Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта автономного необитаемого подводного аппарата
DEVICE FOR DETECTING AND TRACING METAL CONTAINING EXTENDED UNDERWATER OBJECT FROM SIDE OF AUTONOMOUS UNINHABITED UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к области электромагнитных исследований и может быть использовано преимущественно для поиска, обнаружения и отслеживания трасс подводных протяженных металлосодержащих объектов, в том числе и заиленных в донный грунт, например, подводных трубопроводов, подводных кабелей и т.п.с борта подводной поисковой установки.
Известно устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, содержащее блок управления и излучатель электромагнитного поля, выполненный в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки (Патент США, №5430380, МПК 6 G01V 3/03, G01V 3/04, G01V 3/06, G01V 3/08, 1995 г.
Основным недостатком этого устройства является сложность определения положения подводной поисковой установки относительно металлосодержащего протяженного подводного объекта, для чего требуется многократное прохождение поисковой установки над объектом под разными углами.
Известно устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки (Патент РФ №2174244, МПК 7 G01V 3/08 (2000.01), опуб. 27.09.2001 Бюл. №27, второй вариант, - прототип), наиболее близкое по своей технической сущности и по достигаемому результату к заявляемому устройству. Известное устройство содержит два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов, генератор переменного напряжения, два коммутатора, селектор сигналов приемника, а также блок управления и преобразования сигналов (БУПС). Возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты в разные стороны относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки на одинаковый угол, а приемные электроды расположены на поисковой установке так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости поисковой установки. Возбуждающие электроды подключены через первый коммутатор к выходу генератора переменного напряжения, а приемные электроды подключены к входам селектора сигналов приемника (ССП) и через второй коммутатор соединены с первым входом БУПС. Выход генератора переменного напряжения соединен также со вторым входом БУПС. Первый выход БУПС подключен на управляющие входы первого и второго коммутаторов, а второй выход БУПС соединен с задающим входом генератора переменного напряжения. В известном устройстве БУПС состоит из блока компенсации, двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вычислительно-управляющего блока (ВУБ), двухканального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), первого (ФНЧ1) и второго (ФНЧ2) фильтров низких частот, порта последовательной связи (ППС) и информационного канала. Входы первого и второго каналов ЦАП через информационный канал связаны с ВУБ, выход первого канала ЦАП через ФНЧ2 подключен ко второму входу блока компенсации, выход второго канала ЦАП соединен с входом ФНЧ1, выход которого является вторым выходом БУПС. Управляющий выход ВУБ является первым выходом БУПС, а первый вход блока компенсации является первым входом БУПС. Вход первого канала АЦП соединен с выходом блока компенсации, а вход второго канала АЦП является вторым входом БУПС, при этом выходы первого и второго каналов АЦП через информационный канал связаны с ВУБ. Через информационный канал с ВУБ связан также ППС. Первый и второй каналы АЦП идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления, при этом тактовый выход АЦП соединен с входом прерывания ВУБ. Первый и второй каналы ЦАП также идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления.
Первым недостатком известного устройства является изменение напряжений, наводящихся на приемных электродах, в зависимости от изменения электропроводности донного грунта и окружающей воды, а также от расстояния между подводной поисковой установкой и грунтом. От этих условий зависит значение тока и напряженность электрического поля, инициируемых возбуждающими электродами и, как следствие, уровень ответной реакции подводного протяженного металлосодержащего объекта в виде возмущения электрического поля.
Второй недостаток известного устройства связан с тем, что отсутствует контроль уровня напряжения в селекторе сигналов приемника. При любых условиях работы усилители селектора сигналов приемника должны находиться в линейном режиме работы и при этом их коэффициент усиления должен быть максимально возможным. Нарушение этого требования приводит к увеличению ошибки в обнаружении и отслеживании подводного металлосодержащего объекта.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, обеспечивающего повышение точности обработки сигналов с приемных электродов устройства, что позволит повысить надежность и достоверность обнаружения и точность отслеживания протяженного подводного металлосодержащего объекта с помощью подводной поисковой установки, преимущественно автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) в условиях возможного изменения электрических характеристик окружающей подводной среды.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта АНПА, содержащее два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях АНПА, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов, генератор переменного напряжения, два коммутатора, а также блок управления и преобразования сигналов (БУПС), при этом возбуждающие электроды подключены к выходам первого коммутатора, выход второго коммутатора соединен с первым входом БУПС, выход генератора переменного напряжения соединен со вторым входом БУПС, первый выход БУПС подключен на управляющие входы первого и второго коммутаторов, а второй выход БУПС соединен с задающим входом генератора переменного напряжения, причем БУПС состоит из блока компенсации, двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вычислительно-управляющего блока (ВУБ), двухканального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), первого (ФНЧ1) и второго (ФНЧ2) фильтров низких частот, порта последовательной связи (ППС) и информационного канала, выход первого канала ЦАП через ФНЧ2 подключен ко второму входу блока компенсации, выход второго канала ЦАП соединен с входом ФНЧ1, выход которого является вторым выходом БУПС, управляющий выход ВУБ является первым выходом БУПС, первый вход блока компенсации является первым входом БУПС, а вход второго канала АЦП является вторым входом БУПС, вход первого канала АЦП соединен с выходом блока компенсации, при этом через информационный канал организована связь ВУБ с выходами АЦП, с портом последовательной связи, а также с входами ЦАП, причем первый и второй каналы АЦП идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления, первый и второй каналы ЦАП также идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления, а тактовый выход АЦП соединен с входом прерывания ВУБ, при этом возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости АНПА таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты в разные стороны относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки на одинаковый угол, а приемные электроды расположены на АНПА так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости АНПА, кроме этого порт последовательной связи через канал обмена связан с системой управления движением АНПА, дополнительно введены управляемый аттенюатор, измерительный преобразователь тока, а также блок нормализатора сигналов с управляемым коэффициентом усиления, кроме этого в вычислительно-управляющий блок введены второй управляющий выход и второй вход, которые являются третьим выходом БУПС и третьим входом БУПС соответственно, при этом последовательно соединенные управляемый аттенюатор и измерительный преобразователь тока включены в разрыв связи между выходом генератора переменного напряжения и входом первого коммутатора, управляющий вход аттенюатора соединен с третьим выходом БУПС, выход измерительного преобразователя тока соединен с третьим входом БУПС, приемные электроды соединены с входами блока нормализатора сигналов, а его выходы последовательно через второй коммутатор, первый вход БУПС и информационный канал связаны с ВУБ, при этом управляющий вход блока нормализатора сигналов подсоединен к первому выходу БУПС.
Поставленная задача достигается также тем, что приемные электроды каждого цриемного диполя установлены на АНПА в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению.
Выполнение функциональной задачи - «… увеличение точности обработки сигналов с приемных электродов устройства, что позволяет повысить надежность и достоверность обнаружения и точность отслеживания протяженного подводного металлосодержащего объекта с помощью АНПА в условиях возможного изменения электрических характеристик окружающей подводной среды» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.
Первый признак - «… в устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта АНПА… введены управляемый аттенюатор, измерительный преобразователь тока, … в вычислительно-управляющий блок дополнительно введены второй управляющий выход и второй вход, которые являются третьим выходом БУПС и третьим входом БУПС соответственно, при этом последовательно соединенные управляемый аттенюатор и измерительный преобразователь тока включены в разрыв связи между выходом генератора переменного напряжения и входом первого коммутатора, управляющий вход аттенюатора соединен с третьим выходом БУПС, выход измерительного преобразователя тока соединен с третьим входом БУПС» - обеспечивает поддержание требуемого значения тока от возбуждающих электродов через окружающую подводную среду за счет регулирования управляемым аттенюатором напряжения, подводимого через первый коммутатор к возбуждающим электродам от генератора переменного напряжения, что сохраняет реакцию подводного металлосодержащего объекта на возбуждаемое электрическое поле на максимальном уровне и повышает точность обнаружения и отслеживания подводного объекта вне зависимости от возможного изменения электрических характеристик окружающей подводной среды.
Второй признак - «… в устройство введен… блок нормализатора сигналов с управляемым коэффициентом усиления, … приемные электроды соединены с входами блока нормализатора сигналов, а его выходы последовательно через второй коммутатор и первый вход БУПС связаны с информационным каналом и через него с ВУБ, при этом управляющий вход блока нормализатора сигналов подсоединен к первому выходу БУПС» - обеспечивает линейный режим работы усилителей с одновременным поддержанием их коэффициента усиления на максимальном уровне, что увеличивает соотношение сигнал-шум и повышает точность обнаружения и отслеживания подводного объекта за счет уменьшения зависимости уровня сигнала на приемных электродах от изменения электрических характеристик окружающей подводной среды.
Третий признак - «… приемные электроды каждого приемного диполя установлены на АНПА в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению» - способствует повышению точности обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта за счет уменьшения зависимости уровня сигналов на приемных электродах от изменений высоты подводного аппарата над дном, а также от изменений электропроводности донного грунта по ходу движения подводного аппарата.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта; на фиг. 2 показан автономный необитаемый подводный аппарат (вид сверху) в момент прохождения над металлосодержащим протяженным подводным объектом (ПО); на фиг. 3 показан автономный необитаемый подводный аппарат (вид сзади) в момент прохождения над металлосодержащим протяженным подводным объектом (ПО) при его отслеживании;
Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, преимущественно автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) 1, содержит два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов 2, 3 и 4, 5, установленных в кормовой и носовой частях АНПА 1 соответственно, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов 6, 7, 8, 9, генератор 10 переменного напряжения, первый 11 и второй 12 коммутаторы, блок 13 нормализатора сигналов с управляемым коэффициентом усиления, управляемый аттенюатор 14, измерительный преобразователь 15 тока, а также блок 16 управления и преобразования сигналов (БУПС), при этом возбуждающие электроды 2, 3 и 4, 5 через первый коммутатор 11, измерительный преобразователь тока 15 и аттенюатор 14 подключены к выходу генератора 10 переменного напряжения, выход генератора 10 переменного напряжения соединен со вторым входом БУПС 16, при этом первый выход БУПС 16 подключен на управляющие входы первого 11 и второго 12 коммутаторов, а также к управляющему входу блока 13 нормализатора сигналов. Второй выход БУПС 16 соединен с задающим входом генератора 10 переменного напряжения, причем БУПС 16 состоит из блока 17 компенсации, двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18, вычислительно-управляющего блока (ВУБ) 19, двухканального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 20, первого 21 и второго 22 фильтров низких частот (ФНЧ1) и (ФНЧ2) соответственно, порта 23 последовательной связи (ППС) и информационного канала 24. Выход первого канала ЦАП 20 через ФНЧ2 22 подключен ко второму входу блока 17 компенсации, выход второго канала ЦАП 20 соединен с входом ФНЧ1 21, выход которого является вторым выходом БУПС 16, управляющий выход ВУБ 19 является первым выходом БУПС 16, первый вход блока 17 компенсации является первым входом БУПС 16, а вход второго канала АЦП 18 является вторым входом БУПС 16. Вход первого канала АЦП 18 соединен с выходом блока 17 компенсации, при этом через информационный канал 24 организована связь ВУБ 19 с выходами АЦП 18, с портом 23 последовательной связи, а также с входами ЦАП 20, причем первый и второй каналы АЦП 18 идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления, первый и второй каналы ЦАП 20 также идентичны и имеют общие цепи синхронизации и управления, а тактовый выход АЦП 18 соединен с входом прерывания ВУБ 19, в котором второй управляющий выход и второй вход являются третьим выходом БУПС 16 и третьим входом БУПС 16 соответственно. Управляющий вход управляемого аттенюатора 14 соединен с третьим выходом БУПС 16, выход измерительного преобразователя 15 тока соединен с третьим входом БУПС 16, приемные электроды 6, 7, 8, и 9 соединены с входами блока 13 нормализатора сигналов, а его выходы последовательно через второй коммутатор 12, первый вход БУПС 16 и информационный канал 24 связаны с ВУБ 19, кроме этого порт 23 через канал обмена связан с системой управления движением АНПА 1. Возбуждающие токовые электроды 2, 3 и 4, 5 расположены в горизонтальной плоскости АНПА 1 таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты в разные стороны относительно продольной вертикальной осевой плоскости АНПА 1 на одинаковый угол, а приемные электроды 6, 7, 8, и 9 расположены на АНПА 1 так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости АНПА 1, причем приемные электроды 6, 7, 8, и 9 каждого приемного диполя установлены на АНПА 1 в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению.
Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта работает следующим образом.
SIN
Генератор 10 (см. фиг. 1) вырабатывает сигнал переменного напряжения синусоидальной формы U, который через управляемый аттенюатор 15, измерительный преобразователь 16 тока и первый коммутатор 11 поочередно подается на возбуждающие электроды 2, 4, затем на электроды 3, 5 и, наконец, (параллельно) на обе эти пары электродов.
0
M1-N1
1
При этом в первом случае возбуждается электрический диполь А1-В1, ось которого отклонена от продольной осевой плоскости подводного аппарата 1 вправо на угол γ. Прием ведется на электроды 6, 7, при этом на этих электродах возбуждается переменное напряжение U, которое поступает на блок 13, где выполняется усиление и нормализация этого сигнала по уровню за счет регулирования коэффициента усиления с сохранением линейного режима работы. В результате на первом выходе блока 13 нормализатора вырабатывается сигнал U, который через второй коммутатор 12 поступает на первый вход БУПС 16.
SIN
1SIN
1COS
Одновременно с выхода генератора 10 на второй вход БУПС 16 подается напряжение U. В БУПС 16 выполняется синхронное детектирование, фильтрование и преобразование в цифровой эквивалент соответствующего сигнала с получением его синфазной U и квадратурной U составляющих.
0
M2-N2
2
Во втором случае аналогично возбуждается электрический диполь А2-В2, ось которого отклонена влево от продольной вертикальной осевой плоскости АНПА 1 на угол γ. На приемных электродах 8, 9 возбуждается переменное напряжение U, которое поступает на блок 13, где выполняется его усиление и нормализация. В результате на втором выходе блока 13 вырабатывается сигнала U, который через второй коммутатор 12 поступает на первый вход БУПС 16.
2
2SIN
2COS
Сигнал U, пропорциональный напряжению на приемном диполе М2-N2, в БУПС 16 преобразуется в компоненты выходного сигнала U и U.
0
S
0SIN
0COS
SSIN
SCOS
В третьем случае возбуждаются оба электрических диполя А1-В1 и А2-В2, которые образуют суммарный электрический диполь (А1А2)-(В1В2), ось которого лежит в вертикальной продольной осевой плоскости АНПА1. При этом на третьем и четвертом выходах блока 13 вырабатываются соответственно сигналы U и U, формируемые из напряжений, которые снимаются с двух пар приемных электродов 7, 8 и 6, 9. Эти сигналы поочередно через коммутатор 12 передаются в БУПС 16, где затем преобразуются соответственно в компоненты выходных сигналов устройства U, U, U, U. Управление коммутаторами 11 и 12 осуществляется сигналом с первого выхода БУПС 16, а полученные в блоке 16 синфазные и квадратурные компоненты сигналов через порт 23 поступают в систему управления движением АНПА.
Установка электродов приемных диполей на АНПА в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению, уменьшает эффект асимметрии поля относительно оси излучающего электрического диполя, возникающий при изменении высоты движения АНПА над дном или при изменении электропроводности грунта по ходу движения подводного аппарата. Это повышает точность обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта.
При расположении АНПА над подводным объектом ПО, как показано на фиг. 2 (вид сверху) и на фиг. 3 (вид с кормы), сигналы на выходах блока 13 нормализации определятся выражениями
где коэффициент k1 - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных и свойств протяженного подводного объекта; k2 - постоянный коэффициент, характеризующий приемный диполь; I - ток в возбуждающем диполе; r - расстояние от диполя до протяженного объекта; γ - угол между вертикальной осевой плоскостью подводного аппарата и продольной осью протяженного объекта; k3 - конструктивный коэффициент; b - расстояние между электродами М и N; Y - отклонение подводного аппарата от протяженного объекта в поперечном направлении.
Зависимость компонент сигналов (1)…(4) от тока I в возбуждающем диполе подтверждает актуальность решения, положенного в основу первого признака заявляемого изобретения, т.е. поддержание значения этого тока в заданных пределах позволяет получать измеряемые сигналы требуемого уровня.
На значение компонент указанных сигналов оказывает также расстояние r от возбуждающего или приемного диполей до протяженного объекта, т.е. при изменении высоты движения АНПА будет меняться напряжение на приемных диполях. Автоматическое регулирование уровня сигналов в блоке 13 нормализатора с передачей результатов управления в виде установленного значения коэффициента усиления на ВУБ 19 устраняет этот недостаток, т.е. усилители работают в линейной зоне с максимальным соотношением сигнал-шум.