SU1749705A1 - Гидроакустическое устройство дл определени скорости звука и угла наклона грунта - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к акустическим измерени м. Цель изобретени  повышение функциональных возможностей Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, рассто ние между которыми равно S, блок 9 выделени  (измерени ) до- плеровского сдвига частоты, блок 10 авто взаимокоррел ционной обработки, первое 11 и второе 13 множительные устройства, делитель 14, индикатор 15 скорости звука, блок 16 измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 - то же

Description

It/i

Фиг. 1

при наклонном излучении, третье 18 и четвертое 20 множительные устройства, сумматор 21, второй делитель 22, индикатор 23 угла наклона грунта. В блоке 9 путем сравнени  частот излучаемой f и принимаемой измер етс  доплеровский сдвиг частоты тд. В блоке 10 измер ютс  значени  коэффициентов автовзаимокоррел ции, сравниваютс , определ етс  врем , при котором значение коэффициента автокоррел ции равно значению коэффициента взаимной коррел ции. -В устройстве 11 формируетс  сигнал тдГ, который поступает в делитель 14. В другом устройстве 13 формируетс  сигнал sfcos 0, где в - угол наклона излучаемого сигнала к плоскости антенны, который также поступает в делитель 14. В блоке 14 определ етс  скорость звука в среде С путем

Изобретение относитс  к акустическим измерени м и может быть использовано, в частности, дл  определени  скорости звука и угла наклона грунта при исследовани х Мирового океана с подвижных и неподвижных объектов.

Известно гидроакустическое устройство , позвол ющее получать информацию о наклоне поверхности дна в направлении движени  судна. Устройство содержит антенну , передатчик, приемник и блок обработки информации.

Недостатком этого устройства  вл етс  узка  область применени , а именно использование только с подвижного объекта и ограниченные функциональные возможности при применении.

Известно также устройство дл  определени  скорости звука в жидкой среде содержащее две излучающе-принимающие антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик, синхронизатор, схему сброса, блоки измерени  доплеровского сдвига частоты, блок автовзаимокоррел ци- онной обработки, два множительных устройства , преобразователь дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала, делитель, блок индикации скорости звука в жидкой среде и соответствующие св зи.

Недостатком этого устройства  вл етс  также узка  область его применени , а именно невозможность определени  скорости чвука с неподвижных объектов и ограни- чрнмые функциональные возможности

Цель изобретени  - повышение функциональных возможностей и расширение

реализации в нем отношени  sfcos в /тл г. котора  индицируетс  в блоке 15. Кроме того , в блоке 17 формируетс  сигнал, пропорциональный времени прохождени  до грунта и обратно при наклонном излучении ti 2D/C. где D - дальность до отражающей поверхности, а в блоке 16 - то же самое при вертикальном излучении t 2H/C, где Н - глубина. В блоке 18 формируетс  сигнал ticos 0, а в блоке 20 - сигнал tisin в. На выходе сумматора 21 получаетс  сигнал t - tisin в. В итоге, в блоке 23 определ етс  угол наклона грунта путем реализации зависимости arctg(t - tisin Q/ticos в, котора  поступает на его вход с выхода делител  22 в виде отношени  (t - tisin 6)/ticos в. Информаци  об угле наклона грунта индицируетс  в блоке 23 2 ил.

области применени , повышение точности и безопасности кораблевождени .

Поставленна  цель достигаетс  тем. что в устройстве, содержащем первую и вторую

излучающе-приемные антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик , синхронизатор, схему сброса, блок измерени  доплеровского сдвига частоты, блок автовзаимно коррел ционной обработки , первый блок умножени , преобразователь дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр пам ти), второй блок умножени , делитель и блок индикации . Выходы блока задержки подключены

к входам первой и второй - излучающе-приемных антенн и преобразовател  дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала. Входы первого и второго приемников соединены соответственно с выходами

первой и второй антенн, а выходы первого и второго приемников подключены соответственно к первым и вторым выводам блока измерени  доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно коррел ционной обработки . Выходы синхронизатора соединены с входами передатчика, схемы сброса, с третьими выходами блока измерени  доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно коррел ционной обработки и с первым

входом блока задержки. Выход передатчика подключен к вторым входам блока задержки и второго блока умножени  и к четвертому входу блока измерени  доплеровского сдвига частоты, первый и второй входы первого

блока умножени  соединены соответственно с выходами блока измерени  доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно

коррел ционной обработки, второй и третий входы делител  соединены соответственно с выходами схемы сброса и первого блока умножени , а выход делител  соединен с входом блока индикации скорости зву- ка. В устройство дополнительно введены блок измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выхо- дом одного из приемников и с выходом синхронизатора , а выход - с первым выходом сумматора, блок измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, входы которо- го соединены с выходом передатчика, с выходом того же приемника и с выходом синхронизатора, а выход - с входом третьего блока умножени , второй вход которого соединен с выходом преобразовател  дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала, соединенного, в свою очередь , с блоком задержки, и с входом четвертого блока- умножени , второй вход которого соединен с выходом преобразова- тел  дл  получени  синуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр пам ти), сумматор, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножени , а выход - с входом второго делител , второй вход которого соединен в свою очередь с выходом третьего блока умножени , а выход делител  - с входом блока индикации угла наклона грунта.

Техническое решение позвол ет рас- ширить функциональные возможности и область применени , так как измер ет дополнительно к скорости звука угол наклона , грунта.

Измерени  можно вести как с движуще- гос , так и с неподвижного объекта.

При движении приемника и излучател  звука относительно отражающей поверхности возникает эффект Доплера. На выходе приемника наблюдаетс  эхосигнал с часто- той, отличающейс  от излучаемой частоты f на величину доплеровского сдвига

fn-fcvfcosfl/C,

где / - скорость объекта (судна)

О - угол между направлением излучений звука и плоскостью излучающе-приемных антенн,

С - скорость звука в среде.

Дл  уменьшени  вли ни  изменени  угла в обычно используют две излучающе- приемные антенны с базой S.

При ориентации по диаметральной плоскости объекта курсова  скорость определ етс  по формуле

VK CfA/4fcos в.

(2)

В то же врем  курсовую скорость можно определить и по формуле

vK S/4T,

(3)

где т - врем , при котором значение коэффициента автокоррел ции равно значению коэффициента взаимной коррел ции.

Дл  одного и того же объекта значени  vK, определенные по формуле 2 и 3. равны, следовательно

Cffl/4fcos0 S/4r После преобразовани  С Sfcos0/fflr

При вертикальном излучении рассто ние до грунта равно Н ---. где t врем 

между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении.

При наклонном излучении рассто ние

до грунта равно D , где ti - врем 

между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; геометрические соотношени  при измерении угла наклона грунта

Из фиг.2 после геометрических преобразователей можно получить

х Н - Dsin в, у Dcos 9, тд у х/у (6) откуда

у arctg(H - Dsin в /Dcos 0

arctg(t-tisin#/ticos0l(7)

Формулы (5) и (6)  вл ютс  исходной 50 информацией дл  доказательства достоверности решени  задачи по определению скорости звука м угла наклона грунта, причем, как видно из формулы, ограничений на получение информации по скорости движени  55 нет.

Предлагаемое устройство за счет введени  в него блока измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блока измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении , третьего и четвертого блоков умножени  второго регистра пам ти, сумматора , второго делител  и блока индикации позвол ет измер ть и угол наклона грунта. При этом, функции антенны, передатчика , приемника, синхронизатора, регистра пам ти и блока задержки, используемые в известном устройстве сохран ют в предлагаемом устройстве свое назначение и при указанном измерении угла накло- на грунта. Таким образом, не ухудша  режима работы известного устройства, повышаютс  его функциональные возможности , т.е. дополнительно к функции измерени  скорости звука определ етс  угол наклона грунта, причем с подвижного и с неподвижного объекта, что расшир ет область использовани  устройства

На фиг.2 показана блок-схема устройства .

Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, представл ющие собой линейные решетки, состо щие из отдельных преобразователей (не показаны), приемники 3 и 4, блок 5 задержки, передатчик 6, синхронизатор 7, схему 8 сброса, блок 9 выделени  (измерени ) доплеровского сдвига частоты, блок 10 автовзаимно коррел ционной обработки, первое множительное устройство 11, преобразователь 12 дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр пам ти), второе множительное устройство 13, делитель 14, индикатор 15 скорости звука в жидкой среде , блок 16 измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, третье множительное ус/ройство 18, преобразователь 19 дл  получени  синуса угла наклона излучаемого сигнала (второй регистр пам ти), четвертое множительное устройство 20, сумматор 21, второй делитель 22, индикатор 23 угла наклона грунта. Причем , выходы первой и второй излучающе- приемных антенн 1, 2 соединены соответственно с первым 3 и вторым 4 приемниками , а входы через блок 5 задержки соединены с выходом передатчика 6, с эхо- дом блока 5 задержки, с входом схемы 8 сброса, с входом блока 9 измерени  доплеровского сдвига частоты и с входом блока 10 автозаимно коррел ционной обработки, вторые и третьи входы которых (блоков 9 и 10) соединены соответственно с выходами приемников 3, 4. а четвертый вход блока 9 измерени  доплеровского сдвига частоты

соединен с выходом передатчика 6 Входы первого множительного устройства 11 соединены с выходом блока 9 измерени  доплеровского сдвига частоты и с выходом блока

10 автовзаимно коррел ционной обработки сигналов. Вход преобразовател  12 дл  получени  косинуса угла наклона излучаемого сигнала соединен с выходом блока 5 задержки , а выход - с первым входом множитель0 ного устройства 13, второй вход которого соединен с выходом передатчика 6. а третий вход предназначен дл  ввода масштабного коэффициента. Входы делител  14 соединены с выходом схемы 8 сброса, с выходом

5 первого 11 и второго 13 множительных устройств , а его выход с входом блока 15 индикации скорости звука в среде Входы блока 16 измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при

0 вертикальном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом одного из приемников 3 или 4, с выходом синхронизатора 7, а выход - с первым входом сумматора 21. Входы блока.17 измерени 

5 промежутка времени между посылкой и приемом сиггнала при наклонном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом того же приемника 3 или соответственно 4 и с выходом синхронизатора 7, а

0 выход - с входом третьего множительного устройства 18, второй вход которого соединен с выходом преобразовател  12 косинуса угла наклона излучаемого сигнала, и с входом четвертого множительного устройства

5 20, второй вход которого соединен с выходом преобразовател  19 синуса угла наклона излучаемого сигнала, вход которого соединен с блоком 5 задержки. Второй вход сумматора 21 соединен с выходом четверто0 го множительного устройства 20, а выход - с входом второго делител  22, второй вход которого соединен с выходом третьего множительного устройства 18, а выход - с входом блока 23 индикации угла наклона

5 грунта.

Устройство работает следующим образом .

Техническое решение имеет два самосто тельных канала дл  выработки одно0 временно информации о скорости звука в жидкой среде и об угле наклона грунта, который объединены в работе только общими блоками 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 12

С учетом этого работа канала выработки

5 информации о скорости звука в жидкой среде происходит следующим образом

При подаче питани  по команде синхронизатора 7 в передатчике 6 формируетс  излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, при помощи которого формируетс  угол между направлением излучени  и плоскостью антенн, подаетс  на антенны 1 и 2. Эти антенны представл ют собой линейные решетки, состо щие из отдельных преобразователей, питание к которым подаетс  от блока 5 с небольшим сдвигом по фазе. Антенны 1 и 2 излучают сигнал в сторону отражающей поверхности. Отраженный от грунта сигнал принимают на антенны 1 и 2, с выходов которых сигнал поступает на входы приемников 3 и 4, где эхо-сигналы привод тс  к виду, приемлемому дл  обработки в блоке 9 В блоке 9 происходит разделение сигналов, усиление, преобразование по частоте и т.д. и путем сравнени  излучаемой частоты f и принимаемой частоты происходит измерение доплеровского сдвига частоты тд, значение которого передаетс  в блок 11 Во врем  этого цикла работы блок 10 отключен синхронизатором 7. При следующем цикле работы блок 10 отключен синхронизатором 7 При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключаютс  от обработки эхо-сигналов блоки 9 и 5.

При этом передатчик 6 формирует излучаемый импульс, поступающий на антенны 1 и 2 без сдвига по фпз (за счет предварительного отключени  блока 5 задержки по команде синхронизатора 7) В этом случае угол излучени  6 90°, и эхо-сигнал с выходов антенн 1 и 2 через приемники 3 и 4 поступают на входы блока 10 В блоке 10 происходит регистраци  значений коэффициентов авто- и взаимной коррел ции, сравнение их и определение времени г, при котором значение коэффициента автокоррел ции равно значению коэффициентов взаимной коррекции Сигналы с выходов блоков 9 и 10 поступают на первый блок 11 умножени , с выхода которого сигнал вида тд т поступает на делитель 14 Одновременно на делитель 14 поступает сигнал вида sfcos в, который формируетс  на втором блоке 13 умножени , на входы которого в свою очередь подаетс  масштабный коэффициент , пропорциональный базе S. частота излучаемого сигнала f с выхода передатчика 6 и cos в с выхода регистра 12 пам ти, вход которого подключен к выходу блока 5 задержки. С выхода делител  14 информаци  о скорости звука в жидкой среде поступает на блок 15 индикации где ее визуально и воспринимают

При следующем цикле по команде синхронизатора 7 через схему 8 сбора осуществл етс  сброс информации на выходе делител  14, блоке 15 индикации и установки блоков 9 и 10 в исходное состо ние дл 

последующих измерений Затем цикл измерений в соответствии с режимом работы синхронизатора 7 повтор етс .

Работа канала выработки информации 5 об угле наклона грунта независимо от имее- мой своей скорости происходит следующим образом

При подаче питани  по команде синхронизатора 7 в передатчике б формируетс  10 излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, г деформируетс  угол 0 между на- t правлением излучени  и плоскостью антенн , подаетс  на антенны 1 и 2. Антенны 1 и 2 пой углом Ок плоскости антенн излучают

5 сигнал в сторону отражающей поверхности. Одновременно по команде синхронизатора 7 отключаетс  блок 1б и подключаетс  блок 17, запуск которого осуществл етс  передним фронтом импульса передатчика 6 От0 раженный от грунта сигнал поступает на антенны 1 и 2, с выходов которых сигнал передаетс  на входы приемных устройств 3 и 4 С выхода одного из приемных устройств , допустим 4, сигнал поступает на вто5 рой вход блока 17, в результате чего на выходе этого блока 17 получают информацию о времени прохождени  сигнала до грунта и обратно при наклонном излучении (ti 2D/C), котора  передаетс  в блоки 18

0 и 20. Одновременно при наклонном излучении в блоке 19 преобразуетс  угол наклона в в синус этого угла Вход этого блока 19 подключен к выходу блока 5 задержки, а выход - к входу четвертого блока 20 умно5 жени .

При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключаетс  блок 5 и передатчик 6 формирует очередной излучаемый импульс, поступающий на антен0 ны 1 и 2, но уже без сдвига (за счет предварительного отключени  блока 5 задержки по команде синхронизатора 7). Одновременно по команде синхронизатора 7 отключаетс  блок 17 и подключаетс  блок

5 16. на второй вход которого поступает импульс передатчика 6. На третий вход блока 16 с приемника 4 поступает отраженный сигнал, в результате чего на выходе блока 16 получают информацию о времени прохож0 дени  сигнала до грунта и обратно при вертикальном излучении (t 2H/C), котора  передаетс  далее на вход сумматора 21 Затем в третьем блоке 18 умножени , на входы которого ранее поданы с выхода блока 17

5 сигнал ц и с выхода блока 12 сигнал cos 0. формируетс  сигнал ticos в В четвертом блоке 20 умножени , на выходы которого ранее поданы сигнал ц с выхода блока 17 и сигнал sin вс выхода блока 19, формируетс 

сигнал tisln 0. Далее в сумматоре 21. работающем в режиме на вычитание, входы которого подключены к выходам блоков 16 и 20. формируетс  сигнал t - tisln в. Выходы блоков 18 и 21 подключены на выходы второго делител  22, который на выходе формирует сигнал в виде отношени  (ti - tisln 0 )/ticos в. Зтот сигнал в блоке 23| преобразуетс  к виду у arctg(t - ttsln ф/ticos в и индицируетс  как измеренный угол наклона грунта в блоке 23.

Затем циклы измерений в соответствии с режимом работы синхронизатора 7 повтор ютс .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Гидроакустическое устройство дл  определени  скорости звука и угла наклона грунта, содержащее первую и вторую излучающе-приемные антенны, выходы которых соединены с первым и вторым приемниками , а входы через блок задержки соединены с выходом передатчика, синхронизатор, выходы которого соединены с входом передатчика , с входом блока задержки, с входом схемы сброса, с входом блока измерени  доплеровского сдвига частоты и с входом блока автовзаимно коррел ционной обработки , вторые и третьи входы которых соединены с выходами приемников, а четвертый вход блока измерени  доплеровского сдвига частоты соединен с выходом передатчика, первое множительное устройство , входы которого соединены с выходом блока измерени  доплеровского сдвига частоты и с выходом блока автовзаимно коррел ционной обработки сигналов, второе множительное устройство, преобразователь косинуса угла наклона излучаемого сигнала , вход которого соединен с выходом блока задержки, а выход - с первым входом

   второго множительного устройства, «торой вход которого соединен с выходом передатчика , а третий вход предназначен дл  ввода масштабного коэффициента, пропорционального базе - рассто нию между излучающе-приемными антеннами, делитель, входы которого соединены с выходом схемы сброса, с входом первого и второго множительных устройств, а его выход - с входом

   блока индикации скорости звука в среде, отличающеес  тем, что. с целью повышени  его функциональных возможностей и расширени  области применени , оно дополнительно содержит третье и четвертое множительные устройства, блок измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом одного из

   приемников и с выходом синхронизатора, а выход - с первым входом сумматора, блок измерени  промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом того же приемника и с выходом синхронизатора, а выход - с входом третьего множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом преобразовател  косинуса угла

   наклона излучаемого сигнала и с входом четвертого множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом пре- образоёател  синуса угла наклона излучаемого сигнала, сумматор, второй

   вход которого соединен, с выходом-четвертого множительного устройства, а выход - с входом второго делител , второй вход которого соединен с выходом третьего множительного устройства, а его выход - с входом

   блока индикации угла наклона грунта.