RU2022298C1

RU2022298C1 - Method of estimation of ice conditions from submersible vehicle

Info

Publication number: RU2022298C1
Application number: SU914924756A
Authority: RU
Inventors: А.М. Гаврилов
Original assignee: Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: acoustic detection and ranging of objects. SUBSTANCE: method of estimation of ice conditions from submersible vehicle includes radiation of high-frequency acoustic signal modulated by amplitude by low-frequency signal by harmonic law with modulation factor m (0.5 less/equal m less/equal 2) towards water surface, reception of echoes on frequencies F and 2F, raising of echo on frequency F to second power, multiplication of squared echo on frequency F and of echo on frequency 2F, averaging of obtained signal in time, determination of presence of ice by polarity of first resulting signal and of ice thickness by time of lagging behind of averaged signal of polarity opposite to first one. EFFECT: enhanced authenticity of estimation of ice conditions. 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам акустической локации, предназначенным для обнаружения льда на поверхности воды, измерения толщины льда, регистрации профиля верхней и нижней поверхностей льда с подводного аппарата. The invention relates to acoustic location methods for detecting ice on a water surface, measuring an ice thickness, recording a profile of upper and lower ice surfaces from an underwater vehicle.

Известен способ определения толщины льда и рельефа нижней границы ледяного покрова с борта подводного аппарата, использующий две частоты излучения - высокую (ВЧ) - 50-100 кГц и низкую (НЧ) - 5-15 кГц, по которому радиоимпульсы высокой и низкой частот одновременно излучаются по направлению к границе вода/лед НЧ- и ВЧ-антеннами, отдельно принимаются отразившиеся от границы вода/лед эхо-сигналы ВЧ, по задержке эхо-сигналов ВЧ определяют расстояние до льда и рельеф нижней границы ледяного покрова, отдельно принимаются отразившиеся от верхней поверхности льда эхо-сигналы низкой частоты, по задержке эхо-сигналов НЧ определяют расстояние до верхней границы льда, по разности времени прихода эхо-сигналов ВЧ и НЧ определяют толщину льда. A known method of determining the thickness of the ice and the relief of the lower boundary of the ice sheet from the side of the underwater vehicle using two radiation frequencies - high (HF) - 50-100 kHz and low (LF) - 5-15 kHz, according to which the radio pulses of high and low frequencies are simultaneously emitted towards the water / ice boundary by LF and HF antennas, RF echoes reflected from the water / ice boundary are separately received, by the RF echo delay, the distance to ice and the relief of the lower ice sheet boundary are determined, separately reflected from the top surface STI ice echoes low frequency LF delay echoes determine the distance to the upper border of ice on the time difference of arrival of the echo signal HF and LF determine ice thickness.

Известен способ измерения толщины льда, согласно которому в воде создаются два акустических сигнала: первый сигнал, имеющий первую несущую частоту, промодулирован по амплитуде и второй непрерывный сигнал, имеющий вторую несущую частоту, немодулирован. В результате нелинейного взаимодействия амплитудно-модулированного сигнала с массой воды создается низкочастотная акустическая энергия с частотой модуляции, которая распространяется через слой льда над водой и отражается от поверхности раздела лед/воздух. Сигнал с первой несущей частотой, отразившийся от поверхности раздела вода/лед, принимается гидролокатором. Сигнал с второй несущей частотой, отразившийся от поверхности раздела вода/лед, нелинейно взаимодействует в воде с отраженным сигналом модуляционной частоты. В результате по обе стороны второй несущей частоты возникают боковые полосы частот и формируется частотно-модулированный сигнал второй несущей частоты, который используется для выделения сигнала модуляционной частоты, отраженного от поверхности раздела лед/воздух. Временной интервал между моментами приема сигналов первой несущей частоты и второй несущей частоты измеряется, и на основании измеренного временного интервала определяется толщина льда. A known method of measuring the thickness of ice, according to which two acoustic signals are generated in water: the first signal having a first carrier frequency is modulated in amplitude and the second continuous signal having a second carrier frequency is unmodulated. As a result of the nonlinear interaction of the amplitude-modulated signal with the mass of water, low-frequency acoustic energy is generated with a modulation frequency that propagates through the ice layer above the water and is reflected from the ice / air interface. A signal with a first carrier frequency reflected from the water / ice interface is received by sonar. A signal with a second carrier frequency reflected from the water / ice interface interacts nonlinearly in water with a reflected modulation frequency signal. As a result, side frequency bands appear on both sides of the second carrier frequency and a frequency-modulated second carrier signal is generated, which is used to extract the modulation frequency signal reflected from the ice / air interface. The time interval between the moments of reception of the signals of the first carrier frequency and the second carrier frequency is measured, and the ice thickness is determined based on the measured time interval.

В качестве прототипа выбран способ оценки ледовой обстановки с подводного аппарата, использующий фазовое различие отражающей поверхности с помощью сигналов посылки в виде суммы двух соседних гармоник kF_o и lF_o одной и той же частоты F_о, где (k-l) = 1. Согласно этому способу радиоимпульсы частот kF_о и lF_o одновременно излучаются по направлению к границе вода/лед единой антенной, отразившиеся от нижней и верхней границ льда эхо-сигналы обеих частот принимаются той же антенной, разделяются по частоте, эхо-сигналы x_k(t) с частотой kF_oвозводятся в Р-степень [x_k(t)]^p, эхо-сигналы x_e(t) с частотой lF_oвозводятся в q-степень [x_e(t)]^q так, чтобы pk = ql, сигналы [x_k(t)] ^p и [x_e(t)] ^q перемножаются и усредняются во времени, по полярности результирующего сигнала определяют наличие льда на поверхности воды, по времени разнесения результирующих сигналов с различной полярностью определяют толщину льда.As a prototype, a method for assessing the ice situation from an underwater vehicle using the phase difference of the reflecting surface using the sending signals in the form of the sum of two adjacent harmonics kF _o and lF _{o of} the same frequency F _o , where (kl) = 1, was selected. According to this method radio pulses of frequencies kF _о and lF _{o are} simultaneously emitted towards the water / ice boundary by a single antenna, echoes of both frequencies reflected from the lower and upper boundaries of ice are received by the same antenna, separated by frequency, echo signals x _k (t) with a frequency kF _o erected into P-Art stump _{^{[x k (t)] p}} , echo signals x _e (t) with frequency lF _o erected in q-degree [x _e (t)] ^q such that pk = ql, signals [x _k (t)] ^p and [x _e (t)] ^{q are} multiplied and averaged over time, the polarity of the resulting signal determines the presence of ice on the surface of the water, the thickness of the ice is determined by the time of separation of the resulting signals with different polarity.

Недостатком известного способа оценки ледовой обстановки с подводного аппарата является низкая точность измерения толщины льда вызванная, во-первых, низкой разрешающей способностью по дальности, обусловленной требованием высокой избирательности фильтров приемного тракта, осуществляющих разделение близких по величине частот kF_o и lF_o(высокая избирательность фильтров предполагает работу с радиоимпульсами длительностью не менее τ_u≥1 / Δ f, где Δf - полоса пропускания фильтра, что ухудшает разрешающую способность Δl ≃ cτ_и/2 ; во-вторых, низкой достоверностью результатов измерения толщины льда, обусловленной наличием эхо-сигналов от нижней границы льда от боковых лепестков характеристики направленности антенны. Сдвиг по фазе на 180^о волны в боковом лепестке относительно волны в основном лепестке приводит к тому, что эхо-сигнал бокового лепестка от границы вода/лед будет иметь такой же отклик, как и эхо-сигнал от границы лед/воздух. Поэтому принятие эхо-сигнала бокового лепестка за эхо-сигнал от границы лед/воздух дает ошибку в определении толщины льда. Эта ошибка имеет место в случае полного отсутствия льда.A disadvantage of the known method for assessing the ice situation from an underwater vehicle is the low accuracy of measuring the ice thickness caused, firstly, by the low resolution in range, due to the requirement of high selectivity of the filters of the receiving path, performing separation of frequencies close in magnitude kF _o and lF _o (high filter selectivity involves working with radio pulses of a duration of at least τ _u ≥1 / Δ f, where Δf is the filter passband, which affects the resolution Δl ≃ cτ _and / 2; secondly, the bottom the reliability of the results of measuring the ice thickness due to the presence of echo signals from the lower boundary of the ice from the side lobes of the antenna directivity characteristics. A phase shift of 180 ° ^{of the} wave in the side lobe relative to the wave in the main lobe causes the side lobe echo from the boundary water / ice will have the same response as the echo from the ice / air boundary, so accepting the side lobe echo as an echo from the ice / air boundary gives an error in determining the thickness of the ice. This error occurs in the case of complete absence of ice.

Целью изобретения является повышение точности определения толщины льда. The aim of the invention is to improve the accuracy of determining the thickness of the ice.

Это достигается тем, что при способе оценки ледовой обстановки с подводного аппарата, включающем прием эхо-сигналов на частотах F и 2F, возведение в квадрат сигнала на частоте F, перемножение квадрата эхо-сигнала на частоте F и сигнала на частоте 2F, усреднение полученного сигнала во времени, определение наличия льда по полярности первого результирующего сигнала и толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности, излучают высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты F с коэффициентом модуляции m, 05

m

2.This is achieved by the fact that with the method of assessing ice conditions from an underwater vehicle, including receiving echoes at frequencies F and 2F, squaring the signal at frequency F, multiplying the squared echo at frequency F and the signal at frequency 2F, averaging the received signal in time, determining the presence of ice by the polarity of the first resulting signal and the ice thickness by the delay time of the averaged signal opposite to the first polarity, emit a high-frequency signal modulated in amplitude by harmonic order Well low frequency signal F with the modulation index m, 05

m

2.

Способ оценки ледовой обстановки с подводного аппарата включает в себя излучение в воду акустического сигнала высокой частоты, модулированного по амплитуде по гармоническому закону сигналом низкой частоты F, коэффициент модуляции которого находится в пределах 0,5 m ≅ 2, прием низкочастотных эхо-сигналов, состоящих из суммы двух гармоник с частотами F и 2F, отразившихся от нижней и верхней границ льда, разделение эхо-сигналов по частоте, возведение эхо-сигналов с частотой F во вторую степень, перемножение квадрата эхо-сигнала с частотой F и сигнала с частотой 2F, усреднение во времени полученного произведения сигналов, определение наличия льда на поверхности воды по полярности первого результирующего сигнала и определение толщины льда по времени запаздывания усредненного сигнала противоположной первому полярности. The method for assessing ice conditions from an underwater vehicle includes emitting into the water an acoustic signal of high frequency modulated in amplitude according to harmonic law with a low frequency signal F, the modulation coefficient of which is within 0.5 m ≅ 2, receiving low-frequency echo signals consisting of sums of two harmonics with frequencies F and 2F, reflected from the lower and upper boundaries of ice, separation of echo signals in frequency, raising echoes with frequency F to the second power, multiplying the square of the echo with frequency F and sig 2F, frequency averaging of the obtained product of signals, determining the presence of ice on the water surface by the polarity of the first resulting signal, and determining the ice thickness by the delay time of the averaged signal opposite to the first polarity.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг.2 - пример записи на регистраторе информации о рельефе нижней поверхности льда, о наличии льда на поверхности воды и толщине льда; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства для измерения толщины льда. In FIG. 1 shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method; figure 2 is an example of recording on the recorder information about the topography of the lower surface of the ice, the presence of ice on the surface of the water and the thickness of the ice; in FIG. 3 is a timing diagram of signals illustrating the operation of the device for measuring ice thickness.

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 радиоимпульсов с амплитудно-модулированным заполнением, и излучающую антенну 3, последовательно соединенные приемную низкочастотную антенну 4, селективный усилитель 5, удвоитель частоты 6 и фазовый детектор 7, включенный между приемной антенной 4 и фазовым детектором 7 селективный усилитель 8, последовательно соединенные пороговую схему 9, подключенную к выходу фазового детектора 7, формирователь импульсов 10, сумматор 11 и регистратор 12, последовательно соединенные между фазовым детектором 7 и сумматором 11 пороговую схему 13 и формирователь импульсов 14, подключенную своими входами к синхронизатору 1 и выходу пороговой схемы 13 схему ИЛИ 15, нагруженную на S-вход схемы измерения толщины льда 16, соединенную с индикатором 17. R-вход схемы измерения толщины льда 16 соединен с выходом пороговой схемы 9, синхронизатор 1 соединен с регистратором 12. The device contains a serially connected synchronizer 1, a generator 2 of radio pulses with amplitude-modulated filling, and a radiating antenna 3, serially connected to a receiving low-frequency antenna 4, a selective amplifier 5, a frequency doubler 6, and a phase detector 7 connected between the receiving antenna 4 and the phase detector 7 selective an amplifier 8 connected in series to a threshold circuit 9 connected to the output of a phase detector 7, a pulse shaper 10, an adder 11 and a recorder 12 are connected in series e between the phase detector 7 and the adder 11, the threshold circuit 13 and the pulse shaper 14, connected by its inputs to the synchronizer 1 and the output of the threshold circuit 13, the OR 15 circuit, loaded on the S-input of the ice thickness measuring circuit 16, connected to the indicator 17. R-input the thickness measurement circuit of ice 16 is connected to the output of the threshold circuit 9, the synchronizer 1 is connected to the recorder 12.

Устройство работает следующим образом. Синхронизатор 1 посредством коротких однополярных импульсов U₁ запускает развертку регистратора 12 и генератор радиоимпульсов с амплитудно-модулированным (АМ) заполнением 2, вырабатывающий напряжение U₂ с длительностью импульса τ_u≥10/F, которое подается на излучающую антенну 3 с резонансной частотой, совпадающей с частотой несущей АМ сигнала f. Антенна 3 излучает в среду в направление льда акустическую волну, совпадающую по форме с напряжением U₂. В воде нелинейно генерируются низкочастотные волны с частотами F и 2F, распространяющиеся с исходной АМ волной, они отражаются от нижней и верхней границ льда и принимаются приемной низкочастотной антенной 4.The device operates as follows. The synchronizer 1 by means of short unipolar pulses U ₁ starts the sweep of the recorder 12 and the generator of radio pulses with amplitude-modulated (AM) filling 2, generating voltage U ₂ with a pulse duration τ _u ≥10 / F, which is supplied to the emitting antenna 3 with a resonant frequency matching with the carrier frequency of the AM signal f. Antenna 3 emits an acoustic wave into the medium in the direction of ice, which coincides in shape with the voltage U ₂ . In water, low-frequency waves with frequencies F and 2F are nonlinearly generated, propagating with the original AM wave, they are reflected from the lower and upper boundaries of the ice and are received by the receiving low-frequency antenna 4.

При отражении от границы вода/лед волны с частотами F и 2F отражаются без изменения фазы, так как импеданс льда Z_л больше импеданса воды Z_в. При отражении от границы лед/воздух фазы обеих волн изменяются на 180^o, так как импеданс льда Z_л больше импеданса воздуха Z_вз. Эхо-сигналы разделяются по частоте с помощью избирательных фильтров 5 и 8, настроенных соответственно на частоты F и 2F, на их выходах формируются напряжения U₃ и U₄. В удвоителе частоты частота сигнала U₃удваивается, и напряжение с его выхода U₅ совместно с напряжением U₄подается на фазовый детектор 7. На выходе фазового детектора 7 образуется напряжение U₆, полярность которого связана с разностью фаз между сигналами U₄ и U₅ следующим образом: U₆ > 0 при Δ φ = 0 и U₆ < 0 при Δ φ = 180^о. Так как эхо-сигналы с частотами F и 2F при отражении от границы лед/воздух инвертировали фазу, то им соответствует Δ φ = 180^о и U₆ < 0, в то время как для эхо-сигналов от границы вода/лед имеет место Δ φ = 0 и U₆ > 0.When reflected from the water / ice boundary, waves with frequencies F and 2F are reflected without phase change, since the ice impedance Z _{l is} greater than the water impedance Z _c . When reflected from the ice / air interface, the phases of both waves change by 180 ^o , since the ice impedance Z _{l is} greater than the air impedance Z _ar . Echo signals are separated by frequency using selective filters 5 and 8, tuned to frequencies F and 2F, respectively, and voltages U ₃ and U ₄ are formed at their outputs. In the frequency doubler, the frequency of the signal U ₃ doubles, and the voltage from its output U ₅ together with the voltage U ₄ is supplied to the phase detector 7. At the output of the phase detector 7, a voltage U _{6 is} generated, the polarity of which is connected with the phase difference between the signals U ₄ and U ₅ as follows: U _6> 0 and Δ φ = 0 and U ₆ <0 for Δ φ = ¹⁸⁰ °. Since echoes with frequencies F and 2F when inverted from the ice / air interface inverted the phase, they correspond to Δφ = 180 ^о and U ₆ <0, while for echo signals from the water / ice interface, Δ φ = 0 and U ₆ > 0.

Пороговые схемы 9 и 13 выполняют роль селектора сигналов по полярности: схема 9 вырабатывает на выходе сигнал U₇ только при условии U₆ > 0, а схема 13 вырабатывает сигнал U₈ только при поступлении на вход U₆ < 0. Формирователи импульсов 10 и 14 вырабатывают на выходе сигналы U₉ и U₁₀ в виде импульсов, различающихся по длительности. При этом сигнал U₉ имеет длительность τ₁, а сигнал U₁₀ - τ₂, причем τ₁≠ τ₂, чтобы на регистраторе по длительности метки можно было отличить нижнюю границу льда от верхней (см.фиг.2). Сигналы U₉ и U₁₀ перед подачей на регистратор 12 суммируются в сумматоре 11.Threshold circuits 9 and 13 act as a signal selector by polarity: circuit 9 produces an output signal U ₇ only under the condition U ₆ > 0, and circuit 13 produces a signal U ₈ only when it arrives at input U ₆ <0. Pulse shapers 10 and 14 generate output signals U ₉ and U ₁₀ in the form of pulses of varying durations. In this case, the signal U ₉ has a duration of τ ₁ and the signal U _{10 has} τ ₂ , with τ ₁ ≠ τ ₂ , so that the lower boundary of the ice can be distinguished from the upper boundary of the ice by the duration of the mark (see figure 2). The signals U ₉ and U ₁₀ before being fed to the recorder 12 are summed in the adder 11.

Помимо записей на регистраторе 12 текущая толщина льда измеряется автоматически с помощью схемы, состоящей из схемы ИЛИ 15, схемы измерения толщины льда 16 и индикатора 17. Любым из двух сигналов - U₁или U₈, объединенных схемой (ИЛИ) 15, схема измерения толщины 16 устанавливается в исходное состояние. Запуск схемы 16 в режим измерения осуществляется сигналом U₇, соответствующим эхо-сигналу от нижней границы льда. На выходе схемы 16 вырабатывается импульс U₁₂, длительность которого равна времени запаздывания эхо-сигнала от верхней границы льда относительно эхо-сигнала от нижней границы льда. Длительность импульса U₁₂ измеряется индикатором 17.In addition to the records on the recorder 12, the current ice thickness is measured automatically using a circuit consisting of an OR 15 circuit, an ice thickness measurement circuit 16 and an indicator 17. Any of two signals - U ₁ or U ₈ , combined by an (OR) 15 circuit, a thickness measurement circuit 16 is reset. The circuit 16 is launched into the measurement mode by a signal U ₇ corresponding to an echo signal from the lower boundary of the ice. At the output of circuit 16, a pulse U _{12 is} generated whose duration is equal to the delay time of the echo signal from the upper boundary of the ice relative to the echo signal from the lower boundary of the ice. The pulse duration U ₁₂ is measured by indicator 17.

Использование предлагаемого способа оценки ледовой обстановки с подводного аппарата позволяет многократно увеличить точность результатов измерения толщины льда. Using the proposed method for assessing the ice situation from an underwater vehicle can significantly increase the accuracy of the results of measuring the thickness of the ice.

Claims

METHOD FOR EVALUATING THE ICE CREATION FROM THE UNDERWATER VEHICLE, including emitting the signal toward the water surface, receiving echo signals at frequencies F and 2F, squaring the echo signal at frequency F, multiplying the squared echo signal at frequency F and the signal at frequency 2F, averaging the received signal over time determining the presence of ice by the polarity of the first resulting signal and the ice thickness by the delay time of the averaged signal opposite to the first polarity, characterized in that, in order to improve the accuracy of determining t lschiny ice emit high frequency acoustic signal modulated in amplitude sinusoidally low frequency signal F from the modulation factor m, where m ≅ 0.5 ≅ 2.0.