RU2517775C1

RU2517775C1 - Hydroacoustic measurement system

Info

Publication number: RU2517775C1
Application number: RU2012150717/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Евгеньевич Лейкин; Ростислав Юрьевич Попов
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-05-27

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: hydroacoustic navigation system comprises a navigation base, including a block of generation of emitted signals located on a shore station, and its outlets are connected with two hydroacoustic emitters installed on the bottom symmetrically to the navigation with different carrier frequencies of emitted signals, and also on-board equipment, including a reception-amplifying tract, a unit of processing of received signals and an indicator, at the same time the reception-amplifying tract is made as single-channel in the form of a non-directed hydrophone with a preamplifier connected to its outlet, and a unit of processing of received signals is made in the form of two band filters connected to the outlet of the preamplifier and tuned for frequencies of appropriate hydroacoustic emitters, a multiplicative mixer connected to outlets of band filters, a low pass filter connected to the outlet of the multiplicative mixer, frequency filters-discriminators, inlets of which are connected to the outlet of the low pass filter, and a summator, inlets of which are connected to outlets of the frequency filters-discriminators, and the outlet - to the inlet of the indicator.

EFFECT: increased reliability of determination of navigation parameters and reduced labour intensiveness of system calibration performance.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидроакустических навигационных систем повышенной точности, работающих при наличии отражающих границ раздела, т.е. при волноводных условиях распространения.The invention relates to the field of sonar and can be used in the development of sonar navigation systems of high accuracy, operating in the presence of reflecting interfaces, i.e. under waveguide propagation conditions.

Известна гидроакустическая дальномерная навигационная система, состоящая из М гидроакустических маяков-ответчиков, устанавливаемых в районе работы объекта навигации и размещенных на объекте гидроакустического передатчика, опрашивающего маяки-ответчики на частоте f_o, М-канального приемника, принимающего ответы маяков-ответчиков на частотах f₁, f₂,…, f_м, и вычислителя координат объекта навигации (Авторское свидетельство СССР №713278, МПК G01S 15/08, 1978 г.).Known sonar rangefinder navigation system, consisting of M sonar beacons-transponders installed in the area of operation of the navigation object and located on the object of the sonar transmitter, interrogating beacons-responders at a frequency f _o , M-channel receiver that receives responses from beacons-responders at frequencies f ₁ , f ₂ , ..., f _m , and the calculator of coordinates of the navigation object (USSR Author's Certificate No. 713278, IPC G01S 15/08, 1978).

В навигационной системе такого типа координаты определяются по набору дистанций, каждая из которых определяется через измеренное время задержки ответа t по формуле r=Ct/2, где С - средняя скорость звука для заданного района работы.In a navigation system of this type, the coordinates are determined by a set of distances, each of which is determined through the measured response delay time t by the formula r = Ct / 2, where C is the average speed of sound for a given area of work.

Недостатком такой навигационной системы является большая погрешность определения координат, связанная с непостоянством скорости звука в реальной морской среде, а также с явлением многолучевости распространения звука при наличии отражающих границ раздела.The disadvantage of such a navigation system is the large error in determining the coordinates associated with the inconstancy of the speed of sound in a real marine environment, as well as with the multipath phenomenon of sound propagation in the presence of reflecting interfaces.

Известна гидроакустическая навигационная система, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, М- канальный приемник, выходы которого подключены к входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые входы которых соединены с выходом генератора синхроимпульсов, N (по числу видов возможных траекторий лучей в каждом из М каналов) блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых подключены к выходу измерителя времени распространения соответствующего канала, и блок выбора максимального значения дистанции, вход которого подключен к выходам N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, а выходы блоков выбора максимального значения дистанции всех М каналов соединены с входами вычислителя координат объекта навигации (Патент РФ №2032187, МПК G01S 15/08, опубл. 27.03.1995 г.).A hydroacoustic navigation system is known, comprising a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transmitter located at the navigation object, the input of which is connected to the output of the clock generator, an M-channel receiver whose outputs are connected to the inputs of the M meters of the propagation time of hydroacoustic signals to a transponder operating on the frequency of this channel and vice versa, the second inputs of which are connected to the output of the clock generator pulses, N (according to the number of types of possible ray paths in each of the M channels) of blocks for converting time intervals into distances, the inputs of which are connected to the output of the propagation time meter of the corresponding channel, and a block for selecting the maximum distance value whose input is connected to the outputs of N blocks of time conversion the intervals in the distance of this channel, and the outputs of the blocks for selecting the maximum distance value of all M channels are connected to the inputs of the calculator of the coordinates of the navigation object (RF Patent No. 2032187, IPC G01S 15/08 publ. March 27, 1995).

Включение в навигационную систему N блоков преобразования измеренных временных интервалов в дистанции в каждом из приемных каналов позволяет учесть в рамках какой-либо расчетной модели, например лучевой, как рефракцию лучей, связанную с непостоянством скорости звука, так и многолучевость процесса распространения, связанную с наличием отражающих границ раздела.The inclusion in the navigation system of N blocks of conversion of the measured time intervals into distances in each of the receiving channels allows one to take into account, within the framework of some computational model, for example, the ray refraction associated with the inconstancy of the speed of sound, as well as the multipath propagation process associated with the presence of reflecting section boundaries.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению является гидроакустическая навигационная система, содержащая навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, при этом приемоусилительный тракт содержит два канала усиления, а блок обработки принятых сигналов содержит подключенные к выходам соответствующих усилителей регулируемые линии задержки, выходы которых подключены к входам индикатора (Патент РФ №1840666, МПК G01S 7/52, В63В 49/00, опубл. 27.06.2008 г.).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the present invention is a hydroacoustic navigation system containing a navigation base including a unit for generating emitted signals located on a coastal post, the outputs of which are connected to two hydroacoustic emitters located at the bottom symmetrically relative to the ship's course with different load-bearing frequencies of emitted signals, as well as on-board equipment, including a receiving amplifier circuit, processing unit the received signals and the indicator, while the receiving amplifier contains two amplification channels, and the received signal processing unit contains adjustable delay lines connected to the outputs of the respective amplifiers, the outputs of which are connected to the indicator inputs (RF Patent No. 1840666, IPC G01S 7/52, B63B 49 / 00, published on June 27, 2008).

Недостатком этой навигационной системы является большая погрешность определения координат, связанная с неидентичностью двух разных каналов приема сигналов, а также существенные ограничения по трудоемкости выполнения калибровки.The disadvantage of this navigation system is the large error in determining the coordinates associated with the non-identity of two different signal reception channels, as well as significant limitations on the complexity of the calibration.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения навигационных параметров и уменьшения трудоемкости выполнения калибровки системы.The technical result of the invention is to increase the reliability of determining navigation parameters and reduce the complexity of calibration of the system.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической навигационной системе, содержащей навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, приемоусилительный тракт выполнен одноканальным в виде ненаправленного гидрофона с подключенным к его выходу предварительным усилителем, а блок обработки принятых сигналов выполнен в виде подключенных к выходу предварительного усилителя двух полосовых фильтров, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей, мультипликативного смесителя, подключенного к выходам полосовых фильтров, фильтра нижних частот, подключенного к выходу мультипликативного смесителя, частотных фильтров-дискриминаторов, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот, и сумматора, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов, а выход - к входу индикатора.The technical result is achieved due to the fact that in a sonar navigation system containing a navigation base, including a unit for generating emitted signals located on a coastal post, the outputs of which are connected to two sonar emitters located at the bottom symmetrically relative to the ship's course with different carrier frequencies of emitted signals, as well as on-board equipment, including a receiving amplifier path, a block for processing received signals and an indicator, a receiving amplifier path n single-channel in the form of an omnidirectional hydrophone with a pre-amplifier connected to its output, and the received signal processing unit is made in the form of two band-pass filters connected to the output of the pre-amplifier, tuned to the frequencies of the corresponding hydroacoustic emitters, a multiplicative mixer connected to the outputs of the band-pass filters, a low-pass filter connected to the output of the multiplicative mixer, frequency filter discriminators, the inputs of which are connected to the output of the lower filter frequency, and an adder whose inputs are connected to the outputs of the frequency filters, discriminators, and the output - to the input of the indicator.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.The essence of the proposed method is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.

Гидроакустическая навигационная система содержит навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту источник питания 1, блок формирования излучаемых сигналов 2, усилители мощности сигналов 3 и 4, выходы которых соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями 5 и 6 с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, выполненный одноканальным в виде ненаправленного гидрофона 7 с подключенным к его выходу предварительным усилителем 8, и блок обработки принятых сигналов, выполненный в виде подключенных к выходу предварительного усилителя 8 двух полосовых фильтров 9 и 10, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей 5 и 6, мультипликативного смесителя 11, подключенного к выходам полосовых фильтров 9 и 10, фильтра нижних частот 12, подключенного к выходу мультипликативного смесителя 11, трех частотных фильтров-дискриминаторов 13, 14 и 15, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот 12, сумматора 16, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов 13, 14 и 15, и индикатора направления отклонения объекта навигации от судового хода 17, подключенного к выходу сумматора 16.The hydro-acoustic navigation system contains a navigation base, including a power source located on a coastal post, a unit for generating emitted signals 2, signal power amplifiers 3 and 4, the outputs of which are connected to two hydro-acoustic emitters 5 and 6 located at the bottom symmetrically relative to the ship's course, with different carrier frequencies emitted signals, as well as on-board equipment, including a receiving-amplifier path, made single-channel in the form of an omnidirectional hydrophone 7 connected to e the output by the pre-amplifier 8, and the received signal processing unit, made in the form of two band-pass filters 9 and 10 connected to the output of the pre-amplifier 8, tuned to the frequencies of the corresponding sonar emitters 5 and 6, a multiplicative mixer 11, connected to the outputs of the band-pass filters 9 and 10 , a low-pass filter 12 connected to the output of the multiplier mixer 11, three frequency filter discriminators 13, 14 and 15, the inputs of which are connected to the output of the low-pass filter 12, the adder 16, the inputs of which They are connected to the outputs of the frequency filter discriminators 13, 14, and 15, and an indicator of the direction of the deviation of the navigation object from the ship's passage 17 connected to the output of the adder 16.

Предлагаемая навигационная система работает следующим образом.The proposed navigation system operates as follows.

На береговом посту расположены питаемый источником энергии 1 блок формирования излучающих сигналов 2, который генерирует линейно-частотно-модулированные сигналы с одинаковой длительностью Т посылки и одинаковой базой сигналов β, но с различными несущими частотами, разнесенными на величину не менее чем ширина полосы каждого из сигналов Δω=Δf=βT. Генерируемые сигналы усиливаются усилителями мощности 3 и 4 и образуют непрерывную последовательность без перерывов во времени. Последовательности усиленных сигналов подаются на гидроакустические излучатели 5 и 6, расположенные на дне симметрично относительно судового хода. Излученные сигналы принимаются расположенным на объекте навигации одиночным ненаправленным гидрофоном 7. После предварительного усиления в блоке 8 сигналы выделяются полосовыми фильтрами 9 и 10 и подаются на мультипликативный смеситель 11 и далее на фильтр нижних частот 12 с полосой пропускания 2Δf, который выделяет сигнал разностной частоты ΔΩ, которая может принимать всего четыре различных значения, в зависимости от соотношений времен распространения от гидроакустических излучателей до приемной антенны, а именноAt the coastal post there is an emitting signal generating unit 2, fed by an energy source 1, which generates linearly frequency-modulated signals with the same sending duration T and the same signal base β, but with different carrier frequencies spaced no less than the bandwidth of each of the signals Δω = Δf = βT. The generated signals are amplified by power amplifiers 3 and 4 and form a continuous sequence without interruptions in time. The sequences of amplified signals are fed to sonar emitters 5 and 6 located at the bottom symmetrically with respect to the ship's course. The emitted signals are received by a single omnidirectional hydrophone located on the navigation object 7. After preliminary amplification in block 8, the signals are separated by bandpass filters 9 and 10 and fed to the multiplier mixer 11 and then to the low-pass filter 12 with a passband of 2Δf, which selects the difference frequency signal ΔΩ, which can take on only four different values, depending on the ratios of the propagation times from sonar emitters to the receiving antenna, namely

$Δ Ω = {\begin{cases} | δ |, для сигналов одной посылки \\ Δ ω + | δ |, для сигналов смежных посылок \end{cases}$

Δ Ω = {\begin{cases} | | | δ | | |, for signals of one package \\ Δ ω + | | | δ | | |, for signals of adjacent packages \end{cases}

при меньшем времени распространения сигнала с большей несущей частотой, иat a shorter propagation time of the signal with a higher carrier frequency, and

$Δ Ω = {\begin{cases} Δ ω - | δ |, для сигналов одной посылки \\ 2 Δ ω + | δ |, для сигналов смежных посылок \end{cases}$

Δ Ω = {\begin{cases} Δ ω - | | | δ | | |, for signals of one package \\ 2 Δ ω + | | | δ | | |, for signals of adjacent packages \end{cases}

при меньшем времени распространения сигнала с меньшей несущей частотой.at a shorter propagation time of the signal with a lower carrier frequency.

Для определения знака и величины дифференциального частотного сдвига 8 выделенный сигнал разностной частоты подается на банк из трех узкополосных частотных фильтров-дискриминаторов 13-15, настроенных на частоты f=0, f=Δω и f=2Δω, соответственно, и осуществляющих предварительную узкополосную фильтрацию сигнала с последующей выработкой сигнала, пропорционального отклонению частоты от центральной частоты фильтра. Сигналы с выходов частотных дискриминаторов 13-15 суммируются сумматором 16, что обеспечивает непрерывное однозначное определение величины и знака искомого дифференциального сдвига частоты 8 во всех четырех указанных комбинациях параметров частотно-разностного сигнала. При использовании в качестве индикатора, например, аналогового стрелочного вольтметра с нулевым средним положением, величина отклонения стрелки будет пропорциональна величине отклонения объекта навигации от судового хода, а направление ее отклонения от нулевого положения будет соответствовать направлению (вправо или влево) отклонения от судового хода, что позволяет своевременно производить коррекцию курса для удержания суда на линии фарватера.To determine the sign and magnitude of the differential frequency shift 8, the extracted differential frequency signal is fed to the bank of three narrow-band frequency discriminator filters 13-15, tuned to frequencies f = 0, f = Δω and f = 2Δω, respectively, and performing preliminary narrow-band filtering of the signal with the subsequent generation of a signal proportional to the frequency deviation from the center frequency of the filter. The signals from the outputs of the frequency discriminators 13-15 are summed by the adder 16, which provides a continuous unambiguous determination of the magnitude and sign of the desired differential frequency shift 8 in all four of these combinations of frequency-difference signal parameters. When using, for example, an analog pointer voltmeter with a zero average position, the deviation of the arrow will be proportional to the deviation of the navigation object from the ship's course, and the direction of its deviation from the zero position will correspond to the direction (right or left) of the deviation from the ship's course, which allows timely correction of the course to keep the vessel on the channel line.

В предлагаемом устройстве применена пассивная система гидроакустической навигации, которая позволяет использовать дифференциально-частотную систему решения задачи определения смещения судна относительно судового хода. При этом прием сигналов на объекте навигации осуществляется на одиночном, ненаправленном гидрофоне, что повышает надежность определения навигационных параметров и уменьшает трудоемкость выполнения калибровки системы.The proposed device uses a passive sonar navigation system, which allows you to use the differential-frequency system for solving the problem of determining the displacement of the vessel relative to the ship's course. In this case, the reception of signals at the navigation object is carried out on a single, omnidirectional hydrophone, which increases the reliability of determining navigation parameters and reduces the complexity of the calibration of the system.

Определив направление отклонения от судового хода, объект навигации выполняет корректировку курса с целью возвращения на судовой ход. Количество объектов навигации, осуществляющих прием гидроакустических сигналов для определения своего отклонения от судового хода не ограничено. Прием гидроакустических сигналов, их обработка и индикация направления смещения объекта навигации от судового хода осуществляется постоянно и непрерывно в пределах зоны уверенного приема.Having determined the direction of the deviation from the ship's course, the navigation object performs course adjustment in order to return to the ship's course. The number of navigation objects receiving hydroacoustic signals to determine their deviation from the ship's course is not limited. Acoustic signals are received, processed, and the direction of displacement of the navigation object from the ship's passage is indicated continuously and continuously within the zone of reliable reception.

Claims

A hydro-acoustic navigation system containing a navigation base including a unit for generating emitted signals located on a coastal post, the outputs of which are connected to two hydro-acoustic emitters with different carrier frequencies of emitted signals located at the bottom symmetrically relative to the ship's course, as well as on-board equipment including a receiving amplifier, a processing unit the received signals and an indicator, characterized in that the receiving amplifier path is made single-channel in the form of non-directional hydrophone with a pre-amplifier connected to its output, and the received signal processing unit is made in the form of two band-pass filters connected to the pre-amplifier output tuned to the frequencies of the corresponding hydroacoustic emitters, a multiplicative mixer connected to the outputs of the band-pass filters, a low-pass filter connected to the output a multiplicative mixer, three frequency discriminator filters, the inputs of which are connected to the output of a low-pass filter, and an adder, the inputs which is connected to the outputs of the frequency filter discriminators, and the output to the input of the indicator.