ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПРОФИЛОГРАФ
PARAMETRIC PROFILE RECORDER

Изобретение относится к акустическим локационным системам и может быть использовано для определения структуры дна и донных осадков. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также геология и другие направления, связанные с изучением структуры дна и донных осадков.
Известен параметрический профилограф для поиска инородных тел в тканях животных [1], содержащий корпус, в котором расположены вращающийся генератор, генерирующий два высокочастотных сигнала с помощью двух осцилляторов, в результате взаимодействия которых в нелинейной жидкости образуется низкочастотный сигнал, проходящий через жидкую среду, также расположенную в корпусе, и фильтр нижних частот таким образом, чтобы направить низкочастотный звуковой сигнал в ткани животного с целью выявления инородных тел, находящихся в тканях, с помощью эхо-сигнала, отображаемого на дисплее, установленном в устройстве.
1
2
-
2
1
1
2
1
2
Известны параметрические профилографы [2, 3, 4], содержащие синхронизатор, приемный тракт, соединенный с акустической приемной антенной, излучающий тракт, соединенный с акустической излучающей антенной, при этом выход приемного тракта соединен с входом блока индикации. Синхронизатор через заданные временные интервалы Т, зависящие от суммарного времени прохождения акустического сигнала в канале лоцирования, состоящего из водной среды и исследуемых участков донных пород, вырабатывает периодически повторяющиеся синхросигналы, определяющие начало циклов лоцирования и поступающие на управляющие входы блока индикации, приемного тракта и излучающего тракта. Излучающий тракт вырабатывает радиоимпульсы с частотами f, f, поступающими на акустическую антенну, излучающую в среду лоцирования акустический сигнал. Этот сигнал распространяется в среде лоцирования, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, где происходит их взаимодействие с образованием акустического сигнала с разностной частотой F=|f-f| [2]. Зондирующий сигнал, состоящий из трех компонент с частотами F, f и f, достигает дна, высокочастотные компоненты f и f отражаются от дна, а низкочастотный сигнал с частотой F частично отражается от поверхности дна, а частично проникает в материал дна, отражается от структурных неоднородностей дна и принимается акустической приемной антенной. Электрические сигналы, соответствующие данным эхо-сигналам, поступают на вход приемного тракта, а с его выхода на сигнальный вход блока индикации, показывающего структуру дна. Для просмотра структуры дна на протяженных участках профилограф помещают на носителе, в качестве которого обычно используется судно, перемещающееся над исследуемым участком дна.
0
Недостатком указанных профилографов являются невысокая точность и ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные большими погрешностями получаемых результатов, вызванными качкой носителя. При излучении акустического сигнала в направлении дна, отличающегося от вертикали на угол β, относительная ошибка L при определении расстояния до дна будет равна
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
Для структур дна относительные погрешности L определения их размеров с учетом преломления акустического сигнала в материале дна будут определяться выражением
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
1
Где С - скорость распространения акустических сигналов в водной среде лоцирования и C - скорость в материале дна.
1
0
Угол β, отличный от нуля, возникает при качке носителя профилографа или по каким-либо иным причинам. В таблице 1 приведены величины погрешностей в процентах для разных значений β и соотношений скоростей C/C.
Таблица 1
β, градусов
5
10
15
20
25
L<sub>0</sub>, процентов
0,4
1,54
3,52
6,42
10,3
1,5
0,9
3,52
8,24
15,5
26
L<sub>1</sub>, процентов
С1/С0
2
1,54
6,42
15,5
30,54
55,57
2,5
2,42
10,3
26
55,57
116,6
3
3,52
15,5
41,4
100
286,4
В отдельных разработках профилографов, имеющих ширину диаграммы направленности в режиме излучения порядка 2-5 градусов, используют различные способы стабилизации пространственного положения диаграммы направленности [5]. Это становится возможным за счет значительного усложнения конструкции профилографов и удорожания их стоимости. В профилографах, уже установленных на судах, проводить данные мероприятия по стабилизации пространственного положения диаграммы направленности не представляется возможным.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является устройство для осуществления съемки рельефа дна акватории [6], содержащее приемоизлучающую антенну, передающий блок, содержащий синхронизатор, приемоизмерительный блок, блок управления и блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории, в котором выход приемоизлучающей антенны подключен к входу приемоизмерительного блока, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выход приемоизмерительного блока подключен к входу блока сбора обработки информации и картирования рельефа дна акватории, вход которого соединен с выходом судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления соединен с передающим блоком, приемоизмерительным блоком и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна, а также блок определения средней скорости распространения звука в воде в направлении излучения гидроакустического сигнала, вход которого через блок управления соединен с выходом судового гидроакустического доплеровского измерителя скорости и выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы, а выход соединен с входом блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории.
Признаки, совпадающие с заявляемым изобретением, - синхронизатор, блок индикации, приемный тракт, излучающий тракт, выход которого соединен с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединен с акустической приемной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации.
К достоинствам ближайшего аналога следует отнести повышение точности съемки рельефа дна за счет повышения точности определения средней скорости звука в воде. Однако, как и в случае [5], это становится возможным лишь за счет значительного усложнения конструкции профилографов и удорожания их стоимости. Кроме того, недостатком ближайшего аналога, как и всех предыдущих аналогов, является наличие погрешности получаемых результатов, обусловленной качкой носителя.
Основной задачей заявляемого изобретения является разработка параметрического профилографа, способного выполнять определение параметров структур дна с высокой точностью без существенных усложнений конструкции профилографа. При этом в соответствии с предложенным техническим решением возможна модернизация уже имеющихся профилографов, установленных на различных носителях.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности определения параметров донных структур, а также расширении эксплуатационных возможностей параметрического профилографа.
Технический результат достигается тем, что в известный параметрический профилограф, содержащий синхронизатор, блок индикации, приемный тракт, излучающий тракт, выход которого соединен с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединен с акустической приемной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации, дополнительно введены блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и блок контроля угла наклона, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, при этом блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали соединен с другим входом блока сравнения, выход которого соединен с входом схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход схемы совпадения соединен с управляющими входами блока индикации, приемного тракта, излучающего тракта и входом разрешения синхронизатора.
Рационально выполнить блок сравнения в виде компаратора.
Предпочтительно выполнить блок контроля угла наклона в виде датчика вертикали, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, при этом инвертирующий вход компаратора соединить с выходом блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали.
Целесообразно выполнить схему совпадения в виде логического элемента «И», вход которой соединен с выходом компаратора, а второй вход логического элемента «И» подключен к выходу синхронизатора.
Рекомендуется выполнить блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали в виде в виде цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к процессору, сопряженному с блоком ввода.
Заявляемый параметрический профилограф за счет введения таких существенных отличительных признаков, как блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и блок контроля угла наклона, позволяет повысить точность и расширить эксплуатационные возможности параметрического профилографа. Существенные отличия позволяют проводить лоцирование на углах, отличающихся от вертикали на заданную незначительную величину, что позволяет получать высокую точность результатов при значительной качке судна. При этом заявляемое техническое решение, не являясь усложненным, позволяет модернизировать уже имеющиеся параметрические профилографы, установленные на различных носителях.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема заявляемого параметрического профилографа в предпочтительном варианте.
Параметрический профилограф содержит блок контроля угла наклона, выполненный в одном из вариантов реализации в виде датчика вертикали 1, соединенного с неинвертирующим входом компаратора 2, блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали (БЗУ) 3, соединенный с инвертирующим входом компаратора 2, выход которого соединен с одним из входов схемы совпадения, в одном из вариантов реализации, выполненного в виде логического элемента «И» 4, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 5. При этом выход логического элемента «И» 4 соединен с входом разрешения синхронизатора 5, с управляющими входами блока индикации 6, приемного тракта 7 и излучающего тракта 8, выход которого соединен с акустической излучающей антенной 9. Вход приемного тракта 7 соединен с акустической приемной антенной 10, а выход приемного тракта 7 - с сигнальным входом блока индикации 6. БЗУ 3 в одном из вариантов реализации может быть выполнен на процессоре с блоком ввода и цифроаналоговом преобразователе (на чертеже не показаны).
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
Синхронизатор 5 вырабатывает видеоимпульс U1 с высоким логическим уровнем, поступающий на один из входов логического элемента «И» 4, на второй вход которого поступает напряжение U2 с выхода компаратора 2. На неинвертирующий вход компаратора 2 поступает сигнал U3 с датчика вертикали 1. Величина сигнала U3 пропорциональна углу β отклонения направления излучения акустической излучающей антенны 9 от вертикали, появляющемуся в результате качки судна. На инвертирующий вход компаратора 2 с блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали (БЗУ) 3 подается напряжение U4, величина которого определяется значением допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали. Значения допустимого угла отклонения могут быть заданы процессором с блоком ввода, сигналы с которого преобразуются цифроаналоговым преобразователем (на чертеже не показаны). Как видно из таблицы 1, при малых значениях углов β, например менее 5°, погрешность при определении расстояний до дна и величин структурных элементов дна не превышает 3,52%, что в отдельных случаях может быть допустимо.
Если U3>U4, то есть угол β больше допустимого, то напряжение U2 будет равно нулю и на выходе логического элемента 4 напряжение U5 будет равно низкому логическому уровню, который блокирует дальнейшую работу синхронизатора 5. При уменьшении угла качки судна β до допустимого значения напряжение U3 станет меньше напряжения U4 и на выходе компаратора 2 появится напряжение U2 с высоким логическим уровнем, а на выходе логического элемента 4 сформируется напряжение U5 с высоким логическим уровнем, которое определит начало цикла лоцирования.
Напряжение U5 разрешает работу синхронизатора 5, и он начинает формировать сигнал U1 с низким логическим уровнем и с длительностью Т, зависящей от суммарного времени прохождения акустического сигнала в канале лоцирования, состоящего из водной среды и исследуемых участков донных пород. После этого синхронизатор 5 вырабатывает напряжение U1 с высоким логическим уровнем, и при появлении напряжения U2 с высоким логическим уровнем цикл лоцирования повторяется. В качестве синхронизатора 5 может использоваться, например, ждущий мультивибратор, запускаемый сигналом U5 высокого логического уровня и имеющий выходной сигнал в стабильном состоянии - высокого уровня, и в квазистабильном состоянии длительностью Т - низкого уровня.
1
2
-
2
1
1
2
1
2
Напряжение U5 с высоким логическим уровнем запускает остальные блоки параметрического профилографа, а именно излучающий тракт 8, приемный тракт 7 и блок индикации 6. Излучающий тракт 8 вырабатывает радиоимпульсы с частотами f, f, поступающими на акустическую антенну 9, излучающую в среду лоцирования акустический сигнал. Этот сигнал распространяется в среде лоцирования, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, где происходит их взаимодействие с образованием акустического сигнала с разностной частотой F=|f-f|, [2]. Зондирующий сигнал, состоящий из трех компонент с частотами F, f и f, достигает дна, высокочастотные компоненты f и f отражаются от дна, а низкочастотный сигнал с частотой F частично отражается от поверхности дна, а также проникает в материал дна, отражается от структурных неодноростей дна и принимается акустической приемной антенной 10. Электрические сигналы, соответствующие данным эхо-сигналам, поступают на вход приемного тракта 7, где выполняется их обработка по заданному алгоритму, например раскрытому в [7] (фильтрация, усиление, регулировка в блоках «Временная автоматическая регулировка усиления», «Отсечка», детектирование и другие операции), а с его выхода на сигнальный вход блока индикации 6, показывающего структуру дна. Для просмотра структуры дна на протяженных участках параметрический профилограф помещают на носителе, в качестве которого обычно используется судно, перемещающееся над исследуемым участком дна. Так как ширина диаграммы направленности акустической приемной антенны 10 в параметрических профилографах обычно значительно больше, чем направленность акустической излучающей антенны 9, и больше, чем угол качки судна, то качка судна не будет оказывать влияния на прием эхо-сигналов.
Заявляемый параметрический профилограф за счет введения отличительных признаков позволяет расширить эксплуатационные возможности параметрического профилографа. Лоцирование выполняется на углах, отличающихся от вертикали на заданную незначительную величину, что позволяет получать высокую точность результатов при значительной качке судна. При этом заявляемое техническое решение позволяет модернизировать уже имеющиеся параметрические профилографы, установленные на различных носителях.
Техническая реализация предложенного параметрического профилографа не представляет сложностей. Все его электронные блоки являются стандартными, используемыми в различных гидроакустических локационных системах. Ряд блоков профилографа (синхронизатор, блок индикации и другие) могут быть реализованы на основе микроконтроллерных систем или персональных ЭВМ. Испытания макета заявляемого параметрического профилографа показали его качественные преимущества по сравнению с имеющимися реализациями.
Информационные источники
1. Патент US 3763463, МКИ G01S 9/66, опубликован 1973, ОБ №43.
2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, 340 с.
3. Богородский А.В., Горбунов Н.Л., Остроухов А.А., Фомин Ю.П. Гидроакустические средства для освоения энергетических и минеральных ресурсов океана. Труды конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ «Гидроприбор», 2002 г., с.19-23.
4. Бяков Ю.А., Котов И.Н., Подшувейт В.Б. Геоакустические методы и системы исследования океанистического дна. - Геленджик, НИПИ «Океангеофизика», 2001, 92 с.
5. Hare R. Depth and position error budgets for multibeam echosounding // International Hydrographic Review. 1995, v.LXXII, №2, p.37-69.
6. Патент RU 2340916, МКИ G01S 15/06, опубликован 10.12.2008.
7. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.