ПОДВОДНЫЙ ЗОНД
SUBMERGED PROBE

Изобретение относится к области геофизических исследований, а именно к устройству зондирования гидросферы, и может быть использовано в составе зондирующих стационарных, якорных, дрейфующих и донных станций.
Известные устройства, представляющие собой зонды [1, 2, 3] или подводные зонды [4, 5, 6], содержат прочный корпус, выполненный в форме цилиндра, внутри которого размещена информационно-измерительная аппаратура, программно-управляющая аппаратура, блок энергопитания и устройство для регулирования плавучести зонда.
Технический результат известных устройств заключается в уменьшении габаритов и массы [2, 3], повышения надежности работы [5, 6], что достигается конструктивным исполнением устройств регулирования плавучести, представляющих собой сложные конструкции, включая устройство для перемещения магнитной жидкости [2, 3], камеру сгорания [5, 6].
Преимуществом данных устройств, в частности устройства [3], которое содержит корпус, включающий в себя балластный блок, состоящий из камеры, верхняя часть которой наполнена рабочей магнитной жидкостью и сообщена с нижней частью этой камеры, где происходит вытеснение или прием жидкого балласта при помощи трубки, средняя часть которой уложена по спирали в статоре асинхронного электродвигателя, который преобразует энергию вращающегося магнитного потока статора в поступательное движение рабочей жидкости, что позволяет уменьшить не только габариты зонда, но и обеспечивает регулирование положительной и отрицательной плавучести зонда, что обеспечивает его перемещение в водной среде.
Известные устройства сложны в изготовлении, занимают значительный внутренний полезный объем и как следствие этого включают минимальный состав измерительной аппаратуры, как правило, включающий датчик температуры воды, датчик гидродинамического давления и гидрофон.
Наиболее высокую информативность при проведении гидрологических исследований имеют известные устройства, приведенные в источниках [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] дополнительно, обеспечивающие измерение объемного рассеяния звука в воде, измерение профилей звука и их градиентов. Однако при исследованиях, связанных с определением гидрофизических неоднородностей, применение данных устройств ограничивается низким уровнем генерируемых антенной сигналов, что не является большим препятствием, особенно для малых и средних дистанций зондирования (100-500 м). Однако при исследованиях на больших дистанциях возникают значительные трудности. Как правило, в известных устройствах преобразователь накачки представляет собой 28-ми элементную мозаичную антенную решетку, состоящую из пьезокерамических элементов прямоугольной формы, образующих два набора с различными резонансными частотами. Излучающая поверхность преобразователя накачки имеет форму квадрата со стороной 75 мм.
Разностная частота составляет 136 кГц, частоты накачки соответственно 430 кГц и 566 кГц. Разностная частота при этом составляет 50 кГц. Ширина диаграммы направленности антенны находится в пределах 3,5 градуса. В приемниках давления используются пьезоэлементы, резонансная частота fp которых больше граничной частоты рабочего диапазона.
cm
ik
ik
Для плоской антенной решетки конструктивно оправдано применение плоских элементов, статическая чувствительность которых определяется величиной γ=gl, где g - пьезоконстанта, ik=33 для поперечного и ik=31 для продольного пьезоэффекта, l - расстояние между электродами.
Так как расстояние между электродами нельзя бесконечно увеличивать, то чувствительность таких элементов в данной антенне недостаточна, что не позволяет максимально использовать всю площадь приема.
Известно также устройство [16], представляющее собой глубоководный зонд, в котором акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, который аппаратно разделен на две части (бортовой блок и погружаемый блок). Комплекс глубоководного зонда включает в себя собственно глубоководное устройство, размещенное в двух прочных цилиндрах диаметром 150 мм, длиной около 1 м с вынесенной глубоководной параметрической антенной, приемником звука и датчиком скорости звука и бортовую аппаратуру, с помощью которой производится включение глубоководного устройства и изменение режимов его работы. Глубоководная часть соединяется с бортовой посредством кабеля КСБ-8 длиной 2000 м, намотанным на лебедку, имеющим семь токоведущих жил в резиновой изоляции и несущую стальную оплетку двойного повива.
Акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, бортовой блок формирователя которого задает режим работы параметрической антенны и осуществляет синхронизацию работы всего зонда.
Антенна накачки излучает в водную среду две акустические волны накачки с различными частотами, которые взаимодействуют между собой в процессе распространения. В результате взаимодействия в среде образуется волна с частотой, равной разности частот накачки, которая является и рабочей частотой устройства. Таким образом, в среде формируется антенна волны разностной частоты. Антенна накачки представляет собой два набора пьезокерамических преобразователей, каждый из которых подключен к своему усилителю мощности. Наборы преобразователей расположены в шахматном порядке и залиты полимерным компаундом типа КТ-65.
Излучающий тракт зонда имеет диапазон рабочих (разностных) частот 5-30 кГц (четыре дискретные частоты), частота волн накачки (средняя) 150 кГц, длительность зондирующих импульсов 0,2, 1, 5 мс. При длительности 0,2 м предусмотрено отключение одного из генераторов накачки, при этом излучается только волна накачки с частотой 150±15 кГц, ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 от максимального уровня составляет 2,5 градуса во всем диапазоне рабочих частот, диаметр антенны накачки 210 мм. В системе передачи команд применена кодово-импульсная модуляция с частотным разделением сигналов команд и синхроимпульсов.
Недостатком данного устройства является то, что оно не является автономным средством измерения, так как часть аппаратуры размещена на борту судна. Связь и передача команд управления осуществляется по кабелю, что существенно ограничивает радиус действия данного устройства. Кроме того, в известном устройстве не в полной мере обеспечивается однородность акустического поля ввиду того, что резонансная частота меньше граничной частоты рабочего диапазона.
Общим недостатком известных устройств является то, что они требуют кабельной связи с диспетчерской станцией, в роли которой, как правило, используются гидрографические суда, что существенно сужает область исследований, и при использовании известных устройств, снабженных кабельной линией, весьма трудоемкой является решение задачи по обеспечению их стабилизации, особенно в районах с сильными подводными течениями.
Задачей настоящего предложения является расширение функциональных возможностей устройств, предназначенных для гидрофизических исследований.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, представляющем собой подводный зонд, содержащий контейнер с информационно-измерительной аппаратурой, состоящей из параметрической антенны, приемника звука с приемной антенной и датчика определения скорости звука, программно-управляющей аппаратуры, блоком электропитания и устройством для регулирования плавучести с исполнительным механизмом, размещенным в нижней части контейнера и состоящим из двух частей, нижняя из которых включает в себя внутреннюю секцию, выполненную из гибкого материала, при этом стенки внешней секции перфорированы для сообщения с окружающей водной средой, а верхняя часть заполнена балластоотжимающей магнитной жидкостью и сообщена с нижней частью трубкой с управляемым вентилем, а механизм выполнен в виде асинхронного электродвигателя, внутри статора которого по спирали уложена трубка, информационно-измерительная аппаратура, содержащая датчики гидроакустических сигналов, включающих параметрическую антенну, приемник звука с приемной антенной, датчик скорости звука, в котором контейнер помещен в оболочку, выполненную в виде решетчатой конструкции, элементы конструкции которой расположены под разными углами в вертикальной и горизонтальной плоскостях и на них размещены приемные устройства датчиков информационно-измерительной аппаратуры, приемная антенна приемника звука выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией, а внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной, цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов, дополнительно введены электрическая микромашина с гребным винтом в одном корпусе с ротором, вал которой снабжен постоянным магнитом и размещенная на поворотном устройстве, установленном на оболочке контейнера, электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе, размещенная в нижней части контейнера, навигационный модуль, импульсный датчик оборотов, измеритель глубины, канал спутниковой связи.
Новыми отличительными признаками настоящего предложения являются:
- контейнер помещен в оболочку, выполненную в виде решетчатой конструкции, элементы которой расположены под разными углами в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно и на них размещены приемные устройства датчиков информационно-измерительной аппаратуры;
- приемная антенна выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией;
- внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной;
- цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов;
- дополнительно введены электрическая микромашина с гребным винтом в одном корпусе с ротором, вал которой снабжен постоянным магнитом и размещенная на поворотном устройстве, установленном на оболочке контейнера, электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе, размещенная в нижней части контейнера, навигационный модуль, импульсный датчик оборотов, измеритель глубины, канал спутниковой связи.
Совокупность новых признаков из известных устройств не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1. Структурная схема устройства включает прочный корпус 1, оболочку 2, выполненную из высокопрочного полимера, например макралона, обладающего высокой ударопрочностью, внутри корпуса 1 размещены балластный блок 3, информационно-измерительная аппаратура 4, программно-управляющая аппаратура 5, блок электропитания 6, навигационный модуль 7. На оболочке 2 установлены поворотный механизм 8, электрическая микромашина 9 с гребным винтом в одном узле с ротором, антенна 10 навигационного модуля программно-управляющей аппаратуры 5.
Оболочка 2 выполнена в виде решетчатой конструкции, на элементах которой установлены приемные устройства датчиков измерительной аппаратуры, элементы решетчатой конструкции расположены под разными углами в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно, что обеспечивает увеличение парусности зонда при проведении гидрологических исследований в режиме при нахождении зонда в дрейфе, а также выполняет функцию стабилизации зонда при воздействии ветра и волнения при нахождении зонда на водной поверхности, а также на горизонтах подводных течений.3
Фиг.2. Балластный блок 3 состоит из верхней части 11 камеры с балластоотжимающей магнитной жидкостью 12, сообщающейся с нижней частью 13 камеры через трубку 14, уложенную по спирали внутри статора 15 асинхронного электродвигателя. Перед нижней частью 13 камеры размещен управляемый вентиль 16. Нижняя часть 13 разделена вялой мембраной 17 на две секции, стенки внешней секции нижней части 13 камеры имеют отверстия 18 для обеспечения протока балласта (воды окружающей среды) при его отжиме (приеме). Балластный блок 3 в составе зонда закрепляется в нижней части корпуса 1 зонда, имеющего нулевую плавучесть.
2
1
Фиг.3. Электрическая микромашина 9 с гребным винтом в одном корпусе с ротором, фиг.3а - продольный разрез микромашины, фиг.3б - поперечный разрез корпуса насадки 22, фиг.3в - вид крышки 27 со стороны винта 21 проекции диска 31, фиг.3г - поворотная крестообразная заслонка 30 с дисками 31. Электрическая микромашина 9 содержит корпус 19 микромашины, на вал 20 которой посажен гребной винт 21 с фиксированным шагом, заключенный в облегченную насадку 22, вмонтированную на внешнюю поверхность корпуса 19 микромашины по скользящей посадке, имеющую со стороны концов лопастей винта 21 (фиг.3а) восемь концентрично расположенных отверстий 23 для всасывания забортной воды. Для закрытия отверстий 23 в насадке 22 размещено кольцо 24, имеющее тоже восемь отверстий 25 такого же диаметра для регулирования подачи забортной воды на гребной винт 21. Кольцо 24 установлено на корпусе насадки 22 по скользящей посадке и для фиксации кольца 24 при регулировании струи всасываемой воды оно упирается в буртик 26 на корпусе насадки 22. Насадка 22 со стороны диска винта 21 закрыта крышкой 27 (фиг.3б) с четырьмя отверстиями 28, расположенными симметрично относительно друг друга, т.е. под углом 2β, равным 90 градусам, для выхода струи воды от винта 21. Отверстия 28 имеют диаметр, меньший, чем расстояния между двумя соседними отверстиями. Крышка 27 прикреплена к корпусу насадки 22. Для регулирования упора винта 21 путем закрытия отверстий 28 за крышкой 27 размещена поворотная крестообразная заслонка 30, имеющая четыре диска 31 с диаметром D (фиг.3г). Диаметр диска 31 перекрывает диаметр D отверстия 28 в крышке 27 и равен расстоянию между двумя соседними отверстиями 28. Для вращения крестообразной заслонки 30 с дисками 31 выведен с торца электропривод 32, который жестко укреплен через две шпонки 34 со ступицей 33.
Насадка 22 прикреплена к корпусу 19 винтами 35 с помощью кольца 36 из нержавеющей стали.
Для исключения контактной коррозии в морской воде гребной винт 21, насадка 22, кольцо 24, крышка 27, заслонка 30 с приваренными дисками 31, электропривод 32 выполнены из антикоррозийной высоко прочной нержавеющей стали. Аналог патент РФ 1835114 А3.
Фиг.4. Электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе.
Фиг.4а. Продольный разрез микромашины.
Фиг.4б. Ротор с выступами без постоянных магнитов и втулки.
Фиг.4в. Вид сбоку по стрелке А.
Фиг.4г. Сечение по В-В.
Электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе содержит корпус 37, который выполняется из антикоррозийного материала, в корпусе запрессован пакет 38 железа статора. По торцам пакета 38 в корпусе 37 запрессованы диски-протекторы 39 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт по всей поверхности с сердечником пакета 38 статора. Диски предназначены для исключения контактной коррозии пакета 38 статора, ротора, подшипниковых щитов и втулки ротора с переводом их в катодное состояние. В пазы пакета 38 статора укладываются многофазная протяжная обмотка 40 из обмоточного провода с полимерной изоляцией. Пазы статора выполнены закрытыми. Ротор 41 с валом 42 и выступами 43 представляет собой (фиг.4в) единую монолитную конструкцию из высокопрочной антикоррозийной немагнитной нержавеющей стали, например, марки ДИ48-ВД или 20Х13, обладающей высокими механическими характеристиками. На термообработанных концах вала 42 имеются отшлифованные опорные 44 и упорные 45 поверхности, выполняющие функции подвижных скользящих частей подшипников. На активную часть ротора 41 между выступами 43, имеющими угол наклона β боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения, вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном β контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты в виде сегментов 46 (фиг.4г) цилиндрической трубы. Количество сегментов равно числу полюсов, в данном варианте оно равно двум, а их длина равна длине 1 пакета сердечника статора, толщина сегментов h определяется расчетом. На выступы 43 и сегменты 46 напрессовывается втулка 47, равная их длине и выполненная из антикоррозийного немагнитного материала, например 40Х13. С торцов ротора 41 на длинах d (фиг.4б) постоянные магниты 46 и втулка 47 фиксируются крепежными кольцами 48, выполненными из того же материала, что и ротор, методом тугой посадки. Подшипниковые щиты 49 с отверстиями 50 для входа охлаждающей забортной воды и отверстиями 51 для выхода воды вмонтированы в замки корпуса 37 статора по скользящей посадке и прижаты с внешней стороны кольцами 52 из нержавеющей стали, которые закрепляются винтами к корпусу 37 со стороны внешней цилиндрической поверхности.
Подшипниковые щиты 48, имеющие, как и шейки вала 42 ротора, отшлифованные опорные 44 и упорные 45 поверхности, выполняют функции неподвижных частей подшипников скольжения, которые имеют по отношению к шейкам вала 42 рабочий зазор.
Между расточкой статора и втулкой 47 ротора 41 имеется немагнитный рабочий зазор 53, определяемый расчетами и габаритами микромашины. Для уменьшения веса, габаритов и исключения контактной коррозии микромашины корпус 37 и втулка 47 ротора выполнены из углепластика марки УГЭТ-Т или ФУТ на основе углеволокна или углеткани. Подшипниковые щиты 49 выполнены из металлокерамики, а сердечник пакета статора - из магнитной антикоррозийной нержавеющей стали марки 00Х13. Аналог патент РФ 2041545 C1.
Фиг.5. Блок-схема информационно-измерительной аппаратуры включает синхронизатор 54, формирователь импульсов запуска 55, модуляторы 56 и 60, блок генераторов 57, блок запуска команд 58, преобразователь кода команд 59, сумматор 61, схему разделения сигналов команд и синхроимпульсов 62, дешифратор команд 63, генераторы 64 и 65, импульсный генератор 66, усилители мощности 67 и 68, антенну накачки 69, усилитель высокой частоты 70, преобразователь 71, схему первичной обработки 72, гидрофон 73, усилители 74 и 75, фильтр 76, стробирующее устройство 77, согласующие устройства 78 и 79, датчик скорости звука 80, схему первичной обработки 81, преобразователь 82, частотный детектор 83, фильтр низких частот 84, опорный генератор 85, регистрирующее устройство 86.
Фиг.6. Программно-управляющая аппаратура 5 включает кодер 87, устройство формирования пакетов 88, устройство формирования алгоритма 89, устройство управления 90, согласующее устройство 91, блок сбора, обработки информации и картирования подводной обстановки 92. Блок управления 90 состоит из ПЗУ микрокоманд, ПЗУ управления выбором адреса, БИС микропрограммного управления, двух микропроцессоров, ПЗУ, ОЗУ, схемы формирования переносов, буферных регистров, пяти магистралей - магистрали адреса, магистрали микрокоманд, магистрали D, магистрали М, магистрали L аналого-цифровых преобразователей.
Фиг.7. Навигационной модуль 7 состоит из магнитного компаса 93, инерциально-измерительной схемы 94, приемоиндикатора 95, антенно-фидерного устройства 96 с антенной 10, схемы 97 приема и обработки сигналов контроллера 98, включающего интерфейсы RS232 - до 8 каналов, ЕРР/ЕСР - 1 канал, параллельную 8-ми разрядную шину - 12 каналов, линию управления питанием внешних устройств 5/12 В, до 0,5 А - до 8 линий, SPI до 3 каналов, 12S - до 2 каналов, CAN-канал, USB - 1 канал, ультразвуковой канал - 1, оптоволоконный модем - 1, радиомодем - 1, FLASH-память до 4 Гбайт, часы реального времени, входные фильтры аналоговых каналов, микропроцессор.
Фиг.8. Блок сбора, обработки информации и картирования подводной обстановки 92 состоит приемных регистров 99, блока системной магистрали 100, усилителя 101, диспетчера памяти 102, операционного блока 103, блока управления потоком команд 104, блока микропрограммного управления 105, блока прерываний 106, выходных регистров 107, датчика определения солености 108, датчиков температуры воды и воздуха 109, измерителя глубины 110, датчиков гидростатического 111 и атмосферного 112 давления, измерителя параметров ветра 113, импульсного датчика 114 оборотов вала электрической микромашины 9, схемы обработки и картирования подводной обстановки 115.
Фиг.9. Импульсный датчик 114 оборотов вала электрической микромашины 9 включает постоянный магнит 116, вмонтированный в вал 20 электрической микромашины 9, катушку индуктивности 117, усилитель 118, триггер Шмидта 119, умножитель частоты 120, счетчик 121, стабилизированный генератор 122, устройство памяти 123.
В качестве датчика атмосферного давления 112 использован датчик РТВ-10 с пределами атмосферного давления 600-1100 гПа и точностью измерения 1 гПа. С атмосферой датчик соединяется тонкой эластичной трубкой, проходящей внутри герметичного разъема и выходящей на траверсу, где расположена антенна 10.
В качестве датчика температуры воздуха 109 использован датчик ТСП-002-03 с диапазоном измерения от -50 до +60 градусов С, с погрешностью, равной ±0,15 градусов С. Этот же датчик используется и для измерения температуры воды в диапазоне от -2 до +32 градусов.
В качестве датчика давления использован датчик, имеющий диапазон измерения давления от 0 до 10 м, с погрешностью 0,1% и диапазон измерения температуры воды от -2 до +32 градусов С, с погрешностью 0,05 градуса С.
Фиг.10. Схема 97 приема и обработки сигналов включает формирователь 124 характеристики направленности, широкополосный фильтр 125 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 126, АЦП 127, узкополосный фильтр 128, детектор 129, интегратор 130, пороговую схему 131, широкополосный фильтр 132 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 133, узкополосные фильтры 134 и 135, детекторы 136 и 137, интеграторы 138 и 139, схему 140 выбора максимума, решающую схему 141. Блоки 124÷131 обеспечивают прием сигналов от информационно-измерительной аппаратуры 4, а блоки 132÷141 предназначены для обработки принятых сигналов.
Данная схема обеспечивает связь по гидроакустическому каналу связи, при работе зонда в районах оснащенных донными гидроакустическими маяками или береговой диспетчерской станцией.
В качестве сигналов местоположения использованы тональные сигналы с частотой 3 кГц, излучаемые как в автоматическом режиме по специальной программе, так и в режиме запроса.
ш
y
ш
y
Так как для систем передачи информации, основанных на использовании тональных сигналов, помехоустойчивость системы определяется помехоустойчивостью обнаружителей сигнала "Включение" и обнаружителей информационных сигналов, для обнаружения сигналов "Включение", представляющего собой отрезок гармонического колебания длительностью, использован метод неоптимального некогерентного прием, обеспечивающий широкополосный приема с интегрированием после детектора 129. Функционально схема приема сигнала "включение" включает формирователь характеристики направленности 124, обеспечивающий предварительное усиление и формирование ненаправленного пространственного канала с антенны 10 при нахождении зонда на водной поверхности, широкополосный фильтр 124 с полосой ΔF, ограничитель 125 и узкополосный фильтр 128 с полосой ΔF, образующую схему, обеспечивающую при условии ΔF/ΔF>>1 стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и обеспечивает выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 126, узкополосный фильтр 128, обеспечивающий формирование рабочих частот, детектор 129, имеющий линейную характеристику, интегратор 130, представляющий собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания
u
ΔF=1/Т, где Т=2 с (длительность символа), пороговую схему 131, построенную на основании критерия Неймана-Пирсона, поскольку вероятность появления на ее входе сигнала существенно ниже вероятности его отсутствия.
ш
y
ш
у
u
Функциональная схема обработки сигнала включает широкополосный фильтр 132 с полосой ΔF, ограничитель 133 и узкополосные фильтры 134 и 135 с полосой ΔF, которые образуют схему, обеспечивающую при условии ΔF/ΔF>>1 стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 133, детекторы 136 и 137, имеющие линейную характеристику, интеграторы 138 и 139, которые представляет собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания ΔF=1/Т, где Т=0,5 с (длительность символа), схему выбора максимума 140, обеспечивающую отбор максимального сигнала для последующего сравнения его с заданным порогом, решающую схему 144, построенную на основании критерия идеального наблюдателя, поскольку весомость ошибок типа "ложная тревога" и типа "пропуск сигнала" можно считать одинаковым, то порог в схеме выбран из условия минимизации полной вероятности ошибки, при этом после превышения порога в схему выбора максимума 140 поступает команда на отключение канала с максимальным сигналом.
Таким образом, обработка сигнала при приеме сообщения сводится к обнаружению отдельных тональных сигналов с вероятностями F и D такими, чтобы сумма F+(1-D) не превышала 0,01, причем F+1-D.
Фиг.11. Измеритель глубины 110 включает пьезокерамические акустические преобразователи 142 и 143, образующие антенну, предназначенную как для излучения, так и для приема сигналов. В цикле излучения преобразователи 142 и 143 соединены параллельно, а во время цикла приема эхо-сигналов они работают независимо друг от друга. Коммутаторы 144 и 145, построенные по принципу амплитудных ограничителей, выполняют стандартные функции, заключающиеся в том, что во время импульса посылки они обеспечивают подключение преобразователей 142 и 143 к усилителям мощности 146 и 147 и одновременно защищают приемные усилители 148 и 149 от сигнала излучения. В интервалы времени, отведенные для приема эхо-сигналов, коммутаторы 144 и 145 обеспечивают прохождение эхо-сигналов на приемные усилители 148 и 149. Уровень сигналов на выходе приемных усилителей таков, что позволяет провести квантование сигналов по времени, которое осуществляется устройствами квантования 150 и 151 по времени, с которых сигналы поступают через синхронизатор 152 на корреляционное устройство 153. Синхронизатор 152 также выдает на устройства квантования 150 и 151 командные сигналы для проведения операции квантования и вырабатывает для усилителей мощности 146 и 147 сигнал несущей частоты и команду на излучение, а также необходимые сигналы для блока управления 154. Корреляционное устройство 153 определяет время задержки между сигналами. В блоке обработки 155 по промежутку времени между излучением акустического импульса и приемом эхо-сигнала в соответствии с зависимостью Н=ct/2 определяется глубина Н от днища зонда до дна, где с - скорость распространения звука в воде, t - промежуток времени между излучением и приемом отраженного сигнала.
Аналогами измерителя глубины являются устройства, приведенные в источниках информации: New Ships/Die Neubauten, 1974, XII, Jahrgang 19, №12, р.344. Судовые измерители скорости. / Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В. - Л.: Судостроение, 1978, с.172.
Фиг.12. Блок сбора, обработки информации и картирования подводной обстановки 92 включает цифровую схему обработки сигналов, состоящую из блока системной магистрали 156, диспетчера памяти 157, усилителя 158, операционного блока 159, блока управления потоком команд 160, блока микропрограммного управления 161, блока прерываний 162, электронной картографической системы 163.
Навигационный модуль 7 при нахождении зонда на поверхности предназначен для приема через антенну 10 командных сигналов на включение той или иной аппаратуры через программно-управляющую аппаратуру 5, установленную на зонде. Кроме того, навигационный модуль принимает от спутниковой навигационной системы координаты местонахождения зонда в географической системе координат посредством приемоиндикатора 94 с антенны 10 и антенно-фидерного устройства 96. Посредством инерциально-измерительной схемы вырабатываются следующие параметры: координаты (φ, λ), скорость V (по приращению координат), курс К посредством магнитного компаса 93, углы качки (θ, Ψ), угловые скорости качек и рыскания, угловые ускорения качек и рыскания, линейные ускорения, высота волн 3% обеспеченности в соответствии с известными алгоритмами, которые заключаются в следующем (см., например, описание к патенту РФ №2270464).
В основу измерения профиля волнения положен интегральный метод, основанный на косвенном определении профиля волнения исходя лишь из данных о вертикальной скорости перемещения зонда на водной поверхности в соответствии с зависимостью
,
где S - перемещение устройства за время Т;
V(t) - скорость перемещения устройства.
Перемещение устройства в конкретный момент определяют по формуле
,
где S(t) - положение устройства в текущий момент;
0
S - положение устройства в предыдущий момент;
а - ускорение.
Данный метод позволяет полностью исключить из обработки грубые измерения высоты и получить информацию о движении зонда лишь по высокоточным данным о скорости.
i
i
c
Для исключения сильно зашумленных кодовых измерений высоты фазовыми скоростями перемещений зонда применен субоптимальный фильтр. Текущая оценка Z с помощью любого линейного фильтра в виде суммы прогноза Z и фильтрованной оценки текущего измерения: , где  - текущее значение измерения; α - коэффициент передачи, определяет постоянную времени фильтра α=lτ;
Поскольку оценка Z формируется в спутниковых приемниках из высокоточных фазовых измерений, воспроизводящих динамику зонда с миллиметровой (субмиллиметровой) точностью, формула (2) определяет самый высокоточный прогноз для любого линейного фильтра спутниковых измерений. Подставляя (2) в (1), получим α - БИХ фильтр, оптимальным образом сглаживающий кодовые измерения фазовыми:
Результатом обработки являются оптимальным образом сглаженные кодовые измерения, однако данный фильтр не может убрать постоянный низкочастотный тренд ошибок высотных измерений в силу достаточно большой величины α. Для исключения этого тренда достаточно применить к уже сглаженной оценке этот же самый фильтр повторно, но с большим коэффициентом α (глубокое сглаживание). Анализ низкочастотного шума позволяет сделать вывод, что компромиссным вариантом будет выбор α=0,15 1/с. Далее выполняется центрирование (вычитание из оценки тренда). После исключения тренда производится вычисление дисперсии полученной центрированной оценки:
,
i
где H - значения центрированного тренда,
N - количество значений в выборке.
2
Амплитуда колебаний выводится через дисперсию А=2σ, где А - искомая амплитуда, σ - средняя квадратическая ошибка.
Далее производится вычисление периода волн методом подсчета числа пересечений волновым профилем нулевой линии.
При этом посредством спутниковой навигационной системы типа СН-3800 определяется вектор скорости течения водной поверхности по изменению горизонтального перемещения зонда.
i
i
1
2
1
2
Высота волны h определяется как h=r+r, где r - высота предыдущего полупериода, r - высота последующего полупериода. При наличии нескольких одинаковых максимальных амплитуд за полупериод для расчета высоты волны используется любая из них. После определения значений высот волн и их количества в реализации рассчитывается среднее значение высоты волны
, где m - число волн за время измерения 20 минут.
3%
Для определения высоты волны 3% обеспеченности из массива высот волн отбирается 20 максимальных волн, которые располагаются по мере убывания с присвоением порядкового индекса от 1 до 20, начиная с максимальной амплитуды. Затем вычисляется индекс 3% обеспеченности К=3m/100. Высота волны, соответствующая этому индексу, будет трехпроцентной.
При установке большой группы дрейфующих станций средства связи могут также включать ретранслятор, который осуществляет прием радиосигнала от дрейфующей станции в диапазоне ДМВ (401-403 МГц), объединение с сигналами других дрейфующих станций в общий групповой сигнал и одновременную передачу на наземные пункты приема в двух стволах диапазона СМВ (4/6, 7/8 ГГц), а при необходимости в состав средств связи может входить и береговая станция спутниковой связи 5, которая осуществляет прием излучаемого группового сигнала ретранслятора и содержит аппаратуру восстановления сообщений, включающую декодер и устройство обработки и восстановления сообщений, запоминающее устройство, устройство управления.
При нахождении в подводном положении и при движении зонда навигационный модуль 7 вырабатывает счислимые координаты по данным магнитного компаса 93 и импульсного датчика 114 оборотов вала (фиг.8), в котором при вращении вала 20 электрической микромашины 9 с гребным винтом на валу 20 с закрепленным на нем постоянным магнитом 116 в катушке индуктивности 117 наводится ЭДС, которая преобразуется в импульсы, которые усиливаются в усилителе 118 до уровня, необходимого для нормальной работы схемы. Посредством триггера Шмидта 119 производится формирование прямоугольных импульсов, частота следования которых далее удваивается в умножителе частоты 120. Эти импульсы поступают на счетчик 121, который подсчитывает их количество в течение 1 с. Результаты подсчета поступают в устройство памяти 123, которое обеспечивает хранение подсчитанного числа импульсов на время последующего цикла работы счетчика по окончании цикла перехода зонда из одной точки в другую, счетчик сбрасывается на ноль. Интервал подсчета импульсов задается посредством стабилизированного генератора 122, который также управляет работой устройства памяти 123. При известной относительной поступи гребного винта на один оборот подсчет импульсов в течение 1 с дает значение скорости в м/с: V=PN/Δt, где Р - путь гребного винта в воде за один оборот (относительная поступь гребного винта), N - число импульсов, Δt=1 с.
Аналогом импульсного датчика 114 является устройство, описанное в источниках: Radio Plans, 1974, №302, p.21-24. Судовые измерители скорости. / Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В., Л.: Судостроение, 1978, с.111.
Балластный блок 3, как и в прототипе [3], закреплен в нижней части корпуса зонда, и его работа заключается в следующем. По команде программно-управляющей аппаратуры 5 от блока электропитания 6 подается переменное напряжение на статор 15 асинхронного электродвигателя подается переменное напряжение, причем фазировка электропитания осуществляется таким образом, что вращение магнитного поля направлено от верхней части 11 камеры к нижней части 13 камеры.
Магнитная жидкость 12 под напором вращения магнитного поля статора перетекает из верхней части 11 камеры, оказывая давление на растягивающую вялую мембрану 17 и отжимая балласт из внешней секции нижней части 13 камеры через отверстия 18, при этом зонд приобретает положительную плавучесть и всплывает. После заполнения нижней части 13 камеры магнитной балластоотжимающей жидкостью 12 по команде программно-управляющей аппаратуры 5 вентиль 16 запирается, т.е. для достижения положительной плавучести зонда используется энергия вращающегося магнитного поля статора асинхронного электродвигателя переменного тока, отжимающим балласт агентом является магнитная жидкость для зондирования средних (сотни метров) глубин гидросферы. Балластный блок 3 монтируется в нижней части контейнера зонда, который после всплытия зонда остается ниже ватерлинии, т.е. под водой. Для погружения зонда по команде программно-управляющей аппаратуры 5 вентиль 16 открывается и под давлением окружающей водной среды на вялую мембрану 17 магнитная жидкость отжимается из внутренней секции нижней части 13 камеры через трубку 14 в верхнюю часть камеры, что приводит к увеличению плотности зонда. Он приобретает отрицательную плавучесть и погружается.
Ввиду того что блок электропитания 6 имеет ограниченный ресурс, то в нижней части 13 камеры дополнительно установлена электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе (фиг.4), которая используется в двух режимах, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. При работе в режиме генератора она обеспечивает питанием всю остальную аппаратуру. При работе в режиме двигателя она через червячно-зубчатую передачу связана с поворотным механизмом 8, представляющим собой дифференциально-фрикционный механизмом с диском, на котором установлена электрическая микромашина 9 с гребным винтом. Поворотный механизм 8 предназначен для разворота двигателя в горизонтальной плоскости для изменения направления движения зонда в горизонтальной плоскости в диапазоне 360 градусов.
Размещение данной электрической микромашины в нижней части камеры обусловлено обеспечением его охлаждения в период работы.
Работа электрической микромашины 9 заключается в следующем: после размещения на полигоне зонда или группы зондов по команде через спутниковый канал связи программно-управляющей аппаратурой 5 подается команда на подачу питания и включение устройства. При этом гребной винт будет вращаться с постоянной частотой вращения в одну сторону на передвижение зонда вперед. Максимальная скорость зонда будет, когда отверстия насадки и отверстия кольца совмещены, т.е. полностью открыты для всасывания забортной воды. При этом отверстия в крышке открыты для выхода струи воды от винта, т.е. диски заслонки находятся между отверстиями, это достигается поворотом электропривода на угол β=45 градусов.
Оптимальным пропульсивным КПД винта будет при условии, когда количество всасываемой воды равно количеству вталкиваемой воды. Для уменьшения скорости передвижения посредством электропривода уменьшают угол β от 45 до 0 градусов, закрывая отверстия в крышке, тем самым уменьшая выход струи воды. При β=0 диски закроют отверстия в крышке и прекратится выход струи воды, упор винта будет отсутствовать и скорость передвижения зонда становится равной нулю, при этом гребной винт будет работать в кавитационном режиме вхолостую и через отверстие в корпусе насадки и отверстие кольца вода будет входить и выходить. Так как отверстия концентричны, то электродвигатель, подвешенный на корпусе зонда, будет находиться в статическом равновесии. Манипулируя закрытием и открытием отверстия на насадке и на крышке, обеспечивается возможность регулировать скорость передвижения зонда в широком диапазоне при выполнении гидрофизических работ на акватории полигона. Реверс осуществляется посредством поворотного устройства 8.
Схема информационно-измерительной аппаратуры 4 работает следующим образом. Акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются антенной накачки 69 (фиг.5). Формирователь импульсов запуска 55 задает режим работы антенны 69 и осуществляет синхронизацию работы всей гидроакустической схемы. Формирователь импульсов запуска 55 осуществляет нормировку импульсов по амплитуде и длительности. Блок генераторов 57 вырабатывает сигналы с частотами 1,9 кГц для кодировки импульсов команд и 6,3 кГц для кодировки импульсов синхронизации, а также импульсы для формирования сигналов команд. В блоке запуска команд 58 осуществляется набор кода команды и посылка кода. Код команды в преобразователе кода команд 59 преобразуется в соответствующую набранному коду последовательность импульсов. Последовательности импульсов кода и импульсы синхронизации заполняются в модуляторах 56 и 60 колебаниями соответствующих частот, суммируются в сумматоре 61 и поступают на схему разделения сигналов команд и синхроимпульсов 62. Далее синхроимпульсы поступают на запуск импульсного генератора 66, а последовательность командных импульсов - на дешифратор команд 63, в котором происходит разделение кодов для управления частотой генераторов 64 и 65 и длительностью посылки, вырабатываемой импульсным генератором 66. Сигналы с генераторов 64 и 65, промодулированные импульсами импульсного генератора 66, поступают на усилители мощности 67 и 68, а затем на антенну накачки 69, которая излучает в водную среду две акустические волны накачки с разными частотами, которые взаимодействуют между собой в процессе распространения. В результате взаимодействия в среде образуется волна с частотой, равной разности частот накачки, которая и является рабочей частотой.
Антенна накачки 69 представляет собой два набора пьезокерамических преобразователей, каждый из которых подключен к своему усилителю мощности, и выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией, а внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной, цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов.
В системе передачи команд применена кодово-импульсная модуляция с частотным разделением сигналов команд и синхроимпульсов.
Сигналы с антенны накачки 69 поступают на усилитель высокой частоты 70 и далее на преобразователь 71, который необходим для снижения частоты в область рабочих частот схемы первичной обработки 72. Далее сигналы через усилитель 75 поступают на фильтр 76 и через стробирующее устройство 77 и согласующее устройство 78 поступают на регистрирующее устройство 86 для измерения отраженных акустических сигналов.
Гидрофон 73 принимает сигналы, рассеянные в водной среде. При этом один из каналов антенны накачки 69 работает в режиме излучения на частоте 150±15 кГц, а второй работает в приемном режиме. Второй канал соединен с усилителем 74, через который сигналы поступают на фильтр 76.
Измерение скорости звука осуществляется посредством датчика скорости звука 80, частотно-модулированные сигналы с которого через схему первичной обработки 81 и преобразователь 82, на который поступают также сигналы с опорного генератора 85, далее поступают на частотный детектор 83, а затем проходят на фильтр низких частот 84, который обрезает высокочастотные составляющие несущей частоты. Сигналы, пропорциональные скорости звука, с фильтра низких частот 84 через согласующее устройство 79 поступают на регистрирующее устройство 86.
Датчик скорости звука 80 представляет собой циклический скоростемер (см., например: Гусев М.Н., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. / Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-57. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы, Ростов-на-Дону. РосИздат, 2004, с.299-302), сигнал с которого представляет колебания с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой, причем изменение частоты соответствует изменению скорости звука.
Посредством данных акустических средств выполняются измерения объемного рассеяния звука в воде и измерения профилей скорости звука и их градиентов. Ввод новых устройств и узлов позволяет использовать зонд в качестве автономного средства зондирования гидросферы на разных горизонтах водной поверхности с получением первоначальной информации о состоянии гидросферы в существенно большем объеме, чем посредством известных аналогичных устройств.
Вновь введенные устройства и элементы построены на базе аналогов, имеющих промышленную применимость, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1372801.
2. Авторское свидетельство СССР №1354572.
3. Авторское свидетельство СССР №1413849.
4. Авторское свидетельство СССР №1354572.
5. Авторское свидетельство СССР №1419031.
6. Авторское свидетельство СССР №1419030.
7. Патент CA №1310101.
8. Патент US №5136549.
9. Патент US №5128907.
10. Патент NO №923428.
11. Патент NO №924654.
12. Патент NO №955258.
13. Патент NO №922223.
14. Патент NO №864300.
15. Патент NO №911639.
16. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону. РостИздат, 2004, с.293-302.