Устройство измерения доплеровского смещения частоты высокоточного лага

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО СМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТЫ
ВЫСОКОТОЧНОГО ЛАГА
Полезная модель относится к области гидроакустической техники, а более конкретно к гидроакустическим навигационным устройствам и может быть использована в высокоточных доплеровских лагах.
Известны устройства измерения доплеровского смещения частоты эхосигналов, представляющих обратное донное рассеяние 1, с. 46-47, 2, с. 221. Устройства измерения доплеровского смещения простейшего типа счётчики числа пересечений сигналом нулевого уровня или периодомеры 1, с. 47. Подобные устройства требуют значительного превышения сигнала над шумами. Нормальная работа устройств обеспечивается при отношении сигнал/шум не ниже 20 дБ. Подобные устройства используются, например, в доплеровских лагах ЛА-52 и ЛА-53 3, с. 469-483.
Значительно большей точностью и помехоустойчивостью обладают устройства слежения за доплеровским смещением частоты 1, с. 47. Подобные устройства используются, например, в доплеровских лагах МХ-610, PADS 1, С.48, 4, с. 151-154. Более сложно устройство измерения, основанное на использовании коррелометра и преобразователя Фурье для обработки принятых эхосигналов. Например, в 5 приведены сведения об аналоге МПК601 S 15/58
устройстве измерения доплеровского смещения частоты с корреляционноспектральной обработкой, используемом в гидроакустическом доплеровском профилометре. Точность измерения определяется величинами доплеровского смещения частоты, шириной спектра полезного сигнала, интервала наблюдения и отношения сигнал/шум. В зависимости от конкретных особенностей подобных устройств необходимое отношение сигнал/шум для нормальной работы составляет (-3-10) дБ 6, с. 248-249.
Наиболее близким аналогом по структуре и совокупности признаков к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения частоты в импульсном доплеровском гидролокаторе применяемом для точной навигации автономного подводного аппарата 7. Описанный в 7 доплеровский лаг имеет промышленное наименование - доплеровская гидролокационная система измерения скорости EDO Model 3050 8.
Прототип содержит программные перемножители, первые входы которых соединены с низкочастотными квадратурными выходами приёмного тракта, а вторые входы соединены с выходом программного гетеродина. Выходы перемножителей соединены с входами адаптивных цифровых фильтров с конечными импульсными характеристиками. Центральные частоты фильтров имеют значения близкие к частотам программных гетеродинов. Полосы пропускания фильтров приводятся к ширине спектра излучаемого импульса плюс ожидаемое значение частоты девиации, которое определено для предедущего зхосигнала. Выходы фильтров соединены с коррелометром, выход которого соединён с последовательно соединенными преобразователем Фурье и интегратором, а выход последнего представляет сигнал частоты
ошибки и соединён с входом программного гетеродина и первым входом сумматора. Второй вход сумматора соединён с промежуточным выходом программного гетеродина. Выход сумматора - значение частоты доплеровского смещения эхосигнала. Частота заполнения излучаемых импульсов равна 287.5 кГц. Блоки прототипа реализованы по технологии программируемых матриц логических элементов и конструктивно выполнены на печатных платах.
Одним из недостатков прототипа является недостаточная точность и помехоустойчивость за счет того, что отсутствует точный учёт формы спектральной плотности мощности (СПМ) обратного донного рассеяния и учет отношения сигнал/шум. Другим недостатком прототипа следует считать наличие петли обратной связи, т. е. возможность срыва слежения. Причиной срыва может быть, например, уменьшение отношения сигнал/шум за счёт уменьшения интенсивности обратного донного рассеяния, т. к. разброс коэффициента обратного донного рассеяния может достигать в океане нескольких порядков 4, с. 148-149. Увеличение отношения сигнал/шум может быть произведено путём увеличения излучаемой мощности. Однако такое увеличение нежелательно и ограничивается соображениями потребляемой мощности от источника электропитания и скрытностью действия.
Всё это ведёт к снижению точности измерения доплеровского смещения частоты, т.е к снижению точности измерения абсолютной скорости носителя, что в свою очередь снижает точность навигации.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения доплеровского смещения частоты за счет увеличения помехоустойчивости.
Для решения указанной задачи в устройство, содержащее коррелометр, последовательно соединенные преобразователь Фурье и интегратор, при этом вход коррелометра соединён с выходом приёмного тракта, введены генератор весовой функции и перемножитель, при этом выход генератора весовой функции соединён с одним из входов перемножителя, а другой вход последнего соединён с выходом коррелометра, выход перемножителя соединён с входом преобразователя Фурье, при этом вход генератора весовой функции соединён с выходом приёмного тракта или с выходом внешнего измерителя скорости носителя и внешним измерителем средних мощностей обратного донного рассеяния и шума.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение точности измерения доплеровского смещения частоты за счет устранения петли обратной связи и введения весовой функции, учитывающей форму спектральной плотности мощности обратного донного рассеяния и уровень шумов, на входе преобразователя Фурье и, если преобразователь Фурье обладает малым значением дискретности по частоте, то имеет место приближение к потенциальным значениям точности и помехоустойчивости измерения.
Поясним достижение указанного технического результата.
СПМ обратного донного рассеяния может быть записана
(G)-G),-G),J
8(а)  SQ ехр
где SQ - максимальное значение СПМ, й) - частота излучения,
0) 1п f - доплеровское смещение, /  l4n bf - параметр,
характеризующий ширину СПМ 1, с. 35, 2, с. 163-169. Ширина СПМ обратного донного рассеяния может быть записана для носового и кормового акустических лучей при диаметрально-траверзной ориентации последних и непрерывном режиме излучения как
2П .. 2К
/„А« rga«0.,|F, уз.
сс
где F - проекция вектора скорости носителя на ось X горизонтальной, жёстко
связанной с носителем системой координат, уз; с - скорость звука в водной среде, уз; Да - ширина характеристики направленности антенны (ХН); а - угол направления ХН 1, с. 37. В случае импульсного режима излучения
A/f 4-A//,(3)
где Г-длительность импульсов излучения. А/, согласно (2).
Корреляционная функция обратного донного рассеяния может быть записана
RS(T)  F{S((D),(T}cos(o,T  o-lp,(T}cos(o,T,(4)
(2)
/„,F,,
где F{ } - оператор прямого преобразования Фурье, /гДг) - огибающая корреляционной функции, о-ц - средняя мощность, (0  нормированная огибающая, «о й)„ +u.
Нормированная огибающая имеет вид
р,(г)  схр(/ У/4}(5)
1, С. 35-37. Из рассмотрения выражений (2) - (5) следует, что при известных значениях скорости носителя, режима излучения, средней мощности обратного донного рассеяния полностью известна огибающая Л,, (г)
корреляционной функции обратного донного рассеяния К(т}. Весовая функция определяется как
Л(г)  -{Ф,М},(6)
где  } - оператор обратного преобразования Фурье,
Ф.(с.) ° ,(7)
1 + Фо(й.)
Ф,(ш}  Р{к,(т}},(8)
/2 - СПМ белого шума 9, с. 184-195. . Средняя мощность шума в полосе А/ (2) или Af (3) равна
-
Следовательно, при априорно известных значениях скорости носителя, средней мощности обратного донного рассеяния и средней мощности 6
или .(9)
аддитивного шума, используя выражения (2) - (9), можно определить весовую функцию /г(г).
В 9,с. 184-195 приведены в общем виде аналитические зависимости среднеквадратичной ошибки измерения частоты от отношения сигнал/шум, ширины СПМ полезного сигнала и интервала наблюдения. Там же показано, что использование весовой функции J(r) согласно выражениям (6) - (8) даёт потенциально достижимую (предельную) точность измерения частоты.
Введенные в известное устройство-прототип новые блоки обеспечивают технический результат - повышение точности измерителя доплеровского смещения частоты за счет увеличения помехоустойчивости.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой на фиг. 1.
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит коррелометр 1, перемножитель 5, преобразователь Фурье 2, интегратор 3, генератор весовой функции 4. При этом вход коррелометра 1 соединён с выходом приёмного тракта, а выход коррелометра 1 соединён с одним из входов перемножителя 5, другой вход которого соединён с выходом генератора весовой функции 4. Выход перемножителя 5 соединён с входом преобразователя Фурье 2, выход которого соединён с входом интегратора 3. Вход генератора весовой функции 4 соединён с выходом приёмного тракта.
Выполнение коррелометра 1, преобразователя Фурье 2 известно, например, из описания прототипа 7 и аналога 5. В последнем реализация устройства измерения выполнена с помощью процессора цифровой обработки сигналов (ЦОС) типа ADSP 2100. Выполнение введённых блоков 4 и 5
предложенного устройства также возможно с помощью процессоров ЦОС. Например, в 10 рассматривается использование 32-разрядных процессоров ЦОС с плавающей запятой и тактом (30-50) не в различных гидроакустических устройствах. Реализация преобразования Фурье занимает, например, на процессоре ЦОС DSP96002 при числе отсчётов  не более 1.0 мс 10. Для уменьшения дискретности по частоте отсчёты данных можно дополнять нулями 11 , с. 187-191. Блок 5 производит перемножение двух функций, блок 3 сравнивает соседние по частоте каналы и производит накопление результатов. Блок 4 производит вычисления согласно выражениям (6) - (8). Возможные значения ширины Д/ СПМ Фо(«) полезного эхосигнала могут быть в пределах
(5-100) Гц для среднечастотных и низкочастотных лагов. Например, для К,10
уз, при  кГц,  /с, Аа  3, от  60° с помощью выражения (2) получается .17 Гц; в макете доплеровского лага PADS 12 вторичная частота  кГц,  Гц при F Ю уз.
Предполагаемое устройство работает следующим образом.
Выходные сигналы приёмного тракта доплеровского лага подаются на коррелометр 1. Результат корреляционной обработки поступает на один из входов перемножителя 5, на другой вход поступает выходной сигнал генератора весовой функции 4. На вход генератора весовой функции 4 подаются выходные сигналы приёмного тракта или сигналы с выхода внешнего измерителя скорости носителя и внешнего измерителя средних мощностей обратного донного рассеяния и шума. Внешним измерителем скорости может быть, например, канал скорости инерциальной навигационной системы, относительный лаг.
приёмник спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОСНАСС. Внешним измерителем средних мощностей обратного донного рассеяния и шума может быть, например, устройство автоматического регулирования мощности излучения доплеровского лага. В первом случае, генератор весовой функции 4 осуществляет экспресс-анализ (грубое измерение) СПМ выходных сигналов приёмного тракта. Результатом экспресс-анализа является значение ширины
Д/ или Д/ и средних мощностей а, сг. Во втором случае, т.е. при комплексировании измерителей скорости носителя 1, с. 245-248,2, с. 241-242, генератор весовой функции 4 осуществляет вычисление Д/ или Д/J согласно выражениям (2), (3). В обоих случаях далее производится вычисление / согласно (1); Ло(г) согласно (4), (5); Фо(2) и Ф,(У) согласно (7)-(9) и искомой весовой функции Ло(т) в соответствии с (6). Выход перемножителя 5
подвергается преобразованию Фурье в блоке 2. Интегратор 3 выделяет из выхода блока 2 частотный канал с максимальным значением, при этом значение частоты выделенного канала является результатом единичного измерения доплеровского смещения, и производит накопление результатов единичных измерений.
Источники информации:
1.Виноградов К.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Ленинград, Судостроение, 1990.
2.Бородин В.И. и др. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, Судостроение, 1983.
З.Технические средства судовождения. Под ред. Смирнова Е.Л., Спб, Элмор, 2000.
4.Богородский А.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984.
5.IEEE Journal of Oceanic Engineering, October 1991,vol.16, N4, pp. 420-426.
б.Колчинский B.E., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации. М., Сов. Радио, 1975.
7.OCEAN-93, vol. 2, pp. 469-474. Published by IEEE, 1993 - прототип.
8. www.janes.com Janes Undenwater Technology 2000-2001
9.Куликов Е.И. Вопросы оценок параметров сигналов при наличии помех. М., Сов. Радио, 1969.
Ю.Лисс А.Р., Рыжиков А.В. ,Структурное построение цифровых вычислительных комплексов ГАК и ГАС, Труды пятой международной конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, 6-9 июня 2000, Санкт-Петербург, 2000.
11. Марпл С.Л., Цифровой спектральный анализ и его приложения,
Мир, 1990.
12.IEEE Journal of Oceanic Engineering, April 1977,vol.2, N2, pp. 190-200.