ГИДРОЛОКАТОР ДЛЯ ОЦЕНКИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЙСБЕРГОВ

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначена для дистанционной оценки морфометрических характеристик дрейфующих айсбергов при помощи активного моностатического гидролокатора.
а
Известен импульсный гидролокатор с приемной гибкой протяженной антенной, предлагаемый для оценки осадки L дрейфующих айсбергов [1, стр. 71-74]. Применительно к задаче оценки осадки айсберга в гидролокаторе используются три модификации способа оценки вертикальной протяженности звукоотражающего объекта с помощью многоканального гидролокатора, а именно: определение осадки айсберга по числу характеристик направленности, принимающих отраженные от подводной части айсберга эхосигналы; оценки осадки айсберга по зоне акустической тени на дне моря и определение осадки айсберга по зоне акустической тени на поверхности моря. В качестве технического средства, реализующего эти три модификации используется бистатическая импульсная гидролокационная система, включающая в себя направленный в горизонтальной плоскости излучатель, а также приемник, формирующий статический веер узких характеристик направленности в вертикальной плоскости и обеспечивающий пространственную избирательность системы по координате «угол места».
а
Известен гидролокатор для оценки массы айсберга M по измеренной силе цели его подводной части [2, стр. 333-336], который по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предложенной полезной модели.
Гидролокатор-прототип, имеющий в своем составе: акустическую антенну с узкими характеристиками направленности, соединенную через коммутатор «прием/передача» с усилителем мощности, блок сбора и обработки данных, включающий блок переключения характеристик направленности, соединенный через интерфейсный преобразователь с входами блока контрольного наблюдения, а также управляемый контроллером блок предварительной обработки и обнаружения сигнала и блока дублирующей регистрации и хранения данных.
а
а
В этом гидролокаторе оценка массы М обследуемого айсберга осуществляется по измеряемой с его помощью силе цели Τ подводной части айсберга с использованием эмпирической зависимости вида Τ=f (М), где
а
М - масса, взятая в килотоннах. В процессе функционирования устройством выполняются следующие операции:
1. Измерение реверберации, собственных шумов приемника и окружающих шумов моря в месте расположения приемоизлучающей антенны гидролокатора.
2. Излучение в направлении айсберга импульсных зондирующих сигналов и последующий прием акустических эхосигналов, отраженных подводной частью айсберга. Измерение параметров принятых эхосигналов.
0
2
3. Вычисление силы цели Τ путем сравнения акустической энергии, принятой от подводной части айсберга, и акустической энергии, излученной в ее сторону, с учетом соответствующих параметров гидролокатора и канала распространения сигнала. Сила цели вычисляется в децибелах относительно площади сечения рассеяния S=1 м.
a
4. Вычисление массы айсберга Ма в килотоннах по известной эмпирической зависимости вида Τ=algM(кТ)-bдБ, где a и b известные коэффициенты.
Осадка айсберга и его масса являются единственными морфометриче-скими характеристиками, которые в отдельности можно получить с помощью описанных выше устройств. Для оценки значений других, не менее важных в практическом отношении характеристик, они не приспособлены.
a
а
a
a
Как следует из описания его функционирования, недостатком прототипа является невозможность с его помощью осуществлять оценку таких морфометрических характеристик айсбергов как: осадка - L, высота - Н, длина - l, ширина - h надводной части [3].
Задачей полезной модели является расширение функций гидролокатора в части обеспечения возможности осуществлять дистанционную оценку не только массы, но и других, не менее важных, морфометрических характеристик айсбергов.
Технический результат заключается в придании нового качества средствам активной гидролокации при решении ими задач поиска и обнаружения дрейфующих арктических айсбергов, а именно, возможности осуществлять оценку не только массы, но и других морфометрических характеристик этих ледяных образований.
экв
a
a
Для обеспечения заявленного технического результата в гидролокатор для оценки морфометрической характеристики айсбергов, содержащий акустическую антенну с узкими характеристиками направленности, соединенную через коммутатор «прием/передача» с усилителем мощности, блок сбора и обработки данных, включающий блок переключения характеристик направленности, соединенный через интерфейсный преобразователь с входами блока контрольного наблюдения, а также управляемого контроллером блока предварительной обработки и обнаружения сигнала и блока дублирующей регистрации и хранения данных, введены новые признаки, а именно: в него введены программируемый блок хранения значений параметров гидролокатора и характеристик канала распространения сигнала, программируемый блок хранения средних значений площади сечения обратного рассеяния подводных частей трех типов айсбергов  и программируемый блок хранения статистических значений морфометрических характеристик этих типов айсберга, а также последовательно соединенные блок вычисления радиуса эквивалентной сферы r подводной части айсберга, блок вычисления площади сечения обратного рассеяния подводной части айсберга S, блок сравнения S со средними значениями , блок выбора значений морфометрических характеристик айсберга - осадки, высоты, длины, ширины надводной части и массы из массива статистических значений
этих характеристик, устройство отображения, при этом первый вход блока вычисления радиуса эквивалентной сферы подводной части айсберга соединен с выходом блока предварительной обработки и обнаружения сигнала, а его второй вход соединен с выходом программируемого блока хранения значений параметров гидролокатора и характеристик канала распространения сигнала, выход программируемого блока хранения средних значений площади сечения обратного рассеяния подводных частей трех типов айсбергов соединен со вторым входом блока сравнения площади сечения обратного рассеяния подводной части айсберга со средними значениями площади сечения обратного рассеяния подводных частей трех типов айсбергов, а выход программируемого блока хранения статистических значений морфометрических характеристик айсберга соединен со вторым входом блока выбора значений морфометрических характеристик айсберга - осадки, высоты, длины, ширины надводной части и массы.
a
экв
Введение новых признаков позволяет технически реализовать физический алгоритм оценки морфометрических характеристик айсберга, базирующийся на устойчивой статистической связи между отражающей (рассеивающей) способностью его подводной части, характеризуемой такими величинами, как площадь сечения обратного рассеяния S и радиус эквивалентной сферы r, и его морфометрическими характеристиками, описанной, например, в работе [4].
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой приведена структурная схема предложенного гидролокатора и пояснен принцип его работы.
Заявленный гидролокатор содержит акустическую антенну 1, подключенную через коммутатор «прием/передача» 2 к входу блока 4 переключения характеристик направленности, соединенного через интерфейсный преобразователь 5 с входами: усилителя 3 мощности, блока 6 контрольного наблюдения, блока 7 дублирующей регистрации и хранения данных и блока 8 предварительной обработки и обнаружения сигнала, второй вход которого соединен с выходом контроллера управления 9. Выход блока 8 соединен с первым входом блока 10, второй вход которого соединен с выходом программируемого блока 11. Блоки 10, 12 13, 15, 17 соединены последовательно. Выходы программируемых блоков 11, 14, 16 соединены с входами блоков 10, 13, 15 соответственно. Программируемые блоки выдают запрограммированную в них информацию в блоки 10, 13 и блок 15 по запросам, поступающим от последних. Выбранные в блоке 15 значения выводятся на экран блока отображения 17.
с
с
п
экв
Блоки 1-9 технически представляют собой типовые функциональные узлы серийных судовых многолучевых гидролокаторов кругового (секторного) обзора, например рыбопоисковых [2]. Блоки 10-16 представляют собой электронные приборы, алгоритмы работы которых реализованы с помощью аналоговых и цифровых программируемых средств. Так, блок 11 хранит и выдает в 10 в каждом j-ом цикле зондирования, введенные в его память в необходимом формате значения величин G, β, A, µ, δ, где: δ - коэффициент технических потерь гидролокатора; µ - сквозная электроакустическая чувствительность по давлению на выходе устройства предварительной обработки, В/Па; G - звуковое давление зондирующего сигнала на оси характеристики направленности антенны, приведенное к расстоянию 1 м, Па; G - суммарное звуковое давление помех, существующее в месте расположения приемоизлучающей антенны гидролокатора, Па; β - коэффициент затухания звука, дБ/км; A - аномалия распространения гидроакустических сигналов и помех для заданной частоты (при обнаружении в узкой полосе), дБ, а также текущих даты и времени, которые вводятся вручную или автоматически непосредственно перед началом работы с гидролокатором и корректируются по мере необходимости. Блок 10 запрограммирован на выполнение вычислений радиуса эквивалентной сферы r подводной части айсберга по выражению
j
а
а
где q - отношение сигнал/помеха на входе согласованного фильтра устройства предварительной обработки в полосе антенны при приеме сигнала, отраженного объектом; D - дальность между антенной гидролокатора и объектом (айсбергом), км; Блок 12 запрограммирован на выполнение вычислений площади сечения обратного рассеяния S по выражению
а
ai
ai
ai
ai
ai
Блок 14 также хранит записанные в его памяти средние значения площадей сечения обратного рассеяния подводных частей айсбергов , (где i=м - малая, с - средняя, б - большая подводная часть айсберга), характеризующих разные типоразмеры айсбергов и по команде, поступающей из блока 13, выдает в блок 14 эти значения, где производится их сравнение со значениями S и выработка признака айсберга. Программируемый блок 16 аналогичен по своему назначению и устройству блоку 14, с той лишь разницей, что перед началом работы в него заносится массив статистических значений морфометрических характеристик: осадки - L, высоты - H, длины - l и ширины - h, надводной части, массы - M, каждого из трех типоразмеров айсбергов - малого среднего и большого. Блок 15 запрограммирован на выполнение операций выбора из массива статистических значений морфометрических характеристик тех значений, которые соответствуют признаку типоразмера айсберга, пришедшему из блока 13. Блок 17 представляет собой любое знакосинтезирующее устройство отображения с цветным или монохроматическим отображением цифробуквенной информации.
Определение морфометрических характеристик айсберга с помощью предложенного гидролокатора осуществляется следующим образом.
п
п
экв
До начала работы гидролокатора в активном режиме осуществляется измерение суммарного звукового давления помех G, существующего в месте расположения приемоизлучающей антенны гидролокатора. Измерение осуществляется с помощью откалиброванных акустической антенны 1 и блока 8 стандартным способом. Полученное значение G запоминается в блоке 8 для последующего использования в блоке 10 при вычислении r.
п
с
j
а
j
j
а
j
экв
с
экв
экв
а
а
а
После измерения G заявленный гидролокатор переводится в активный режим работы. Синхронизатор, расположенный в устройстве 5 посредством периодически вырабатываемого короткого однополярного синхроимпульса запускает импульсный усилитель мощности 2, который формирует мощный электрический радиоимпульс близкой к прямоугольной формы, который через коммутатор «прием/передача» 2 поступает на приемоизлучающую акустическую антенну 1 гидролокатора, преобразующую электрический радиоимпульс в акустический, который излучается в воду в направлении дрейфующего айсберга. Одновременно синхроимпульс запускает процесс обнаружения и обработки сигнала в блоке 8, а также запускает в работу блоки 6 и 7. После излучения акустического зондирующего импульса активный режим работы гидролокатора (режим излучения) заканчивается, и он переходит в режим приема эхосигналов. Акустический радиоимпульс (зондирующий сигнал) создает в водной среде на оси луча характеристики направленности антенны звуковое давление, приведенное значение которого известно и равно G. Распространяясь в водной среде, импульс достигает подводной части айсберга отражается от нее и в виде эхосигнала возвращается к акустической антенне через определенный промежуток времени t пропорциональный дальности D между антенной гидролокатора и айсбергом. Преобразованный антенной гидролокатора в электрический эхосигнал, он через коммутатор приема/передачи 2 поступает на вход блока 4 переключения характеристик направленности, который последовательно коммутируя каналы антенны, формирующие характеристики направленности, подключает характеристику направленности, по которой принят эхосигнал, к входу интерфейсного преобразователя 5. В интерфейсном преобразователе 5 эхосигнал усиливается и преобразовывается в цифровую форму с помощью АЦП, после чего поступает в блок 8 предварительной обработки и обнаружения полезного сигнала, где осуществляется его фильтрация, пороговая обработка с целью обнаружения полезного сигнала, выделение его огибающей и дополнительное усиление до значений, достаточных для измерения соотношения сигнал/помеха q, времени запаздывания t, и вычисления дальности до айсберга по выражению D=Ct/2, где C - скорость звука в канале распространения. После выполнения описанных процедур, полученные данные поступают в блок 10 вычисления радиуса эквивалентной сферы r подводной части айсберга, который с помощью содержащегося в нем программного обеспечения выполняет с использованием внешних данных (G, β, A, µ, δ), поступающих из программируемого блока 11, вычисление радиуса эквивалентной сферы r согласно выражению (1). Значения радиуса эквивалентной сферы r подводной части айсберга поступают в блок 12, где реализуется операция вычисления по выражению (2) площади сечения обратного рассеяния S подводной части айсберга. Вычисленное значение S передается в блок 13, где выполняются операции сравнения полученного значения S со средними значениями аналогичной величины  (где i=м, с, б), присущими каждому из трех типоразмеров айсбергов (малому - м, среднему - с, большому - б) и хранящимися в программируемом блоке 14. Средние значения площади сечения обратного рассеяния подводных частей арктических айсбергов  (где i=м, с, б), характеризующие разные типоразмеры айсбергов, и хранящимися в программируемом блоке 14, определены как: ; ; .
а
i
i
а
а
а
а
а
аi
аi
аi
аi
аi
Сравнение осуществляется путем нахождения абсолютного значения разностей , ,  с последующим нахождением ближайшего  к измеренному S по меньшему из трех значению Δ=min, (i=м, с, б) и, затем выработкой признака типоразмера айсберга (м, с, б) по правилу Δ=min→признак i (i=м, с, б). Полученный в блоке 13 признак поступает в блок 15 где по присвоенным индексам i осуществляется выбор значений морфометрических характеристик айсберга l, h, H, L, M из массива статистических значений этих характеристик l, h, H, L, M, хранящихся в программируемом блоке 16. Статистические значения этих характеристик для арктических айсбергов приведены в таблице 1
а
а
а
а
а
п
экв
п
Далее выбранные значения l, h, H, L, M передаются в блок 17 для отображения. После отображения значений морфометрических характеристик обследуемого айсберга цикл работы гидролокатора повторяется. Он может начаться также с измерения значения G, но не обязательно. По выбору оператора цикл может начаться непосредственно с активного режима работы. Тогда при вычислении r в очередном цикле работы будет использовано значение G, полученное в предыдущих циклах.
Таким образом, с помощью предлагаемого устройства можно даже за один цикл зондирования осуществить дистанционную оценку не только массы, но и других, не менее важных, морфометрических характеристик айсбергов.
Источники информации
1. Криницкий С.А., Кулаков А.Х., Тимошенков В.Г. Применение гибкой протяженной антенны для оценки осадки айсбергов // в сб. докладов Третьей объединенной конференции молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб, 2013. Стр. 71-74.
2. Philippe de Heering, Peter Sutcliffe. Active sonar detection of icebergs // Onzieme colloque Gretsi-Nice du 1 er au 5 juin 1987, p. 333-336.
3. Кубышкин Н.В., Андреев О.М., Бородулин В.В., Глазовский А.Ф., Мачерет Ю.Я., Скутин А.А. Экспедиционные исследования айсбергов и ледников западного сектора российской Арктики по программе международного полярного года (2007-2008 гг.) // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Выпуск 51 (335), С-Пб., 2010, стр. 169-179.
4. Богородский А.В. Теоретическая оценка гидролокационных характеристик подводных частей айсбергов применительно к задаче их дальнего обнаружения // Гидроакустика 2011. Вып. 13 (1). С. 45-53.