Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде
MULTIFREQUENCY DOPPLER METHOD FOR MEASURING THE SPEED OF CURRENTS IN THE AQUATIC ENVIRONMENT

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к акустическим способам активной локации, в основе функционирования которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел.
При реализации заявляемого способа, осуществляют измерение сдвига частоты принятой рассеянной волны по отношению к частоте излученной, косвенным образом определяют как скорость перемещения носителя источника волн относительно рассеивающей поверхности, так и наоборот - скорость перемещения рассеивающей поверхности относительно источника. В заявляемом многочастотном импульсном доплеровском способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит выбирать необходимую скоростную чувствительность, увеличить точность определения скорости судна-носителя как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды. Сопоставление доплеровских сдвигов для различных глубин на рабочих сигналах кратных частот между собой дает возможность дополнительно получать уточненные данные о распределении направлений и величин скоростей морских течений в звукорассеивающих слоях водной среды по глубине, т.е. исследовать в импульсном режиме тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений.
Известен доплеровский однолучевый способ измерения скорости судна-носителя аппаратуры относительно дна или неподвижных объектов (К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. Основы и применения. - пер. с англ., Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. с.357 - 361.) в воде, заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры электроакустические преобразователи (далее - ЭАП), образующие пару, но с разными режимами работы - излучающий и приемный, акустические оси апертур каждого из ЭАП находятся в диаметральной плоскости (ось ) судна, параллельны и направлены вперед по курсу наклонно к плоскости горизонта в сторону морского дна;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя с компонентой скорости  в диаметральной плоскости (ось ), которое за счет внешних воздействий (ветер, течение водной среды и т.д.) двигается и в траверзной плоскости (ось ) с компонентой скорости , в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью ;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой , поступающий на пьезоэлемент излучающего ЭАП;
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлемента излучающего ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой , ультразвуковую (далее -УЗ) волну, распространяющуюся в водной среде со скоростью  в виде узкого пучка с угловой шириной  по уровню 0,7, у которого акустическая ось расположена под углом  к плоскости горизонта в сторону морского дна по курсу, причем, пучок УЗ волн распространяется вперед по курсу движения в диаметральной плоскости (ось х) судна;
k
- облучают наклонным относительно горизонта пучком как объем водной среды, заполненный слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), так и участок дна, и устанавливают акустические контакты с подвижными и неподвижными рассеивателями соответственно;
- принимают на фоне объемной реверберационной помехи донный эхосигнал, который попадает на пьезоэлемент приемного ЭАП двигающегося со скоростью  судна-носителя;
- вырабатывают за счет прямого пьезоэффекта электрический сигнал с частотой колебаний , поступающий в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна с компонентой скорости  относительно дна;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрический сигнал с доплеровской частотой , экспериментально определив которую, рассчитывают за счет вторичной обработки компоненту скорости движения судна  относительно дна;
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении, связанные с малой точностью косвенных измерений скорости, неудовлетворительно работает при кренах и дифферентах судна, при его вертикальных перемещениях, не дает возможности определять поперечный снос относительно курса судна, так как отсутствует учет влияния компоненты скорости в траверзном направлении, не обеспечена возможность выбора необходимой для изменяющихся условий лоцирования частоты зондирующего сигнала, и, соответственно, дальности действия. Существенным ограничением метода является отсутствие пространственного разрешения, т.к. применение режима непрерывного излучения УЗ не позволяет различать сигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема, геометрические размеры которого определяются как угловой шириной основного лепестка ХН, так и боковым полем системы ЭАП, т.е. метод не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине.
Известен также доплеровский двухлучевой способ измерения скорости корабля (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62), относительно дна или неподвижных объектов в воде, заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры четыре ЭАП, скомбинированные попарно по режиму работы - излучающий и приемный, акустические оси апертур каждой из двух пар ЭАП находятся в диаметральной (ось ) плоскости судна -носителя, акустические оси в парах ЭАП - параллельны, а для каждой из двух пар ЭАП направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма) в две области морского дна, лежащие симметрично впереди и позади по курсу ;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя с компонентой скорости  в диаметральной плоскости (ось ), которое за счет внешних воздействий (ветер, течение водной среды и т.д.) двигается и в траверзной плоскости (ось ) с компонентой скорости , в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью ;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой , поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП ;
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлементов излучающих ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой , УЗ волны, распространяющиеся в водной среде со скоростью  в виде узких пучков с угловой шириной  по уровню 0,7, у которых акустические оси расположены под углом  к плоскости горизонта в сторону морского дна, причем, пучки направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма) в две области морского дна, лежащие симметрично впереди и позади по курсу, в частности, - вперед (нос) и назад (корма);
k
- облучают синхронно наклонными относительно горизонта пучками симметрично расположенные впереди и позади по курсу в системе координат судна - носителя (х,у) как объемы водной среды, заполненные слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), так и участки дна, и устанавливают акустические контакты с подвижными и неподвижными рассеивателями соответственно;
- принимают на фоне объемной реверберационной помехи донный эхосигнал, который попадает на пьезоэлементы приемных ЭАП двигающегося с путевой скоростью  относительно дна судна-носителя;
- вырабатывают за счет прямого пьезоэффекта приемных ЭАП электрические сигналы с частотами колебаний
и ,
- где ,  - определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед, так и назад по курсу судна-носителя, движущегося с компонентой скорости  относительно дна, где:
- продольная компонента путевой скорости судна относительно дна,
- угол наклона акустических осей узких УЗ пучков относительно плоскости горизонта,
поступающие в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрический сигнал с доплеровскими частотами , экспериментально определив которую, рассчитывают за счет вторичной обработки величину продольной компоненты скорости движения судна-носителя относительно дна в диаметральной плоскости судна (ось х)
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры;
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Недостатком метода является то, что он не позволяет определять поперечный снос относительно курса судна, так как отсутствует учет влияния компоненты скорости  в траверзном направлении, флуктуационная погрешность и погрешность смещения максимума энергии доплеровского спектра и для двухлучевой схемы построения доплеровского лага приводит к существенной неизменной погрешности измерения скорости судна. Причины, препятствующие достижению заявляемого технического результата и ограничивающие точность косвенного измерения скорости движения судна, не устранены, в частности, не обеспечено различение эхосигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема и движущихся каждый по-своему, что не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине в реальном масштабе времени.
Наиболее близким к заявляемому способу является доплеровский четырехлучевой способ измерения путевой скорости корабля относительно дна (см. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука. - 2004, с.99 - 115), заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры по меньшей мере восемь ЭАП, скомбинированных в пары «излучающий ЭАП - принимающий ЭАП», акустические оси апертур каждой из двух пар ЭАП находятся во взаимноперпендикулярных плоскостях судна -носителя: -диаметральной (ось ) и траверзной (ось ), акустические оси в парах ЭАП - параллельны, а для каждой из двух пар ЭАП направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма), а также - влево (левый борт, л.б.) и вправо (правый борт, п.б.) в четыре взаимноперпендикулярные области морского дна;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя относительно дна по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред, причем, с компонентами скорости  и в диаметральной - ось - и траверзной - ось - плоскостях судна, в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью
;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой , поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП;
C
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлементов излучающих ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой , УЗ волны, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью  в виде узких пучков с угловой шириной  по уровню 0,7, у которых акустические оси расположены под углом  к плоскости горизонта в сторону морского дна,
и облучают взаимоперпендикулярно расположенные относительно курса как объемы водной среды, так и участки дна соответственно, что обеспечивает осуществление акустических контактов с подвижными и неподвижными рассеивателями, причем, пучки находятся в диаметральной и траверзной плоскостях судна-носителя - вперед «нос» и назад «корма», а также - влево «левый борт» и вправо «правый борт»;
- регистрируют донные эхосигналы пьезоэлементами приемных ЭАП на фоне объемной реверберационной помехи;
- преобразуют регистрируемые эхосигналы за счет прямого пьезоэффекта приемных ЭАП в электрические сигналы с частотами колебаний
и ,
где , , ,  - определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости и  относительно дна
и передают в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна - носителя с путевой скоростью  относительно дна;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрические сигналы с доплеровскими частотами  и ,
где  и  - доплеровские сдвиги частот электрических сигналов для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «лев.борт - прав.борт» - судна-носителя с компонентами путевой скорости  и  соответственно относительно дна
и рассчитывают за счет вторичной обработки путевую скорость υ движения судна-носителя, ее продольную  и поперечную  компоненты относительно дна, а также угол смещения  направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна по формулам:
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
и фиксируют результаты измерений и вычислений.
В способе-прототипе реализован лишь режим измерений параметров движения судна относительно дна с использованием сигналов донной реверберации, в то время как сигналы объемной реверберации не используются для получения дополнительной информации, например, о тонкой структуре пространственно-временной картины поля подводных течений в слоистой морской среде, а также увеличения точности определения скорости судна как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды.
Известно, что облучение рассеивающей поверхности коническим пучком звуковых волн приводит к расширению доплеровского спектра частот, причем, ширина этого спектра приблизительно может быть оценена из соотношения (см. Виницкий А.С. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М., Сов. Радио, 1961 )
фл
Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешности в определении доплеровского сдвига по следующей причине. Величина мгновенной частоты доплеровского спектра флюктуирует относительно среднего значения частоты спектра, причем, в данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна  доплеровским лагом может быть оценена из соотношения (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.85)
где  - доплеровская длина волны сигнала;  - время усреднения результатов  измерений мгновенных значений частоты  пришедшего сигнала. Из соотношения следует, что для уменьшения флуктуационной погрешности желательно уменьшать угловую ширину  главного максимума ХН по уровню 0,7 и длину волны доплеровского  рассеянного сигнала при увеличении времени усреднения .
Задачей изобретения является расширение тактических параметров гидроакустической аппаратуры, которые характеризуют возможности аппаратуры по обнаружению объектов и обеспечению наблюдения за ними, (см. В.И.Кудрявцев Промысловая гидроакустика и рыболокация М.: Пищ пром., 1978, стр.113-133) гидроакустической аппаратуры, в частности, доплеровских навигационных систем в режиме измерения скоростей течений в слоистой водной среде на ходу судна (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана под ред В.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, стр.155 - 163). Задача решается измерением в реальном масштабе времени данных о распределении направлений и величин скоростей морских течений в слоях водной среды по глубине, что в совокупности позволяет отобразить и зарегистрировать тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений непосредственно с борта судна при его движении (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана под ред В.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, стр.234 - 239).
Технический результат изобретения заключается в увеличении скоростной чувствительности доплеровского метода за счет использования нелинейного эффекта самовоздействия, возникающего при распространении в водной среде мощного УЗ сигнала конечной амплитуды.
Технический результат достигается тем, что в доплеровский четырехлучевой способ измерения путевой скорости корабля относительно дна, основанный на том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры по меньшей мере восемь ЭАП, скомбинированных в пары «излучающий ЭАП-принимающий ЭАП»;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя относительно дна по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры движущегося относительно дна судна - носителя непрерывный гармонический сигнал с частотой , поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП;
C
- формируют УЗ волны, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью  в виде узких пучков с угловой шириной  по уровню 0,7, и облучают взаимоперпендикулярно расположенные как объемы водной среды, так и участки дна соответственно, что обеспечивает осуществление акустических контактов с подвижными и неподвижными рассеивателями, причем, пучки находятся в диаметральной и траверзной плоскостях судна-носителя - вперед «нос» и назад «корма», а также - влево «левый борт» и вправо «правый борт»;
- регистрируют донные эхосигналы пьезоэлементами приемных ЭАП;
- преобразуют регистрируемые эхосигналы в электрические сигналы с частотами колебаний
,
и ,
,
и ,
где , , ,  - определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию о акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости и  относительно дна,
- продольная компонента путевой скорости судна относительно дна,
- поперечная компонента путевой скорости судна относительно дна,
- угол наклона акустических осей узких УЗ пучков относительно плоскости горизонта
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрические сигналы с доплеровскими частотами  и ,
где  и  - доплеровские сдвиги частот электрических сигналов УЗ волны с частотой  для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «левый борт - правый борт» судна-носителя с компонентами путевой скорости  и  относительно дна;
- определяют за счет вторичной обработки путевую скорость υ движения судна-носителя, ее продольную  и поперечную  компоненты относительно дна, а также угол смещения  направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна по формулам:
,
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
,
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
- и фиксируют результаты измерений и вычислений
дополнительно введены следующие операции:
- преобразуют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры колебания непрерывного электрического сигнала с частотой  в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные радиоимпульсы прямоугольной формы и усиливают по мощности полученные радиоимпульсы прямоугольной формы с несущей частотой ;
- генерируют за счет нелинейного эффекта самовоздействия в водной среде импульсные УЗ волны с несущими частотами ,распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью  в виде узких соосных пучков с различной угловой шириной  по уровню 0,7, и облучают ими взаимоперпендикулярно расположенные объемы водной среды, устанавливая акустические контакты с подвижными рассеивателями водной среды;
- определяют в соответствии с эффектом Доплера величины частот импульсных УЗ волн кратных частот;
- принимают эхосигналы объемной реверберации, рассеянные i-тыми слоями водной среды, где i от 1 до k;
..,
- осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,,горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот  стробирование полученной амплитудной информации, задавая одинаковые значения ширины строба , , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба, для получения по  горизонту глубин расчетных данных об усредненной величине скорости  течения;
- задают идентичные параметры стробирования в ( -1) канальном устройстве первичной обработки информации приемного тракта для каждой из УЗ волн кратных частот;
- преобразуют принятые эхосигналы объемной реверберации в электрические сигналы с кратными частотами колебаний
где , , ,  - определяемые двойным эффектом Доплера величины частот  -ых гармоник УЗ волн ( =2, 3, 4, …..), которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями i-того слоя водной среды, где i от 1 до k, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости  относительно i-того слоя водной среды
- продольная компонента скорости судна относительно i-того слоя водной среды;
- поперечная компонента скорости судна относительно i-того слоя водной среды;
- угол наклона акустических осей излучаемых пучков  -ых гармоник УЗ волны ( =2, 3, 4, …..) относительно плоскости горизонта
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки ( -1) электрических сигналов с доплеровскими частотами
,
где и  - доплеровский сдвиг частот электрических сигналов с величинами частот  -ой гармоники УЗ волны ( =2, 3, 4, …..) для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «лев.борт - прав.борт» - судна-носителя с компонентами путевой скорости  и  относительно i-того слоя водной среды;
- определяют за счет вторичной обработки полученных электрических сигналов величину путевой скорости  движения судна-носителя, ее продольную  и поперечную  компоненты относительно i-того слоя водной среды, а также угол смещения  направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна
,
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
,
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
;
i
i-
- рассчитывают величины ( -1) значений векторов скоростей течения , …..,  в -том слое как разность вектора путевой скорости судна-носителя относительно дна, измеренной на сигналах донной реверберации и соответствующих векторов путевых скоростей судна-носителя относительно того слоя, измеренных на сигналах объемной реверберации кратных частот;
k
- фиксируют результаты в виде семейства ( -1) объемных годографов скоростей течений в слоях стратифицированного водного объема;
k
- выбирают из полученного семейства ( -1) объемных годографов скоростей течений в слоях стратифицированного водного объема данные, соответствующие заданной точности измерений.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ, которая содержит излучающий тракт, а также часть приемного тракта - доплеровский диаметральный канал, в котором определяется продольная компонента  скорости судна (часть приемного тракта - доплеровский траверзный канал - для определения поперечной компоненты  путевой скорости судна полностью идентичен указанному и на фиг.1 не показан).
На Фиг. 2 схематически изображена ориентация лучей, находящихся в диаметральной плоскости судна-носителя, для многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы, реализующей заявляемый способ, и их прохождение через модель слоистой водной среды;
На Фиг. 3 представлена временная эпюра импульсного режима работы многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы, реализующей предлагаемый способ (эпюра, изображенная сплошной жирной линией, - используется для сигнала с частотой , а изображенная пунктиром - для сигналов с частотами (, ,….).
Реализующая заявляемый способ, многочастотная импульсная доплеровская навигационная система содержит общий излучающий тракт и доплеровские диаметральный и траверзный каналы, координация работы которых осуществляется с помощью блока 18 управляющих сигналов. Излучающий тракт включает в себя - генератор 1, соединенный через импульсный модулятор 2 и усилитель мощности 3. Выход усилителя мощности 3 соединен с входами четырех излучающих ЭАП 4 («нос», «корма» - диаметральный канал, «левый борт», «правый борт» - траверзный канал), на фиг.1 изображены блоки излучающего тракта и диаметрального канала, поступление информации на который обеспечивают два приемных ЭАП 5, связи с соответствующими аналогичными блоками траверзного канала изображены стрелками 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, направленными вправо). В частности, по порядку следования снизу вверх:
нижняя стрелка 19 - связь выхода усилителя мощности 3 с двумя излучающими ЭАП 4 («левый борт», «правый борт») траверзного канала,
вторая 20, третья 21 и четвертая 22 стрелки снизу соответственно - связи выходов блока 18 управляющих сигналов со строб-входами резонансных усилителей 6, 7, …8 траверзного канала,
пятая стрелка 23 снизу соответственно - связь выходов блока 18 управляющих сигналов с управляющими входами четырех -входовых аналоговых ключей 12, 13 траверзного канала,
шестая стрелка 24 снизу, соответственно - связи дополнительного выхода генератора 1 с сигнальными входами блока 16 умножения частоты на 2, блока 15 умножения частоты на  и двух  -входовых аналоговых ключей 13 траверзного канала,
седьмая стрелка 25 снизу соответственно - связь выхода блока 15 умножения частоты на  с сигнальным входом аналогового ключа 13 траверзного канала,
восьмая стрелка 26 снизу соответственно - связь выхода блока 16 умножения частоты на 2 с сигнальным входом аналогового ключа 13 траверзного канала.
k
Излучающие ЭАП 4 («нос», «корма» - диаметральный канал, «левый борт», «правый борт» - траверзный канал) через нелинейную водную среду распространения УЗ сигналов, заполненную слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), а также участки, дна акустически связаны с четырьмя приемными ЭАП 5 («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») (на фиг. 1 показана только структурная схема излучающего тракта устройства с приемным трактом доплеровского диаметрального канала, а приемный тракт доплеровского траверзного канала полностью «симметрично» идентичен и не показан). Излучающие и приемные ЭАП расположены попарно («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») и установлены таким образом, чтобы осуществлять излучение и прием УЗ колебаний под углом  к горизонту как вперед («нос»), так и назад («корма») относительно курса судна в его диаметральной плоскости , а также как влево («левый борт»), так и вправо («правый борт») относительно курса судна в его траверзной плоскости. Приемные ЭАП 5 («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») соединены с входами 4 резонансных усилителей 6, 7, …8, настроенных соответственно на частоты (,, ,…), причем, выходы резонансных усилителей 6, 7, …8 с одинаковыми частотами настройки ,, ,… и попарно с указанных направлений («нос» и «корма»; «левый борт» и «правый борт») соединены со входами 2 частотных дискриминаторов 9, 10, …, 11 (направление «нос» и «корма» и направление «левый борт» и «правый борт»), выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации 17. Измерительный режим, применяемом в случае необходимости независимого разноглубинного получения данных о тонкой структуре распределения скорости течения в каждом из четырех направлений в отдельности, реализуется с использованием дополнительных связей и блоков - двух аналоговых ключей 12 и двух аналоговых ключей 13, двух частотных дискриминаторов 14, двух умножителей частоты 15, 16 - диаметрального и траверзного каналов соответственно.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
Многочастотная импульсная доплеровская навигационная система устанавливается на перемещающемся за счет движителя со скоростью υ относительно дна судне- носителе по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред. Генератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал частотой , поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора 2, на управляющий вход которого поступают с блока управления 18 периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с частотой заполнения  поступают через усилитель мощности 3 на ЭАП 4 обоих каналов («нос», «корма», «левый борт», «правый борт»), которые излучают в сторону дна (вперед, назад, влево, вправо относительно направления «нос - корма», ось х) УЗ пучки с угловой шириной  по уровню 0,7, наклонённые на угол  относительно горизонта. УЗ колебания распространяются в водной среде, обладающей нелинейностью упругих характеристик, причем, при распространении в среде акустические сигналы конечной амплитуды испытывают накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент , ,…. излученных сигналов c частотой .
Неоднородности водной среды и ее границ (дно и поверхность) обусловливают появление полей рассеяния УЗ, которые в месте расположения приемных и излучающих ЭАП, создают эффект, называемый реверберацией, которую подразделяют на три вида:
- объемную, определяемую рассеянием звука на распределенных по всему объему воды рассеивателях ( пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), которые могут образовывать геометрические области в водной среде, называемые рассеивающими слоями, в некоторых случаях рассеивающий слой также может возникать при локализации в пределах некоторой области физических условий, обусловливающих случайное в пространстве-времени отклонение характеристик среды (температуры, солености, скорости течений) от средних значений, что влечет за собой случайные отклонения скорости звука и как следствие - рассеяние на объемных статистических неоднородностях (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е.Колесникова.- Л.:Судостроение,1989, с.180);
- поверхностную, обусловленную рассеянием звука водной поверхностью и неоднородностями в приповерхностном слое;
- донную, характеризующуюся рассеянием от неровностей дна,
причем, в нашем случае наиболее актуальны первый и третий виды.
Полигармонические волновые поля акустических локационных сигналов кратных частот ,, ,…., имеющие форму узких соосных пучков с различной угловой шириной , по уровню 0,7, распространяются через данную слоистую структуру водной среды (см. фиг.1, 2 для диаметрального направления «нос»-«корма», для траверзного направления - не показано). Таким образом, на каждой из частот ,, ,…. образуется 4 водных измерительных объемов, облучаемых УЗ сигналами от ЭАП 4 в четырех направлениях («нос», «корма», «левый борт», «прав. борт»). В каждом слое измерительных объемов содержатся отражающие УЗ волны объекты с различной концентрацией и различного происхождения (газовые пузыри, биомассу - водоросли, рыбы, планктон), случайным образом расположенные в  слоях и движущиеся со скоростями , , ,…, , ,, вместе с течениями слоев в указанных направлениях «нос», «корма», «левый борт», «правый борт» на данных глубинах. УЗ колебания кратных частот отражаются от движущихся с разными скоростями слоев водной структуры, претерпевая для каждой гармонической компоненты ,, ,…. соответствующий доплеровский сдвиг частоты . Знак (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения судна в четырех направлениях («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») относительно рассеивателей - приближению или удалению. Это позволяет рассчитать величины как продольной и поперечной компонент скорости, так и модуля скорости судна  относительно рассеивающих объектов в каждом -том горизонтальном слое (где  изменяется в пределах от 1 до ). Отметим, что УЗ колебания кратных частот, распространяясь далее, также достигают дна по всем четырем направлениям и отражаются от него, также претерпевая для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты . Аналогично описанному выше, знак (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения судна - приближению или удалению - относительно рассеивателей на донной поверхности, а также о значении путевой скорости судна  относительно донной поверхности.
n-
n
Учитывая физические особенности нелинейной генерации и распространения УЗ сигналов высших гармоник, состоящие в том, что максимальная амплитуда звукового давления сформировавшейся ной гармоники обратно пропорциональна ее номеру , а пространственное затухание данных волновых процессов в водной среде пропорционально второй степени частоты сигнала, наибольшая дальность действия устройства будет обеспечена при работе на сигнале основной частоты , а наименьшая - на частоте наивысшей используемой гармоники . Это обусловит использование для измерения путевой скорости корабля  относительно рассеивающий донной поверхности сигнала основной частоты  и исключение сканирования приемного строба по дальности в этом канале во избежание потери акустического контакта с дном, в то время как в других более высокочастотных каналах режим измерения относительной скорости по сигналам объемной реверберации при сканировании приемного строба по дальности и длительности может дать требуемый результат - возможность точного косвенного определения направления и величины скорости течений  на рассматриваемых глубинах.
Ниже рассмотрим работу только диаметрального канала выделения доплеровских частот, так как функционирование траверзного канала полностью аналогично. УЗ пучки лежат в диаметральной плоскости «нос - корма», и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от движущихся с разными скоростями горизонтальных слоев структуры водной среды и донной поверхности колебания со стороны носа и со стороны кормы (см. фиг.1) поступают на соответствующие ЭАП 5 («нос», «корма»), вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно,
i
поступающие в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна - носителя с продольной компонентой путевой скорости  относительно -того слоя водной среды, а также
n
которые обрабатываются в соответствующих -канальных приемных трактах диаметрального канала.
i
i
k
Внутри измерительного объема, геометрические размеры которого определяются направленностью приемно-излучающих ЭАП 4, 5 и длительностью излучаемого импульса, в слоистой водной среде рассеиватели могут двигаться на разных удалениях от ЭАП 4, 5 в различных направлениях и с произвольными по величине скоростями  в каждом -том рассеивающем горизонтальном слое (где изменяется в пределах от 1 до ), в результате чего доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов различной частоты, т.е. имеет сплошной спектр, а облучение рассеивающей донной поверхности коническим пучком звуковых волн приводит также к расширению доплеровского спектра частот.
f
Режим измерения продольной компоненты путевой скорости судна с использованием сигналов донной реверберации реализован на рабочем сигнале с частотой  при условии выполнения требований к известным импульсным доплеровским навигационным устройствам (см. Гусев Н.М., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-66).
n-
2f, 3f, …, nf
(n-1)
Для пространственного разрешения отдельных слоев водной структуры, т.е. приема и обработки эхосигналов от движущихся с продольной компонентой скорости течения рассеивателей, расположенных в интересующем i-том слое озвученного водного объема, осуществляется следующее. В двух канальных приемных трактах («нос», «корма») диаметрального канала выделения доплеровских частот предусмотрено согласованное сканирование приемного строба по дальности (глубине) на частотах высших гармоник . Это обеспечит получение  зависимостей продольной компоненты скорости судна  относительно распределенных рассеивателей в слоистой водной среде в определенном диапазоне глубин. Это является существенным отличием предлагаемого устройства от известных импульсных доплеровских лагов.
τ
=… =τ
=…=τ
Т
2f, 3f, …, nf
1 сл
i
c
л
k
c
л
сл
Изменяя относительно начала излучения сигнала конечной амплитуды задержку приемного строба фиксированной ширины  в пределах интересующей части периода следования импульсов (см. фиг.3), можно равномерно изменять дальность локации и непрерывно регистрируя изменение доплеровского сдвига частот на сформировавшихся в водной среде УЗ сигналах высших гармоник , косвенным образом получить зависимости значений продольной компоненты скорости судна  относительно рассеивающих объектов в каждом -том рассеивающем горизонтальном слое в необходимом интервале глубин для направления «нос»-«корма».
f
2(n-1)
2f, 3f,…, nf.
2(n-1)
2f,…nf,
τ
2f, …, nf
i-
2f
3f…
nf
ic
С этой целью электрические сигналы, выработанные приемными ЭАП 5 («нос», «корма»), подаются на сигнальные входы двух резонансных стробируемых усилителей 6, настроенных соответственно на частоты  , а также на сигнальные входы  стробируемых резонансных усилителей 7, … 8, настроенных соответственно на частоты  Изменяя с помощью блока управления 18 величину задержки времени приемного строба относительно излучаемого ЭАП 4 импульсного сигнала конечной амплитуды, для двух направлений («нос», «корма»), можно выбирать глубину локации, а изменяя ширину приемного строба - регулировать величину измерительного объема рассеивателей, заключенных в движущемся слое водной массы. Это позволит на кратных рабочих частотах высших гармоник, последовательно перемещая измерительный объем вдоль оси пучков в указанных направлениях, косвенным образом измерять распределение продольных компонент скоростей течений  для различных слоев водной среды как суперпозицию продольных компонент путевых скоростей судна относительно движущихся объектов в каждом -том рассеивающем горизонтальном слое и рассеивающий неподвижной донной поверхности, зарегистрировав соответствующие доплеровские сдвиги частот в последовательности эхосигналов от них. Соответствующие сигналы (см. фиг.1) с блока управления 18 для этой цели подаются на управляющие входы  стробируемых резонансных усилителей 7, …. 8 данных двух направлений («нос», «корма»), настроенных соответственно на частоты  причем, указанные выше параметры стробирования (ширина приемного строба  и скорость его перемещения в заданном диапазоне дальностей) для каждой частоты  могут быть выбраны различными, но для усреднения продольных компонент путевой скорости судна относительно того рассеивающего горизонтального слоя на одной частоте (  или или ) и двух направлений («нос», «корма») должны быть идентичны и согласованы (т.е. измерительный водный объем одинаков по обоим направлениям для одной и той же частоты, находится в одном слое и параметры сканирования приемных стробов одинаковы).
n
Электрические сигналы с выходов резонансных усилителей 6, 7, …8 для двух направлений («нос», «корма») поступают на частотные дискриминаторы 9, 10, …. 11, где происходит их перемножение, а затем выделение низкочастотных компонент, соответствующих доплеровским сдвигам частот, фильтром низкой частоты. Таким образом, частотные дискриминаторы 9, 10, … 11 вырабатывают гармонических электрическиx сигналов с частотами
и  .
i
n
f, 2f,…nf
2f,…nf
f)
Частоты данных электрических сигналов пропорциональны продольной компоненте скорости судна в его диаметральной плоскости как относительно -того рассеивающего слоя, так и относительно донной поверхности, где - число используемых в доплеровской навигационной системе акустических сигналов кратных частот. В результате доплеровские сдвиги частот для сигналов с частотами в диаметральной плоскости судна («нос - корма» ) будут определены с помощью первичной обработки доплеровской информации, что позволит в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 вычислить значения продольных компонент для путевой скорости судна  относительно движущихся рассеивателей в каждом -ом горизонтальном слое для направления «нос - корма» и в заданном диапазоне дальностей на (), а также значение продольной компоненты путевой скорости судна  относительно донной поверхности на ( по формулам
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя.
у
х
f, 2f,…nf
2f,…nf
f
Как указано выше, функционирование траверзного канала (ось ). полностью аналогично работе диаметрального канала (ось ) выделения доплеровских частот. В результате доплеровские сдвиги частот для сигналов с частотами в траверзной плоскости судна («левый борт - правый борт») также будут определены с помощью первичной обработки доплеровской информации, что позволит в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 вычислить значения поперечных компонент для путевой скорости судна  относительно движущихся рассеивателей в каждом -ом горизонтальном слое в этом направлении «левый борт - правый борт» и в заданном диапазоне дальностей на (), а также значение поперечной компоненты путевой скорости судна  относительно донной поверхности на  по формулам
= ,
где  - скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя.
На основе полученных данных в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 проводят расчеты для судна-носителя:
i
1) относительно -того слоя водной среды величин как модуля путевой скорости, так и углов смещения направлений векторов  путевых скоростей относительно диаметральной плоскости судна (ось х)
=
,
2) относительно неподвижной донной поверхности величин как модуля путевой скорости, так и углов смещения направлений вектора  путевой скорости относительно диаметральной плоскости судна (ось х)
]
.
i
i-
k
k
Полученные данные связаны соотношением , что позволяет рассчитывать в блоке обработки вторичной информации 17 для судовой системы координат (х, у) величины ( -1) значений векторов скоростей течения , …,  в -том слое как разность вектора путевой скорости судна-носителя относительно дна, измеренной на сигналах донной реверберации, и соответствующих векторов путевых скоростей судна-носителя относительно того слоя, измеренных на сигналах объемной реверберации кратных частот. Заключительным этапом обработки в блоке 17 является отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре в виде семейства ( -1) объемных годографов скоростей течений в слоях стратифицированного водного объема (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, стр. 234 - 239) в каждом из которых в выбранном масштабе - на вертикальной оси отложено их заглубление и размещены горизонтальные плоскости проекций (х,у), на которых расположены векторы скорости течения , …, , размещенные соответствующим образом относительно диаметральной плоскости судна (ось х),а также выбор из полученного семейства ( -1) объемных годографов скоростей течений в слоях стратифицированного водного объема необходимых данных, которые соответствуют заданной точности измерений косвенного определения направлений и величин скоростей течений на рассматриваемых глубинах.
Технический результат изобретения достигается за счет использования нелинейного эффекта самовоздействия, возникающего при распространении в водной среде мощного УЗ сигнала конечной амплитуды и заключается в увеличении скоростной чувствительности доплеровского метода при использовании высших гармонических компонент, причем, в число раз равное номеру используемой гармоники (11), (12). В частности, при проектировании режима доплеровского измерения скорости течений необходимо оценить возможное дополнительное информативное уширение доплеровского спектра эхосигналов в тракте, использующем сигналы объемной реверберации на высших гармониках , где  - скорость звука в среде,  - длина волны акустического сигнала с частотой . Так, в предположении, что рассеиватели пассивно переносятся течением, механизм уширения спектра обусловлен следующими причинами (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, стр. 155 -163):
1)турбулентными пульсациями показателя преломления, происходящими в рассеивающем водном объеме со среднеквадратичной скоростью , где  - скорость течения в данном объеме. Уширение спектра для рабочих локационных сигналов в данном случае можно рассчитать ,
2)конечностью размера озвучиваемого объема водной среды , где  - расстояние до рассеивающего объема,  - угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН для ЭАП 4 на кратных частотах,  - длительность излучаемого импульса. В данном случае уширение спектра , где  - поперечный размер водного объема, рассеивающего акустический сигнал с частотой .
Отсюда следует, что уширение доплеровского спектра эхосигналов кратных частот, имеет значительную величину для более высокочастотных сигналов, обеспечивая большую информативность и чувствительность канала при, соответственно, меньшей величине погрешности измерения.