КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ЛАГ

Полезная модель относится к корреляционным гидроакустическим лагам, позволяющим определять глубины акваторий и скорость судна относительно дна при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях за счет соответствующей обработки как амплитудных, так и фазовых характеристик фазосвязанных эхосигналов кратных частот.В предлагаемом устройстве данные измерения предлагается осуществлять на нескольких фазосвязанных рабочих сигналах кратных частот - высших гармониках 2f,3f,…nf, формирующихся в нелинейной водной среде при распространении мощного зондирующего сигнала с частотой f, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоиз-лучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной скорости судна, так и регистрации глубин водоемов. Область использования - гидроакустика.
В качестве первого аналога выбран взаимокорреляционный измеритель абсолютной путевой скорости судна, в котором для расчета искомой величины используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции флуктуаций огибающих эхосигналов от дна, принятых разнесенными в пространстве антеннами (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, С. 203-204), содержащий генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, излучающую и две приемные интерференционные антенны, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор. Взаимокорреляционные измерители путевой скорости имеют недостатки:
12
0,7
1) используется моностатическая схема одночастотного эхолотирова-ния, в результате чего коэффициент r(τ) взаимной корреляции флуктуаций огибающей эхосигналов, принятых носовой П1 и кормовой П2 антеннами, имеющими идентичные осесимметричные ХН с угловой шириной θпо уровню 0,7 основного лепестка (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 119-124), описывается соотношениями
T12
1
1
2
2
0,7
Здесь продольный разнос (база) приемных антенн составляет величину L, α - угол между продольной осью судна и линией, соединяющей центры приемных антенн, β - угол сноса с курса по линии движения судна с путевой скоростью υ, τ- транспортное запаздывание, т.е. временная задержка при которой наступает максимум взаимокорреляционной функции. Из (1) видно, что значение коэффициента взаимной корреляции для флуктуаций огибающих эхосигналов e=f(t), e=f(t) от донной поверхности, принимаемых носовой П1 и кормовой П2 антеннами судна, зависит от угловой ширины основных лепестков ХН приемных и излучающих антенн, длины волны излучаемого ультразвука и т.д., причем, именно отношение (λ/θ)=ΔR определяет ширину пика (максимума кривой) функции взаимной корреляции, однако, в данном устройстве не предусмотрена возможность оптимизации данного параметра за счет многочастотности зондирующего сигнала;
2) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки угловой ширины основного лепестка ХН интерференционной антенны и одночастотным режимом работы. Так, например, относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости υ (методическая погрешность устройства, обусловленная вероятностным характером флуктуаций огибающей эхосигналов от дна) определяется соотношением
υ
где коэффициент κ=(0,3-0,4) - определяется рассеивающими свойствами морского дна, L- продольный разнос (база) приемных антенн, Т-время осреднения данных (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 143-157). Из (2) следует, что относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости о определяется техническими параметрами системы и в наибольшей степени зависит от значений измеряемой скорости, длины волны зондирующего сигнала и угловой ширины основного лепестка ХН антенны;
0,7
3) в устройстве не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем судна. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности измерения глубины и получения детального профиля дна предполагает возможность уменьшения так длительности зондирующего импульса, так и угловой ширины основного лепестка ХН при уменьшении бокового поля стабилизированной в пространстве антенны, однако, в данном аналоге это не осуществлено. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины, составляющая для указанных параметров аналога (f=150 кГц, θ=30°, H=200 м) около 7 метров (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.:Пищевая пром-сть, 1978, с. 255-258).
4) работоспособность устройства в специфических условиях эксплуатации (маневрирование как на рейде, так и в порту, обеспечение шлюзования и швартовки судна) вследствие обработки лишь амплитудных характеристик эхосигналов может быть нарушена за счет того, что на акваториях «рукотворных» водных путей (судоходные каналы внутренней транспортной системы рек, озер, водохранилищ и т.д., искусственные каналы и фарватеры гаваней и т.д.) отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение точной и достоверной информации как об абсолютной скорости движения судна-носителя, так и регистрируемых глубинах акватории, что обусловлено отсутствием возможности выбора необходимой как угловой разрешающей способности приемоизлучающей антенной системы, так и обработки информативных фазовых признаков донных эхосигналов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, две интерференционные приемные и излучающая антенны, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор, измерительный прибор.
1
1
2
2
В качестве второго аналога выбран корреляционный гидроакустический лаг, позволяющий определять путевую скорость судна, в котором для определения абсолютного значения путевой скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции двух непрерывно регистрируемых напряжений е=f(t) и е=f(t) на выходах приемных антенн, являющихся функциями распределения как глубин водоема, так и мелких черт профиля дна на пути следования судна (см. Справочник по гидроакустике. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982, с. 28-29). Устройство содержит две эхолотные системы, каждая из которых включает в себя: интерференционную приемоизлучающую антенну, имеющую настолько узкий основной лепесток ХН, что облучаемые площадки дна не перекрываются, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Корреляционный гидроакустический лаг имеет недостатки:
0,7
0,7
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки угловой ширины основного лепестка ХН интерференционной антенны и одночастотным режимом работы. Так, например, для рассматриваемого аналога относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости и, определяемая соотношением (2), так же актуальна, как и для рассмотренного выше первого аналога - взаимокорреляционного измерителя путевой скорости (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, С. 203- 204). Из (2) следует, что не смотря на снижение величины относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости за счет увеличения продольного разноса L (базы) антенн, в устройстве отсутствует возможность улучшения точностных характеристик за счет регулировки величины важного параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения о в узкостях, на акватории гавани и т.д. В аналоге изменение ширины пика взаимокорреляционной функции затруднено тем, что данная величина определяется взаимосвязанными параметрами -длиной волны зондирующего сигнала и угловой шириной основного лепестка ХН приемоизлучающей интерференционной антенны (при неизменной апертуре уменьшение длины волны зондирующего сигнала приводит также к уменьшению угловой ширины по уровню 0,7 основного лепестка ХН в соответствии с соотношением θ=2·arcsin(0,64·λ/D) (см. А.П. Евтютов, В.Б. Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. 2-е изд., перераб. и доп. - Л. Судостроение, 1988. с. 17-27).
2) в устройстве не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем. Так, используемая одновибраторная моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности профиля глубин водоема и подробной детализации рельефа дна предполагает возможность уменьшения как длительности зондирующего импульса (разрешающая способность по дальности), так и уменьшение угловой ширины по уровню 0,7 основного лепестка ХН интерференционной антенны, что в аналоге не осуществляется. Данный подход наиболее эффективен при многочастотном режиме эхолотирования, предполагающем использование зондирующих тональных импульсных сигналов с различной длительностью и частотой заполнения: - на мелководье - малые длительности импульсов и высокочастотный ультразвук, на морском шельфе - большие длительности импульсов и низкочастотный ультразвук. Из практики эксплуатации эхолотов известно, что на точность измерения глубины эхолотом также оказывает тип грунта, так как при отражении сигналов от илистого дна запись глубины на регистраторе - эхограмма - получается менее четкой, чем при отражении от плотного грунта, и в данном случае отрицательный эффект может быть уменьшен за счет концентрации излучаемой акустической энергии в меньшем телесном угле;
1
1
2
2
3) недостатком устройства является необходимость излучения зондирующих сигналов носовой и кормовой эхолотными системами в узких телесных углах, что необходимо для того, чтобы осуществлялось облучение различных площадок дна, в результате обеспечивающее несовпадение выходных сигналов е=f(t) и e=f(t), пропорциональных как глубинам, так и деталям профиля дна в местах их установки (нос и корма судна). Это ограничивает область применения устройства лишь малыми глубинами: на больших глубинах даже при очень узких основных лепестках ХН антенн отражающие области дна перекроются и оба эхолота будут регистрировать одну и ту же глубину;
4) для уверенной работоспособности устройства регистраторы каждой эхолотной системы должны фиксировать с достаточной разрешающей способностью мелкие детали подробных профилей «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся в данных момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося судна. Однако устройство теряет устойчивую работоспособность в случае маневрирования как на рейде, так и в порту, обеспечении шлюзования и швартовки судна к стационарному или плавучему причалу - на акваториях «рукотворных» водных путей (судоходные каналы внутренней транспортной системы, акватории и фарватеры гаваней и т.д.), особенностью которых является отсутствие неровностей донной поверхности за счет проведения дноуглубительных работ.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: приемоизлучающую антенну, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение точной и достоверной информации как об абсолютной скорости движения судна-носителя, так и регистрируемых глубинах акватории, что обусловлено отсутствием возможности выбора необходимой как угловой разрешающей способности приемоизлучающей антенной системы, так и обработки информативных фазовых признаков донных эхосигналов.
В качестве прототипа выбран многочастотный корреляционный гидроакустический лаг по пат. РФ №98254 МКИ G01S 15/00, опубл. 10.10.2010, Бюл №28, содержащий носовую и кормовую эхолотные системы судна, движущегося со скоростью о относительно дна, включающие в себя как общий излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генератора, хронизатора-модулятора, усилителя мощности, выход которого подключен в обоих эхолотных системах через коммутаторы к носовой и кормовой приемоизлучающим антеннам, которые размещены в диаметральной плоскости на донной поверхности корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна, осуществляя ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности, так и два отдельных приемных тракта (нос и корма), каждый из которых состоит из n параллельных цепочек из последовательно включенных полосового фильтра с частотой пропускания f, 2f, 3f,…,nf соответственно, усилителя и амплитудного детектора, выходы которых соединены через n входовый аналоговый ключ с входами индикатора и регистратора как носовой, так и кормовой эхолотных систем, а также тракт корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления, состоящий из последовательно соединенных блока задержки времени, перемножающего устройства, интегратора, измерительного прибора и экстремального регулятора, оба входа перемножающего устройства соединены с выходами n-входовых аналоговых ключей обоих эхолотных систем, причем, выход n-входового аналогового ключа из носовой эхолотной системы через блок регулируемой задержки времени, дополнительный вход которого через интегратор и экстремальный регулятор соединен с выходом перемножающего устройства, который также дополнительно соединен со входом измерительного прибора, функционирование блоков эхолотовых систем определяется блоком управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей, индикаторов, регистраторов и хронизатора-модулятора.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) эксплуатационные возможности устройства ограничены, так как предусмотрена возможность регистрации только амплитудных информативных параметров эхосигналов от облучаемых участков донной поверхности на трассе движения судна. Следует учитывать, что дно водоема в общем случае представляет собой участки как осадков (наносов), так и выходов коренных пород, каждый из которых обладает различной отражательной способностью так по амплитудным, так и фазовым параметрам. Так, отдельные участки дна водоемов, например, в озерах и водохранилищах внутренней транспортной системы, содержат различные концентрации органических веществ, разложение которых с образованием газов обусловливает «индивидуальное» распределение пузырьковых областей, накапливающихся внутри данных участков наносов, в отличие от выходов коренных пород, обладающих стабильностью данного параметра. Таким образом, донные поверхности как выходов породы, так и наносов обладают разными акустическими свойствами, что обусловливает различие как амплитудных, так и фазовых признаков эхосигналов от них. Так как обычно верхний слой дна природных водных водоемов образуют глины, которые могут быть в разной степени как водо-, так и газонасыщенными, то при эхолотировании существенно соотношение акустических сопротивлений донной поверхности и водной среды. Так, если в первом случае от слоя наносов практически отсутствует эхосигнал (акустические сопротивления практически одинаковы), то во втором - эхосигнал достаточно велик (акустические сопротивления значительно отличаются);
2) в специфических условиях эксплуатации (маневрирование как на рейде, так и в порту, обеспечение шлюзования и швартовки судна) работоспособность устройства вследствие обработки лишь амплитудных характеристик эхосигналов кратных частот f, 2f,…,nf может быть нарушена за счет того, что на акваториях «рукотворных» водных путей (судоходные каналы внутренней транспортной системы рек, озер, водохранилищ и т.д., искусственные каналы и фарватеры гаваней и т.д.) практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ, в то время как различие акустических сопротивлений донной поверхности с выходами как плотных коренных пород («акустически жесткие»), так и газонасыщенных отложений - наносов («акустически мягкие») сохранено;
3) в устройстве не предусмотрена возможность регистрации такого информативного параметра облучаемых участков донной поверхности на трассе  движения судна как акустическое сопротивление границы раздела «вода-грунт», характеризующее ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, что позволяет использовать эту величину в качестве классификационного признака для различения участков донной поверхности;
4) для повышения работоспособности прототипа и получения достоверной информации об абсолютной скорости судна-носителя по мере движения по заданному курсу с помощью как носовой, так и кормовой эхолотных систем следует:
- синхронно и непрерывно регистрировать меняющиеся во времени функции величин изменения как глубин водоема, так и акустического сопротивления облучаемых участков дна относительно водной среды;
- осуществлять корреляционную обработку полученных зависимостей, соответствующих как амплитудным, так и фазовым признакам эхосигналов кратных частот, что актуально при маневрировании как на рейде, так и в порту, обеспечении шлюзования и швартовки судна на акваториях «рукотворных» водных путей, где отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ. Однако в прототипе данный подход не реализован;
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение точной и достоверной информации как об абсолютной скорости движения судна-носителя, так и регистрируемых глубинах акватории, что обусловлено отсутствием возможности выбора необходимой обработки информативных признаков донных эхо-сигналов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: носовая и кормовая эхолотные системы судна, движущегося со скоростью υ относительно дна, объединяющие как общий излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генератора, хронизатора-модулятора, усилителя мощности, выход которого подключен в обоих эхолотных системах через коммутаторы к носовой и кормовой приемоизлучающим антеннам, которые размещены в диаметральной плоскости на донной поверхности корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна, осуществляя ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности, так и два отдельных приемных тракта (нос и корма), каждый из которых состоит из n параллельных цепочек из последовательно включенных полосового фильтра с частотой пропускания f, 2f, 3f,…,nf соответственно, усилителя и амплитудного детектора, выходы которых соединены через n входовый аналоговый ключ с входами индикатора и регистратора как носовой, так и кормовой эхолотных систем, а также тракт корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления, состоящий из последовательно соединенных блока задержки времени, перемножающего устройства, интегратора, измерительного прибора и экстремального регулятора, оба входа перемножающего устройства соединены с выходами n-входовых аналоговых ключей обоих эхолотных систем, причем, выход n-входового аналогового ключа из носовой эхолотной системы через блок регулируемой задержки времени, дополнительный вход которого через интегратор и экстремальный регулятор соединен с выходом перемножающего устройства, который также дополнительно соединен со входом измерительного прибора, функционирование блоков эхолотовых систем определяется блоком управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей, индикаторов, регистраторов и хронизатора-модулятора.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей корреляционного лага, позволяющего определять глубины акваторий и скорость судна относительно дна при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях за счет соответствующей обработки как амплитудных, так и фазовых характеристик фазосвязанных эхосигналов кратных частот.
Техническим результатом полезной модели является возможность получения дополнительной уточненной информации как о характеристиках движения судна-носителя многочастотного корреляционного гидроакустического лага, так и рельефе границы раздела «вода-дно», что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширит эксплуатационные возможности устройства.
Технический результат достигается тем, что в корреляционный лаг дополнительно введены в приемные тракты как носовой, так и кормовой эхолотных систем идентичные каналы обработки фазовых характеристик эхо-сигналов кратных частот f и 2f, содержащие каждый - удвоитель частоты, фазовращатель и фазовый детектор, выход которого соединен с дополнительным входом n-входового аналогового ключа, а первый и второй входы фазового детектора соединены с выходами усилителей из параллельных цепочек (n=1, f и n=2, 2f) приемных трактов, причем, на первый вход фазового детектора поступает электрический сигнал с частотой f через удвоитель частоты, а на второй вход фазового детектора - электрический сигнал с частотой 2f через фазовращатель, а также блок формирования управляющих напряжений, причем, его вход соединен с дополнительным выходом блока управления, а сигнальный выход соединен с управляющими входами фазовращателей введенных каналов обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот f и 2f как носовой, так и кормовой эхолотных систем.
Для достижения технического результата в корреляционный лаг, содержащий носовую и кормовую эхолотные системы судна, движущегося со скоростью v относительно дна, объединяющие как общий излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генератора, хронизатора-модулятора, усилителя мощности, выход которого подключен в обоих эхолотных системах через коммутаторы к носовой и кормовой приемоизлучающим антеннам, которые размещены в диаметральной плоскости на донной поверхности корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна, осуществляя ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности, так и два отдельных приемных тракта (нос и корма), каждый из которых состоит из n параллельных цепочек из последовательно включенных полосового фильтра с частотой пропускания f, 2f, 3f,…,nf соответственно, усилителя и амплитудного детектора, выходы которых соединены через п входовый аналоговый ключ с входами индикатора и регистратора как носовой, так и кормовой эхолотных систем, а также тракт корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления, состоящий из последовательно соединенных блока задержки времени, перемножающего устройства, интегратора, измерительного прибора и экстремального регулятора, оба входа перемножающего устройства соединены с выходами n-входовых аналоговых ключей обоих эхолотных систем, причем, выход n-входового аналогового ключа из носовой эхолотной системы через блок регулируемой задержки времени, дополнительный вход которого через интегратор и экстремальный регулятор соединен с выходом перемножающего устройства, который также дополнительно соединен со входом измерительного прибора, функционирование блоков эхолотовых систем определяется блоком управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей, индикаторов, регистраторов и хронизатора-модулятора, дополнительно введены в приемные тракты как носовой, так и кормовой эхолотных систем идентичные каналы обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот f и 2f, содержащие каждый - удвоитель частоты, фазовращатель и фазовый детектор, выход которого соединен с дополнительным входом n-входового аналогового ключа, а первый и второй входы фазового детектора соединены с выходами усилителей из параллельных цепочек (n=l, f и n=2, 2f) приемных трактов, причем, на первый вход фазового детектора поступает электрический сигнал с частотой f через удвоитель частоты, а на второй вход фазового детектора - электрический сигнал  с частотой 2f через фазовращатель, а также блок формирования управляющих напряжений, причем, его вход соединен с дополнительным выходом блока управления, а сигнальный выход соединен с управляющими входами фазовращателей введенных каналов обработки фазовых характеристик эхо-сигналов кратных частот f и 2f как носовой, так и кормовой эхолотных систем.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительные тракты для обработки фазосвязанных эхосигналов кратных частот как в носовой, так и в кормовой эхолотных системах, позволяющие определять как глубины акваторий, так и скорость судна относительно дна за счет различения акустического сопротивления облучаемых участков дна относительно водной среды, что расширяет эксплуатационные возможности корреляционного лага при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях.
H(f)
H(2f)
H(nf)
H
K(f)
K(2f)
K(nf)
K
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - сонограммы, полученные при движении судна со скоростью υ на сигналах кратных частот  позволяющие определять с различной точностью как глубины водоема, так и рельеф его донной поверхности за счет регистрации электрических сигналов U5,U5,…,U5=Ψ(t) и U5,U5,…,U5=Ψ(t) вырабатываемых приемными трактами обработки амплитудных признаков эхосигналов в носовой и кормовой эхолотных системах корреляционного лага; на фиг. 3 -эпюры напряжений в различных точках фазового приемного тракта устройства; на фиг. 4 - осциллограммы информационного видеоимпульса от модельных границ раздела: 1) «акустически мягкой» - вода - воздух (верхнее фото), 2) «акустически жесткой» - вода- металл (нижнее фото) для параметрического локатора (см. Волощенко В.Ю. О возможности различения акустического сопротивления границ раздела в водной среде по фазовым признакам эхосигналов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. №3. с. 41-45); на фиг. 5 - а) донная поверхность «рукотворной» акватории, где 2f, усилителя 18, амплитудного детектора 24;…; полосового фильтра 13 с частотой пропускания nf, усилителя 19, амплитудного детектора 25.
В каждом канале устройства выходы амплитудных детекторов (Н-20, 21,…,22 и К-23, 24…25) соединены через n входовый аналоговый ключ (Н-26 и К-27) с входами индикатора (Н-33 и К-35) и регистратора (Н-34 и К-36) как носовой, так и кормовой эхолотных систем. В корреляционном лаге тракт корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления состоит из последовательно соединенных блока задержки времени 28, перемножающего устройства 29, интегратора 30, измерительного прибора 31 и экстремального регулятора 32. Оба входа перемножающего устройства 29 соединены с выходами n-входовых аналоговых ключей (Н-26 и К-27) обоих эхолотных систем, причем, выход n-входового аналогового ключа (Н-26) из носовой эхолотной системы через блок регулируемой задержки времени 28, дополнительный вход которого через интегратор 29 и экстремальный регулятор 32 соединен с выходом перемножающего устройства 29, который также дополнительно соединен с входом измерительного прибора 31. Функционирование блоков эхолотных систем определяется блоком управления 37, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей (Н-26 и К-27), индикаторов (Н-33 и К-35), регистраторов (Н-34 и К-36) и хронизатора-модулятора 2. Приемные тракты как носовой, так и кормовой эхолотных систем корреляционного лага включают в себя идентичные каналы обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот f и 2f, содержащие каждый - удвоитель частоты (Н-39 и К-40), фазовращатель (Н-41 и К-42) и фазовый детектор (Н-43 и К-44), выходы каждого из которых соединены с дополнительными входами n-входовых аналоговых ключей (Н-26 и К-27), а первый и второй входы фазовых детекторов (Н-43 и К-44) соединены с выходами усилителей (Н-14, 15 и К-17, 18) из параллельных цепочек (n=1, f и n=2, 2f) приемных трактов, причем, на первый вход фазового детектора (Н - 43 и К - 44) поступает электрический сигнал с частотой f через удвоитель частоты (Н-39 и К-40), а на второй вход фазового детектора (Н-43 и К-44) - электрический сигнал с частотой 2f через фазовращатель (Н-41 и К-42), а также блок формирования управляющих напряжений 38, причем, его вход соединен с дополнительным выходом блока управления 37, а сигнальный выход соединен с управляющими входами фазовращателей (Н-41 и К-42) каналов обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот f и 2f как носовой (Н), так и кормовой (К) эхолотных систем.
OБ2
CP
ОБ1
CP
K(f,2f)
K фаза
H(f,2f)
H фаза
Работа корреляционного лага происходит следующим образом. Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал U/1 с частотой f, поступающий на вход хронизатора-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 37, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U/2 с гармоническим заполнением. После усилителя мощности 3 радиоимпульс U/3 поступает через коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» на приемоизлучающие антенны 6 и 7 (нос и корма соответственно), излучающие мощные зондирующие ультразвуковые сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. Носовая 6 и кормовая 7 приемоизлучающие интерференционные антенны эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз (фиг. 1), причем, их основные лепестки характеристик направленности должны иметь такую угловую ширину, чтобы облучаемые области дна не перекрывались. При распространении в среде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, акустический сигнал конечной амплитуды по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f, 3f,…,nf излученного сигнала с частотой f, т.е. набора фазосвязанных акустических сигналов кратных частот, один из которых может быть использован в качестве опорного при проведений фазовых измерений. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают следующими пространственными характеристика - отсутствуют неровности рельефа в результате проведения дноуглубительных работ, но существуют выходы как плотных коренных пород («акустически жесткие», Z>Z), так и газонасыщенных отложений - наносов («акустически мягкие», Z<Z), б) две пары видеоимпульсных информационных электрических сигналов U10(t)=Ψ(t) и U10(t)=Ψ(t) соответствующих указанной выше донной поверхности, которые вырабатываются приемными трактами обработки фазовых признаков эхосигналов в носовой и кормовой эхолотных системах корреляционного лага (судно движется слева направо).
Корреляционный лаг (фиг. 1) содержит носовую и кормовую эхолотные системы судна, движущегося со скоростью о относительно дна, объединяющие как общий излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генератора 1, хронизатора-модулятора 2, усилителя мощности 3, выход которого подключен в обоих эхолотных системах через коммутаторы 4, 5 в режиме «Передача» к носовой (Н) и кормовой (К) приемоизлучающим антеннам 6,7 соответственно, которые размещены в диаметральной плоскости на донной поверхности корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна, осуществляя ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности, так и два отдельных приемных тракта (нос, Н и корма, К), каждый из которых состоит из п параллельных цепочек из последовательно включенных:
Н - полосового фильтра 8 с частотой пропускания f, усилителя 14, амплитудного детектора 20; полосового фильтра 9 с частотой пропускания 2f, усилителя 15, амплитудного детектора 21;…; полосового фильтра 10 с частотой пропускания nf, усилителя 16, амплитудного детектора 22;
К - полосового фильтра 11 с частотой пропускания f, усилителя 17, амплитудного детектора 23; полосового фильтра 12 с частотой пропускания ми: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи с чем угловая ширина основного лепестка характеристики направленности для каждой последующей гармоники меньше, в то время как в направлениях дополнительных максимумов - изменение свойств среды происходит в меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. к снижению уровня бокового поля для каждой последующей гармоники (см. Волощенко В.Ю. Рыбопоисковая аппаратура на основе нелинейного эффекта самовоздействия: перспективы модернизации LAP LAMBERT Acad. Publishing GmbH & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-l 1100-6), 2012 г., 107 c).
CP
ср
ср
ср
ср
ОБ
об
об
CP
cp
ср
ср
ср
ср
0Б
об
об
cp
ОБ1
CP
OБ2
CP
0B
cp
OБ
CP
Р
D(f)
D(2f)
D(3f)
D(nf)
H
K
H
K
Дно водоема в общем случае представляет собой участки как осадков (наносов), так и выходов коренных пород, каждый из которых обладает различной отражательной способностью так по амплитудным, так и фазовым параметрам. Участки дна водоемов содержат различные концентрации органические вещества, разложение которых с образованием газов обусловливает «индивидуальное» распределение пузырьковых областей, накапливающихся внутри данных участков наносов («акустически мягкие»), в отличие от выходов коренных пород («акустически жесткие»), обладающих стабильностью данного параметра. Полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, 2f, 3f,…nf, распространяется в водной среде, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρс, где ρ, с - плотность и скорость звука в воде), достигает расположенных в среде подвижных (рассеиватели, формирующие сигнал объемной реверберации) и покоящихся (дно) относительно нее объектов с акустическим сопротивлением (Z=ρс)≠(Z) и отражается от них. Регистрация акустического сопротивления границы раздела, которое характеризует ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате  чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, может позволить использовать эту величину в качестве классификационного признака для различения участков донной поверхности. Итак, полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами f, 2f, 3f,…nf, распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (Z=ρс), где ρ - плотность среды, с- скорость звука в ней, достигает границы раздела «вода-дно», а также расположенных как на донной поверхности, так и в дне объектов с акустическим сопротивлением [(Z=ρс)≠(Z),Z<Z - «акустически мягкая» газонасыщенная полость в отложениях, Z>Z - «акустически жесткий» выход плотных коренных пород] и отражается от них. Если акустическое сопротивление объекта Z больше акустического сопротивления среды Z, то отраженные волны имеют ту же фазу, что и падающие, если же Z<Z, то при отражении они изменяют фазу на 180° (см. С.Н. Ржевкин «Курс лекций по теории звука», изд.МГУ, М., 1960, с. 35-45), кроме этого, в соответствии с эффектом Доплера перемещение объекта с радиальной скоростью υ приведет к изменению частот отраженных акустических колебаний всех волновых процессов  - доплеровским сдвигам частот (±f), (±f), (±f), (±f), , где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта. Амплитуды отраженных ультразвуковых волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами и акустическим сопротивлением. Отраженные спектральные компоненты полигармонического ультразвукового сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики, достигают приемоизлучающих антенн 6 и 7 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются ими в соответствующие полигармонические электрические сигналы U4,U4, которые через коммутаторы 4,5 в режиме «Прием» поступают на объединенные входы полосовых фильтров 8, 9,…,10 (Н) и 11, 12,…, 13 (К) с частотой пропускания f,2f,3f…nf соответственно, Данные сигналы несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию об объектах и границах раздела, позволяют судить об их как отражательной способности, так и акустическом сопротивлении в широкой полосе частот (f - nf), а также и о их удалении от приемоизлучающих антенн 6 и 7. Таким образом, при движении судна со скоростью о с помощью обоих эхолотных систем на различных спектральных компонентах f,2f,3f…nf отраженного полигармонического сигнала можно синхронно и непрерывно фиксировать с различной разрешающей способностью детали «уникальных» распределений во времени как подробных изменений глубин водоема, так и изменений акустического сопротивления облучаемых участков дна относительно водной среды, находящихся на общем маршруте следования, но в данный момент времени в разных его частях - под носовой (Н) и кормовой (К) частями соответственно. С этой целью в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов U4,U4, позволяющая выделить полезные информативные признаки как амплитудные, так и фазовые из регистрируемых донных эхосигналов.
H
H
K
K
0,7(nf)рез
0,7(f)изл
0,7(2f)изл
0,7(nf)изл
Итак, на выходе приемного тракта носовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8(f ),9(2f),…10(nf)), усиления (усилители 14, 15…16), детектирования (детекторы 20, 21,…22) и соответствующего переключения n- входового аналогового ключа 26 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f,2f,3f…nf от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под носовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал U5 подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 33 и регистратора 34, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37. Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 11(f), 12(2f),…13(nf)), усиления (усилители 17, 18,.…19), детектирования (детекторы 23, 24,...25) и соответствующего переключения n-входового аналогового ключа 27 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал U5, соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f,2f,3f…nf от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под кормовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал U5 подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 35 и регистратора 36, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37. На характер записи рельефа морского дна эхолотной системой влияет как угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН, так и уровень бокового излучения интерференционных антенн, в частности, в нашем случае - результирующая угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН θ приемоизлучающей антенны, где n=1,2,3,…,n, в результате чего изображение рельефа дна на эхограмме в основном соответствует действительному рельефу, однако, неровности дна (впадины и возвышенности) получаются сглаженными. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов, вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины. При прохождении носа судна над впадиной (фиг. 1) ее склоны облучает полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий сформировавшиеся в нелинейной водной среде спектральные составляющие с частотами f,2f,3f…nf, на которых антенна 6 в режиме излучения имеет разную угловую ширину по уровню 0,7 основного лепестка θ>θ>…θ (нелинейный режим). Следует отметить, что угловая ширина по уровню 0,7
0,7(f)пр
0,7(f)пр
0,7(nf)пр
0,7(f)рез
0,7(2f)рез
0,7(nf)рез
основного лепестка ХН той же антенны 6 в режиме приема более высокочастотной компоненты также возрастает: θ=2·θ=…=n·θ (линейный режим). Таким образом, формирование результирующей ХН приемоизлучающей антенны 6 для каждой спектральной компоненты имеет свои особенности, обусловленные перемножением ее ХН по давлению в обоих режимах: ослабление уровня бокового излучения, более медленное уменьшение угловой ширины основного лепестка, причем, θ>θ>…θ . Как следует из фиг. 1, сигналы различных спектральных компонент отражаются от различных по площади участков поверхности впадины, в результате чего возвращаются к антенне 6 неодновременно, что приводит к удлинению эхосигналов, а так же регистрации на эхограмме первыми отраженных сигналов, пришедших от ближайших к приемнику точек поверхности впадины. Как видно из графических построений, степень искажения профиля впадин и возвышенностей дна на сонограмме (эхограмме) уменьшается для более высокочастотных спектральных компонент (фиг. 2).
H(f)
H(2f)
H(nf)
H
K(f)
K(2f)
K(nf)
K
T12(nf)
(nf)
T12(nf)
2(nf)
1(nf)
K
H
12
(nf)
K(nf)
H(nf)
T12(nf)
12
T12
(nf)
Таким образом, по мере движения судна со скоростью о по заданному курсу могут быть синхронно определены по два набора (Н и К) из n медленно меняющихся функций распределения глубин водоема (сонограммы на сигналах кратных частот:, позволяющие определять с различной точностью как глубины водоема, так и рельеф его донной поверхности), т.е. имеется возможность регистрации несовпадающих зависимостей электрических сигналов U5,U5,…,U5=Ψ(t) и U5,U5,…,U5=Ψ(t), пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, вырабатываемых приемными трактами обработки амплитудных признаков эхосигналов в соответствующих эхолотных системах корреляционного лага. Эти функции идентичны друг другу и могут быть зарегистрированы оператором на любой из рабочих частот f,2f,3f…nf в зависимости от конкретных условий навигации, но сдвинуты во времени на величины τ=L/υ (фиг. 2). Для определения величин промежутков времени τ=t-t видеоимпульсные электрические сигналы U5 и U5, соответствующие эхосигналам какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот f,2f,3f…nf эхолотных систем поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от носовой антенны - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту r(τ) взаимной корреляции сигналов U5(t) и U5(t), поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку τ=τ, чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента r(τ) корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость судна (3), измеренная на нескольких частотах f,2f,3f…nf
(nf)
0,7
Для корреляционного лага имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуацион-ной погрешности измерения путевой скорости υ, определяемой соотношением (2), за счет регулировки величины важного параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения υ в узкостях, на акватории гавани и т.д.
Однако в специфических условиях эксплуатации (маневрирование как на рейде, так и в порту, обеспечение шлюзования и швартовки судна) работоспособность корреляционного лага вследствие применения только описанной выше обработки лишь амплитудных характеристик эхосигналов кратных частот f,2f…nf может быть нарушена за счет того, что на акваториях «рукотворных» водных путей (судоходные каналы внутренней транспортной системы рек, озер, водохранилищ и т.д., искусственные каналы и фарватеры гаваней и т.д.) практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ, в то время как различие акустических сопротивлений донной поверхности с выходами как плотных коренных пород («акустически жесткие»), так и газонасыщенных отложений - наносов («акустически мягкие») сохранено. В данных условиях эксплуатации в устройстве предусмотрена возможность регистрации изменения такого информативного параметра облучаемых участков донной поверхности на трассе движения судна как акустическое сопротивление границы раздела «вода-грунт», характеризующее ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне. Таким образом, расширение эксплуатационных возможностей корреляционного лага, позволяющего определять глубины акваторий и скорость судна относительно дна при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях, где практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ, может быть достигнуто за счет соответствующей обработки фазовых характеристик фазосвязанных эхосигналов кратных частот.
1
2
2
1
Рассмотрим основы работоспособности фазового приемного тракта корреляционного лага, которая основана на применении следующего способа получения фазочастотной характеристики (ФЧХ) границы раздела, реализуемого с использованием двух когерентных гармонических акустических сигналов (S(t) и S(t) кратных частот f и f, отличающихся по частоте в целое число разили, с помощью которых эхолотная система облучает поверхность. Пусть в среду лоцирования антенной эхолотной системы излучаются два акустических сигнала
где  и  - начальные фазы и циклические частоты
1
для соответствующих акустических сигналов. Если отражающая поверхность находится на удалении z, то через время t к приемной антенне (без учета затухания и расширения фронта волны) придут эхосигналы
x
2
0
Э1
Э2
2
1
1
гдеи- волновые числа для соответствующих сигналов с частотами f и f; с - скорость звука в воде; и  - величины модулей коэффициентов отражения и приобретаемого фазового сдвига для звукового давления акустических сигналов при отражении от облучаемой поверхности. После обработки в приемных трактах локационного устройства фазосвязанных эхосигналов S и S (фильтрация, усиление, приведение к одной частоте, фазовое детектирование) можно получить информацию о фазовой характеристике отражающей поверхности цели, определяя фазу одного из эхосигналов путем сравнения с другим эхосигналом, используемым в качестве опорного. Так, например, разность фаз приведенных к одинаковой частоте фазосвязанных сигналов () кратных частот f=2f, и f, будет равна
1
ОБ
CP
1
2
ОБ
cp
1
2
т.е. разность фаз приобретенных при отражении фазовых сдвигов не зависит ни от времени t распространения сигналов, ни от расстояния z до отражающего объекта, а определяется только соотношением акустических сопротивлений поверхности объекта и среды лоцирования (см. Волощенко В.Ю. Параметрические локаторы для ближнего подводного эхопоиска. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH, OmniScriptum & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str.6-8 66121, Saarbracken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-48014-0, 2015г., 137 c.). При облучении акустически «жестких» объектов (выход плотных коренных пород, каменистое дно в море, граница раздела «вода-лед») акустическое сопротивление Z которого больше, чем акустическое сопротивление среды распространения Z, отражение акустических сигналов S(t) и S(t) кратных частот происходит без фазового сдвига на π радиан, т.е.  и  (фиг. 3). В случае отражения от акустически «мягких» объектов (насыщенный пузырьками газа верхний слой речного грунта, граница раздела «вода-воздух») акустическое сопротивление Z которых меньше, чем акустическое сопротивление среды распространения Z, отражение акустических сигналов S(t) и S(t) кратных частот происходит с фазовым сдвигом на π радиан, т.е.  и  .Генерация сигналов кратных частот 2f при нелинейном самовоздействии волны накачки f сопровождается следующими физическими особенностями процессов - при распространении из ближней в дальнюю зону антенны каждый из этих сигналов приобретает определенный дифракционный фазовый сдвиг, обусловленный трансформацией квазиплоской волны соответствующего сигнала у излучающей поверхности антенны в расходящуюся квазисферическую на определенном удалении от него (см. Волощенко В.Ю. О возможности различения акустического сопротивления границ раздела в водной среде по фазовым признакам эхосигналов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. №3. с. 41-45), причем, когерентные фазосвязанные акустические сигналы кратных частот приобретают определенный дифракционный фазовый сдвиг, компенсация которого осуществляется с помощью фазовращателя 41, на управляющий вход которого поступает электрический сигнал, амплитуда которого во времени пропорциональны величине фазового сдвига; данные электрические сигналы вырабатывает блок формирования управляющих напряжений 38 после поступления на его управляющий вход синхроимпульса с выхода блока управления 37.
ОБ
CP
ОБ
CP
ОБ
CP
На фиг. 4 представлены осциллограммы информационного видеоимпульса от модельных границ раздела: 1) акустически «мягкой» - вода-воздух (верхнее фото), 2) акустически «жесткой» - вода- металл (нижнее фото) для параметрического локатора (см. Волощенко В.Ю. О возможности различения акустического сопротивления границ раздела в водной среде по фазовым признакам эхосигналов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. №3. с. 41-45). Результаты испытаний показали, что для плоских границ раздела имеет место однозначное соответствие между полярностью информационного видеоимпульса и соотношениями акустических сопротивлений лоцируемых границ раздела Z относительно акустического сопротивления водной среды Z (Z>Z, Z<Z). При отражении от взволнованной поверхности воды, а также от искривленных и меняющих свое положение во времени и пространстве различных границ раздела наблюдались флюктуации амплитуды видеоимпульса и изменение в отдельные короткие промежутки времени его полярности на противоположную.
H(f)
H(2f)
H(2f)
H(f,2f)
H фаза
ОБ1
CP
OБ2
CP
В полезной модели как в носовой (Н), так и в кормовой (К) эхолотных системах в качестве фазосвязанных сигналов кратных частот используются сигнал накачки с частотой f и сформировавшаяся в нелинейной водной среде вторая гармоника с частотой 2f. Рассмотрим работу фазового приемного тракта корреляционного лага, например, в приемном тракте носовой (Н) эхолотной системы (фиг. 1) после фильтрации (полосовой фильтр 8, частота f и полосовой фильтр 9, частота 2f) и усиления (усилитель 14, частота f и усилитель 15, частота 2f) выделяются - электрический сигнал U6 с частотой f, который после удвоителя частоты 39 (2f, U8) подают на первый вход фазового детектора 43, а также электрический сигнал U7 с частотой 2f через фазовращатель 41 подается на второй вход фазового детектора 43, выход которого соединен с дополнительным входом n-входового аналогового ключа 26. Выход n-входового аналогового ключа 26 соединен как с индикатором 33, так и с регистратором 34, а также через блок регулируемой задержки времени 28 с первым входом перемножителя 29. На управляющий вход фазовращателя 41 подается электрический сигнал с соответствующего выхода блока формирования управляющих напряжений 38, который запускается синхроимпульсом с дополнительного выхода блока управления 37. Характеристики разнополярного электрического сигнала U10(t)=Ψ(t), формируемого на выходе фазового детектора 43 и подаваемого через блок регулируемой задержки времени 28 на первый вход перемножителя 29, пропорциональны изменению такого информативного параметра облучаемых участков донной поверхности, находящихся под носовой эхолотной системой на трассе движения судна, как акустическое сопротивление границы раздела «вода-грунт», причем, при лоцировании «акустически мягкой» границы раздела (насыщенный пузырьками газа верхний слой речного грунта, Z<Z) будет иметь отрицательную полярность, а для «акустически жесткой» (выход плотных коренных пород, каменистое дно в море, Z>Z) - положительную (фиг. 3), а для областей с промежуточными значениями акустического сопротивления электрический сигнал будет иметь флюктуирующую как амплитуду, так и полярность.
K(f)
k(2f)
H(2f)
K(f,2f)
K фаза
K(f,2f)
K фаза
T12(f,2f)
2(f,2f)
1(f,2f)
H(f,2f)
1
H фаза
1
Работа фазового приемного тракта корреляционного лага в приемном тракте кормовой (К) эхолотной системы осуществляется аналогичным образом: - после фильтрации (полосовой фильтр 11, частота f и полосовой фильтр 12, частота 2f) и усиления (усилитель 17, частота f и усилитель 18, частота 2f) выделяются - электрический сигнал U6 с частотой f, который после удвоителя частоты 40 (2f,U8) подают на первый вход фазового детектора 44, а также электрический сигнал U7 с частотой 2f через фазовращатель 42 подается на второй вход фазового детектора 44, выход которого соединен с дополнительным входом n-входового аналогового ключа 27. Выход n-входового аналогового ключа 27 соединен как с индикатором 35, так и с регистратором 36, а также со вторым входом перемножителя 29. На второй вход перемножителя 29 поступает разнополярный электрический сигнал U10(t)=Ψ(t), формируемый на выходе фазового детектора 44, который пропорционален изменению такого информативного параметра облучаемых участков донной поверхности, находящихся под кормовой эхолотной системой на трассе движения судна, как акустическое сопротивление границы раздела «вода-грунт». Отметим, что электрический сигнал U10(t)=Ψ(t), формируемый на выходе фазового детектора 44 кормовой эхолотной системой на трассе движения судна, будет запаздывать на промежуток времени τ=t-t относительно электрического сигнала U10(t)=Ψ(t),, уже формированного на выходе фазового детектора 43 носовой эхолотной системой на трассе движения судна
H(f,2f)
H фаза
K(f,2f)
K фаза
T12(f,2f)
(f,2f)
Таким образом, по мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две синхронно меняющиеся функции распределения акустического сопротивления облучаемых участков донной поверхности, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов U10(t)=Ψ(t), и U10(t)=Ψ(t), пропорциональные распределению изменения акустического сопротивления облучаемых участков донной поверхности под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величины τ=L/υ, так как зарегистрированы оператором на фазосвязанных сигналах кратных частот f/,2f с помощью носовой и кормовой эхолотными системами лага.
T12(f,2f)
2(f,2f)
1(f,2f)
H(f,2f)
H фаза
K(f,2f)
K фаза
12
(f,2f)
T12(f,2f)
12
T12
(f,2f)
Следует отметить, что применение фазового приемного тракта корреляционного лага позволяет определять абсолютную скорость судна, причем, даже при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях, где практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ (фиг. 5а), что снижает работоспособность приемных трактов обработки амплитудных признаков эхосигналов в носовой и кормовой эхолотных системах корреляционного лага. Для определения величины промежутка времени τ=t-t видеоимпульсные электрические сигналы U10(t)=Ψ(t), и U10(t)=Ψ(t), (фиг. 5б), подают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от носовой антенны - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту r(τ) взаимной корреляции данных сигналов, поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку τ=τ, чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента r(τ) корреляции. По величине введенной задержки определяется абсолютная скорость судна, измеренная на фазосвязанных акустических сигналах кратных частот f,2f
(nf)
0,7
Для корреляционного лага имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости υ, определяемой соотношением (2), за счет регулировки величины важного параметра - (λ/θ) - ширины пика взаимокорреляционной функции.
(nf)
0,7(nf)рез
(nf)
0,7(nf)рез
(nf)
0,7(nf)рез
Следует отметить, что использование обратимой интерференционной антенны РИА «Таймень» (см. Voloshchenko V.Y. The multifrequency sonar equipment on the self-action nonlinear effect, P.659-668, in Ivan A. Parinov et al. (Eds.), Advanced Materials - Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. Springer Proceedings in Physics, V. 175, Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer. - 2016. - 707 p. ISBN: 978-3-319-26322-9. http://www.springer.com/gp/book/9783319263229) качестве приемоизлучающей  антенны корреляционного лага может обеспечить снижение относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости υ, определяемой соотношением (2), за счет того, что в силу описанных выше закономерностей имеется возможность регулировки величины параметра - (λ/θ - ширины пика взаимокорреляционной функции для соответствующей спектральной компоненты полигармонического сигнала (при использовании более высокочастотного сигнала числитель λ уменьшается быстрее, чем знаменатель θ, что вызывает уменьшение самого отношения), где λ - длина волны используемого ультразвукового сигнала (изменяется в «раз), θ - угловая ширина результирующей характеристики направленности приемоизлучающей антенны (излучение - «нелинейный» режим, прием - «линейный» режим). Как следует из (2), в наибольшей степени на флуктуационную погрешность измерения скорости влияют длина волны и угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН антенны (уменьшение длины волны в n раз или увеличение угловой ширины основного лепестка ХН в n раз приводит к снижению погрешности в раз). Так, в случае использования в корреляционном гидроакустическом лаге данной антенны относительная флуктуационная погрешность измерения скорости может быть уменьшена ~ в 1,84 раз и 2,2 раза при переходе с первой гармоники - на вторую и на третью высокочастотные компоненты соответственно.
Относительная погрешность в измерении путевой скорости из-за вертикальных перемещений судна на качке при амплитудном детектировании описывается соотношением (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 143-157)
K
где h - среднее значение размаха вертикальных перемещений судна, Т - период вертикальных колебаний судна. Из (10) видно, что при амплитудном детектировании относительная погрешность в измерении путевой скорости из-за вертикальных перемещений судна на качке растет с увеличением размаха вертикальных перемещений и с уменьшением путевой скорости судна и периода качки, но уменьшается при более узких характеристиках направленности приемоизлучающих антенн. Выше описан режим работы корреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря, причем, на больших глубинах устройство может работать в относительном режиме, носителем информации в котором является объемная реверберация.
Полезная модель относится к средствам кораблевождения, предназначенных для обеспечения безопасности судоходства, измерения глубин под килем судна и путевой скорости судна как относительно дна, так и относительно звукорассеивающих водных масс при использовании корреляционной обработки амплитудных характеристик соответствующих эхосигналов. В предлагаемом устройстве данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной и относительной скоростей судна, так и регистрации глубин водоемов.