ИЗМЕРИТЕЛЬ КООРДИНАТ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ИМПУЛЬСНОГО АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА В СРЕДЕ

Техническое решение относится к приборостроению, а именно к технике создания акустических навигационных систем, и может быть использовано, например, для определения трех координат работающей в грунте пневмоударной машины.
m
m
m
m
0
m
12
m
Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия по патенту РФ на изобретение №2353949, кл. G01S 15/08, опубл. 27.04.2009 г., включающая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f(m=1-M), вторую донную навигационную базу из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F(m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами F, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F гидроакустических излучателей, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса f, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f, M измерителей времени распространения акустических сигналов до маяка-ответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены со вторым выходом генератора синхроимпульсов, MxN блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанций, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый вход которого используется для синхронизации М синхронно-работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, приемная акустическая антенна для приема акустических сигналов маяков-пингеров, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены со вторыми входами вычислителя координат объекта навигации. Приемная акустическая антенна выполнена направленной в вертикальной плоскости, причем максимум ее характеристик направленности соответствует критическому углу скольжения β=arccos(c), M расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F гидроакустических излучателей выполнены направленными в вертикальной плоскости. Максимум характеристики направленности лежит в диапазоне углов скольжения согласно выявленным закономерностям, а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния через скорость распространения придонной волны по установленной зависимости.
Недостатки данного устройства - низкая надежность системы за счет размещения на объекте навигации передатчиков и генераторов синхроимпульсов, что сужает возможности использования такой системы в условиях воздействия ударных нагрузок, а также в тех случаях, когда конструкция контролируемого объекта не позволяет размещения на нем дополнительной аппаратуры. Также надежность снижается за счет наличия механических связей между гидроакустическими маяками-ответчиками и гидроакустическими маяками-пингерами. Ограничена область применения системы - только для подводной среды.
Наиболее близким устройством по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство, реализующее способ измерения расстояния до контролируемого объекта по первому варианту заявки РФ №97116654/09, кл. G01S 15/08, опубл. 20.04.1999 г., включающее излучатель импульсного акустического сигнала, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, двухканальный приемник, каждый канал которого содержит акустоэлектрический преобразователь (гидрофон), заглубленный в грунт или расположенный на его поверхности, блок измерения фазового и группового времени запаздывания, блок вычисления расстояния до контролируемого объекта.
Недостатки указанного устройства заключаются в необходимости размещения на контролируемом объекте излучателя импульсного акустического сигнала для формирования сигнала, с которым синхронизируют начало отсчета времени для вычисления координат объекта, что ограничивает область применения указанного устройства и снижает его надежность. Недостаточная информативность устройства связана с измерением только одной координаты, а именно дальности до объекта за счет ограничения количества приемных блоков лишь двумя. Также точность устройства определяется вычислением дальности по информации всего с двух каналов, что достаточно только для воздушной среды, а при размещении объекта в грунте или воде на точность двухканального устройства будут оказывать влияние неоднородности среды.
Техническая задача измерителя координат излучателя импульсного акустического сигнала в грунте (далее - устройство) заключается в повышении эффективности его использования за счет повышения точности и информативности путем вычисления трех координат излучателя импульсного акустического сигнала в среде. Надежность устройства повышается за счет отсутствия вмешательства в конструкцию излучателя импульсного акустического сигнала для размещения на нем задающего генератора, при этом задающим является импульс, пришедший первым на любой из акустоэлектрических преобразователей.
Поставленная техническая задача решается тем, что в измеритель координат излучателя импульсного акустического сигнала в среде, включающий указанный излучатель и акустоэлектрический преобразователь, согласно техническому решению дополнительно введены акустоэлектрические преобразователи, блок обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, устройство связи, устройство трехмерной обработки данных, причем общее количество N акустоэлектрических преобразователей не меньше четырех. Выход каждого акустоэлектрического преобразователя соединен с одним из N входов блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, выход которого взаимной связью соединен со входом устройства связи, соединенного выходом со входом устройства трехмерной обработки данных.
Указанная совокупность признаков позволяет определять три координаты излучателя импульсного акустического сигнала, что повышает точность и информативность устройства. Надежность устройства повышается за счет отсутствия вмешательства в конструкцию излучателя импульсного акустического сигнала для размещения на нем задающего генератора, при этом задающим является импульс, пришедший первым на один, любой, из N акустоэлектрических преобразователей. Это в совокупности расширяет возможности применения указанного устройства в условиях воздействия больших ударно-вращательных нагрузок на излучатель импульсного акустического сигнала, а также при отсутствии возможности размещения на обнаруживаемом объекте дополнительного генератора.
В качестве излучателя импульсного акустического сигнала можно использовать работающую пневмоударную машину. Это обеспечит формирование импульсного акустического сигнала большой мощности на входе акустоэлектрических преобразователей, что увеличит дальность устройства.
Целесообразно, чтобы каждый из N каналов блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала содержал соединенные взаимной связью приемопередающее устройство и устройство измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала, соединенное входом с одним из N входов блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала. При этом входы приемопередающих устройств соединены между собой взаимной беспроводной связью, работающей на заданной частоте, а выходами они соединены между собой и с выходом блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала.
Использование беспроводной передачи данных между приемопередающими устройствами позволит повысить надежность устройства за счет отсутствия необходимости введения дополнительного генератора, формирующего задающий импульс и размещаемого на работающей пневмоударной машине. Также уменьшится вес и габариты предлагаемого устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения устройства и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - геометрическая модель взаимодействия излучателя импульсного акустического сигнала и четырех акустоэлектрических преобразователей.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Структурная схема устройства состоит (см. фиг.1) из излучателя 1 импульсного акустического сигнала (далее излучатель 1), N акустоэлектрических преобразователей 2…2, блока 3 обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, состоящего из N каналов, каждый из которых содержит соединенные взаимной связью одно из устройств 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала и одно из приемопередающих устройств 5…5, устройства 6 связи и устройства 7 трехмерной обработки данных. Выход каждого акустоэлектрического преобразователя 2…2 соединен с одним из N входов блока 3 обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, выход которого взаимной связью соединен со входом устройства 6 связи, соединенного выходом со входом устройства 7 трехмерной обработки данных. Каждое из приемопередающих устройств 5…5 соединено взаимной связью с одним из устройств 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала, соединенным входом с одним из N входов блока 3 обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, при этом входы приемопередающих устройств 5…5 соединены между собой взаимной беспроводной связью, работающей на заданной частоте, а выходами соединены между собой и с выходом блока 3 обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала.
1
N
Количество акустоэлектрических преобразователей 2…2 должно быть не менее четырех, так как один акустоэлектрический преобразователь, на который сигнал с излучателя 1 приходит первым, используется как задающий, т.е. определяющий время начала отсчета, а остальные три акустоэлектрических преобразователя используются для измерения трех времен запаздывания импульсного акустического сигнала относительно времени начала отсчета и для последующего вычисления трех координат устройством 7 трехмерной обработки данных. В качестве излучателя 1 (см. фиг.1) можно использовать работающую пневмоударную машину.
1
4
1
4
1
2
3
4
4
1
4
1
1
4
1
1
Работа устройства для четырех акустоэлектрических преобразователей 2…2 осуществляется следующим образом. Акустоэлектрические преобразователи 2…2 устанавливают на поверхности грунта в вершинах воображаемого прямоугольника следующим образом - акустоэлектрический преобразователь 2 в точке К, акустоэлектрический преобразователь 2 в точке L, акустоэлектрический преобразователь 2 в точке М, а акустоэлектрический преобразователь 2 в точке F (см. фиг.2). Перед началом работы производят калибровку устройства - измеряют скорость распространения упругих волн в грунте. Считая, что при первом запуске излучателя 1 первая акустическая волна дошла до акустоэлектрического преобразователя 2, нужно рассчитать расстояние Δs, равное пути, пройденному акустической волной от момента прихода волны к акустоэлектрическому преобразователю 2 и до момента прихода волны к акустоэлектрическому преобразователю 2 и, используя найденное время Δt запаздывания распространения волны от момента прихода импульсного акустического сигнала к акустоэлектрическому преобразователем 2 до момента прихода импульсного акустического сигнала к акустоэлектрическому преобразователю 2, можно определить скорость V распространения волны в грунте. После заглубления пневмоударной машины в грунтовый массив на всю длину излучатель 1 будет находиться в точке O и расстояние FO останется постоянным, его можно вычисляют следующим образом: измеряют расстояние ZQ от точки запуска излучателя 1, в качестве которого используется работающая пневмоударная машина, до поверхности земли, затем, измерив расстояние FZ по оси x и зная длину этой машины, которая в момент ее заглубления в грунтовый массив равна расстоянию QO, находят: . Затем вычисляют расстояние от излучателя 1 до акустоэлектрического преобразователя 2, на который сигнал от излучателя 1 пришел следующим, тогда: .
1
1
1
Соответственно, расстояние: Δs=KO-FO. Далее, зная измеренное время Δt и вычисленное расстояние Δs, находят скорость V распространения упругих волн в грунте: .
1
4
Для повышения точности и исключения случайных ошибок в процессе калибровки устройства при измерении скорости V распространения упругих волн в грунте можно проводить ее вычисления относительно каждого из четырех акустоэлектрических преобразователей 2…2, тем самым получить 4 значения скорости V и вычислить ее среднее арифметическое значение.
1
2
2
3
Также за исходные данные для вычисления координат излучателя 1 используют расстояния между акустоэлектрическими преобразователями 2-2 и 2-2 - это расстояния KL и LM соответственно.
1
4
1
4
Приемопередающие устройства 5…5 основаны на радиочастотном приемопередающем модуле, работающем на заданной частоте, что обеспечивает беспроводную связь между ними. После калибровки устройство переходит в режим ожидания сигнала от излучателя 1. В режиме ожидания прихода сигнала от излучателя 1 приемопередающие устройства 5…5 настроены на одинаковую заданную частоту.
4
4
1
3
1
4
1
3
1
3
1
3
1
2
3
4
4
4
1
4
1
2
3
4
1
4
1
4
1
4
1
4
1
4
Устройство в процессе передвижения пневмоударной машины работает следующим образом. Пусть первым импульсный акустический сигнал придет на ближайший акустоэлектрический преобразователь, например 2, и так как он сработал первым, то приемопередающее устройство 5 отправляет по беспроводному каналу связи приемопередающим устройствам 5…5 команду начала отсчета временной задержки. После окончания передачи команды информация с приемопередающих устройств 5…5 поступает на устройство 6 связи. Одновременно, при поступлении на приемопередающие устройства 5…5 команды начала отсчета временной задержки, они посылают сигнал начала измерения временной задержки соответствующим устройствам 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала. Далее, в устройствах 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала вычисляют времена запаздывания прихода сигнала от излучателя 1 на остальные акустоэлектрические преобразователи 2, 2 и 2 относительно акустоэлектрического преобразователя 2. Время запаздывания прихода сигнала от излучателя 1 на акустоэлектрический преобразователь 2 устройство 4 измерения времени запаздывания принимает за 0. Далее приемопередающие устройства 5…5 передают измеренные Δt, Δt, Δt, Δt=0 устройству 6 связи. После этого приемопередающие устройства 5…5 переходят в режим работы на заданной частоте, устройства 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала и приемопередающие устройства 5…5 переходят в режим ожидания прихода нового сигнала от излучателя 1 до соответствующего акустоэлектрического преобразователя 2…2. После приема сведений о номере первого и последующих сработавших акустоэлектрических преобразователей 2…2 с соответствующими временами запаздывания с помощью устройства 6 связи эти данные передаются в устройство 7 трехмерной обработки данных. Далее с использованием математического аппарата вычисляют три координаты излучателя 1.
Процесс вычисления координат происходит в устройстве 7 трехмерной обработки данных следующим образом.
4
1
3
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
Предположим, что первоначально сигнал фиксируется акустоэлектрическим преобразователем 2. Тогда расстояние от него до источника удара O (а именно до излучателя 1) будет составлять некоторую величину FO (см. фиг.2). Если время запаздывания на выходе устройств 4…4 измерения времени запаздывания импульсного акустического сигнала составляет соответственно Δt, Δt, Δt, то разница по расстоянию для них будет Δs, Δs, Δs, которые соответственно вычисляют через измеренную в процессе калибровки устройства скорость V распространения упругих волн в среде: Δs=Δt·V, Δs=Δt·V, Δs=Δt·V. Используя геометрические соотношения, из треугольников AOK, LOB, MOC, FOD, POT можно получить следующую систему из 4 уравнений с 4 неизвестными (в данном случае началом координат выступает точка F):
Решение этой системы уравнений:
Информацию о трех координатах объекта получают в следующем виде:
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Возможно повышение точности устройства за счет увеличения числа акустоэлектрических преобразователей 2…2: N>4. Тогда процесс вычисления координат будет происходить в несколько этапов, каждый этап представляет собой процесс вычисления координат любыми четырьмя акустоэлектрическими преобразователями 2…2. Число этапов будет равно числу возможных сочетаний акустоэлектрических преобразователей 2…2 между собой, т.е. числу сочетаний из N по k, которое равно биномиальному коэффициенту: , где k - равно четырем (т.е. минимальному числу акустоэлектрических преобразователей 2…2, которых было бы достаточно для вычисления трех координат). Формула рассчитывает число этапов, показывающее, сколькими способами можно выбрать k элементов из множества, содержащего N различных элементов, в данном случае акустоэлектрических преобразователей 2…2. Например, при расчете по вышеуказанной формуле для пяти акустоэлектрических преобразователей 2…2 число этапов будет равно 5, для шести - 15. При выполнении каждого этапа из всего количества акустоэлектрических преобразователей 2…2 выбирают четыре любых и производят процесс вычислений, аналогичный описанному выше. После этого полученные координаты сохраняют в устройстве 7 трехмерной обработки данных, выбирают следующие четыре любых из всего количества акустоэлектрических преобразователей 2…2 и снова вычисляются координаты. Так происходит до окончания возможных сочетаний акустоэлектрических преобразователей 2…2 между собой. Из общего количества вычисленных координат находят усредненные координаты, как среднее арифметическое значение по каждой из трех координат.