RU2625041C1

RU2625041C1 - Method for measuring object immersion depth

Info

Publication number: RU2625041C1
Application number: RU2016121817A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Тимошенков
Original assignee: Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-07-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method for measuring the object immersion depth, containing the radiation of a probing signal, receiving an echo, determining the propagation time and the distance to the object Dob; measuring the cut distribution of the sound velocity C in depth H; calculating the propagation path of the rays and determining the angle of the ray exit to the surface Q°, the duration of the echo signals Techo is measured from the object according to the number of counts that exceed the threshold, by the reflected echoes the presence of the illumination area on the surface Techo2 is determined, with the duration of the echo from the object Techo<Tp, where Tp - the maximum duration of the echo from the object, the distance is determined to the object Dob for the temporary position of maximum amplitude of the echo signal, if the detected second echo signal from the zone light duration Techo2>Tp, this duration determines the width of the illumination zone on the samples exceeded the detection threshold, the distance is measured to the beginning of the reflection from the surface of the light area Dbeg on a temporary starting area, the distance is measured to the end surface reflection from the surface, Dend for temporary reference middle of the zone, the maximum immersion depth of the object is determined for the measured distance H=cosQ°{0.5(Dend-Dbeg)-Dob}, if the reflection from the surface is not obtained, the depth is determined by the formula H=cosQ°{Dm.dis-Dob}, where Dm.dis - the calculated distance of the direction change of the ray path.

EFFECT: providing the classification of an object detected by a short-range hydrolocator in automatic mode.

1 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для построения системы автоматического определения глубины погружения объекта в условиях зональной структуры поля.The invention relates to sonar and can be used to build a system for automatically determining the depth of immersion of an object in the conditions of the zonal field structure.

Известен метод определения глубины погружения объекта с использованием гидролокатора, описанный в работе (А.П. Сташкевич. Акустика океана. Л., Судостроение, 1966 г., с. 263).A known method for determining the immersion depth of an object using a sonar is described in the work (A.P. Stashkevich. Acoustics of the ocean. L., Shipbuilding, 1966, p. 263).

Гидролокатор производит излучение зондирующего сигнала в момент времени t₁, приемник обрабатывает эхосигнал и измеряет временную задержку между моментами излучения зондирующего сигнала и приема эхосигнала, определяет на момент времени t₁ дистанцию D₁ до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, измеряет направления на цель в вертикальной плоскости; определяет глубину Н погружения по формуле: Н=Dsin(α), где D - измеренная дистанция до объекта, α - угол между направлением движения носителя и направлением на объект в вертикальной плоскости.The sonar emits a sounding signal at time t ₁ , the receiver processes the echo signal and measures the time delay between the moments of radiation of the sounding signal and receiving the echo signal, determines at time t _{1 the} distance D ₁ to the object from the value of the time delay and the known speed of sound propagation, measures directions on the target in a vertical plane; determines the depth H of immersion by the formula: H = Dsin (α), where D is the measured distance to the object, α is the angle between the direction of movement of the carrier and the direction of the object in the vertical plane.

Недостатком способа является то, что он не позволяет автоматически определять глубину погружения объекта в условиях зональной структуры поля.The disadvantage of this method is that it does not automatically determine the depth of immersion of the object in the conditions of the zonal structure of the field.

Известен способ определения глубины погружения объекта по Патенту №2350983 от 15.02.2007 г., который содержит излучение зондирующего сигнала, цифровую обработку принятого эхосигнала, измерение дистанции до объекта D₁, измерение дистанции в последующий момент времени t₂, и определяется дистанция D₂, соответствующая времени t₂. По разности времен излучения t₂-t₁=Δτ, по измеренным оценкам дистанции D₁ и D₂, а также по оценке собственной скорости V в вычислителе определяется пройденный путь V Δt носителем гидролокатора между посылками и определяется глубина по формуле:A known method for determining the depth of immersion of an object according to Patent No. 2350983 of 02.15.2007, which contains the radiation of a sounding signal, digital processing of the received echo signal, measuring the distance to the object D ₁ , measuring the distance at a subsequent time t ₂ , and determines the distance D ₂ , corresponding to time t ₂ . From the difference of the radiation times t ₂ -t ₁ = Δτ, from the measured estimates of the distances D ₁ and D ₂ , and also from the estimation of the own speed V in the computer, the distance V Δt traveled by the sonar carrier between the packages is determined and the depth is determined by the formula:

, где AD=(D₁ ²-D₂ ²-V²Δt²)/2VΔt.

where AD = (D ₁ ² -D ₂ ² -V ² Δt ² ) / 2VΔt.

Измерение глубины погружения объектов, расположенных ближе к дну, производится ниже горизонта движения гидролокатора. Поэтому недостатком способа является невозможность определения глубины погружения объектов, находящихся на рабочих глубинах передвижения объекта в приповерхностных слоях морей и океанов.The measurement of the depth of immersion of objects located closer to the bottom is made below the horizon of the sonar. Therefore, the disadvantage of this method is the inability to determine the immersion depth of objects located at the working depths of the movement of the object in the surface layers of the seas and oceans.

Задачей изобретения является обеспечение автоматического определения глубины погружения объекта в условиях распространения сигналов при зональной структуре поля.The objective of the invention is to provide automatic determination of the immersion depth of the object in the conditions of propagation of signals with the zonal field structure.

Для решения поставленной задачи в способ измерения глубины погружения объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени t₁, прием и цифровую обработку эхосигнала, измерение временной задержки между моментами излучения зондирующего сигнала и приема эхосигнала, определение на момент времени t₁ дистанции Доб до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, введены новые операции, а именно измеряют глубину погружения гидролокатора, измеряют распределение разреза скорости звука С по глубине Н, рассчитывают траекторию распространения лучей и определяют угол выхода лучей на поверхность Q^°, измеряют длительность эхосигналов Тэхо от объекта по числу отсчетов превысивших порог, определяют по отраженному эхосигналу наличие зоны освещенности на поверхности и по числу отсчетов превысивших порог ее протяженность Тэхо2, при длительности эхосигнала от объекта Тэхо<Тпор, где Тпор - максимальная длительность эхосигнала от объекта, дистанцию до объекта Доб определяют по временному положению максимальной амплитуды эхосигнала, если обнаружен второй эхосигнал от зоны освещенности длительностью Тэхо2>Тпор, то эта длительность определяет ширину зоны освещенности по отсчетам превысившим порог обнаружения, измеряют дистанцию до начала отражения от поверхности зоны освещенности Днач по временному отсчету начала зоны, измеряют дистанцию до конца отражения от поверхности Дкон по временному отсчету середины зоны, определяют максимальную глубина погружения объекта для измеренной дистанции по формуле: Н=cosQ^°{0,5(Дкон-Днач)-Доб}, если отражение от поверхности не получено, то глубина определяется по формуле: Н=cosQ^° {Дм_.рас-Доб}, где Дм_.рас - расчетная дистанция изменения направления траектории лучей.To solve the problem in a method of measuring the depth of immersion of an object containing the radiation of the probe signal at time t_one, receiving and digital processing of the echo signal, measuring the time delay between the moments of radiation of the probe signal and receiving the echo signal, determining at time t_one distance Dob to the object in terms of the time delay and the known speed of sound propagation, new operations have been introduced, namely, measuring the depth of immersion of the sonar, measuring the distribution of the section of the speed of sound C along the depth H, calculating the path of the rays and determining the angle of exit of the rays to the surface Q^°, measure the duration of the echo signals from the object by the number of samples that have exceeded the threshold, determine the presence of a light zone on the surface by the reflected echo and the number of samples that exceed the threshold its length Tekho2, with the duration of the echo from the object Tekho <Tpor, where Tpor is the maximum duration of the echo from the object, the distance to the Dob object is determined by the temporary position of the maximum amplitude of the echo signal, if a second echo signal is detected from the illumination zone of the duration Tekho2> Tpor, then this duration is determined shows the width of the illumination zone according to counts that exceeded the detection threshold, measure the distance to the beginning of reflection from the surface of the illumination zone. First, measure the distance to the end of reflection from the surface Dkon by the time counting of the middle of the zone, determine the maximum depth of the object for the measured distance using the formula : H = cosQ^°{0.5 (Dcon-Dnach) -Dob}, if reflection from the surface is not received, then the depth is determined by the formula: H = cosQ^° {Dm_.ras-Dob}, where Dm_.ra - the calculated distance of the change in the direction of the ray path.

Технический результат состоит в автоматическом определении глубины погружения обнаруженного подводного объекта в условиях зональной структуры поля.The technical result consists in automatically determining the immersion depth of the detected underwater object in the conditions of the zonal field structure.

Поясним достижение заявленного технического результата.Let us explain the achievement of the claimed technical result.

При работе в реальных условиях существуют различные траектории распространения зондирующих сигналов и эхосигналов, которые определяются разрезом скорости звука по глубине и положением источником излучения - приема. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств. Л., Судостроение, 1981 г.). Для принятия решения о глубине обнаруженного объекта предлагается воспользоваться результатами расчета гидроакустического поля, которые позволяют определить траекторию лучей и углы выхода лучей на поверхность. При условиях, соответствующих зональной структуре поля, основное направление движения энергии излучения зондирующего сигнала будет направлено попеременно сначала к поверхности, потом в направлении дна, затем снова к поверхности. Для рассчитанного вертикального угла распространения сигналов можно построить траектории, используя текущее распределение скорости в районе расположения гидролокатора и значение глубины погружения гидролокатора. (Акустика океана. М., Наука, 1974 г., с. 210-227). Существующие методы расчета структуры звукового поля при известном распределении скорости звука по глубине и известном положении гидролокатора позволяют рассчитать траектории лучей при распространении сигналов. Для первой зоны освещенности на поверхности для гидролокатора ближней обстановки могут оказаться следующие ситуации: объект находится до начала выхода лучей на поверхность, объект находится в зоне лучей, выходящих на поверхность, и объект находится после зоны выхода лучей на поверхность. В первом случае измеряется дистанция до объекта Доб и дистанция до начала зоны освещенности Днач. Для того чтобы исключить ошибку при определении объекта и зоны освещенности, используется предварительное определение длительности эхосигнала Тэхо<Тпор, где Тпор - максимальная длительность эхосигнала от объекта, и дистанция определяется по положению максимальной амплитуды эхосигнала на длительности Тэхо, которая принадлежит реальному объекту. Измеряют глубину погружения гидролокатора и измеряют распределение разреза скорости звука С по глубине Н. Рассчитывается структура траектории лучей и определяется угол выхода лучей на поверхность Q^°. Определяется разность между дистанцией до начала отражения от поверхности Днач и дистанцией до объекта Доб, дистанцией до окончания отражения от поверхности Дкон. Угол наклона лучей до Днач и угол наклона траектории распространения после Дкон будет одинаков. Таким образом, имеется дистанция до объекта Доб и можно определить среднюю точку зоны отражения от зоны 0,5(Дкон-Днач). По разности между средней точкой и Доб с учетом cosQ^° определяется нижняя граница глубин возможного положения объекта по формуле: Н=cosQ^°{0,5(Дкон-Днач)-Доб}. Если эхосигнала от поверхности не получено, то рассчитывают дистанцию Дм.рас, соответствующую моменту поворота траектории распространения сигнала, и определяют глубину по формуле: Н=cosQ^°{Дм.рас-Доб_.}. В последнем случае оценка глубины будет более точной.When working in real conditions, there are various propagation paths of sounding signals and echo signals, which are determined by the section of the speed of sound in depth and the position of the radiation source — reception. (V.N. Matvienko, Yu.F. Tarasyuk. Range of action of hydroacoustic means. L., Shipbuilding, 1981). To make a decision about the depth of the detected object, it is proposed to use the results of the calculation of the hydroacoustic field, which allow us to determine the path of the rays and the angles of exit of the rays to the surface. Under conditions corresponding to the zonal field structure, the main direction of the radiation energy of the probe signal will be directed alternately first to the surface, then to the bottom, then again to the surface. For the calculated vertical propagation angle of the signals, trajectories can be constructed using the current velocity distribution in the area of the location of the sonar and the value of the depth of immersion of the sonar. (Ocean Acoustics. M., Science, 1974, p. 210-227). Existing methods for calculating the structure of the sound field with a known distribution of the speed of sound along the depth and the known position of the sonar allow you to calculate the paths of the rays during the propagation of signals. For the first illumination zone on the surface for a near-sonar sonar, the following situations may turn out: the object is located before the rays exit to the surface, the object is in the zone of rays reaching the surface, and the object is located after the rays exit to the surface. In the first case, the distance to the Dob object and the distance to the beginning of the Dnach illumination zone are measured. In order to eliminate the error in determining the object and the illumination zone, a preliminary determination of the echo signal duration Tekho <Tpor is used, where Tpor is the maximum echo signal duration from the object, and the distance is determined by the position of the maximum echo signal amplitude at the Tekho duration that belongs to the real object. The depth of immersion of the sonar is measured and the distribution of the sound velocity section C is measured over the depth N. The structure of the ray path is calculated and the angle of exit of the rays to the surface Q ^{° is} determined. The difference is determined between the distance to the beginning of reflection from the surface of Donach and the distance to the object Ext, the distance to the end of reflection from the surface of Don. The angle of inclination of the rays to Dnach and the angle of inclination of the propagation path after Dkon will be the same. Thus, there is a distance to the Dob object and it is possible to determine the midpoint of the reflection zone from the 0.5 zone (Dcon-Donach). From the difference between the midpoint and Dob, taking into account cosQ ^° , the lower boundary of the depths of the possible position of the object is determined by the formula: H = cosQ ^° {0.5 (Dcon-Donach) -Dob}. If the echo signal from the surface is not received, then calculate the distance Dm.ras corresponding to the moment of rotation of the signal propagation path, and determine the depth by the formula: H = cosQ ^° {Dm.ras-Ext _. }. In the latter case, the depth estimate will be more accurate.

Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена фиг. 1.A block diagram of a device that implements the proposed method is presented in FIG. one.

Устройство содержит гидролокатор 1 с антенной излучения и приема, спецпроцессор 2, в состав которого входят последовательно соединенные блок 3 обработки входного сигнала, блок 4 обнаружения сигналов в каналах, блок 5 измерения дистанции до объекта Доб, блок 6 измерения начала зоны Днач и конца зоны Дкон, блок 7 определения глубины погружения, блок 10 управления, отображения и классификации, который соединен с входом гидролокатора 1. Аппаратура 12 измерения распределения скорости звука с глубиной через первый вход блока 9 расчета траектории, через блок 8 определения Q^° угла траектории соединена со вторым входом блока 7 определения глубины погружения Н, а блок 11 измерения глубины погружения гидролокатора соединен со вторым входом блока 9 расчета поля.The device contains a sonar 1 with an antenna of radiation and reception, a special processor 2, which includes a series-connected block 3 of the input signal processing, block 4 detecting signals in the channels, block 5 measuring the distance to the object Add, block 6 measuring the beginning of the Donch zone and the end of the Don zone , block 7 for determining the depth of immersion, block 10 for control, display and classification, which is connected to the input of sonar 1. Equipment 12 for measuring the distribution of sound velocity with depth through the first input of block 9 for calculating the trajectory, black of determination unit 8 Q ^° angle path connected to the second input of the unit 7 determining the immersion depth H, and the depth measuring unit 11 dipping sonar coupled to a second input of the calculation unit 9 of the field.

Любой современный гидролокатор содержит антенну излучения и приема, он является известным устройством, которое широко используется на практике и реализовано в прототипе. Приемная антенна с системой формирования характеристик направленности является известным устройствам, которое используется в современной гидроакустической аппаратуре. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. СПб., Наука, 2004 г., стр. 95-99, с. 237-255).Any modern sonar contains an antenna for radiation and reception, it is a known device that is widely used in practice and implemented in the prototype. A receiving antenna with a beamforming system is a known device that is used in modern sonar equipment. (Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov, G.V. Yakovlev. Shipboard acoustic equipment. St. Petersburg, Nauka, 2004, pp. 95-99, pp. 237-255).

Гидроакустические измерители скорости звука являются известными устройствами, они серийно выпускаются и устанавливаются совместно с гидроакустической аппаратурой. (В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане. СПб., Наука, 2003 г., с. 169-227).Hydroacoustic sound velocity meters are known devices; they are commercially available and installed together with hydroacoustic equipment. (VA Komlyakov. Shipborne instruments for measuring the speed of sound and modeling of acoustic fields in the ocean. St. Petersburg, Nauka, 2003, pp. 169-227).

Реализация способа с использованием рассматриваемого устройства происходит следующим образом. Зондирующий сигнал излучается гидролокатором 1 и этой же антенной принимается. Принятые эхосигналы обрабатываются процессором 2, в составе которого имеются блок 3 обработки, где происходит согласованная фильтрация, детектирование и обработка в цифровом виде принятых эхосигналов. В блоке 4 спецпроцессора 2 производится выбор порога и обнаружение эхосигналов, которые превысили порог. По этим сигналам определяется временная оценка положения эхосигнала Тэхо и определяется дистанция до объекта Доб. В блоке 6 производится определение эхосигналов, отраженных от поверхности, и определяется дистанция начала Днач отражения от поверхности и дистанция окончания отражения от поверхности Дкон и Тэхо2, а также дистанция изменения направления траектории распространения Дм. рас. Полученные оценки дистанции передаются в блок 7 определения глубины погружения Н=cosQ^°{0,5(Дкон-Днач)-Доб}. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхосигналов, определение радиальной и угловой протяженности и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в литературе: Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. СПб., Наука, 2004 г., с. 95-99, с. 237-255). Предварительно до начала излучения производится измерение распределения скорости звука от глубины и расчет структуры звукового поля с использованием блока 9, куда поступает информация о глубине погружения гидролокатора из блок 11. В блоке 9 рассчитываются траектории распространения сигналов, угол выхода на поверхность Q^°, которые и передаются в блок 7 для определения глубины Н. Расчет траектории распространения лучей является известной операцией, которая используется во всех гидроакустических комплексах. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств. Л., Судостроение, 1981 г.). Полученная оценка глубины передается в блок 12 для отображения результатов на индикаторе.The implementation of the method using the device in question is as follows. The probe signal is emitted by sonar 1 and the same antenna is received. The received echoes are processed by the processor 2, which includes a processing unit 3, where there is a coordinated filtering, detection and digital processing of the received echoes. In block 4 of the special processor 2, a threshold is selected and echo signals that exceed the threshold are detected. Based on these signals, a temporary estimate of the position of the echo echo signal is determined and the distance to the Add object is determined. In block 6, the echo signals reflected from the surface are determined, and the distance of the beginning of the reflection bottoms from the surface and the distance of the end of reflection from the surface Dkon and Tekho2, as well as the distance of changing the direction of the propagation path Dm are determined. races. The obtained distance estimates are transferred to block 7 for determining the depth of immersion H = cosQ ^° {0.5 (Dcon-Dnach) -Dob}. Currently, almost all hydroacoustic equipment is performed on special processors that convert the acoustic signal into a digital form and digitally form the directivity characteristics, multichannel processing and detection of the signal, as well as measuring the amplitudes of the echo signals, determining the radial and angular extent and deciding on the target. These issues are considered in sufficient detail in the literature: Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov, G.V. Yakovlev. Ship sonar equipment. SPb., Science, 2004, p. 95-99, p. 237-255). Prior to the start of radiation, the sound velocity distribution is measured from depth and the sound field structure is calculated using block 9, which receives information about the depth of immersion of the sonar from block 11. In block 9, the propagation paths of signals and the exit angle to the surface Q ^° are calculated. in block 7 for determining the depth N. Calculation of the path of the propagation of rays is a well-known operation that is used in all sonar complexes. (V.N. Matvienko, Yu.F. Tarasyuk. Range of action of hydroacoustic means. L., Shipbuilding, 1981). The resulting depth estimate is transmitted to block 12 to display the results on the indicator.

Таким образом, предлагаемая последовательность операций позволит автоматически определять глубину погружения подводного объекта в условиях зональной структуры поля.Thus, the proposed sequence of operations will automatically determine the immersion depth of the underwater object in the conditions of the zonal field structure.

Claims

A method for measuring the immersion depth of an object, containing radiation from the probe signal at time t ₁ , receiving and digitally processing the echo signal, measuring the time delay between the moments of radiation of the probing signal and receiving the echo signal, determining at distance t _{1 the} distance App to the object from the value of the time delay and the known speed of sound propagation, characterized in that they measure the depth of immersion of the sonar, measure the distribution of the cross section of the speed of sound C along the depth H, calculate the propagation path Anenij rays and define exit angle of rays to the surface Q ^° and Dm.ras corresponding distance direction change path length measured Tahoe echoes from the object by the number of samples exceeds the threshold, determined by the presence of echo signals reflected illumination zones on the surface and the number of samples have exceeded the threshold Teho2 , when the duration of the echo from the object Tekho <Tpor, where Tpor is the maximum duration of the echo from the object, the distance to the object Ext is determined by the temporary position of the maximum amplitude of the echo Ignal, if a second echo signal is detected from the illumination zone with the duration Tekho2> Tpor, then this duration determines the width of the illumination zone by counts exceeding the detection threshold, measure the distance to the start of reflection from the surface of the light zone Dcon by time counting of the middle of the zone, determine the depth of immersion of the object for the measured distance according to the formula: H = cosQ ^° {0.5 (Dcon-Donach) -Dob}, if reflection from the surface is not received, then g Lubin is determined by the formula: H = cosQ ^° {Dm _. ras-Dob}, where Dm _. ra - the calculated distance of the change in the direction of the path of the rays.