RU2484499C1 - Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method - Google Patents
Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2484499C1 RU2484499C1 RU2012102941/28A RU2012102941A RU2484499C1 RU 2484499 C1 RU2484499 C1 RU 2484499C1 RU 2012102941/28 A RU2012102941/28 A RU 2012102941/28A RU 2012102941 A RU2012102941 A RU 2012102941A RU 2484499 C1 RU2484499 C1 RU 2484499C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- determining
- signals
- receiving
- frequency
- water body
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Способ определения глубин акватории гидролокатором бокового обзора и гидролокатор бокового обзора для его осуществленияA method for determining the depths of the water with a side-scan sonar and a side-scan sonar for its implementation
Изобретение относится к области гидрографии, в частности к способам и техническим средствам определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, и может быть использовано для выполнения съемки рельефа дна акватории.The invention relates to the field of hydrography, in particular to methods and technical means for determining depths of a water area with a side-scan phase sonar, and can be used to take pictures of the relief of the bottom of the water area.
Известен способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора (Судостроение за рубежом, Издание ЦНИИ Румб, 1987, с 76-80. [1]), включающий излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных на расстоянии d по вертикали, измерение времени задержки tз отраженных сигналов и их фазового сдвига φ в этих точках, определение направления (а) приема отраженных сигналов по формулеA known method of determining the depths of the water phase side-scan sonar (Shipbuilding abroad, Edition Central Research Institute Rumb, 1987, 76-80. [1]), including the radiation of the hydroacoustic signal to the bottom and receiving the reflected signals at two points located at a distance d along vertical, measuring the delay time ts of the reflected signals and their phase shift φ at these points, determining the direction ( a ) of receiving the reflected signals by the formula
где f - частота гидроакустического сигнала;where f is the frequency of the sonar signal;
С - скорость распространения звука в воде.C is the speed of sound propagation in water.
Измерение прибором угла β бортовой качки носителя антенн и вычисление глубин (Z) акватории производится по формулеThe device measures the angle β of the side rolling of the antenna carrier and calculates the depths (Z) of the water area according to the formula
где
Однако данный способ имеет недостаточно высокую точность.However, this method has insufficient accuracy.
Это объясняется тем, что при его использовании имеет место существенная погрешность (mγ) определения направления (γ) прихода отраженных сигналов по измеренным значениям их фазового сдвига φ в точках приема.This is because when it is used, there is a significant error (m γ ) in determining the direction (γ) of arrival of the reflected signals from the measured values of their phase shift φ at the receiving points.
Значение mγ, исходя из формулы (1), можно вычислить по формуле
где mφ - погрешность измерения φ.where m φ is the measurement error φ.
Так как достоверное определение направления у (без разрешения неоднозначности) возможно только лишь в случае малого разноса d антенн, не превышающего двух длин (λ) волн, то возможный диапазон изменения фазового сдвига φ при d=λ составит 0-2 π.Since a reliable determination of the direction of y (without resolving the ambiguity) is possible only in the case of a small separation of d antennas not exceeding two wavelengths (λ), the possible range of phase shift φ at d = λ will be 0-2 π.
Погрешность mγ, как видно из формулы (3), изменяется нелинейно и при φ=0 mγ=-mφ, а при φ=2π достигает максимума и может составить 2 mφ.The error m γ , as can be seen from formula (3), varies nonlinearly for φ = 0 m γ = -m φ , and for φ = 2π it reaches a maximum and can be 2 m φ .
Данное обстоятельство обуславливает существенную погрешность (mz) определения глубины акватории z при использовании известного способа.This circumstance causes a significant error (m z ) for determining the depth of the water area z when using the known method.
Значение mz, исходя из формулы (2), можно вычислить по формуле
Известен также способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора (Stubbs A.K: Telesounding a merhod of wide swathe a depth measurement International Hydrographic Review 1974, 51 Ns 1, p.p.23-59 [2]), включающий одновременное излучение в сторону дна основного и вспомогательного гидроакустических сигналов, отличающихся по частоте на малую величину, и прием отраженных основных и вспомогательных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии d, измерение времени tc задержки прихода синфазных основных и вспомогательных сигналов с помощью двух многоканальных двухчастотных приемоизмерительных блоков, измерение прибором угла бортовой качки носителя антенн, определение по полученным данным направлений прихода синфазных основных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем.There is also a method for determining the depths of a water area with a side-scan phase sonar (Stubbs AK: Telesounding a merhod of wide swathe a depth measurement International Hydrographic Review 1974, 51
Известен также фазовый гидролокатор бокового обзора, который содержит первую и вторую двухчастотные антенны, расположенные по вертикали на заданном расстоянии (d), передающий блок, первый и второй двухчастотные многоканальные приемоизмерительные блоки, блок управления, вычислитель и регистратор, при этом выходы первой и второй двухчастотных антенн подключены соответственно к входам первого и второго двухчастотных многоканальных приемоизмерительных блоков, выход передающего блока соединен с излучающей антенной, выходы первого и второго двухчастотных многоканальных приемоизмерительных блоков подключены к выходу вычислителя, выход последнего подключен к регистратору.Also known is a side-view phase sonar, which contains the first and second two-frequency antennas located vertically at a given distance (d), the transmitting unit, the first and second two-frequency multi-channel receiving and measuring units, a control unit, a calculator and a recorder, while the outputs of the first and second two-frequency antennas are connected respectively to the inputs of the first and second two-frequency multi-channel receiving and measuring units, the output of the transmitting unit is connected to the radiating antenna, the outputs of the first and second of multi-channel dual-frequency priemoizmeritelnyh units connected to the output of the calculator, the latest output is connected to the DVR.
Недостаток способа и устройства (фазового гидролокатора бокового обзора) заключается в том, что они сложны в использовании.The disadvantage of this method and device (phase sonar side view) is that they are difficult to use.
Это объясняется тем, что для повышения точности определения глубин акватории в данных технических решениях осуществляют прием отраженных гидроакустических сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на большом по сравнению с аналогом расстоянии (d=n λ) в несколько длин волн, и измеряют время задержки сигналов, то есть сигналов, в которых фазовый сдвиг отсутствует или кратен целому числу 2π.This is because in order to increase the accuracy of determining the depths of the water area in these technical solutions, reflected hydroacoustic signals are received at two points located vertically at a large distance (d = n λ) of several wavelengths compared to the analogue, and the signal delay time is measured , that is, signals in which the phase shift is absent or a multiple of an integer 2π.
Выполнение данного действия обеспечивает высокую точность определения глубин акватории, так как при фазовом сдвиге φ=0, как видно из формулы (3), погрешность mγ будет минимальной и равной mφ.The implementation of this action provides high accuracy in determining the depths of the water area, since with a phase shift of φ = 0, as can be seen from formula (3), the error m γ will be minimal and equal to m φ .
Однако в этом случае возникает необходимость в решении сложной задачи - исключении многозначности в определении направлений прихода синфазных сигналов. Для решения этой задачи при использовании первого рассматриваемого известного способа необходимо, кроме основных, выполнить дополнительно следующие сложные действия: принимать в третьей точке, расположенной по вертикали на вспомогательной базе на заданном расстоянии от общей точки, отраженные гидроакустические сигналы; измерять в третьей и основных точках время задержки прихода синфазных сигналов.However, in this case, there is a need to solve a complex problem - the elimination of ambiguity in determining the directions of arrival of common-mode signals. To solve this problem, when using the first known known method, it is necessary, in addition to the main ones, to perform the following complex steps: take in the third point, located vertically on an auxiliary base at a given distance from the common point, the reflected sonar signals; measure in the third and main points the delay time of the arrival of common-mode signals.
Для осуществления данных действий необходимо фазовый гидролокатор бокового обзора снабдить приемной антенной и приемоизмерительным блоком, то есть существенно усложнить структурную схему и повысить массогабаритные характеристики фазового гидролокатора бокового обзора.To carry out these actions, it is necessary to equip the side-view phase sonar with a receiving antenna and a receiving-measuring unit, that is, significantly complicate the structural diagram and increase the weight and size characteristics of the side-view phase sonar.
При использовании известного способа для решения этой же задачи необходимо выполнять, кроме основных, следующие дополнительные действия:When using the known method for solving the same problem, it is necessary to perform, in addition to the main ones, the following additional steps:
- излучать вспомогательный гидроакустический сигнал на заданной частоте, отличающейся от основной частоты;- emit an auxiliary hydroacoustic signal at a given frequency that differs from the fundamental frequency;
- принимать отраженные вспомогательные сигналы (синфазные) в тех же случаях, где принимается основной синфазный сигнал;- receive reflected auxiliary signals (common mode) in the same cases where the main common mode signal is received;
- измерять время задержки прихода вспомогательных синфазных сигналов.- measure the arrival delay time of auxiliary common-mode signals.
Для осуществления данных действий необходимо использовать вспомогательный фазовый гидролокатор бокового обзора. То есть для осуществления данного способа необходимо использовать практически два фазовых гидролокатора бокового обзора, работающих на разных частотах, что и обуславливает значительную сложность в использовании известных способов и устройств.To carry out these actions, it is necessary to use an auxiliary phase sonar side view. That is, to implement this method, it is necessary to use almost two phase side-scan sonars operating at different frequencies, which causes considerable difficulty in using known methods and devices.
Известен также способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора и фазовый гидролокатор бокового обзора для его осуществления (патент RU №1829019 А1, 23.07.1993 [3], в котором технический результат заключается в упрощении процесса определения глубины акватории фазовым гидролокатором бокового обзора.There is also a method for determining the depths of the water with a side-scan phase sonar and a side-view phase sonar for its implementation (patent RU No. 1829019 A1, 07/23/1993 [3], in which the technical result consists in simplifying the process of determining the depth of the water area with a side-scan phase sonar.
При этом технический результат достигается тем, что в способе определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора, включающем излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки прихода синфазных сигналов, угла бортовой качки носителя антенн и определение по полученным данным направлений θп прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории расчетным путем, измерение времени tз задержки прихода отраженного гидроакустического сигнала по вертикали, отделяют временные задержки (tp) прихода синфазных сигналов в случае их отражения от ровной поверхности дна по каждому расчетному (θр) направлению по формулеIn this case, the technical result is achieved by the fact that in the method for determining water depths by a side-scan phase sonar, which includes emitting a hydroacoustic signal to the bottom and receiving reflected signals at two points located vertically at a given distance, measuring the delay time of arrival of common-mode signals, the pitch angle carrier antennas and determining from the data arrival directions θ n in-phase signal and the desired depth of the waters by calculation, measurement of time delay of arrival t the reflected sonar signal vertically, the time delays (t p ) of the arrival of the common-mode signals are separated if they are reflected from the flat bottom surface in each calculated (θ p ) direction according to the formula
где n=1,2,3…N;where n = 1,2,3 ... N;
N=d/λ - количество расчетных направлений θр;N = d / λ is the number of calculated directions θ p ;
ξ - генеральный угол наклона дна в полосе зондирования;ξ is the general angle of inclination of the bottom in the sensing strip;
Затем определяют сходимость вычисленных tn и измеренных tp значений по критерию
где М - количество измеренных значений tc для каждого количества М расчетных направлений θр.where M is the number of measured values of t c for each number M of design directions θ p .
При этом последовательно изменяют начальное значение n от 1 до К=N-М, а за искомые направления прихода синфазных сигналов принимают М расчетных направлений θр, характеризующихся минимальным значением δ.In this case, the initial value of n is successively changed from 1 to K = N-M, and M calculated directions θ p , characterized by a minimum value of δ, are taken for the sought-after directions of arrival of common-mode signals.
Известный гидролокатор бокового обзора для определения глубин акватории [3] содержит функционально соединенную первую и вторую антенны, одна из которых приемоизлучающая, передающий блок, первый и второй приемоизмерительные блоки, блок управления, блок определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вычислитель и регистратор, в котором выходы первой и второй антенн подключены соответственно к входам первого и второго приемоизмерительных блоков, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выходы первого и второго приемоизмерительных блоков подключены к входам вычислителя, выход последнего подключен к регистратору, а блок управления соединен с первым и вторым приемоизмерительными блоками, передающим блоком, вычислителем и регистратором, вход блока определения времени задержки прихода отраженных от ровной поверхности дна синфазных сигналов по каждому расчетному направлению, вход которого соединен с выходом блока управления, а выход подключен к входу вычислителя. Существенным недостатком данного устройства является то, что для достижения технического результата, заявленного в способе, блок управления и вычислитель должны быть выполнены в виде ЭВМ типа СМ-4 ввиду большего количества расчетных и вычислительных операций, что ограничивает его применение только при использовании для промерных работ крупнотоннажных носителей (судов), снабженных мощной ЭВМ.The known side-scan sonar for determining the depths of the water area [3] contains a functionally connected first and second antenna, one of which is a receiving-emitting, transmitting unit, first and second receiving-measuring units, a control unit, a unit for determining the arrival delay time of common-mode signals reflected from a flat bottom surface for each the calculated direction, the calculator and the recorder, in which the outputs of the first and second antennas are connected respectively to the inputs of the first and second receiving and measuring units, the output the giving unit is connected to the receiving-radiating antenna, the outputs of the first and second receiving-measuring units are connected to the inputs of the calculator, the output of the last is connected to the registrar, and the control unit is connected to the first and second receiving-measuring blocks, the transmitting unit, the calculator and the registrar, the input of the unit determining the arrival delay time reflected from a flat bottom surface of common-mode signals in each design direction, the input of which is connected to the output of the control unit, and the output is connected to the input of the calculator. A significant disadvantage of this device is that to achieve the technical result stated in the method, the control unit and the calculator must be made in the form of a computer of type SM-4 due to the greater number of calculation and computational operations, which limits its use only when used for measuring work of large-capacity carriers (ships) equipped with a powerful computer.
Однако несмотря на достижение по упрощению известного способа он отягощен существенными расчетами и трудоемкими вычислительными операции.However, despite the achievement of simplifying the known method, it is burdened by substantial calculations and time-consuming computational operations.
Кроме того, выделение отраженных сигналов от ровной поверхности дна и их математическая обработка связаны с рядом допущений, что существенно снижает достоверность получения конечных результатов измерений.In addition, the selection of reflected signals from a flat bottom surface and their mathematical processing are associated with a number of assumptions, which significantly reduces the reliability of obtaining the final measurement results.
Так, например, проведенные исследования искажения спектров линейных частотно модулированных (ЛЧМ) сигналов в морском грунте в зависимости от глубины проникновения в морской грунт показали, что первое отражение регистрируется в придонном слое на верхних частотах спектра. По мере увеличения глубины (ниже поверхности дна) спектр расширяется в сторону низких частот, низкочастотная часть спектра увеличивается и начинает превалировать, а при дальнейшем увеличении глубины и оставшаяся низкочастотная часть плавно уменьшается. Максимальное значение интенсивности достигается в низкочастотной части спектра. Для мощных придонных отложений, иногда наблюдаются особенности в характере изменения. Эти особенности заключаются в относительном возрастании в некотором диапазоне глубин высокочастотной части спектра и проявляются в появлении низкочастотного спектра между высокочастотными спектрами. При этом преобладание низкочастотной части в этом диапазоне для этого типа грунтов менее значительно. Происходит выравнивание формы спектра и только потом уменьшение высокочастотной части, и затухание низкочастотной части. Эта особенность связана со слоистой структурой осадков и слабым поглощением в отдельных слоях. Данное обстоятельство ограничивает применение известного способа [3], так как при его реализации необходимо выделение из общих рядов дискретных измерений, выделение рядов дискретных измерений с наличием ровной поверхности дна, свободной от придонных отложений.So, for example, studies of the distortion of the spectra of linear frequency-modulated (LFM) signals in sea soil depending on the depth of penetration into sea soil showed that the first reflection is recorded in the bottom layer at the upper frequencies of the spectrum. As the depth increases (below the bottom surface), the spectrum expands toward lower frequencies, the low-frequency part of the spectrum increases and begins to prevail, and with a further increase in depth, the remaining low-frequency part gradually decreases. The maximum value of the intensity is achieved in the low-frequency part of the spectrum. For thick bottom sediments, features in the nature of the change are sometimes observed. These features consist in a relative increase in a certain depth range of the high-frequency part of the spectrum and are manifested in the appearance of a low-frequency spectrum between high-frequency spectra. Moreover, the predominance of the low-frequency part in this range is less significant for this type of soil. The spectrum forms become equalized and only then does the high-frequency part decrease, and the low-frequency part decays. This feature is associated with a layered structure of sediments and weak absorption in individual layers. This circumstance limits the application of the known method [3], since its implementation requires the selection of discrete measurements from the general series, the selection of discrete measurements with the presence of a flat bottom surface, free from bottom sediments.
К существенному недостатку устройства для реализации известного способа следует отнести то обстоятельство, что при расчетах временных задержек прихода отраженных волн учитывается только изменение углов бортовой качки, в то время как результаты измерений, также будут отягощены влиянием килевой качки.A significant disadvantage of the device for implementing the known method is the fact that when calculating the time delays of the arrival of reflected waves, only the change in the pitching angles is taken into account, while the measurement results will also be burdened by the influence of pitching.
Кроме того, одной из задач вторичной обработки зарегистрированных сигналов является задача выявления структуры зондирующего пространства. Для этого необходимо локализовать слои, отражающие или рассеивающие акустические волны, т.е. обнаружить и определить координаты этих слоев на каждом цикле «излучение-прием». Кроме того, необходимо синхронизировать результаты измерений в соседних дискретных циклах измерений для получения картографического материала по результатам батиметрической съемки акватории. Данное обстоятельство обусловлено тем, что углы в вертикальной плоскости излучения и вертикальные координаты точек «излучение-прием» изменяются во времени и при наличии волнения.In addition, one of the tasks of the secondary processing of recorded signals is the task of identifying the structure of the probe space. For this, it is necessary to localize layers reflecting or scattering acoustic waves, i.e. detect and determine the coordinates of these layers on each radiation-reception cycle. In addition, it is necessary to synchronize the measurement results in adjacent discrete measurement cycles to obtain cartographic material from the results of bathymetric surveys of the water area. This circumstance is due to the fact that the angles in the vertical plane of the radiation and the vertical coordinates of the points "radiation-reception" change in time and in the presence of excitement.
Компенсация этих изменений необходима при выявлении слоистой среды. А также при «сшивке» откликов сигналов, отличающихся частотными характеристиками. Эта ситуация возникает при невозможности излучения частотно-модулированного сигнала необходимой девиации. Одним из способов, позволяющих выполнить данную компенсацию, является известный способ [3], который требует знания с высокой точностью определения изменения углов излучения в вертикальной плоскости и вертикальных координат точек «излучение-прием». И если в условиях установки гидролокатора бокового обзора на гидрографическом судне, оснащенном соответствующей аппаратурой (приемником спутниковой навигационной системы, совмещенной с инерциальной навигационной системой), положительный результат в компенсации изменений углов в вертикальной плоскости излучения может быть достигнут, то в условиях установки гидролокатора бокового обзора на подводном аппарате, буксируемым судном, а тем более и учет изменения вертикальных координат точек «излучение-прием», которые изменяются во времени и при наличии волнения, достижение технического результата в прототипе, практически невозможно.Compensation for these changes is necessary when revealing a layered medium. And also when “stitching” responses of signals that differ in frequency characteristics. This situation occurs when it is impossible to emit a frequency-modulated signal of the necessary deviation. One of the ways to perform this compensation is the well-known method [3], which requires knowledge with high accuracy of determining the change in the radiation angles in the vertical plane and the vertical coordinates of the radiation-receive points. And if, under the conditions of installing a side-scan sonar on a hydrographic vessel equipped with the appropriate equipment (a satellite navigation system receiver combined with an inertial navigation system), a positive result in compensating for changes in the angles in the vertical plane of radiation can be achieved, then if the side-scan sonar is installed on underwater vehicle, towed by a vessel, and even more so, taking into account changes in the vertical coordinates of the radiation-reception points, which change in time and in the presence of unrest, the achievement of a technical result in the prototype, it is practically impossible.
Кроме того, в вертикальном направлении морская водная среда представляет собой горизонтально неоднородную среду с переменной скоростью звука. При прохождении в вертикальном направлении от поверхности до дна излученный звуковой импульс будет частично отражаться на внутренних неоднородностях водной среды и эти сигналы, также как и сигналы, отраженные от дна, будут регистрироваться приемным устройством. В итоге после момента излучения звукового импульса до момента приема сигнала, отраженного от дна, будут регистрироваться сигналы, отраженные от дна и от внутренних неоднородностей водной среды. В результате устройством регистрируются временные ряды плотности звуковой энергии, отраженной от дна и от внутренних неоднородностей водной среды.In addition, in the vertical direction, the marine aquatic environment is a horizontally heterogeneous medium with a variable speed of sound. When passing in a vertical direction from the surface to the bottom, the emitted sound pulse will partially reflect on the internal inhomogeneities of the aquatic environment and these signals, as well as signals reflected from the bottom, will be recorded by the receiving device. As a result, after the moment of emission of a sound pulse until the moment of receiving a signal reflected from the bottom, signals reflected from the bottom and from internal inhomogeneities of the aquatic environment will be recorded. As a result, the device records the time series of the density of sound energy reflected from the bottom and from the internal inhomogeneities of the aquatic environment.
В известных способах и устройствах сигналы, принятые от внутренних неоднородностей водной среды, подвергают сложной обработке с целью уменьшения их влияния на конечные результаты измерений. Однако интенсивные звуковые волны в воде не распространяются независимо, а вследствие нелинейных эффектов взаимодействуют между собой. Обычно в акустике дисперсия практически отсутствует и волны близких частот в квадратичном приближении эффективно взаимодействуют лишь только при коллинеарном распространении, когда выполняется условие синхронизма (см., например, Аредов А.А., Дронов P.M., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана. // Акустический журнал, 1994, т.40, №3, с.357-361. Курьянов Б.М., Моисеев А.А. Исследование глубинной зависимости низкочастотных шумов океана с помощью буя управляемой плавучести. // Акустический журнал. 1994, т.40, №3, с.487-488. Деревянкина П.И., Капиельсон Б.Г., Любченко А.Ю. Вертикальная структура интенсивности низкочастотного шумового поля мелкого моря. // Акустический журнал. 1994, т.40, №3, с.380-384). Однако при взаимодействии волн, существенно различающихся по частоте, например, если интенсивный высокочастотный звуковой пучок распространяется в среде, возмущенной низкочастотной волной, возможен эффект модуляции высокочастотного пучка, степень которого будет зависеть от величины нелинейного параметра водной среды и угла между векторами распространения волн. Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа определения глубин акватории, с одновременным повышением достоверности съемки дна акватории.In known methods and devices, signals received from internal heterogeneities of the aqueous medium are subjected to complex processing in order to reduce their effect on the final measurement results. However, intense sound waves in water do not propagate independently, but due to non-linear effects interact with each other. Usually, in acoustics, dispersion is practically absent and waves of close frequencies in the quadratic approximation effectively interact only when collinear propagation, when the synchronism condition is satisfied (see, for example, Aredov A.A., Dronov PM, Okhrimenko N.N., Furduev A.V. Experimental Estimates of the Stationarity of Underwater Ocean Noise. // Acoustic Journal, 1994, v.40, No. 3, p. 357-361. BM Kuryanov, AA Moiseev, A Study of the Dependence of the Low-Frequency Ocean Noise Using a Controlled Buoyancy Buoy // Acoustic Journal. 1994, v.40 , No. 3, p. 487-488. Derevyankina PI, Kapielson BG, Lyubchenko A.Yu. Vertical structure of the intensity of the low-frequency noise field of the shallow sea // Acoustic journal. 1994, v.40, No. 3, p. 380-384). However, in the interaction of waves that differ significantly in frequency, for example, if an intense high-frequency sound beam propagates in a medium perturbed by a low-frequency wave, a modulation effect of the high-frequency beam is possible, the degree of which will depend on the magnitude of the nonlinear parameter of the aqueous medium and the angle between the wave propagation vectors. The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality of the method for determining the depths of the water area, while increasing the reliability of shooting the bottom of the water area.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения глубин акватории гидролокатором бокового обзора, включающем излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки прихода синфазных сигналов, угла бортовой качки носителя антенн и определение по полученным данным направлений прихода синфазных сигналов и искомых глубин акватории, в отличие от прототипа дополнительно определяют координаты отражающих (или рассеивающих) слоев на каждом цикле «излучение-прием», результаты измерений в соседних циклах синхронизируют при приеме отраженных сигналов, отличающихся частотными характеристиками, при определении угла бортовой качки выполняют последовательную коррекцию угловых и вертикальных перемещений для каждого цикла измерений, а в гидролокаторе бокового обзора для определения глубин акватории, содержащем функционально соединенные первую и вторую антенны и функционально соединенные передающий блок, приемоизмерительный блок, блок управления, вычислитель и регистратор, в отличие от прототипа, в передающий блок введен формирователь сигналов накачки, в приемоизмерительный блок введен компенсатор, передающий блок выполнен в виде параметрического излучающего тракта с возможностью коррекции фаз амплитуд принятых сигналов.The problem is solved due to the fact that in the method for determining water depths with a side-scan sonar, which includes emitting a hydroacoustic signal to the bottom and receiving reflected signals at two points located vertically at a given distance, measuring the delay time of arrival of common-mode signals, the pitch angle of the carrier antennas and determining from the received data the directions of arrival of common-mode signals and the desired depths of the water, in contrast to the prototype, they additionally determine the coordinates of the reflecting (or scattering) layers on each radiation-receive cycle, the measurement results in adjacent cycles are synchronized when receiving reflected signals that differ in frequency characteristics, in determining the roll angle, sequential correction of angular and vertical movements for each measurement cycle is performed, and in the side radar review to determine the depths of the water area, containing functionally connected first and second antennas and functionally connected transmitting unit, receiving and measuring unit, control unit Lenia, computer and recorder, unlike the prototype, the transmitting unit introduced shaper pump signals in priemoizmeritelny introduced compensator unit, the transmitting unit is designed as a parametric radiating path, with the phase correction of the amplitudes of the received signals.
Техническая реализация заявляемого изобретения поясняется чертежами.The technical implementation of the claimed invention is illustrated by drawings.
Фиг.1. Структурная блок-схема гидролокатора бокового обзора.Figure 1. Structural block diagram of a side-scan sonar.
Гидролокатор бокового обзора включает формирователь сигналов накачки 1, предназначенный для формирования двухчастотных зондирующих сигналов накачки с заданной длительностью и заданной модуляцией, формирования импульсов синхронизации и сигналов стробирования приемного тракта, параметрический излучающий тракт 2, предназначенный для усиления сигналов накачки по обеим частотам до номинального уровня (при этом в отдельных каналах может осуществляться коррекция фаз амплитуд), излучающий преобразователь накачки 3, предназначенный для преобразования электрических сигналов в акустические сигналы необходимой характеристики направленности, излучающую антенну сигналов разностной частоты 4, предназначенную для формирования характеристики направленности, приемную антенну 5 для приема и преобразования акустических волн разностной частоты в электрические сигналы, приемный тракт 6, предназначенный для предварительной обработки принятых сигналов и усиления их до уровня, необходимого для регистрации принятых сигналов, компенсатор 7, блок управления 8, вычислитель 9 и регистратор 10.The side-scan sonar includes a
Фиг.2. Функциональная схема формирователя сигналов накачки. Формирователь сигналов накачки 1 состоит из кварцевого генератора 11 опорной частоты, формирователя 12 периода следования излучаемых импульсов накачки, устройства 13 формирования длительности излучаемого импульса, двух каналов формирования радиоимпульсов с частотами накачки, основу которых составляют фазовые накопители 14 и 15, представляющие собой накапливающие сумматоры и постоянные запоминающие устройства 16 и 17, цифроаналоговых преобразователей 18 и 19, усилителей мощности 20 и 21, фильтров 22 и 23 нижних частот, арифметико-логических устройств 24, 25, 26 и 27, счетчика 28, накапливающих сумматоров 29 и 30, генератора кодов фазы 31, аналого-цифрового преобразователя 32.Figure 2. Functional diagram of the pump driver. The
Усилители мощности 20, 21 состоят из четырех идентичных широкополосных блоков, включающих предварительные усилители и усилители мощности мощностью до 4000 Вт каждый, разбитых на две группы по два блока для усиления частот накачки f1 и f2. Перед усилителями установлены четыре фазокомпенсационных устройства. Выходной усилитель выполнен по двухконтактной схеме на мощных транзисторах ТК-152. Предварительный усилитель состоит из операционного усилителя и двух пар комплементарных среднемощных транзисторов.
Фиг.3. Блок-схема приемного тракта. Приемный тракт предназначен для приема, усиления и частотной селекции рассеянных сигналов волны разностной частоты в полосе частот 5-50 кГц. Чувствительность его по акустическому давлению составляет не менее 0,001 Па. Приемник выполнен по схеме прямого усиления. Приемник состоит из приемной антенны 5, предназначенной для преобразования акустических сигналов в электрические, полосовых фильтров 33 и 34, антенного усилителя 35, основного усилителя 36, формирователей 37, 38 кодов управления, блока фильтров 39, амплитудного детектора 40, фильтра 41 нижних частот, коммутатора 42, выходного усилителя 43.Figure 3. Block diagram of the receiving path. The receiving path is designed to receive, amplify and frequency select the scattered signals of the differential frequency wave in the frequency band 5-50 kHz. Its sensitivity to acoustic pressure is at least 0.001 Pa. The receiver is made according to the direct amplification scheme. The receiver consists of a receiving
Фиг.4 Изменение координат точек излучения и приема сигналов. Судно 44, А,В - точки «излучение-прием» в j-м и j+1-м циклах соответственно, θj,θj+1 - углы в вертикальной плоскости, Hj Hj+1 - вертикальные координаты точек «излучение-прием», hn - вертикальная координата n - го слоя.Figure 4 Change in the coordinates of the points of radiation and signal reception.
Фиг.5. Реализация алгоритма последовательной коррекции угловых и вертикальных перемещений. В графическом виде изображены:Figure 5. Implementation of a sequential correction algorithm for angular and vertical movements. In a graphic form are shown:
- исходная последовательность {Sji}(фиг.5а);- the initial sequence {S ji } (figa);
- последовательность {Sji} после компенсации изменений угла (фиг.5б);- the sequence {S ji } after compensating for changes in the angle (Fig.5b);
- окончательный результат (фиг.5в).- the final result (figv).
На фигурах точками обозначены максимумы, соответствующие отражающим слоям.In the figures, dots indicate the maxima corresponding to the reflective layers.
Фиг.6. Алгоритм обнаружения слабых сигналов (обнаружение слоев с малым коэффициентом отражения) на фоне помех. На фиг.6а в графическом виде отображена исходная последовательность {Sji}. На фиг.6б представлены координаты обнаруженных максимумов. На фиг.6в отношение сигнал/помеха равно 2, на фиг.6г отношение сигнал/помеха равно 0,8.6. Algorithm for detecting weak signals (detection of layers with a low reflection coefficient) against a background of interference. On figa in graphical form displays the original sequence {S ji }. On figb presents the coordinates of the detected maxima. In Fig.6b, the signal-to-noise ratio is 2; in Fig. 6d, the signal-to-noise ratio is 0.8.
Формирователь сигналов накачки 1 (фиг.2) работает следующим образом. Кварцевый генератор 11 опорной частоты вырабатывает импульсы с частотой следования 2,04 МГц. Импульсы опорной частоты поступают на вход формирователя 12 периода следования излучаемых импульсов накачки, на входе которого формируются короткие импульсы с заданным периодом следования. Эти импульсы поступают на вход устройства 13 формирования длительности излучаемого импульса. С выхода устройства 13 снимаются прямоугольные импульсы, длительность которых может изменяться с помощью двоичных кодов, поступающих с блока управления 8.The pump signal pump 1 (figure 2) works as follows. The reference
Сформированные таким образом прямоугольные импульсы с заданными длительностью и частотой повторения поступают на два канала формирования радиоимпульсов с частотами накачки. Основу обоих каналов формирователя составляют фазовые накопители 14 и 15 и постоянные запоминающие устройства 16 и 17. Фазовые накопители управляются тактовыми импульсами генератора 11 опорной частоты и импульсами, поступающими с устройства 13. Восьмиразрядные коды с фазовых накопителей 14 и 15 поступают на адресные входы соответствующих постоянных запоминающих устройств 16 и 17, в которых записаны отсчеты периода синусоиды. Эти отсчеты выбираются в виде восьмиразрядных кодов, подаются на входы соответствующих цифроаналоговых преобразователей 18 и 19, с выходов которых через фильтры 20 и 21 нижних частот радиоимпульсы с прямоугольной огибающей и выбранными частотами заполнения, поступают на входы усилителей мощности 22 и 23.The rectangular pulses thus formed with a given duration and repetition rate are fed to two channels for generating radio pulses with pump frequencies. The basis of both channels of the shaper are phase drives 14 and 15 and read-
Изменение частот накачки f1 и f2 производится с помощью двоичных кодов, подаваемых на входы фазовых накопителей 14 и 15 с арифметико-логических устройств 24 и 25 соответственно. Частота излучения может автоматически изменяться через каждый импульс излучения, через два, четыре, восемь или шестнадцать импульсов. Количество импульсов одной частоты задается счетчиком 28. Дискретность перестройки (62,5, 125, 200, 500 или 1000 Гц) выбирается блоком управления 8, устанавливающим соответствующий код на входах накапливающих сумматоров 29 и 30. Аналогово-цифровой преобразователь 32 своими выходными кодами, подаваемыми на нижние входы арифметико-логических устройств 26 и 27, определяет начальную разностную частоту. Изменение кодов осуществляется изменением опорного напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя 18. На верхних входах устройств 26 и 27 постоянно заданы коды, определяемые резонансной частотой каждого из двух каналов антенны накачки. В формирователе сигналов накачки 1 имеется возможность формирования внутриимпульсной линейной частотной модуляции с фиксированными частотами. При этом сигнал формируется путем подачи кодов фазы на фазовые накопители 14 и 15 с генератора кодов фазы 31.Changing the pump frequencies f 1 and f 2 is performed using binary codes supplied to the inputs of phase drives 14 and 15 from arithmetic-
В приемном тракте 5 (фиг.3) полосовые фильтры 33 и 34 служат для подавления частот сигналов накачки, а также помех ниже частот рабочего диапазона. Они представляют собой пассивные фильтры верхних и нижних частот, включенных последовательно. Подавление сигналов частот накачки не хуже 60 дБ. Антенный усилитель 35 представляет собой широкополосный малошумящий предварительный усилитель. Для ослабления синфазной помехи последний каскад выполнен в дифференциальном включении. Коэффициент усиления составляет 26 дБ. Основной усилитель 36 трехкаскадный с ручной регулировкой усиления. Регулировка усиления осуществляется цифровыми кодами. Диапазон регулировки составляет 0-80 дБ. Блок фильтров 39 представляет собой набор фильтров нижних и верхних частот, которые с помощью коммутации объединены в полосовые фильтры с переменной полосой пропускания. Управление коммутаторами, а следовательно, и полосой пропускания осуществляется цифровыми кодами. Формирователи кодов 37 и 38 служат для формирования кодов управления коэффициентом усиления основного усилителя 36 и полосой пропускания блока фильтров 39. Линейный детектор состоит из амплитудного детектора 40 и фильтра нижних частот 41 и служит для выделения огибающей рассеянных сигналов волны разностной частоты в динамическом диапазоне 40 дБ. Коммутатор 42 предназначен для выбора отраженного сигнала или его огибающей. Выходной усилитель 43 служит для согласования приемника с внешними устройствами.In the receiving path 5 (figure 3) bandpass filters 33 and 34 are used to suppress the frequencies of the pump signals, as well as interference below the frequencies of the operating range. They are passive high and low pass filters connected in series. The suppression of the pump frequency signals is not worse than 60 dB.
Вычислитель 9 включает контроллер, встроенный 8-канальный 16-разрядный АЦП типа AD 7715 с внешним входами для подключения приемного и излучающего каналов и внешних устройств, фильтр линейного предсказания, автономную систему контроля напряжения питания, внутренний температурный датчик на базе кремневого диодного р-n перехода, два компаратора с программируемым опорным напряжением, мультиплексор, последовательный интерфейс стандарта RS-232, три таймера, обеспечивающие измерение частоты относительно опорного кварцевого генератора, и представляет собой процессор с раздельными 14-битной шиной команд и 8-битной шиной данных. Двухступенчатый конвертор позволяет осуществлять выполнение до 35 команд в течение одного машинного цикла. Аналогом является микропроцессор типа PJC 14000.The calculator 9 includes a controller, an integrated 8-channel 16-bit ADC type AD 7715 with external inputs for connecting the receiving and emitting channels and external devices, a linear prediction filter, an autonomous supply voltage control system, an internal temperature sensor based on a silicon diode pn junction , two comparators with programmable reference voltage, a multiplexer, an RS-232 standard serial interface, three timers that provide frequency measurement relative to the reference crystal oscillator, and represent It is a processor with a separate 14-bit bus command and an 8-bit data bus. A two-stage converter allows the execution of up to 35 commands in one machine cycle. An analog is a microprocessor type PJC 14000.
Блок управления 8 включает центральный модуль, который осуществляет организацию режима измерения сигналов, обработку результатов измерений, формирование сигналов обмена с внешними устройствами и пакета данных в заданном формате, хранение в памяти для последующей обработки. Основными функциями, определяющими алгоритм работы, являются последовательное включение энергопитания и опрос выходных сигналов функциональных блоков в соответствии с заданной программой, осреднение результатов измерения по каждому каналу в соответствии с заданными временными интервалами, введение поправок в результаты измерений, учитывающие дрейф нуля АЦП, отклонение характеристик преобразования от исходной, температурную зависимость характеристик датчиков с представлением данных в виде условных кодов, приведение условных кодов измеренных величин к физическим значениям измеренных параметров в соответствии с алгоритмами обработки данных с учетом коэффициентов, запись и хранение полученных данных в буферной памяти микропроцессора, формирование сообщения установленного формата для передачи на внешние каналы связи. В состав программного обеспечения входят мощный микроассемблер, внутрисистемный и отладочный эмуляторы, универсальный программатор и компилятор. Графопостроитель 6 представляет собой плоттер.The
Работа приемного тракта заключается в следующем. Отраженные акустические сигналы поступают на приемную антенну 5, которая преобразует акустическое давление в электрическое напряжение. Преобразованные антенной 5 сигналы поступают на полосовые фильтры 33 и 34, в которых осуществляется частотная селекция сигналов волны разностной частоты. С выходов фильтров 33 и 34 сигналы поступают на вход двуканального дифференциального антенного усилителя 35, в котором осуществляется предварительное усиление сигналов и подавление синфазной помехи и с выхода которого сигнал поступает на вход основного усилителя 36, коэффициент усиления которого зависит от кодов, поступающих на цифровые входы усилителя с формирователя кодов 37. Запирание основного усилителя на время посылки осуществляется инвертированным импульсом посылки с формирователя кодов 37. С выхода основного усилителя 36 усиленный сигнал поступает на вход блока фильтров 39 с регулируемой полосой пропускания. На цифровые входы блока фильтров 39 необходимый код поступает с формирователя кодов 41. С выхода блока фильтров 39 сигнал подается на вход амплитудного детектора 40, который выделяет модуль знакопеременного сигнала. Продетектированный сигнал с выхода амплитудного детектора 40 поступает на фильтр 41 нижних частот, в котором осуществляется выделение огибающей данного сигнала. Выделенная огибающая отраженного сигнала с амплитудного детектора 40 и отраженный сигнал с блока фильтров 39 поступают на вход коммутатора 42. Выбранный коммутатором 42 тип сигнала через согласующий выходной усилитель 43 подводится к внешним устройствам приемного тракта.The operation of the receiving path is as follows. The reflected acoustic signals are fed to the receiving
Параметрический излучающий тракт 2 включает антенну накачки, представляющую собой многоэлементную решетку, состоящую из двух двухчастотных каналов каждая. Элементы в каждой подрешетке расположены в порядке чередования типов с разной частотой и рассчитаны так, чтобы обеспечить наибольшую однородность акустического поля по обеим частотам. Активная часть двухчастотной мозаичной антенны выполнена из пьезокерамики стержневого типа. Разделение антенны на четыре канала позволяет добиться получения необходимой мощности и высокой надежности при работе транзисторных усилителей мощности. Антенна накачки имеет круглую форму диаметром активной поверхности 300 мм. Средняя рабочая частота накачки 180 кГц. Диапазон разностных частот 5-50 кГц. Расчетная ширина характеристики направленности на уровне 3 дБ составляет два градуса и постоянна в диапазоне рабочих частот.The
Способ реализуется следующим образом. При движении носителя измерительной аппаратуры глубины, например судна 44, снабженного штатными средствами навигации: гидроакустическим лагом, измерителями курса, приемником спутниковых и радионавигационных систем, гидролокатором бокового обзора, выполняют определение глубин.The method is implemented as follows. When the carrier of the depth measuring equipment, for example, a
При этом одной из целей вторичной обработки сигнала является задача выявления слоистой структуры зондирующего пространства. Для этого следует локализовать слои, отражающие или рассеивающие акустические волны, т.е. обнаружить и определить координаты этих слоев на каждом цикле «излучение-прием». Кроме того, необходимо «связать» результаты измерений в соседних циклах для получения усредненный карты среды. На этом этапе обработки возникает ряд проблем.In this case, one of the goals of secondary signal processing is the task of identifying the layered structure of the probe space. To do this, localize layers reflecting or scattering acoustic waves, i.e. detect and determine the coordinates of these layers on each radiation-reception cycle. In addition, it is necessary to “link” the measurement results in adjacent cycles to obtain an averaged map of the environment. At this stage of processing, a number of problems arise.
Результатом первичной обработки (фильтрации) принятых сигналов являются последовательности видаThe result of the primary processing (filtering) of the received signals are sequences of the form
где Sji - значение члена j-й последовательности на выходе фильтра сжатия в момент i=E(t/Δt);where S ji is the value of the member of the jth sequence at the output of the compression filter at the time i = E (t / Δt);
Δt - шаг дискретизации;Δt is the sampling step;
t - время от начала излучения;t is the time from the start of radiation;
N - число отражающих слоев;N is the number of reflective layers;
Xn(i) - отсчеты отклика от n слоя на выходе фильтра с учетом отражающих свойств слоя;X n (i) - samples of the response from the n layer at the filter output, taking into account the reflective properties of the layer;
lnj - временная координата n слоя в j последовательности;l nj is the time coordinate of the n layer in the j sequence;
ξ - значение шумовой помехи в момент i.ξ is the value of noise interference at time i.
В результате совместной обработки значений приведенной последовательности следует определить координаты отражающих слоев и оценить их отражающие свойства. Решению этой задачи может помешать ряд факторов, сопутствующих натурным измерениям. К их числу относится работа на волнении, что приводит к случайному характеру значений координат lnj, наличие помех, «маскирующих» слои с небольшим коэффициентом отражения.As a result of joint processing of the values of the given sequence, it is necessary to determine the coordinates of the reflecting layers and evaluate their reflective properties. A number of factors associated with field measurements may interfere with this task. These include work on waves, which leads to a random nature of the coordinate values l nj , the presence of interference, “masking” the layers with a small reflection coefficient.
Рассмотрим особенности выявления слоистой структуры среды при работе в условиях волнения и при отсутствии пространственной стабилизации приемных и излучающих устройств (антенны 4,5). Пусть циклы «излучение-прием» происходят последовательно с периодом Т. В условиях волнения за период Т изменяются координаты точек излучения и приема сигналов (фиг.4).Consider the features of revealing the layered structure of the medium when working in waves and in the absence of spatial stabilization of the receiving and emitting devices (antennas 4,5). Let the cycles of "radiation-reception" occur sequentially with the period T. Under the conditions of excitement for the period T, the coordinates of the points of radiation and reception of signals (Fig.4).
Фиг.5. Изменение координат точек излучения и приема сигналов. Судно 47, А,В - точки «излучение-прием» в j-м и j+1-м циклах соответственно, θj,θj+1 - углы в вертикальной плоскости, Hj Hj+1 - вертикальные координаты точек «излучение-прием», Hn - вертикальная координата n-го слоя.Figure 5. Change of coordinates of points of radiation and reception of signals. Ship 47, A, B are the radiation-reception points in the jth and j + 1th cycles, respectively, θ j , θ j + 1 are the angles in the vertical plane, H j H j + 1 are the vertical coordinates of the points radiation-reception ”, H n is the vertical coordinate of the nth layer.
Для принятых обозначений
Величины Hj и θj являются случайными функциями времени (т.е. являются случайными последовательностями). Изменение временной координаты n-го слоя в соседних циклах описывается выражением
Компенсация этих изменений необходима при выявлении слоистой структуры среды, а также при «сшивке» откликов сигналов, отличающихся частотными характеристиками, Эта ситуация возникает при невозможности излучения частотно-модулированного сигнала необходимой девиации. Один из способов компенсации требует знания с высокой точностью θj,θj+1 и Hj Hj+1, т.е. необходимы датчики, измеряющие эти величины, что не всегда возможно, особенно при размещение гидролокатора бокового обзора на буксируемых подводных аппаратах, и что также требует пересчета координат пространственного местоположения буксируемого аппарата относительно судна.Compensation of these changes is necessary when revealing the layered structure of the medium, as well as when “linking” the responses of signals that differ in frequency characteristics. This situation occurs when it is impossible to emit a frequency-modulated signal of the necessary deviation. One of the methods of compensation requires knowledge with high accuracy θ j , θ j + 1 and H j H j + 1 , i.e. sensors are needed that measure these values, which is not always possible, especially when placing a side-scan sonar on towed underwater vehicles, and which also requires a translation of the coordinates of the spatial location of the towed vehicle relative to the vessel.
При использовании известных способов обработки принятых последовательностей отраженных гидроакустических сигналов, отсутствуют операции, позволяющие компенсировать искажения координат слоев, не требующих дополнительной информации об изменении θ и Н. Что объясняется трудностями, возникающими при создании подобных алгоритмов, обусловленными невозможностью разделения Δlnn,j,j+1 на две частные составляющие, одна из которых обусловлена изменением угла, а другая - высоты, т.е. невозможностью представления Δlnn,j,j+1 в виде произведения или суммы частных ошибок.When using known methods of processing the received sequences of reflected hydroacoustic signals, there are no operations that can compensate for distortions in the coordinates of the layers that do not require additional information about the changes in θ and H. This is explained by the difficulties encountered in creating such algorithms due to the inability to separate Δln n , j , j + 1 into two partial components, one of which is due to a change in the angle, and the other due to the height, i.e. the impossibility of representing Δln n , j , j + 1 as a product or the sum of partial errors.
При некоторых предположениях о характеристике среды и условиях проведения измерений возможен учет этих перемещений.Under some assumptions about the characteristics of the medium and the conditions for the measurements, it is possible to take these displacements into account.
Пусть за время между соседними циклами «прием-излучение» вертикальные координаты Hn не изменяются резко. При сделанных предположениях рассмотрим следующую разностьAssume that the vertical coordinates H n do not change sharply during the time between adjacent receive-emission cycles. Under the assumptions made, we consider the following difference
Приведенное выражение представляет собой произведение двух сомножителей 1/cosθj и hn+1-hn/С, первое из которых зависит только от угла θj, второе - от разности координат соседних слоев. Это обстоятельство позволяет предложить алгоритм обработки последовательностей {Sji}, с помощью которого можно отслеживать изменение θ и Н в соседних циклах «изучение-прием». Суть алгоритма в последовательной коррекции угловых и вертикальных перемещений. Для этого из исходной последовательности {Sji} определяют координаты максимумов lnj и вычисляют оценку математического ожидания разностей Δlnn,j,j+1 The above expression is the product of two
С учетом выражения для
В полученном выражении Δhj является формальной оценкой математического ожидания расстояний между слоями в j-м цикле измерений.In the obtained expression, Δh j is a formal estimate of the mathematical expectation of the distances between the layers in the jth measurement cycle.
Если Δhj и Δhj+1 близки, то можно образовать следующее соотношениеIf Δh j and Δh j + 1 are close, then we can form the following relation
Полученное значение С позволяет компенсировать изменение угла в соседних циклах измерений. Для этого координаты последовательностей {Sji} в j+1-м цикле изменяют в С-1 раз, образуя при этом новую последовательность {Sji}. Во вновь образованной последовательности координаты слоев имеют следующие значенияThe obtained value C allows you to compensate for the change in the angle in adjacent measurement cycles. For this, the coordinates of the sequences {S ji } in the j + 1-th cycle are changed by C -1 times, forming a new sequence {S ji }. In the newly formed sequence, the coordinates of the layers have the following meanings
Можно заметить, что на данном этапе произошла компенсация изменения угла θ.It can be noted that at this stage, the angle θ was compensated.
Действительно
Вторая часть алгоритма позволяет компенсировать случайное изменение вертикальной координаты точки «излучение-прием». Для этого достаточно ввести в последовательность {Sj+1,j} такое смещение координат, чтобы минимизировать разностьThe second part of the algorithm allows you to compensate for a random change in the vertical coordinate of the point "radiation-reception". For this, it is enough to introduce such a shift of coordinates in the sequence {S j + 1, j } in order to minimize the difference
т.е. δj+1→min pj+1.those. δ j + 1 → min p j + 1 .
Для проверки работоспособности описанного алгоритма была создана программа, реализующая предложенный алгоритм и программа-имитатор, генерирующая последовательности {Sji}.To test the operability of the described algorithm, a program was created that implements the proposed algorithm and a simulator program generating sequences {S ji }.
Результаты данного алгоритма приведены на фиг.5, на котором в графическом виде изображены:The results of this algorithm are shown in figure 5, which shows in graphical form:
- исходная последовательность {Sji}(фиг.5а);- the initial sequence {S ji } (figa);
- последовательность {Sji} после компенсации изменений угла (фиг.5б);- the sequence {S ji } after compensating for changes in the angle (Fig.5b);
- окончательный результат (фиг.5в).- the final result (figv).
На фиг.5 точками обозначены максимумы, соответствующие отражающим слоям. Условия изображенного эксперимента следующие: число реализаций - 60, число отсчетов в реализации - 600, шаг дискретизации - 1 мс, число обнаруженных слоев -50, средняя квадратичная ошибка изменений вертикального угла - 0,175 рад, средняя квадратичная ошибка изменений вертикальной координаты - 2 м.In Fig. 5, dots indicate the maxima corresponding to the reflective layers. The conditions of the depicted experiment are as follows: the number of implementations is 60, the number of samples in the implementation is 600, the sampling step is 1 ms, the number of layers detected is 50, the mean square error of changes in the vertical angle is 0.175 rad, the mean square error of changes in the vertical coordinate is 2 m.
Второй алгоритм предназначен для обнаружения слабых сигналов (обнаружение слоев с малым коэффициентом отражения) на фоне помех. Обнаружение происходит за счет увеличения отношения сигнал/помеха слабого сигнала в выходной последовательности.The second algorithm is designed to detect weak signals (detection of layers with a low reflection coefficient) against a background of interference. Detection occurs by increasing the signal-to-noise ratio of a weak signal in the output sequence.
Для этого производится временное накопление откликов, принадлежащих отдельным слоям. Основная трудность при организации накопления вызвана изменчивостью координат слоя. Если эти изменения происходят достаточно медленно, то можно считать, что на интервале усреднения изменение координат слоев происходит по линейному закону. Это позволяет достаточно просто реализовать алгоритм накопления.For this, a temporary accumulation of responses belonging to individual layers is performed. The main difficulty in organizing the accumulation is caused by the variability of the coordinates of the layer. If these changes occur rather slowly, then we can assume that in the averaging interval, the change in the coordinates of the layers occurs according to a linear law. This makes it easy to implement the accumulation algorithm.
На фиг.6 представлены результаты работы подобного алгоритма. На фиг.6а в графическом виде отображена исходная последовательность {Sji}. На фиг.6б представлены координаты обнаруженных максимумов. На фиг.6в - отношение сигнал/помеха равно 2, на фиг.6г - 0,8.Figure 6 presents the results of the operation of such an algorithm. On figa in graphical form displays the original sequence {S ji }. On figb presents the coordinates of the detected maxima. On figv - the signal-to-noise ratio is 2, on fig.6g - 0.8.
Данные операции выполняются на компенсаторе 7.These operations are performed on the compensator 7.
Блок управления 8 построен на основе процессора Intel Core2Duo.The
Регистратор 10 представляет собой аппаратно-программный блок и состоит из процессора, графических ускорителей, объектно-графического движка типа OGRE, программных модулей типа PhysX, Hydrax, Skyx и ANSYS AQWA. В качестве графического движка возможно также применение коммерческих движков типа CRY ENGINE, VALVE или аналогичных.Registrar 10 is a hardware-software unit and consists of a processor, graphics accelerators, an object-graphics engine such as OGRE, software modules such as PhysX, Hydrax, Skyx and ANSYS AQWA. As a graphic engine, it is also possible to use commercial engines such as CRY ENGINE, VALVE or similar.
Вычислитель 9 выполнен на основе вычислительной платформы в виде системы на кристалле типа System on Chip (SoC) и состоит из процессора общего назначения, функции которого заключаются в решении навигационных уравнений для обеспечения движения судна на промерных галсах во время батиметрической съемки морского дна и обслуживанием интерфейсов, и двух процессоров с векторно-матричными сопроцессорами, которые предназначены для полной программной обработки в реальном времени зарегистрированных сигналов.Calculator 9 is based on a computing platform in the form of a system on a chip of the System on Chip (SoC) type and consists of a general-purpose processor, the functions of which are to solve navigation equations to ensure the movement of the vessel on surveying tacks during bathymetric surveying of the seabed and servicing interfaces, and two processors with vector-matrix coprocessors, which are designed for full software processing in real time of registered signals.
Существенным преимуществом заявляемого способа определения глубин акватории гидролокатором бокового обзора и гидролокатора бокового обзора для его осуществления является возможность точного измерения координат рассеивающих слоев, что при применение в вычислителе 9 алгоритмов известного метода деконволюции при обработке временных рядов позволяет также получить оценки коэффициентов авторегрессионной модели с минимальной дисперсией ошибок, а использование алгоритма Левинсона для решения задачи деконволюции наблюдаемого временного ряда дает возможность при минимальных вычислительных затратах определить искомые параметры модели сложно-неоднородной среды. Процедура определения параметров сложно-неоднородной среды реализована с помощью фильтра линейного предсказания, выполненного в виде оптимального решетчатого фильтра.A significant advantage of the proposed method for determining water depths with a side-scan sonar and a side-scan sonar for its implementation is the ability to accurately measure the coordinates of the scattering layers, which, when using 9 algorithms of the well-known deconvolution method in time series processing, also allows estimating the coefficients of the autoregressive model with minimal error dispersion , and the use of the Levinson algorithm to solve the problem of deconvolution of the observed temporarily on a number makes it possible with minimal computational cost to determine the unknown parameters of the model complex heterogeneous medium. The procedure for determining the parameters of a complex inhomogeneous medium is implemented using a linear prediction filter made in the form of an optimal lattice filter.
Современная тенденция строительства подводных трубопроводов на больших глубинах вызывает необходимость использования дистанционно-управляемых подводных аппаратов с установленными на них, в том числе, и гидролокаторов бокового обзора для получения детальной картины дна. С учетом ограниченной грузоподъемности дистанционно-управляемых подводных аппаратов, предлагаемый способ определения глубин акватории гидролокатором бокового обзора и гидролокатор бокового обзора, позволяют с требуемой точностью выполнить батиметрическую съемку на глубоководных акваториях.The current trend in the construction of underwater pipelines at great depths necessitates the use of remotely controlled underwater vehicles with installed on them, including side-scan sonars to obtain a detailed picture of the bottom. Given the limited carrying capacity of remotely controlled underwater vehicles, the proposed method for determining water depths with a side-scan sonar and a side-scan sonar make it possible to perform bathymetric surveys in deep-sea waters with the required accuracy.
Реализация заявляемого способа технической трудности не представляет, так как для его осуществления используются штатные измерительные устройства (измеритель скорости, приемоиндикатор спутниковой или радионавигационной системы), установленные на носителе (судне) измерительной аппаратуры, а устройство для осуществления способа реализуется на доступной элементной базе, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".The implementation of the proposed method does not present technical difficulties, since standard measuring devices (speed meter, receiver-indicator of a satellite or radio navigation system) installed on the carrier (vessel) of measuring equipment are used for its implementation, and the device for implementing the method is implemented on an accessible element base, which allows to conclude that the claimed technical solution meets the condition of patentability "industrial applicability".
Источники информации.Information sources.
1. Судостроение за рубежом, Издание ЦНИИ Румб, 1987, с 76-80.1. Shipbuilding abroad, Edition of the Central Research Institute Rumb, 1987, pp. 76-80.
2. Stubbs A.К. Telesounding a merhod of wide swathe a depth measurement International Hydrographic Review 1974, 51 Ns 1, p.p.23-59.2. Stubbs A.K. Telesounding a merhod of wide swathe a depth measurement International Hydrographic Review 1974, 51
3. Патент RU №1829019 А1, 23.07.1993.3. Patent RU No. 1829019 A1, 07.23.1993.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012102941/28A RU2484499C1 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012102941/28A RU2484499C1 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2484499C1 true RU2484499C1 (en) | 2013-06-10 |
Family
ID=48785837
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012102941/28A RU2484499C1 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2484499C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112556792A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-26 | 邱爱平 | Method for automatically monitoring sedimentation state of river bottom sludge |
CN115267789A (en) * | 2022-08-12 | 2022-11-01 | 北京星天科技有限公司 | Double-probe multi-beam control method and device and multi-beam detection system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1829019C (en) * | 1991-06-03 | 1993-07-23 | Войсковая часть 62728 | Method for determination of depth of water area by phase sonar of side scanning pattern and phase sonar of side scanning pattern direction for implementation of said method |
RU2013827C1 (en) * | 1990-08-08 | 1994-05-30 | Кузнецов Александр Семенович | Adaptive receiving-transmitting array |
RU67290U1 (en) * | 2007-05-10 | 2007-10-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | NARROW-OPERATED PARAMETRIC HYDROLOCATOR |
RU2326408C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-06-10 | Виктор Алексеевич Авдонюшкин | Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation |
RU2434245C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method of detecting, recognising and moving underwater objects from offshore oil and gas platform |
-
2012
- 2012-01-27 RU RU2012102941/28A patent/RU2484499C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2013827C1 (en) * | 1990-08-08 | 1994-05-30 | Кузнецов Александр Семенович | Adaptive receiving-transmitting array |
RU1829019C (en) * | 1991-06-03 | 1993-07-23 | Войсковая часть 62728 | Method for determination of depth of water area by phase sonar of side scanning pattern and phase sonar of side scanning pattern direction for implementation of said method |
RU2326408C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-06-10 | Виктор Алексеевич Авдонюшкин | Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation |
RU67290U1 (en) * | 2007-05-10 | 2007-10-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | NARROW-OPERATED PARAMETRIC HYDROLOCATOR |
RU2434245C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method of detecting, recognising and moving underwater objects from offshore oil and gas platform |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
(56) Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1985. с.164-166. * |
(56)RU 2326408 C1, 10.06.2008. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1985. с.164-166. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112556792A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-26 | 邱爱平 | Method for automatically monitoring sedimentation state of river bottom sludge |
CN115267789A (en) * | 2022-08-12 | 2022-11-01 | 北京星天科技有限公司 | Double-probe multi-beam control method and device and multi-beam detection system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2326408C1 (en) | Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation | |
de MOUSTIER | State of the art in swath bathymetry survey systems | |
US7894303B2 (en) | Detection device, detection program and detection method | |
CN109239712B (en) | Noise detection method based on underwater sound field and sound energy flow | |
RU2461845C1 (en) | Hydroacoustic system for imaging underwater space | |
RU2451300C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU75062U1 (en) | DOPPLER LOCATION SYSTEM | |
JP6207817B2 (en) | Underwater position-related information acquisition system | |
RU2484499C1 (en) | Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method | |
Kuznetsov et al. | The possibility of using the equivalent plane wave model to increase the efficiency of taking bearings of low-frequency signals in shallow water | |
RU2624607C1 (en) | Method of acoustic tomography system fields in the atmosphere, the oceans and crust of different physical nature in the marine environment | |
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 | |
CN111735436A (en) | Submarine topography data verification method based on more than 3 pieces of uniformly distributed multi-beam data | |
Glebova et al. | Experimental study of the directional characteristics of a vector-scalar array | |
RU2510045C2 (en) | Side-scanning phase sonar | |
RU167401U1 (en) | Side-View Interferometric Sonar | |
Holland | Evidence for a common scale O (0.1) m that controls seabed scattering and reverberation in shallow water | |
AU2016228476B2 (en) | Method for calculating a confidence echo signal that is exempt from multipath propagation effects and for determining a distance and/or a direction to an echo source and device and vehicle | |
RU2463624C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU2300781C1 (en) | Device for hydrometeorological observations of sea range water area | |
RU2529207C1 (en) | Navigation system for towed underwater vehicle | |
RU2624980C1 (en) | Hydroacoustic rho-rho navigation system | |
US20090052279A1 (en) | Method and system for determining azimuth parameters for seismic data processing | |
RU75238U1 (en) | DEVICE FOR PROFILING BOTTOM SEDIMENTS | |
RU2376612C1 (en) | Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end |