RU2066852C1 - Method of finding of distribution of sound velocity in liquids downwards over depth - Google Patents

Abstract

FIELD: underwater acoustics. SUBSTANCE: salient feature of invention consists in remote sequential measurement of shift, time of its existence and value of transport delay of echoes of vertical channels at which coefficient of auto and cross-correlations are equal. Then thickness of due layer and depth of its lower boundary are calculated. EFFECT: improved operational authenticity of method. 3 dwg

Description

Известен способ [1] определения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ). There is a method [1] of determining the vertical distribution of the speed of sound (ARW).

Недостатком его является необходимость перемещения излучающей и приемной антенн по глубине. Its disadvantage is the need to move the emitting and receiving antennas in depth.

Известен способ определения скорости звука в жидких средах (2), заключающийся в том, что в среду излучают звуковые колебания, принимают с помощью не менее чем двух излучающе-приемных антенн, установленных на движущемся объекте, эхосигналы от границы раздела среды, измеряют доплеровский сдвиг частоты эхосигналов, подвергают эхосигналы вертикальных каналов авто- и взаимной корреляционной обработке и рассчитывают скорость звука в слое до границы раздела по формуле
C=S•fcosθ/(Δf•T),
где S расстояние между излучающе-приемными антеннами;
f частота излучаемых звуковых колебаний;
θ угол между направлением излучения звуковых колебаний и направлением движения объекта при измерении доплеровского сдвига частоты эхосигналов;
Т величина транспортного запаздывания, при которой коэффициенты корреляции равны между собой.A known method for determining the speed of sound in liquid media (2), which consists in the fact that sound vibrations are emitted into the medium, echo signals from the medium’s interface are received with the help of at least two radiating-receiving antennas installed on a moving object, and the Doppler frequency shift is measured echoes, subject the echoes of the vertical channels to auto- and cross-correlation processing and calculate the speed of sound in the layer to the interface according to the formula
C = S • fcosθ / (Δf • T),
where S is the distance between the receiving and receiving antennas;
f frequency of radiated sound vibrations;
θ the angle between the direction of emission of sound vibrations and the direction of movement of the object when measuring the Doppler frequency shift of the echo signals;
T is the value of the transport delay at which the correlation coefficients are equal to each other.

Определяет скорость в одном слое. Determines the speed in one layer.

Цель изобретения расширение области применения за счет дистанционного определения ВРСЗ с движущегося объекта. The purpose of the invention is the expansion of the field of application due to the remote determination of ARW from a moving object.

Поставленная цель достигается последовательным измерением величины очередного i-го доплеровского сдвига и дополнительного времени его существования, вычислением толщины очередного i-го слоя среды до i-ой границы раздела среды по формуле
h_i=t_i•C_i/sinθ, (1)
где θ угол между направлением излучения звука и плоскостью излучающе-приемных антенн,
дополнительным расчетом глубины H_i границы раздела среды по выражению

причем толщина h_i последнего слоя, например у дна, берется в два раза меньше чем рассчитанного по формуле (1). Отличительные признаки и их совокупность позволяют сделать вывод о соответствии критериям "Новизна" и "Существенные отличия". При этом достигнут положительный эффект, решивший проблему дистанционного оперативного определения ВРСЗ с движущегося объекта.This goal is achieved by sequential measurement of the size of the next i-th Doppler shift and the additional time of its existence, by calculating the thickness of the next i-th layer of the medium to the i-th interface of the medium according to the formula
h _i = t _i • C _i / sinθ, (1)
where θ is the angle between the direction of sound emission and the plane of the receiving-receiving antennas,
additional calculation of the depth H _i the interface of the medium by the expression

moreover, the thickness h _{i of the} last layer, for example at the bottom, is taken to be two times less than that calculated by the formula (1). Distinctive features and their combination allow us to conclude that the criteria of "Novelty" and "Significant differences" are met. At the same time, a positive effect was achieved that solved the problem of remote operative determination of the acute viral reflex from a moving object.

На фиг. 1 изображено устройство определения ВРСЗ с движущегося объекта, где обозначено: 1 и 2 первая и вторая излучающе-приемные антенны; 3 блок определения скорости звука в жидкой среде; 4 блок измерения времени t_i существования очередного данного доплеровского Δf_i сдвига; 5 блок вычисления толщины h_i очередного слоя среды до i-ой границы раздела среды до i-ой границы раздела среды (вычисляемой по формуле (1), если i-я граница раздела среды не дно, и по формуле

если i-я граница раздела среды есть дно); 6 сумматор, определяющий глубину H_i для i-ой границы раздела среды по выражению

7 индикатор ВРСЗ, отображающий изменение скорости звука C_i по глубине Н_к.In FIG. 1 shows a device for determining ARW from a moving object, where it is indicated: 1 and 2, the first and second radiating-receiving antennas; 3 unit for determining the speed of sound in a liquid medium; 4 unit for measuring the time t _{i of the} existence of the next given Doppler shift Δf _i ; 5 unit for calculating the thickness h _{i of the} next layer of the medium to the i-th interface of the medium to the i-th interface of the medium (calculated by the formula (1), if the i-th interface is not a bottom, and by the formula

if the ith medium boundary is bottom); 6 adder determining the depth H _i for the i-th interface of the medium by the expression

7 VSLR indicator, showing the change in the speed of sound C _i in depth N _to .

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ и состоящее из первой 1 и второй 2 излучающе-приемных антенн, установленных на движущемся объекте и соединенных с блоком 3 определения скорости звука в жидких средах, первый выход которого соединен через блок 4 измерения времени t_i существования очередного доплеровского Δf_i сдвига с первым входом блока вычисления толщины h_i очередного слоя до i-ой границы раздела сред, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 3 определения скорости звука в жидких средах, а выход блока 5 вычисления толщины h_i очередного слоя среды до i-ой границы раздела сред соединен через сумматор 6 с первым входом индикатора 7 ВРСЗ, кроме того, второй выход блока 3 дополнительно соединен еще с вторым входом индикатора 7 ВРСЗ.Figure 1 shows a device that implements a method and consisting of the first 1 and second 2 radiation-receiving antennas mounted on a moving object and connected to the unit 3 for determining the speed of sound in liquid media, the first output of which is connected through the unit 4 for measuring the time t _i existence the next Doppler shift Δf _i with the first input of the unit for calculating the thickness h _{i of the} next layer to the i-th media interface, the second input of which is connected to the second output of the unit 3 for determining the speed of sound in liquid media, and the output of unit 5 for calculating the thickness h _{i of the} next layer of the medium to the i-th interface of the medium is connected through the adder 6 to the first input of the indicator ВРЗЗ, in addition, the second output of block 3 is additionally connected to the second input of the indicator 7 of ВРСЗ.

Работает устройство, реализующее способ, следующим образом. A device that implements the method works as follows.

Блок 3 определения скорости звука в жидких средах излучает сигналы под углом θ в вертикальной плоскости и по эхосигналу измеряет доплеровский сдвиг Df_i частоты, кроме того, излучают сигналы вертикально вниз и по корреляционному способу определяют T_i задержку, при которой значения авто- и взаимнокорреляционной функции равны, рассчитывают скорость звука по способу /2/
C_i=S•f•cosθ/(Δf_i•T_i), (4)
где S расстояние между излучающе-приемными антеннами 1 и 2;
f частота излучаемого звука;
θ угол между направлением излучения звука и плоскостью излучающе-приемных антенн.The unit 3 for determining the speed of sound in liquid media emits signals at an angle θ in the vertical plane and measures the Doppler frequency shift Df _i from the echo signal, in addition, they emit signals vertically downward and determine the delay T _i by the correlation method at which the values of the auto and cross-correlation functions equal, calculate the speed of sound by the method / 2 /
C _i = S • f • cosθ / (Δf _i • T _i ), (4)
where S is the distance between the receiving and receiving antennas 1 and 2;
f is the frequency of the emitted sound;
θ is the angle between the direction of sound emission and the plane of the receiving and receiving antennas.

Блок 3 выдает C_i через второй выход на второй вход блока 5, кроме того, вычисленное значение Df_i через первый выход поступает в блок 4 измерения t_i времени существования данного значения доплеровского сдвига. Значение t_i передается на первый вход блока 5. Блок 5 вычисления толщины h_i (i 1, 2,k) очередного слоя среды до i-ой границы раздела среды рассчитывает h_i по формуле (1) или (2), если k-я граница раздела дно. Полученное значение h_i поступает в блок 6, где рассчитывается H_i по выражению (3).Block 3 gives C _i through the second output to the second input of block 5, in addition, the calculated value Df _i through the first output goes to block 4 measuring t _{i the} time of existence of this Doppler shift value. The value of t _i is transmitted to the first input of block 5. Block 5 calculating the thickness h _i (i 1, 2, k) of the next layer of the medium to the i-th interface of the medium calculates h _i by the formula (1) or (2), if k- I am the bottom border. The obtained value of h _i goes to block 6, where H _{i is} calculated by expression (3).

Значения H_i с блока 6 поступают на первый вход индикатора 7 ВРСЗ. Кроме того, со второго выхода блока 3 значения поступают на второй вход индикатора 7 ВРСЗ в виде C_i. При следующем цикле измеряется величина очередного i+1-го доплеровского сдвига, t_i+1 время его существования, вычисляется толщина h_i+1 очередного слоя по формуле (1), определяется, что i+1 граница раздела не дно, и все перечисленное выше повторяется, если же i+1-я граница дно, то толщина последнего слоя берется равной половине, и все перечисленное выше повторяется до отображения на индикаторе 7 ВРСЗ. Затем синхронизатор блока 3 обнуляет схемы, подготавливает их к очередному измерению ВРСЗ (при необходимости). Блоки устройства аналогичны блокам прототипа. В роли новых блоков использованы блок 4 (фиг.2), состоящий из регистра 8, первый выход которого соединен с первым входом схемы сравнения 9, выход которой подключен к выходу "Стоп" счетчика 10 t_i, кроме того, второй выход регистра 8 соединен с входом "Пуск" счетчика 10 t_i, входом блока 4 являются вход регистра 8 и второй вход схемы сравнения 9, причем цепь начальной установки счетчика 10 t_i и регистра соединена со схемой сброса блока 3. В роли блока 5 (фиг. 3) предлагается схема, состоящая из первого 11 умножителя, на первый вход которого поступает значение t_i, на второй вход C_i, выход первого 11 умножителя соединен со вторым 12 умножителем, на второй вход которого подано постоянное значение "1/sinθ", а выход через переключатель 13 "слой дно" в положение "слой" соединен с выходом блока, а в положении "дно" соединен с третьим 14 умножителем, на второй вход которого подано значение "1/2", выход третьего 14 умножителя соединен с выходом блока 5.The values of H _i from block 6 are fed to the first input of the indicator 7 of the VVSS. In addition, from the second output of block 3, the values are supplied to the second input of the indicator VRASC in the form of C _i . In the next cycle, the value of the next i + 1-st Doppler shift is measured, t _{i + 1 is the} time of its existence, the thickness h _{i + 1 of the} next layer is calculated by formula (1), it is determined that i + 1 is not a bottom boundary, and all of the above the above is repeated, but if the i + 1-st boundary is the bottom, then the thickness of the last layer is taken equal to half, and all of the above is repeated until the VRSS is displayed on indicator 7. Then, the synchronizer of block 3 zeroes out the circuits, prepares them for the next measurement of VSWR (if necessary). The blocks of the device are similar to the blocks of the prototype. In the role of new blocks used block 4 (figure 2), consisting of a register 8, the first output of which is connected to the first input of the comparison circuit 9, the output of which is connected to the output "Stop" of the counter 10 t _i , in addition, the second output of the register 8 is connected with the “Start” input of the counter 10 t _i , the input of block 4 is the input of the register 8 and the second input of the comparison circuit 9, and the initial setup circuit of the counter 10 t _i and the register is connected to the reset circuit of block 3. In the role of block 5 (Fig. 3) a circuit is proposed consisting of the first 11 multiplier, the first input of which receives the value t _i , to the second input C _i , the output of the first 11 multiplier is connected to the second 12 multiplier, to the second input of which a constant value "1 / sinθ" is applied, and the output through the switch 13 "layer bottom" to the position "layer" is connected to the output of the unit, and in the position of the "bottom" is connected to the third 14 multiplier, to the second input of which the value "1/2" is applied, the output of the third 14 multiplier is connected to the output of block 5.

Предлагаемый способ обеспечивает оперативное и дистанционное определение ВРСЗ, что давно требовалось для обеспечения оптимального выбора режимов работы гидроакустических средств. The proposed method provides an operational and remote determination of VSWR, which has long been required to ensure the optimal choice of operating modes of hydroacoustic means.

Claims (1)

Способ определения распределения скорости звука в жидких средах вниз по глубине, заключающийся в том, что в среду излучают звуковые колебания, принимают с помощью не менее чем двух излучающеприемных антенн, установленных на движущемся объекте, эхо-сигналы от границы раздела слоя среды, измеряют доплеровский сдвиг частоты Δf эхо-сигналов, подвергают эхо-сигналы вертикальных каналов авто- и взаимной корреляционной обработке и рассчитывают скорость звука в слое до границы раздела по формуле
C=s•f•cosθ/(Δf•T),
где S расстояние между излучающе-приемными антеннами;
f частота излучаемых звуковых колебаний;
θ угол между направлением излучения звуковых колебаний и направлением движения объекта при измерении доплеровского сдвига частоты эхо-сигналов;
T величина транспортного запаздывания, при которой коэффициенты авто- и взаимной корреляции равны между собой,
отличающийся тем, что при определении скорости звука в данном i слое одновременно с измерением доплеровского Df_i сдвига частоты измеряют дополнительно время t_i его существования, рассчитывают толщину h_i данного слоя среды с постоянными доплеровским Δf_i сдвигом частоты и скоростью звука C_i до глубины границы раздела слоев, характеризующихся изменением доплеровского Δf_i+1 сдвига частоты, по формуле
h_i=t_i•C_i/sinθ, если i + 1 слой не дно;
h_i=t_i•C_i/(2•sinθ), иначе,
а для определения распределения скорости C_i звука по глубинам H_i - 1 ^oC H_i дополнительно рассчитывают глубину нижней границы раздела i слоя по формуле

A method for determining the distribution of the speed of sound in liquid media down depth, which consists in the fact that sound vibrations are emitted into the medium, receive with the help of at least two radiating-receiving antennas mounted on a moving object, echo signals from the interface layer of the medium, measure the Doppler shift frequency Δf of the echo signals, subject the echoes of the vertical channels to auto and cross-correlation processing and calculate the speed of sound in the layer to the interface according to the formula
C = s • f • cosθ / (Δf • T),
where S is the distance between the receiving and receiving antennas;
f frequency of radiated sound vibrations;
θ angle between the direction of emission of sound vibrations and the direction of movement of the object when measuring the Doppler frequency shift of the echo signals;
T is the value of the transport delay, at which the auto and cross-correlation coefficients are equal,
characterized in that when determining the speed of sound in a given i layer simultaneously with measuring the Doppler frequency shift Df _i, an additional time t _{i of} its existence is measured, the thickness h _{i of} this medium layer is calculated with constant Doppler frequency shift Δf _i and the speed of sound C _i to the depth of the boundary layer separation, characterized by a change in the Doppler Δf _{i + 1} frequency shift, according to the formula
h _i = t _i • C _i / sinθ, if i + 1 layer is not a bottom;
h _i = t _i • C _i / (2 • sinθ), otherwise,
and to determine the distribution of the speed C _{i of the} sound at the depths H _{i - 1} ^o CH _i additionally calculate the depth of the lower interface of the layer i by the formula

Images