RU2814150C1

RU2814150C1 - Параметрический профилограф

Info

Publication number: RU2814150C1
Application number: RU2023101040A
Authority: RU
Inventors: Михаил Анатольевич Бородин; Антон Владимирович Вагин
Original assignee: Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Filing date: 2023-01-18
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к акустическим профилографам, предназначенным для дистанционного исследования строения дна, в целях определения типов грунтов осадочной толщи и выявления погруженных в грунт объектов. Технический результат - обеспечение оценки угла прихода эхосигналов в вертикальной плоскости для использования при расчете расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», что приводит к уменьшению методической погрешности оценки указанного расстояния. Результат достигается тем, что предложен параметрический профилограф, который состоит из двухканальной высокочастотной излучающей антенны 1, первой низкочастотной приемной антенны 3, второй низкочастотной приемной антенны 4, двухканального генераторного устройства 2, двухканального приемного блока 5, двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов, двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред, блока 12 классификации, блока 13 расчета угла прихода эхосигнала, блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, блока 11 учета вертикального распределения скорости звука, блока 8 управления и регистрации данных, индикатора 7. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к гидроакустической технике, в частности к акустическим профилографам (ПФ), предназначенным для дистанционного исследования строения дна, в целях определения типов грунтов осадочной толщи и выявления погруженных в грунт объектов.

В настоящее время профилирование дна с помощью ПФ выполняется гидроакустическим методом (Остриянский Е.А., Свечников А.И. Дистанционная послойная классификация донных грунтов акустическим методом // Навигация и гидрография. 2000. №10. С. 93-103).

Профилирование состоит в определении слоистой структуры дна и ее пространственного положения, оценке толщины каждого из выделенных слоев и его классификации с отнесением к одному из типов донного грунта.

Под термином «слой» понимается участок дна, имеющий фиксированный размер по глубине и ограниченный относительно ровными и параллельными поверхностями, в котором содержится донный грунт определенного типа. Границами каждого слоя являются границы раздела сред (между водой и поверхностью дна или между разными типами донного грунта).

При профилировании дна определяют время распространения эхосигнала от антенны до границ раздела сред. Далее амплитуду эхосигналов во временных интервалах между выделенными границами раздела сред используют для выполнения классификации путем сравнения с известными эталонными зависимостями (Stevenson I.R., McCann С., Runciman Р.В. An attenuation-based sediment classification technique using chirp sub-bottom profiler and laboratory acoustic analysis // Marine Geophysical Researches, 2002. Vol. 23. P. 277-298).

После процедуры классификации выполняют оценку толщины каждого из выделенных слоев дна как разность между расстоянием до нижней и верхней границы слоя, соответственно. При этом расстояние отсчитывают от фазового центра приемной антенны ПФ.

Верхний слой дна имеет важное хозяйственное значение, поскольку его параметры - тип донного грунта и толщину используют для оценки объема и трудоемкости дноуглубительных работ в различных акваториях.

Положение верхней границы верхнего слоя дна - границы раздела сред «вода-грунт» определяет начало отсчета по глубине, относительно которого располагаются выделенные слои дна. Кроме того, верхняя граница верхнего слоя дна подвержена различным изменениям, как природного, так и антропогенного характера, и может быть существенно неровной, что требует учета при выполнении профилирования.

Одним из основных источников погрешностей при определении пространственного положения слоев дна по глубине и оценки их толщины выступает погрешность оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт».

Гидроакустическая приемоизлучающая антенна традиционного линейного ПФ обладает сравнительно широкой характеристикой направленности, типовое значение которой лежит в пределах 30°…40°. В результате озвученная область поверхности дна имеет относительно большие размеры даже при небольшом расстоянии до границы раздела сред «вода-грунт».

Для оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» используют эхосигнал с максимальной амплитудой, пришедший по кратчайшему пути между границей раздела сред «вода-грунт» и приемной антенной ПФ.

В случае плоской и гладкой границы раздела сред «вода-грунт» имеет место зеркальное отражение акустических волн, и принимаемый антенной ПФ эхосигнал с максимальной амплитудой приходит с направления, совпадающего с нормалью к облучаемой поверхности дна. При этом составляющая погрешности оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» будет минимальной, поскольку траектория распространения эхосигнала от приемной антенны до границы раздела сред «вода-грунт» и обратно является кратчайшей. При этом угол прихода сигнала имеет нулевое значение.

В случае расчлененного дна с крупными неровностями или наклонного дна наблюдается диффузное рассеяние акустических волн, и эхосигнал с максимальной амплитудой может приходить с направления, отличающегося от нормали к границе раздела сред «вода-грунт». В результате отсутствия учета угла прихода сигналов в вертикальной плоскости возрастает методическая погрешность оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», что, в свою очередь, приводит к искажению оценки толщины верхнего слоя дна и искажению положения начала отсчета по глубине, относительно которого будут определены толщины последующих слоев дна.

На фиг. 1 в качестве примера показана разница расстояний до границы раздела сред «вода-грунт» по нормали и по краю главного лепестка характеристики направленности (ХН) излучающей антенны ПФ, предельную величину которой можно вычислить по формуле (1):

где Н - расстояние до границы раздела сред «вода-грунт», α - угол приема сигнала в вертикальной плоскости.

Следует отметить, что толщина верхнего слоя дна может составлять единицы сантиметров, поэтому важно обеспечить оценку расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» с минимальной погрешностью.

Таким образом, важной задачей является снижение методической погрешности расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», обусловленной влиянием ширины ХН излучающей антенны ПФ и рельефом границы раздела сред.

Известен параметрический ПФ (патент РФ №2518023 опубликовано 10.06.2014 г. на «Способ профилирования донных отложений»), реализующий параметрический принцип формирования низкочастотных акустических сигналов в излучении для обеспечения узкой ХН и содержащий приемную и излучающую антенны, размещаемые на буксируемом носителе, генераторное устройство, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок управления и регистрации данных, индикатор. Использование параметрического ПФ позволяет реализовать узкую ХН при минимальных массогабаритных характеристиках. Данный параметрический ПФ имеет массогабаритные характеристики, позволяющие размещать его аппаратуру на малоразмерных и буксируемых подводных носителях.

Недостатком рассматриваемого устройства-аналога является влияние качки на работу ПФ, а также отсутствие учета вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) при определении расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», что в сочетании с отсутствием учета угла прихода эхосигнала в вертикальной плоскости приводит к существенному увеличению методической погрешности определения указанного расстояния, и, как следствие, к увеличению погрешности оценки толщины верхнего слоя дна.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому ПФ является параметрический профилограф TOPAS PS120 фирмы Kongsberg (www.kongsberg.com), содержащий двухканальную высокочастотную излучающую антенну и низкочастотную приемную антенну, расположенные в днище судна активной поверхностью в сторону дна, двухканальное генераторное устройство, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок расчета времени контакта с границами раздела сред, блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, блок учета ВРСЗ, блок классификации, блок управления и регистрации данных, индикатор.

При этом входы двухканальной высокочастотной излучающей антенны соединены с выходами двухканального генераторного устройства. Выход первой низкочастотной приемной антенны соединен с первым входом приемного блока, выход которого соединен с первым входом блока цифровой обработки сигналов. Выход блока цифровой обработки сигналов соединен с первым входом блока расчета времени контакта с границами раздела сред, выход которого соединен с входом блока классификации, первый выход которого соединен с первым входом блока управления и регистрации данных.

Второй выход блока классификации соединен с первым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев. Первый выход блока учета ВРСЗ соединен со вторым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, выход которого соединен со вторым входом блока управления и регистрации данных. Выходы блока управления и регистрации данных соединены с входами двухканального генераторного устройства, приемного блока, блока учета ВРСЗ и индикатора.

Существенным недостатком устройства-прототипа является отсутствие учета угла прихода сигнала при оценке расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», что увеличивает соответствующую составляющую методической погрешности оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт». Узкая ХН антенны ПФ, формируемая в излучении, также приводит к значительному влиянию качки носителя ПФ на оценку расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», увеличивая методическую погрешность вышеуказанной оценки, несмотря на учет ВРСЗ в воде.

Задача изобретения состоит в уменьшении методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт».

Технический результат заключается в обеспечении оценки угла прихода эхосигналов в вертикальной плоскости для использования при расчете расстояния до границы раздела сред «вода-грунт».

Для достижения указанного технического результата в известный параметрический ПФ для профилирования дна, содержащий двухканальную высокочастотную излучающую антенну и первую низкочастотную приемную антенну, расположенные в днище судна активной поверхностью в сторону границы раздела сред «вода-грунт», двухканальное генераторное устройство, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок расчета времени контакта с границами раздела сред, блок учета ВРСЗ, блок классификации, блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, блок управления и регистрации данных, индикатор, при этом входы двухканальной высокочастотной излучающей антенны соединены с выходами двухканального генераторного устройства, выход первой низкочастотной приемной антенны соединен с первым входом приемного блока, первый выход которого соединен с первым входом блока цифровой обработки сигналов, первый выход которого соединен с первым входом блока расчета времени контакта с границами раздела сред, выход которого соединен с входом блока классификации, первый выход которого соединен с первым входом блока управления и регистрации данных, второй выход блока классификации соединен с первым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, первый выход блока учета ВРСЗ соединен со вторым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, выход которого соединен со вторым входом блока управления и регистрации данных, выходы блока управления и регистрации данных соединены со входом двухканального генераторного устройства, входом приемного блока, входом блока учета ВРСЗ и индикатора, введены следующие новые признаки:

- дополнительно введена вторая низкочастотная приемная антенна, расположенная на заданном расстоянии от первой низкочастотной приемной антенны в диаметральной плоскости судна и ориентированная компланарно первой;

- дополнительно введен блок расчета угла прихода эхосигнала;

- приемный блок, блок цифровой обработки сигналов и блок расчета времени контакта с границами раздела сред выполнены двухканальными;

- выход второй низкочастотной приемной антенны соединен со вторым входом двухканального приемного блока, второй выход которого соединен со вторым входом двухканального блока цифровой обработки сигналов, второй выход двухканального блока цифровой обработки сигналов соединен со вторым входом двухканального блока расчета времени контакта с границами раздела сред;

- первый вход блока расчета угла прихода эхосигнала соединен с третьим выходом блока классификации,

- третий вход блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев соединен с выходом блока расчета угла прихода эхосигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом блока учета ВРСЗ;

- блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев содержит последовательно соединенные двухканальный блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и блок учета угла прихода эхосигнала, также содержит последовательно соединенные двухканальный блок оценки толщины слоев и блок усреднения, также содержит блок уплотнения данных, первый и второй входы которого соединены с выходами блока учета угла прихода эхосигнала и блока усреднения, соответственно, причем первые и вторые входы двухканального блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и блока учета угла прихода эхосигнала, соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, а его выход является выходом блока уплотнения данных.

Наилучший результат достигается, если блок расчета угла прихода эхосигнала содержит последовательно соединенные блок расчета временной задержки между эхосигналами и блок пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала, при этом вход блока расчета временной задержки между эхосигналами и второй вход блока пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала соединены с первым и вторым входами блока расчета угла прихода эхосигнала, а его выход соединен с выходом блока пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала.

Поясним достижение технического результата.

Использование двух приемных антенн, расположенных на известном расстоянии друг от друга, позволяет выполнить раздельный прием эхосигналов от границы раздела сред «вода-грунт», выделить их амплитуды и оценить временную задержку между моментами приема эхосигналов, которую применяют при оценке угла прихода сигналов в вертикальной плоскости, и затем учитывают при расчете расстояний между приемными антеннами и границей раздела сред «вода-грунт».

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.

На фиг. 1 показана разница расстояний между антенной ПФ и границей раздела сред «вода-грунт» по нормали и по краю главного лепестка ХН антенны ПФ.

На фиг. 2 представлена структурная блок-схема предлагаемого ПФ. На фиг. 3 представлена блок-схема блока расчета угла прихода эхосигнала.

На фиг. 4 изображен прием сигналов двумя приемными антеннами с учетом угла прихода α.

На фиг. 5 представлена блок-схема блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев.

Акустический ПФ (фиг. 2) состоит из двухканальной высокочастотной излучающей антенны 1, первой низкочастотной приемной антенны 3, второй низкочастотной приемной антенны 4, двухканального генераторного устройства 2, двухканального приемного блока 5, двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов, двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред, блока 12 классификации, блока 13 расчета угла прихода эхосигнала, блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, блока 11 учета ВРСЗ, блока 8 управления и регистрации данных, индикатора 7.

Входы двухканальной высокочастотной излучающей антенны 1 соединены с выходами двухканального генераторного устройства 2, выход первой низкочастотной приемной антенны 3 соединен с первым входом двухканального приемного блока 5.

Первый выход двухканального приемного блока 5 соединен с первым входом двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов, выход которого соединен с первым входом двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред, выход которого соединен с входом блока 12 классификации.

Первый выход блока 12 классификации соединен с первым входом блока 8 управления и регистрации данных, второй выход блока 12 классификации соединен с первым входом блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев.

Первый выход блока 11 учета ВРСЗ соединен со вторым входом блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, выход которого соединен с входом блока 8 управления и регистрации данных.

Выход второй низкочастотной приемной антенны 4 соединен со вторым входом двухканального приемного блока 5, второй выход которого соединен со вторым входом двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов.

Второй выход двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов соединен со вторым входом двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред.

Первый вход блока 13 расчета угла прихода эхосигнала соединен с третьим выходом блока 12 классификации. Третий вход блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев соединен с выходом блока 13 расчета угла прихода эхосигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 11 учета ВРСЗ. Выходы блока 8 управления и регистрации данных соединены со входами двухканального генераторного устройства 2, двухканального приемного блока 5, блока 11 учета ВРСЗ и индикатора 7.

Двухканальная высокочастотная излучающая антенна 1 представляет собой антенну круглой формы в виде плоского поршня из пьезокерамических элементов ЦТБС-3.

Первая низкочастотная приемная антенна 3 и вторая низкочастотная приемная антенна 4 представляют собой одинаковые плоские квадратные дискретные антенны, работающие в одном частотном диапазоне.

Построение двухканального генераторного устройства 2, двухканального приемного блока 5 и двухканального блока 6 цифровой обработки сигналов, содержащего аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), известно из текущего уровня техники. Описание устройства 2, блока 5 и блока 6 изложено в патенте на изобретение РФ №2626068 С2 «Способ калибровки параметрического тракта и устройство для его осуществления».

Блок 7 индикатор представляет собой жидкокристаллический дисплей с диагональю 13 дюймов.

Блок 8 управления и регистрации данных состоит из процессорного устройства, оперативного запоминающего устройства, кварцевого генератора и накопителя в виде запоминающего устройства емкостью 500 Гб.

Описание двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред подробно изложено в патенте на изобретение РФ №2664981 «Параметрический эхоледомер».

Блок 11 учета ВРСЗ определяет среднегармоническое значение скорости звука в соответствии с формулой (2) и хранит значения скоростей звука в различных донных грунтах, а также значение скорости звука c₀ в воде в месте установки антенн ПФ.

Среднегармоническое значение скорости звука в воде определяется по формуле (2):

где Н₁, Н₂ - минимальное и максимальное значение расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», при которых работает ПФ, соответственно; с(h) - вертикальное распределение скорости звука по глубине.

Вертикальное распределение скорости звука в воде по глубине с(h), а также значения Н₁, Н₂, для акватории, в которой работает ПФ, хранятся в памяти блока 11.

Блок 12 классификации выполняет классификацию типа донного грунта во временных интервалах между выделенными максимумами огибающей ВКФ, соответствующими положению границ раздела сред, путем сравнения с известными эталонными зависимостями (например, Stevenson I.R., McCann С., Runciman Р.В. An attenuation-based sediment classification technique using chirp sub-bottom profiler and laboratory acoustic analysis // Marine Geophysical Researches, 2002. Vol. 23. P. 277-298.).

Блок 13 расчета угла прихода эхосигнала (фиг. 3) состоит из блока 14 расчета временной задержки между эхосигналами, блока 15 пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала Пересчет временной задержки в угол а прихода сигнала выполняется по формуле (3):

где c₀ - скорость звука в воде в месте установки антенн ПФ; Δt - временная задержка между сигналами, принятыми от границы раздела сред «вода-грунт» первой низкочастотной приемной антенной и второй низкочастотной приемной антенной; L - расстояние между центрами первой низкочастотной приемной антенны и второй низкочастотной приемной антенны. Графическое пояснение расчета угла а приведено на фиг. 4.

Блок 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев (фиг. 5) состоит из двухканального блока 16 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», блока 17 учета угла прихода эхосигнала, блока 18 уплотнения данных, двухканального блока 19 оценки толщины слоев, блока 20 усреднения.

Акустический профилограф работает следующим образом.

Предварительно оси ХН первой низкочастотной приемной антенны 3 и второй низкочастотной антенны 4 ориентируют по нормали к плоскости, совпадающей со средним уровнем донной поверхности.

По командным импульсам, вырабатываемым блоком 8 в двухканальном генераторном устройстве 2 осуществляется формирование тонального сигнала с несущей частотой ω₁ и частотно-модулированного сигнала с несущей частотой ω₂, которые преобразуются в акустические импульсы двухканальной высокочастотной излучающей антенной 1 и излучаются в пределах полосы пропускания в сторону границы раздела сред «вода-грунт» (фиг. 1).

В результате взаимодействия излученных высокочастотных акустических сигналов с несущими частотами ω₁ и ω₂ с нелинейным слоем среды формируется сигнал на разностной частоте Ω=ω₁-ω₂. Низкочастотный сигнал на разностной частоте Ω проникает в грунт. Прием и преобразование эхосигналов от границы раздела сред «вода-грунт» осуществляют первой низкочастотной приемной антенной 3 и второй низкочастотной приемной антенной 4. Принятые низкочастотные эхосигналы поступают на первый и второй вход двухканального приемного блока 5.

В блоке 5 параллельно осуществляется фильтрация, усиление и аналого-цифровое преобразование эхосигналов в первом и втором приемных каналах. В первом приемной канале обрабатывают эхосигналы, принятые первой низкочастотной приемной антенной 3, во втором приемном канале обрабатывают эхосигналы, принятые второй низкочастотной приемной антенной 4.

Оцифрованные и усиленные эхосигналы с первого и второго каналов блока 5 поступают на первый и второй входы двухканального блока 6, где в каждом из каналов осуществляется согласованная фильтрация эхосигналов, целью которой является вычисление взаимно корреляционной функции (ВКФ) по формуле (4):

где B₁(k) - взаимно-корреляционная функция, S₁ - эталонный сигнал, излучаемый двухканальной высокочастотной излучающей антенной 1; S₂ - принятый эхосигнал после обработки и дискретизации; k - номер временной выборки; N - число временных выборок на установленную шкалу дальности.

Далее производится расчет огибающей ВКФ принятых эхосигналов.

После цифровой обработки эхосигналы поступают на первый и второй вход двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред.

В каждом канале двухканального блока 9 формируются стробы по времени, в пределах каждого из которых осуществляется поиск и оценка положения максимумов огибающей ВКФ, а также производится поиск момента пересечения огибающей ВКФ с порогом в окрестности каждого найденного максимума.

Момент пересечения огибающей ВКФ с порогом в окрестности каждого найденного максимума считается временем приема эхосигнала от границы раздела сред. Обозначим полученные времена приема эхосигналов от границ раздела сред как t₁(p) и t₂(p) для первого и второго канала, соответственно, где - номер выделенной границы раздела сред, Р - общее число выделенных границ раздела сред.

В блоке 12 по зависимости амплитуды огибающей ВКФ от времени первого канала выполняют классификацию во временных интервалах между выделенными максимумами огибающей ВКФ, соответствующими положению границ раздела сред, путем сравнения с известными эталонными зависимостями (Stevenson I.R., McCann С., Runciman P.B. An attenuation-based sediment classification technique using chirp sub-bottom profiler and laboratory acoustic analysis // Marine Geophysical Researches, 2002. Vol. 23. P. 277-298.). При этом используют классы - ил, глина, песок, скальное основание.

Поясним работу блоков и устройств, дополнительно введенных в акустический ПФ.

Работа блока 13 расчета угла прихода эхосигнала (фиг. 3).

В блоке 14 расчета временной задержки между эхосигналами выделяют оценки времени контакта из первого и второго каналов, соответствующие одной границе раздела сред «вода-грунт» - t₁(1) и t₂(1).

Далее также в блоке 14 рассчитывают временную задержку между оценками времени контакта по формуле (5):

В блоке 15 пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала определяют угол прихода эхосигналов от границы раздела сред «вода-грунт» с учетом значения скорости звука в месте установки приемных антенн ПФ, поступающей от блока 11 учета ВРСЗ, по формуле (3).

Работа блока 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев (фиг. 5).

В двухканальном блоке 16 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» по данным от двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред, поступающих через блок 12 классификации, производят расчет расстояний до границы раздела сред «вода-грунт» по формулам (6), (7):

где c_h - среднегармоническое значение скорости звука в воде, определяемое по формуле (2), поступающее от блока 11 учета ВРСЗ; Н₁₁ - оценка расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» по данным от первой низкочастотной приемной антенны 3; Н₁₂ - оценка расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» по данным от второй низкочастотной приемной антенны 4.

Данные от двухканального блока 16 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» передаются в блок 17 учета прихода эхосигнала, где производят расчет по формуле (8):

где α - угол прихода эхосигнала от блока 13 расчета угла прихода эхосигнала; H₁₀ - усредненная оценка расстояния до границы раздела сред «вода-грунт.

В двухканальном блоке 19 оценки толщины слоев (фиг. 5) производят оценку толщины выделенных слоев дна по формулам (9), (10):

где р - номер выделенной границы раздела сред, Р - общее число выделенных границ раздела сред; c_g(p) - значение скорости звука в слое грунта; t₁(р+1), t₁(р), t₂(р+1), t₂(р) - значения временных контактов с границей раздела сред, поступающих от двухканального блока 9 расчета времени контакта с границами раздела сред в блок 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев через блок 12 классификации; ΔН₁(р) - оценка толщины слоя по данным от первой низкочастотной приемной антенны 3; ΔН₂(р) - оценка толщины слоя по данным от второй низкочастотной приемной антенны 4.

Данные от двухканального блока 19 оценки толщины слоев передаются в блок 20 усреднения, где производится расчет по формуле (11):

где ΔH₀(p) - усредненная оценка толщины слоя; α₁(р) - угол падения акустической волны на границу раздела слоев грунта, который определяют по формуле (12):

Значения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» H₁₀ и значения оценок толщин выделенных грунтов ΔH₀ передаются в блок 18 уплотнения данных.

Далее полученные в блоке 10 определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев данные, а также данные от блока 12 классификации поступают в блок 8 управления и регистрации данных, где осуществляется регистрация обработанных данных и управление работой акустического ПФ, а также производится контроль его остальных блоков.

Зарегистрированные в блоке 8 управления и регистрации данные отображаются на индикаторе 7.

Оценим уменьшение методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» предложенным параметрическим профилографом.

Среднеквадратическое значение методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» с помощью ПФ при отсутствии углов качки (крен, дифферент, рыскание) и случае вертикального зондирования, рассчитывается по формуле (13) (Minami Н. Estimation of total vertical uncertainty for the bathymetry acquired by autonomous underwater vehicle in deep water. Report of hydrographic and oceanographic researches, 2013, No.50, P. 58-64. Богородский А.В., Островский Д.В. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009. с. 150-156.):

где σ_ацп - погрешность определения момента прихода эхосигнала от границы раздела сред «вода-грунт» на первую приемную антенну, обусловленная дискретностью выборки АЦП в приемном блоке ПФ; σ_ш - погрешность определения расстояния, обусловленная шумами приемного тракта ПФ; σ_c - погрешность определения расстояния, обусловленная погрешностью оценки скорости звука в пределах ВРСЗ; σ_H - погрешность, обусловленная отсутствием информации об угле прихода эхосигнала на первую приемную антенну ПФ в пределах ее ХН.

Значение σ_ацп определяют по формуле (14):

где c_h - среднегармоническое значение скорости звука в воде; ƒ_s - частота дискретизации АЦП; τ - длительность импульса в излучении.

Значение σ_ш определяют по формуле (15):

где q - отношение «сигнал/помеха»; Δƒ - полоса пропускания фильтра нижних частот приемного тракта.

Значение а определяют по формуле (16):

где σ_v - погрешность оценки скорости звука в пределах ВРСЗ.

Значение σ_H определяют по формуле (17):

где Δα - ширина ХН излучающей антенны 1 ПФ.

По формулам (13)-(17) выполнен расчет среднеквадратического значения методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и при типовых значениях c_h=1500 м/с, σ_v=1 м/с, τ=0,4 мс, Δƒ=14 кГц, Δα=1°, ƒ_s=25 кГц, q=10.

При этом среднеквадратическое значение методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» лежит в пределах от 0,02 м до 0,2 м при изменении расстояния до границы раздела «вода-грунт» в диапазоне от 25 м до 200 м, соответственно. Установлено, что учет угла прихода эхосигнала позволяет уменьшить среднеквадратическое значение методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» на величину, лежащую в пределах от 0,06% до 0,16% от абсолютного значения погрешности при изменении расстояния в диапазоне от 25 м до 200 м, соответственно.

Для случая неровной поверхности границы раздела сред «вода-грунт» с углом наклона поверхности в 10° вышеуказанное уменьшение среднеквадратического значения методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» лежит в пределах от 15% до 80% от абсолютного значения погрешности при изменении расстояния в диапазоне от 25 м до 200 м, соответственно. Уменьшение методической погрешности определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» позволяет более точно оценивать как расстояние до границы раздела сред, так и толщину слоев донного грунта.

Таким образом, методическая погрешность оценки расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» у предложенного профилографа меньше по сравнению с известным прототипом.

Предложенный параметрический профилограф позволяет обеспечить оценку угла прихода эхосигналов в вертикальной плоскости для использования при расчете расстояния до границы раздела сред «вода-грунт», что приводит к уменьшению методической погрешности оценки указанного расстояния.

Таким образом, технический результат изобретения достигнут.

Claims

1. Параметрический профилограф, содержащий двухканальную высокочастотную излучающую антенну и первую низкочастотную приемную антенну, расположенные в днище судна активной поверхностью в сторону границы раздела сред «вода-грунт», двухканальное генераторное устройство, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок расчета времени контакта с границами раздела сред, блок учета вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ), блок классификации, блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, блок управления и регистрации данных и индикатор, при этом входы двухканальной высокочастотной излучающей антенны соединены с выходами двухканального генераторного устройства, выход первой низкочастотной приемной антенны соединен с первым входом приемного блока, первый выход которого соединен с первым входом блока цифровой обработки сигналов, первый выход блока цифровой обработки сигналов соединен с первым входом блока расчета времени контакта с границами раздела сред, выход которого соединен с входом блока классификации, при этом первый выход блока классификации соединен с первым входом блока управления и регистрации данных, второй выход блока классификации соединен с первым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, первый выход блока учета ВРСЗ соединен со вторым входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, выход которого соединен со вторым входом блока управления и регистрации данных, причем выходы блока управления и регистрации данных соединены с входом двухканального генераторного устройства, входом приемного блока, входом блока учета ВРСЗ и индикатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторая низкочастотная приемная антенна, расположенная на заданном расстоянии от первой низкочастотной приемной антенны в диаметральной плоскости судна и ориентированная компланарно первой, и блок расчета угла прихода эхосигнала; приемный блок, блок цифровой обработки сигналов и блок расчета времени контакта с границами раздела сред выполнены двухканальными; выход второй низкочастотной приемной антенны соединен со вторым входом двухканального приемного блока, второй выход которого соединен со вторым входом двухканального блока цифровой обработки сигналов, второй выход двухканального блока цифровой обработки сигналов соединен со вторым входом двухканального блока расчета времени контакта с границами раздела сред, при этом первый вход блока расчета угла прихода эхосигнала соединен с третьим выходом блока классификации, третий вход блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев соединен с выходом блока расчета угла прихода эхосигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом блока учета ВРСЗ; блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев содержит последовательно соединенные двухканальный блок определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и блок учета угла прихода эхосигнала, также содержит последовательно соединенные двухканальный блок оценки толщины слоев и блок усреднения, также содержит блок уплотнения данных, первый и второй входы которого соединены с выходами блока учета угла прихода эхосигнала и блока усреднения, соответственно, причем первые и вторые входы двухканального блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и двухканального блока оценки толщины слоев соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, а блок учета угла прихода эхосигнала своим вторым входом соединен с третьим входом блока определения расстояния до границы раздела сред «вода-грунт» и оценки толщины слоев, а его выход является выходом блока уплотнения данных.

2. Профилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок расчета угла прихода эхосигнала содержит последовательно соединенные блок расчета временной задержки между эхосигналами и блок пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала, при этом вход блока расчета временной задержки между эхосигналами и второй вход блока пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала соединены с первым и вторым входами блока расчета угла прихода эхосигнала, а его выход соединен с выходом блока пересчета временной задержки в значение угла прихода сигнала.