RU2795579C1 - Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде - Google Patents

Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде Download PDF

Info

Publication number
RU2795579C1
RU2795579C1 RU2022128926A RU2022128926A RU2795579C1 RU 2795579 C1 RU2795579 C1 RU 2795579C1 RU 2022128926 A RU2022128926 A RU 2022128926A RU 2022128926 A RU2022128926 A RU 2022128926A RU 2795579 C1 RU2795579 C1 RU 2795579C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
relative
speed
aquatic environment
frequency
vessel
Prior art date
Application number
RU2022128926A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Юрьевич Волощенко
Елизавета Вадимовна Волощенко
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн"
Application granted granted Critical
Publication of RU2795579C1 publication Critical patent/RU2795579C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к акустическим способам активной локации, в основе функционирования которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел. В многочастотном доплеровском способе измерений скорости течений в водной среде осуществляют измерение сдвига частоты принятой рассеянной волны по отношению к частоте излученной, косвенным образом определяют как скорость перемещения носителя источника волн относительно рассеивающей поверхности, так и наоборот - скорость перемещения рассеивающей поверхности относительно источника. В заявляемом многочастотном импульсном доплеровском способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволяет выбирать необходимую скоростную чувствительность, увеличить точность определения скорости судна-носителя как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды. Сопоставление доплеровских сдвигов для различных глубин на рабочих сигналах кратных частот между собой дает возможность дополнительно получать уточненные данные о распределении направлений и величин скоростей морских течений в звукорассеивающих слоях водной среды по глубине, т.е. исследовать в импульсном режиме тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений. Технический результат изобретения заключается в увеличении скоростной чувствительности доплеровского метода за счет использования нелинейного эффекта самовоздействия, возникающего при распространении в водной среде мощного УЗ-сигнала конечной амплитуды. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к акустическим способам активной локации, в основе функционирования которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел.
При реализации заявляемого способа, осуществляют измерение сдвига частоты принятой рассеянной волны по отношению к частоте излученной, косвенным образом определяют как скорость перемещения носителя источника волн относительно рассеивающей поверхности, так и наоборот - скорость перемещения рассеивающей поверхности относительно источника. В заявляемом многочастотном импульсном доплеровском способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит выбирать необходимую скоростную чувствительность, увеличить точность определения скорости судна-носителя как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды. Сопоставление доплеровских сдвигов для различных глубин на рабочих сигналах кратных частот между собой дает возможность дополнительно получать уточненные данные о распределении направлений и величин скоростей морских течений в звукорассеивающих слоях водной среды по глубине, т.е. исследовать в импульсном режиме тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений.
Известен доплеровский однолучевый способ измерения скорости судна-носителя аппаратуры относительно дна или неподвижных объектов (К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. Основы и применения. - пер. с англ., Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. с.357 - 361.) в воде, заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры электроакустические преобразователи (далее - ЭАП), образующие пару, но с разными режимами работы - излучающий и приемный, акустические оси апертур каждого из ЭАП находятся в диаметральной плоскости (ось
Figure 00000001
) судна, параллельны и направлены вперед по курсу наклонно к плоскости горизонта в сторону морского дна;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя с компонентой скорости
Figure 00000002
в диаметральной плоскости (ось
Figure 00000001
), которое за счет внешних воздействий (ветер, течение водной среды и т.д.) двигается и в траверзной плоскости (ось
Figure 00000003
) с компонентой скорости
Figure 00000004
, в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью
Figure 00000005
;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой
Figure 00000006
, поступающий на пьезоэлемент излучающего ЭАП;
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлемента излучающего ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой
Figure 00000006
, ультразвуковую (далее -УЗ) волну, распространяющуюся в водной среде со скоростью
Figure 00000007
в виде узкого пучка с угловой шириной
Figure 00000008
по уровню 0,7, у которого акустическая ось расположена под углом
Figure 00000009
к плоскости горизонта в сторону морского дна по курсу, причем, пучок УЗ волн распространяется вперед по курсу движения в диаметральной плоскости (ось х) судна;
- облучают наклонным относительно горизонта пучком как объем водной среды, заполненный k слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), так и участок дна, и устанавливают акустические контакты с подвижными и неподвижными рассеивателями соответственно;
- принимают на фоне объемной реверберационной помехи донный эхосигнал, который попадает на пьезоэлемент приемного ЭАП двигающегося со скоростью
Figure 00000002
судна-носителя;
- вырабатывают за счет прямого пьезоэффекта электрический сигнал с частотой колебаний
Figure 00000010
, поступающий в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна с компонентой скорости
Figure 00000002
относительно дна;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрический сигнал с доплеровской частотой
Figure 00000011
, экспериментально определив которую, рассчитывают за счет вторичной обработки компоненту скорости движения судна
Figure 00000002
относительно дна;
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Данный способ имеет недостатки и ограничения в применении, связанные с малой точностью косвенных измерений скорости, неудовлетворительно работает при кренах и дифферентах судна, при его вертикальных перемещениях, не дает возможности определять поперечный снос относительно курса судна, так как отсутствует учет влияния компоненты скорости в траверзном направлении, не обеспечена возможность выбора необходимой для изменяющихся условий лоцирования частоты зондирующего сигнала, и, соответственно, дальности действия. Существенным ограничением метода является отсутствие пространственного разрешения, т.к. применение режима непрерывного излучения УЗ не позволяет различать сигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема, геометрические размеры которого определяются как угловой шириной основного лепестка ХН, так и боковым полем системы ЭАП, т.е. метод не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине.
Известен также доплеровский двухлучевой способ измерения скорости корабля (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62), относительно дна или неподвижных объектов в воде, заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры четыре ЭАП, скомбинированные попарно по режиму работы - излучающий и приемный, акустические оси апертур каждой из двух пар ЭАП находятся в диаметральной (ось
Figure 00000012
) плоскости судна -носителя, акустические оси в парах ЭАП - параллельны, а для каждой из двух пар ЭАП направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма) в две области морского дна, лежащие симметрично впереди и позади по курсу ;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя с компонентой скорости
Figure 00000002
в диаметральной плоскости (ось
Figure 00000001
), которое за счет внешних воздействий (ветер, течение водной среды и т.д.) двигается и в траверзной плоскости (ось
Figure 00000003
) с компонентой скорости
Figure 00000004
, в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью
Figure 00000005
;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой
Figure 00000006
, поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП ;
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлементов излучающих ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой
Figure 00000006
, УЗ волны, распространяющиеся в водной среде со скоростью
Figure 00000013
в виде узких пучков с угловой шириной
Figure 00000008
по уровню 0,7, у которых акустические оси расположены под углом
Figure 00000009
к плоскости горизонта в сторону морского дна, причем, пучки направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма) в две области морского дна, лежащие симметрично впереди и позади по курсу, в частности, - вперед (нос) и назад (корма);
- облучают синхронно наклонными относительно горизонта пучками симметрично расположенные впереди и позади по курсу в системе координат судна - носителя (х,у) как объемы водной среды, заполненные k слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), так и участки дна, и устанавливают акустические контакты с подвижными и неподвижными рассеивателями соответственно;
- принимают на фоне объемной реверберационной помехи донный эхосигнал, который попадает на пьезоэлементы приемных ЭАП двигающегося с путевой скоростью
Figure 00000005
относительно дна судна-носителя;
- вырабатывают за счет прямого пьезоэффекта приемных ЭАП электрические сигналы с частотами колебаний
Figure 00000014
и
Figure 00000015
,
- где
Figure 00000016
,
Figure 00000017
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед, так и назад по курсу судна-носителя, движущегося с компонентой скорости
Figure 00000018
относительно дна, где:
Figure 00000018
- продольная компонента путевой скорости судна относительно дна,
Figure 00000019
- угол наклона акустических осей узких УЗ пучков относительно плоскости горизонта,
поступающие в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрический сигнал с доплеровскими частотами
Figure 00000020
, экспериментально определив которую, рассчитывают за счет вторичной обработки величину продольной компоненты скорости движения судна-носителя относительно дна в диаметральной плоскости судна (ось х)
Figure 00000021
где
Figure 00000022
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры;
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.
Недостатком метода является то, что он не позволяет определять поперечный снос относительно курса судна, так как отсутствует учет влияния компоненты скорости
Figure 00000004
в траверзном направлении, флуктуационная погрешность и погрешность смещения максимума энергии доплеровского спектра и для двухлучевой схемы построения доплеровского лага приводит к существенной неизменной погрешности измерения скорости судна. Причины, препятствующие достижению заявляемого технического результата и ограничивающие точность косвенного измерения скорости движения судна, не устранены, в частности, не обеспечено различение эхосигналы от рассеивателей, расположенных в соседних слоях озвученного водного объема и движущихся каждый по-своему, что не позволяет получать данные о тонкой структуре распределения скорости течения по глубине в реальном масштабе времени.
Наиболее близким к заявляемому способу является доплеровский четырехлучевой способ измерения путевой скорости корабля относительно дна (см. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука. - 2004, с.99 - 115), заключающийся в том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры по меньшей мере восемь ЭАП, скомбинированных в пары «излучающий ЭАП - принимающий ЭАП», акустические оси апертур каждой из двух пар ЭАП находятся во взаимноперпендикулярных плоскостях судна -носителя: -диаметральной (ось
Figure 00000001
) и траверзной (ось
Figure 00000023
), акустические оси в парах ЭАП - параллельны, а для каждой из двух пар ЭАП направлены относительно курса - вперед (нос) и назад (корма), а также - влево (левый борт, л.б.) и вправо (правый борт, п.б.) в четыре взаимноперпендикулярные области морского дна;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя относительно дна по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред, причем, с компонентами скорости
Figure 00000002
и
Figure 00000024
в диаметральной - ось
Figure 00000001
- и траверзной - ось
Figure 00000003
- плоскостях судна, в результате чего относительно дна судно - носитель движется с путевой скоростью
Figure 00000005
;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры непрерывный гармонический сигнал с частотой
Figure 00000006
, поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП;
- формируют в водной среде за счет как обратного пьезоэффекта пьезоэлементов излучающих ЭАП, так и интерференции волновых процессов с частотой
Figure 00000006
, УЗ волны, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью C в виде узких пучков с угловой шириной
Figure 00000025
по уровню 0,7, у которых акустические оси расположены под углом
Figure 00000009
к плоскости горизонта в сторону морского дна,
и облучают взаимоперпендикулярно расположенные относительно курса как объемы водной среды, так и участки дна соответственно, что обеспечивает осуществление акустических контактов с подвижными и неподвижными рассеивателями, причем, пучки находятся в диаметральной и траверзной плоскостях судна-носителя - вперед «нос» и назад «корма», а также - влево «левый борт» и вправо «правый борт»;
- регистрируют донные эхосигналы пьезоэлементами приемных ЭАП на фоне объемной реверберационной помехи;
- преобразуют регистрируемые эхосигналы за счет прямого пьезоэффекта приемных ЭАП в электрические сигналы с частотами колебаний
Figure 00000026
и
Figure 00000027
,
где
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости
Figure 00000018
и
Figure 00000030
относительно дна
и передают в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна - носителя с путевой скоростью
Figure 00000005
относительно дна;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрические сигналы с доплеровскими частотами
Figure 00000020
и
Figure 00000031
,
где
Figure 00000032
и
Figure 00000033
- доплеровские сдвиги частот электрических сигналов для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «лев.борт - прав.борт» - судна-носителя с компонентами путевой скорости
Figure 00000018
и
Figure 00000004
соответственно относительно дна
и рассчитывают за счет вторичной обработки путевую скорость υ движения судна-носителя, ее продольную
Figure 00000034
и поперечную
Figure 00000004
компоненты относительно дна, а также угол смещения
Figure 00000035
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна по формулам:
Figure 00000036
где
Figure 00000022
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
Figure 00000037
где
Figure 00000022
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
Figure 00000038
и фиксируют результаты измерений и вычислений.
В способе-прототипе реализован лишь режим измерений параметров движения судна относительно дна с использованием сигналов донной реверберации, в то время как сигналы объемной реверберации не используются для получения дополнительной информации, например, о тонкой структуре пространственно-временной картины поля подводных течений в слоистой морской среде, а также увеличения точности определения скорости судна как на мелководье относительно дна, так и в глубоководных районах относительно водной среды.
Известно, что облучение рассеивающей поверхности коническим пучком звуковых волн приводит к расширению доплеровского спектра частот, причем, ширина этого спектра приблизительно может быть оценена из соотношения (см. Виницкий А.С. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М., Сов. Радио, 1961 )
Figure 00000039
Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешности в определении доплеровского сдвига по следующей причине. Величина мгновенной частоты доплеровского спектра флюктуирует относительно среднего значения частоты спектра, причем, в данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна
Figure 00000040
фл доплеровским лагом может быть оценена из соотношения (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.85)
Figure 00000041
где
Figure 00000042
- доплеровская длина волны сигнала;
Figure 00000043
- время усреднения результатов
Figure 00000044
измерений мгновенных значений частоты
Figure 00000045
пришедшего сигнала. Из соотношения следует, что для уменьшения флуктуационной погрешности желательно уменьшать угловую ширину
Figure 00000025
главного максимума ХН по уровню 0,7 и длину волны доплеровского
Figure 00000042
рассеянного сигнала при увеличении времени усреднения
Figure 00000043
.
Задачей изобретения является расширение тактических параметров гидроакустической аппаратуры, которые характеризуют возможности аппаратуры по обнаружению объектов и обеспечению наблюдения за ними, (см. В.И.Кудрявцев Промысловая гидроакустика и рыболокация М.: Пищ пром., 1978, стр.113-133) гидроакустической аппаратуры, в частности, доплеровских навигационных систем в режиме измерения скоростей течений в слоистой водной среде на ходу судна (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана под ред В.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, стр.155 - 163). Задача решается измерением в реальном масштабе времени данных о распределении направлений и величин скоростей морских течений в слоях водной среды по глубине, что в совокупности позволяет отобразить и зарегистрировать тонкую структуру пространственно-временных характеристик поля скорости морских течений непосредственно с борта судна при его движении (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана под ред В.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, стр.234 - 239).
Технический результат изобретения заключается в увеличении скоростной чувствительности доплеровского метода за счет использования нелинейного эффекта самовоздействия, возникающего при распространении в водной среде мощного УЗ сигнала конечной амплитуды.
Технический результат достигается тем, что в доплеровский четырехлучевой способ измерения путевой скорости корабля относительно дна, основанный на том, что:
- устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры по меньшей мере восемь ЭАП, скомбинированных в пары «излучающий ЭАП-принимающий ЭАП»;
- обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна - носителя относительно дна по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред;
- генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры движущегося относительно дна судна - носителя непрерывный гармонический сигнал с частотой
Figure 00000006
, поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП;
- формируют УЗ волны, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью C в виде узких пучков с угловой шириной
Figure 00000025
по уровню 0,7, и облучают взаимоперпендикулярно расположенные как объемы водной среды, так и участки дна соответственно, что обеспечивает осуществление акустических контактов с подвижными и неподвижными рассеивателями, причем, пучки находятся в диаметральной и траверзной плоскостях судна-носителя - вперед «нос» и назад «корма», а также - влево «левый борт» и вправо «правый борт»;
- регистрируют донные эхосигналы пьезоэлементами приемных ЭАП;
- преобразуют регистрируемые эхосигналы в электрические сигналы с частотами колебаний
Figure 00000046
,
и
Figure 00000047
,
Figure 00000048
,
и
Figure 00000049
,
где
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ волн, которые несут информацию о акустических контактах с рассеивателями, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости
Figure 00000018
и
Figure 00000030
относительно дна,
Figure 00000018
- продольная компонента путевой скорости судна относительно дна,
Figure 00000030
- поперечная компонента путевой скорости судна относительно дна,
Figure 00000009
- угол наклона акустических осей узких УЗ пучков относительно плоскости горизонта
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрические сигналы с доплеровскими частотами
Figure 00000050
и
Figure 00000051
,
где
Figure 00000032
и
Figure 00000033
- доплеровские сдвиги частот электрических сигналов УЗ волны с частотой
Figure 00000006
для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «левый борт - правый борт» судна-носителя с компонентами путевой скорости
Figure 00000002
и
Figure 00000004
относительно дна;
- определяют за счет вторичной обработки путевую скорость υ движения судна-носителя, ее продольную
Figure 00000034
и поперечную
Figure 00000004
компоненты относительно дна, а также угол смещения
Figure 00000035
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна по формулам:
Figure 00000052
,
где
Figure 00000022
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
Figure 00000053
,
где
Figure 00000022
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
Figure 00000054
Figure 00000055
- и фиксируют результаты измерений и вычислений
дополнительно введены следующие операции:
- преобразуют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры колебания непрерывного электрического сигнала с частотой
Figure 00000006
в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные радиоимпульсы прямоугольной формы и усиливают по мощности полученные радиоимпульсы прямоугольной формы с несущей частотой
Figure 00000006
;
- генерируют за счет нелинейного эффекта самовоздействия в водной среде импульсные УЗ волны с несущими частотами
Figure 00000056
, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью
Figure 00000057
в виде узких соосных пучков с различной угловой шириной
Figure 00000058
по уровню 0,7, и облучают ими взаимоперпендикулярно расположенные объемы водной среды, устанавливая акустические контакты с подвижными рассеивателями водной среды;
- определяют в соответствии с эффектом Доплера величины частот импульсных УЗ волн кратных частот;
- принимают эхосигналы объемной реверберации, рассеянные i-тыми слоями водной среды, где i от 1 до k;
- осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…,
Figure 00000059
, ..,
Figure 00000060
горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот
Figure 00000061
стробирование полученной амплитудной информации, задавая одинаковые значения ширины строба
Figure 00000062
, , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба, для получения по
Figure 00000063
горизонту глубин расчетных данных об усредненной величине скорости
Figure 00000064
течения;
- задают идентичные параметры стробирования в (
Figure 00000065
-1) канальном устройстве первичной обработки информации приемного тракта для каждой из УЗ волн кратных частот;
- преобразуют принятые эхосигналы объемной реверберации в электрические сигналы с кратными частотами колебаний
Figure 00000066
Figure 00000067
Figure 00000068
Figure 00000069
где
Figure 00000070
,
Figure 00000071
,
Figure 00000072
,
Figure 00000073
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот
Figure 00000065
-ых гармоник УЗ волн (
Figure 00000065
=2, 3, 4, …..), которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями i-того слоя водной среды, где i от 1 до k, причем, при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости
Figure 00000074
Figure 00000075
относительно i-того слоя водной среды
Figure 00000076
- продольная компонента скорости судна относительно i-того слоя водной среды;
Figure 00000077
- поперечная компонента скорости судна относительно i-того слоя водной среды;
Figure 00000009
- угол наклона акустических осей излучаемых пучков
Figure 00000065
-ых гармоник УЗ волны (
Figure 00000065
=2, 3, 4, …..) относительно плоскости горизонта
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
- вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки (
Figure 00000065
-1) электрических сигналов с доплеровскими частотами
Figure 00000078
,
Figure 00000079
где
Figure 00000080
и
Figure 00000081
- доплеровский сдвиг частот электрических сигналов с величинами частот
Figure 00000065
-ой гармоники УЗ волны (
Figure 00000065
=2, 3, 4, …..) для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «лев.борт - прав.борт» - судна-носителя с компонентами путевой скорости
Figure 00000082
и
Figure 00000083
относительно i-того слоя водной среды;
- определяют за счет вторичной обработки полученных электрических сигналов величину путевой скорости
Figure 00000084
движения судна-носителя, ее продольную
Figure 00000085
и поперечную
Figure 00000086
компоненты относительно i-того слоя водной среды, а также угол смещения
Figure 00000087
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна
Figure 00000088
,
где
Figure 00000089
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя;
Figure 00000090
,
где
Figure 00000091
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
Figure 00000092
Figure 00000093
;
- рассчитывают величины (
Figure 00000065
-1) значений векторов скоростей течения
Figure 00000094
, …..,
Figure 00000095
в i-том слое как разность вектора путевой скорости судна-носителя относительно дна, измеренной на сигналах донной реверберации и соответствующих векторов путевых скоростей судна-носителя относительно i-того слоя, измеренных на сигналах объемной реверберации кратных частот;
- фиксируют результаты в виде семейства (
Figure 00000065
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема;
- выбирают из полученного семейства (
Figure 00000065
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема данные, соответствующие заданной точности измерений.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ, которая содержит излучающий тракт, а также часть приемного тракта - доплеровский диаметральный канал, в котором определяется продольная компонента
Figure 00000034
скорости судна (часть приемного тракта - доплеровский траверзный канал - для определения поперечной компоненты
Figure 00000004
путевой скорости судна полностью идентичен указанному и на фиг.1 не показан).
На Фиг. 2 схематически изображена ориентация лучей, находящихся в диаметральной плоскости судна-носителя, для многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы, реализующей заявляемый способ, и их прохождение через модель слоистой водной среды;
На Фиг. 3 представлена временная эпюра импульсного режима работы многочастотной импульсной доплеровской навигационной системы, реализующей предлагаемый способ (эпюра, изображенная сплошной жирной линией, - используется для сигнала с частотой
Figure 00000006
, а изображенная пунктиром - для сигналов с частотами (
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,….
Figure 00000098
).
Реализующая заявляемый способ, многочастотная импульсная доплеровская навигационная система содержит общий излучающий тракт и доплеровские диаметральный и траверзный каналы, координация работы которых осуществляется с помощью блока 18 управляющих сигналов. Излучающий тракт включает в себя - генератор 1, соединенный через импульсный модулятор 2 и усилитель мощности 3. Выход усилителя мощности 3 соединен с входами четырех излучающих ЭАП 4 («нос», «корма» - диаметральный канал, «левый борт», «правый борт» - траверзный канал), на фиг.1 изображены блоки излучающего тракта и диаметрального канала, поступление информации на который обеспечивают два приемных ЭАП 5, связи с соответствующими аналогичными блоками траверзного канала изображены стрелками 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, направленными вправо). В частности, по порядку следования снизу вверх:
нижняя стрелка 19 - связь выхода усилителя мощности 3 с двумя излучающими ЭАП 4 («левый борт», «правый борт») траверзного канала,
вторая 20, третья 21 и четвертая 22 стрелки снизу соответственно - связи выходов блока 18 управляющих сигналов со строб-входами резонансных усилителей 6, 7, …8 траверзного канала,
пятая стрелка 23 снизу соответственно - связь выходов блока 18 управляющих сигналов с управляющими входами четырех
Figure 00000065
-входовых аналоговых ключей 12, 13 траверзного канала,
шестая стрелка 24 снизу, соответственно - связи дополнительного выхода генератора 1 с сигнальными входами блока 16 умножения частоты на 2, блока 15 умножения частоты на
Figure 00000065
и двух
Figure 00000065
-входовых аналоговых ключей 13 траверзного канала,
седьмая стрелка 25 снизу соответственно - связь выхода блока 15 умножения частоты на
Figure 00000065
с сигнальным входом аналогового ключа 13 траверзного канала,
восьмая стрелка 26 снизу соответственно - связь выхода блока 16 умножения частоты на 2 с сигнальным входом аналогового ключа 13 траверзного канала.
Излучающие ЭАП 4 («нос», «корма» - диаметральный канал, «левый борт», «правый борт» - траверзный канал) через нелинейную водную среду распространения УЗ сигналов, заполненную k слоями движущихся каждый по-своему подвижных рассеивателей (пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), а также участки, дна акустически связаны с четырьмя приемными ЭАП 5 («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») (на фиг. 1 показана только структурная схема излучающего тракта устройства с приемным трактом доплеровского диаметрального канала, а приемный тракт доплеровского траверзного канала полностью «симметрично» идентичен и не показан). Излучающие и приемные ЭАП расположены попарно («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») и установлены таким образом, чтобы осуществлять излучение и прием УЗ колебаний под углом
Figure 00000009
к горизонту как вперед («нос»), так и назад («корма») относительно курса судна в его диаметральной плоскости , а также как влево («левый борт»), так и вправо («правый борт») относительно курса судна в его траверзной плоскости. Приемные ЭАП 5 («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») соединены с входами 4
Figure 00000065
резонансных усилителей 6, 7, …8, настроенных соответственно на частоты (
Figure 00000006
,
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,…
Figure 00000098
), причем, выходы резонансных усилителей 6, 7, …8 с одинаковыми частотами настройки
Figure 00000006
,
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,…
Figure 00000098
и попарно с указанных направлений («нос» и «корма»; «левый борт» и «правый борт») соединены со входами 2
Figure 00000099
частотных дискриминаторов 9, 10, …, 11 (направление «нос» и «корма» и направление «левый борт» и «правый борт»), выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации 17. Измерительный режим, применяемом в случае необходимости независимого разноглубинного получения данных о тонкой структуре распределения скорости течения в каждом из четырех направлений в отдельности, реализуется с использованием дополнительных связей и блоков - двух аналоговых ключей 12 и двух аналоговых ключей 13, двух частотных дискриминаторов 14, двух умножителей частоты 15, 16 - диаметрального и траверзного каналов соответственно.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
Многочастотная импульсная доплеровская навигационная система устанавливается на перемещающемся за счет движителя со скоростью υ относительно дна судне- носителе по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред. Генератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал частотой
Figure 00000006
, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора 2, на управляющий вход которого поступают с блока управления 18 периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с частотой заполнения
Figure 00000006
поступают через усилитель мощности 3 на ЭАП 4 обоих каналов («нос», «корма», «левый борт», «правый борт»), которые излучают в сторону дна (вперед, назад, влево, вправо относительно направления «нос - корма», ось х) УЗ пучки с угловой шириной
Figure 00000008
по уровню 0,7, наклонённые на угол
Figure 00000009
относительно горизонта. УЗ колебания распространяются в водной среде, обладающей нелинейностью упругих характеристик, причем, при распространении в среде акустические сигналы конечной амплитуды испытывают накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,….
Figure 00000098
излученных сигналов c частотой
Figure 00000006
.
Неоднородности водной среды и ее границ (дно и поверхность) обусловливают появление полей рассеяния УЗ, которые в месте расположения приемных и излучающих ЭАП, создают эффект, называемый реверберацией, которую подразделяют на три вида:
- объемную, определяемую рассеянием звука на распределенных по всему объему воды рассеивателях ( пузырьки, взвешенные частицы, планктон и нектон, различные неоднородности и т.п.), которые могут образовывать геометрические области в водной среде, называемые рассеивающими слоями, в некоторых случаях рассеивающий слой также может возникать при локализации в пределах некоторой области физических условий, обусловливающих случайное в пространстве-времени отклонение характеристик среды (температуры, солености, скорости течений) от средних значений, что влечет за собой случайные отклонения скорости звука и как следствие - рассеяние на объемных статистических неоднородностях (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е.Колесникова.- Л.:Судостроение,1989, с.180);
- поверхностную, обусловленную рассеянием звука водной поверхностью и неоднородностями в приповерхностном слое;
- донную, характеризующуюся рассеянием от неровностей дна,
причем, в нашем случае наиболее актуальны первый и третий виды.
Полигармонические волновые поля акустических локационных сигналов кратных частот
Figure 00000006
,
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,….
Figure 00000098
, имеющие форму узких соосных пучков с различной угловой шириной
Figure 00000008
,
Figure 00000058
по уровню 0,7, распространяются через данную слоистую структуру водной среды (см. фиг.1, 2 для диаметрального направления «нос»-«корма», для траверзного направления - не показано). Таким образом, на каждой из частот
Figure 00000006
,
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,….
Figure 00000098
образуется 4
Figure 00000065
водных измерительных объемов, облучаемых УЗ сигналами от ЭАП 4 в четырех направлениях («нос», «корма», «левый борт», «прав. борт»). В каждом слое измерительных объемов содержатся отражающие УЗ волны объекты с различной концентрацией и различного происхождения (газовые пузыри, биомассу - водоросли, рыбы, планктон), случайным образом расположенные в
Figure 00000100
слоях и движущиеся со скоростями
Figure 00000101
,
Figure 00000102
,
Figure 00000103
,…,
Figure 00000104
, ,
Figure 00000105
, вместе с течениями слоев в указанных направлениях «нос», «корма», «левый борт», «правый борт» на данных глубинах. УЗ колебания кратных частот отражаются от движущихся с разными скоростями слоев водной структуры, претерпевая для каждой гармонической компоненты
Figure 00000006
,
Figure 00000096
,
Figure 00000097
,….
Figure 00000098
соответствующий доплеровский сдвиг частоты
Figure 00000106
. Знак (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения судна в четырех направлениях («нос», «корма», «левый борт», «правый борт») относительно рассеивателей - приближению или удалению. Это позволяет рассчитать величины как продольной и поперечной компонент скорости, так и модуля скорости судна
Figure 00000107
относительно рассеивающих объектов в каждом
Figure 00000108
-том горизонтальном слое (где
Figure 00000108
изменяется в пределах от 1 до
Figure 00000100
). Отметим, что УЗ колебания кратных частот, распространяясь далее, также достигают дна по всем четырем направлениям и отражаются от него, также претерпевая для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты
Figure 00000109
. Аналогично описанному выше, знак (+) или (-), а также величина доплеровского сдвига частот дают информацию о параметрах движения судна - приближению или удалению - относительно рассеивателей на донной поверхности, а также о значении путевой скорости судна
Figure 00000110
относительно донной поверхности.
Учитывая физические особенности нелинейной генерации и распространения УЗ сигналов высших гармоник, состоящие в том, что максимальная амплитуда звукового давления сформировавшейся n-ной гармоники обратно пропорциональна ее номеру n, а пространственное затухание данных волновых процессов в водной среде пропорционально второй степени частоты сигнала, наибольшая дальность действия устройства будет обеспечена при работе на сигнале основной частоты
Figure 00000006
, а наименьшая - на частоте наивысшей используемой гармоники
Figure 00000098
. Это обусловит использование для измерения путевой скорости корабля
Figure 00000110
относительно рассеивающий донной поверхности сигнала основной частоты
Figure 00000006
и исключение сканирования приемного строба по дальности в этом канале во избежание потери акустического контакта с дном, в то время как в других более высокочастотных каналах режим измерения относительной скорости по сигналам объемной реверберации при сканировании приемного строба по дальности и длительности может дать требуемый результат - возможность точного косвенного определения направления и величины скорости течений
Figure 00000111
на рассматриваемых глубинах.
Ниже рассмотрим работу только диаметрального канала выделения доплеровских частот, так как функционирование траверзного канала полностью аналогично. УЗ пучки лежат в диаметральной плоскости «нос - корма», и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от движущихся с разными скоростями горизонтальных слоев структуры водной среды и донной поверхности колебания со стороны носа и со стороны кормы (см. фиг.1) поступают на соответствующие ЭАП 5 («нос», «корма»), вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно,
Figure 00000112
поступающие в приемный тракт гидроакустической аппаратуры движущегося судна - носителя с продольной компонентой путевой скорости
Figure 00000113
относительно i-того слоя водной среды, а также
Figure 00000114
которые обрабатываются в соответствующих n-канальных приемных трактах диаметрального канала.
Внутри измерительного объема, геометрические размеры которого определяются направленностью приемно-излучающих ЭАП 4, 5 и длительностью излучаемого импульса, в слоистой водной среде рассеиватели могут двигаться на разных удалениях от ЭАП 4, 5 в различных направлениях и с произвольными по величине скоростями
Figure 00000111
в каждом i-том рассеивающем горизонтальном слое (где i изменяется в пределах от 1 до k), в результате чего доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов различной частоты, т.е. имеет сплошной спектр, а облучение рассеивающей донной поверхности коническим пучком звуковых волн приводит также к расширению доплеровского спектра частот.
Режим измерения продольной компоненты путевой скорости судна с использованием сигналов донной реверберации реализован на рабочем сигнале с частотой f при условии выполнения требований к известным импульсным доплеровским навигационным устройствам (см. Гусев Н.М., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-66).
Для пространственного разрешения отдельных слоев водной структуры, т.е. приема и обработки эхосигналов от движущихся с продольной компонентой скорости течения
Figure 00000115
рассеивателей, расположенных в интересующем i-том слое озвученного водного объема, осуществляется следующее. В двух n-канальных приемных трактах («нос», «корма») диаметрального канала выделения доплеровских частот предусмотрено согласованное сканирование приемного строба по дальности (глубине) на частотах высших гармоник 2f, 3f, …, nf. Это обеспечит получение (n-1) зависимостей продольной компоненты скорости судна
Figure 00000113
относительно распределенных рассеивателей в слоистой водной среде в определенном диапазоне глубин. Это является существенным отличием предлагаемого устройства от известных импульсных доплеровских лагов.
Изменяя относительно начала излучения сигнала конечной амплитуды задержку приемного строба фиксированной ширины τ 1 сл =… =τ i c л =…=τ k c л в пределах интересующей части периода следования импульсов Т сл (см. фиг.3), можно равномерно изменять дальность локации и непрерывно регистрируя изменение доплеровского сдвига частот на сформировавшихся в водной среде УЗ сигналах высших гармоник 2f, 3f, …, nf, косвенным образом получить зависимости значений продольной компоненты скорости судна
Figure 00000116
относительно рассеивающих объектов в каждом
Figure 00000108
-том рассеивающем горизонтальном слое в необходимом интервале глубин для направления «нос»-«корма».
С этой целью электрические сигналы, выработанные приемными ЭАП 5 («нос», «корма»), подаются на сигнальные входы двух резонансных стробируемых усилителей 6, настроенных соответственно на частоты f , а также на сигнальные входы 2(n-1) стробируемых резонансных усилителей 7, … 8, настроенных соответственно на частоты 2f, 3f,…, nf. Изменяя с помощью блока управления 18 величину задержки времени приемного строба относительно излучаемого ЭАП 4 импульсного сигнала конечной амплитуды, для двух направлений («нос», «корма»), можно выбирать глубину локации, а изменяя ширину приемного строба - регулировать величину измерительного объема рассеивателей, заключенных в движущемся слое водной массы. Это позволит на кратных рабочих частотах высших гармоник, последовательно перемещая измерительный объем вдоль оси пучков в указанных направлениях, косвенным образом измерять распределение продольных компонент скоростей течений
Figure 00000117
для различных слоев водной среды как суперпозицию продольных компонент путевых скоростей судна относительно движущихся объектов в каждом
Figure 00000108
-том рассеивающем горизонтальном слое и рассеивающий неподвижной донной поверхности, зарегистрировав соответствующие доплеровские сдвиги частот в последовательности эхосигналов от них. Соответствующие сигналы (см. фиг.1) с блока управления 18 для этой цели подаются на управляющие входы 2(n-1) стробируемых резонансных усилителей 7, …. 8 данных двух направлений («нос», «корма»), настроенных соответственно на частоты 2f,…nf, причем, указанные выше параметры стробирования (ширина приемного строба τ ic и скорость его перемещения в заданном диапазоне дальностей) для каждой частоты 2f, …, nf могут быть выбраны различными, но для усреднения продольных компонент путевой скорости судна относительно i-того рассеивающего горизонтального слоя на одной частоте ( 2f или 3f…или nf) и двух направлений («нос», «корма») должны быть идентичны и согласованы (т.е. измерительный водный объем одинаков по обоим направлениям для одной и той же частоты, находится в одном слое и параметры сканирования приемных стробов одинаковы).
Электрические сигналы с выходов резонансных усилителей 6, 7, …8 для двух направлений («нос», «корма») поступают на частотные дискриминаторы 9, 10, …. 11, где происходит их перемножение, а затем выделение низкочастотных компонент, соответствующих доплеровским сдвигам частот, фильтром низкой частоты. Таким образом, частотные дискриминаторы 9, 10, … 11 вырабатывают n гармонических электрическиx сигналов с частотами
Figure 00000118
и
Figure 00000020
.
Частоты данных электрических сигналов пропорциональны продольной компоненте скорости судна в его диаметральной плоскости как относительно i-того рассеивающего слоя, так и относительно донной поверхности, где n - число используемых в доплеровской навигационной системе акустических сигналов кратных частот. В результате доплеровские сдвиги частот для сигналов с частотами f, 2f,…nf в диаметральной плоскости судна («нос - корма» ) будут определены с помощью первичной обработки доплеровской информации, что позволит в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 вычислить значения продольных компонент для путевой скорости судна
Figure 00000119
относительно движущихся рассеивателей в каждом
Figure 00000108
-ом горизонтальном слое для направления «нос - корма» и в заданном диапазоне дальностей на (2f,…nf), а также значение продольной компоненты путевой скорости судна
Figure 00000120
относительно донной поверхности на (f) по формулам
Figure 00000121
где
Figure 00000089
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя.
Как указано выше, функционирование траверзного канала (ось у). полностью аналогично работе диаметрального канала (ось х) выделения доплеровских частот. В результате доплеровские сдвиги частот для сигналов с частотами f, 2f,…nf в траверзной плоскости судна («левый борт - правый борт») также будут определены с помощью первичной обработки доплеровской информации, что позволит в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 вычислить значения поперечных компонент для путевой скорости судна
Figure 00000122
относительно движущихся рассеивателей в каждом
Figure 00000108
-ом горизонтальном слое в этом направлении «левый борт - правый борт» и в заданном диапазоне дальностей на (2f,…nf), а также значение поперечной компоненты путевой скорости судна
Figure 00000123
относительно донной поверхности на f по формулам
Figure 00000124
Figure 00000125
=
Figure 00000126
,
где
Figure 00000091
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя.
На основе полученных данных в блоке вторичной обработки доплеровской информации 17 проводят расчеты для судна-носителя:
1) относительно i-того слоя водной среды величин как модуля путевой скорости, так и углов смещения направлений векторов
Figure 00000127
путевых скоростей относительно диаметральной плоскости судна (ось х)
Figure 00000128
=
Figure 00000129
Figure 00000130

Figure 00000131
,
2) относительно неподвижной донной поверхности величин как модуля путевой скорости, так и углов смещения направлений вектора
Figure 00000132
путевой скорости относительно диаметральной плоскости судна (ось х)
Figure 00000133
]
Figure 00000134
.
Полученные данные связаны соотношением
Figure 00000107
, что позволяет рассчитывать в блоке обработки вторичной информации 17 для судовой системы координат (х, у) величины (
Figure 00000065
-1) значений векторов скоростей течения
Figure 00000135
, …,
Figure 00000136
в i-том слое как разность вектора путевой скорости судна-носителя относительно дна, измеренной на сигналах донной реверберации, и соответствующих векторов путевых скоростей судна-носителя относительно i-того слоя, измеренных на сигналах объемной реверберации кратных частот. Заключительным этапом обработки в блоке 17 является отображение, регистрация и документирование результатов измерений в аппаратуре в виде семейства (
Figure 00000065
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема (см. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, стр. 234 - 239) в каждом из которых в выбранном масштабе - на вертикальной оси отложено их заглубление и размещены горизонтальные плоскости проекций (х,у), на которых расположены векторы скорости течения
Figure 00000135
, …,
Figure 00000136
, размещенные соответствующим образом относительно диаметральной плоскости судна (ось х),а также выбор из полученного семейства (
Figure 00000065
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема необходимых данных, которые соответствуют заданной точности измерений косвенного определения направлений и величин скоростей течений на рассматриваемых глубинах.
Технический результат изобретения достигается за счет использования нелинейного эффекта самовоздействия, возникающего при распространении в водной среде мощного УЗ сигнала конечной амплитуды и заключается в увеличении скоростной чувствительности доплеровского метода при использовании высших гармонических компонент, причем, в число раз равное номеру используемой гармоники (11), (12). В частности, при проектировании режима доплеровского измерения скорости течений необходимо оценить возможное дополнительное информативное уширение доплеровского спектра эхосигналов в тракте, использующем сигналы объемной реверберации на высших гармониках
Figure 00000137
, где
Figure 00000138
- скорость звука в среде,
Figure 00000139
- длина волны акустического сигнала с частотой
Figure 00000098
. Так, в предположении, что рассеиватели пассивно переносятся течением, механизм уширения спектра обусловлен следующими причинами (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984, стр. 155 -163):
1)турбулентными пульсациями показателя преломления, происходящими в рассеивающем водном объеме со среднеквадратичной скоростью
Figure 00000140
, где
Figure 00000141
- скорость течения в данном объеме. Уширение спектра для рабочих локационных сигналов в данном случае можно рассчитать
Figure 00000142
,
2)конечностью размера озвучиваемого объема водной среды
Figure 00000143
, где
Figure 00000144
- расстояние до рассеивающего объема,
Figure 00000145
- угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН для ЭАП 4 на кратных частотах,
Figure 00000146
- длительность излучаемого импульса. В данном случае уширение спектра
Figure 00000147
, где
Figure 00000148
- поперечный размер водного объема, рассеивающего акустический сигнал с частотой
Figure 00000149
.
Отсюда следует, что уширение доплеровского спектра эхосигналов кратных частот, имеет значительную величину для более высокочастотных сигналов, обеспечивая большую информативность и чувствительность канала при, соответственно, меньшей величине погрешности измерения.

Claims (69)

1. Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде, заключающийся в том, что:
устанавливают в днище судна-носителя гидроакустической аппаратуры по меньшей мере восемь электроакустических преобразователей (ЭАП), скомбинированных в пары «излучающий ЭАП-принимающий ЭАП»;
обеспечивают за счет использования движителя перемещение судна-носителя относительно дна по заданному курсу, сопровождающееся сносом с него вследствие воздействий водной и воздушной сред;
генерируют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры движущегося относительно дна судна-носителя непрерывный гармонический сигнал с частотой
Figure 00000150
, поступающий на пьезоэлементы излучающих ЭАП;
формируют ультразвуковые (УЗ) волны, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью C в виде узких пучков с угловой шириной
Figure 00000151
по уровню 0,7, и облучают взаимоперпендикулярно расположенные как объемы водной среды, так и участки дна соответственно, что обеспечивает осуществление акустических контактов с подвижными и неподвижными рассеивателями, причем пучки находятся в диаметральной и траверзной плоскостях судна-носителя - вперед «нос» и назад «корма», а также - влево «левый борт» и вправо «правый борт»;
регистрируют донные эхосигналы пьезоэлементами приемных ЭАП;
преобразуют регистрируемые эхосигналы в электрические сигналы с частотами колебаний
Figure 00000152
,
и
Figure 00000153
.,
Figure 00000154
,
и
Figure 00000155
, где
Figure 00000156
,
Figure 00000157
,
Figure 00000158
,
Figure 00000159
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот УЗ-волн, которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями, причем при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости
Figure 00000160
и
Figure 00000161
относительно дна,
Figure 00000160
- продольная компонента путевой скорости судна относительно дна,
Figure 00000161
- поперечная компонента путевой скорости судна относительно дна,
Figure 00000162
- угол наклона акустических осей узких УЗ-пучков относительно плоскости горизонта,
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки электрические сигналы с доплеровскими частотами
Figure 00000163
и
Figure 00000164
,
где
Figure 00000165
и
Figure 00000166
- доплеровские сдвиги частот электрических сигналов УЗ-волны с частотой
Figure 00000150
для продольного и поперечного направлений движения «нос - корма» и «левый борт - правый борт» судна-носителя с компонентами путевой скорости
Figure 00000167
и
Figure 00000168
относительно дна;
и определяют за счет вторичной обработки путевую скорость υ движения судна-носителя, ее продольную
Figure 00000169
и поперечную
Figure 00000168
компоненты относительно дна, а также угол смещения
Figure 00000170
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна по формулам:
Figure 00000171
,
где
Figure 00000172
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя,
Figure 00000173
,
Figure 00000172
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
Figure 00000174
Figure 00000175
и фиксируют результаты измерений и вычислений,
отличающийся тем, что
преобразуют в излучающем тракте гидроакустической аппаратуры колебания непрерывного электрического сигнала с частотой
Figure 00000150
в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные радиоимпульсы прямоугольной формы и усиливают по мощности полученные радиоимпульсы прямоугольной формы с несущей частотой
Figure 00000150
;
генерируют за счет нелинейного эффекта самовоздействия в водной среде импульсные УЗ-волны с несущими частотами
Figure 00000176
, распространяющиеся наклонно в водной среде со скоростью
Figure 00000177
в виде узких соосных пучков с различной угловой шириной
Figure 00000178
по уровню 0,7, и облучают ими взаимоперпендикулярно расположенные объемы водной среды, устанавливая акустические контакты с подвижными рассеивателями водной среды;
определяют в соответствии с эффектом Доплера величины частот импульсных УЗ-волн кратных частот;
принимают эхосигналы объемной реверберации, рассеянные i-ми слоями водной среды, где i от 1 до k;
осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2, …,
Figure 00000179
, ..,
Figure 00000180
горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот
Figure 00000181
стробирование полученной амплитудной информации, задавая одинаковые значения ширины строба
Figure 00000182
, их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба, для получения по
Figure 00000183
горизонту глубин расчетных данных об усредненной величине скорости
Figure 00000184
течения;
задают идентичные параметры стробирования в (
Figure 00000185
-1) канальном устройстве первичной обработки информации приемного тракта для каждой из УЗ-волн кратных частот;
преобразуют принятые эхосигналы объемной реверберации в электрические сигналы с кратными частотами колебаний
Figure 00000186
Figure 00000187
Figure 00000188
Figure 00000189
где
Figure 00000190
,
Figure 00000191
,
Figure 00000192
,
Figure 00000193
- определяемые двойным эффектом Доплера величины частот
Figure 00000185
-х гармоник УЗ-волн (
Figure 00000185
= 2, 3, 4, …), которые несут информацию об акустических контактах с рассеивателями i-го слоя водной среды, где i от 1 до k, причем при их распространении соответственно как вперед и назад по курсу судна-носителя, так и в стороны левого и правого бортов поперек курса движения судна-носителя, движущегося с компонентами скорости
Figure 00000194
Figure 00000195
относительно i-го слоя водной среды,
Figure 00000196
- продольная компонента скорости судна относительно i-го слоя водной среды,
Figure 00000197
- поперечная компонента скорости судна относительно i-го слоя водной среды,
Figure 00000162
- угол наклона акустических осей излучаемых пучков
Figure 00000185
-х гармоник УЗ-волны (
Figure 00000185
= 2, 3, 4, …) относительно плоскости горизонта,
и передают их в приемный тракт гидроакустической аппаратуры;
вырабатывают в приемном тракте гидроакустической аппаратуры за счет первичной обработки (
Figure 00000185
-1) электрических сигналов с доплеровскими частотами
Figure 00000198
,
Figure 00000199
,
где
Figure 00000200
и
Figure 00000201
- доплеровский сдвиг частот электрических сигналов с величинами частот
Figure 00000185
-й гармоники УЗ-волны (
Figure 00000185
= 2, 3, 4, …) для продольного и поперечного направлений движения - «нос - корма» и «левый борт - правый борт» - судна-носителя с компонентами путевой скорости
Figure 00000202
и
Figure 00000203
относительно i-го слоя водной среды;
определяют за счет вторичной обработки полученных электрических сигналов величину путевой скорости
Figure 00000204
движения судна-носителя, ее продольную
Figure 00000205
и поперечную
Figure 00000206
компоненты относительно i-го слоя водной среды, а также угол смещения
Figure 00000207
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна
Figure 00000208
,
где
Figure 00000209
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для диаметральной плоскости судна-носителя,
Figure 00000210
,
где
Figure 00000211
- скоростная чувствительность гидроакустической аппаратуры для траверзной плоскости судна-носителя;
Figure 00000212
Figure 00000213
;
рассчитывают величины (
Figure 00000185
-1) значений векторов скоростей течения
Figure 00000214
, …,
Figure 00000215
в i-м слое как разность вектора путевой скорости судна-носителя относительно дна, измеренной на сигналах донной реверберации и соответствующих векторов путевых скоростей судна-носителя относительно i-го слоя, измеренных на сигналах объемной реверберации кратных частот;
фиксируют результаты в виде семейства (
Figure 00000185
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема;
выбирают из полученного семейства (
Figure 00000185
-1) объемных годографов скоростей течений в k слоях стратифицированного водного объема данные, соответствующие заданной точности измерений.
2. Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде по п. 1, отличающийся тем, что
акустические оси излучаемых пучков
Figure 00000185
-х гармоник УЗ-волны (
Figure 00000185
= 2, 3, 4, …) относительно плоскости горизонта расположены под углом
Figure 00000162
к плоскости горизонта в сторону морского дна, для наклонного облучения взаимоперпендикулярно расположенные объемы водной среды и осуществления акустических контактов с подвижными рассеивателями водной среды.
3. Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде по п. 1, отличающийся тем, что
относительно i-го слоя водной среды величины путевой скорости
Figure 00000204
движения судна-носителя, ее продольного
Figure 00000205
и поперечного
Figure 00000206
компонентов, а также угол смещения
Figure 00000207
направления вектора путевой скорости судна относительно диаметральной плоскости судна определяют по формулам:
Figure 00000216
,
Figure 00000217
,
Figure 00000218
Figure 00000219
Figure 00000220
Figure 00000221
Figure 00000222
Figure 00000223
и
Figure 00000224
Figure 00000225
Figure 00000226
,
Figure 00000227
,
Figure 00000228
=
Figure 00000229
Figure 00000230
Figure 00000231
и
Figure 00000232
Figure 00000233
RU2022128926A 2022-11-09 Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде RU2795579C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795579C1 true RU2795579C1 (ru) 2023-05-05

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2817558C1 (ru) * 2023-10-25 2024-04-16 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Способ определения полной совокупности координат морского шумящего объекта

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989005985A1 (en) * 1987-12-17 1989-06-29 Caterpillar Inc. Velocity reference system
RU79187U1 (ru) * 2008-07-02 2008-12-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Многоуровневая импульсная доплеровская навигационная система
EP2228013A1 (de) * 2009-03-13 2010-09-15 Wittenstein AG Verfahren zur simultanen Bestimmung von Position und Geschwindigkeit von Objekten
RU2466425C1 (ru) * 2011-06-01 2012-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности
RU2721307C1 (ru) * 2019-08-01 2020-05-18 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989005985A1 (en) * 1987-12-17 1989-06-29 Caterpillar Inc. Velocity reference system
RU79187U1 (ru) * 2008-07-02 2008-12-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Многоуровневая импульсная доплеровская навигационная система
EP2228013A1 (de) * 2009-03-13 2010-09-15 Wittenstein AG Verfahren zur simultanen Bestimmung von Position und Geschwindigkeit von Objekten
RU2466425C1 (ru) * 2011-06-01 2012-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности
RU2721307C1 (ru) * 2019-08-01 2020-05-18 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В., "Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы", СПб.: Наука, 2004, С.99 - 115. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2817558C1 (ru) * 2023-10-25 2024-04-16 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Способ определения полной совокупности координат морского шумящего объекта

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. A Gaussian finite-element method for description of sound diffraction
Nakamura et al. Sound pressure fields focused using biconcave acoustic lens for normal incidence
RU75062U1 (ru) Доплеровская локационная система
RU83140U1 (ru) Параметрический эхо-импульсный локатор
CN110471032B (zh) 一种水下目标被动定位的方法
RU2795579C1 (ru) Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде
RU75060U1 (ru) Акустическая локационная система ближнего действия
Real et al. An ultrasonic testbench for emulating the degradation of sonar performance in fluctuating media
RU166051U1 (ru) Корреляционный лаг
CN113253284A (zh) 基于目标散射特性的主动声呐干涉条纹生成方法
RU2795577C1 (ru) Многочастотный корреляционный способ измерения скорости течений
RU79187U1 (ru) Многоуровневая импульсная доплеровская навигационная система
Prieur et al. Theoretical improvements when using the second harmonic signal in acoustic Doppler current profilers
RU2799974C1 (ru) Корреляционный способ измерения параметров тонкой структуры водной среды
Gurbatov et al. Physical modeling of nonlinear sound wave propagation in oceanic waveguides of variable depth
Menakath et al. k-Wave as a Modelling Tool for Underwater Acoustical Imaging
Qin et al. The 3D imaging for underwater objects using SAS processing based on sparse planar array
Ing et al. Ultrasonic imaging using spatio-temporal matched field (STMF) processing-applications to liquid and solid waveguides
RU98254U1 (ru) Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг
Voloshchenko et al. Seadrome: unmanned amphibious aerial vehicle sonar equipment for landing-takeoff and water area navigation
Fried An investigation of a large step-down ratio parametric sonar and its use in sub-bottom profiling
RU2721307C1 (ru) Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения
RU2801053C1 (ru) Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды
Iliev et al. Pulse system for evaluation of parameters of electro-acoustic transducers in a hydroacoustic tank
Khil’ko et al. Detection of spatially localized inhomogeneities in refractive waveguides when probing with focused high-frequency acoustic pulses