RU2343502C2 - Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium - Google Patents

Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium Download PDF

Info

Publication number
RU2343502C2
RU2343502C2 RU2007106983/28A RU2007106983A RU2343502C2 RU 2343502 C2 RU2343502 C2 RU 2343502C2 RU 2007106983/28 A RU2007106983/28 A RU 2007106983/28A RU 2007106983 A RU2007106983 A RU 2007106983A RU 2343502 C2 RU2343502 C2 RU 2343502C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
depth
receivers
distance
sound
signals reflected
Prior art date
Application number
RU2007106983/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007106983A (en
Inventor
Игорь Федорович Кадыков (RU)
Игорь Федорович Кадыков
Анатолий Николаевич Коротков (RU)
Анатолий Николаевич Коротков
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии (Росатом)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное научно-производственное объединение "Элерон" (ФГУП "СНПО "Элерон")
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 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии (Росатом), Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное научно-производственное объединение "Элерон" (ФГУП "СНПО "Элерон") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии (Росатом)
Priority to RU2007106983/28A priority Critical patent/RU2343502C2/en
Publication of RU2007106983A publication Critical patent/RU2007106983A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2343502C2 publication Critical patent/RU2343502C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics; measurement.
SUBSTANCE: invention refers to echo ranging and is aimed at positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium. Offered method and system positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium consist in wave sounding and receiving of sounding signals reflected from object to two or more receivers in the water spaced at preset distance considering measured radiator to object distance. Time difference of signal arrival to receivers is recoded. Depth of object is determined by inverse problem solving through comparison of observable differences at known radiator to object distance with value set for various versions of object position calculated for conditions of known measured vertical sound speed distribution within analysed aqueous site.
EFFECT: implementation of on-line positioning of object under observation (detected) by depth in aqueous medium in sound echolocation to produce applicable depth values.
5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для определения положения наблюдаемого объекта по глубине в водной среде.The invention relates to the field of sonar and is intended to determine the position of the observed object in depth in the aquatic environment.

Предложенные способ и система могут быть использованы при проведении подводных работ, охранных мероприятий, поисковых и спасательных работ, защиты судов и сооружений со стороны водной среды, предотвращении столкновений, контроле рыбьих скоплений, проведении научных исследований, в том числе биологических, особенно в задачах, когда необходимо знать глубину обнаруженных в водной среде объектов, например, для их классификации.The proposed method and system can be used when conducting underwater operations, security measures, search and rescue operations, protecting ships and structures from the aquatic environment, preventing collisions, controlling fish accumulations, conducting scientific research, including biological research, especially when it is necessary to know the depth of objects found in the aquatic environment, for example, for their classification.

Из уровня техники известны решения в области эхолокации, позволяющие определить положение подводных объектов по глубине.The prior art solutions in the field of echolocation, allowing to determine the position of underwater objects in depth.

Из патента РФ №2078353 на изобретение известно решение, позволяющее определить глубину погружения подводного объекта с известными геометрическими размерами. Изобретение направлено на решение задачи определения глубины погружения сплошных и имеющих периодическую структуру подводных объектов и их положения на линии, соединяющей излучатель с приемником. Излучатель находится вблизи поверхности, приемник расположен на дне, а объект находится между ними. Акустический сигнал излучают в область возможного нахождения объекта, осуществляя излучение и прием сигналов в широкой полосе частот, определяют частоту, на которой исчезает эффект затенения объектом излучателя, и по этим данным глубину объекта. При этом для определения глубины объекта, имеющего периодическую структуру, выбирают длину волны, превышающую расстояние между составными частями объекта, но соизмеримую с общими размерами последнего.From the patent of the Russian Federation No. 2078353 for the invention, a solution is known that makes it possible to determine the immersion depth of an underwater object with known geometric dimensions. The invention is aimed at solving the problem of determining the immersion depth of continuous and having a periodic structure of underwater objects and their position on the line connecting the emitter to the receiver. The emitter is located near the surface, the receiver is located at the bottom, and the object is between them. An acoustic signal is emitted into the region of the possible location of the object, by transmitting and receiving signals in a wide frequency band, determine the frequency at which the effect of shadowing by the object of the emitter disappears, and from this data the depth of the object. In this case, to determine the depth of an object having a periodic structure, choose a wavelength that exceeds the distance between the component parts of the object, but commensurate with the overall dimensions of the latter.

Недостатком решения является ограниченная область применения, возможность определения глубины только конкретного объекта (с известными геометрическими размерами), отсутствие учета при измерениях вертикального распространения скорости звука в водной среде.The disadvantage of this solution is the limited scope, the ability to determine the depth of only a specific object (with known geometric dimensions), the lack of consideration when measuring the vertical distribution of the speed of sound in an aqueous medium.

В патенте РФ №2208811 на изобретение предлагается способ получения информации о шумящих в море объектах, учитывая скорость звука в воде по глубине. Шум, излученный движущимися объектами, принимают антенной, по меньшей мере, в трех пространственных каналах наблюдения сигнала, приходящего под разными углами из-за вертикальной рефракции звука. Принятый шумовой сигнал дискретизируют по времени и квантуют на несколько уровней, измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины и волнение поверхности моря. По измеренным данным и известным характеристикам дна и известным характеристикам приемной системы рассчитывают сигнал объекта в каждом пространственном канале для нескольких значений расстояния, решая уравнение гидроакустики в пассивном режиме, и в результате сравнения измеренных значений сигнала с расчетными принимают решение о дистанции и скорости и о наличии нескольких шумящих объектов на одном направлении.In the patent of the Russian Federation No. 2208811 for the invention, a method for obtaining information about noisy in the sea objects, given the speed of sound in water in depth. The noise emitted by moving objects is received by the antenna in at least three spatial channels for observing a signal arriving at different angles due to vertical refraction of sound. The received noise signal is discretized in time and quantized into several levels, the speed of sound in water is measured depending on the depth and wave surface of the sea. From the measured data and the known characteristics of the bottom and the known characteristics of the receiving system, the object signal in each spatial channel is calculated for several distance values, solving the hydroacoustic equation in the passive mode, and as a result of comparing the measured signal values with the calculated ones, they decide on the distance and speed and on the presence of several noisy objects in one direction.

Недостатком данного решения также является ограниченная область применения, в том числе вследствие того, что информацию предлагаемым способом можно получить только о шумящих объектах.The disadvantage of this solution is also the limited scope, including due to the fact that information by the proposed method can be obtained only about noisy objects.

Также известно изобретение по патенту РФ №2271551, которое может использоваться в гидролокационных устройствах обнаружения подводных объектов (подводных лодок, малоразмерных объектов: мин, подводных пловцов). Физическая сущность изобретения заключается в определении пространственных углов визирования акустического луча (пеленгов) на отражающий объект, т.е. направления прихода отраженного от объекта звукового луча, на основе пространственно-фазовой и пространственно-корреляционной обработки отраженных сигналов в плоскости фронта волны принимаемого сигнала.The invention is also known according to the patent of the Russian Federation No. 2271551, which can be used in sonar detection devices for underwater objects (submarines, small objects: mines, underwater swimmers). The physical essence of the invention consists in determining the spatial angles of sight of an acoustic beam (bearings) on a reflecting object, i.e. the direction of arrival of the sound beam reflected from the object, based on the spatial-phase and spatial-correlation processing of the reflected signals in the plane of the wave front of the received signal.

Данное решение, используя направление прихода отраженного от объекта звукового луча, не позволяет определить глубину объекта без учета рефракции звуковых лучей в реальной водной среде. Кроме того, использование направления прихода луча, даже при учете рефракции, не дает выхода на глубину объекта из-за слабой разрешающей способности приемных систем по углам прихода звуковых лучей в реальных условиях их работы.This solution, using the direction of arrival of the sound ray reflected from the object, does not allow determining the depth of the object without taking into account the refraction of sound rays in a real aqueous medium. In addition, the use of the direction of arrival of the beam, even when refraction is taken into account, does not give an exit to the depth of the object due to the weak resolution of the receiving systems at the angles of arrival of sound rays in real conditions of their operation.

Действительно, в условиях возможных сезонных распределений скорости звука по глубине - отрицательный градиент скорости звука в приповерхностной области для лета, положительный градиент для зимы и слабый положительный градиент в межсезонье, представленных на фиг.1, диапазон углов прихода звуковых лучей для практически значимых глубин объекта до 10-15 м от водной поверхности и расстояний до объекта в сто и более метров не превышает нескольких градусов, как это видно из фиг.2 и 3, где в качестве примера представлены диапазоны траекторий звуковых лучей в вертикальной плоскости для облучаемой зоны водного слоя.Indeed, under the conditions of possible seasonal distributions of the speed of sound in depth - a negative gradient of the speed of sound in the near-surface region for summer, a positive gradient for winter and a weak positive gradient in the off-season, shown in Fig. 1, the range of angles of arrival of sound rays for practically significant depths of the object to 10-15 m from the water surface and distances to the object of a hundred or more meters does not exceed several degrees, as can be seen from figure 2 and 3, where, as an example, ranges of sound paths are presented x-ray in a vertical plane to the irradiated area of the aqueous layer.

Отсюда следует, что для различения лучей от объектов, находящихся на разных глубинах, требуется разрешение по углу в доли градуса, что является технически недостижимой задачей в натурных морских условиях, особенно при работе с обеспечивающего судна, испытывающего качку.It follows that in order to distinguish rays from objects located at different depths, a resolution in the angle of a fraction of a degree is required, which is a technically unattainable task in full-scale marine conditions, especially when working with a supply vessel experiencing pitching.

Известно решение в области гидроакустики для обнаружения и сопровождения подводных объектов, вторгающихся в контролируемую акваторию натурного водоема (патент РФ №2150123 на изобретение). В этом решении с помощью гидроакустических отражателей, располагаемых по эллиптической поверхности, задают контролируемую область натурного водоема. При этом гидроакустические излучатель и приемник расположены в фокусах эллиптической поверхности. Излучатель выполнен в виде круговой гидроакустической антенны, а приемник, подключенный к индикатору кругового обзора, - с равномерной характеристикой направленности.A known solution in the field of hydroacoustics for the detection and tracking of underwater objects invading a controlled area of a natural reservoir (RF patent No. 2150123 for an invention). In this solution, using a sonar reflector located on an elliptical surface, set the controlled area of the natural reservoir. In this case, the sonar emitter and receiver are located in the foci of the elliptical surface. The emitter is made in the form of a circular hydroacoustic antenna, and the receiver connected to the indicator of all-round visibility, with a uniform directional characteristic.

Последовательно по различным направлениям излучатель направляет импульсы акустической энергии, которые за один и тот же промежуток времени достигают приемника, отражаясь от гидроакустических отражателей. На индикаторе кругового обзора формируется серия импульсов. При вторжении подводного объекта в контролируемую зону один из импульсов на индикаторе кругового обзора пропадает, что указывает на наличие цели. Последовательная обработка выходных сигналов позволяет определить курс и скорость движения цели.Consistently in different directions, the emitter directs pulses of acoustic energy, which for the same period of time reach the receiver, reflected from hydroacoustic reflectors. A series of pulses are formed on the circular view indicator. When an underwater object invades the monitored zone, one of the pulses on the circular viewing indicator disappears, which indicates the presence of a target. Sequential processing of the output signals allows you to determine the course and speed of the target.

Недостатком данного решения является ограниченная область применения вследствие отсутствия определения положения объекта относительно дна.The disadvantage of this solution is the limited scope due to the lack of determining the position of the object relative to the bottom.

В изобретении по патенту РФ №2272303 предложен способ определения глубин акватории, согласно которому излучают гидроакустические сигналы фазовым гидролокатором бокового обзора и принимают отражение сигнала в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии. Измерение времени задержки синфазных сигналов по вертикали, в том числе и отраженных от ровной поверхности дна, осуществляют по каждому расчетному направлению. Определяют по полученным данным направления прихода синфазных сигналов и искомых глубин и распознают морской грунт. Дополнительно измеряют изменения скорости звука непосредственно на горизонте антенны, по значениям которых вводят корректирующие сигналы. Определяют угол сноса носителя антенн, линейные и угловые скорости и ускорения непосредственно на корпусе антенн. Вводят поправку временного кода, определяемого за время измерений. Распознавание морского грунта выполняют методом кластеризации и численного анализа. Устройство для реализации данного способа содержит антенны, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок управления, вычислитель, регистратор, устройство коррекции, устройство хронирования информации, а также блок датчиков измерения линейных и угловых скоростей и ускорений.In the invention according to the RF patent No. 2272303, a method for determining the depths of the water area is proposed, according to which sonar signals are emitted by a side-scan sonar and the signal is received at two points located vertically at a given distance. The measurement of the delay time of common-mode signals vertically, including those reflected from a flat bottom surface, is carried out for each calculated direction. The directions of arrival of common-mode signals and the desired depths are determined from the data obtained and sea soil is recognized. Additionally, changes in the speed of sound directly on the horizon of the antenna are measured, the values of which introduce corrective signals. Determine the drift angle of the antenna carrier, linear and angular velocities and accelerations directly on the antenna body. A correction of the time code determined during the measurement is introduced. Recognition of sea soil is performed by clustering and numerical analysis. A device for implementing this method comprises antennas, a transmitting unit, a receiving and measuring unit, a control unit, a calculator, a recorder, a correction device, an information timing device, and a sensor unit for measuring linear and angular velocities and accelerations.

Данное решение, посвященное распознаванию морского грунта, не может быть применено для обнаружения объектов в водной толще и определения их местоположения.This solution, dedicated to the recognition of sea soil, cannot be applied to detect objects in the water column and determine their location.

Из зарубежных патентных источников также известны аналогичные системы, см. японскую заявку JP 2006078329, публикация 23.03.2006, JP 2003215230, публикация 30.07.2003, патент США №7006406.Similar systems are also known from foreign patent sources, see Japanese application JP 2006078329, publication March 23, 2006, JP 2003215230, publication July 30, 2003, US patent No. 7006406.

За наиболее близкий аналог по технической сущности и достигаемому результату можно принять известный в гидролокации способ определения пространственного положения наблюдаемого объекта в водной толще путем определения направления прихода отраженного от объекта звукового луча (см. Р.Д.Урик. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с.71), недостатки которого обсуждались выше.For the closest analogue in terms of technical nature and the achieved result, we can take the method known in sonar for determining the spatial position of the observed object in the water column by determining the direction of arrival of the sound beam reflected from the object (see R.D. Urik. Basics of hydroacoustics. L., Shipbuilding, 1978, p. 71), the disadvantages of which were discussed above.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании способа и устройства с простой реализацией и расширенной областью применения, позволяющих определять положение наблюдаемого объекта по глубине в водной среде.The problem to which the proposed invention is directed is to create a method and device with a simple implementation and an extended scope, allowing to determine the position of the observed object by depth in the aquatic environment.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения положения наблюдаемого объекта по глубине в водной среде, включающий волновое зондирование и прием отраженных от объекта зондирующих сигналов. При этом прием отраженных от объекта зондирующих сигналов ведут на два или более приемников в воде, разнесенных в пространстве на фиксированное расстояние, с учетом измеренного расстояния от излучателя до объекта, и регистрируют разность времени прихода сигналов на приемники.To solve this problem, a method for determining the position of the observed object by depth in the aquatic environment is proposed, including wave sensing and reception of sounding signals reflected from the object. At the same time, sounding signals reflected from the object are received at two or more receivers in water, separated in space by a fixed distance, taking into account the measured distance from the emitter to the object, and the time difference between the signals arriving at the receivers is recorded.

Глубину объекта определяют решением обратной задачи путем сопоставления наблюдаемых разностей при известном расстоянии от излучателя до объекта с набором их значений для различных вариантов положения объекта, получаемым расчетным путем для условий известного измеренного вертикального распределения скорости звука в исследуемом водном участке.The depth of the object is determined by solving the inverse problem by comparing the observed differences at a known distance from the emitter to the object with a set of their values for various options for the position of the object obtained by calculation for the conditions of the known measured vertical distribution of the speed of sound in the studied water area.

Также предложена система для осуществления способа, содержащая гидроакустический прибор для излучения зондирующих сигналов в водной среде с возможностью определения расстояния до объекта, по меньшей мере, два приемника отраженных от объекта зондирующих сигналов, разнесенных в пространстве на фиксированное расстояние, и измеритель вертикального распределения скорости звука в водном слое, соединенные с электронным комплексом обработки данных. Электронный комплекс обработки данных обеспечивает прием сигналов от указанных гидроакустического прибора и приемников, вычисление набора ожидаемых значений разности времен прихода на приемники отраженных от объекта сигналов с учетом измеренного вертикального распределения скорости звука в водном слое для разных расстояний от излучателя до объекта и глубин объекта, определение расстояния до объекта и разности времен прихода на приемники отраженных от объекта сигналов. При этом для оперативного определения положения наблюдаемого объекта по глубине в электронном комплексе обработки данных проводят сопоставление регистрируемых и расчетных значений разностей времени прихода сигналов на приемники для известного измеренного расстояния от излучателя до объекта.Also proposed is a system for implementing the method, comprising a hydroacoustic device for emitting sounding signals in an aqueous medium with the ability to determine the distance to the object, at least two receivers of sounding signals reflected from the object, spaced a fixed distance in space, and a meter for the vertical distribution of sound velocity in water layer connected to an electronic data processing complex. The electronic data processing complex provides the reception of signals from the specified sonar device and receivers, calculates the set of expected values of the difference in the arrival times of the signals reflected from the object, taking into account the measured vertical distribution of the speed of sound in the water layer for different distances from the emitter to the object and the depths of the object, determining the distance to the object and the difference in the times of arrival at the receivers of the signals reflected from the object. In this case, to quickly determine the position of the observed object by depth in the electronic data processing complex, the registered and calculated values of the differences in the time of arrival of signals to the receivers are compared for a known measured distance from the emitter to the object.

Предпочтительно, чтобы гидроакустический прибор содержал один из приемников отраженных от объекта зондирующих сигналов. Также целесообразно разместить, по крайней мере, один приемник на дне водоема. Гидроакустическим прибором может являться гидролокатор. Электронный комплекс обработки данных может состоять из ряда соединенных между собой электронных блоков приема, обработки и передачи данных.Preferably, the sonar device contains one of the receivers reflected from the object of the probing signals. It is also advisable to place at least one receiver at the bottom of the reservoir. The sonar device may be a sonar. An electronic data processing complex may consist of a series of interconnected electronic units for receiving, processing and transmitting data.

В отличие от известных решений глубина объекта согласно предложенному способу и системе определяется по разности времени прихода отраженных от объекта звуковых сигналов на пространственно разнесенные фиксированные точки приема.In contrast to the known solutions, the depth of the object according to the proposed method and system is determined by the difference in the time of arrival of sound signals reflected from the object to spatially spaced fixed reception points.

Сущность заявленного способа и системы поясняется чертежами.The essence of the claimed method and system is illustrated by drawings.

Фиг.1 - диаграммы измеренных сезонных распределений скорости звука по глубине.Figure 1 - graphs of the measured seasonal distribution of the speed of sound in depth.

Фиг.2 - диапазон траекторий звуковых лучей в вертикальной плоскости для практически значимых глубин объекта на расстояниях более 100 м в условиях лета.Figure 2 - the range of trajectories of sound rays in the vertical plane for practically significant depths of the object at distances of more than 100 m in summer.

Фиг.3 - диапазон траекторий звуковых лучей в вертикальной плоскости для практически значимых глубин объекта на расстояниях более 100 м в условиях зимы.Figure 3 - the range of trajectories of sound rays in the vertical plane for practically significant depths of the object at distances of more than 100 m in winter conditions.

Фиг.4 - структурная схема системы по предлагаемому способу.Figure 4 is a structural diagram of a system according to the proposed method.

Фиг.5 - вариант практического выполнения системы определения глубины цели в водной среде с приемниками, установленными на дне.5 is a variant of the practical implementation of the system for determining the depth of the target in the aquatic environment with receivers installed at the bottom.

Таблица 1. Результаты теоретического расчета разности времен прихода Δt отраженного от объекта сигнала для двух точек приема, расположенных на одинаковой глубине Zn=20 м и разнесенных по горизонтали на 10 м и 50 м от объекта.Table 1. The results of a theoretical calculation of the difference in the arrival times Δt of the signal reflected from the object for two receiving points located at the same depth Z n = 20 m and horizontally spaced 10 m and 50 m from the object.

Таблица 2. Результаты компьютерного расчета набора ожидаемых значений разности времен прихода отраженных от объекта сигналов на приемники 2 и 3 на дне для различных глубин объекта Zo и разных расстояний rо объекта от излучателя.Table 2. The results of computer calculation of the set of expected values of the difference in the times of arrival of signals reflected from the object to the receivers 2 and 3 at the bottom for different depths of the object Z o and different distances r o of the object from the emitter.

В основе предлагаемого способа лежит учет различия времени распространения звука, отраженного от объекта, по разным звуковым лучам, легко учитываемого при известном вертикальном распределении скорости звука в водной толще в месте наблюдений с использованием компьютерного моделирования, и техническая возможность разрешать временные интервалы.The basis of the proposed method is to take into account differences in the propagation time of sound reflected from the object over different sound rays, easily taken into account with a known vertical distribution of the speed of sound in the water column at the observation site using computer simulation, and the technical ability to resolve time intervals.

Для оценки ожидаемых значений различий времени распространения звукового сигнала, отраженного от объекта, по разным звуковым лучам рассмотрим теоретически наиболее простой случай изменения скорости звука по глубине по линейному закону:To assess the expected values of the propagation time differences of the sound signal reflected from the object for different sound rays, we consider the theoretically simplest case of a change in the speed of sound in depth according to the linear law:

С(Z)=С0(1-a·Z),C (Z) = C 0 (1-a · Z),

где C(Z) - скорость звука на произвольной глубине Z;where C (Z) is the speed of sound at an arbitrary depth Z;

С0 - скорость звука при Z=0;C 0 is the speed of sound at Z = 0;

a - коэффициент с размерностью L-1, например м-1, характеризующий изменение скорости звука по глубине, задается исходя из закономерностей, выведенных эмпирическим путем, на основе экспериментальных данных.a is a coefficient with dimension L -1 , for example, m -1 , characterizing the change in the speed of sound in depth, is set based on patterns derived empirically, based on experimental data.

Данное выражение позволяет получить в аналитической форме зависимость времени t распространения звукового сигнала от объекта по лучам в условиях заданного вертикального распределения скорости звука в водной толще в зависимости от величин: r - расстояние до объекта по горизонтали, Zo - положение объекта по глубине, Zn - глубина точки приема звукового сигнала, отраженного от объекта.This expression allows us to obtain in analytical form the dependence of the propagation time t of the sound signal from the object along the rays under the conditions of a given vertical distribution of the speed of sound in the water column depending on the values: r is the horizontal distance to the object, Z o is the position of the object in depth, Z n - the depth of the receiving point of the sound signal reflected from the object.

Рассмотрим элемент траектории луча dS в некоторой точке, где угол наклона луча от горизонтали равен φ. Отклонение луча по глубине dZ тогда равно:Consider the element of the ray path dS at some point where the angle of inclination of the ray from the horizontal is φ. The deflection of the beam in depth dZ is then equal to:

dZ=dSsin φ.dZ = dSsin φ.

Выражения для r и t тогда запишутся:The expressions for r and t are then written:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Для перехода от φ к Z используем закон Снеллиуса:To go from φ to Z, we use Snell's law:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Zm - глубина траектории луча при φ=0.where Z m is the depth of the ray path at φ = 0.

Получим

Figure 00000004
We get
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Введем обозначения: у=1-а·Z,We introduce the notation: y = 1-a · Z,

уm=1-a·Zm,at m = 1-a · Z m ,

уо=1-а·Zo,y o = 1-a · Z o ,

уn=1-а·Zn. n = 1-a · Z n .

В результате получим для r и t выражения, допускающие табличное интегрирование:As a result, we obtain for r and t expressions that allow table integration:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Исключим уm из выражения для t. Для этого выразим уm через r, уn и уo.We exclude m from the expression for t. To do this, we express y in m through r, y n and y o .

Figure 00000008
Figure 00000008

Подставляя затем уm в выражение для t, получим в результате искомую зависимость t от r, уn и у0:Substituting then at m into the expression for t, as a result we obtain the desired dependence of t on r, at n and at 0 :

Figure 00000009
Figure 00000009

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты расчета по полученному выражению разности времен прихода Δt отраженного от объекта сигнала для двух точек приема, расположенных на одинаковой глубине Zn=20 м и разнесенных по горизонтали на 10 м и 50 м от объекта, для разных глубин объекта Zo и значений a=4·10-4 м-1 и С0=1430 м, близких к наблюдаемым для условий конца лета - начала осени (см. фиг.1).As an example, table 1 shows the results of the calculation according to the obtained expression of the difference in the arrival times Δt of the signal reflected from the object for two receiving points located at the same depth Z n = 20 m and horizontally spaced 10 m and 50 m from the object, for different depths object Z o and values a = 4 · 10 -4 m -1 and C 0 = 1430 m, close to those observed for conditions of late summer - early autumn (see figure 1).

Из полученных данных, представленных в таблице 1, видно, что при изменении глубин объекта на 5 м различие времени распространения сигнала от объекта по разным лучам изменяется на 1,5-2 мс. Отсюда следует, что для обеспечения разрешения 1 м по глубине объекта в рассмотренных условиях требуется разрешение времени распространения по лучам 0,3-0,4 мс. В свою очередь, деление этих значений на скорость звука дает необходимую точность разнесения приемников по горизонтали 0,45-0,6 м.From the data obtained, presented in table 1, it can be seen that when the depth of the object changes by 5 m, the difference in the propagation time of the signal from the object over different beams changes by 1.5-2 ms. It follows that to ensure a resolution of 1 m over the depth of the object under the considered conditions, a resolution of the propagation time along the rays of 0.3-0.4 ms is required. In turn, dividing these values by the speed of sound gives the necessary accuracy of horizontal receiver spacing of 0.45-0.6 m.

Предложенные способ и система осуществляются в соответствии со структурной схемой системы, приведенной на фиг.4. Она включает следующие элементы:The proposed method and system are implemented in accordance with the structural diagram of the system shown in figure 4. It includes the following elements:

1 - гидроакустический прибор с излучателем зондирующих сигналов;1 - sonar device with a probe emitter;

2, 3 - приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов;2, 3 - receivers of sounding signals reflected from the object;

4 - блок излучения зондирующих сигналов;4 - block radiation of the probing signals;

5 - блок приема отраженных от объекта сигналов;5 - block receiving signals reflected from the object;

6 - блок вычисления набора ожидаемых значений разности времен прихода на приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов для возможных глубин объекта в зависимости от расстояния от излучателя до объекта с учетом измеренного вертикального распределения скорости звука в водном слое;6 is a block for calculating a set of expected values of the difference in the times of arrival at the receivers of sounding signals reflected from the object for possible depths of the object depending on the distance from the emitter to the object, taking into account the measured vertical distribution of the speed of sound in the water layer;

7 - блок определения расстояния до объекта и разности времен прихода отраженных от объекта сигналов по данным, получаемым с блока 4 излучения зондирующих сигналов и блока 5 приема отраженных от объекта сигналов;7 - a unit for determining the distance to the object and the difference in the arrival times of the signals reflected from the object according to the data received from the probe radiation unit 4 and the reception unit 5 for signals reflected from the object;

8 - блок обработки данных, в котором происходит определение положения наблюдаемого объекта по глубине путем сопоставления определенного в блоке 7 расстояния от излучателя до объекта и разности времен прихода отраженных от объекта сигналов на приемники с набором их вычисленных в блоке 6 значений для возможных глубин объекта;8 is a data processing unit in which the position of the observed object in depth is determined by comparing the distance determined from block 7 from the emitter to the object and the difference in the times of arrival of signals reflected from the object to the receivers with a set of values calculated in block 6 for possible object depths;

9 - измеритель вертикального распределения скорости звука в водном слое.9 - meter vertical distribution of the speed of sound in the water layer.

В соответствие с этой схемой в зоне наблюдений в воде устанавливают излучатель 1 зондирующих сигналов и не менее двух пространственно разнесенных друг от друга приемников 2, 3 отраженных от объекта зондирующих сигналов, при этом один из приемников может быть объединен с излучателем (не показано).In accordance with this scheme, an emitter 1 of sounding signals and at least two spatially separated receivers 2, 3 of sounding signals reflected from the object are installed in the observation zone in water, while one of the receivers can be combined with an emitter (not shown).

В приемной части 5 осуществляется прием отраженных от объекта зондирующих сигналов и по ним в блоке 7 определяется расстояние от излучателя до объекта и разность времен распространения отраженных от объекта зондирующих сигналов до приемников.In the receiving part 5, the sounding signals reflected from the object are received and from them in block 7 the distance from the emitter to the object and the difference in the propagation times of the sounding signals reflected from the object to the receivers are determined.

Кроме того, в зоне наблюдений проводят замеры в воде профиля скорости звука в вертикальной плоскости, например, зондом-профилографом 9 для учета рефракции звуковых лучей и по ним рассчитывают в блоке 6 наборы значений разности времен распространения сигналов в заданные точки приема в зависимости от вероятного положения объекта в водном слое.In addition, in the observation zone, measurements are made in water of the sound velocity profile in the vertical plane, for example, with a profilograph probe 9 to take into account the refraction of sound rays, and in block 6, sets of values of the difference of signal propagation times to given reception points depending on the probable position are calculated in block 6 object in the water layer.

Далее в блоке 8 решается обратная задача по нахождению глубины объекта путем сопоставления определенных в блоке 7 разностей времен прихода и расстояний от излучателя до объекта с набором вычисленных в блоке 6 значений разностей, соответствующих различным расстояниям от излучателя до объекта и различным глубинам объекта.Next, in block 8, the inverse problem is solved by finding the depth of the object by comparing the differences in arrival times and distances from the emitter to the object defined in block 7 with a set of differences values calculated in block 6 corresponding to different distances from the emitter to the object and different depths of the object.

В качестве примера на фиг.5 приводится схема варианта практического выполнения системы, где rо - расстояние от излучателя зондирующих сигналов до объекта, 2 и 3 - приемники, уложенные на дно на глубине Zn на расстояния r1 и r2 от гидроакустического прибора 1 соответственно. Для данной схемы и условий летнего профиля скорости звука, приведенного на фиг.1, в таблице 2 представлены в мс результаты компьютерного расчета набора ожидаемых значений разности времен прихода отраженных от объекта сигналов на приемники 2 и 3 для различных глубин объекта Zo и разных расстояний rо от излучателя до объекта при заданных параметрах: Zn=20 м, r1=60 м, r2=110 м.As an example, Fig. 5 shows a diagram of a practical embodiment of the system, where r о is the distance from the probe emitter to the object, 2 and 3 are receivers laid at the bottom at a depth of Z n at a distance of r 1 and r 2 from the hydroacoustic device 1 respectively. For this scheme and the conditions of the summer profile of the speed of sound shown in Fig. 1, table 2 presents in ms the results of a computer calculation of the set of expected values of the difference in the times of arrival of signals reflected from the object to receivers 2 and 3 for various object depths Z o and different distances r about from the emitter to the object with the given parameters: Z n = 20 m, r 1 = 60 m, r 2 = 110 m.

Как видно из данных, представленных в таблице 2, ожидаемые разности прихода на приемники 2 и 3 отраженных от объекта сигналов четко проявляют зависимость от положения объекта по глубине на приемлемых для практики расстояниях от излучателя до объекта 50-250 м.As can be seen from the data presented in Table 2, the expected differences in the arrival of signals reflected from the object to receivers 2 and 3 clearly show a dependence on the position of the object in depth at practical distances from the emitter to the object of 50-250 m.

Как видно из таблицы 2, а также из данных, приводимых выше в таблице 1, для достаточно подробного разрешения обнаруженных объектов по глубине, например с точностью 1 м, необходимо регистрировать временные различия отраженных от объекта сигналов в десятые доли мс. Это, в свою очередь, накладывает требования на точность определения расстояний, на которые разнесены приемники отраженных от объекта сигналов в пределах оценки погрешности менее 1 м.As can be seen from table 2, as well as from the data given in table 1 above, for a sufficiently detailed resolution of the detected objects in depth, for example, with an accuracy of 1 m, it is necessary to record the time differences of the signals reflected from the object in tenths of a ms. This, in turn, imposes requirements on the accuracy of determining the distances to which the receivers of signals reflected from the object are spaced within an error estimate of less than 1 m.

Необходимо также, чтобы эти расстояния сохранялись неизменными, по крайней мере, в пределах допустимой погрешности. Возможные влияния, например, со стороны волнения должны быть устранены, например, путем установки приемников на дно или на неподвижные платформы.It is also necessary that these distances remain unchanged, at least within the margin of error. Possible influences, for example, from the side of the waves should be eliminated, for example, by installing receivers on the bottom or on fixed platforms.

Техническим результатом настоящего изобретения является осуществление оперативного определения положения наблюдаемого (обнаруженного) объекта по глубине в водной среде при звуковой эхолокации с получением необходимого для практики разрешения значений глубины.The technical result of the present invention is the implementation of the operational determination of the position of the observed (detected) object in depth in the aquatic environment with sound echolocation to obtain the necessary resolution of depth values for practice.

Способ и система определения положения наблюдаемого объекта по глубине в водной средеMethod and system for determining the position of the observed object in depth in the aquatic environment

Таблица 1.Table 1. Результаты теоретического расчета разности времен прихода Δt отраженного от объекта сигнала для двух точек приема, расположенных на одинаковой глубине Zn=20 м и разнесенных по горизонтали на 10 м и 50 м от объекта.The results of a theoretical calculation of the difference in the arrival times Δt of the signal reflected from the object for two receiving points located at the same depth Z n = 20 m and horizontally spaced 10 m and 50 m from the object. Zo, мZ o , m Δt, мсΔt, ms 55 24,0224.02 1010 25,9225.92 15fifteen 27,5227.52

Таблица 2.Table 2. Результаты компьютерного расчета набора ожидаемых значений разности времен прихода отраженных от объекта сигналов на приемники (1) и (2) на дне для различных глубин объекта Zo и разных расстояний rо объекта от излучателя.The results of a computer calculation of the set of expected values of the difference in the arrival times of signals reflected from the object to the receivers (1) and (2) at the bottom for various object depths Z o and different object distances r o from the emitter. Zo, мZ o , m rо, мr o , m 50fifty 100one hundred 150150 200200 250250 22 28,928.9 16,116.1 33,033.0 33,833.8 33,833.8 4four 29,929.9 16,716.7 33,433,4 34,034.0 33,933.9 88 31,631.6 18,118.1 34,034.0 34,334.3 34,234.2 15fifteen 34,334.3 20,420,4 34,734.7 34,434,4 34,834.8

Claims (5)

1. Способ определения положения наблюдаемого объекта по глубине в водной среде, включающий волновое зондирование и прием отраженных от объекта зондирующих сигналов, отличающийся тем, что прием отраженных от объекта зондирующих сигналов ведут на два или более приемников в воде, разнесенных в пространстве на фиксированное расстояние, с учетом измеренного расстояния от излучателя до объекта, при этом регистрируют разность времени прихода сигналов на приемники, а глубину объекта определяют решением обратной задачи путем сопоставления наблюдаемых разностей при известном расстоянии от излучателя до объекта с набором их значений для различных вариантов положения объекта, получаемым расчетным путем для условий известного измеренного вертикального распределения скорости звука в исследуемом водном участке.1. The method of determining the position of the observed object in depth in the aquatic environment, including wave sensing and receiving sounding signals reflected from the object, characterized in that the sounding signals reflected from the object are transmitted to two or more receivers in water, separated in space by a fixed distance, taking into account the measured distance from the emitter to the object, the difference in the time of arrival of signals to the receivers is recorded, and the depth of the object is determined by solving the inverse problem by comparing yudaemyh differences at a known distance from the transducer to an object with a set of values for different position of the object obtained by calculation for the measured conditions known vertical distribution of the velocity of sound in the test aqueous portion. 2. Система для осуществления способа по п.1, содержащая гидроакустический прибор для излучения зондирующих сигналов в водной среде с возможностью измерения расстояния до объекта и, по меньшей мере, два приемника отраженных от объекта зондирующих сигналов, разнесенных в пространстве на фиксированное расстояние, измеритель вертикального распределения скорости звука в водном слое, соединенные с электронным комплексом обработки данных, обеспечивающим прием сигналов от указанных гидроакустического прибора и приемников, вычисление набора ожидаемых значений разности времен прихода на приемники отраженных от объекта сигналов с учетом измеренного вертикального распределения скорости звука в водном слое для разных расстояний от излучателя до объекта и глубин объекта, определение расстояния до объекта и разности времен прихода на приемники отраженных от объекта сигналов, при этом для оперативного определения положения наблюдаемого объекта по глубине в электронном комплексе обработки данных проводят сопоставление регистрируемых и расчетных значений разностей времени прихода сигналов на приемники для известного измеренного расстояния от излучателя до объекта.2. The system for implementing the method according to claim 1, comprising a hydroacoustic device for emitting sounding signals in an aqueous medium with the ability to measure the distance to the object and at least two receivers of sounding signals reflected from the object, spaced a fixed distance in space, a vertical meter sound velocity distributions in the water layer, connected to an electronic data processing complex providing signals from said sonar apparatus and receivers, calculating a set the expected values of the difference in the times of arrival at the receivers of signals reflected from the object, taking into account the measured vertical distribution of the speed of sound in the water layer for different distances from the emitter to the object and the depths of the object, determining the distance to the object and the difference in times of arrival at the receivers of signals reflected from the object, operative determination of the position of the observed object by depth in the electronic data processing complex compares the recorded and calculated values of the time differences pr stroke signals in known receivers for the measured distance from the transducer to the object. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что гидроакустический прибор обеспечивает прием отраженных от объекта зондирующих сигналов.3. The system according to claim 2, characterized in that the hydroacoustic device provides reception of sounding signals reflected from the object. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что по крайней мере один приемник размещен на дне водоема.4. The system according to claim 2, characterized in that at least one receiver is located at the bottom of the reservoir. 5. Система по п.2, отличающаяся тем, что электронный комплекс обработки данных состоит из ряда соединенных между собой электронных блоков приема, обработки и передачи данных. 5. The system according to claim 2, characterized in that the electronic data processing complex consists of a series of interconnected electronic units for receiving, processing and transmitting data.
RU2007106983/28A 2007-02-26 2007-02-26 Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium RU2343502C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007106983/28A RU2343502C2 (en) 2007-02-26 2007-02-26 Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007106983/28A RU2343502C2 (en) 2007-02-26 2007-02-26 Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007106983A RU2007106983A (en) 2008-09-10
RU2343502C2 true RU2343502C2 (en) 2009-01-10

Family

ID=39866297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007106983/28A RU2343502C2 (en) 2007-02-26 2007-02-26 Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2343502C2 (en)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461844C1 (en) * 2011-05-04 2012-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" System for hydrolocation of targets in shallow water conditions
RU2478983C1 (en) * 2011-12-05 2013-04-10 ОАО "Концерн "Океанприбор" Method for detection of splashing-down object submersion depth
RU2516602C1 (en) * 2012-12-25 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method to determine depth of object submersion
RU2577089C1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method and system for automatically controlled active protection of objects on side of aquatic environment
RU2582868C2 (en) * 2013-12-16 2016-04-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of controlling mobile object
RU2650830C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2650842C1 (en) * 2017-05-16 2018-04-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Method of detecting objects in the same thickness of the bottom soil and determination of their location
RU2713516C2 (en) * 2018-05-29 2020-02-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for controlling route of unmanned underwater vehicle with possibility of removing technical information and device for realizing said method
RU2746581C1 (en) * 2020-05-26 2021-04-19 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for determining the class of a noisy marine object
RU2810106C2 (en) * 2022-06-17 2023-12-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for determining coordinates of objects generating noise at sea

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461844C1 (en) * 2011-05-04 2012-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" System for hydrolocation of targets in shallow water conditions
RU2478983C1 (en) * 2011-12-05 2013-04-10 ОАО "Концерн "Океанприбор" Method for detection of splashing-down object submersion depth
RU2516602C1 (en) * 2012-12-25 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method to determine depth of object submersion
RU2582868C2 (en) * 2013-12-16 2016-04-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Method of controlling mobile object
RU2577089C1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method and system for automatically controlled active protection of objects on side of aquatic environment
RU2650830C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2650842C1 (en) * 2017-05-16 2018-04-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Method of detecting objects in the same thickness of the bottom soil and determination of their location
RU2713516C2 (en) * 2018-05-29 2020-02-05 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for controlling route of unmanned underwater vehicle with possibility of removing technical information and device for realizing said method
RU2746581C1 (en) * 2020-05-26 2021-04-19 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for determining the class of a noisy marine object
RU2810106C2 (en) * 2022-06-17 2023-12-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for determining coordinates of objects generating noise at sea

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007106983A (en) 2008-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
CN105004413B (en) Acoustic propagation path comprehensive speed assay method and device for submarine target positioning
RU2634787C1 (en) Method of detecting local object against background of distributed interference
RU2358289C1 (en) Method and system of detecting objects during hydrolocation
RU2704029C1 (en) Time method for determining range to a radio-frequency scanning source without bearing measurement
RU2012153734A (en) METHOD FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF AND DEVICE FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2350983C2 (en) Method for determination of object submersion depth
RU2527136C1 (en) Method of measuring depth of object using sonar
Balk et al. Surface-induced errors in target strength and position estimates during horizontal acoustic surveys.
RU2541435C1 (en) Method of determining iceberg immersion
RU2559159C1 (en) Ice thickness measuring method
RU2548596C1 (en) Method of determining iceberg submersion
US20220236437A1 (en) Method and system for determining top and bottom depth of an under water mud layer
RU2421755C1 (en) Method and device for searching for and counting fish
JP7390366B2 (en) Methods for determining depth or water depth profiles based on average sound velocity profiles, methods for determining such velocity profiles, and associated sonar systems
RU2581416C1 (en) Method of measuring sound speed
RU2703804C1 (en) Method of classifying marine objects with passive hydroacoustic means
RU117018U1 (en) NAVIGATING HYDROACOUSTIC STATION
RU2545065C2 (en) Method to measure acoustic speed in water
RU2660292C1 (en) Method for determining object immersion depth
RU2378663C1 (en) Method of determining horizontal coordinates of stationary underwater source of hydroacoustic navigation signals
Sathishkumar et al. Echo sounder for seafloor object detection and classification
RU2515125C1 (en) Method of determining sound speed
RU2515419C1 (en) Method of measuring change in course angle of probing signal source