимальная скорость хода судов, используемых для съемки рельефа дна, как правило, не превышает 20 узлов, кроме того, при дальнейшем повышении скорости значительно увеличиваются гидроакустические помехи, создаваемые движителями судна, что затрудняет съемку.
Для обеспечения гидроакустической совместимости излучение и прием каждой парой антенн, состоящей из излучающей и приемной антенны, производят в частотных диапазонах не перекрывающихся между собой (фиг. 3).
Трехканальный приемный блок 7 (фиг. 4) состоит из трехканального полосового фильтра 14, трехканального усилителя 15, трехканального аналогово-цифрового преобразователя 16, устройства 17 контроля.
Трехканальный передающий блок 8 (фиг. 5) состоит из трехканального генератора 18, трехканального усилителя 19 мощности, трехканального устройства 20 согласования генератора с антеннами, преобразователя 21 напряжения питания, устройства 22 контроля.
Блок 9 цифровой обработки сигналов (фиг. 6) состоит из интерфейсного блока 23, трехканального согласованного фильтра 24, трехканального цифрового формирователя 25 веера приемных характеристик направленности, трехканального блока 26 расчета наклонных дальностей, трехканального блока 27 пересчета наклонных дальностей в истинные глубины с учетом поправок, интерфейсного блока 28 упаковки полученных данных для отображения и хранения.
Блок 10 управления состоит из процессорного устройства, оперативного запоминающего устройства и кварцевого генератора.
Блок 11 вычисления поправок состоит из микроконтроллера и программируемой логической интегральной схемы.
Блок хранения 12 представляет собой постоянное запоминающее устройство емкостью не менее 8 Гб.
Индикатор 13 представляет собой жидкокристаллический дисплей с диагональю 12 дюймов.
Устройство работает следующим образом. По командным импульсам, вырабатываемым блоком 10 управления, в трехканальном передающем блоке 8 (фиг. 5) осуществляется формирование трех электрических импульсов с разными несущими частотами, которые преобразуются в акустические импульсы тремя излучающими антеннами 2, 4, 6 и излучаются в сторону дна. Прием и преобразование в электрические сигналы осуществляется тремя приемными антеннами 1, 3, 5, причем каждая из приемных антенн принимает акустические сигналы (фиг. 3) в заданном диапазоне частот. Принятые электрические сигналы от трех приемных антенн, поступают на трехканальный приемный блок 7 (фиг. 4), где выполняется полосовая фильтрация, усиление и аналого-цифровое преобразование. Далее оцифрованные данные поступают в блок 9 цифровой обработки сигналов (фиг. 6), где выполняется согласованная фильтрация, формирование трех вееров приемных характеристик направленности электронным способом, расчет наклонных дальностей, пересчет их в истинные глубины с учетом поправок, рассчитанных в блоке 11 вычисления поправок. С выхода блока 9 данные (истинные глубины и их геодезические координаты) поступают в блок 12 хранения и на индикатор 13 для отображения. Одновременно по командным импульсам блока 10 управления осуществляется прием информации от судовой радионавигационной системы, гидроакустического лага, курсоуказателя, измерителей составляющих качки, измерителя скорости звука для расчета соответствующих поправок в блоке 11 и выдачи их в блок 9.
Предложенное устройство съемки рельефа дна акватории, позволяет за один цикл зондирования получить сразу три профиля рельефа дна от перекрывающихся участков дна, что гарантирует отсутствие пропусков при съемке и позволяет повысить скорость съемки рельефа дна акватории, и тем самым снизить затраты на ее выполнение, таким образом технический результат полезной модели достигнут.