RU2558017C1 - Active sonar - Google Patents
Active sonar Download PDFInfo
- Publication number
- RU2558017C1 RU2558017C1 RU2014108500/28A RU2014108500A RU2558017C1 RU 2558017 C1 RU2558017 C1 RU 2558017C1 RU 2014108500/28 A RU2014108500/28 A RU 2014108500/28A RU 2014108500 A RU2014108500 A RU 2014108500A RU 2558017 C1 RU2558017 C1 RU 2558017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- sonar
- array
- antenna
- receiving
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гидроакустической технике, в частности к области активной гидролокации, в том числе к активным гидролокаторам, предназначенным для поиска надводных судов в контролируемой зоне морской поверхности с возможностью обеспечения гидролокационного поиска крупногабаритных протяженных объектов на поверхности воды в заданном секторе обзора, а также определения координат, ориентации и осадки обнаруженных на поверхности крупногабаритных объектов (надводных судов) в составе системы управления движением судов (СУДС).The invention relates to sonar technology, in particular to the field of active sonar, including active sonar, designed to search for surface ships in a controlled area of the sea surface with the ability to provide sonar search for large-sized extended objects on the water surface in a given viewing sector, as well as determining coordinates , orientation and draft found on the surface of large objects (surface vessels) as part of the vessel traffic control system (VTS).
Одна из основных задач системы управления движением судов (СУДС) заключается в оперативном контроле за перемещением судов на основе анализа первичной навигационной информации, поступающей от береговых радиолокационных станций, а также данных, передаваемых бортовыми системами по каналам автоматической идентификационной системы (АИС). К основным навигационным параметрам, используемым в СУДС для анализа обстановки, относятся координаты судна, его скорость и путевой угол. В сложных навигационных условиях, например в шельфовых зонах или на узких извилистых фарватерах, снижение риска возникновения аварийных ситуаций связано с доступностью дополнительных данных, к которым относится осадка судна и его истинный курс и от которых, фактически, зависят границы зоны безопасного плавания и ширина полосы, занимаемой судном на фарватере.One of the main tasks of the ship traffic control system (VTS) is the operational control of the movement of ships based on the analysis of primary navigation information from coastal radar stations, as well as data transmitted by airborne systems through the channels of an automatic identification system (AIS). The main navigation parameters used in the VTS to analyze the situation include the coordinates of the vessel, its speed and track angle. In difficult navigational conditions, for example, in offshore zones or on narrow winding fairways, the reduction in the risk of emergencies is associated with the availability of additional data, which include the draft of the vessel and its true heading and on which, in fact, the boundaries of the safe navigation zone and the bandwidth occupied by the ship on the fairway.
В настоящее время не существует береговых средств дистанционного контроля осадки и истинного курса судна и единственным их источником остается бортовое навигационное оборудование, способное передавать в СУДС текущие значения этих параметров по каналам АИС. Использование активных гидролокационных систем (ГАС) в составе СУДС позволит минимизировать навигационные риски, возникающие при перебоях в работе АИС из-за отказа оборудования и при высоких уровнях помех в каналах связи. Позиционные ГАС могут развертываться вблизи постоянно существующих либо временных навигационных опасностей и предназначаются для сбора и передачи информации о координатах, истинном курсе и осадке проводимого судна непосредственно в СУДС. Основным требованием к собираемой ГАС навигационной информации о судне является ее достаточность для завершения ранее начатой проводки в период неработоспособности радионавигационных средств, включая береговые РЛС, АИС и бортовые спутниковые навигационные системы (СНС).At present, there are no coastal means of remote monitoring of the draft and the true course of the vessel, and their only source is on-board navigation equipment capable of transmitting to the VTS the current values of these parameters via AIS channels. The use of active sonar systems (ASG) as part of the VTS will minimize the navigation risks arising from interruptions in AIS operation due to equipment failure and at high levels of interference in communication channels. Positional GAS can be deployed near permanent or temporary navigational hazards and are designed to collect and transmit information about the coordinates, true heading and draft of the vessel directly to the VTS. The main requirement for the navigation information collected by the CEO is its sufficiency for completing the previously begun posting during the period of inoperability of radio navigation aids, including coastal radars, AIS and onboard satellite navigation systems (SNA).
Известны активные гидролокаторы, включающие акустические излучающую и приемную антенны, генераторное устройство, блок синхронизации, устройство формирования характеристик направленности, блок измерения времени задержки эхо-сигнала от цели относительно момента излучения зондирующего сигнала, блок измерения угла прихода эхо-сигнала в вертикальной плоскости, блок вертикального разреза скорости звука (Справочник по гидроакустике. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1988, с. 24, 54-57; Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982, с. 26, 27).Active sonars are known, including acoustic emitting and receiving antennas, a generator device, a synchronization unit, a device for generating directivity characteristics, a unit for measuring the delay time of an echo signal from a target relative to the moment of emission of a sounding signal, a unit for measuring the angle of arrival of an echo signal in a vertical plane, a vertical unit section of the speed of sound (Handbook of hydroacoustics. A.P. Evtyutov, A.E. Kolesnikov, E.A. Korepin et al. 2nd ed. - L .: Shipbuilding, 1988, p. 24, 54-57; Mitko V.B., Evtutov A.P., G Srezhin, S.E., Hydroacoustic Communication and Surveillance, Leningrad: Shipbuilding, 1982, p. 26, 27).
Известны также активные гидролокаторы (об этом говорится в книгах: Из истории отечественной гидроакустики, СПб, 1998 г., с. 177; 50 лет ЦНИИ "Морфизприбор", СПб, 1999, с. 134, 139), работающие в режиме измерения дистанции до цели, в которых излучение и прием сигналов производится в направлении, поступающем от системы шумопеленгования.Active sonars are also known (this is stated in the books: From the History of Russian Hydroacoustics, St. Petersburg, 1998, p. 177; 50 years of the Central Research Institute "Morphizpribor", St. Petersburg, 1999, p. 134, 139), operating in the mode of measuring the distance to targets in which the emission and reception of signals is made in the direction coming from the noise direction finding system.
Все известные активные гидролокаторы не имеют возможности быстрого определения навигационных параметров судна, включая его координаты, скорость, истинный курс и осадку в зоне действия ГАС.All known active sonars do not have the ability to quickly determine the navigational parameters of a ship, including its coordinates, speed, true heading, and draft in the HAS coverage area.
Задачей изобретения является разработка конструкции активного гидролокатора, дистанционно работающего в режимах кругового/секторного обзора и измерения осадки судна с одновременной высокой скоростью сканирования, позволяющего определять пространственное положение корпуса судна.The objective of the invention is to develop the design of an active sonar remotely operating in the modes of circular / sectorial review and measurement of draft of the vessel with a simultaneous high scanning speed, which allows to determine the spatial position of the hull.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции гидролокатора и его эксплуатации, снижение его стоимости за счет использования в нем промышленно выпускаемых комплектующих и существующих алгоритмов обработки данных.The technical result of the invention is to simplify the design of the sonar and its operation, reducing its cost through the use of industrially produced components and existing data processing algorithms.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что согласно изобретению активный гидролокатор, включает процессорный блок, приемо-передающий блок, соединительный кабель от процессорного к приемо-передающему блоку, антенный блок гидролокатора со встроенным сигнальным и управляющим кабелем, при этом приемо-передающий блок выполнен выносным и содержит две фазируемые антенные решетки, работающие в паре, одна из которых - излучающая с веерной диаграммой направленности, установлена внутри корпуса с возможностью вращения в горизонтальной плоскости вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр, а другая - приемная антенная решетка, неподвижно закреплена на корпусе, и выполнена в виде кольца, охватывающего герметичный корпус, заполненный жидкостью, для компенсации гидростатического давления внешней среды. Кроме того, приемо-передающий блок содержит модуль передатчика, модуль приемника с оптическим модемом для преобразования мильтиплексированного электрического сигнала от приемной антенной решетки в оптический и блок питания для питания выносного приемо-передающего блока. Излучающая антенная решетка выполнена в виде фазированной линейной пьезокерамической решетки, а на дне герметичного корпуса с излучающей решеткой расположены предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор сигналов, оптический модем, электрический двигатель, приводящий излучающую решетку во вращение, и датчик угла поворота излучающей решетки.The task and the technical result are achieved by the fact that according to the invention, the active sonar includes a processor unit, a transceiver unit, a connecting cable from the processor to the transceiver unit, an antenna unit of the sonar with an integrated signal and control cable, while the transceiver unit is made remote and contains two phased antenna arrays operating in pairs, one of which is radiating with a fan radiation pattern, is installed inside the housing with the possibility of rotation in th izontalnoy plane about an axis through its geometric center, and another - reception antenna array, is fixedly mounted on the housing and is formed as a ring covering the sealed housing filled with liquid to compensate for the ambient hydrostatic pressure. In addition, the transceiver unit contains a transmitter module, a receiver module with an optical modem for converting the multiplexed electric signal from the receiving antenna array to the optical and a power supply unit for supplying the remote transceiver unit. The radiating antenna array is made in the form of a phased linear piezoceramic array, and at the bottom of the sealed enclosure with the radiating array there are a preamplifier, an analog-to-digital converter, a signal multiplexer, an optical modem, an electric motor that rotates the radiating array, and a rotation angle sensor of the radiating array.
Наличие процессорного блока позволяет управлять формированием излучаемых сигналов и передавать на приемо-передающий блок сигналы управления антенным блоком, принимать и демультиплексировать усиленные и оцифрованные сигналы приемной антенной решетки, поступающие от приемо-передающего блока. Процессорный блок является узлом, обрабатывающим сигналы и данные, а также играет роль управляющего интерфейса между оператором СУДС и гидролокатором. Процессорный блок гидролокатора также включает в себя и функции управления процессами ввода-вывода визуализации рельефа поверхности контролируемого сектора в каждом акте обзора (кадре), визуализации поперечного сечения корпуса судна, предварительной обработки полученных изображений рельефа (кадров), геокодирование и конвейерную передачу кадров изображений в СУДС, а также покадровую запись синтезированных изображений вместе с метками времени на встроенный либо внешний регистратор, что позволяет измерять текущие навигационные параметры судна, включая осадку и истинный курс, а также протоколировать изменения названных параметров в течение проводки судна.The presence of the processor unit allows you to control the formation of the emitted signals and transmit to the transmit-receive unit the control signals of the antenna unit, receive and demultiplex the amplified and digitized signals of the receive antenna array coming from the transmit-receive unit. The processor unit is a node that processes signals and data, and also plays the role of a control interface between the VTS operator and the sonar. The sonar processor unit also includes functions for controlling the input-output processes of visualization of the surface relief of the controlled sector in each act of review (frame), visualization of the cross section of the ship's hull, preliminary processing of the obtained relief images (frames), geocoding and pipelining of image frames to the VTS , as well as frame-by-frame recording of synthesized images along with time stamps on an internal or external recorder, which allows you to measure current navigation pairs try the ship, including draft and the real exchange rate, as well as log the changes these settings for posting vessel.
Наличие соединительного кабеля обеспечивает связь сигнального и управляющего интерфейса между процессорным блоком и приемо-передающим блоком гидролокатора, что позволяет осуществлять обработку гидролокационных данных в удаленном на большое расстояние процессорном блоке, благодаря чему снижается энергопотребление приемоизлучающего блока, уменьшается вес соединительного кабеля благодаря использованию проводников меньшего сечения, и увеличиваются максимально допустимые расстояния, на которые приемо-передающий модуль может быть удален от процессорного блока обработки данных.The presence of the connecting cable provides the signal and control interface between the processor unit and the transceiver unit of the sonar, which allows the processing of sonar data in a long-distance processor unit, thereby reducing the power consumption of the receiving-emitting unit, reducing the weight of the connecting cable due to the use of conductors of a smaller cross section, and the maximum permissible distances that the transceiver module can be remote from the data processing unit.
Приемо-передающий блок гидролокатора формирует электрические импульсы зондирующих сигналов и посылает их на передающую решетку, осуществляя преобразование мультиплексированных оптических сигналов от приемной антенны в электрические и передачу их в процессорный блок гидролокатора по соединительному кабелю между процессором и приемо-передающим блоком для последующей обработки. Кроме того, приемо-передающий блок передает по соединительному кабелю питающее напряжение и управляющие сигналы на антенный блок гидролокатора.The sonar transceiver unit generates electrical pulses of the probing signals and sends them to the transmitting array, converting the multiplexed optical signals from the receiving antenna into electric ones and transferring them to the sonar processor unit via a connecting cable between the processor and the transceiver unit for subsequent processing. In addition, the transceiver unit transmits the supply voltage and control signals to the sonar antenna unit via a connecting cable.
Оснащение выносного приемоизлучающего блока гидролокатора вращающимся направленным излучающим модулем, работающим в паре с неподвижной приемной антенной, позволяет многократно увеличивать скорости обзора по сравнению со скоростью обзора гидролокаторами, построенными по классическим схемам гидролокаторов кругового или бокового обзора.Equipping the remote receiving-emitting unit of the sonar with a rotating directional emitting module, paired with a stationary receiving antenna, allows you to significantly increase the viewing speed compared to the speed of the sonar, constructed according to the classical schemes of circular or side-scan sonars.
Выполнение приемо-передающего блока выносным со встроенными сигнальным и управляющим кабелем позволяет передавать акустические импульсы в воду через излучающую антенную решетку и принимать отраженные акустические сигналы с помощью приемной кольцевой антенной решетки, усиливать, оцифровывать, мультиплексировать и посылать их на приемо-передающий блок по волоконно-оптической линии связи.The implementation of the transmitter-receiver unit remote with a built-in signal and control cable allows you to transmit acoustic pulses into the water through the radiating antenna array and receive reflected acoustic signals using the receiver ring antenna array, amplify, digitize, multiplex and send them to the transmitter-receiver unit via fiber optical communication line.
Предварительный усилитель предназначен для усиления сигналов, принимаемых приемной антенной решеткой. Аналого-цифровой преобразователь служит для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Мультиплексор позволяет одновременно передавать потоки цифровых данных от приемных каналов по одному каналу. Оптический модем предназначен для преобразования мультиплексированного цифрового электрического сигнала в оптический для последующей передачи в процессорный блок и обработки в этом блоке.The preamplifier is designed to amplify the signals received by the receiving antenna array. An analog-to-digital converter is used to convert analog signals to digital form. The multiplexer allows you to simultaneously transmit digital data streams from the receiving channels on one channel. An optical modem is designed to convert a multiplexed digital electrical signal into an optical signal for subsequent transmission to the processing unit and processing in this unit.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - устройство приемоизлучающего блока, с сечениями вертикальной и горизонтальной плоскостей; на фиг. 2 - схема сканирования поверхности А, где значения β, γ и δ преувеличены для наглядности; на фиг. 3 - геометрия лучей при измерении величины осадки судна (сечение А-А изображено с искажением масштабов); на фиг. 4 - формирование зон обзора на поверхности воды при размещении приемоизлучающего блока вблизи поворота оси фарватера.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 - device receiving-emitting unit, with sections of vertical and horizontal planes; in FIG. 2 is a diagram of a surface scan A, where the values of β, γ and δ are exaggerated for clarity; in FIG. 3 - geometry of the rays when measuring the draft of the vessel (section AA is depicted with scale distortion); in FIG. 4 - the formation of viewing zones on the surface of the water when placing the receiving-emitting unit near the rotation of the axis of the fairway.
Активный гидролокатор включает процессорный блок 1, выполненный на платформе с архитектурой х86, приемо-передающий блок 2, соединительный кабель 3 от процессорного блока 1 к приемо-передающему блоку 2, обеспечивающий сигнальный и управляющий интерфейс между процессорным блоком 1 и приемо-передающим блоком 2 гидролокатора, антенный блок 4 гидролокатора со встроенным сигнальным и управляющим кабелем 5. Приемо-передающий блок 2 выполнен выносным и содержит две фазируемые антенные решетки, работающие в паре, одна из которых - излучающая антенная решетка 6 с веерной диаграммой направленности, установлена внутри корпуса 7 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, представляющая собой линейную пьезокерамическую решетку, а другая - приемная антенная решетка 8, выполнена в виде кольца и неподвижно закреплена на корпусе 7, который заполнен жидкостью 9 для компенсации гидростатического давления внешней среды. Приемо-передающий блок 2 гидролокатора содержит модуль передатчика 10, модуль приемника 11 и блока питания 12. Модуль приемника включает оптический модем 13 для преобразования мильтиплексированного оптического сигнала от приемной антенной решетки 8 в электрический сигнал. Блок питания 12 предназначен для питания выносного приемо-передающего блока 2. На дне герметичного корпуса 7 с излучающей антенной решеткой 6 смонтированы также предварительный усилитель со встроенным аналого-цифровым преобразователем 14, мультиплексор 15 сигналов, оптический модем 13 и электрический двигатель 16, приводящий излучающую решетку 6 во вращение, и управляемый модулем 17 управления, содержащим датчик угла поворота излучающей решетки 6. Выносной приемо-передающий блок 2 соединен с расположенным на береговом посту приемо-передающим блоком кабелем требуемой длины, подающим питание на входящие в состав приемо-передающий блок 2 электрические устройства, а также содержит (на чертежах не показано) управляющий кабель, сигнальный кабель, по которому передаются излучаемые излучающей антенной решеткой 6 и принимаемые кольцевой приемной антенной решеткой 8, волоконно-оптическую линию, по которой в приемо-передающий блок 2 передаются предварительно усиленные и мультиплексированные сигналы с приемной антенны 8, а также информация об угле поворота излучающей антенны 6. Электронные блоки приемо-передающего блока 2 соединены между собой шиной 18.The active sonar includes a processor unit 1, executed on a platform with x86 architecture, a
Активный гидролокатор работает следующим образом.Active sonar works as follows.
Один из возможных вариантов реализации предлагаемого технического решения состоит в использовании излучающей антенной решетки 6 с веерной диаграммой направленности (возможно использование излучающих антенн от промышленно выпускаемых ГБО) в соответствии с показанной на фиг. 2 схемой, в которой излучающая антенна 6 развернута вокруг собственной оси на 180° (по отношению к используемой в ГБО ориентации) и приводится во вращение в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящий через ее геометрический центр, где:One possible implementation option of the proposed technical solution is to use a radiating antenna array 6 with a fan radiation pattern (it is possible to use radiating antennas from industrially produced HBOs) in accordance with that shown in FIG. 2 by a scheme in which the radiating antenna 6 is rotated around its own axis by 180 ° (with respect to the orientation used in HBO) and is rotated in a horizontal plane relative to the vertical axis, passing through its geometric center, where:
А - зона сканирования,A - scan area,
R - радиус зоны сканирования,R is the radius of the scan zone,
В - мертвая зона приемо-передающего блока 2,In the dead zone of the
S - линейный излучатель приемо-передающего блока 2,S is a linear emitter of the transmitter-
Н - глубина установки приемоизлучающего блока,N - installation depth of the receiving-emitting unit,
θ - угол раскрыва веера диаграммы направленности,θ is the aperture angle of the radiation pattern fan,
β - угловой размер мертвой зоны,β is the angular size of the dead zone,
γ - ширина диаграммы направленности излучателя,γ is the width of the radiation pattern of the emitter,
φ - азимутальный угол.φ is the azimuthal angle.
Угловая ширина сектора сканирования на поверхности составляетThe angular width of the scanning sector on the surface is
Приемная антенна 8 в предлагаемой конструкции приемоизлучающего блока 2 неподвижна и выполнена в виде кольца, охватывающего периметр неподвижного корпуса 7 (фиг. 1), внутри которого размещена вращающаяся линейная излучающая антенна 6. Внутренний объем корпуса 7 заполнен жидкостью для компенсации гидростатического давления внешней среды при установке устройства под водой.The receiving antenna 8 in the proposed design of the receiving-radiating
Использование фазированных излучающей 6 и приемной 8 антенн обеспечивает необходимую пространственную селективность системы в целом, позволяя разделять эхо-сигналы, пришедшие с различных азимутальных углов, совершенно аналогично тому, как это делается при приеме эхо-сигналов в обычных гидролокаторах бокового обзора при поступательном движении приемоизлучающего модуля.The use of phased emitting 6 and receiving 8 antennas provides the necessary spatial selectivity of the system as a whole, allowing you to separate the echo signals coming from different azimuthal angles, exactly the same as when receiving echo signals in conventional side-scan sonars with the translational movement of the receiving-emitting module .
Благодаря аксиальной симметрии конструкции приемоизлучающего блока 2, гидролокатор может использоваться как в режиме секторного, так и кругового обзора. Конструкция гидролокатора также позволяет в одном акте обзора (т.е. за один полный поворот излучающей антенны 6) производить сканирование произвольного числа отдельных, несмежных секторов поверхности. Одновременное сканирование нескольких секторов осуществляется за счет управления режимом излучения зондирующих акустических импульсов и соответствующей обработкой принимаемых отраженных сигналов. Возможность одновременного сканирования нескольких секторов поверхности позволяет вдвое, по сравнению с режимом односекторного обзора, увеличить эффективную дальность системы, например, при ее установке в месте поворота оси фарватера (фиг. 4). В данной ситуации гидролокатор позволяет одновременно контролировать несмежные секторы поверхности в двух направлениях по обе стороны от точки поворота оси фарватера. Величины углов обзора в одновременно контролируемых секторах поверхности могут быть различными, как это показано на фиг. 4.Due to the axial symmetry of the design of the receiving-emitting
Активный гидролокатор предлагаемой конструкции предназначен для поиска надводных судов в контролируемой зоне морской поверхности. В ходе выполнения поиска гидролокатор обеспечивает:The active sonar of the proposed design is designed to search for surface ships in a controlled area of the sea surface. During the search, the sonar provides:
- гидролокационный поиск крупногабаритных протяженных объектов на поверхности воды в заданном секторе обзора;- sonar search for large-sized extended objects on the surface of the water in a given viewing sector;
- определение координат, ориентации и осадки обнаруженных на поверхности крупногабаритных объектов (надводных судов).- determination of coordinates, orientation and draft found on the surface of large-sized objects (surface ships).
Работа гидролокатора в режиме сканирования поверхности.Sonar operation in surface scan mode.
Излучающая антенна 6 гидролокатора равномерно вращается в горизонтальной плоскости, в последовательные моменты времени излучает короткие зондирующие сигналы длительности τ в каждый элементарный сектор направлений δ, ширина которого определяется шириной веерной диаграммы направленности излучателя в горизонтальной плоскости (фиг. 4). При использовании промышленных образцов излучающей решетки со средней рабочей частотой 100 кГц, длительность зондирующего сигнала обычно выбирается в интервале от 0.2 до 1 мс. Полное время работы излучающей антенны 6 по сектору обзора Ф составляетThe radar antenna 6 of the sonar rotates uniformly in the horizontal plane, at successive times it emits short sounding signals of duration τ to each elementary sector of directions δ, the width of which is determined by the width of the fan radiation pattern of the radiator in the horizontal plane (Fig. 4). When using industrial designs of an emitting grating with an average operating frequency of 100 kHz, the duration of the probe signal is usually chosen in the range from 0.2 to 1 ms. The total operating time of the radiating antenna 6 in the viewing sector f is
ТФ=τФ/δ, F T = τF / δ,
где τ - длительность одного зондирующего сигнала.where τ is the duration of one probe signal.
Когда работа излучающей антенны 6 по выбранному сектору обзора закончена, излучающая решетка отключается. В свою очередь, на время работы излучающей антенны 6 отключается приемная антенна 8, что приводит к образованию мертвой зоны непосредственно в окрестности приемоизлучающего блока гидролокатора. Радиальный размер мертвой зоны по наклонной дальности определяется временем отключения приемной антенны 8 и равен, при сканировании одного сектора,When the work of the radiating antenna 6 in the selected viewing sector is finished, the radiating array is turned off. In turn, for the duration of the operation of the emitting antenna 6, the receiving antenna 8 is turned off, which leads to the formation of a dead zone directly in the vicinity of the receiving-emitting unit of the sonar. The radial size of the dead zone in oblique range is determined by the turn-off time of the receiving antenna 8 and is equal, when scanning one sector,
rB=сτФ/δ,r B = cτF / δ,
где с - скорость звука в воде.where c is the speed of sound in water.
Соответствующий радиальный размер мертвой зоны на поверхности воды составляетThe corresponding radial dead zone size on the surface of the water is
RB=0, если rB<Н,R B = 0 if r B <H,
где H - глубина установки приемоизлучающего блока под водой.where H is the depth of installation of the receiving-emitting unit under water.
Время, за которое излучающая антенна 6 совершает один полный оборот на 360° вокруг своей оси, равен:The time during which the radiating antenna 6 makes one full revolution of 360 ° around its axis is equal to:
Т360=2πτ/δ.T 360 = 2πτ / δ.
Длительность одного акта обзора (сканирования поверхности) при любом количестве и конфигурации выбранных секторов обзора, включающая время работы излучающей антенны 6 по заданным секторам поверхности и последующий прием рассеянных сигналов, составляетThe duration of one act of review (surface scan) for any number and configuration of selected sectors of the review, including the operating time of the emitting antenna 6 on the given sectors of the surface and the subsequent reception of scattered signals, is
Тобзора=Т360+2R/c,T review = T 360 + 2R / s,
где R - наклонная дальность до наиболее удаленной точки контролируемого участка поверхности, R - радиальный размер наибольшего сектора обзора, с - скорость звука.where R is the slant range to the farthest point of the controlled surface area, R is the radial size of the largest viewing sector, and c is the speed of sound.
Характерные времена работы системы при типовых значениях параметров R=500 м, Н=50 м, τ=1 мс, с=1500 м/с, δ=1° приведены в таблице 1.The typical operating times of the system at typical values of the parameters R = 500 m, H = 50 m, τ = 1 ms, s = 1500 m / s, δ = 1 ° are given in table 1.
Последовательное сканирование узких угловых секторов δ (величина δ определяется шириной диаграммы направленности излучающей антенны 6 в горизонтальной плоскости и для промышленных образцов составляет не более 1° на частотах 100 кГц) формирует изображение морской поверхности в заданном секторе обзора Ф=Nδ, которое используется для локализации и измерения навигационных параметров расположенного на ней судна.Sequential scanning of narrow angular sectors δ (the value of δ is determined by the radiation pattern of the emitting antenna 6 in the horizontal plane and for industrial samples is not more than 1 ° at frequencies of 100 kHz) forms an image of the sea surface in a given viewing sector Φ = Nδ, which is used to localize and measuring the navigation parameters of the vessel located on it.
Каждый зондирующий акустический импульс используется для формирования радиальной строки данных в полярных координатах (R,φ). Каждая строка данных содержит ряд амплитуд отраженного сигнала в элементарном секторе δ в азимутальном направлении φ в функции радиального расстояния R до рассеивающего элемента поверхности. Высокие амплитуды отвечают сильному рассеянию в обратном направлении, в т.ч. обусловленному рассеянием на корпусе судна. Низкие амплитуды отвечают рассеянию на затененных подводной частью корпуса судна участках поверхности. Полученные в заданном секторе обзора Ф=Nδ радиальные строки данных объединяются и отображаются в полярной системе координат, формируя двумерное изображение морской поверхности в секторе обзора. Данные сканирования выводятся в виде двумерного массива значений амплитуд, элементы которого представляют собой набор амплитуд от различных участков поверхности в пределах контролируемого сектора. Размер этих элементарных участков поверхности определяется величиной радиального и латерального пространственного разрешения системы. Разделение сигналов, рассеянных различными участками поверхности в латеральном (азимутальном) направлении осуществляется на основе направленных свойств приемной кольцевой антенны 8. Угловое разрешение системы в латеральном направлении также равно δ и составляет не более 1°. Разделение сигналов, рассеянных различными участками поверхности в радиальном направлении осуществляется на основе измерения задержек сигналов, принятых в выбранном азимутальном направлении. Величина радиального разрешения ΔR составляет не меньше 10-20 см по наклонной дальности при использовании промышленных образцов излучающих антенных решеток и зондирующих сигналов со средней частотой порядка 100 кГц (линейные размеры таких решеток при этом не превышают 1 м). В результате, значения амплитуд в формируемом двумерном массиве данных представляют собой акустический образ сканируемого сектора поверхности, составленного из мозаики с размером элементов ΔR×δ в полярных координатах. Данные об амплитудах, собранные в каждом акте обзора, подвергаются геокодированию на основе оперативных данных о текущей гидрологии для учета искривления звуковых лучей и передаются в СУДС, где они подвергаются дальнейшей обработке и отображаются (визуализируются) на дисплее оператора, который принимает решение о возможности их использования для определения навигационных параметров судна.Each probe acoustic pulse is used to form a radial data string in polar coordinates (R, φ). Each data row contains a series of amplitudes of the reflected signal in the elementary sector δ in the azimuthal direction φ as a function of the radial distance R to the scattering surface element. High amplitudes correspond to strong scattering in the opposite direction, including due to scattering on the ship's hull. Low amplitudes correspond to scattering on surface areas shaded by the underwater part of the ship's hull. The radial data lines obtained in a given survey sector Φ = Nδ are combined and displayed in the polar coordinate system, forming a two-dimensional image of the sea surface in the survey sector. The scan data is output as a two-dimensional array of amplitude values, the elements of which are a set of amplitudes from various surface areas within the controlled sector. The size of these elementary surface sections is determined by the radial and lateral spatial resolution of the system. The separation of signals scattered by various surface areas in the lateral (azimuthal) direction is based on the directional properties of the receiving ring antenna 8. The angular resolution of the system in the lateral direction is also equal to δ and is not more than 1 °. Separation of signals scattered by different parts of the surface in the radial direction is carried out on the basis of measuring the delay of the signals received in the selected azimuthal direction. The radial resolution ΔR is not less than 10-20 cm in oblique range when using industrial designs of radiating antenna arrays and probing signals with an average frequency of about 100 kHz (the linear dimensions of such arrays do not exceed 1 m). As a result, the amplitudes in the generated two-dimensional data array represent an acoustic image of the scanned sector of the surface composed of a mosaic with the element size ΔR × δ in polar coordinates. The amplitudes data collected in each act of the survey are geocoded based on current data on the current hydrology to account for the distortion of sound rays and transmitted to the VTS, where they are further processed and displayed (visualized) on the operator’s display, which decides on the possibility of their use to determine the navigation parameters of the vessel.
Работа гидролокатора в режиме определения осадки суднаSonar operation in ship draft determination mode
Оперативные данные о величине осадки проводимого судна позволяют уточнять границы зоны безопасного плавания в зависимости от рельефа дна и глубины расположения подводных препятствий в зоне проводки судна.Operational data on the draft of the conducted vessel allows you to specify the boundaries of the safe navigation zone depending on the topography of the bottom and the depth of the location of underwater obstacles in the zone of the vessel.
Поскольку измерения осадки требуют повышенной точности, они должны проводиться в период наибольшего сближения судна с гидролокатором, когда величина латерального разрешения по расстоянию близка к своему максимальному значению. Оценка величины осадки производится на основании гидролокационных данных, получаемых в режиме сканирования поверхности, однако алгоритм их обработки принципиально отличается от используемого в режиме сканирования поверхности и опирается на учет акустических "бликов", возникающих на подводной части корпуса судна в моменты, когда гидролокатор находится на траверзе борта судна.Since draft measurements require increased accuracy, they should be carried out during the period of closest approach of the vessel to the sonar, when the lateral resolution in distance is close to its maximum value. The draft value is estimated based on sonar data obtained in the surface scanning mode, however, their processing algorithm is fundamentally different from that used in the surface scanning mode and relies on the accounting of acoustic “glare” arising on the underwater part of the ship’s hull when the sonar is on the beam the side of the vessel.
Как следует из очевидных геометрических соображений, при любой величине истинного курса судна, минующего гидролокатор, на линии пути всегда найдется, по крайней мере, одна точка, в которой хотя бы одно из азимутальных направлений сканирования окажется ортогональным к борту судна (фиг. 3). В этой ситуации существуют, по крайней мере, два направления (лучи 1 и 2 на фиг. 3), в которых акустический сигнал испытает зеркальное отражение в обратном направлении на корпусе судна и, следовательно, будет характеризоваться аномально высоким уровнем в точке приема (по сравнению с сигналами, испытавшими обычное обратное рассеяние по другим направлениям). Сигнал по лучу 1 будет зеркально отражен в обратном направлении на границе действующей ватерлинии с корпусом судна благодаря эффекту "уголкового отражателя", а сигнал по лучу 2 испытает зеркальное отражение в обратном направлении от корпуса судна в точке, положение которой будет зависеть от величины осадки, формы обвода и расположения излучателя относительно линии пути. Луч 3 также может испытать зеркальное отражение в обратном направлении за счет эффекта "уголкового отражателя", правда, это будет иметь место только для судов с наружным килем (который обычно отсутствует у больших судов). Луч 4 формирует границу области тени при визуализации данных, поскольку лучи с большими углами падения в вообще не испытывают рассеяния на корпусе судна.As follows from obvious geometric considerations, for any value of the true heading of the vessel passing the sonar, there will always be at least one point on the track where at least one of the azimuthal scanning directions will be orthogonal to the side of the vessel (Fig. 3). In this situation, there are at least two directions (
Определение осадки судна заключается в визуализации линии обвода Г1Г2Г3Г4 поперечного сечения корпуса судна и основано на измерении времен и углов прихода сигналов, рассеянных корпусом судна, а также используется момент прихода интенсивного "траверзного" зеркального блика от корпуса (по лучу 1 или 2) в качестве временного строба, определяющего момент начала проведения измерений.The determination of the draft of the vessel consists in visualizing the contour line Г 1 Г 2 Г 3 Г 4 of the transverse section of the ship’s hull and is based on measuring the times and angles of arrival of signals scattered by the ship’s hull, and the moment of arrival of an intense “traverse” specular highlight from the hull (along the beam) is used 1 or 2) as a temporary strobe that determines the moment the measurement starts.
Режим работы гидролокатора и алгоритм обработки данных в задаче измерения осадки судна в целом идентичны рассмотренным выше для режима сканирования поверхности с той, однако, разницей, что в данном случае измерения производятся не в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости с полярными координатами (r,θ), а их результатом является массив данных, являющийся акустическим образом поперечного сечения корпуса судна и позволяющий определить величину осадки по положению изображения этого сечения относительно известного уровня поверхности воды.The operating mode of the sonar and the data processing algorithm in the problem of measuring the draft of the vessel are generally identical to those considered above for the surface scanning mode, however, the difference is that in this case the measurements are made not in the horizontal plane, but in the vertical plane with polar coordinates (r, θ ), and their result is an array of data that is an acoustic image of the cross section of the hull and allows you to determine the amount of draft by the position of the image of this section relative to the known level of rhnosti water.
Активный гидролокатор совместил в себе гидролокатор с боковым и круговым обзором и, с технической точки зрения, решена проблема определения навигационных параметров судна, включая его истинный курс и осадку. Кроме того, за счет использования линейной излучающей фазированной решетки с веерной диаграммой направленности достигается большая, по сравнению с использованием ненаправленного источника зондирующих сигналов, дальность действия гидролокатора, а за счет вращения излучающей решетки достигается многократное увеличение скорости сканирования благодаря возможности разделения зондирующих сигналов по азимутальным углам, что повышает эксплуатационные характеристики гидролокатора. Кроме того, за счет возможности использования в конструкции гидролокатора промышленно выпускаемых комплектующих снижена его стоимость, а за счет использования существующих алгоритмов обработки данных, с незначительной их доработкой, упрощается эксплуатация.The active sonar combined the sonar with a side and circular view and, from a technical point of view, the problem of determining the navigation parameters of the vessel, including its true heading and draft, was solved. In addition, due to the use of a linear radiating phased array with a fan radiation pattern, a greater sonar range compared to the use of an omnidirectional source of probing signals is achieved, and due to the rotation of the radiating array, a multiple increase in the scanning speed is achieved due to the possibility of separating the probe signals at azimuthal angles, which increases the operational characteristics of the sonar. In addition, due to the possibility of using industrially produced components in the sonar design, its cost is reduced, and due to the use of existing data processing algorithms, with their slight improvement, operation is simplified.
В настоящее время активный гидролокатор находится на стадии технического предложения.The active sonar is currently at the technical proposal stage.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014108500/28A RU2558017C1 (en) | 2014-04-11 | 2014-04-11 | Active sonar |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014108500/28A RU2558017C1 (en) | 2014-04-11 | 2014-04-11 | Active sonar |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2558017C1 true RU2558017C1 (en) | 2015-07-27 |
Family
ID=53762628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014108500/28A RU2558017C1 (en) | 2014-04-11 | 2014-04-11 | Active sonar |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2558017C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2719730C1 (en) * | 2019-02-12 | 2020-04-22 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Receiving sonar channel |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4568872A (en) * | 1982-05-26 | 1986-02-04 | Enertec | Method of measuring the distance of a fault on a line taking account of distributed capacitances |
| RU2039366C1 (en) * | 1992-07-24 | 1995-07-09 | Новосибирский государственный технический университет | Phase parametric side-looking sonar system |
| RU2146408C1 (en) * | 1999-01-28 | 2000-03-10 | Дыгай Александр Иванович | Antenna with circular or sector-shaped directivity pattern |
| RU75061U1 (en) * | 2008-01-09 | 2008-07-20 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
| RU2346295C1 (en) * | 2007-05-21 | 2009-02-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | Active sonar |
| RU92201U1 (en) * | 2008-12-30 | 2010-03-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
| RU108858U1 (en) * | 2011-06-15 | 2011-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
-
2014
- 2014-04-11 RU RU2014108500/28A patent/RU2558017C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4568872A (en) * | 1982-05-26 | 1986-02-04 | Enertec | Method of measuring the distance of a fault on a line taking account of distributed capacitances |
| RU2039366C1 (en) * | 1992-07-24 | 1995-07-09 | Новосибирский государственный технический университет | Phase parametric side-looking sonar system |
| RU2146408C1 (en) * | 1999-01-28 | 2000-03-10 | Дыгай Александр Иванович | Antenna with circular or sector-shaped directivity pattern |
| RU2346295C1 (en) * | 2007-05-21 | 2009-02-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | Active sonar |
| RU75061U1 (en) * | 2008-01-09 | 2008-07-20 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
| RU92201U1 (en) * | 2008-12-30 | 2010-03-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
| RU108858U1 (en) * | 2011-06-15 | 2011-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | ACTIVE HYDROLOCATOR |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2719730C1 (en) * | 2019-02-12 | 2020-04-22 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Receiving sonar channel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11372102B2 (en) | Systems and associated methods for producing a 3D sonar image | |
| US11119211B2 (en) | Acoustic doppler system and method | |
| EP3096159B1 (en) | Sonar systems and methods using interferometry and beamforming for 3d imaging | |
| US9335412B2 (en) | Sonar transducer assembly | |
| US11585911B2 (en) | Variable geometry sonar system and method | |
| JP2016536604A (en) | System and associated method for detecting and locating underwater objects with neutral buoyancy, such as mooring mines | |
| US20200333787A1 (en) | Marine surface drone and method for characterising an underwater environment implemented by such a drone | |
| CN109975815A (en) | A kind of submarine target multi-beam sonar detection system and method | |
| KR20190141341A (en) | Method for Inspection Underwater Structures Using Drone and Sonar | |
| EP3064958B1 (en) | Systems and associated methods for producing a 3d sonar image | |
| JP2012225667A (en) | Ultrasonic transceiver, detection method for fixed quantity and detection method for fish amount | |
| RU2558017C1 (en) | Active sonar | |
| CN110780286A (en) | Echo signal processing device and system, and echo signal processing method | |
| KR101797442B1 (en) | 2MHz Side Scan Sonar for Resolution Enhancement and Operation Method thereof | |
| CA3155537A1 (en) | Variable geometry sonar system and method | |
| JP3055526B2 (en) | Laser guided synthetic aperture seafloor monitoring sonar system. | |
| Ehrhardt et al. | Comparison of different short-range sonar systems on real structures and objects | |
| RU2271021C1 (en) | Method for determining cable-laying route and depth for underwater cable | |
| CN113359182A (en) | Device, method and system for quickly searching and positioning deep-sea hydrothermal nozzle | |
| KR20200028266A (en) | Fish protection system using underwater ultrasonic wave for removing green algae | |
| Nolan | A high frequency wide field of view ultrasonic sensor for short range collision avoidance applications on intervention class underwater vehicles | |
| IPR et al. | 182 ADVANCES IN UNDERWATER TECHNOLOGY |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160412 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190603 |