ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛЕДОМЕР
PARAMETRIC ICE FATHOMETER

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для обнаружения и измерения толщины льда на водной поверхности, а также для регистрации профиля нижней кромки льда с подводного объекта.
1
2
2
1
В настоящее время измерение толщины льда (от нижней до верхней кромки) с помощью параметрического эхоледомера производят гидроакустическим методом (Корякин Ю.А. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы - СПб.: Наука, 2004. С. 130), согласно которому оценивают расстояния от точки излучения на подводном объекте до границ раздела сред «вода-лед» d в высокочастотном приемном канале и «лед-воздух» d в низкочастотном приемном канале, разность указанных расстояний является оценкой толщины льда d=d-d.
Одним из основных источников погрешностей при оценке толщины льда в заданном районе наряду с отсутствием достоверных данных о структуре льда и скорости звука выступает погрешность оценки расстояния от точки излучения на подводном объекте до границ раздела сред «вода-лед» и «лед-воздух».
Оценку указанных расстояний производят по амплитудной развертке взаимно-корреляционной функции (ВКФ) принятого эхосигнала пороговым методом, что справедливо при наличии плоской и гладкой, по критерию Рэлея, поверхности границы раздела сред. В этом случае имеет место зеркальное отражение акустических волн, и передний фронт принимаемого эхосигнала достаточно крутой, что позволяет с заданной точностью определить момент контакта с границей раздела сред.
Критерий Рэлея (1) устанавливает ограничение на неровности поверхности, при котором сохраняется зеркальный характер отражения акустических волн, облучающих неровную поверхность. При нормальном падении акустических волн на границу раздела сред, характерном для параметрического эхоледомера, критерий Рэлея имеет вид (Исимару. А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Том 2. С. 126):
где
λ - длина акустической волны, падающей на границу раздела;
σ - среднеквадратическое отклонение ординат поверхности границы раздела сред.
Ровная поверхность границы раздела характерна для молодого льда, в то время как для остальных ледовых структур характерна существенно неровная поверхность границы раздела сред.
В случае неровной (шероховатой), по критерию Рэлея, поверхности границы раздела сред «вода-лед» и «лед-воздух» пороговый метод дает смещенную оценку расстояния от точки излучения до границы раздела сред, поскольку передний фронт формируемого при этом эхосигнала получается растянутый и изрезанный, что обусловлено дифракцией акустических волн на озвученном участке границы раздела сред.
В результате возрастает методическая погрешность оценки расстояния от точки излучения до границы раздела сред, что приводит к искажению оценки толщины льда и, как следствие, может привести к невозможности своевременного всплытия подводного объекта.
Таким образом, важной задачей является снижение методической погрешности оценки толщины льда во время выполнения обследования ледовой обстановки параметрическим эхоледомером с подводного объекта.
Известен параметрический эхоледомер (патент на изобретение РФ №2019855 «Параметрический эхоледомер»), содержащий синхронизатор, генератор радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, коммутатор прием/излучения, высокочастотную обратимую антенну, низкочастотную приемную антенну, первый селективный усилитель, фазовый детектор, селективный усилитель, квадратичный детектор, фильтр нижних частот, схему усреднения, формирователь импульсов, регистратор, первый усилитель-ограничитель, первый детектор, второй усилитель-ограничитель, второй детектор, схему совпадения, второй формирователь и ключ.
К недостаткам данного устройства-аналога следует отнести использование усилителей-ограничителей, реализующих пороговый метод оценки расстояний от точки излучения до границ раздела сред, что приводит к возрастанию методической погрешности оценки толщины льда в случае шероховатой поверхности границы раздела сред из-за флуктуаций и растягивания фронта принимаемых эхосигналов от границ раздела.
Недостатком рассматриваемого устройства-аналога также является несовершенство применяемой процедуры классификации по классам «вода-лед» и «вода-воздух», заключающейся в сравнении с помощью фазового детектора фазового сдвига эхосигнала, принятого низкочастотной приемной антенной и фазового сдвига эхосигнала, принятого высокочастотной приемно-излучающей антенной после прохождения квадратичного детектора. Наличие неровной, по критерию Рэлея, границы раздела двух сред приводит к флуктуациям фазовых сдвигов принимаемых эхосигналов, также фазовые искажения возникают в приемной тракте эхоледомера, что приводит к ошибкам при выполнении процедуры классификации.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является параметрический эхоледомер (Львов К.П. Цифровой приемный тракт эхоледомера // Гидроакустический журнал: Проблемы, методы и средства исследований Мирового океана. 2009. №6. С. 98-105).
Указанный параметрический эхоледомер размещается на подводном объекте и содержит: высокочастотную приемно-излучающую антенну, низкочастотную приемную антенну, коммутатор, передающий блок, двухканальный приемный блок, двухканальный блок цифровой обработки сигналов, первый и второй блок оценки дальности пороговым методом, первый и второй блок классификации границы раздела, блок оценки толщины льда, блок управления, накопитель, индикатор.
При этом высокочастотная приемно-излучающая антенна имеет двухстороннюю связь с коммутатором, выход которого соединен с первым входом двухканального приемного блока, вход коммутатора соединен с выходом передающего блока. Выход низкочастотной приемной антенны соединен со вторым входом двухканального приемного блока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами двухканального блока цифровой обработки соответственно. Первый выход двухканального блока цифровой обработки соединен с входом первого блока оценки дальности пороговым методом, выход первого блока классификации границы раздела соединен с первым входом второго блока оценки дальности, второй выход двухканального блока цифровой обработки соединен со вторым входом второго блока оценки дальности пороговым методом. Выход второго блока классификации границы раздела соединен с входом блока оценки толщины льда, выход блока оценки толщины льда соединен с входом накопителя и первым входом индикатора, выход блока управления соединен с входами передающего блока, двухканального приемного блока, двухканального блока цифровой обработки, а также со вторым входом индикатора.
Устройство-прототип обладает существенным недостатком, заключающемся в использовании порогового метода для оценки расстояния от точки излучения до границы раздела сред, реализованном в первом и втором блоках оценки дальности пороговым методом, что приводит к возрастанию погрешности оценки толщины льда в случае неровной границы раздела сред.
Задача изобретения состоит в снижении методической погрешности оценки толщины льда.
Технический результат заключается в учете влияния неровностей поверхности границы раздела сред при оценке расстояния от точки излучения до границы раздела сред.
Для достижения указанного технического результата в известный параметрический эхоледомер, содержащий высокочастотную приемно-излучающую антенну, низкочастотную приемную антенну, коммутатор, передающий блок, двухканальный приемный блок, двухканальный блок цифровой обработки сигналов, первый и второй блоки оценки дальности пороговым методом, первый и второй блоки классификации границы раздела, блок оценки толщины льда, блок управления, накопитель, индикатор. При этом высокочастотная приемно-излучающая антенна имеет двухстороннюю связь с коммутатором, выход которого соединен с первым входом двухканального приемного блока, вход коммутатора соединен с выходом передающего блока. Выход низкочастотной приемной антенны соединен со вторым входом двухканального приемного блока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами двухканального блока цифровой обработки соответственно. Первый выход двухканального блока цифровой обработки соединен с входом первого блока оценки дальности пороговым методом, выход первого блока классификации границы раздела соединен с первым входом второго блока оценки дальности, второй выход двухканального блока цифровой обработки соединен со вторым входом второго блока оценки дальности пороговым методом. Выход второго блока классификации границы раздела соединен с входом блока оценки толщины льда, выход блока оценки толщины льда соединен с входом накопителя и первым входом индикатора, выход блока управления соединен с входами передающего блока, двухканального приемного блока, двухканального блока цифровой обработки, а также со вторым входом индикатора, введены следующие новые признаки:
- дополнительно введены первый и второй блоки принятия решения по оценке дальности, первый и второй блоки оценки дальности методом взвешенного среднего;
- выход первого блока оценки дальности пороговым методом соединен с первым входом первого блока принятия решения по оценке дальности и с входом первого блока оценки дальности методом взвешенного среднего, выход которого соединен со вторым входом первого блока принятия решения по оценке дальности, выход первого блока принятия решения по оценке дальности соединен с входом первого блока классификации границы раздела;
- выход второго блока оценки дальности пороговым методом соединен с первым входом второго блока принятия решения по оценке дальности и с входом второго блока оценки дальности методом взвешенного среднего, выход которого соединен со вторым входом второго блока принятия решения по оценке дальности, выход второго блока принятия решения по оценке дальности соединен с входом второго блока классификации границы раздела.
Для обеспечения наилучшей по практической реализации структуры введенных блоков первый и второй блоки оценки дальности методом взвешенного среднего выполнены, содержащими каждый блок сглаживания, блок оценки ширины ВКФ в окрестности максимума и блок расчета взвешенного среднего, а первый и второй блоки принятия решения выполнены, содержащими каждый блок расчета порога и устройство сравнения с порогом.
Поясним достижение технического результата.
1
2
2
1
Использование в параметрическом эхоледомере первого и второго блоков оценки дальности методом взвешенного среднего в сочетании с первым и вторым блоками принятия решения по оценке дальности позволяет устанавливать факт наличия неровной границы раздела сред и при этом производить оценку дальности с учетом влияния неровностей, что позволяет снизить методическую погрешность оценки расстояния от точки излучения до границы раздела сред «вода-лед» d и «лед-воздух» d, вследствие чего уменьшается методическая погрешность оценки толщины льда d=d-d, получаемой как разность указанных расстояний.
Реализация предлагаемого параметрического эхоледомера поясняется фиг. 1-10.
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема параметрического эхоледомера.
На фиг. 2 представлена структурная блок-схема передающего блока.
На фиг. 3 представлена структурная блок-схема двухканального приемного блока.
На фиг. 4 представлена структурная блок-схема двухканального блока цифровой обработки сигналов.
На фиг. 5 представлена структурная блок-схема первого блока оценки дальности пороговым методом.
На фиг. 6 представлена структурная блок-схема первого блока оценки дальности методом взвешенного среднего.
На фиг. 7 представлена структурная блок-схема первого блока принятия решения по оценке дальности.
На фиг. 8 показана геометрия задачи оценки толщины льда параметрическим эхоледомером, на которой представлены - воздух 45, средний уровень 46 водной поверхности в спокойном состоянии, лед 47, вода 48, подводный объект 49, высокочастотная приемно-излучающая антенна 1, низкочастотная приемная антенна 2, нормаль 50 к плоскости, совпадающей со средним уровнем водной поверхности в спокойном состоянии, средний уровень 51 поверхности границы раздела «лед-воздух», средний уровень 52 поверхности границы раздела «вода-лед».
На фиг. 9 показан пример амплитудной развертки ВКФ эхосигнала от шероховатой, по критерию Рэлея, границ раздела сред.
На фиг. 10 показан пример амплитудной развертки ВКФ эхосигнала от плоской и гладкой, по критерию Рэлея, границ раздела сред.
Параметрический эхоледомер (фиг. 1) состоит из высокочастотной приемно-излучающей антенны 1, низкочастотной приемной антенны 2, коммутатора 3, передающего блока 4, двухканального приемного блока 5, двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов, первого блока 7 оценки дальности пороговым методом, первого блока 8 оценки дальности методом взвешенного среднего, первого блока 9 принятия решения по оценке дальности, блока 10 управления, первого блока 11 классификации границы раздела, второго блока 12 оценки дальности пороговым методом, второго блока 13 оценки дальности методом взвешенного среднего, второго блока 14 принятия решения по оценке дальности, второго блока 15 классификации границы раздела, блока 16 оценки толщины льда, индикатора 17, накопителя 18.
Высокочастотная приемно-излучающая антенна 1 имеет двухстороннюю связь с коммутатором 3, выход которого соединен с первым входом двухканального приемного блока 5, вход коммутатора 3 соединен с выходом передающего блока 4, выход низкочастотной приемной антенны 2 соединен со вторым входом двухканального приемного блока 5, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами двухканального блока 6 цифровой обработки соответственно, первый выход двухканального блока 6 цифровой обработки соединен с входом первого блока 7 оценки дальности пороговым методом, выход первого блока 7 оценки дальности пороговым методом соединен с первым входом первого блока 9 принятия решения по оценке дальности и входом первого блока 8 оценки дальности методом взвешенного среднего, выход которого соединен со вторым входом первого блока 9 принятия решения по оценке дальности, выход первого блока 9 принятия решения по оценке дальности соединен с входом первого блока 11 классификации границы раздела, выход блока 11 классификации границы раздела соединен с первым входом второго блока 12 оценки дальности пороговым методом, второй выход двухканального блока 6 цифровой обработки соединен со вторым входом второго блока 12 оценки дальности пороговым методом, выход второго блока 12 оценки дальности пороговым методом соединен с первым входом второго блока 14 принятия решения по оценке дальности и входом второго блока 13 оценки дальности методом взвешенного среднего, выход которого соединен со вторым входом второго блока 14 принятия решения по оценке дальности, выход второго блока 14 принятия решения по оценке дальности соединен с входом второго блока 15 классификации границы раздела, выход второго блока 15 классификации границы раздела соединен с входом блока 16 оценки толщины льда, выход блока 16 оценки толщины льда соединен с входом накопителя 18 и первым входом индикатора 17, выход блока 10 управления соединен с входами передающего блока 4, двухканального приемного блока 5, двухканального блока 6 цифровой обработки, а также со вторым входом индикатора 17.
Высокочастотная приемно-излучающая антенна 1 в сочетании с коммутатором 3 и первым каналом двухканального приемного блока 5 образуют первый приемный канал. Низкочастотная приемная антенна 2 в сочетании с коммутатором 3 и вторым канала двухканального приемного блока 5 образуют второй приемный канал.
Высокочастотная приемно-излучающая антенна 1 и низкочастотная приемная антенна 2 собраны из пьезокерамических стрежневых преобразователей, изготовленных из материала ЦТБС-3, соединенных параллельно и размещенных в одном корпусе, отдельно для каждой антенны.
Передающий блок 4 (фиг. 2) состоит из управляемого генератора тонального сигнала 19, управляемого генератора частотно-модулированного сигнала 20, двухканального усилителя 21 мощности, двухканального устройства 22 согласования с нагрузкой, преобразователя 23 напряжения питания, устройства 24 контроля.
Управляемый генератор 19 тонального сигнала и управляемый генератор 20 частотно-модулированного сигнала выполнены на базе микросхем прямого цифрового синтеза AD9912.
Двухканальный приемный блок 5 (фиг. 3) состоит из полосового фильтра 25 первого приемного канала, усилителя 26 первого приемного канала, аналогово-цифрового преобразователя 27 первого приемного канала, устройства 28 контроля, полосового фильтра 29 второго приемного канала, усилителя 30 второго приемного канала, аналогово-цифрового преобразователя 31 второго приемного канала.
Полосовые фильтры 25 и 29 выполнены микросхеме LTC1562 фирмы Linear Technology, усилители 26 и 30 выполнены на микросхемах микросхеме AD8031 и AD8332 фирмы Analog Devices. Аналогово-цифровые преобразователи выполнены на микросхемах AD7982 фирмы Analog Devices.
Двухканальный блок 6 цифровой обработки сигналов (фиг. 4) состоит из интерфейсного блока 32, согласованного фильтра 33 первого приемного канала, согласованного фильтра 34 второго приемного канала, двухканального блока 35 прореживания и упаковки данных, устройства 36 контроля.
Двухканальный блок 6 цифровой обработки реализован на сигнальном процессоре ADSP 21368.
Первый блок 7 оценки дальности пороговым методом (фиг. 5) состоит из блока 37 формирования строба по дальности, блока 38 поиска и оценки положения максимума ВКФ в стробе по дальности, блока 39 поиска момента пересечения ВКФ с порогом в окрестности максимума ВКФ.
Первый блок 8 оценки дальности методом взвешенного среднего (фиг. 6) состоит из блока 40 сглаживания, блока 41 оценки ширины ВКФ в окрестности максимума и блока 42 расчета взвешенного среднего.
Первый блок 9 принятия решения по оценке дальности (фиг. 7) состоит из блока 43 расчета порога и устройства 44 сравнения с порогом.
Блок 10 управления состоит из процессорного устройства, оперативного запоминающего устройства и кварцевого генератора.
Второй блок 12 оценки дальности пороговым методом выполнен аналогично блоку 7, второй блок 13 оценки дальности методом взвешенного среднего выполнен аналогично блоку 8.
Второй блок 14 принятия решения по оценке дальности выполнен аналогично блоку 9, второй блок 15 классификации границы раздела выполнен аналогично блоку 11.
Первый блок 7 оценки дальности пороговым методом, первый блок 8 оценки дальности методом взвешенного среднего, первый блок 9 принятия решения по оценке дальности, первый блок 11 классификации границы раздела, второй блок 12 оценки дальности пороговым методом, второй блок 13 оценки дальности методом взвешенного среднего, второй блок 14 принятия решения по оценке дальности, второй блок 15 классификации границы раздела, блок 16 оценки толщины льда реализованы на базе программируемой логической интегральной схемы ALTERA EP3C16Q240C8 и сигнального процессора ADSP 21368.
Индикатор 17 представляет собой жидкокристаллический дисплей с диагональю 12 дюймов.
Накопитель 18 представляет собой постоянное запоминающее устройство емкостью 120 Гб, выполнен на микросхеме WD1200BEVE фирмы Western Digital.
Электропитание аппаратуры параметрического эхоледомера осуществляется от сети электропитания подводного объекта 46 (фиг. 8).
Параметрический эхоледомер работает следующим образом.
Предварительно параметрический эхоледомер (фиг. 8), в том числе высокочастотную приемно-излучающую антенну 1 и низкочастотную приемную антенну 2, размещают в водной среде на подводном объекте 49, при этом оси ХН указанных антенн ориентируют по нормали 50 к плоскости, совпадающей со средним уровнем водной поверхности в спокойном состоянии.
2
1
По командным импульсам, вырабатываемым блоком 10 управления, в передающем блоке 4 (фиг. 2) двумя генераторами 19 и 20 осуществляется формирование тонального сигнала с несущей частотой ω и частотно-модулированного сигнала с несущей частотой ω соответственно, которые через коммутатор 3 преобразуются в акустические импульсы высокочастотной приемно-излучающей антенной 1 и излучаются в пределах ее полосы пропускания в сторону среднего уровня 46 водной поверхности в спокойном состоянии (фиг. 8).
1
2
Излученные высокочастотные сигналы с несущими частотами ω и ω отражаются от границы раздела «вода-лед» и в лед не проникают. Прием и преобразование в электрические сигналы высокочастотных эхосигналов от границы раздела «вода-лед» осуществляют высокочастотной приемно-излучающей антенной 1. Принятые высокочастотные эхосигналы через коммутатор 3 поступают на первый вход двухканального приемного блока 5.
1
1
2
В результате взаимодействия излученных высокочастотных сигналов с нелинейным слоем воды 48 образуется низкочастотный сигнал с несущей частотой Ω=ω-ω, который проникает в лед 47 и отражается от границы раздела «лед-воздух». Прием и преобразование в электрические сигналы низкочастотных эхосигналов от границы раздела «лед-воздух» осуществляют низкочастотной приемной антенной 2. Принятые низкочастотные эхосигналы поступают на второй вход двухканального приемного блока 5.
В двухканальном приемном блоке 5 (фиг. 3) параллельно осуществляется полосовая фильтрация, усиление и аналогово-цифровое преобразование эхосигналов в первом приемном и втором приемном каналах. В первом приемном канале обрабатывают эхосигналы, принятые высокочастотной приемно-излучающей антенной 1, а во втором приемном канале обрабатывают эхосигналы, принятые низкочастотной приемной антенной 2.
Оцифрованные и усиленные эхосигналы первого и второго приемных каналов соответственно поступают на первый и второй входы двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов (фиг. 4), где в каждом из каналов выполняется согласованная фильтрация эхосигналов с учетом знаков их квадратурных составляющих, а также прореживание и упаковка данных для передачи на вход первого блока 7 оценки дальности пороговым методом и на второй вход второго блока 12 оценки дальности пороговым методом.
В первом блоке 7 оценки дальности пороговым методом (фиг. 5) пороговым методом оценивают расстояние между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред.
В первом блоке 8 оценки дальности методом взвешенного среднего (фиг. 6) оценивают расстояние между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред.
1
В первом блоке 9 принятия решения по оценке дальности (фиг. 7) выполняют окончательную оценку расстояния между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред - d путем выбора одной из оценок указанного расстояния, полученных от блока 7 и блока 8.
Далее в первом блоке 11 классификации границы раздела производят классификацию границы раздела сред по классам «вода-лед» и «вода-воздух». При наличии границы раздела «вода-лед» во втором приемном канале производят поиск эхосигналов от границы раздела «лед-воздух».
По результатам поиска при наличии границы раздела сред «лед-воздух» во втором блоке 12 оценки дальности пороговым методом оценивают расстояние между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред.
Во втором блоке 13 оценки дальности методом взвешенного среднего оценивают расстояние между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред.
2
Во втором блоке 14 принятия решения по оценке дальности выполняют окончательную оценку расстояния между точкой излучения на подводном объекте 49 и облучаемой границей раздела сред - d путем выбора одной из оценок указанного расстояния, полученных от блока 12 и блока 13.
Далее во втором блоке 15 классификации границы раздела производят классификацию границы раздела сред по классам «лед-вода» и «лед-воздух».
2
1
В блоке 16 оценки толщины льда при наличии границы раздела «лед-воздух» оценивают толщину льда как d=d-d.
Полученные в блоке 16 оценки толщины льда данные поступают в накопитель 18 для хранения и последующего анализа, и в индикатор 17 для отображения.
Блок 10 управления осуществляет управление работой эхоледомера, а также производит контроль работоспособности основных блоков параметрического эхоледомера.
Поясним работу блоков и устройств, дополнительно введенных в параметрический эхоледомер, а также работу блока 7.
Работа первого блока 7 оценки дальности пороговым методом (фиг. 5) осуществляется следующим образом. В блоке 37 формируют строб по дальности для выделения эхосигналов, принятых в первом приемном канале. Для этого задают границы строба по дальности и выделяют участок ВКФ эхосигналов в первом приемном канале, в котором будет происходить дальнейший анализ:
где
r - дальность;
1
B(r) - ВКФ эхосигналов в первом приемном канале;
11
12
r=0.5Н, r=Н - начало и окончание строба по дальности в первом приемном канале, Н - расстояние от точки излучения до среднего уровня водной поверхности 46.
Значение Н определяется с помощью датчика гидростатического давления, установленного на подводном объекте 49, и выдается через блок управления 10 в первый блок 7 оценки дальности пороговым методом.
В блоке 38 производят поиск и оценку положения максимума ВКФ в стробе по дальности в первом приемном канале:
где
max1
A - значение максимума ВКФ;
max1
r - дальность, соответствующая положению максимума в стробе по дальности в первом приемном канале.
В блоке 39 выполняют поиск момента пересечения ВКФ с порогом в окрестности максимума ВКФ согласно условию:
01
Запоминают значение дальности r, для которой первой выполнилось условие (4).
Одним из признаков наличия шероховатой поверхности границы раздела сред является дополнительное увеличение длительности эхосигнала относительно длительности излученного сигнала (фиг. 9), что обусловлено дифракцией акустических волн на озвученном участке границы раздела сред. Длительность эхосигнала по времени прямо пропорциональна протяженности эхосигнала по дальности.
Для снижения методической погрешности при оценке расстояния от точки излучения до границы раздела сред предлагается вычислять протяженность принятого эхосигнала по дальности и использовать ее для выбора метода оценки расстояния от точки излучения до границы раздела сред.
В случае гладкой и плоской по критерию Рэлея границы раздела сред, увеличение протяженности эхосигнала обусловлено влиянием характеристики направленности (ХН) приемно-излучающей антенны 1 (Богородский А.В., Островский Д.Б. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства - СПб.: Изд-во СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. С. 98). Для оценки расстояния от точки излучения до границы раздела сред используют пороговый метод, поскольку передний фронт формируемого ровной границей раздела сред эхосигнала достаточно крутой (фиг. 10), что позволяет с заданной точностью определить момент контакта с границей раздела сред.
В случае шероховатой, по критерию Рэлея, поверхности границы раздела сред необходимо оценивать расстояние от точки излучения до среднего уровня границы раздела сред 51 или 52 (фиг. 8), поскольку толщина льда в пределах озвученного параметрическим эхоледомером участка границы раздела сред не является постоянной величиной, как в случае ровной границы раздела сред. Для оценки указанного расстояния используют метод взвешенного среднего, оценивающий момент контакта с границей раздела сред с учетом формы и протяженности принимаемого эхосигнала, что позволяет уменьшить методическую погрешность формируемой оценки при наличии шероховатой границы раздела сред.
1
Работа первого блока 8 оценки дальности методом взвешенного среднего (фиг. 6) осуществляется следующим образом. В блоке 40 производят сглаживание значений ВКФ первого приемного канала. Для этого выполняют разделение строба по дальности первого приемного канала на N групп по N значений, а затем усредняют значения ВКФ в пределах каждой группы:
где
r
N - количество выборок по дальности в стробе по дальности первого приемного канала;
1
1
N - количество выборок по дальности в одной группе, значение N составляет не менее 5;
- количество групп выборок по дальности, значение N зависит от установленной шкалы дальности в передающем блоке и составляет не менее 50;
R - дальность после прореживания.
В блоке 41 выполняют оценку ширины ВКФ в окрестности максимума для первого приемного канала по сглаженным значениям ВКФ, формированным в блоке 40. Для этого производят сравнение с порогом сглаженных значений ВКФ:
n1
n2
Запоминают значения дальностей R и R, для которых условие (6) выполнилось в первый и последний раз в пределах строба по дальности в первом приемном канале, соответственно.
Рассчитывают оценку ширину ВКФ в окрестности максимума в первом приемном канале:
В блоке 42 расчета взвешенного среднего вычисляют расстояние между точкой излучения на подводном объекте 49 и границей раздела «вода-лед» по формуле:
p1
Работа первого блока 9 принятия решения по оценке дальности (фиг. 7) осуществляется следующим образом. В блоке 43 расчета порога вычисляют значение порога Δr:
где
β - коэффициент, учитывающий расширение излучаемого импульса, значение β=1.2;
Δθ - ширина ХН высокочастотной приемно-излучающей антенны в режиме излучения, является технической характеристикой параметрического эхоледомера;
Н - расстояние от точки излучения до среднего уровня водной поверхности 46.
В устройстве 44 сравнения с порогом производят выбор оценки расстояния от точки излучения до поверхности границы раздела сред согласно условию:
p1
где Δr - порог по ширине ВКФ в окрестности максимума.
1
p1
01
Из условия (10), если Δr≤Δr, то протяженность излученного импульса свидетельствует о наличии гладкой границ раздела сред и тогда в качестве оценки расстояния от точки излучения до границы раздела выбирают значение r, полученное по пороговому методу в блоке 7.
1
p1
a
Если Δr>Δr, то протяженность излученного импульса свидетельствует о наличии шероховатой границы раздела сред, и тогда в качестве оценки расстояния от точки излучения до границы раздела выбирают значение r, полученное по методу взвешенного среднего в блоке 8.
Работа блоков 13 и 14 осуществляется аналогично работе блоков 8 и 9, соответственно.
Предложен параметрический эхоледомер, позволяющий уменьшить методическую погрешность оценки толщины льда с учетом влияния неровностей поверхности границы раздела сред при оценке расстояния от точки излучения на подводном объекте до границы раздела сред.
Таким образом, технический результат изобретения достигнут.