RU2456635C1 - Способ измерения расстояния до контролируемого объекта - Google Patents

Способ измерения расстояния до контролируемого объекта Download PDF

Info

Publication number
RU2456635C1
RU2456635C1 RU2011101401/28A RU2011101401A RU2456635C1 RU 2456635 C1 RU2456635 C1 RU 2456635C1 RU 2011101401/28 A RU2011101401/28 A RU 2011101401/28A RU 2011101401 A RU2011101401 A RU 2011101401A RU 2456635 C1 RU2456635 C1 RU 2456635C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
velocity
receiver
measured
vector
signal
Prior art date
Application number
RU2011101401/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Борис Анатольевич Касаткин (RU)
Борис Анатольевич Касаткин
Сергей Борисович Касаткин (RU)
Сергей Борисович Касаткин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН)
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 Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН)
Priority to RU2011101401/28A priority Critical patent/RU2456635C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2456635C1 publication Critical patent/RU2456635C1/ru

Links

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем, предназначенных для работы в мелком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерений. Согласно способу, на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырехмодульной антенной, установленной на дне моря. Излучение антенны синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте сигнал принимают двумя приемниками. Один из приемников расположен непосредственно на грунте и в его качестве используют векторный приемник, на выходе которого измеряют вертикальную и горизонтальную компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления. По измеренным параметрам определяют групповое время запаздывания, предварительно определяя временные интервалы. Искомое расстояние до контролируемого объекта вычисляют с использованием инвариантной скорости, равной скорости придонной волны, группового времени и предварительно измеренных плотности и скорости звука в придонном слое воды, плотности и скорости продольных волн в грунте.

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в мелком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.
Общеизвестен способ измерения расстояния гидроакустическим дальномером, в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в среде между излучателем и приемником связаны соотношением
Figure 00000001
где С - скорость звука в среде, имеющая смысл групповой скорости, усредненной по трассе распространения, если среда является неоднородной (Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989 г, с.49-60).
В водоеме типа мелкого моря (волновода) точки излучения и приема связаны целым набором лучевых траекторий, а время распространения изменяется от некоторого минимального, соответствующего максимальной групповой скорости CMAX в волноводе, до некоторого максимального, соответствующего минимальной групповой скорости Сmin, называемой обычно скоростью Эйри. Физически это означает уширение акустического сигнала, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения расстояния до контролируемого объекта (Патент РФ №2311663 «Способ измерения расстояния до контролируемого объекта», МПК G01S 15/08, 2007 г.). Указанный способ измерения расстояния использует понятие инвариантной скорости СИНВ, которая функционально выражается через фазовую Cф и групповую Сг скорости распространения акустического сигнала в водоемах типа волновода и для различных лучевых траекторий сохраняет постоянное значение. Для водоемов типа мелкого моря с отрицательным градиентом скорости звука C1(z) инвариантная скорость определяется соотношением
Figure 00000002
а фазовая скорость может быть определена через скорость звука в водной среде в придонной области Ci(h) и угол скольжения β лучей в придонной области формулой
Figure 00000003
С учетом (2)-(3) искомое расстояние выражается через измеряемые параметры соотношением
Figure 00000004
Суть указанного способа заключается в одновременном измерении скорости звука в воде в придонной области C1(h), угла скольжения β в точке приема и группового времени tГ запаздывания акустического сигнала, а в качестве инвариантной скорости предложено использовать скорость распространения придонной волны
Figure 00000005
где
Figure 00000006
,
Figure 00000007
, ρ1, C1(h), ρ2, C2 - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно. В данном способе измерения расстояния на контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(CИНВ/C1) периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в месте приема на контролируемом объекте, причем возвышение излучателя над грунтом не превышает длины волны акустического излучения в воде λ1. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, меньшее длины волны акустического излучения λ1 и расположенными непосредственно на грунте, причем один из приемников является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t).
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tг запаздывания по формуле
Figure 00000008
T1, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем Т1<Т, Т - период излучения импульсного сигнала, Р1(t) - сигнал на выходе приемника.
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости uz, ur определяют угол скольжения в точке приема
Figure 00000009
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
Figure 00000013
- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние вычисляют по формулам (4)-(5).
Основной недостаток известного способа заключается в неэффективности возбуждения придонной волны на низких частотах, которые используются для измерения достаточно больших расстояний. Кроме того, скорость придонной волны определяется формулой (5) недостаточно точно и должна корректироваться в соответствии с экспериментальными данными в сторону увеличения.
В основу изобретения положена задача разработать способ измерения расстояния, обладающий наименьшей погрешностью в условиях неоднородного волновода типа мелкого моря с помощью акустических средств, наиболее эффективно работающих в придонной области.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения расстояния до контролируемого объекта на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырехмодульной антенной. Модули антенны располагают попарно симметрично относительно поверхности морского дна, верхний и нижний модули возбуждают противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними, а саму антенну устанавливают на дно моря, глубину которого в месте установки определяют соотношением
Figure 00000014
Figure 00000015
,
где χ1 - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство. Излучение акустического сигнала синхронизируют с началом отсчета времени в месте приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, меньшее длины волны акустического излучения λ1 и расположенными непосредственно на грунте, причем один из приемников является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t).
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tг запаздывания по формуле
Figure 00000016
T1, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем T1<T, Т - период излучения импульсного сигнала, P1(t) - сигнал на выходе приемника.
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости uz, ur определяют угол скольжения в точке приема
Figure 00000017
Figure 00000018
,
Figure 00000019
,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние вычисляют по формуле (4)
Figure 00000022
, CФ=C1(h)/cosβ,
в которой инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением
Figure 00000023
Значение частотного параметра χ1, соответствующее первой резонансной частоте, предварительно определяют известным способом из расчета корней дисперсионного уравнения, как это сделано в (Б.А.Касаткин, Н.В.Злобина. Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. М.: Наука, 2009, с.142).
Так, например, для грунтов песчаного типа этот параметр равен χ1=2.7.
В заявленном способе измерения расстояния до контролируемого объекта общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал;
- синхронизируют излучение сигнала с началом отсчета времени на контролируемом объекте;
- принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, меньшее длины волны акустического излучения χ1, расположенными непосредственно на грунте;
- определяют на основе измерений параметров принятых сигналов групповое время запаздывания tГ по формуле
Figure 00000024
- вычисляют искомое расстояние r с использованием предварительно определенной инвариантной скорости СИНВ; измеренной фазовой скорости Сф и группового времени tг запаздывания.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- излучают акустический сигнал вертикально ориентированной четырехмодульной антенной, модули которой располагаются попарно симметрично относительно поверхности морского дна;
- верхний и нижний модули возбуждают противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними;
- антенну устанавливают на дно моря, глубину которого в месте установки определяют соотношением
h=γ1χ1/2π,
где χ1 - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство;
- инвариантную скорость определяют соотношением
Figure 00000025
где ρ12=ρ1/ρ2, c12=C1(h)/C2, ρ1, C1(h), ρ2, C2 - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно.
Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволила существенно повысить эффективность возбуждения придонной волны в береговом клине за счет правильного выбора глубины моря в месте установки излучателя и резонансных свойств самого волновода, повысить отношение сигнал/шум в точке приема и уменьшить погрешность определения расстояния. Кроме того, скорость распространения придонной волны и равная ей инвариантная скорость, определенные уточненной формулой (9), меньше скорости звука в воде вблизи дна на 0.5-1.0% во всем диапазоне изменения параметров морского грунта, а потому лучше соответствуют экспериментальным данным.
На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.
Способ измерения расстояния до контролируемого объекта реализуется следующим образом.
На контролирующем объекте излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырехмодульной антенной, модули которой располагают попарно симметрично относительно поверхности морского дна, верхний и нижний модули возбуждают противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними, а саму антенну устанавливают на дно моря, глубину которого в месте установки определяют соотношением h=λ1χ1/2π,
где χ1 - значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство. Излучение антенны синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. При соответствующем выборе глубины моря в месте установки антенны и длины волны акустического излучения, которое легко реализуется в береговом клине переменной глубины, в волноводе возникает резонанс, значительно (до 30 дБ) увеличивающий уровень возбуждаемой придонной волны, которая распространяется в сторону контролируемого объекта.
На контролируемом объекте сигнал принимают двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, меньшее длины волны акустического излучения λ1 и расположенными непосредственно на грунте, причем один из приемников является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t).
На основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tГ запаздывания по формуле
Figure 00000026
T1, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем Т1<Т, Т - период излучения импульсного сигнала, P1(t) - сигнал на выходе приемника.
На основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости uz, ur определяют угол скольжения в точке приема
Figure 00000027
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние вычисляют по формуле (4)
Figure 00000032
, CФ=C1(h)/cosβ,
в которой инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением
Figure 00000033
где ρ12=ρ1/ρ2, c12=C1(h)/C2, ρ1, C1(h), ρ2, C2 - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно.
Использование заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволило существенно увеличить уровень возбуждаемой придонной волны (примерно на 30 дБ) в месте расположения контролирующего объекта и снизить на 0.5-1.0% погрешность измерения расстояния в водоемах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Claims (1)

  1. Способ измерения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, принимают акустический сигнал на контролируемом объекте двумя приемниками, разнесенными на расстояние 1, меньшее длины волны акустического излучения λ1, расположенными непосредственно на грунте, причем один из приемников является векторным приемником, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t), на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tr запаздывания по формуле
    Figure 00000034

    где T1, T - предварительно определенные временные интервалы, причем T1<T,
    Т - период излучения импульсного сигнала,
    P1(t) - сигнал на выходе приемника звукового давления, на основе измеренных значений компонент вектора колебательной скорости uz, ur определяют угол скольжения в точке приема
    Figure 00000035

    Figure 00000036
    Figure 00000037
    Figure 00000038

    Figure 00000039
    - параметр, измеряемый с помощью векторного приемника,
    а искомое расстояние вычисляют с использованием предварительно определенной инвариантной скорости Синв, измеренной фазовой скорости Сф и группового времени tГ запаздывания по формуле
    Figure 00000040

    отличающийся тем, что излучают периодический импульсный акустический сигнал вертикально ориентированной четырехмодульной антенной, модули которой располагают попарно симметрично относительно поверхности морского дна, верхний и нижний модули возбуждают противофазно по отношению к двум другим модулям, расположенным между ними, саму антенну устанавливают на дно моря, глубину которого в месте установки определяют соотношением
    h=λ1χ1/2π,
    где χ1 - предварительно определенное значение частотного параметра, соответствующее первой резонансной частоте в системе волновод - полупространство, а инвариантную скорость, равную скорости придонной волны, определяют соотношением
    Figure 00000041

    где ρ12=ρ1/ρ2; c12=C1(h)/C2, ρ1, C1(h), ρ2, C2 - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно.
RU2011101401/28A 2011-01-13 2011-01-13 Способ измерения расстояния до контролируемого объекта RU2456635C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101401/28A RU2456635C1 (ru) 2011-01-13 2011-01-13 Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101401/28A RU2456635C1 (ru) 2011-01-13 2011-01-13 Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2456635C1 true RU2456635C1 (ru) 2012-07-20

Family

ID=46847555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011101401/28A RU2456635C1 (ru) 2011-01-13 2011-01-13 Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2456635C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535238C1 (ru) * 2013-06-21 2014-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) Способ синхронизации функций излучения и приема в бистатическом гидролокаторе
RU2752243C1 (ru) * 2020-11-09 2021-07-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до движущегося подводного объекта

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2039368C1 (ru) * 1992-06-08 1995-07-09 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Способ измерения расстояния и устройство для его осуществления
JP2002131418A (ja) * 2000-10-18 2002-05-09 Penta Ocean Constr Co Ltd 水中用距離測定装置
RU2311662C1 (ru) * 2006-05-23 2007-11-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2313803C1 (ru) * 2006-08-16 2007-12-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2039368C1 (ru) * 1992-06-08 1995-07-09 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Способ измерения расстояния и устройство для его осуществления
JP2002131418A (ja) * 2000-10-18 2002-05-09 Penta Ocean Constr Co Ltd 水中用距離測定装置
RU2311662C1 (ru) * 2006-05-23 2007-11-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2313803C1 (ru) * 2006-08-16 2007-12-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535238C1 (ru) * 2013-06-21 2014-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) Способ синхронизации функций излучения и приема в бистатическом гидролокаторе
RU2752243C1 (ru) * 2020-11-09 2021-07-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Способ измерения расстояния до движущегося подводного объекта

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2590933C1 (ru) Устройство получения информации о шумящем в море объекте
RU2010109969A (ru) Способ съемки рельефа дна акватории и устройство для его осуществления
RU2311662C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2659710C1 (ru) Способ измерения скорости судна доплеровским лагом
RU2451300C1 (ru) Гидроакустическая навигационная система
RU2452978C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
WO2020251356A1 (en) Method and system for determining top and bottom depth of an under water mud layer
RU2313802C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2456635C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU75062U1 (ru) Доплеровская локационная система
RU2452979C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2452977C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2559159C1 (ru) Способ измерения толщины льда
RU2541435C1 (ru) Способ определения осадки айсберга
RU2125278C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта (его варианты)
RU2623668C1 (ru) Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан
RU2510608C1 (ru) Способ измерения толщины льда с подводного носителя
RU2313803C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2752243C1 (ru) Способ измерения расстояния до движущегося подводного объекта
RU2545065C2 (ru) Способ измерения скорости звука в воде
RU2311663C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2573446C1 (ru) Способ определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности по полю гидроакустического приемника
RU2665345C1 (ru) Способ измерения скорости судна доплеровским лагом
RU2650830C1 (ru) Устройство получения информации о шумящем в море объекте
RU2613485C2 (ru) Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180114