RU2037847C1 - Способ определения скорости движения судна относительно дна - Google Patents

Способ определения скорости движения судна относительно дна

Info

Publication number
RU2037847C1
RU2037847C1 RU92004926A RU92004926A RU2037847C1 RU 2037847 C1 RU2037847 C1 RU 2037847C1 RU 92004926 A RU92004926 A RU 92004926A RU 92004926 A RU92004926 A RU 92004926A RU 2037847 C1 RU2037847 C1 RU 2037847C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
speed
ship
input
signals
Prior art date
Application number
RU92004926A
Other languages
English (en)
Other versions
RU92004926A (ru
Inventor
Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Сергей Николаевич Павликов
Евгений Иванович Убанкин
Original Assignee
Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Сергей Николаевич Павликов
Евгений Иванович Убанкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вячеслав Алексеевич Сапрыкин, Сергей Николаевич Павликов, Евгений Иванович Убанкин filed Critical Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Priority to RU92004926A priority Critical patent/RU2037847C1/ru
Publication of RU92004926A publication Critical patent/RU92004926A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2037847C1 publication Critical patent/RU2037847C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Использование: гидроакустика, для определения относительной скорости движения судна. Сущность изобретения: в способе определения скорости движения судна относительно дна, основанном на наклонном к направлению движения излучении сигнала в сторону дна, приеме отраженного сигнала, вычислении доплеровского параметра и определении скорости судна по заданному соотношению известных и измеренных параметров, излучают сигнал с гиперболической частотной модуляцией, а при вычислении доплеровского параметра используют информацию о фазе излученного и отраженного сигналов, или обеспечивают повышение точности определения скорости судна. 2 ил.

Description

Изобретение относится к гидроакустике.
Известен способ определения скорости движения судна относительно дна, заключающийся в наклонном излучении звуковых сигналов в носовом и кормовом направлениях, приеме отраженных от дна сигналов с двух направлений, вычислении разности частот принятых сигналов и определении скорости по формуле:
v
Figure 00000001
Figure 00000002
f
Figure 00000003
-f
Figure 00000004
(1)
Способ характеризуется низкой точностью за счет операции измерения частоты принятых сигналов.
Известен способ определения скорости движения судна относительно дна, основанный на наклонном излучении звуковых сигналов в направлении движения судна, приеме отраженных сигналов, определении доплеровского параметра α= fпр/fизл, где fпр частота принятого; в fизл частота излученного сигналов и вычислении скорости путем решения уравнения:
α =
Figure 00000005
(2) где С скорость распространения сигнала в среде;
γ угол наклона излучения (приема);
v искомая скорость движения судна.
Способ характеризуется низкой точностью определения скорости за счет низкой точности измерения частоты принятого сигнала. Кроме того, способ работоспособен при больших соотношениях сигнал/помеха.
Техническим результатом является повышение точности.
Это достигается тем, что излучается сигнал с гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ); при вычислении доплеровского параметра используется информация о фазе как излученного, так и отраженного сигналов.
Совокупность ГЧМ-сигнала излучения и информации об изменении фазы отраженного сигнала, вызванном доплеровской деформацией, позволяет повысить точность вычисления скорости за счет повышенной точности определения доплеровского параметра.
Для этого известный способ определения скорости движения судна относительно дна, основанный на наклонном (к направлению движения судна) излучении сигнала в сторону дна, приеме отраженного сигнала, вычислении доплеровского параметра и определении скорости движения судна путем решения уравнения (2) или уравнения:
α
Figure 00000006
(3) где Vпр, Vизл скорости движения судна при приеме и излучении соответственно;
γпр, γизл углы наклона характеристики направленности антенны при приеме и излучении соответственно, изменен путем:
излучения ГЧМ-сигнала вида
S(t) A·cos
Figure 00000007
· ln(1-kt)
Figure 00000008
(4) где Ω и К постоянные величины;
А амплитуда.
Измерения сдвига фаз Δ φ между принятым и излученным сигналами.
Примем для упрощения выражения К 1 и А 1, тогда излученный сигнал примет вид:
S(t) cos [Ω ln (1 t)] (5) а отраженный сигнал вследствие доплеровской деформации и конечной скорости распространения сигнала в среде имеет вид:
S*(t) sin (Ω lnα) cos [Ω ln (1 t -τ-τ
Figure 00000009
)] +
+ cos (Ω lnα) sin [Ω ln (1 t- τ-τ
Figure 00000010
)] (6) где τ задержка на распространение сигнала;
τ
Figure 00000011
сдвиг во времени, вызванный доплеровским эффектом,
τα=
Figure 00000012
Figure 00000013
(7) где α доплеровский параметр,
v искомая скорость судна;
γ угол наклона при излучении и приеме сигналов.
Определение разности фаз излученного (5) и отраженного (6) сигналов произведен путем квадратурной обработки, для этого проведем вычисление синусной и косинусной составляющих корреляционных откликов сравнения отраженного сигнала с излученным, а также отраженного сигнала со сдвинутым на π/2 излученным сигналом.
В результате корреляционный отклик сравнения (5) и (6) будем иметь вид:
Figure 00000014
S(t)·S*(t)dt sin(Ωlnα)
Figure 00000015
cos
Figure 00000016
ln(1-t-τ-τα)
Figure 00000017
cos
Figure 00000018
ln(1-t)
Figure 00000019
dt+ + cos(Ωlnα)
Figure 00000020
sin
Figure 00000021
ln(1-t-τ-τα)
Figure 00000022
cos
Figure 00000023
ln(1-t)
Figure 00000024
dt (8)
В выражении (8) второе слагаемое равно нулю вследствие ортогональности сигналов под знаком интеграла. С учетом амплитуды сигналов и в момент компенсации задержки получим синусную составляющую квадратурной обработки:
Figure 00000025
S(t)·S*(t)dt sin(Ωlnα)R(t-τα) (9)
Аналогично корреляционный отклик сравнения (6) со сдвинутым на π/2 сигналом (5) будет равен:
Figure 00000026
sin
Figure 00000027
ln(1-t)
Figure 00000028
S*(t)dt sin(Ωlnα)
Figure 00000029
cos
Figure 00000030
ln(1-t-τ-τα)
Figure 00000031

× sin(Ωln(1-t)dt+cos(Ωlnα)
Figure 00000032
sin
Figure 00000033
ln(1-t-τ-τα)
Figure 00000034
sin(Ωln(1-t))dt
(10)
В выражении (10) первое слагаемое равно нулю вследствие ортогональности сигналов под знаком интеграла.
С учетом амплитуд сигналов и в момент компенсации задержки получим косинусную составляющую квадратурной обработки:
Figure 00000035
sin
Figure 00000036
ln(1-t)
Figure 00000037
S*(t)dt cos(Ωlnα)·R(t-τα) (11)
Для определения сдвига фаз вычислим arctg отношения корреляционных откликов синусной (9) и косинусной (11) составляющих квадратурной обработки получим:
Δφ arctg
Figure 00000038
Ω·lnα (12)
Из последнего выражения определим доплеровский параметр
α= exp ( Δ φ / Ω ), учитывая к
d exp (K ˙ Δ φ / Ω ) (13) в то же время α соответствует выражению (2), поэтому, решая уравнение (2) при найденном значении α, получим искомую величину v скорости движения судна или учитывая ранее измеренные Vизл, γизл и определенное γпр вычислим скорость движения судна относительно дна в момент приема отраженного сигнала по выражению (3) или после преобразований по формуле:
v
Figure 00000039
1-
Figure 00000040
exp
Figure 00000041
C/cosγпр (14)
Сравнение способа с прототипом позволяет выделить следующие отличительные признаки:
в доплеровском однолучевом способе конкретизирован сигнал с гиперболической частотной модуляцией, известный как сигнал, инвариантный к доплеру, а значит применение ГЧМ-сигнала в существующем способе не позволяет измерить скорость движения судна;
вместо операции определения измерения частоты, характеризуемой невысокой точностью и оптимизированной для больших соотношений сигнал к помехе введена операция вычисления изменения фазы сигнала, обладающая наибольшей чувствительностью к изменению. Нет в природе способа измерения скорости, использующего изменение фазы, т.к. само изменение фазы не дает измерения скорости. Только совокупность свойства ГЧМ-сигнала, превращающего доплеровскую деформацию в логарифмическом масштабе в сдвиг, который в момент компенсации задержки на распространение сигналов, выраженный в виде разности фаз излученного и отраженного сигналов, становится величиной, эквивалентной доплеровскому параметру. При этом разность фаз связана с доплеровским параметром выражением (12).
Сравнение технического решения с известными способами позволяет сделать вывод, что новая совокупность, полученная применением излучаемого ГЧМ-сигнала и операции вычисления доплеровского параметра, обеспечивает получение нового сверхсуммарного эффекта, достижение которого невозможно только использованием ГЧМ-сигнала (он инвариантен относительно доплера) или только фазового метода. Новая совокупность в сочетании с другими неизменяемыми признаками прототипа обеспечивает повышение точности, что подтверждается анализом следующих выражений.
Минимальная дисперсия ошибки измерения задержки в фазовом методе определяется формулой (3):
E
Figure 00000042
(tR-
Figure 00000043
)
Figure 00000044
Figure 00000045
(15) где Е ˙ математическое ожидание;
tR,
Figure 00000046
измеренная задержка и ее оценка;
β эффективная полоса спектра Фурье-сигнала;
Е энергия сигнала;
Nо спектральная плотность мощности шума;
f несущая частота сигнала.
В случае, если не используется информация о фазе несущей частоты отраженного сигнала, то дисперсия ошибки будет значительно превышать величину, которую дает (15) и определяется формулой:
E
Figure 00000047
(tR-
Figure 00000048
)
Figure 00000049
Figure 00000050
(16) Выигрыш в точности фазового метода измерения составляет
M
Figure 00000051
1+
Figure 00000052
(17)
Для случая логарифмического масштаба по аналогии с (17) выражением выигрыш в точности измерения доплеровского параметра составит:
Mм= 1+
Figure 00000053
(18) где Ω начальная частота ГЧМ-сигнала;
βм полоса Меллина сигнала.
Из анализа выражения (18) следует, что чем больше величина, тем больше выигрыш в точности.
Таким образом, цель заявленного технического решения достигнута, получен сверхсуммаpный эффект, удовлетворяющий давно назревшим требованиям практики. Что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "существенные отличия". Кроме того, способ обеспечивает определение скорости движения судна относительно дна по одному циклу излучения прием, что при высокой точности достигается меньшими энергетическими затратами при этом снижается влияние демаскирующего признака работы такого лага и снижается влияние работы лага на другие гидроакустические системы судна.
На фиг.1 изображена блок-схема алгоритма, где 1 излучение ГЧМ-сигнала в направлении движения судна с углом γ наклона в вертикальной плоскости;
2 прием отраженного от дна сигнала;
3 вычисление корреляционной К1(τ) функции от отраженного и излученного сигналов;
4 вычисление корреляционной К2(τ) функции отраженного и сдвинутого на π/2 излученного сигнала;
5 вычисление отношения К1(τ)/К2(τ) корреляционных откликов (с выходов блоков 3 и 4) в момент компенсации временной задержки, вызванной распространением сигналов в среде;
6 вычисление Δφ= arctg [K1(τ)/K2(τ)]
7 вычисление скорости движения судна относительно дна путем решения уравнения:
exp
Figure 00000054
Figure 00000055
(19) или
exp
Figure 00000056
Figure 00000057
(20) так для выражения (20) скорость определяется по формуле:
v C
Figure 00000058
(1-Vизл·cosγизл/C)·exp
Figure 00000059
-1
Figure 00000060
/cosγпр (21) или v C[B ˙ α 1]/ cos γпр; где B 1-
Figure 00000061
α exp
Figure 00000062

Для уравнения (19) формула вычисления предполагает γизл γпр γ и vизл vпр v и скорость движения судна определяется формулой:
v
Figure 00000063
(22) где α exp
Figure 00000064

8 индикация величины скорости звука судна относительно дна;
9 фазовращатель, сдвигающий на π/2 излученный сигнал.
На фиг. 2 представлена схема устройства, реализующего предполагаемый способ по формуле (22), где 1 генератор ГЧМ-сигнала; 2 излучатель; 3 приемник; 4 аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 5 первая рециркуляционная линия задержки; 6 первый умножитель; 7 третья рециркуляционная линия задержки; 8 вторая рециркуляционная линия задержки; 9 второй умножитель; 10 фазовращатель (на π/2); 11 четвертая рециркуляционная линия задержки; 12 первый усреднитель; 13 второй усреднитель; 14 вычислитель arctg(x/y); 15 третий умножитель; 16 блок вычисления exp( ˙ ); 17 блок разности (α- 1); 18 четвертый умножитель; 19 блок деления; 20 блок сумматора (α+ 1); 21 индикатор.
Аналогично может быть построено устройство, реализующее заявляемый способ, но по выражению (21), в этом случае блоки 16-19 требуется откорректировать.
Способ заключается в выполнении операций согласно блок-схемы алгоритма, приведенной на фиг. 1. При этом излученный сигнал, кроме излучения в воду, поступает в бл.3 непосредственно и через фазовращатель (на π/2) в бл.4. Вычисляются взаимно-корреляционные (корреляционные) функции в бл.3 и 4 и в момент компенсации временной задержки на распространение вычисляется по формуле (12) arctg их отношения, затем вычисляется по формуле (13) доплеровский параметр, а скорость определяется по формуле (22) или (21) и выводится на индикатор 8.
На фиг.2 приведено устройство, реализующее способ, в котором генератор 1 ГЧМ-сигнала соединен с излучателем 2, а также через рециркуляционную временную задержку 7 с вторым входом первого умножителя 6, кроме того, генератор 1 ГЧМ-сигнала соединен через фазовращатель 10 и четвертую рециркуляционную 11 линию задержки с вторым входом второго умножителя 9, первый вход которого соединен через вторую рециркуляционную 8 линию задержки с выходом АЦП 4, который, кроме того, соединен через первую рециркуляционную 5 линию задержки с первым входом первого умножителя 6, при этом вход АЦП 4 соединен с выходом приемника 3.
Выход первого умножителя 6 соединен через первый усреднитель 12 с первым входом (вход Х) 14 вычислителя arctg(x/y), второй вход (вход Y) которого соединен с выходом второго 13 усреднителя, при этом выход 14 вычислителя arctg(x/y) соединен с первым входом третьего 15 умножителя, на второй вход которого подано постоянное значение K/Ω. Выход третьего 15 умножителя соединен через блок 16 вычисления exp ( ˙ ) с входом уменьшаемого блока 17 разности α-1 и одновременно с входом блока 20 сумматора (α+1), при этом на вход вычитаемого блока 17 разности (α-1) подана значение "1" и на второй вход блока 20 сумматора (α +1) значение "1", при этом выход блока 17 разности (α 1) соединен с первым входом четвертого умножителя 18, на второй вход которого подано значение c/cos γ, а выход четвертого 18 умножителя соединен с первым входом делимого блока 19 деления, второй вход (вход делителя) которого соединен с выходом блока 20 сумматора (α +1), причем выход блока 19 деления соединен с индикатором 21.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 ГЧМ-сигнала выдает сигнал на излучатель 2 для излучения в носовом направлении под углом γ в вертикальной плоскости, а также через третью 7 рециркуляционную линию задержки на второй вход первого умножителя 6 и, кроме того, через фазовращатель 10, четвертую рециркуляционную 11 линию задержки на второй вход второго 9 умножителя. При этом на первые входы первого 6 и второго 9 умножителей поступает отраженный сигнал от дна, принятый приемником 3, преобразованным АЦПЧ и прошедший соответствующие 5 и 8 рециркуляционные линии задержки. При этом на первые входы умножителей 6 и 9 поступают сигналы типа (6), а на вторые входы: на второй вход первого 6 умножителя поступает сигнал вида (5), а на второй вход второго 9 умножителя сигнал вида (5), но сдвинутый на π/2.
После усреднителей первого 12 и второго 13, в момент компенсации временной задержки за счет применения рециркуляционных линий задержек 7, 5 и 8, 11, на уходы вычислителя 14 arctg(x/y) поступают величины корреляционных откликов: на вход Х значение, соответствующее выражению (9), а на вход Y значение, соответствующее выражению (11). В результате на выходе вычислителя 14 arctg(x/y) получают величину, пропорциональную выражению (12), которое после умножения в третьем 15 умножителе на K/Ω, вычисления exp( ˙ ) в блоке 16 превращается в значение, эквивалентное доплеровскому α параметру.
После этого вычисляется скорость по формуле (22) путем вычисления операций в блоках 17-20. Полученное значение скорости выводится на индикатор 2. Устройство выполнимо, так как использованы элементы известных конструкций: генератор 1 ГЧМ-сигнала, излучатель 2 и приемник 3, АЦП 4, рециркуляционные линии задержки 5, 7, 8, 11, а также умножители 6, 9, 15, 18, блок деления 19, блок сумматора (α+1), блок 17 разности (α 1), фазовращатель 10 на π/2 вычислитель arctg(x/y), блок вычисления exp( ˙ ), индикатор.
Использование изобретения позволяет повысить точность определения скорости движения судна относительно дна в N 1 +
Figure 00000065
раз. Это достигается вычислением доплеровского параметра по разности фаз в логарифмическом масштабе времени в момент компенсации задержки между отраженным и излученным ГЧМ-сигналами. Кроме того, достигается сверхсуммарный дополнительный эффект определение скорости осуществляется за один цикл излучения прием, что снижает энергетические затраты, а также уменьшает значение демаскирующего излучения, кроме того, оказывает меньше мешающее воздействие на другие гидроакустические системы.

Claims (1)

  1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА ОТНОСИТЕЛЬНО ДНА, основанный на наклонном к направлению движения излучении сигнала в сторону дна, приеме отраженного сигнала, вычислении доплеровского параметра α и определении скорости судна путем решения уравнения
    Figure 00000066

    где c скорость распространения сигнала;
    g угол наклона;
    v скорость судна,
    отличающийся тем, что излучают сигнал с гиперболической частотной модуляцией вида
    Figure 00000067

    где K постоянная, характеризующая крутизну модулирующей функции;
    Ω постоянная величина, обозначающая начальную частоту,
    а доплеровский параметр вычисляют по формуле
    a= exp (K·Δφ/Ω),
    где Δφ сдвиг фаз между принятым и излученным сигналами.
RU92004926A 1992-11-05 1992-11-05 Способ определения скорости движения судна относительно дна RU2037847C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92004926A RU2037847C1 (ru) 1992-11-05 1992-11-05 Способ определения скорости движения судна относительно дна

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92004926A RU2037847C1 (ru) 1992-11-05 1992-11-05 Способ определения скорости движения судна относительно дна

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU92004926A RU92004926A (ru) 1995-04-20
RU2037847C1 true RU2037847C1 (ru) 1995-06-19

Family

ID=20131630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU92004926A RU2037847C1 (ru) 1992-11-05 1992-11-05 Способ определения скорости движения судна относительно дна

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2037847C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655019C1 (ru) * 2017-08-25 2018-05-23 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Способ измерения скорости судна доплеровским лагом
RU2677102C1 (ru) * 2017-12-18 2019-01-15 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Способ измерения скорости судна доплеровским лагом

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Абсолютные и относительные лаги Виноградов К.А. и др. Справочник. Л.: Судостроение, 1990, с.27-30. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655019C1 (ru) * 2017-08-25 2018-05-23 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Способ измерения скорости судна доплеровским лагом
RU2677102C1 (ru) * 2017-12-18 2019-01-15 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Способ измерения скорости судна доплеровским лагом

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5559518A (en) Low target velocity interferometric AMTI radar
US4803990A (en) Examining moving objects by ultrasound echograpy
JP5503961B2 (ja) 観測信号処理装置
US5455588A (en) Method for determining target velocity by measuring phase shift
US3798644A (en) Vector velocity system
US4069468A (en) Doppler spectral measurement
CN112654895B (zh) 一种雷达探测方法及相关装置
EP0228070A2 (en) Ultrasonic doppler diagnostic apparatus
JPS585387B2 (ja) ソクドソクテイソウチ
US5014063A (en) Integrated altimeter and doppler velocity sensor arrangement
US5420827A (en) Passive multipath target range and depth estimation using a variable depth sonar
US4905206A (en) Ultrasonic doppler flow meter
JP2007192575A (ja) 目標測位装置
RU2625567C1 (ru) Устройство для имитации ложной радиолокационной цели при зондировании сигналами с линейной частотной модуляцией
US4771789A (en) Ultrasonic device for measuring acceleration of moving reflective member
JP2019023577A (ja) 移動目標探知システム及び移動目標探知方法
RU2037847C1 (ru) Способ определения скорости движения судна относительно дна
US7149148B2 (en) Localization of high speed vehicles using continuous transmit waves
US3958242A (en) System for measuring the velocity of a moving object
US5089996A (en) Transducer device for acoustic log
RU2002119904A (ru) Способ и система для радиолокационного измерения скоростей и координат объектов (варианты)
US6229761B1 (en) Estimating ship velocity through the water and over the ground
RU2042152C1 (ru) Способ определения скорости движения судна относительно дна
Griffiths et al. Acoustic correlation sonar for vertical profiling of ocean currents to a range of 1 km
RU2058033C1 (ru) Способ селекции движущихся целей