RU144252U1

RU144252U1 - Гидроакустическое устройство для определения структуры дна

Info

Publication number: RU144252U1
Application number: RU2014116657/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Тарасов; Виталий Николаевич Максимов; Василий Алексеевич Воронин; Лев Романович Мерклин; Анатолий Васильевич Скнаря; Пётр Петрович Пивнев; Антон Юрьевич Плешков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Морские Инновации"
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-08-20

Abstract

1. Гидроакустическое устройство для определения структуры дна, содержащее синхронизатор, блок индикации, приёмный тракт, излучающий тракт, выход которого соединён с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединён с акустической приёмной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и датчик вертикали, выход которого соединён с одним из входов блока сравнения, при этом блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали соединён с другим входом блока сравнения, выход которого соединён с одним входом схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход схемы совпадения соединён с управляющими входами блока индикации, приёмного тракта, излучающего тракта и входом разрешения синхронизатора.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде компаратора, при этом выход датчика вертикали соединён с неинвертирующим входом компаратора, а инвертирующий вход компаратора соединен с выходом блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что схема совпадения выполнена в виде логического элемента И, вход которого соединен с выходом блока сравнения, при этом второй вход логического элемента И соединен с выходом синхронизатора.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок задания величин допусти�

Description

Полезная модель относится к акустическим локационным системам и может быть использовано для определения структуры дна и донных осадков. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также геология и другие направления, связанные с изучением структуры дна и донных осадков.

Известно акустическое устройство для поиска инородных тел в тканях животных [1], содержащее корпус, в котором расположены вращающийся генератор, генерирующий два высокочастотных сигнала с помощью двух осцилляторов, в результате взаимодействия которых в нелинейной жидкости образуется низкочастотный сигнал, проходящий через жидкую среду, также расположенную в корпусе, и фильтр нижних частот таким образом, чтобы направить низкочастотный звуковой сигнал в ткани животного с целью выявления инородных тел, находящихся в тканях, с помощью эхо-сигнала, отображаемого на дисплее, установленном в устройстве.

Известны гидроакустические устройства для определения структуры дна [2, 3, 4], содержащие синхронизатор, приемный тракт, соединенный с акустической приемной антенной, излучающий тракт, соединенный с акустической излучающей антенной, при этом выход приемного тракта соединен с входом блока индикации. Синхронизатор через заданные временные интервалы T, зависящие от суммарного времени прохождения акустического сигнала в канале лоцирования, состоящего из водной среды и исследуемых участков донных пород, вырабатывает периодически повторяющиеся синхросигналы, определяющие начало циклов лоцирования и поступающие на управляющие входы блока индикации, приемного тракта и излучающего тракта. Излучающий тракт вырабатывает радиоимпульсы с частотами f₁, f₂, поступающими на акустическую антенну, излучающую в среду лоцирования акустический сигнал. Этот сигнал распространяется в среде лоцирования, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, где происходит их взаимодействие с образованием акустического сигнала с разностной частотой F_-=|f₂-f₁| [2]. Зондирующий сигнал, состоящий из трех компонент с частотами F, f₁ и f₂, достигает дна, высокочастотные компоненты f₁ и f₂ отражаются от дна, а низкочастотный сигнал с частотой F частично отражается от поверхности дна, а частично проникает в материал дна, отражается от структурных неодноростей дна и принимается акустической приемной антенной. Электрические сигналы, соответствующие данным эхо-сигналам, поступают на вход приемного тракта, а с его выхода на сигнальный вход блока индикации, показывающего структуру дна. Для просмотра структуры дна на протяженных участках устройство помещают на носителе, в качестве которого обычно используется судно, перемещающееся над исследуемым участком дна.

Недостатком указанных устройств являются невысокая точность и ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные большими погрешностями получаемых результатов, вызванными качкой носителя. При излучении акустического сигнала в направлении дна, отличающегося от вертикали на угол β, относительная ошибка L₀ при определении расстояния до дна будет равна

Для структур дна относительные погрешности L₁ определения их размеров с учетом преломления акустического сигнала в материале дна будут определяться выражением

где C₀ - скорость распространения акустических сигналов в водной среде лоцирования, и C₁ - скорость в материале дна.

Угол β, отличный от нуля, возникает при качке носителя гидроакустического устройства, или по каким-либо иным причинам. В таблице 1 приведены величины погрешностей в процентах для разных значений β и соотношений скоростей C₁/C₀.

Таблица 1
β, градусов			5	10	15	20	25
L₀, процентов			0,4	1,54	3,52	6,42	10,3
L₁, процентов	C1/C0	1,5	0,9	3,52	8,24	15,5	26
		2	1,54	6,42	15,5	30,54	55,57
		2,5	2,42	10,3	26	55,57	116,6
		3	3,52	15,5	41,4	100	286,4

В отдельных разработках гидроакустических устройств, имеющих ширину диаграммы направленности в режиме излучения порядка 2-5 градусов используют различные способы стабилизации пространственного положения диаграммы направленности [5]. Это становится возможным за счет значительного усложнения конструкции устройств и удорожания их стоимости. В гидроакустических устройствах, уже установленных на судах, проводить данные мероприятия по стабилизации пространственного положения диаграммы направленности не представляется возможным.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является устройство для осуществления съемки рельефа дна акватории [6], содержащее приемоизлучающую антенну, передающий блок, содержащий синхронизатор, приемоизмерительный блок, блок управления и блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории, в котором выход приемоизлучающей антенны подключен к входу приемоизмерительного блока, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выход приемоизмерительного блока подключен к входу блока сбора обработки информации и картирования рельефа дна акватории, вход которого соединен с выходом судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления соединен с передающим блоком, приемоизмерительным блоком и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна, а также блок определения средней скорости распространения звука в воде в направлении излучения гидроакустического сигнала, вход которого через блок управления соединен с выходом судового гидроакустического доплеровского измерителя скорости и выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы, а выход соединен с входом блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории.

Признаки, совпадающие с заявляемой полезной моделью - синхронизатор, блок индикации, приемный тракт, излучающий тракт, выход которого соединен с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединен с акустической приемной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации.

К достоинствам ближайшего аналога следует отнести повышение точности съемки рельефа дна за счет повышения точности определения средней скорости звука в воде. Однако, как и в случае [5] это становится возможным лишь за счет значительного усложнения конструкции гидроакустических устройств и удорожания их стоимости. Кроме того, недостатком ближайшего аналога, как и всех предыдущих аналогов, является наличие погрешности получаемых результатов, обусловленной качкой носителя.

Основной задачей заявляемой полезной модели является разработка гидроакустического устройства для определения структуры дна, способного выполнять определение параметров структур дна с высокой точностью без существенных усложнений конструкции устройства. При этом в соответствии с предложенным техническим решением возможна модернизация уже имеющихся гидроакустических устройств, установленных на различных носителях.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности определения параметров донных структур, а также расширении эксплуатационных возможностей гидроакустических устройств для определения структуры дна.

Технический результат достигается тем, что в известное гидроакустическое устройство для определения структуры дна, содержащее синхронизатор, блок индикации, приемный тракт, излучающий тракт, выход которого соединен с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединен с акустической приемной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации, дополнительно введены блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и датчик вертикали, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, при этом блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали соединен с другим входом блока сравнения, выход которого соединен с входом схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход схемы совпадения соединен с управляющими входами блока индикации, приемного тракта, излучающего тракта и входом разрешения синхронизатора.

Рационально выполнить блок сравнения в виде компаратора, при этом выход датчика вертикали соединить с неинвертирующим входом компаратора, а инвертирующий вход компаратора соединить с выходом блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали.

Целесообразно выполнить схему совпадения в виде логического элемента «И», вход которой соединен с выходом блока сравнения, а второй вход логического элемента «И» подключен к выходу синхронизатора.

Рекомендуется выполнить блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали в виде в виде цифро-аналогового преобразователя, вход которого подключен к процессору, сопряженному с блоком ввода.

Заявляемая полезная модель за счет введения таких существенных отличительных признаков, как блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и датчик вертикали, позволяет повысить точность и расширить эксплуатационные возможности гидроакустического устройства для определения структуры дна. Существенные отличия позволяют проводить лоцирование на углах, отличающихся от вертикали на заданную незначительную величину, что позволяет получать высокую точность результатов при значительной качке судна. При этом заявляемое техническое решение, не являясь усложненным, позволяет модернизировать уже имеющиеся гидроакустические устройства, установленные на различных носителях.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема заявляемого устройства в предпочтительном варианте.

Гидроакустическое устройство для определения структуры дна содержит блок контроля угла наклона, выполненный в одном из вариантов реализации в виде датчика вертикали 1, соединенного с неинвертирующим входом компаратора 2, блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали (БЗУ) 3, соединенный с инвертирующим входом компаратора 2, выход которого соединен с одним из входов схемы совпадения, в одном из вариантов реализации, выполненного в виде логического элемента «И» 4, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 5. При этом выход логического элемента «И» 4 соединен с входом разрешения синхронизатора 5, с управляющими входами блока индикации 6, приемного тракта 7 и излучающего тракта 8, выход которого соединен с акустической излучающей антенной 9. Вход приемного тракта 7 соединен с акустической приемной антенной 10, а выход приемного тракта 7 - с сигнальным входом блока индикации 6. БЗУ 3 в одном из вариантов реализации может быть выполнен на процессоре с блоком ввода и цифро-аналоговом преобразователе (на чертеже не показаны).

Заявляемая полезная модель работает следующим образом.

Синхронизатор 5 вырабатывает видеоимпульс U1 с высоким логическим уровнем, поступающий на один из входов логического элемента «И» 4, на второй вход которого поступает напряжение U2 с выхода компаратора 2. На неинвертирующий вход компаратора 2 поступает сигнал U3 с датчика вертикали 1. Величина сигнала U3 пропорциональна углу β отклонения направления излучения акустической излучающей антенны 9 от вертикали, появляющемуся в результате качки судна. На инвертирующий вход компаратора 2 с блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали (БЗУ) 3 подается напряжение U4, величина которого определяется значением допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали. Значения допустимого угла отклонения могут быть заданы процессором с блоком ввода, сигналы с которого преобразуются цифроаналоговым преобразователем (на чертеже не показаны). Как видно из таблицы 1, при малых значениях углов β, например, менее 5°, погрешность при определении расстояний до дна и величин структурных элементов дна не превышает 3,52%, что в отдельных случаях может быть допустимо.

Если U3>U4, то есть угол β больше допустимого, напряжение U2 будет равно нулю и на выходе логического элемента 4 напряжение U5 будет равно низкому логическому уровню, который блокирует дальнейшую работу синхронизатора 5. При уменьшении угла качки судна β до допустимого значения, напряжение U3 станет меньше напряжения U4 и на выходе компаратора 2 появится напряжение U2 с высоким логическим уровнем, а на выходе логического элемента 4 сформируется напряжение U5 с высоким логическим уровнем, которое определит начало цикла лоцирования.

Напряжение U5 разрешает работу синхронизатора 5, и он начинает формировать сигнал U1 с низким логическим уровнем и с длительностью T, зависящей от суммарного времени прохождения акустического сигнала в канале лоцирования, состоящего из водной среды и исследуемых участков донных пород. После этого синхронизатор 5 вырабатывает напряжение U1 с высоким логическим уровнем, и при появлении напряжения U2 с высоким логическим уровнем цикл лоцирования повторяется. В качестве синхронизатора 5 может использоваться, например, ждущий мультивибратор, запускаемый сигналом U5 высокого логического уровня и имеющий выходной сигнал в стабильном состоянии - высокого уровня, и в квазистабильном состоянии длительностью T - низкого уровня.

Напряжение U5 с высоким логическим уровнем запускает остальные блоки устройства, а именно, излучающий тракт 8, приемный тракт 7 и блок индикации 6. Излучающий тракт 8 вырабатывает радиоимпульсы с частотами f₁, f₂, поступающими на акустическую антенну 9, излучающую в среду лоцирования акустический сигнал. Этот сигнал распространяется в среде лоцирования, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, где происходит их взаимодействие с образованием акустического сигнала с разностной частотой F_-=|f₂-f₁|, [2]. Зондирующий сигнал, состоящий из трех компонент с частотами F, f₁ и f₂ достигает дна, высокочастотные компоненты f₁ и f₂ отражаются от дна, а низкочастотный сигнал с частотой F частично отражается от поверхности дна, а также проникает в материал дна, отражается от структурных неодноростей дна и принимается акустической приемной антенной 10. Электрические сигналы, соответствующие данным эхо-сигналам, поступают на вход приемного тракта 7, где выполняется их обработка по заданному алгоритму, например, раскрытому в [7] (фильтрация, усиление, регулировка в блоках «Временная автоматическая регулировка усиления», «Отсечка», детектирование и другие операции), а с его выхода на сигнальный вход блока индикации 6, показывающего структуру дна. Для просмотра структуры дна на протяженных участках, устройство помещают на носителе, в качестве которого обычно используется судно, перемещающееся над исследуемым участком дна. Так как ширина диаграммы направленности акустической приемной антенны 10 в гидроакустических устройствах для определения структуры дна обычно значительно больше, чем направленность акустической излучающей антенны 9 и больше, чем угол качки судна, то качка судна не будет оказывать влияния на прием эхо-сигналов.

Заявляемое устройство за счет введения отличительных признаков позволяет расширить его эксплуатационные возможности. Лоцирование выполняется на углах, отличающихся от вертикали на заданную незначительную величину, что позволяет получать высокую точность результатов при значительной качке судна. При этом заявляемое техническое решение позволяет модернизировать уже имеющиеся гидроакустические устройства, установленные на различных носителях.

Техническая реализация предложенного гидроакустического устройства не представляет сложностей. Все его электронные блоки являются стандартными, используемыми в различных гидроакустических локационных системах. Ряд блоков устройства (синхронизатор, блок индикации и другие) может быть реализован на основе микроконтроллерных систем или персональных ЭВМ. Испытания макета заявляемого гидроакустического устройства для определения структуры дна показали его качественные преимущества по сравнению с имеющимися реализациями.

Информационные источники

1. Патент US 3763463, МКИ G01S 9/66, опубликован 1973, О.Б. №43

2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, 340 с.

3. Богородский А.В., Горбунов Н.Л., Остроухое А.А., Фомин Ю.П. «Гидроакустические средства для освоения энергетических и минеральных ресурсов океана» Труды конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ «Гидроприбор», 2002 г., с. 19-23.

4. Бяков Ю.А., Котов И.Н., Подшувейт В.Б. Геоакустические методы и системы исследования океанистического дна. - Геленджик, НИПИ «Океангеофизика», 2001, 92 с.

5. Hare R. Depth and position error budgets for multibeam echosounding // International Hydrographic Review. 1995, v. LXXII, №2, p. 37-69.

6. Патент RU 2340916, МКИ G01S 15/06, опубликован 10.12.2008.

7. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.

Claims

1. Гидроакустическое устройство для определения структуры дна, содержащее синхронизатор, блок индикации, приёмный тракт, излучающий тракт, выход которого соединён с акустической излучающей антенной, вход приемного тракта соединён с акустической приёмной антенной, а выход - с сигнальным входом блока индикации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, блок сравнения, схема совпадения и датчик вертикали, выход которого соединён с одним из входов блока сравнения, при этом блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали соединён с другим входом блока сравнения, выход которого соединён с одним входом схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом синхронизатора, а выход схемы совпадения соединён с управляющими входами блока индикации, приёмного тракта, излучающего тракта и входом разрешения синхронизатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде компаратора, при этом выход датчика вертикали соединён с неинвертирующим входом компаратора, а инвертирующий вход компаратора соединен с выходом блока задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что схема совпадения выполнена в виде логического элемента И, вход которого соединен с выходом блока сравнения, при этом второй вход логического элемента И соединен с выходом синхронизатора.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к процессору, сопряжённому с блоком ввода.