RU157348U1

RU157348U1 - Комбинированный фазоимпульсный эхоледомер

Info

Publication number: RU157348U1
Application number: RU2015130466/28U
Authority: RU
Inventors: Константин Иванович Полканов; Евгений Аркадьевич Остриянский; Михаил Анатольевич Бородин
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2015-11-27

Abstract

Фазоимпульсный эхоледомер, содержащий низкочастотную и высокочастотную антенны, аппаратуру приема-передачи низкочастотного канала, аппаратуру приема-передачи высокочастотного канала, блок управления и согласования, спецпроцессор обработки входных данных и выработки оценки измерения, измеритель глубины и скорости звука, блок формирования априорных данных, при этом выход низкочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи низкочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, выход высокочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи высокочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, блок управления и согласования имеет двухстороннюю связь со спецпроцессором обработки входных данных и выработки оценки толщины льда, второй и третий входы спецпроцессора обработки входных данных и выработки оценки толщины льда соединены с первыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно, отличающийся тем, что высокочастотная антенна выполнена приемно-передающей и двухканальной, а низкочастотная антенна выполнена приемной для реализации параметрического режима излучения, передающий блок в аппаратуре приема-передачи высокочастотного канала выполнен двухканальным с включением дополнительного генератора тонального сигнала, дополнительно введен блок расчета временных положений сигналов, четвертый вход спецпроцессора соединен с выходом блока расчета временных положений сигналов, первый и второй входы блока расчета временных

Description

Настоящая полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована для обнаружения и измерения толщины льда на водной поверхности.

В настоящее время измерение толщины молодого льда производят гидроакустическим эхоледомером (Корякин Ю.А. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы - СПб.: Наука, 2004. С. 128-140), состоящим из высокочастотного и низкочастотного каналов, каждый из которых содержит генератор, приемно-излучающую антенну, приемник и измеритель расстояния. Также в состав гидроакустического эхоледомера входит индикатор и блок измерения толщины льда. Зондирующий импульс, излученный антенной высокочастотного канала отражается от границы раздела «вода-лед», а импульс, излученный антенной низкочастотного канала - от границы раздела «лед-воздух». По принятым эхосигналам оценивают расстояние от точки излучения на подводном объекте до границ раздела сред «вода-лед» d₁ в высокочастотном канале и «лед-воздух» d₂ - в низкочастотном канале, разность указанных расстояний является оценкой толщины льда d=d₂-d₁.

Однако, точность измерения гидроакустическим эхоледомером при толщине льда меньше 0.5 м недостаточна для решения практических задач.

Для повышения точности измерения толщины льда используется фазоимпульсный эхоледомер (патент на изобретение РФ №2510608 «Способ измерения толщины льда с подводного носителя»), содержащий приемно-излучающие измерительные низкочастотный и высокочастотный каналы. В низкочастотном канале излучают длинный импульсный зондирующий сигнал в сторону поверхности льда, а в высокочастотном канале излучают короткие зондирующие импульсы в моменты времени, соответствующие нулевым фазам низкочастотного зондирующего сигнала. При отражении зондирующих сигналов от слоя молодого льда положение высокочастотных эхосигналов относительно моментов времени, соответствующих равенству нулю фазы низкочастотного эхосигнала изменяется, и это смещение характеризует толщину льда. В процессе обработки поступивших эхосигналов используют несколько периодов низкой частоты, определяемых длительностью низкочастотного сигнала. По каждому периоду определяется значение толщины льда, поэтому можно использовать ряд последовательных измерений и получить статистическую оценку среднего значения, которая будет являться окончательным результатом измерений толщины льда по одному циклу зондирования.

Одним из основных факторов, ухудшающих точность измерения толщины льда фазоимпульсным эхоледомером, является несогласованность моментов излучения низкочастотного и высокочастотного сигналов в соответствующих каналах эхоледомера, выражающаяся в отклонении от заданных положений во времени излучаемых сигналов. Это обусловлено фазово-временными искажениями (в том числе из-за переходных процессов) в аппаратуре и антеннах низкочастотного и высокочастотного каналов эхоледомера. В результате, возникает дополнительная методическая погрешность измерения толщины льда и точность измерения снижается.

Обеспечение согласованности моментов излучения сигналов фазоимпульсного эхоледомера позволит уменьшить методическую погрешность оценки толщины льда.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является фазоимпульсный эхоледомер (патент на изобретение РФ №2510608 «Способ измерения толщины льда с подводного носителя»), размещаемый на подводном носителе и содержащий низкочастотную и высокочастотную антенны, аппаратуру приема-передачи низкочастотного канала, аппаратуру приема-передачи высокочастотного канала, блок управления и согласования, спецпроцессор обработки входных данных и выработки оценки измерения, измеритель глубины и скорости звука, блок формирования априорных данных. При этом выход низкочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи низкочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, выход высокочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи высокочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, блок управления и согласования имеет двухстороннюю связь со спецпроцессором обработки входных данных и выработки оценки толщины льда. Второй и третий входы спецпроцессора обработки входных данных и выработки оценки толщины льда соединены с первыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно.

Устройство-прототип обладает существенным недостатком, заключающемся в использовании двух акустико-электронных излучающих трактов, каждый из которых вносит свои фазово-временные искажения, при этом также снижается надежность работы эхоледомера.

Задача полезной модели состоит в снижении методической погрешности оценки толщины льда для фазоимпульсного эхоледомера.

Технический результат заключается в обеспечении согласованности моментов излучения сформированных сигналов.

Для достижения указанного технического результата в известный фазоимпульсный эхоледомер, содержащий низкочастотную и высокочастотную антенны, аппаратуру приема-передачи низкочастотного канала, аппаратуру приема-передачи высокочастотного канала, блок управления и согласования, спецпроцессор обработки входных данных и выработки оценки измерения, измеритель глубины и скорости звука, блок формирования априорных данных, при этом выход низкочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи низкочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, выход высокочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи высокочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, блок управления и согласования имеет двухстороннюю связь со спецпроцессором обработки входных данных и выработки оценки толщины льда, второй и третий входы спецпроцессора обработки входных данных и выработки оценки толщины льда соединены с первыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно, введены следующие новые признаки:

- высокочастотная антенна выполнена приемно-передающей и двухканальной, а низкочастотная антенна выполнена приемной для реализации параметрического режима излучения;

- передающий блок в аппаратуре приема-передачи высокочастотного канала выполнен двухканальным с включением дополнительного генератора тонального сигнала;

- дополнительно введен блок расчета временных положений сигналов;

- четвертый вход спецпроцессора соединен с выходом блока расчета временных положений сигналов;

- первый и второй входы блока расчета временных положений сигналов соединены со вторыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно.

Поясним достижение технического результата.

Выполнение низкочастотной антенны приемной, а высокочастотной антенны - приемно-передающей и двухканальной, в сочетании с применфием двухканального передающего блока в аппаратуре приема-передачи высокочастного канала позволяет реализовать параметрический режим излучения сигналов в сторону нижней поверхности льда.

Передающий блок высокочастотного канала формирует тональный сигнал с несущей частотой ω₂, а также смесь тонального сигнала с несущей частотой ω₁ и пачки коротких тональных сигналов с несущей частотой 2ω₁, при этом определение моментов времени, в которые формируются указанные сигналы, выполняется в блоке расчета временных положений сигналов.

В полосе частот основного резонанса высокочастотной антенны производится излучение сигналов с несущими частотами ω₁ и ω₂, а излучение пачки коротких тональных сигналов с несущей частотой 2ω₁ производится в полосе частот второго резонанса. Эффективность высокочастотной антенны при излучении сигналов в полосе частот второго резонанса достаточно высока за счет роста коэффициента концентрации.

Таким образом, излучаемые высокочастотной антенной сигналы проходят один и тот же акустико-электронный тракт, вносящий одинаковые фазово-временные искажения, что не нарушает согласованность моментов излучения, и позволяет снизить методическую погрешность измерения толщины льда.

Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлена блок-схема комбинированного фазоимпульсного эхоледомера.

На фиг. 2 представлена блок-схема аппаратуры приема-передачи высокочастотного канала, на фиг. 3 представлена блок-схема передающего блока высокочастотного канала.

Устройство (фиг. 1) состоит из низкочастотной антенны 1, высокочкстотной антенны 2, аппаратуры 3 приема-передачи низкочастотного канала, аппаратуры 4 приема-передачи высокочастотного канала, блока 5 управления и согласования, спецпроцессора 6 обработки входных данных и выработки оценки измерения, измерителя 7 глубины и скорости звука, блока 8 формирования априорных данных, блока 9 расчета временных положений сигналов.

При этом выход низкочастотной антенны 1 соединен с входом аппаратуры 3 приема-передачи низкочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком 5 управления и согласования, выход высокочастотной антенны 2 соединен с входом аппаратуры 4 приема-передачи высокочастотного сигнала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком 5 управления и согласования, блок 5 управления и согласования имеет двухстороннюю связь со спецпроцессором 6 обработки входных данных и выработки оценки толщины льда, второй и третий входы спецпроцессора 6 обработки входных данных и выработки оценки толщины льда соединены с первыми выходами измерителя 7 глубины и скорости звука и блока 8 формирования априорных данных, соответственно, четвертый вход спецпроцессора соединен с выходом блока расчета временных положений сигналов, первый и второй входы блока расчета временных положений сигналов соединены со вторыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно.

Антенны 1 и 2 являются известными направленными акустическими антеннами. Аппаратура 4 приема-передачи высокочастотного канала является известным устройством, используемым в прототипе, и состоит из приемного блока 10 высокочастотного канал, передающего блока 11 высокочастотного канала, коммутатора 12.

Сочетав аппаратуры 3 приема-передачи низкочастотного канала аналогичен составу аппаратуры 4 приема-передачи высокочастотного канала.

Передающий блок 11 высокочастотного канала состоит из генератора 13 тонального сигнала, генератора 14 тонального сигнала, источника 15 питания, двухканального усилителя 16 мощности, двухканального устройства 17 согласования с нагрузкой.

Дополнительный генератор 14 тонального сигнала является известным устройством и может быть реализован на микросхеме AD9858 фирмы Analog Devices.

Блок 5 управления и согласования, а также блок 8 формирования априорных данных, а также блок 9 расчета временных положений сигналов могут быть частью вычислительного устройства, реализованного в спецпроцессоре 6.

Измеритель 7 глубины и скорости звука является известным устройством и работает в штатном режиме (Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука, 2003 г.).

Фазоимпульсный эхоледомер работает следующим образом.

Предварительно фазоимпульсный эхоледомер (фиг. 1), в том числе низкочастотную антенну 1 и высокочастотную антенну 2, размещают в водной среде на подводном объекте, при этом оси ХН указанных антенн ориентируют по нормали к нижней поверхности льда.

В блоке 9 расчета временных положений сигналов производят расчет длительности излучаемых сигналов на несущих частотах ω₁ и °₂:

Где

М - целое число, которое выбирают из условия (2):

Где

Н и с - глубина и скорость звука, соответственно, поступающие от измерителя 7 глубины и скорости звука.

Δφ₁ - фазовый сдвиг низкочастотного сигнала с несущей частотой ω₁-ω₂, возникающий при нелинейном взаимодействии излученных тональных сигналов с водной средой, поступает от блока 8 формирования априорных данных;

Определяют моменты формирования коротких тональных сигналов с несущей частотой 2ω₁:

Где

t₀ - момент начала формирования тональных сигналов с несущими частотами ω₁ и ω₂, задается оператором эхоледомера.

Δφ₂ - фазовый сдвиг низкочастотного сигнала с несущей частотой 2ω₁-ω₂, возникающий при нелинейном взаимодействии излученных тональных сигналов с водной средой, поступает от блока 8 формирования априорных данных;

М - число формируемых тональных импульсов с несущей частотой 2ω₁, определяется из формулы (2).

ΔT - временной период между соседними тональными сигналами с несущей частотой 2ω₁, который рассчитывается по формуле:

Фазовые сдвиги Δφ₁ и Δφ₂, поступающие от блока 8 формирования априорных данных, получают по результатам экспериментальных исследований.

Значения t_m, М, T₁, ΔT передаются в спецпроцессор 6 для последующей передачи в блок 5. В спецпроцессоре 6 рассчитывают длительность тональных импульсов с несущей частотой 2ω₁ как T₂=10/(2ω₁-ω₂).

Полученная информация поступает в блок 5 управления и согласования, который формирует последовательность работы (временную диаграмму на излучение) аппаратуры 4 приема-передачи высокочастотных сигналов на излучение сигналов.

По командным импульсам, вырабатываемым блоком 5 управления и согласования, в аппаратуре 4 приема-передачи высокочастотного канала (фиг. 2) двумя генераторами 13 и 14 (фиг. 3) осуществляется формирование тонального сигнала с несущей частотой ω₂ и смеси тонального сигнала с несущей частотой ω₁ и пачки коротких тональных сигналов с несущей частотой 2ω₁, соответственно. Сформированные сигналы преобразуются в акустические импульсы высокочастотной антенной 2 и излучаются в сторону нижней поверхности льда.

В результате взаимодействия излученных высокочастотных сигналов с нелинейным слоем воды образуются: низкочастотный сигнал с несущей частотой Ω₁=ω₁-ω₂, который проникает в лед и отражается от границы раздела «лед-воздух», и высокочастотный сигнал с несущей частотой Ω₂=2ω₁-ω₂, который отражается от границы раздела «вода-лед» и не проникает в лед.

Прием и преобразование в электрические сигналы низкочастотных и высокочастотных эхосигналов осуществляет низкочастотной антенной 1 и высокочастотной антенной 2, соответственно.

Принятые высокочастотные эхосигналы поступают на вход аппаратуры 4 приема-передачи высокочастотного канала, а принятые низкочастотные эхосигналы - на вход аппаратуры 3 приема-передачи низкочастотного канала.

В аппаратуре 3 приема-передачи низкочастотного канала измеряют время равенства нулю фазы низкочастотного сигнала t_i, а в аппаратуре 4 приема-передачи высокочастотного канала измеряют время прихода переднего фронта высокочастотного сигнала Q_i, где i - номер измерения, при этом используют оценку глубины и скорости звука, поступающие от измерителя 7 глубины и скорости звука через спецпроцессор 6.

Из блока 8 формирования априорных данных в спецпроцессор 6 поступают исходные данные по району работ, времени года и графики зависимости оценки фазы от отношения толщины к длине волны, полученные по результатам экспериментальных исследований.

В спецпроцессоре 6 вычисляют разности времен Q_i-t_i, и пересчитывают их в толщину льда с учетом эмпирической зависимости фазы низкочастотного сигнала от отношения толщины льда к длине волны, получаемой из блока 8 формирования априорных данных (патент на изобретение РФ №2510608 «Способ измерения толщины льда с подводного носителя», с. 7). Далее в спецпроцессоре 6 вычисляют окончательную оценку толщины льда как среднее значение всех i измерений толщины льда за длительность низкочастотного сигнала.

Предложенный фазоимпульсный эхоледомер позволяет обеспечить согласованность моментов излучения сформированных сигналов, что обуславливает снижение методической погрешности при оценке толщины льда, таким образом, технический результат полезной модели достигнут.

Claims

Фазоимпульсный эхоледомер, содержащий низкочастотную и высокочастотную антенны, аппаратуру приема-передачи низкочастотного канала, аппаратуру приема-передачи высокочастотного канала, блок управления и согласования, спецпроцессор обработки входных данных и выработки оценки измерения, измеритель глубины и скорости звука, блок формирования априорных данных, при этом выход низкочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи низкочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, выход высокочастотной антенны соединен с входом аппаратуры приема-передачи высокочастотного канала, выход которой имеет двухстороннюю связь с блоком управления и согласования, блок управления и согласования имеет двухстороннюю связь со спецпроцессором обработки входных данных и выработки оценки толщины льда, второй и третий входы спецпроцессора обработки входных данных и выработки оценки толщины льда соединены с первыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно, отличающийся тем, что высокочастотная антенна выполнена приемно-передающей и двухканальной, а низкочастотная антенна выполнена приемной для реализации параметрического режима излучения, передающий блок в аппаратуре приема-передачи высокочастотного канала выполнен двухканальным с включением дополнительного генератора тонального сигнала, дополнительно введен блок расчета временных положений сигналов, четвертый вход спецпроцессора соединен с выходом блока расчета временных положений сигналов, первый и второй входы блока расчета временных положений сигналов соединены со вторыми выходами измерителя глубины и скорости звука и блока формирования априорных данных, соответственно.