RU75062U1

RU75062U1 - DOPPLER LOCATION SYSTEM

Info

Publication number: RU75062U1
Application number: RU2008105869/22U
Authority: RU
Inventors: Вадим Юрьевич Волощенко (RU); Вадим Юрьевич Волощенко; Виталий Николаевич Максимов (RU); Виталий Николаевич Максимов; Александр Петрович Волощенко (RU); Александр Петрович Волощенко; Владимир Геннадьевич Куповых (RU); Владимир Геннадьевич Куповых
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2008-07-20

Abstract

Доплеровская локационная система, содержащая генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), соединенными через четыре резонансных усилителя с частотами настройки f с двумя входами двух частотных дискриминаторов таким образом, что образуются два канала выделения доплеровских частот - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»), выходы частотных дискриминаторов соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены 4(n-1) резонансных усилителя с частотами настройки (2f, 3f, ... nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт»), причем входы 4(n-1) усилителей соединены с четырьмя приемными преобразователями, а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f, ... nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно со входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.A Doppler location system containing a generator connected to four radiating transducers (“bow”, “stern”, “left side”, “right side”), which are acoustically connected through four non-linear propagation media to four receiving transducers (“nose”, “Feed”, “left side”, “right side”) connected through four resonant amplifiers with tuning frequencies f with two inputs of two frequency discriminators in such a way that two channels of Doppler frequency allocation are formed - diametral (“bow” and “ feed ") and traverse (" left side ”and“ right side ”), the outputs of the frequency discriminators are connected to the corresponding inputs of the secondary Doppler information processing unit, characterized in that 4 (n-1) resonant amplifiers with tuning frequencies (2f, 3f,. .. nf), connected in parallel to four resonant amplifiers with tuning frequencies f, which extends the frequency range of the channels for allocating Doppler frequencies of both diametrical (“bow” and “stern”), and traverse (“lion. board "and" right. board "), and the inputs of 4 (n-1) amplifiers are connected to four receiving converters, and the outputs of resonant amplifiers with the same tuning frequencies (2f, 3f, ... nf), forming pairs (" bow "and" stern ";" left side ”and“ right side ”) are connected respectively to the inputs of 2 (n-1) frequency discriminators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the secondary processing unit of Doppler information, where n is the number of harmonics of the acoustic signal of finite amplitude used.

Description

Полезная модель относится к акустическим системам активной локации, в основе работы которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел. В данных устройствах, осуществив 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 предлагаемой доплеровской локационной системе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит выбирать необходимую скоростную чувствительность устройства и увеличить точность определения скорости. Область использования -гидроакустика, метеорология, ультразвуковая диагностика.The utility model relates to acoustic systems of active location, which are based on the double Doppler effect, in accordance with which there is a shift in the frequency of the waves when they are reflected from moving bodies. In these devices, by measuring the frequency shift of the received scattered wave with respect to the frequency of the emitted, indirectly determine the speed of movement of the carrier of the wave source relative to the scattering surface, and vice versa, the speed of movement of the scattering surface relative to the source. In the proposed Doppler location system, measurement data is proposed to be carried out at several multiple operating frequencies, which will allow you to choose the necessary speed sensitivity of the device and increase the accuracy of determining the speed. The field of use is hydroacoustics, meteorology, ultrasound diagnostics.

Известна доплеровская навигационная система для измерения скорости корабля относительно дна или неподвижных объектов в воде (см. К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. Основы и применения. - пер. с англ., Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. с.357 - 361.), содержащая генератор, соединенный с излучающим преобразователем, приемный преобразователь, соединенный через резонансный усилитель и частотный дискриминатор с блоком вторичной обработки доплеровской информации, причем, второй вход частотного дискриминатора соединен с выходом генератора. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f, поступающий на излучающий преобразователь, формирующий в воде прямо по курсу корабля в сторону дна ультразвуковой пучок под углом Θ_д к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 θ_0,7. В соответствии с двойным эффектом Доплера дно можно рассматривать сначала как приемник, а затем как переизлучатель волн (см. Known Doppler navigation system for measuring the speed of a ship relative to the bottom or stationary objects in the water (see K. Clay, G. Medvin. Acoustic Oceanography. Fundamentals and Applications. - Translated from English. Edited by Yu. Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1980. p. 357 - 361.) containing a generator connected to a radiating converter, a receiving converter connected through a resonant amplifier and a frequency discriminator to a secondary Doppler information processing unit, the second input of the frequency discriminator being connected to the output of the generator ora. The generator generates a continuous harmonic signal with a frequency f that arrives at the radiating transducer, which generates an ultrasonic beam at an angle Θ _d to the horizon and with a beam pattern at a level of 0.7 θ _0.7 in the water directly at the ship's heading toward the bottom. In accordance with the double Doppler effect, the bottom can be considered first as a receiver, and then as a wave re-emitter (see

Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. Ред. В.И.Тимошенко. -Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.215 - 217). Вследствие движения судна со скоростью υ частота ультразвуковых колебаний волны, дошедшей до дна, будет равнаHydroacoustic Encyclopedia. Under the total. Ed. V.I. Timoshenko. -Taganrog, Publishing house TRTU. 2000.S. 215 - 217). Due to the movement of the vessel with speed υ, the frequency of ultrasonic vibrations of the wave that has reached the bottom will be equal to

За время t прохождения акустическим сигналом со скоростью звука с в среде пути «излучающий преобразователь - дно - приемный преобразователь» корабль переместится на расстояние υt и эхосигнал от дна попадет на приемный преобразователь уже под углом Θ_д′. Частота колебаний эхосигнала, пришедшего на приемный преобразователь от поверхности дна, будет равнаDuring the time t the acoustic signal travels at the speed of sound c in the path medium “emitting transducer – bottom – transducer transducer”, the ship will travel a distance υt and the echo from the bottom will reach the transducer at an angle ′ _d ′. The oscillation frequency of the echo signal that came to the receiving transducer from the bottom surface will be equal to

Приемный преобразователь вырабатывает электрический сигнал с частотой f₂=f+f_D, который через резонансный усилитель поступает на первый вход частотного дискриминатора, на второй вход которого с выхода генератора подается электрический сигнал с частотой f. На выходе частотного дискриминатора вырабатывается напряжение с частотой f_D), подаваемое на вход блока вторичной обработки доплеровской информацииThe receiving converter generates an electric signal with a frequency f ₂ = f + f _D , which through a resonant amplifier is fed to the first input of the frequency discriminator, to the second input of which an electric signal with a frequency f is supplied from the generator output. At the output of the frequency discriminator generated voltage with a frequency f _D), applied to the input of the secondary Doppler information processing

В рассматриваемом случае зависимость доплеровского приращения частоты fi) от скорости движения корабля и имеет видIn the case under consideration, the dependence of the Doppler frequency increment fi) on the speed of the ship and has the form

откуда видно, что по доплеровскому сдвигу частот f_D можно измерить скорость судна υ (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62).from which it can be seen that the speed of the vessel υ can be measured by the Doppler frequency shift f _D (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M: Food industry, 1980, p. 62).

Разлагая (3) в степенной ряд и ограничиваясь лишь членами второго порядка малости, а также тем, что для реальных скоростей морских судов можно принять Θд′≈Θд, выражение (3) примет видExpanding (3) in a power series and restricting ourselves only to terms of the second order of smallness, as well as the fact that for the real speeds of sea-going vessels, we can take Θд′≈Θд, expression (3) takes the form

Из выражения (4) видно, что зависимость доплеровского приращения частоты от скорости движения судна носит нелинейный характер.From the expression (4) it is seen that the dependence of the Doppler frequency increment on the speed of the vessel is non-linear.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является малая точность косвенного измерения скорости движения судна с помощью данного однолучевого доплеровского лага, что обусловлено большими погрешностями при определении доплеровского сдвига частоты. Перечислим основные причины возникновения погрешности в определении доплеровского сдвига частоты:The reasons hindering the achievement of the claimed technical result is the low accuracy of indirect measurement of the speed of the vessel using this single-beam Doppler lag, which is due to large errors in determining the Doppler frequency shift. We list the main causes of the error in determining the Doppler frequency shift:

1) пренебрежение влиянием на величину доплеровского сдвига частоты со стороны квадратичного члена в выражении (4);1) neglect of the effect on the magnitude of the Doppler frequency shift from the side of the quadratic term in expression (4);

2) использование приближенного равенства Θ_д′≈Θ_д;2) the use of the approximate equality Θ _d ′ ≈Θ _d ;

3) использование в расчетах постоянной скорости звука, хотя в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с;3) the use in the calculations of a constant speed of sound, although in the marine environment the speed can vary from 1435 to 1540 m / s;

4) замена телесного угла θ_0,7, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме акустических сигналов, углом Θ_д наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;4) replacing the solid angle θ _0.7 corresponding to the main lobe of the radiation pattern at the level of 0.7 antennas when emitting and receiving acoustic signals, the angle Θ _{d of the} slope of the acoustic axis of the radiating antenna with respect to the horizontal plane;

5) изменение величин углов Θ_д′, Θ_д при постоянных крене и дифференте судна, а также при его качке;5) a change in the values of the angles, _d ′, Θ _d at constant roll and differential of the vessel, as well as during its rolling;

Для рассматриваемого лага при с=1500 м/с, Θ_д=60°, скорости υ=20 узлов, диапазоне изменения скорости звука в море 30 м/с, угле дифферента 3° относительные погрешности измерения доплеровского приращения частоты будут составлять в порядке их вышеуказанного перечисления соответственно 0,3%. 1%, 2%, (0,9%+0,3%), 9% (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.80-86). Рассмотрим более подробно причины возникновения погрешностей определения доплеровского сдвига частоты и, соответственно, скорости движения судна, вызываемые причинами, указанными в пункте 4.For the lag in question at c = 1500 m / s, Θ _d = 60 °, speed υ = 20 knots, a range of changes in the speed of sound at sea 30 m / s, and a trim angle of 3 °, the relative measurement errors of the Doppler frequency increment will be in the order of the above transfers respectively 0.3%. 1%, 2%, (0.9% + 0.3%), 9% (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M: Food industry, 1980, p. 80-86 ) Let us consider in more detail the causes of the errors in determining the Doppler frequency shift and, accordingly, the speed of the vessel, caused by the reasons specified in paragraph 4.

Известно, что облучение рассеивающей поверхности коническим пучком звуковых волн приводит к расширению доплеровского спектра It is known that irradiating a scattering surface with a conical beam of sound waves leads to the expansion of the Doppler spectrum

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)frequencies, moreover, the width of this spectrum can be approximately estimated from the relation (see Vinitsky A.S. Essays on the basics of radiolocation with continuous emission of radio waves. M., Sov. Radio, 1961)

Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешности в определении доплеровского сдвига по двум причинам:The appearance of the Doppler frequency spectrum causes errors in the determination of the Doppler shift for two reasons:

1) величина мгновенной частоты доплеровского спектра флюктуирует относительно среднего значения частоты спектра, причем, в данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна (δυ/υ)_фл доплеровским лагом может быть оценена из соотношения (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.85)1) the value of the instantaneous frequency of the Doppler spectrum fluctuates relative to the average value of the frequency of the spectrum, and, in this case, the fluctuation relative error in measuring the speed of the vessel (δυ / υ) _fl Doppler lag can be estimated from the relation (see. Bukaty V.M., Dmitriev V. I. Hydroacoustic logs. M: Food industry, 1980, p. 85)

где λ_д - доплеровская длина волны сигнала; Т - время усреднения результатов N измерений мгновенных значений частоты Гц пришедшего сигнала. Из (6) следует, что для уменьшения флуктуационной погрешности желательно уменьшать ширину основного лепестка θ_0,7 диаграммы направленности по уровню 0,7 и длину волны доплеровского λ_д рассеянного сигнала при увеличении времени усреднения Т.where λ _d - Doppler wavelength of the signal; T is the averaging time of the results of N measurements of instantaneous Hz frequencies of the received signal. It follows from (6) that in order to reduce the fluctuation error, it is desirable to reduce the main lobe width θ _{0.7 of the} radiation pattern at the level of 0.7 and the wavelength of the Doppler signal λ _{d of the} scattered signal with increasing averaging time T.

2) максимум энергии доплеровского спектра не соответствует центральной доплеровской частоте и смещен в сторону низких частот, что обусловлено имеющимися различиями как в условиях распространения излученного сигнала в направлениях крайних лучей (ближний и дальний по курсу судна проходят разные по длине трассы), так и в условиях их рассеяния дном, которое имеет угловую зависимость силы донного рассеяния. Относительная погрешность измерения скорости судна за счет деформации огибающей доплеровского спектра эхосигнала, обусловленная параметрами лага (θ_0,7; Θд) и параметрами среды распространения (β -коэффициент затухания сигнала лага, χ - коэффициент обратного донного 2) the maximum energy of the Doppler spectrum does not correspond to the central Doppler frequency and is shifted towards low frequencies, which is due to the differences both in the conditions of propagation of the emitted signal in the directions of extreme rays (near and far along the course of the vessel pass paths different in length) and in conditions their scattering by the bottom, which has an angular dependence of the force of bottom scattering. The relative error in measuring the speed of the vessel due to deformation of the envelope of the Doppler spectrum of the echo signal due to the lag parameters (θ _0.7 ; ;d) and the parameters of the propagation medium (β is the lag signal attenuation coefficient, and χ is the inverse bottom coefficient

рассеяния для выбранного угла наклона акустической оси антенны, Н -глубина под килем судна), может быть оценена из соотношенияscattering for the selected angle of the acoustic axis of the antenna, N is the depth under the keel of the vessel), can be estimated from the ratio

Из (7) следует, что для уменьшения погрешности смещения максимума энергии доплеровского спектра следует уменьшать ширину основного лепестка θ_0,7 диаграммы направленности по уровню 0,7 и не использовать в качестве рабочих акустические сигналы, испытывающие значительное пространственное затухание; знак (-) в правой части выражения (7) означает, что величины измеряемой скорости движения судна будут занижены по сравнению с истинной.From (7) it follows that in order to reduce the error in the shift of the maximum energy of the Doppler spectrum, the width of the main lobe θ _{0.7 of the} radiation pattern at a level of 0.7 should be reduced and acoustic signals experiencing significant spatial attenuation should not be used as working ones; the sign (-) in the right part of the expression (7) means that the measured speed of the vessel will be underestimated compared to the true one.

Таким образом, данный однолучевой лаг неудовлетворительно работает при кренах и дифферентах судна, при его вертикальных перемещениях, имеет значительную погрешность при измерении скорости судна, не позволяет определять его поперечный относительно курса снос, отсутствует возможность выбора необходимой для изменяющихся условий лоцирования частоты зондирующего сигнала, и, соответственно, дальности действия устройства.Thus, this single-beam log does not work satisfactorily with the heels and trim of the vessel, with its vertical movements, has a significant error in measuring the speed of the vessel, does not allow determining its drift relative to the course, there is no possibility to choose the frequency of the probe signal necessary for changing location conditions, and, accordingly, the range of the device.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, излучающий и приемный преобразователи, резонансный усилитель, частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.Signs that coincide with the claimed object: generator, emitting and receiving converters, resonant amplifier, frequency discriminator, secondary processing unit of Doppler information.

Известен доплеровский навигационный лаг, в котором излучение акустических волн производится вдоль диаметральной плоскости судна, в сторону носа и кормы под одним и тем же углом к горизонту Θ_д. (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62), содержащий генератор, соединенный с двумя излучающими преобразователями, два приемных преобразователя, соединенных через резонансные усилители с частотным дискриминатором, выход которого соединен с входом блока обработки и индикации. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f, Known Doppler navigation lag in which the radiation of acoustic waves is produced along the diametrical plane of the vessel, in the direction of the bow and stern at the same angle to the horizon Θ _d . (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M .: Food industry, 1980, p. 62), containing a generator connected to two radiating transducers, two receiving transducers connected through resonant amplifiers with a frequency discriminator the output of which is connected to the input of the processing and display unit. The generator produces a continuous harmonic signal with a frequency f,

поступающий на излучающие преобразователи, формирующие в воде в сторону дна два ультразвуковых пучка под углом Θ_д к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 2θ_0.7. Ультразвуковые пучки лежат в плоскости «нос - корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от дна колебания со стороны носа и со стороны кормы поступают на соответствующие приемные преобразователи, вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственноarriving at radiating transducers, forming in the water toward the bottom two ultrasonic beams at an angle Θ _d to the horizontal and with a beam pattern at a level of 0.7 2θ _0.7 . Ultrasonic beams lie in the bow-stern plane and the signals propagate both along the course of the ship and in the opposite direction. Oscillations reflected from the bottom from the bow and from the stern are fed to the corresponding receiving transducers that generate electrical signals with frequencies, respectively

Доплеровский сдвиг частот «нос - корма» в этом случае составит f_D=f_2HOC-f_2корма и выражение для скорости движения судна запишется в видеThe Doppler shift of the bow-stern frequencies in this case will be f _D = f _2HOC -f _{2 feed} and the expression for the speed of the vessel will be written as

Данный двухлучевой доплеровский навигационный лаг обладает преимуществами перед однолучевым, так как из (10) следует линейная зависимость доплеровского частотного сдвига от скорости судна; а погрешности в определении доплеровского частотного сдвига по вышеперечисленным пунктам 1, 2, 5 практически устранены.This double-beam Doppler navigation lag has advantages over single-beam, since from (10) a linear dependence of the Doppler frequency shift on the speed of the vessel follows; and errors in the determination of the Doppler frequency shift according to the above items 1, 2, 5 are practically eliminated.

Однако часть причин, препятствующих достижению заявляемого технического результата и ограничивающих точность косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного двухлучевого доплеровского лага, осталась. Основные погрешности при определении доплеровского сдвига частоты для двухлучевого лага обусловлены следующими причинами:However, some of the reasons that impede the achievement of the claimed technical result and limit the accuracy of indirect measurement of the speed of the vessel using this two-beam Doppler lag remained. The main errors in determining the Doppler frequency shift for a two-beam lag are due to the following reasons:

1) использование в расчетах постоянной усредненной скорости звука (в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с);1) the use in the calculations of the constant averaged speed of sound (in the marine environment, the speed can vary from 1435 to 1540 m / s);

2) замена телесного угла θ_0,7, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме акустических сигналов, углом Θ_Д наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;2) replacing the solid angle θ _0.7 corresponding to the main lobe of the radiation pattern at the level of 0.7 antennas when emitting and receiving acoustic signals, the angle Θ _{D of the} inclination of the acoustic axis of the radiating antenna with respect to the horizontal plane;

Следует отметить, что относительные погрешности измерения скорости судна по этим указанным причинам имеют величины одного порядка, как для однолучевой, так и двухлучевой схем построения доплеровских лагов, причем, разработаны различные методы компенсации изменений скорости звука, что уменьшает влияние погрешности по пункту 1 (см.А.В. Богородский, Г.В. Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.60).It should be noted that the relative errors in measuring the speed of the vessel for these reasons are of the same order of magnitude for both single-beam and double-beam Doppler lag construction schemes, and various methods have been developed to compensate for changes in the speed of sound, which reduces the effect of the error in paragraph 1 (see A.V. Bogorodsky, G.V. Yakovlev, et al. Hydroacoustic technology for ocean research and development (Leningrad: Gidrometeoizdat, 1984, p. 60).

В то же время флуктуационная погрешность и погрешность смещения максимума энергии доплеровского спектра и для двухлучевой схемы построения доплеровского лага приводит к существенной неизменной погрешности измерения скорости судна вследствие расширения доплеровского спектра частот (см.соотношения (6) и (7)); двухлучевая схема построения лага не позволяет определять поперечный относительно курса снос судна.At the same time, the fluctuation error and the shift error of the maximum energy of the Doppler spectrum for the two-beam Doppler lag construction scheme also leads to a significant unchanged error in measuring the speed of the vessel due to the expansion of the Doppler frequency spectrum (see relations (6) and (7)); the two-beam lag construction scheme does not allow the demolition of the vessel to be transverse relative to the course.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, два излучающих и два приемных преобразователя, два резонансных усилителя, частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.Signs that coincide with the claimed object: a generator, two emitting and two receiving converters, two resonant amplifiers, a frequency discriminator, a unit for secondary processing of Doppler information.

Для определения не только продольной, но и поперечной составляющих скорости судна применяют четырехлучевые доплеровские системы. На крупнотоннажных судах устанавливают комбинацию четырехлучевой (ближе к носу) и двухлучевой (на корме в траверзной плоскости) систем для обеспечения, как навигационных целей, так и для определения поперечных скоростей носовой и кормовой оконечностей судна при осуществлении причаливания.To determine not only the longitudinal but also the transverse components of the speed of the vessel, four-beam Doppler systems are used. On large vessels, a combination of four-beam (closer to the bow) and two-beam (aft in the traverse plane) systems is installed to provide both navigation purposes and to determine the transverse speeds of the bow and stern ends of the vessel when mooring.

Известна доплеровская навигационная система (ДНС) JN-400, (см. А.Л.Простаков. - Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, с.184 -185), содержащая генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями, четыре приемных преобразователя, соединенных через четыре резонансных усилителя попарно с двумя частотными Known Doppler navigation system (CSN) JN-400, (see A.L. Prostakov. - Hydroacoustics and ship - L .: Shipbuilding, 1967, p.184 -185), containing a generator connected to four radiating transducers, four receiving a converter connected through four resonant amplifiers in pairs with two frequency

дискриминаторами, выходы которых соединены с блоком обработки и индикации. Генератор вырабатывает высокочастотный гармонический сигнал с частотой f₀=1МГц, поступающий на четыре излучающих преобразователя, формирующих в водной среде в сторону дна четыре ультразвуковых пучка с углом наклона 30° к вертикали и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 около 3°. Отраженные от дна колебания поступают на приемные преобразователи, образующие вместе с излучающими пары - «нос (н)» и «корма (к)» в диаметральной плоскости судна, а также - «лев. борт (л.б.)» и «прав. борт (п.б.)» в его траверзной плоскости, что позволит определить как продольную, так и поперечную составляющие скорости судна относительно дна. Приемные преобразователи вырабатывают электрические сигналы с частотами f_2НОС; f_2корма; f_{2лев.борт}; f_{2прав.борт} (см. соотношения (8) - (9)) и через резонансные усилители подают их на два входа каждого из двух частотных дискриминаторов, образуя два канала выделения доплеровских частот (см. соотношение (10))-диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»). Выходы дискриминаторов соединены с блоком вторичной обработки доплеровской информации, который выдает информацию о скорости движения и угле сноса судна относительно курса.discriminators, the outputs of which are connected to the processing and display unit. The generator generates a high-frequency harmonic signal with a frequency f ₀ = 1 MHz that arrives at four emitting transducers that form four ultrasonic beams with an inclination angle of 30 ° to the vertical and with a beam width at a level of 0.7 of about 3 ° in the aqueous medium toward the bottom. Oscillations reflected from the bottom enter the receiving transducers, which together with the emitting pairs form “bow (n)” and “stern (k)” in the diametrical plane of the vessel, as well as “lion”. board (lb) "and" right. board (pb) ”in its traverse plane, which will allow to determine both the longitudinal and transverse components of the speed of the vessel relative to the bottom. Receiving converters generate electrical signals with frequencies f _2NOC ; f _{2 feed} ; f _2lev.board ; f _{2 starboard side} (see relations (8) - (9)) and through resonant amplifiers they are fed to two inputs of each of two frequency discriminators, forming two channels for extracting Doppler frequencies (see relation (10)) - diametrical (“nose ”And“ feed ”) and traverse (“ lion. Board ”and“ right. Board ”). The outputs of the discriminators are connected to the secondary processing unit of Doppler information, which provides information on the speed and drift angle of the vessel relative to the course.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, четыре излучающих и четыре приемных преобразователя, четыре резонансных усилителя, два частотных дискриминатора, блок вторичной обработки доплеровской информации.Signs that coincide with the claimed object: generator, four emitting and four receiving converters, four resonant amplifiers, two frequency discriminators, a block of secondary processing of Doppler information.

Однако ограничения по точности (флуктуационная погрешность (6) и погрешность смещения максимума энергии (7) доплеровского спектра) косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного четырехлучевого доплеровского лага, остались, так как их наличие и отрицательное влияние обусловлены определенной пространственной избирательностью (направленностью) находящихся в среде лоцирования интерференционных излучающих и приемных преобразователей, т.е. их However, limitations on accuracy (fluctuation error (6) and the maximum energy shift error (7) of the Doppler spectrum) of indirect measurement of the ship's speed using this four-beam Doppler lag remained, since their presence and negative influence are due to a certain spatial selectivity (directivity) located in the environment of the location of interference emitting and receiving converters, i.e. them

способностью излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других, причем, во всех рассмотренных выше доплеровских системах среда распространения необходима лишь для переноса энергии продольной ультразвуковой волны «разрежения - сжатия» в прямом и обратном направлениях(см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. - М.:Сов. энциклопедия, с.221 -223,351).the ability to emit (receive) sound waves in some directions to a greater extent than in others, and, in all the Doppler systems discussed above, the propagation medium is necessary only for transferring the energy of the longitudinal ultrasonic wave of "rarefaction - compression" in the forward and reverse directions (see Ultrasound Small Encyclopedia, Ed. By I.P. Golyamina. - M.: Sov. Encyclopedia, p.221 -223.351).

Между тем как водная, так и воздушная среды распространения обладают нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной ультразвуковой волны различных нелинейных эффектов (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438 -441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой f, что приводит к искажению формы волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f,... nf. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи, с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Известны результаты теоретического и экспериментального исследований пространственных характеристик акустических полей сигналов основной частоты f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц, формирующихся в пресной воде при Meanwhile, both aqueous and airborne propagation media have nonlinearity of their elastic properties, which leads to the emergence of various nonlinear effects during the propagation of an intense ultrasonic wave (see Hydroacoustic Encyclopedia. Edited by V.I. Timoshenko. - Taganrog, TRTU Publishing House 2000. p. 438-441). Nonlinear effects in an acoustic field can be considered as a result of a change in the properties of the medium in the propagation region of a powerful probe pump signal with a frequency f, which leads to a distortion of the wave shape of finite amplitude when it propagates to a scattering surface, i.e. generation of higher harmonic components with frequencies 2f, 3f, ... nf. The acoustic fields of the signals of higher harmonics have interesting spatial characteristics: on the acoustic axis of the antenna, the change in the properties of the medium under the action of a powerful pump wave with a frequency f occurs to the greatest extent, and therefore the main radiation maximum for each subsequent harmonic is narrower (sharper), and in the directions additional radiation maxima at the fundamental frequency, the change in the properties of the medium occurs to a much lesser extent, which leads to a decrease in the efficiency of harmonic generation in these directions, i.e. the side field level for each subsequent harmonic is less than that of the previous one. The results of theoretical and experimental studies of the spatial characteristics of the acoustic fields of the fundamental frequency signals f = 450 kHz and its higher harmonics 2f = 900 kHz, 3f = 1350 kHz, which form in fresh water at

работе преобразователя поршневого типа диаметром 76мм (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков //Акустика морских осадков/ Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227 - 273). Из множества данных приведенных в данном источнике рассмотрим следующие:- на удалении 102 метра от преобразователя угловое распределение амплитуд звукового давления для этих сигналов, характеризуемое шириной главного максимума излучения по уровню половинной мощности θ_0,7 _(nf) и максимальным уровнем бокового поля излучения P_{БП (nf)}имело величины: - для сигнала основной частоты ƒ=450 кГц θ_0,7(f)=4,2⁰ и Р_БП(f)=-12дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±5⁰) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 3,98 раза);- для сигнала второй гармоники 2ƒ=900 кГц θ_0,7(2f)= 2,9⁰ P_БП(f)=-22дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4,5⁰) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 12,9 раза);- для сигнала третьей гармоники 3ƒ=1350кГц θ_0,7(3f)=2,6⁰ и P_БП _(3f)экспериментально не зарегистрирован, в то время как расчетное значение РБП_(3f)теор=-32дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4°) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 39,8 раз); на удалении 102 метра от преобразователя на его акустической оси звуковые давления для рассматриваемых сигналов составили соответственно 79320 Па, 14100 Па и 640 Па.the operation of a piston-type converter with a diameter of 76 mm (see T. J. Muir. Non-linear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Acoustics of marine sediments / Ed. by Yu. Yu. Zhitkovsky. - M.: Mir, 1977. - p. 227 - 273). From the set of data presented in this source, we consider the following: - at a distance of 102 meters from the transducer, the angular distribution of sound pressure amplitudes for these signals is characterized by the width of the main radiation maximum at half power level θ _0.7 _(nf) and the maximum level of the side radiation field P _{PS (nf)} had the following values: - for a fundamental frequency signal ƒ = 450 kHz θ _{0.7 (f)} = 4.2 ⁰ and Р _{PSU (f)} = -12dB (i.e., the radiation level in the direction (± 5 ⁰ ) from the acoustic axis for the first side lobe is less in comparison with the main one by 3.98 times); - for Igna second harmonic 900 kHz 2ƒ = θ _{0,7 (2f)} = 2,9 ⁰ P _{PD (f)} = -22dB (i.e., the level of radiation in the direction (± 4,5 ⁰⁾ of the acoustic axis of the first side lobe 12.9 times less than the main one); - for the third-harmonic signal 3ƒ = 1350 kHz θ _{0.7 (3f)} = 2.6 ⁰ and P _PSU _{(3f) is} not experimentally registered, while the calculated value of the RBP _{( 3f) theor} = -32dB (i.e., the level of radiation in the direction (± 4 °) from an acoustic axis for the first side lobe is less in comparison with the base to 39.8-fold); at a distance of 102 meters from the transducer on its acoustic axis, the sound pressures for the signals under consideration were 79320 Pa, 14100 Pa, and 640 Pa, respectively.

Исследование атмосферы, связанные с определением ее состояния и наблюдения за синоптическими процессами, в частности измерение толщины приземного и пограничного слоев и т.д. посредством акустического зондирования атмосферы производят с помощью систем активной локации -содаров (sodar -sound detecting and ranging), названных так по аналогии с радаром (radar - radio detecting and ranging), использующим принципы радиолокации (см. Яцек Валзевский. 20 лет польского содара. Wiad. Inst. Meteorol. i gosp.wod., 1999, 22, №3, с.5 - 21). Как и в гидролокации, нелинейные эффекты наблюдаются при распространении мощной звуковой Investigation of the atmosphere associated with determining its state and observing synoptic processes, in particular, measuring the thickness of the surface and boundary layers, etc. by means of acoustic sounding of the atmosphere, sodar -sound detecting and ranging, so called by analogy with radar (radar - radio detecting and ranging) using the principles of radar (see Jacek Valzevsky. 20 years of Polish sodar) are produced using active location systems. Wiad. Inst. Meteorol. I gosp.wod., 1999, 22, No. 3, pp. 5-21). As in sonar, nonlinear effects are observed during the propagation of powerful sound

волны в воздушной среде, обладающей нелинейными упругими свойствами. Действительно, как следует из адиабаты для воздуха, равным положительным и отрицательным изменениям давления соответствуют разные изменения объема данной массы воздуха - изменение объема при повышении давления меньше изменения при равном понижении давления, что приводит к образованию ударных волн при распространении в атмосфере интенсивных монохроматических звуковых сигналов. Развитие дистанционных методов зондирования атмосферы обусловило создание мощных излучателей, которые позволяют формировать звуковые волны с интенсивностью, достаточной для возникновения нелинейных эффектов (см. Андрианов В.А., Кальцин В.А. Применение нелинейных эффектов при выборе акустической антенной системы для зондирования атмосферы. Радиотехника и электроника, 1981, 26, №10, с.2209 - 2211). Установлено, что для акустического зондирования пограничного слоя атмосферы оптимальными являются частоты в диапазоне - (1-5) кГц, а при излучении акустической мощности 35 Вт антенной диаметром 3м на частоте 2 кГц в атмосфере распространяется звуковой пучок, формирующие ударные волны на расстоянии ~ 50 м, т.е. сформированы вторичные акустические сигналы на частотах 2f=4 кГц и 3f=6 кГц, имеющие пространственные характеристики, близкие к описанным выше для водной среды.waves in an air medium with nonlinear elastic properties. Indeed, as follows from the adiabat for air, different changes in the volume of a given mass of air correspond to equal positive and negative changes in pressure - a change in volume with an increase in pressure is less than a change with an equal decrease in pressure, which leads to the formation of shock waves when intense monochromatic sound signals propagate in the atmosphere. The development of remote sensing methods of the atmosphere led to the creation of powerful emitters that allow the formation of sound waves with an intensity sufficient for the occurrence of nonlinear effects (see Andrianov V.A., Kaltsin V.A. Application of nonlinear effects when choosing an acoustic antenna system for sensing the atmosphere. Radio engineering and Electronics, 1981, 26, No. 10, pp. 2209 - 2211). It has been established that for acoustic sounding of the atmospheric boundary layer, frequencies in the range of (1-5) kHz are optimal, and when acoustic power of 35 W is emitted by an antenna with a diameter of 3 m at a frequency of 2 kHz, a sound beam propagates in the atmosphere, forming shock waves at a distance of ~ 50 m , i.e. Secondary acoustic signals were generated at the frequencies 2f = 4 kHz and 3f = 6 kHz, having spatial characteristics close to those described above for the aqueous medium.

Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей доплеровской локационной системы за счет возможности выбора оптимальной скоростной чувствительности и повышения точности определения скорости движения судна.The objective of this utility model is to expand the operational capabilities of the Doppler location system due to the possibility of choosing the optimal speed sensitivity and increasing the accuracy of determining the speed of the vessel.

Технический результат достигается тем, что в известную доплеровскую навигационную систему введены 4(n-1) резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f, 3f,.....nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. The technical result is achieved by the fact that 4 (n-1) resonant amplifiers (N., K., LB, Pb) with tuning frequencies (2f, 3f, ..... are introduced into the well-known Doppler navigation system) nf), connected in parallel to four resonant amplifiers (n., k., lb, pb) with tuning frequencies f, which extends the frequency range of the channels for allocating Doppler frequencies as diametrical (“nose” and “feed”), and traverse (“lion. board” and “right.

борт»), причем, входы данных усилителей (н., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f,.....nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно с входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.board ”), moreover, the inputs of these amplifiers (n., k., lb, pb) are connected to four receiving converters (n., k., lb, pb), and the outputs of resonant amplifiers with the same tuning frequencies (2f, 3f, ..... nf) forming pairs (“bow” and “stern”; “left side” and “right side”) are connected respectively to inputs 2 ( n-1) frequency discriminators whose outputs are connected to the corresponding inputs of the secondary processing unit of Doppler information, where n is the number of harmonics of the acoustic signal of finite amplitude used.

Для достижения технического результата в доплеровскую навигационную систему, содержащую генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями (н., к., л.б., п.б.), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), соединенными через четыре резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f с двумя входами двух частотных дискриминаторов таким образом, что образуются два канала выделения доплеровских частот - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»), выходы частотных дискриминаторов соединены с соответствующим входом блока вторичной обработки доплеровской информации, дополнительно введены 4(n-1) резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f, 3f,.....nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт»), причем, входы данных усилителей (н., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f,.....nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно со входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами To achieve a technical result, a Doppler navigation system containing a generator connected to four radiating transducers (n., K., Lb, pb), which through a non-linear propagation medium are acoustically connected to four receiving transducers (n., k., lb, pb) connected through four resonant amplifiers (n., k., lb, pb) with tuning frequencies f with two inputs of two frequency discriminators in such a way that two channels of the allocation of Doppler frequencies are formed - diametral (“bow” and “feed”) and traver knowing (“left side” and “right side”), the outputs of the frequency discriminators are connected to the corresponding input of the secondary Doppler information processing unit, 4 (n-1) resonant amplifiers (n., k., lb, bp) with tuning frequencies (2f, 3f, ..... nf) connected in parallel to four resonant amplifiers (n., k., lb, pb) with tuning frequencies f, which expands the frequency range of the channels for the allocation of Doppler frequencies, both diametrical (“bow” and “feed”), and traverse (“lion. board "and" right. board ”), moreover, the inputs of these amplifiers (n., k., lb, pb) are connected to four receiving converters (n., k., lb, pb), and the outputs of resonant amplifiers with the same tuning frequencies (2f, 3f, ..... nf) forming pairs (“bow” and “stern”; “left side” and “right side”) are connected respectively to inputs 2 ( n-1) frequency discriminators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs

блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.unit for secondary processing of Doppler information, where n is the number of harmonics of the acoustic signal of finite amplitude used.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема заявляемого устройства.The utility model is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of the inventive device.

Доплеровская локационная система содержит генератор 1, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями 2 («нос»), 3(«корма»), 4(«лев. борт»), 5(«прав. борт»), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями 6 («нос»), 7(«корма»), 8(«лев. борт»),9(«прав. борт»), причем, как излучающие, так и приемные преобразователя расположены попарно (2, 6 - «нос», 3, 7 - «корма», 4, 8 - «лев. борт», 5, 9 - «прав. борт») и установлены таким образом, чтобы осуществлять излучение и прием ультразвуковых колебаний под углом Θ_д к горизонту как вперед, так и назад относительно курса судна в его диаметральной плоскости, а также как влево, так и в вправо относительно курса судна в его траверзной плоскости. Приемные преобразователи 6 («нос»), 7 («корма»), 8 («лев. борт»), 9 («прав. борт») соединены каждый с входами 4n резонансных усилителей 10, 13, 16, 19 и 11, 14, 17, 20 ... и 12, 15, 18, 21, настроенных соответственно на частоты f, 2f, ... nf; причем, выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки f, 2f,...nf и попарно с указанных направлений («нос» и «корма» -10 и 13, 11 и 14, ... 12 и 15; «лев. борт» и «прав. борт» - 16 и19, 17 и 20, ... 18 и 21) соединены со входами 2n частотных дискриминаторов (направление «нос» и «корма» - частотные дискриминаторы 22, 23, ... 24; направление «лев. борт» и «прав. борт» - частотные дискриминаторы 25, 26, ... 27), выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации 28.The Doppler location system contains a generator 1 connected to four radiating transducers 2 (“bow”), 3 (“feed”), 4 (“left side”), 5 (“right side”), which are acoustically via a non-linear propagation medium are connected with four receiving transducers 6 (“bow”), 7 (“stern”), 8 (“left side”), 9 (“right side”), moreover, both radiating and receiving transducers are arranged in pairs (2 , 6 - “nose”, 3, 7 - “feed”, 4, 8 - “left side”, 5, 9 - “right side”) and are installed in such a way as to emit and receive ultrasonic vibrations at an angle scrap к _d to the horizon both forward and backward relative to the ship's course in its diametrical plane, and also to the left and to the right relative to the ship's course in its traverse plane. Receiving transducers 6 ("bow"), 7 ("feed"), 8 ("left side"), 9 ("right side") are each connected to the inputs 4n of resonant amplifiers 10, 13, 16, 19 and 11, 14, 17, 20 ... and 12, 15, 18, 21, tuned to frequencies f, 2f, ... nf, respectively; moreover, the outputs of resonant amplifiers with the same tuning frequencies f, 2f, ... nf and pairwise from the indicated directions (“bow” and “stern” are 10 and 13, 11 and 14, ... 12 and 15; “left side ”And“ right side ”- 16 and 19, 17 and 20, ... 18 and 21) are connected to the inputs of 2n frequency discriminators (the“ bow ”and“ stern ”directions are frequency discriminators 22, 23, ... 24; direction “Left side” and “right side” are frequency discriminators 25, 26, ... 27), the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the secondary processing unit of Doppler information 28.

Работа доплеровской локационной системы, установленной на движущемся со скоростью и относительно дна, судне происходит следующим образом. Генератор 1 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал конечной амплитуды с частотой f, поступающий на The operation of the Doppler location system installed on a vessel moving with speed and relative to the bottom occurs as follows. Generator 1 generates a continuous harmonic signal of finite amplitude with a frequency f, arriving at

четыре акустических преобразователя 2 («нос»), 3 («корма»), 4 («лев. борт»), 5 («прав. борт»), излучающих в сторону дна (вперед, назад, влево, вправо относительно направления «нос-корма») акустические пучки с шириной главного максимума по уровню 0,7 θ_0,7(f) наклоненные на угол Θ_Д относительно горизонта. При распространении в среде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, акустический сигнал конечной амплитуды по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f, 3f, ... nf излученного сигнала с частотой f. Полигармонический локационный сигнал достигает дна по всем четырем направлениям и отражается от него.four acoustic transducers 2 (“bow”), 3 (“feed”), 4 (“left side”), 5 (“right side”) radiating towards the bottom (forward, backward, left, right relative to the direction “ bow-feed ”) acoustic beams with a main maximum width of 0.7 θ _{0.7 (f)} inclined at an angle Θ _D relative to the horizon. When propagating in a medium with non-linearity of its elastic characteristics, an acoustic signal of finite amplitude experiences accumulated distortions of the wave profile as it propagates, which physically means the generation of higher harmonic components 2f, 3f, ... nf of the emitted signal with frequency f. The polyharmonic location signal reaches the bottom in all four directions and is reflected from it.

Ниже рассмотрим работу только диаметрального канала выделения доплеровских частот, так как функционирование траверзного канала полностью аналогично. Ультразвуковые пучки лежат в плоскости «нос -корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от дна колебания со стороны носа и со стороны кормы поступают на соответствующие приемные преобразователи 6 («нос»), 7 («корма»), вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственноBelow, we consider the operation of only the diametral channel for separating Doppler frequencies, since the functioning of the traverse channel is completely similar. Ultrasonic beams lie in the nose-feed plane and the signals propagate both along the course of the vessel and in the opposite direction. Oscillations reflected from the bottom from the bow and from the stern are fed to the corresponding receiving transducers 6 (“bow”), 7 (“stern”), which generate electrical signals with frequencies, respectively

которые через соответствующие резонансные усилители 10 и 13, 11 и 14, ... 12 и 15, настроенные на частоты f, 2f, ... nf, поступают указанными парами - [см. соотношения (11), (12), ... (13)] на частотные дискриминаторы 22, 23, which through the corresponding resonant amplifiers 10 and 13, 11 and 14, ... 12 and 15, tuned to the frequencies f, 2f, ... nf, come in the indicated pairs - [see relations (11), (12), ... (13)] on frequency discriminators 22, 23,

... 24,, где происходит их перемножение, а затем выделение низкочастотных компонент фильтром низкой частоты. Таким образом, частотные дискриминаторы 22, 23, ... 24 вырабатывают n гармонических электрических сигналов с частотами f_D(nf)H-K=f_2нос(nf)-f_{2корма(nf)}, которые пропорциональны составляющей вектора скорости судна в его диаметральной плоскости, где n - число используемых в доплеровской локационной системе акустических сигналов кратных частот. В результате доплеровские сдвиги частот «нос-корма» в диаметральной плоскости судна будут определены на частотах f, 2f, ... nf,что позволит вычислить n значений для составляющей скорости движения судна в этом направлении «нос-корма» (н-к) относительно рассеивающей поверхности дна по формуле... 24 ,, where they are multiplied, and then the low-frequency components are separated by a low-pass filter. Thus, the frequency discriminators 22, 23, ... 24 generate n harmonic electrical signals with frequencies f _{D (nf) HK} = f _{2nos (nf)} -f _{2 feed (nf)} , which are proportional to the component of the ship's velocity vector in its diametrical plane, where n is the number of multiple frequency acoustic signals used in the Doppler location system. As a result, the Doppler shifts of the “bow-feed” frequencies in the ship’s diametrical plane will be determined at frequencies f, 2f, ... nf, which will allow calculating n values for the component of the ship’s speed in this bow-feed direction (nk) relative to the scattering bottom surface according to the formula

где K_(nf)=4_(nf)×cosΘ_Д/с - скоростная чувствительность доплеровской локационной системы, характеризующая приращение доплеровской частоты при изменении скорости на один узел. Отметим, что при прочих равных условиях выгоднее иметь большую скоростную чувствительность, так как в этом случае точность измерения скорости (при фиксированной инструментальной погрешности измерения доплеровской частоты) будет выше. Так, например, применение двухлучевого доплеровского лага в сравнении с однолучевым увеличивает скоростную чувствительность в два раза (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение,c. 136), в нашем же случае скоростная чувствительность двухлучевой доплеровской системы улучшена в n раз, где n - номер используемой высокочастотной составляющей сигнала накачки основной частоты f.where K _(nf) = 4 _(nf) × cosΘ _D / s is the speed sensitivity of the Doppler location system, which characterizes the increment of the Doppler frequency when the speed changes by one node. Note that, ceteris paribus, it is more profitable to have a high speed sensitivity, since in this case the accuracy of the velocity measurement (with a fixed instrumental error in measuring the Doppler frequency) will be higher. So, for example, the use of a double-beam Doppler lag in comparison with single-beam doubles the speed sensitivity (see Borodin V.I., Smirnov G.E., Tolstyakova N.A., Yakovlev G.V. Hydroacoustic navigation aids. L. : Shipbuilding, p. 136), in our case, the speed sensitivity of the two-beam Doppler system is improved n times, where n is the number of the used high-frequency component of the pump signal of the fundamental frequency f.

В блоке вторичной обработки доплеровской информации 28 осуществляются следующие операции: 1) алгебраическое суммирование частот сигналов, принятых по отдельным лучам «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт» доплеровской локационной системы, для каждой гармонической составляющей в отдельности; 2) измерение значений полученных наборов In the block for secondary processing of Doppler information 28, the following operations are carried out: 1) algebraic summation of the frequencies of the signals received on separate beams “bow”, “feed”, “lion. board "," right. board "Doppler location system, for each harmonic component separately; 2) measurement of the values of the obtained sets

доллеровских частот; 3) переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям скоростей и учет калибровочных значений; 4) ввод поправок в расчетные значения скоростей и усреднение их значений; 5) интегрирование расчетных значений скоростей с целью выработки данных о пройденном судном расстоянии; 6) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и индикация составляющих вектора скорости и пройденного расстояния; 7)сопряжение доплеровской локационной системы с внешними регистрирующими устройствами.Dolger frequencies; 3) the transition from the values of the obtained sets of Doppler frequencies to the values of the speeds and accounting for calibration values; 4) entering corrections into the calculated values of speeds and averaging their values; 5) integration of calculated speed values in order to generate data on the distance traveled; 6) converting the received information into a code of indicator elements and an indication of the components of the velocity vector and the distance traveled; 7) pairing the Doppler location system with external recording devices.

Для выполнения указанных операций по вторичной обработке могут быть использованы известные аналогичные устройства из радиодоплеровских систем (см. Цифровые навигационные устройства. Под ред. В.Б. Смолова. М.: Сов. радио, 1980). Более перспективным направлением выполнения перечисленных задач вторичной обработки доплеровской информации является применение средств вычислительной техники (см. Судовые измерители скорости.(справочник). А.А. Хребтов, В.Н. Кошкарев и др. Л.: Судостроение, 1978).To perform these secondary processing operations, known similar devices from radio-Doppler systems can be used (see Digital Navigation Devices. Edited by VB Smolov. M .: Sov. Radio, 1980). A more promising direction for the implementation of the above tasks of secondary processing of Doppler information is the use of computer technology (see Ship speed meters. (Reference). A.A. Khrebtov, V.N. Koshkarev et al. L .: Sudostroenie, 1978).

Оценим изменение величин флуктуационной погрешности (6) и погрешности смещения максимума энергии (7) доплеровского спектра при косвенном измерения скорости движения судна с помощью данного четырехлучевого доплеровского лага, но при условии использования в качестве излучающего преобразователя описанного выше поршневого в режиме излучения сигнала конечной амплитуды (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков //Акустика морских осадков/ Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227 -273), а также еще одного такого же - в качестве приемного преобразователя, имеющего для рассматриваемых акустических сигналов ширину главного максимума характеристики направленности по уровню 0,7 соответственно 4,2°, 2,1° и 1,4°. В данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна (δυ/υ)_фл доплеровским лагом при работе на сигнале второй или третьей гармоники может быть уменьшена по Let us evaluate the change in the values of the fluctuation error (6) and the error of the shift of the maximum energy (7) of the Doppler spectrum when indirectly measuring the speed of the vessel using this four-beam Doppler lag, but subject to the use of a signal of finite amplitude as the emitting transducer in the radiation mode (see T.J. Muir Non-linear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Acoustics of marine sediments / Under the editorship of Yu.Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1977. - p.227 -273), and also one of the same - as a receiving transducer having for the considered acoustic signals the width of the main maximum directivity characteristics at the level of 0.7, respectively 4.2 °, 2.1 ° and 1.4 °. In this case, the fluctuation relative error in measuring the speed of the vessel (δυ / υ) _fl Doppler lag when working on the signal of the second or third harmonic can be reduced by

сравнению с применением сигнала основной частоты соответственно в 2,8 и 5,2 раз, а относительная погрешность измерения скорости судна за счет деформации огибающей доплеровского спектра эхосигнала, обусловленная параметрами лага (θ_0,7; Θ_д) и параметрами среды распространения (β, χ, Н) - при тех же условиях уменьшена соответственно в 3,5 и 6,8 раз. Следует отметить, однако, что частоты сигнала конечной амплитуды f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц не являются оптимальными для решения задач расширения эксплуатационных возможностей доплеровской локационной системы.compared with the use of the main frequency signal, respectively, 2.8 and 5.2 times, and the relative error in measuring the speed of the vessel due to deformation of the envelope of the Doppler spectrum of the echo signal due to lag parameters (θ _0.7 ; Θ _d ) and propagation medium parameters (β, χ, H) - under the same conditions, reduced by 3.5 and 6.8 times, respectively. It should be noted, however, that the frequencies of the final amplitude signal f = 450 kHz and its higher harmonics 2f = 900 kHz, 3f = 1350 kHz are not optimal for solving the problems of expanding the operational capabilities of the Doppler location system.

В доплеровских локационных системах с непрерывным излучением присутствует явление «паразитного» прохождения сигнала из излучающего тракта в приемный как по электрическим цепям, так и по акустическому каналу через воду, что приводит к искажению спектра сигнала и ухудшению точности измерения скорости судна вследствие чего антенные системы доплеровских лагов должны обеспечивать малый уровень боковых лепестков и ореола ДН. В доплеровских лагах в большинстве случаев применяют линейные поршневые антенны, для которых в характеристике направленности уровень первого добавочного максимума составляет ~13% от уровня главного максимума. В предлагаемом устройстве использование акустических преобразователей в режиме излучения мощного сигнала конечной амплитуды и формирование в среде лоцирования дополнительных акустических сигналов высших гармонических компонент с подавленным боковым излучением (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227-273) обеспечит снижение уровня помех по акустическому каналу.In continuous-wave Doppler radar systems, there is a phenomenon of “parasitic” transmission of a signal from the emitting tract to the receiving one both via electric circuits and through the acoustic channel through water, which leads to a distortion of the signal spectrum and a deterioration in the accuracy of the vessel’s speed measurement, as a result of which the antenna Doppler log systems should provide a low level of side lobes and a halo of NAM. In most cases, linear piston antennas are used in Doppler logs, for which the level of the first additional maximum is ~ 13% of the level of the main maximum in the directivity characteristic. In the proposed device, the use of acoustic transducers in the radiation mode of a powerful signal of finite amplitude and the formation in the environment of location of additional acoustic signals of higher harmonic components with suppressed side radiation (see T. J. Muir. Non-linear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Marine Acoustics precipitation / Under the editorship of Yu.Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1977. - p.227-273) will reduce the level of interference through the acoustic channel.

Ограничение в рабочей глубине под килем у судов с доплеровскими локационными системами связано с явлением объемной реверберации ультразвука, так как в приемный тракт устройства, наряду с сигналом, рассеянным от дна (полезный сигнал), поступает рассеянный от The limitation in the working depth under the keel of vessels with Doppler location systems is associated with the phenomenon of volumetric reverberation of ultrasound, since in the receiving path of the device, along with the signal scattered from the bottom (useful signal), it is scattered from

близлежащих слоев воды (объемная реверберационная помеха). Интенсивность полезного сигнала резко убывает с увеличением расстояния между локатором и дном, в то время как интенсивность реверберационной помехи, определяемая рассеянием от близлежащих слоев воды, остается неизменной, причем, начиная с некоторой глубины под килем помеха превысит полезный сигнал, вследствие чего доплеровская локационная система будет измерять не абсолютную скорость судна, а скорость его относительно воды, что при наличии течения приведет к ошибкам. Действительно, уровень объемной реверберационной помехи прямо пропорционален реверберирующему объему V т.е. объему, заполненному рассеивателями, которые находятся в пределах телесного угла, определяемого шириной эквивалентной характеристики направленности приемно-излучающей антенной системы (см. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики/ Пер.с англ.- Л.: Судостроение, 1978. с.253), тогда обужение (обострение) главного максимума результирующей характеристики направленности преобразователя накачки на используемых сигналах основной частоты и его двух гармониках (f=450 кГц θ_0,7(f)изл=4,2° и θ_0,7(f)пр4.2°; 2f=900 кГц θ_{0,7(2f)изл}=2,9° и θ_0,7(2f)пр=2,1°; 3f=1350 кГц θ_{0,7(3f)изл}=2,6° и θ_0,7(3f)пр=1,4°) приведет к снижению уровня маскирующего действия объемной реверберационной помехи на сигналах гармоник.nearby water layers (volumetric reverberation interference). The intensity of the useful signal decreases sharply with increasing distance between the locator and the bottom, while the intensity of the reverberation noise, determined by scattering from nearby layers of water, remains unchanged, and, starting from a certain depth under the keel, the interference will exceed the useful signal, as a result of which the Doppler location system will measure not the absolute speed of the vessel, but its speed relative to the water, which in the presence of a current will lead to errors. Indeed, the level of volumetric reverberation noise is directly proportional to the reverberant volume V i.e. the volume filled with scatterers that are within the solid angle determined by the width of the equivalent directivity of the receiving-emitting antenna system (see Urik Robert J. Fundamentals of hydroacoustics / Transl. from English.- L .: Sudostroenie, 1978. p. 253), then the narrowing (sharpening) of the main maximum of the resulting directivity characteristics of the pump converter on the used signals of the fundamental frequency and its two harmonics (f = 450 kHz θ _{0.7 (f) rad} = 4.2 ° and θ _{0.7 (f) pr} 4.2 ° ; 2f = 900 kHz θ _{0.7 (2f) rad} = 2.9 ° and θ _{0.7 (2f) ol} = 2.1 °; 3f = 1350 kHz θ _{0.7 (3f) rad} = 2.6 ° and θ _{0 , 7 (3f) pr} = 1.4 °) will reduce the level of masking action of the volume reverberation noise on the harmonic signals.

С учетом вышеперечисленного, можно сделать вывод о том, что дополнительное использование формирующихся в нелинейной среде распространения высших гармонических компонент с частотами 2f, 3f, nf в качестве зондирующих в доплеровской локационной системе может позволить получить новый уточненный объем первичных данных о параметрах движения судна, что расширяет ее эксплуатационные возможности.In view of the above, it can be concluded that the additional use of higher harmonic components formed in a nonlinear medium with frequencies 2f, 3f, nf as probing in the Doppler location system can provide a new updated volume of primary data on the parameters of the vessel’s movement, which expands its operational capabilities.

Рассмотрим предполагаемые области использования предлагаемой доплеровской локационной системы в навигационных целях:- в глубоком море предлагаемое устройство может быть использовано в режиме работы Consider the proposed areas of use of the proposed Doppler location system for navigation purposes: - in the deep sea, the proposed device can be used in operating mode

по сигналам объемной реверберации (СОР) от горизонтов воды, удаленных от киля судна на 6-15 м (для более высокочастотных составляющих) и на 30-60 м (для более низкочастотных компонент);- в прибрежных районах с глубинами Н≤200 м доплеровская локационная система гложет работать на сигнале основной частоты и измерять скорость судна относительно дна;by signals of volume reverberation (COP) from water horizons 6-15 m away from the keel of the ship (for higher frequency components) and 30-60 m (for lower frequency components); - in coastal areas with depths H ≤200 m Doppler the location system can work on the signal of the fundamental frequency and measure the speed of the vessel relative to the bottom;

- при плавании крупнотоннажных судов в узкостях предлагаемое устройство может работать как на сигнале основной частоты для измерения абсолютной скорости судна, так и на сигналах высших гармоник в режиме работы по сигналам объемной реверберации (СОР) от различных горизонтов воды для определения направления и скорости течения; - при маневрировании на рейде и в порту предлагаемая доплеровская локационная система может работать с высокой скоростной чувствительностью на сигналах высших гармоник в режиме работы по дну, что обусловлено требованием малости скорости крупнотоннажных судов [не более 0.2 уз (0,1 м/с) - 0,25 уз (0,13 м/с)] при пороге ее измерения 0,01 уз (5 мм/с); - при швартовке судна к стационарному или плавучему причалу предлагаемое устройство на сигналах высших гармоник в режиме работы по дну может обеспечить контролируемый сброс скорости до 0,1 уз (5 см/с) - 0,25 уз (13 см/с).- when sailing large vessels in narrowness, the proposed device can operate both on the main frequency signal for measuring the absolute speed of the vessel, and on the signals of higher harmonics in the mode of operation from the signals of volume reverberation (COP) from different water horizons to determine the direction and speed of the current; - when maneuvering at the roads and in the port, the proposed Doppler location system can operate with high speed sensitivity on the signals of higher harmonics in the bottom operating mode, which is caused by the requirement that the speed of large vessels be small [not more than 0.2 knots (0.1 m / s) - 0 , 25 knots (0.13 m / s)] at the measurement threshold of 0.01 knots (5 mm / s); - when mooring a vessel to a stationary or floating berth, the proposed device using signals of higher harmonics in the bottom operating mode can provide a controlled speed drop of up to 0.1 knots (5 cm / s) - 0.25 knots (13 cm / s).

Полезная модель может быть применена в деле исследования Мировых как водного, так и воздушного океанов: - в гидроакустике - для увеличения точности измерения скорости судна как относительно дна, так и относительно воды по сигналам объемной реверберации от неоднородностей водной среды с помощью многочастотных доплеровских навигационных систем (ДНС), - в метеорологии - для увеличения точности измерения скорости и направления перемещения облаков относительно земли, а также при исследовании пространственно-временных характеристик поля скорости синоптических вихрей в приземном слое атмосферы в условиях сложного рельефа с помощью многочастотных звуколоцирующих систем - содаров.The utility model can be applied in the study of the World’s both water and air oceans: - in hydroacoustics - to increase the accuracy of measuring the speed of a vessel both relative to the bottom and relative to water from volume reverberation signals from inhomogeneities of the aquatic environment using multi-frequency Doppler navigation systems ( CSN), - in meteorology - to increase the accuracy of measuring the speed and direction of movement of clouds relative to the earth, as well as when studying the spatio-temporal characteristics of the field awns synoptic vortices in the atmospheric boundary layer in complex terrain using multifrequency zvukolotsiruyuschih systems - sodar.

Claims

A Doppler location system containing a generator connected to four radiating transducers (“bow”, “stern”, “left side”, “right side”), which are acoustically connected through four non-linear propagation media to four receiving transducers (“nose”, “Feed”, “left side”, “right side”) connected through four resonant amplifiers with tuning frequencies f with two inputs of two frequency discriminators in such a way that two channels of Doppler frequency allocation are formed - diametral (“bow” and “ feed ") and traverse (" left side ”and“ right side ”), the outputs of the frequency discriminators are connected to the corresponding inputs of the secondary Doppler information processing unit, characterized in that 4 (n-1) resonant amplifiers with tuning frequencies (2f, 3f,. .. nf) connected in parallel to four resonant amplifiers with tuning frequencies f, which extends the frequency range of the channels for selecting Doppler frequencies of both diametrical (“bow” and “stern”) and traverse (“lion. board "and" right. board ”), and the inputs of 4 (n-1) amplifiers are connected to four receiving converters, and the outputs of resonant amplifiers with the same tuning frequencies (2f, 3f, ... nf), forming pairs (“ bow ”and“ stern ”;“ left side ”and“ right side ”) are connected respectively to the inputs of 2 (n-1) frequency discriminators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the secondary processing unit of Doppler information, where n is the number of harmonics of the acoustic signal of finite amplitude used.