Интерферометрический гидролокатор бокового обзора

Предлагаемая полезная модель относится к гидроакустическим системам и может быть использована для исследования рельефа дна.
Известен «Способ определения глубин в реальном масштабе времени при обследовании рельефа дна гидролокатором бокового обзора с последующим его восстановлением» (RU 2521127 С2, опубл. 27.06.2014 г., МПК G01S 15/89), включающий измерения времени задержки синфазных сигналов донной реверберации, принимаемых двумя антеннами, разнесенными по вертикали на несколько длин волн упругих колебаний, и разрешение неоднозначности измерений, вычисление глубин. Далее при каждом совпадении фаз интерферирующих сигналов регистрируют мгновенное значение частоты сигнала в нижнем канале, измеряют время запаздывания появления сигнала в верхнем канале с тем же значением мгновенной частоты, измеренное значение времени запаздывания умножают на значение рабочей частоты интерферометра, определяют порядковую нумерацию ряда измерений задержки прихода синфазных сигналов в период каждого зондирования в реальном масштабе времени. Глубины вычисляют, соответствующие каждой интерференционной полосе, а при последующем восстановлении рельефа дна по измеренным глубинам выполняют оценку репрезентативности (значимости) критических точек рельефа путем представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба.
n
n
Этот способ реализуется посредством гидролокатора бокового обзора. Гидролокатор бокового обзора включает генератор зондирующих импульсов, приемопередающую верхнюю антенну, схему измерения времени t приемопередающую нижнюю антенну, интерферометр, схему измерения времени Δt селектор, частотный детектор, опорный генератор, запоминающее устройство, схему сравнения амплитуд, частотный детектор, вычислитель, антенный коммутатор, устройство отображения и документирования.
0
0
С генератора зондирующих импульсов в момент времени t импульс с несущей частотой F через антенный коммутатор поступает на приемопередающую антенну.
n
n
n
n
n
Одновременно передним фронтом этого импульса запускается схема измерения времени t. За период приема сигналов донной реверберации антеннами, в моменты совпадения фаз сигналов на этих антеннах с выхода интерферометра на схему поступает импульс для снятия очередного отсчета времени t, на запуск схемы измерения времени Δt и на селектор. В селекторе в момент t производится выборка значения напряжения сигнала, поступающего с частотного детектора, при этом значение выборки пропорционально уходу мгновенной частоты сигнала от частоты опорного генератора. Значение выборки напряжения сигнала мгновенной частоты фиксируется в запоминающем устройстве в своей ячейке памяти для каждой интерференционной полосы и подается на схему сравнения амплитуд. В момент появления на втором входе схемы сравнения амплитуд такого же значения напряжения сигнала, вырабатываемого частотным детектором, с выхода схемы сравнения амплитуд на схему поступает импульс для снятия отсчета времени Δt.
n
n
n
n
n
Измеренные значения t и соответствующие им значения Δt подаются на вычислитель, где последовательно вычисляется заданный ряд величин D и n и соответствующие им значения Z и Y. Значения Zn и Yn, увязанные со временем, поступают на устройство отображения и документирования.
Существенным недостатком этого технического решения является трудоемкая процедура обработки принимаемых данных, а также отсутствие разрешения в вертикальной плоскости при резких перепадах рельефа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому интерферометрическому гидролокатору бокового обзора является «Фазовый гидролокатор бокового обзора» (RU 2510045 С2, опубл. 20.03.2014 г., МПК G01S 15/00). Он содержит излучатель, приемник, датчик измерения углов бортовой качки, блок управления и регистратор, соединенные с вычислителем. Кроме того, фазовый гидролокатор бокового обзора содержит датчик измерения углов килевой качки, программный блок, анализатор спектра отраженного сигнала, монитор, вычислитель дополнительно соединен с выходами судового эхолота, судовой приемник спутниковых навигационных систем, датчик измерения углов килевой качки, программный блок и анализатор спектра отраженного сигнала.
Существенными недостатками этого устройства является то обстоятельство, что при расчетах глубин учитывается изменение только углов бортовой и килевой качки, в то время как результаты измерений будут отягощены влиянием непостоянства скорости звука в водной среде, кроме того, недостатком этого устройства является отсутствие разрешения в вертикальной плоскости при резких перепадах рельефа.
Техническим результатом предлагаемого интерферометрического гидролокатора бокового обзора является повышение точности определения глубин и устранение неоднозначности в вертикальной плоскости при резких перепадах рельефа.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что интерферометрический гидролокатор бокового обзора содержит приемопередающую антенну, антенный переключатель, приемное устройство, датчик крен-дифферента, датчик курса, вычислитель, выход которого соединен с первым входом устройства индикации и навигационную систему.
Новыми признаками предлагаемого технического решения то, что дополнительно введены блок приемных антенн, усилитель мощности, формирователь импульсных последовательностей, задающий генератор, устройство цифрового формирования диаграммы направленности на прием, датчик скорости звука и пульт управления, причем приемное устройство выполнено многоканальным. N выходов блока приемных антенн соединены с соответствующими N входами многоканального приемного устройства, приемопередающая антенна соединена с входом-выходом антенного переключателя, второй вход которого соединен с выходом усилителя мощности, вход усилителя мощности подключен к первому выходу формирователя импульсных последовательностей, первый вход формирователя импульсных последовательностей соединен с выходом задающего генератора. Второй вход формирователя импульсных последовательностей подключен к выходу пульта управления, выход антенного переключателя подключен к N+1 входу многоканального приемного устройства, второй выход формирователя импульсных последовательностей соединен с N+2 входом многоканального приемного устройства, вторым входом устройства индикации, N+3 входом вычислителя, N+2 входом устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием. N+1 выходы многоканального приемного устройства соединены с соответствующими N+1 входами устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием, выход которого подключен к N+2 входу вычислителя, N+6 вход вычислителя соединен с выходом навигационной системы, N+7 вход вычислителя подключен к датчику крен-дифферента, N+4 вход вычислителя соединен с датчиком курса, N+5 вход вычислителя соединен с датчиком скорости звука, a N+1 выходы многоканального приемного устройства подключены к соответствующим N+1 входам вычислителя, где N - целое число больше или равно 1.
На фиг. 1 представлена функциональная схема интерферометрического гидролокатора бокового обзора.
На фиг. 2 представлен пример выполнения многоканального приемного устройства Интерферометрический гидролокатор бокового обзора состоит из блока приемных антенн 1, приемопередающей антенны 2, антенного переключателя 3, усилителя мощности 4, формирователя импульсных последовательностей 5, задающего генератора 6, пульта управления 7, многоканального приемного устройства 8, устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9, устройства индикации 10, датчика крен-дифферент 11, датчика скорости звука 12, датчика курса 13, навигационной системы 14, вычислителя 15.
Выход вычислителя 15 соединен с первым входом устройства индикации 10. N выходов блока приемных антенн 1 соединены с соответствующими N входами многоканального приемного устройства 8.
Приемопередающая антенна 2 соединена с входом-выходом антенного переключателя 3, второй вход которого соединен с выходом усилителя мощности 4, вход усилителя мощности 4 подключен к первому выходу формирователя импульсных последовательностей 5, первый вход формирователя импульсных последовательностей 5 соединен с выходом задающего генератора 6. Второй вход формирователя импульсных последовательностей 5 соединен с выходом пульта управления 7. Выход антенного переключателя 3 подключен к N+1 входу многоканального приемного устройства 8. Второй выход формирователя импульсных последовательностей 5 соединен с N+2 входом многоканального приемного устройства 8, вторым входом устройства индикации 10, N+3 входом вычислителя 15, N+2 входом устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9. N+1 выходы многоканального приемного устройства 8 соединены с соответствующими N+1 входами устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9, выход которого подключен к N+2 входу вычислителя 15. N+6 вход вычислителя 15 соединен с выходом навигационной системы 14, N+7 вход вычислителя 15 подключен к датчику крен-дифферента 11, N+4 вход вычислителя 15 соединен с датчиком курса 13, N+5 вход вычислителя 15 соединен с датчиком скорости звука 12, a N+1 выходы многоканального приемного устройства 8 подключены к соответствующим N+1 входам вычислителя 15, где N - целое число больше или равно 1.
Многоканальное приемное устройство, пример которого приведен на фиг. 2 состоит из N приемных каналов 16, 18, 20, 22 и N аналого-цифровых преобразователей 17, 19, 21, 23. Интерферометрический гидролокатор бокового обзора работает следующим образом:
По команде с пульта управления 7, формирователь импульсных последовательностей 5 из частоты задающего генератора 6 формирует зондирующий сигнал. После усиления в усилителе мощности 4 приемопередающая антенна 2 излучает зондирующий сигнал в водную среду, образуя на поверхности дна зону обзора. Излученная в водную среду волна отражается от поверхности дна и распространяется в сторону блока приемных антенн 1 и приемопередающей антенны 2. С выхода блока приемных антенн 1 и блока приемопередающей антенны 2 принятые сигналы поступают на N+1 входы многоканального приемного устройства 8. В многоканальном приемном устройстве 8 производится предварительная фильтрация, усиление и преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) 17, 19, 21, 23. Формирователь импульсных последовательностей 5 генерирует синхросигнал, поступающий на многоканальное приемное устройство 8, устройство цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9, устройство индикации 10 и вычислитель 15, а также опорный сигнал, поступающий на блоки 9, 15. В соответствии с синхро-импульсами формирователя импульсных последовательностей 5, сигналы с выходов многоканального приемного устройства 8 одновременно поступают на входы вычислителя 15 и устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9. В устройстве цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9 производятся последовательно процедуры согласованной фильтрации принятых сигналов, а также, для приема сигналов с заданных угловых направлений, осуществляется добавление заранее вычисленного фазового сдвига в каждый канал приема. Сформированные сигналы с выхода устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9, по синхро-сигналу формирователя импульсных последовательностей 5, поступают на вычислитель 15. В вычислителе 15 производят согласованную фильтрацию сигналов, поступающих с многоканального приемного устройства 8, формирование акустического изображения с одного (любого) из приемных каналов в координатах широта-долгота с учетом данных навигационной системы 14. Далее, в вычислителе 15 последовательно осуществляются: вычисление интерферометрических разностей фаз между выбранными парами отраженных от поверхности дна сигналов с разных приемных каналов ИГБО, фильтрация разностей фаз, раскрытие фазовой неоднозначности для каждой отфильтрованной разности фаз, масштабирование, приведение разностей фаз к одной (любой) из баз ИГБО и их комбинирование, расчет первоначальной карты глубин в координатах дальность-направление движения-глубина с учетом сигналов с датчиков крен-дифферента 11, курса 13 и данных, поступающих с датчика скорости звука 12. В случае необходимости корректировки карты глубин, в вычислителе 15 производится расчет глубин с учетом угла прихода и времени задержки сигналов, поступивших с выхода устройства цифрового формирования диаграммы направленности на прием 9, с учетом сигналов с датчиков крен-дифферента 11, курса 13 и данных, поступающих с датчика скорости звука 12. Затем, в вычислителе 15, производится расчет окончательной карты глубин и ее формирование с учетом данных навигационной системы 14.
Данные с выхода вычислителя 15, в соответствии с синхро-импульсами формирователя импульсных последовательностей 5, поступают на устройство индикации 10, где происходит выкладка акустического изображения в координатах широта-долгота и выкладка карты глубин в виде яркостного изображения в координатах широта-долгота-глубина.
Таким образом, комбинируя данные с различных каналов ИГБО, существенно повышается точность расчета первоначальной карты глубин. Также, рассчитывая дополнительные глубины и корректируя первоначальную карту, устраняется неоднозначность в вертикальной плоскости при наличии резких перепадов рельефа на поверхности дна.