ЭХОЛЕДОМЕР

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к аппаратуре для дистанционного обнаружения плавучего льда и определения его морфометрических характеристик из-под воды.
i
Известен акусто-гидростатический эхоледомер [1], содержащий эхолот, включающий приемопередающую антенну, характеристика направленности которой ориентирована в сторону поверхности моря, соединенную через коммутатор приема/передачи с импульсным усилителем мощности и устройством синхронизации и устройством предварительной обработки эхосигнала к выходу которого подключено устройство измерения расстояния, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу устройства вычисления осадки d, второй вход которого соединен с выходом устройства измерения расстояния. В этом эхоледомере значение осадки льда определяется как разность между глубиной погружения  некоторой базовой точки объекта, которая измеряется преобразователем гидростатического давления (гидростатом), и расстоянием от этой же точки до нижней поверхности льда , измеряемым обращенным вверх эхолотом.
За базовую точку объекта обычно принимается центр активной поверхности приемоизлучающей антенны эхолота.
i
Такой эхоледомер позволяет вычислять осадку льда d в точке, находящейся над его акустической антенной, в соответствии с выражением
где  - глубина погружения активной поверхности i-ой акустической антенны эхолота, вычисленная с помощью гидростата;  - кратчайшая дистанция между акустической антенной и границей раздела вода/лед в точке зондирования.
Глубина погружения акустических антенн эхоледомера  может быть рассчитана по формуле
atm
1
2
i
где р - абсолютное гидростатическое давление, измеряемое датчиком (преобразователем) давления, установленном на объекте; p - атмосферное давление над поверхностью льда в точке нахождения объекта; k, k - поправка на среднюю по вертикальному разрезу плотность морской воды ρ и гравитационная поправка соответственно; z - аппликата соответствующей антенны относительно уровня, на котором измеряется гидростатическое давление i=1, 2, 3… - порядковый номер антенны.
Вычисление  осуществляется по формуле
i
где  - вычисленная по результатам измерения эхолотом времени запаздывания t эхосигнала относительно зондирующего сигнала дистанция до границы раздела вода/лед от i-ой антенны; с - значение средней по трассе распространения скорости звука; θ, Ψ - соответственно значения углов крена и дифферента объекта в момент зондирования; i=1, 2…n - номер антенны.
i
Полученные таким эхоледомером значения осадки льда часто используются в качестве действительных значений толщины плавучего льда H. Однако, практика показывает, что подобное приближение при оценке толщины льда может вызывать ошибки до 20% и более от значения измеряемой толщины льда, что делает некорректными сравнение результатов этих измерений с данными полученными другими измерительными устройствами. Ошибки при оценке толщины льда возникают вследствие того, что упомянутый эхоледомер не учитывает высоту льда над поверхностью воды, которая зависит от плотности плавучего льда и высоты снежного покрова на нем, имеющих ярко выраженные сезонные изменения.
По количеству общих признаков наиболее близким аналогом предложенной полезной модели является устройство, описание которого приведено выше, а также в [1].
i
Как следует из описания его функционирования, недостатком эхоледомера прототипа является низкая точность измерения толщины H плавучего ледяного покрова, а также невозможность измерения его высоты над поверхностью воды и построения профиля границы раздела лед/воздух.
Задачей полезной модели является повышение точности эхоледомера и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат заключается в повышении точности измерения толщины льда, обеспечении возможностей оценки его высоты над поверхностью воды и построения профиля рельефа верхней поверхности ледяного покрова.
i
i
i
i
i
i
i
i
a
Для обеспечения заявленного технического результата в эхоледомер, содержащий эхолот, включающий приемопередающую антенну, соединенную с его приемо-передающим трактом, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу блока вычисления осадки льда d, второй вход которого соединен с выходом приемо-передающего тракта, введены новые признаки, а именно: в него введены последовательно соединенные программируемый блок хранения значений коэффициентов регрессии  и b, устройство вычисления толщины льда Н по значениям его осадки и d с помощью уравнения линейной регрессии вида H(см)=ad (см)+b (см), устройство вычисления высоты плавучего льда относительно поверхности воды, как разности е=(H-d) для каждых пар значений осадки и толщины льда, полученных в последовательных циклах зондирования, и устройство отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда, при этом выход устройства вычисления осадки льда соединен со вторым входом устройства вычисления толщины льда и вторым входом устройства вычисления высоты плавучего льда.
а
а
а
а
Эмпирические коэффициенты регрессии  и b, учитывающие сезонные изменения плотности плавучего льда и высоты снежного покрова на нем, для каждого из трех основных сезонов годового цикла могут быть определены как - для летнего сезона (16 июня-сентябрь) =0,83, b=39,2, для осеннего сезона (октябрь-ноябрь) =1,084, b=0,6 и зимнего сезона (декабрь-15 июня) =1,070, b=4,6.
i
i
i
i
i
i
a
Введение новых признаков позволяет технически реализовать алгоритм расчета толщины льда по его осадке, определяемый уравнениями линейной регрессии, полученными по результатам многолетних наблюдений за ледовым покровом Арктического бассейна [2], которые позволяют учитывать вариации значения соотношения H/d, обусловленные сезонными изменениями высоты и плотности снежного покрова и льда, и тем самым существенно повышать точность измерения толщины последнего, выполняемых с помощью акусто-гидростатического эхоледомера. Наилучшая связь между H и dхарактеризуемая значением коэффициента корреляции 0,99, отмечается для зимнего периода. Среднеквадратическая ошибка расчета толщины льда по уравнению H (см)=d, (см) + b (см) для зимнего периода не превышает 3 см при толщине льда 350 см (относительная ошибка 0,85%). В осенний и летний периоды значение коэффициента корреляции между толщиной и осадкой льда уменьшается до 0,91, а Среднеквадратическая ошибка возрастает до 4-5 см [2].
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой приведена структурная схема предложенного эхоледомера и пояснен принцип его работы.
Эхоледомер содержит приемоизлучающую антенну 1, расположенную на корпусе подводного объекта, характеристика направленности которой ориентирована вертикально к поверхности моря, которая соединена с первым входом коммутатора 4 приема/передачи. Первый выход импульсного усилителя мощности и устройство 3 синхронизации эхолота подключен ко второму входу коммутатора 4, а второй к первому входу устройства 7 измерения дальности и ко входу программируемого блока 8 хранения коэффициентов регрессии (а, б). Вход устройства 5 предварительной обработки эхосигнала эхолота соединен с выходом коммутатора приема/передачи 4, а выход соединен со вторым входом устройства 7 измерения дальности, выход которого подключен первому входу устройства 6 вычисления осадки льда. Ко второму входу устройства 6 подключен выход преобразователя 2 абсолютного гидростатического давления. К первому входу устройства 9 вычисления толщины льда подключен выход устройства 6, к второму его входу подключен программируемый блок 8, а выход устройства 9 соединен с первым входом устройства 10 вычисления высоты плавучего льда. Второй вход устройства 10 подключен к выходу устройства 6, а выход соединен с первым входом устройства отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда и профилей границ раздела вода/лед и лед/воздух 11, второй вход которого соединен с выходом устройства 3.
а
а
i
i
i
i
i
Устройства и блоки предложенного эхоледомера, обозначенные на структурной схеме фиг.1 цифрами 1-7 технически представляют собой типовые функциональные узлы серийных акусто-гидростатических эхоледомеров [3]. Устройства, обозначенные цифрами 8-11 представляют собой электронные приборы, алгоритмы работы которых реализованы с помощью цифровых программируемых средств. Так, устройство 8 хранит и выдает в устройство 9 в течение текущего сезона годового цикла соответствующие ему и запрограммированные в его памяти значения коэффициентов регрессии  и b, и попарно изменяет значения этих коэффициентов регрессии при наступлении момента смены сезона годового цикла на следующий. Устройства 9 и 10 запрограммированы на выполнение вычислений параметров ледяного покрова по выражениям H (см) = b (см) + b (см) и е=(H-d) соответственно. Определение параметров ледяного покрова с помощью предложенного эхоледомера осуществляется следующим образом.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
atm
а
a
Синхронизатор, расположенный в устройстве 3 посредством периодически вырабатываемого короткого однополярного синхроимпульса запускает импульсный усилитель мощности 3, который формирует мощный электрический радиоимпульс близкой к прямоугольной формы, который через коммутатор приема/передачи 4 поступает на приемоизлучающую акустическую антенну 1 эхолота, преобразующую его в акустический радиоимпульс, который излучается в воду. Одновременно синхроимпульс запускает процесс измерения и преобразования по выражению (2) абсолютного гидростатического давления p, измеряемого гидростатом 2, в значение глубины погружения  антенны 1 эхолота. Акустический радиоимпульс, распространяясь в водной среде, достигает границы раздела вода/лед, отражается от нее и возвращается к акустической антенне эхолота через определенный промежуток времени t пропорциональный расстоянию  от излучающей поверхности акустической антенны эхолота 1. до границы раздела вода/лед. Далее, отраженный акустический радиоимпульс, преобразованный антенной эхолота в электрический эхосигнал, через коммутатор приема/передачи поступает в устройство предварительной 5 обработки эхосигнала, где он преобразуется, фильтруется, детектируется и усиливается до значений, достаточных для функционирования устройства 7 измерения расстояния, куда он поступает после выполнения описанных процедур. В устройстве 7 производится измерение промежутка времени t, как разности между моментом излучения акустического радиоимпульса и моментом прихода электрического эхосигнала в устройство 7 и последующее вычисление значения расстояния  по выражению (3). Вычисленные в данном цикле зондирования (излучение/прием) значения величин  и  поступают с выходов устройств 2 и 7 на входы устройства 6, где производится вычисление осадки льда d по выражению (1). Вычисленное значение осадки льда d поступает одновременно в устройства 9 и 10. В момент поступления d в устройство 9 в него из устройства 8, подготовленного к работе синхроимпульсом из устройства 3, вводятся коэффициенты регрессии  и b, значения которых для трех основных сезонов годового цикла запрограммированы в памяти устройства 8. В зависимости от времени года программно выбираются и передаются в устройство 9 соответствующие значения коэффициентов регрессии, после чего в устройстве 9 производится вычисление толщины льда по выражению H (см) = d (см) + b (см) и передача полученного значения в устройство 10 для вычисления высоты льда по выражению е=(H-d) с использованием значения d ранее переданного в устройство 10 из устройства 6. Вычисленные в данном цикле зондирования значения d, H, е поступают в устройство отображения и регистрации 11, где синхронно запоминаются и в дальнейшем используются для отображения и построения графических профилей границ раздела вода/лед и лед/воздух. На этом цикл зондирования заканчивается. Появление нового синхроимпульса на выходе устройства 3 возобновляет работу эхоледомера в изложенной выше последовательности. Текущие значения величин p, θ, Ψ с поступают в эхоледомер от внешних систем или задаются оператором эхоледомера по умолчанию.
i
i
Таким образом, предложенный эхоледомер позволяет путем учета вариации значения соотношения H/d, обусловленных сезонными изменениями высоты и плотности снежного покрова и льда, уменьшить относительную среднеквадратическую ошибку измерения толщины льда по его осадке с 20% до 0,85% и 1,4% (при толщине льда 350 см) для зимнего и летнего сезонов годового цикла соответственно, а также обеспечивает возможности оценки высоты льда над поверхностью воды и построения профиля рельефа верхней поверхности ледяного покрова.
Источники информации
1. Богородский А.В., Островский Д.Б. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. С-Пб.: Издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 242 с.
2. Миронов Е.У., Сенько Е.П. О взаимосвязи толщины и осадки льда // Труды ААНИИ. - 1995. Т.435. - С.47-54.
3. Руководство по эксплуатации изделия МГ-518М. УЛИК.365183.001РЭ. Республика Молдова, г.Бэлцъ, АО «НИИ «Риф-Аквааппарат», 2011 г.