Изобретение относится к корреляционным методам измерения скорости движения, позволяющим определять скорость судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, а также сопровождается измерением глубин акватории по пути следования с требуемой точностью. В предлагаемом способе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной (относительной) скорости судна, так и пространственно-временной картины поля течений, а также регистрации глубин водоемов. Область использования - гидроакустика, океанография.The invention relates to correlation methods for measuring the speed of movement, which makes it possible to determine the speed of the vessel both relative to the bottom and relative to passively carried by the currents scatterers located in the layers of the fine structure of the ocean's aquatic environment, and is also accompanied by measuring the depths of the water area along the route with the required accuracy. In the proposed method, these measurements are proposed to be carried out at several multiple operating frequencies, which will allow, by choosing the necessary angular resolution of the receiving and emitting antenna system, to increase the accuracy of determining both the absolute (relative) speed of the vessel and the space-time pattern of the current field, as well as recording the depths of reservoirs . Area of use - hydroacoustics, oceanography.
Изобретение может быть применено для измерения акустическим способом параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателями, которые обладают различными физико-химическими свойствами. Работоспособность способа основана на том, что информацию получают за счет эхозондирования ультразвуком совокупностей рассеивателей в слоях неоднородной водной среды, которые разделены граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука), причем, совокупности рассеивателей случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев (от 1,2,…, , .., ). Рассеиватели (пузырьки, взвешенные частицы, планктон, различные неоднородности и т.п.) в слоях имеют нейтральную плавучесть и акустические сопротивления , , …., , величины которых произвольно флюктуируют относительно значения акустического сопротивления водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна. Например, с акустической точки зрения планктон представляет собой совокупность рассеивателей в водной среде, плотность и сжимаемость которых отличается от аналогичных характеристик окружающей жидкости, т.е. в общем случае совокупность рассеивателей может быть, как акустически мягкой, так и акустически жесткой относительно водной среды. Эффективность рассеяния ультразвука зависит от того, насколько плотность и сжимаемость рассеивателей отличаются от соответствующих свойств окружающей среды и от того, в каком соотношении находятся размеры рассеивателей и длина УЗ волны.The invention can be used to acoustically measure flow parameters in the fine structure layers of a statistically inhomogeneous aquatic environment with scatterers randomly distributed in their volumes, which have different physicochemical properties. The operability of the method is based on the fact that information is obtained by ultrasonic sounding of sets of scatterers in layers of an inhomogeneous aquatic environment, which are separated by boundary layers with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, sound speed), moreover, sets of scatterers are randomly and statistically inhomogeneously distributed in the water volumes of the layers (from 1,2,…, ,.., ). Scatterers (bubbles, suspended particles, plankton, various inhomogeneities, etc.) in the layers have neutral buoyancy and acoustic resistance , , …., , the values of which fluctuate arbitrarily relative to the value of the acoustic impedance aquatic environment, are passively carried by water masses with different linear current velocities relative to the bottom. For example, from an acoustic point of view, plankton is a set of scatterers in the aquatic environment, the density and compressibility of which differs from similar characteristics of the surrounding liquid, i.e. in the general case, a set of diffusers can be both acoustically soft and acoustically hard relative to the water environment. The scattering efficiency of ultrasound depends on how the density and compressibility of the scatterers differ from the corresponding properties of the environment and on the relationship between the dimensions of the scatterers and the ultrasonic wavelength.
Известен автокорреляционный метод измерения скорости судна, в котором для определения его абсолютной скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента автокорреляции низкочастотной огибающей эхосигнала от морского дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-121).Known autocorrelation method for measuring the speed of the vessel, in which to determine its absolute speed is used its unambiguous dependence on the value of the coefficient autocorrelation of the low-frequency envelope of the echo signal from the seabed (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M.: Food industry, 1980, pp. 119-121).
Данный способ реализован в автокорреляционном измерителе путевой скорости судна, функционирование которого происходит следующим образом. Генератор вырабатывает гармонический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор на интерференционную приемоизлучающую антенну (ИПИА). С помощью ИПИА, установленной на днище движущегося судна, облучают сверху вниз УЗ энергией участок границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей в слоях водной среды, которые разделены граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука). Совокупности рассеивателей случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев 1, 2,…, , .., .This method is implemented in the autocorrelation meter ground speed of the vessel, the operation of which is as follows. The generator generates a harmonic signal with a frequency , coming through a chronizer-modulator, a power amplifier and a switch to an interference transmitting and emitting antenna (IPIA). With the help of the FPIA installed on the bottom of the moving vessel, a section of the “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities is irradiated from top to bottom with ultrasonic energy through sets of scatterers in layers of the aquatic environment, which are separated by boundary layers with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, sound speed). Sets of scatterers are randomly and statistically non-uniformly distributed in the water volumes of layers 1, 2,…, ,.., .
Поскольку при движении судна положение ИПИА относительно донных неровностей и случайным образом распределенных и переносимых течением рассеивателей в области УЗ облучения меняется непрерывно, то квадрат огибающей объемной реверберационной помехи и донного эхосигнала будет содержать спектр частот, а их огибающая будет изменяться, флуктуировать непрерывно и случайным образом. В последующей обработке используется только флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна. Отраженный от дна сигнал поступает на ИПИА, функционирующую в режиме приема и вырабатывающую электрический сигнал, поступающий через коммутатор, полосовой фильтр на частоту , усилитель и амплитудный детектор на два входа перемножающего устройства, причем на один вход данный электрический сигнал поступает непосредственно, а на другой - сигнал - через блок регулируемой задержки времени. Однозначная зависимость ординаты коэффициента автокорреляции от скорости судна при некотором фиксированном значении временного интервала позволяет измерять скорость судна относительно дна с помощью прибора, вычисляющего коэффициент автокорреляции . Такой прибор - коррелятор - реализован с помощью блоков и описанных ниже связей. С помощью блока регулируемой задержки во второй канал перемножающего устройства вводят такую временную задержку , чтобы на выходе интегратора появился определенный сигнал, который бы скомпенсировал в вычитающем устройстве постоянный сигнал , пропорциональный заданному уровню коэффициента автокорреляции. Нулевое показание измерительного прибора позволяет брать отсчет по шкале блока регулируемой задержки, отградуированной в единицах скорости.Since when the vessel is moving, the position of the ISMS relative to the bottom irregularities and randomly distributed and transported by the current scatterers in the area of ultrasonic irradiation changes continuously, the square of the envelope of the volumetric reverberation noise and the bottom echo signal will contain a spectrum of frequencies, and their envelope will change, fluctuate continuously and randomly. Post-processing uses only the fluctuating echo from the moving region of the rough seabed. The signal reflected from the bottom is fed to the IPIA, which operates in the receive mode and generates an electrical signal that enters through the switch, a bandpass filter for the frequency , amplifier and amplitude detector to two inputs of the multiplying device, and to one input this electrical signal comes directly, and on the other - a signal - through the block of adjustable time delay. Unambiguous dependence of the ordinate of the autocorrelation coefficient on the ship's speed for a certain fixed value of the time interval allows you to measure the speed of the vessel relative to the bottom using an instrument that calculates the autocorrelation coefficient . Such a device - a correlator - is implemented using blocks and the links described below. With adjustable delay block such a time delay is introduced into the second channel of the multiplying device so that a certain signal appears at the output of the integrator, which would compensate for a constant signal in the subtractor , proportional to the given level of the autocorrelation coefficient. The zero reading of the measuring device allows you to take a reading on the scale of the adjustable delay block, calibrated in units of speed.
Автокорреляционный метод измерения скорости требует использования одной ИПИА, в нем исключены погрешности, связанные с ориентировкой антенны относительно направления движения, однако автокорреляционный метод измерения скорости имеет следующие недостатки:The autocorrelation method for measuring speed requires the use of one IRIM, it excludes errors associated with the orientation of the antenna relative to the direction of movement, however, the autocorrelation method for measuring speed has the following disadvantages:
1) требуется стационарность принимаемого эхосигнала и, соответственно, повторяемость формы автокорреляционных функций для каждого значения скорости движения, что трудно осуществимо на практике, так как в реальных условиях форма автокорреляционной функции будет различной при одной и той же скорости движения судна в различных районах дна океана;1) the stationarity of the received echo signal and, accordingly, the repeatability of the shape of the autocorrelation functions for each value of the speed of movement is required, which is difficult to implement in practice, since in real conditions the shape of the autocorrelation function will be different for the same speed of the ship in different areas of the ocean floor;
2) точность измерения скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИПИА и одночастотным режимом работы. Как следует из соотношения максимальная частота флуктуаций огибающей эхосигнала от перемещающейся за счет движения судна области неровного морского дна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.109) зависит как от скорости судна υ и угловой ширины основного лепестка ХН приемоизлучающей антенны , так и длины волны λ зондирующего сигнала, что в конечном итоге определяет значительность методических и инструментальных погрешностей автокорреляционного способа;2) the accuracy of velocity measurement is limited by the lack of the ability to adjust the sharpness of the directional action of the IPIA and the single-frequency mode of operation. As follows from the ratio maximum fluctuation frequency the envelope of the echo signal from the uneven seabed moving due to the movement of the vessel (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M .: Food industry, 1980, p. 109) depends on both the speed of the vessel υ and the angular width main lobe XH of the transmitting antenna , and the wavelength λ of the probing signal, which ultimately determines the significance of the methodological and instrumental errors of the autocorrelation method;
3) в способе не предусмотрена возможность измерения глубины под килем движущегося судна, относительной скорости его движения, а также измерение параметров течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды.3) the method does not provide for the possibility of measuring the depth under the keel of a moving vessel, the relative speed of its movement, as well as measuring the parameters of currents in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными в их объемах рассеивателей.The reason hindering the achievement of the claimed technical result is the limited operational capabilities of the considered method, which makes it difficult to obtain reliable information about the parameters of the flows in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with scatterers randomly distributed in their volumes.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:Signs that match the claimed method:
1) размещают на днище судна ИПИА, состоящую из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;1) placed on the bottom of the ship ISIA, consisting of the required number of EAP, each of which is equipped with a piezoelectric element, screening units, hydro-, electrical and sound insulation;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;2) ensure the operability of the emission / reception modes of each EAP through the use of reverse / direct piezoelectric effects for a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency ;
3) регулируют пространственное расположение акустической оси ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна;3) regulate the spatial arrangement of the acoustic axis of the RPIA until it coincides with the normal relative to the bottom, which provides irradiation from top to bottom with ultrasonic energy of the section of the “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities through sets of scatterers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, diffusers have neutral buoyancy and acoustic resistance , which differs from a similar parameter of the aquatic environment, are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom;
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;4) generate electrical oscillations in the radiating path of the equipment and convert them into short-term amplitude-pulse modulated oscillations, the envelope of which repeats the shape of rectangular pulses, and the package contains a carrier frequency ;
5) преобразуют электрические сигналы с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует за счет интерференции в водной среде УЗ пучок;5) convert electrical signals using the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP IPIA of amplitude-pulse modulated oscillations into periodic bursts of ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment due to the propagation of oscillations with a cyclic frequency , which forms an ultrasonic beam due to interference in the aquatic environment;
6) осуществляют УЗ облучение и устанавливают акустические контакты как с участком границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, так и с совокупностями рассеивателей водной среды, в слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна;6) carry out ultrasonic irradiation and establish acoustic contacts both with the section of the “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities, and with sets of scatterers of the aquatic environment, in layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, diffusers have neutral buoyancy and acoustic resistance , which differs from a similar parameter of the aquatic environment, are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom;
7) обеспечивают за счет движения судна-носителя аппаратуры непрерывное изменение положения ИПИА относительно участков поверхностей:7) provide, due to the movement of the vessel-carrier of the equipment, a continuous change in the position of the PSIM relative to the surface areas:
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, а также пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна,- sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, and are also passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,- "water-bottom" interface with a random distribution of bottom irregularities,
что обусловит формирование объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающей которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;which will cause the formation of a volumetric reverberation process and a delayed echo signal, the square of the envelope of which will contain the frequency spectrum, and their envelope will fluctuate in a chaotic manner;
8) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от перемещающейся области неровного морского дна, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;8) using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP IPIA, the echo signal fluctuating in amplitude from the moving area of the uneven seabed is converted into the corresponding electrical signal supplied to the input of the receiving path of the equipment;
9) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента автокорреляции огибающей эхосигнала, что позволяет вычислить скорость движения судна ;9) determine in the receiving path of the equipment the value of the autocorrelation coefficient of the envelope of the echo signal, which allows you to calculate the speed of the vessel ;
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.10) display, record and document the results of measurements in the equipment.
Известен взаимокорреляционный способ измерения скорости судна- носителя аппаратуры, в котором для расчета скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции флуктуаций огибающих эхосигналов от дна, принятых разнесенными в пространстве интерференционными приемными антеннами (ИПА) (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203- 204). В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, интерференционные антенны - излучающую и две приемные, два полосовых фильтра, два усилителя, два амплитудных детектора, индикатор и регистратор, блок pегулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.A known cross-correlation method for measuring the speed of a ship-carrier of the equipment, in which to calculate the speed, its unambiguous dependence on the value of the cross-correlation coefficient of fluctuations of the envelope echo signals from the bottom received by spatially separated interference receiving antennas (IPA) is used (see Loginov K.V. Electronavigational and fish-searching devices. - M.: Light and food industry, 1983, pp. 203-204). The same source describes a device for implementing the method, containing a generator, a chronizer-modulator, a power amplifier, interference antennas - emitting and two receiving, two band-pass filters, two amplifiers, two amplitude detectors, an indicator and a recorder, an adjustable time delay unit, a multiplying device , integrator, extreme controller and measuring instrument.
Указанный способ реализуется следующим образом. С помощью генератора вырабатывают гармонический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор и усилитель мощности на ИИА. С помощью ИИА и носовой ИПА, образующих первую приемоизлучающую пару, осуществляют при проведении цикла эхозондирования акустические контакты:This method is implemented as follows. The generator generates a harmonic signal with a frequency , coming through the chronizer-modulator and power amplifier to the IIA. With the help of IIA and nasal IPA, which form the first receiving-radiating pair, acoustic contacts are carried out during the echo sounding cycle:
1) с совокупностями рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, обладая нейтральной плавучестью они пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна, причем, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором значений - размером , отражательной способностью и акустическим сопротивлением , причем величина последнего произвольно флюктуируют относительно значения акустического сопротивления водной среды, т.е. в любом из слоев некоторые совокупности рассеивателей могут быть как акустически мягкими, так и акустически жесткими относительно водной среды,1) with sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, having neutral buoyancy, they are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom, moreover, each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of values - the size , reflectivity and acoustic impedance , and the value of the latter fluctuates arbitrarily with respect to the value of the acoustic resistance aquatic environment, i.e. in any of layers, some sets of diffusers can be both acoustically soft and acoustically hard relative to the aquatic environment,
2) с границей раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей.2) with a “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities.
Это обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, имея наибольшую амплитуду в момент времени . Преобразуют с помощью пьезоэлементов ЭАП носовой ИПА первые информационные сигналы в электрические, однако для последующей обработки в приемном тракте аппаратуры используют только электрический сигнал, соответствующий отражению от границы раздела «вода-дно» со случайным распределением по поверхности донных неровностей. Дальнейшее движение со скоростью судно-носитель аппаратуры по курсу приводит к тому, что вторая пара антенн - ИИА и кормовая ИПА - размещаются над тем же самым участком границы раздела «вода-дно» со случайным распределением по поверхности донных неровностей, но уже над другими поверхностями совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, они оказались в области УЗ облучения за счет их переноса водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна. Одновременно оператор осуществляет за счет проведения следующего цикла эхозондирования второй парой антенн - ИИА и кормовой ИПА - вторых акустических контактов:This ensures the formation of the first information signals - a volumetric reverberation process and a delayed echo signal, the square of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelope will fluctuate chaotically, having the largest amplitude at the time . The first information signals are converted into electrical signals by means of the piezoelectric elements of the EAP of the bow IPA, however, for subsequent processing in the receiving path of the equipment, only an electrical signal is used that corresponds to the reflection from the "water-bottom" interface with a random distribution over the surface of bottom irregularities. Continue moving at speed the vessel carrying the equipment along the course leads to the fact that the second pair of antennas - IIA and aft IPA - are placed above the same section of the "water-bottom" interface with a random distribution over the surface of bottom irregularities, but already above other surfaces of the sets of scatterers of the aquatic environment , at 12,…, ,.., layers of which they are also randomly and statistically inhomogeneously distributed, moreover, they ended up in the area of ultrasonic irradiation due to their transfer by water masses with different linear current velocities relative to the bottom. At the same time, the operator performs, by carrying out the following cycle of echo sounding by the second pair of antennas - IIA and stern IPA - of the second acoustic contacts:
1) с участками поверхностей других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, они оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна, например, на -том горизонте глубины с линейной скоростью течений относительно дна - количество составит при линейных размерах , отражательных способностях и акустических сопротивлениях , причем каждая совокупность может быть как акустически жесткой > ), так и акустически мягкой < ) - относительно водной среды,1) with areas of surfaces of other sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are also randomly and statistically non-uniformly distributed, moreover, they ended up in the area of ultrasonic irradiation due to the transfer by water masses with different linear current velocities relative to the bottom, for example, on -volume depth horizon with linear current velocity relative to the bottom - the amount will be with linear dimensions , reflectivity and acoustic impedance , and each set can be both acoustically rigid > ), and acoustically soft < ) - relative to the aquatic environment,
2) с тем же участком границы раздела «вода-дно» со случайным, но не изменившимся распределением донных неровностей.2) with the same section of the “water-bottom” interface with a random but unchanged distribution of bottom irregularities.
В результате отраженные сигналы поступают на кормовую ИПА, вырабатывающую соответствующий электрический сигнал, что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом, наибольшая амплитуда огибающей которого приходится уже на момент времени . Таким образом, в приемном тракте на входы двух цепочек, состоящих из последовательно соединенных полосового фильтра с частотой пропускания , усилителя, амплитудного детектора поступают поочередно два идентичных электрических сигнала - эхосигналы от определенного участка границы раздела «вода - дно», для которых запаздывание второго относительно первого равное , зависит от скорости судна и продольного разноса (базы) приемных антенн : . Две ИПА (носовая и кормовая) и ИИА установлены на корпусе судна таким образом, что глубина под днищем много больше расстояния между антеннами и за время движения судна со скоростью оно пройдет малое расстояние по линии пути, так что углы облучения элементарных рассеивающих площадок дна и наклонные расстояния до них существенно не изменятся.As a result, the reflected signals arrive at the stern IPA, which generates an appropriate electrical signal, which ensures the formation of second information signals shifted in time - a volumetric reverberation process and a delayed echo signal, the square of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelope will fluctuate in a chaotic manner, the largest amplitude of the envelope which already falls at the time . Thus, in the receiving path to the inputs of two chains consisting of series-connected band-pass filters with a pass frequency , amplifier, amplitude detector, two identical electrical signals arrive in turn - echo signals from a certain section of the "water - bottom" interface, for which the delay of the second relative to the first is equal to , depends on the ship's speed and longitudinal spacing (base) of receiving antennas : . Two IPA (bow and stern) and IIA are installed on the ship's hull in such a way that the depth under the bottom there is much more distance between the antennas and during the time vessel moving at a speed it will travel a short distance along the path, so that the angles of irradiation of the elementary scattering areas of the bottom and the slope distances to them will not change significantly.
В общем случае коэффициент взаимной корреляции флуктуаций огибающей эхосигналов, принятых носовой и кормовой ИПА, имеющими идентичные осесимметричные характеристики направленности (ХН) с угловой шириной основного лепестка по уровню 0,7 (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.119-124), описывается соотношениямиIn general, the coefficient cross-correlation of fluctuations in the envelope of echo signals received by the bow and stern ROVs, which have identical axisymmetric directivity characteristics (XD) with an angular width the main lobe at a level of 0.7 (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic logs. M .: Food industry, 1980, p. 119-124), is described by the relations
Здесь продольный разнос (база) ИПА составляет величину , - угол между продольной осью судна и линией, соединяющей центры ИПА, - угол сноса с курса по линии движения судна с путевой скоростью , - транспортное запаздывание, т.е. временная задержка при которой наступает максимум взаимокорреляционной функции. Из (1) видно, что значение коэффициента взаимной корреляции для флуктуаций огибающих эхосигналов зависит от угловой ширины основных лепестков ХН приемных и излучающих антенн, частоты (длины волны) излучаемого УЗ, продольного разноса (базы) приемных антенн, путевой скорости и угла сноса судна, угла между продольной осью судна и линией, соединяющей центры приемных антенн, причем, отношение определяет ширину пика (максимума кривой) функции взаимной корреляции (см. А.В. Богородский, Г.В. Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.163-175).Here, the longitudinal spacing (base) of the IPA is the value , - the angle between the longitudinal axis of the vessel and the line connecting the centers of the IUA, - angle of drift from the course along the line of movement of the vessel with ground speed , - transport delay, i.e. time delay at which the maximum of the cross-correlation function occurs. It can be seen from (1) that the value of the cross-correlation coefficient for fluctuations of the envelopes of echo signals depends on the angular width of the main CL lobes of the receiving and emitting antennas, the frequency (wavelength) of the emitted ultrasound, the longitudinal spacing (base) of the receiving antennas, ground speed and drift angle of the ship, the angle between the longitudinal axis of the vessel and the line connecting the centers of the receiving antennas, moreover, the ratio determines the width of the peak (curve maximum) of the cross-correlation function (see A.V. Bogorodsky, G.V. Yakovlev et al. Hydroacoustic technique for research and development of the ocean. L.: Gidrometeoizdat, 1984, pp. 163-175).
Таким образом, с выходов двух цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра на частоту , усилителя, амплитудного детектора, низкочастотные электрические сигналы, соответствующие флуктуирующей огибающей донных эхосигналов поочередно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, на один его вход электрический сигнал от кормовой ИПА поступает непосредственно, а на другой - задержанный на время сигнал от носовой ИПА, прошедший блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции указанных сигналов, поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, который вырабатывает такую задержку , чтобы на измерительном приборе непрерывно поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. Таким образом, данная корреляционная экстремальная система автоматического регулирования непрерывно в блоке регулируемой задержки поддерживает задержку , равную транспортному запаздыванию . Шкала блока регулируемой задержки отградуирована в единицах скорости, что позволяет вести непрерывное измерение скорости судна в соответствии с соотношениемThus, from the outputs of two chains, each consisting of a series-connected band-pass filter to a frequency , amplifier, amplitude detector, low-frequency electrical signals corresponding to the fluctuating envelope of bottom echo signals are alternately fed to two inputs of the multiplying device, and the electrical signal from the stern IPA is supplied to one of its inputs directly, and to the other - delayed for a while a signal from the nasal IPA that has passed the adjustable time delay block. From the integrator, a signal proportional to the cross-correlation coefficient of the indicated signals is fed to the extremal controller and to the measuring device. The control signal from the extreme controller acts on the adjustable delay block, which generates such a delay. so that the maximum signal is continuously maintained on the measuring device, i.e. maximum correlation coefficient. Thus, this correlation extremal automatic control system continuously maintains a delay in the adjustable delay block , equal to the transport delay . The scale of the adjustable delay block is calibrated in units of speed, which makes it possible to continuously measure the ship's speed in accordance with the ratio
В данной конструкции корреляционного измерителя путевой скорости приемные антенны расположены по продольной оси судна (угол ) и при отсутствии сноса судна с курса (угол ) путевая скорость однозначно определяется выражениемIn this design of the ground speed correlation meter, the receiving antennas are located along the longitudinal axis of the vessel (the angle ) and in the absence of drift of the vessel from the course (angle ) the ground speed is uniquely determined by the expression
Выше описан режим работы автокорреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря.The mode of operation of the autocorrelation meter of the absolute ground speed of the vessel is described above, i.e. relative to the bottom of the sea.
Взаимокорреляционный способ измерения скорости судна-носителя аппаратуры имеет следующие недостатки:The cross-correlation method for measuring the speed of the ship-carrier of the equipment has the following disadvantages:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия ИИА и ИПА и одночастотным режимом их функционирования. Так, например, относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости (методическая погрешность измерений, обусловленная вероятностным характером флуктуаций огибающей эхосигналов от дна) определяется соотношением1) the ground speed measurement accuracy is limited by the lack of the ability to adjust the sharpness of the directional action of RIA and PIA and the single-frequency mode of their operation. So, for example, the relative fluctuation error in measuring the ground speed (methodical measurement error due to the probabilistic nature of fluctuations in the envelope of echo signals from the bottom) is determined by the relation
где коэффициент (0,3 - 0,4) - определяется рассеивающими свойствами морского дна, продольный разнос (база) ИПА, время осреднения данных (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.143-157). Из (4) следует, что относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости определяется техническими параметрами системы и в наибольшей степени зависит от значений измеряемой скорости, длины волны зондирующего сигнала, остроты направленного действия приемоизлучающей антенны, причем, для снижения погрешности предлагается увеличивать продольный разнос антенн и время усреднения, повышать рабочую частоту и увеличивать угловую ширину основного лепестка ХН (для интерференционных антенн при неизменной апертуре при повышении рабочей частоты острота направленного действия повышается, т.е. угловая ширина основного лепестка ХН уменьшается).where coefficient (0.3 - 0.4) - determined by the scattering properties of the seabed, longitudinal spacing (base) IPA, data averaging time (see Bukaty V.M., Dmitriev V.I. Hydroacoustic lags. M.: Food industry, 1980, pp. 143-157). From (4) it follows that the relative fluctuation error of ground speed measurement is determined by the technical parameters of the system and to the greatest extent depends on the values of the measured speed, the wavelength of the probing signal, the sharpness of the directional action of the transmitting and emitting antenna, and, to reduce the error, it is proposed to increase the longitudinal separation of the antennas and the averaging time, increase the operating frequency and increase the angular width of the main lobe XH ( for interference antennas with a constant aperture, with an increase in the operating frequency, the sharpness of the directional action increases, i.e. the angular width of the main lobe XH decreases).
2) в способе не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем судна. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности измерения глубины и получения детального профиля дна предполагает возможность уменьшения как длительности зондирующего импульса, так и уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН при уменьшении бокового поля стабилизированной в пространстве интерференционной антенны, однако в данном аналоге это не осуществлено. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта УЗ зондирующих сигналов вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины, составляющая для указанных выше параметров ( ) устройства около 7 метров (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.:Пищевая пром-сть, 1978, с.255-258);2) the method does not provide for the possibility of changing the accuracy of measuring the depth under the keel of the vessel. Thus, the single-vibrator (monostatic) echo sounding scheme used to improve the accuracy of measuring depth and obtaining a detailed profile of the bottom suggests the possibility of reducing both the duration of the probing pulse and reducing the angular width of the main lobe XH with a decrease in the side field of the interference antenna stabilized in space, however, in this analog, this not implemented. The masking of the real relief of the seabed along the route of the vessel is due to the sphericity of the wave front of the ultrasonic probing signals, as a result of which there is an uncertainty in the assessment of the actual depth, which for the above parameters is ( ) devices about 7 meters (see Kudryavtsev V.I. Commercial hydroacoustics and fish location. M.: Food industry, 1978, p. 255-258);
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение ультразвуковых методов, однако, в данном способе-аналоге данные измерения не осуществляются, причем работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.3) the hydrophysical fields of the ocean are characterized by the presence of a fine structure of a stepped nature, i.e. Layers of sufficiently uniform properties with thicknesses from tens of meters to units of centimeters, which are separated from each other by boundary layers with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, density, sound speed). To obtain information about the presence of this layered stratification of the aquatic environment, the use of ultrasonic methods is optimal, however, in this analogue method, these measurements are not carried out, and the operability of the method can be based on the establishment of echo contacts with scatterers that are randomly and statistically inhomogeneously distributed in the water volumes of the layers .
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.The reason preventing the achievement of the claimed technical result is the limited operational capabilities of the considered method, which makes it difficult to obtain reliable information about the parameters of the flows in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:Signs that match the claimed method:
1) размещают на днище судна в его диаметральной плоскости антенны, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, акустические оси всех антенн совпадают с нормалями относительно дна, ИПА разнесены на известное расстояние L друг от друга и расположены в кормовой и носовой частях судна, а ИИА - находится посередине между ними;1) antennas are placed on the bottom of the vessel in its diametrical plane, consisting of the required number of EAP, each of which is equipped with a piezoelectric element, shielding units, hydro-, electrical and noise insulation, moreover, the acoustic axes of all antennas coincide with the normals relative to the bottom, the IAP are spaced apart by known distance L from each other and are located in the stern and bow parts of the vessel, and RIA is located in the middle between them;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;2) ensure the operability of the emission / reception modes of each EAP through the use of reverse / direct piezoelectric effects for a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency ;
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;3) generate electrical oscillations in the radiating path of the equipment, which are converted into short-term amplitude-pulse modulated oscillations, whose envelope repeats the shape of rectangular pulses, and the package contains a carrier frequency ;
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП антенн амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует УЗ импульсное излучение за счет интерференции в водной среде;4) using the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP antennas, the amplitude-pulse modulated oscillations are converted into periodic bursts of ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment due to the propagation of oscillations with a cyclic frequency , which generates ultrasonic pulsed radiation due to interference in the aquatic environment;
5) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования первой парой антенн - ИИА и носовой ИПА - первых акустических контактов с участками поверхностей:5) is carried out by conducting a cycle of echo sounding with the first pair of antennas - IIA and nasal IPA - the first acoustic contacts with surface areas:
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, рассеиватели имеют нейтральную плавучесть и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно днаsets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, diffusers have neutral buoyancy and acoustic resistance , which differs from a similar parameter of the aquatic environment, are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,and boundaries of the "water-bottom" section with a random distribution of bottom irregularities,
что обеспечивает формирование первых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;which ensures the formation of the first information signals - a volumetric reverberation process and a delayed echo signal, the square of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelope will fluctuate in a chaotic manner;
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой антенны первые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от заданной поверхности границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;6) using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP of the bow antenna, the first information signals, in particular, the echo signal fluctuating in amplitude from a given surface of the “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities, are converted into the corresponding electrical signal entering the input of the receiving path of the equipment;
7) перемещают со скоростью судно-носитель аппаратуры по курсу движения так, чтобы вторая пара антенн разместилась над тем же самым участком поверхности границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей, но уже другими участками поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, рассеиватели оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна;7) move with speed the vessel carrying the equipment along the course of movement so that the second pair of antennas is located above the same section of the surface of the “water-bottom” interface with a random distribution of bottom irregularities, but already in other sections of the surfaces of the sets of scatterers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are also randomly and statistically non-uniformly distributed, moreover, the scatterers ended up in the area of ultrasonic irradiation due to the transfer by water masses with different linear current velocities relative to the bottom;
8) осуществляют за счет проведения цикла эхозондирования второй парой антенн - вторых акустических контактов с участками поверхностей:8) is carried out by conducting an echo sounding cycle with a second pair of antennas - second acoustic contacts with surface areas:
- других совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они также случайным образом и статистически неоднородно распределены, причем, рассеиватели оказались в области УЗ облучения за счет переноса водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна,- other sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are also randomly and statistically non-uniformly distributed, moreover, the scatterers ended up in the area of ultrasonic irradiation due to the transfer by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
- и той же границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,- and the same "water-bottom" interface with a random distribution of bottom irregularities,
что обеспечивает формирование сдвинутых во времени вторых информационных сигналов - объемного реверберационного процесса и запаздывающего эхосигнала, квадрат огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающая будет флуктуировать хаотическим образом;which ensures the formation of time-shifted second information signals - a volumetric reverberation process and a delayed echo signal, the square of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelope will fluctuate in a chaotic manner;
9) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП кормовой ИПА сдвинутые во времени вторые информационные сигналы, в частности, флуктуирующий по амплитуде эхосигнал от того же самого участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, в соответствующий электрический сигнал, поступающий на вход приемного тракта аппаратуры;9) using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP of the stern IPA, the second information signals shifted in time, in particular, the echo signal fluctuating in amplitude from the same section of the surface of the water-bottom interface, which has a random distribution of bottom irregularities, is converted into the corresponding electrical signal, coming to the input of the receiving path of the equipment;
10) определяют в приемном тракте аппаратуры величину коэффициента взаимной корреляции для флуктуирующих хаотическим образом во времени огибающих первого и второго эхосигналов от одного и того же участка поверхности границы раздела «вода-дно», имеющего случайное распределение донных неровностей, что позволяет вычислить скорость движения судна ;10) determine in the receiving path of the equipment the value of the cross-correlation coefficient for the envelopes of the first and second echo signals fluctuating in a chaotic manner in time from the same section of the surface of the “water-bottom” interface, which has a random distribution of bottom irregularities, which makes it possible to calculate the speed of the vessel ;
11) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.11) display, record and document the results of measurements in the equipment.
Перечисленные недостатки взаимокорреляционных способов измерения путевой скорости ограничивают их применимость и делают более перспективным разработку аналогичных способов, функционирование которых основано на установлении статистической связи между случайными процессами, имеющими одинаковые корреляционные функции - двумя непрерывно регистрируемыми в реальном масштабе времени функциями распределения глубин водоема на пути следования судна.The listed shortcomings of cross-correlation methods for measuring ground speed limit their applicability and make it more promising to develop similar methods, the operation of which is based on establishing a statistical relationship between random processes that have the same correlation functions - two continuously recorded real-time functions of the distribution of water body depths along the ship's route.
Наиболее близким к заявляемому способу является корреляционный гидроакустический способ, позволяющий определять путевую скорость судна, в котором для определения абсолютного значения путевой скорости используется ее однозначная зависимость от величины коэффициента взаимной корреляции двух непрерывно регистрируемых напряжений на выходах ИПИА как функций распределения глубин водоема (профиля дна) на пути следования судна (см. Справочник по гидроакустике. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982, с.28-29).Closest to the claimed method is a correlation hydroacoustic method that allows you to determine the ground speed of the vessel, in which to determine the absolute value of the ground speed, its unambiguous dependence on the value of the cross-correlation coefficient of two continuously recorded voltages at the outputs of the IPIA as a function of the distribution of the depths of the reservoir (bottom profile) on the route of the vessel (see Handbook of hydroacoustics. A.P. Evtyutov, A.E. Kolesnikov and others - L .: Shipbuilding, 1982, p. 28-29).
В этом же источнике описано устройство для реализации способа, содержащее две эхолотные системы, каждая из которых включает себя: ИПИА, коммутатор, полосовой фильтр, усилитель, амплитудный детектор, индикатор и регистратор, а также общие блоки в структурной схеме: генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, блок регулируемой задержки времени, перемножающее устройство, интегратор, экстремальный регулятор и измерительный прибор.The same source describes a device for implementing the method, containing two echo sounding systems, each of which includes: IPIA, switch, band pass filter, amplifier, amplitude detector, indicator and recorder, as well as common blocks in the block diagram: generator, timer-modulator , power amplifier, adjustable time delay unit, multiplier, integrator, extreme controller and measuring device.
Указанный способ реализуется следующим образом:This method is implemented as follows:
1) размещают на расстоянии в диаметральной плоскости судна, в частности, в носовой и кормовой частях днища, ИПИА эхолотных систем, которые состоят из необходимого количества электроакустических преобразователей (ЭАП), каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, ИПИА ориентированы акустическими осями вертикально вниз, имеют одинаковые волновые размеры, причем, облучаемые УЗ области дна под носом и кормой судна не перекрываются;1) placed at a distance in the diametrical plane of the vessel, in particular, in the fore and aft parts of the bottom, ISIA of echo sounding systems, which consist of the required number of electroacoustic transducers (EAP), each of which is equipped with a piezoelectric element, screening units, hydro-, electrical and noise insulation, moreover, ISIA oriented with acoustic axes vertically downwards, have the same wave sizes, moreover, the areas of the bottom under the bow and stern of the vessel irradiated by US do not overlap;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;2) ensure the operability of the emission / reception modes of each EAP through the use of reverse / direct piezoelectric effects for a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency ;
3) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, чья огибающая повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;3) generate electrical oscillations in the radiating path of the equipment, which are converted into short-term amplitude-pulse modulated oscillations, whose envelope repeats the shape of rectangular pulses, and the package contains a carrier frequency ;
4) преобразуют с помощью обратного пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой и формируя за счет интерференции в водной среде под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью судна УЗ облучающие пучки;4) using the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP, the bow and stern IPIA of amplitude-pulse modulated oscillations are converted into periodic bursts of ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment due to the propagation of oscillations with a cyclic frequency and forming due to interference in the aquatic environment under the bow and stern parts of the hull moving at speed ships ultrasonic irradiating beams;
5) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -том горизонте глубины -количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна,5) carry out acoustic contacts with areas of surfaces of sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of characteristics, in particular, on -volume depth horizon - the number of structural elements , their linear size , reflectivity and acoustic impedance , which differs from the similar parameter of the aquatic environment, and neutral buoyancy, as a result of which sets of scatterers are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
- границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,- "water-bottom" interface with a random distribution of bottom irregularities,
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом;moreover, these surfaces of the sections are at a given moment of time under the bow (H) and stern (K) parts of the vehicle moving at a speed ship, which ensures the simultaneous formation of two space-time dependencies of information signals - volumetric reverberation processes and delayed echo signals, the squares of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelopes will fluctuate in a chaotic manner;
6) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью судна две пространственно-временные зависимости информационных сигналов, в частности, амплитуд эхосигналов от обоих облучаемых участков границы раздела «вода-дно» со случайными и различными распределениями донных неровностей, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры;6) using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP, the forward and stern IPIA moving at a speed ship two spatio-temporal dependences of information signals, in particular, the amplitudes of echo signals from both irradiated sections of the "water-bottom" interface with random and different distributions of bottom irregularities, into the corresponding electrical signals entering the input of the receiving path of the equipment;
7) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину ;7) determine in the receiving path of the equipment as the vessel moves along a given course, two dependences of the distribution of the depths of the reservoir that change in space and time, i.e. non-coinciding at a given moment in time dependencies of electrical signals And , proportional to the distribution of depths of the water area under the bow and stern parts of the hull, moreover, these functions are identical to each other, but shifted in time by ;
8) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса по курсу движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна ;8) determine the value of the cross-correlation coefficient for the dependencies of electrical signals that do not match at a given time And , proportional to the distribution of the depths of the water area under the bow and stern of the hull along the course of the vessel, which makes it possible to calculate the speed of the vessel ;
9) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.9) display, record and document the results of measurements in the equipment.
Работа устройства, реализующего данный способ, происходит следующим образом. Имеющие одинаковые волновые размеры (носовая и кормовая) ИПИА эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база) и ориентированы акустическими осями вертикально вниз. ХН ИПИА обеспечивают такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области неровного дна не перекрывались, в результате чего регистраторы каждой эхолотной системы фиксируют с достаточной разрешающей способностью мелкие детали подробных профилей «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся в данных момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося судна соответственно. Общий генератор излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал с частотой , поступающий через хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутаторы на обе ИПИА одновременно. Электрические колебания преобразуются работающими в режиме излучения ЭАП ИПИА, осуществляя акустические контакты с участками поверхностей:The operation of the device that implements this method is as follows. Having the same wave dimensions (bow and stern) IRMS of echo sounding systems are placed in the diametrical plane along the ship's hull at a distance (base) and oriented with their acoustic axes vertically downwards. The PIIA CVs provide such sharpness of directional action that the irradiated areas of the uneven bottom do not overlap, as a result of which the recorders of each echo sounding system capture with sufficient resolution the fine details of the detailed profiles of the “in their own way uneven” seabed surfaces that are currently under the bow ( H) and aft (K) parts of a moving vessel, respectively. The common generator of the radiating path of echo sounding systems generates an electrical signal with a frequency , coming through the chronizer-modulator, power amplifier and switches to both IPIA simultaneously. Electrical vibrations are converted by operating in the radiation mode of the EAP IPIA, making acoustic contacts with surface areas:
- совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -том горизонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна,- sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of characteristics, in particular, on -volume depth horizon - the number of structural elements , their linear size , reflectivity and acoustic impedance , which differs from the similar parameter of the aquatic environment, and neutral buoyancy, as a result of which sets of scatterers are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
- границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,- the boundaries of the section "water - bottom" with a random distribution of bottom irregularities,
причем, эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом. Обе ИПИА в режиме приема вырабатывают соответствующие электрические сигналы и , которые через коммутаторы, полосовые фильтры с частотой пропускания , усилители и амплитудные детекторы поступают на соответствующие входы индикаторов и регистраторов. Таким образом, по мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две медленно меняющиеся во времени t функции распределения глубин водоема, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину . Для определения величины промежутка времени сигналы с выходов амплитудных детекторов приемных трактов эхолотных систем дополнительно поступают на два входа перемножающего устройства, причем, сигнал от носовой ИПИА - через блок регулируемой задержки времени. С интегратора сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции сигналов и , поступает на экстремальный регулятор и на измерительный прибор. Управляющий сигнал с экстремального регулятора воздействует на блок регулируемой задержки, устанавливающий такую задержку , чтобы на измерительном приборе поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость суднаmoreover, these surfaces of the sections are at a given moment of time under the bow (H) and stern (K) parts of the vehicle moving at a speed ship, which ensures the simultaneous formation of two space-time dependencies of information signals - volumetric reverberation processes and delayed echo signals, the squares of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelopes will fluctuate in a chaotic manner. Both FPIAs in the receive mode generate the corresponding electrical signals And , which through switches, band pass filters with a pass frequency , amplifiers and amplitude detectors are fed to the corresponding inputs of indicators and recorders. Thus, as the vessel moves along a given course, two slowly varying in time t functions of the distribution of the depths of the reservoir are continuously determined, i.e. the dependences of electrical signals that do not coincide at a given moment of time are recorded And , proportional to the distribution of depths of the water area under the fore and aft parts of the hull, moreover, these functions are identical to each other, but shifted in time by the value . To determine the value of the time interval signals from the outputs of the amplitude detectors of the receiving paths of the echo sounding systems are additionally fed to two inputs of the multiplying device, moreover, the signal from the nasal IPIA is transmitted through the adjustable time delay unit. From the integrator, a signal proportional to the coefficient cross-correlation of signals And , goes to the extreme regulator and to the measuring device. The control signal from the extreme controller acts on the adjustable delay block, which sets such a delay. so that the maximum signal is maintained on the measuring device, i.e. coefficient maximum correlations. The speed of the vessel is determined by the value of the entered delay
Как следует из вышеописанного, положительным качеством данного корреляционного гидроакустического лага является одновременное осуществление детального измерения глубин водоема по пути следования судна, т.е. описан режим работы устройства для измерения абсолютной путевой скорости судна.As follows from the above, the positive quality of this correlation hydroacoustic lag is the simultaneous implementation of a detailed measurement of the depths of the reservoir along the route of the ship, i.e. describes the mode of operation of the device for measuring the absolute ground speed of the vessel.
Однако корреляционный гидроакустический способ-прототип имеет следующие недостатки:However, the correlation hydroacoustic prototype method has the following disadvantages:
1) точность измерения путевой скорости ограничена отсутствием возможности регулировки остроты направленного действия узкополосных ЭАП ИПИА и их одночастотным режимом работы. Так, например, для рассматриваемого прототипа относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости , определяемая соотношением (4), так же актуальна и для рассмотренного выше аналога - способа взаимокорреляционного измерения путевой скорости (см. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983, с.203- 204). Из (4) следует, что несмотря на снижение величины относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости за счет увеличения продольного разноса (базы) ИПИА, в способе отсутствует возможность увеличения точностных характеристик за счет регулировки величины важного параметра - - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения в узкостях, на акватории гавани и т.д. В прототипе изменение ширины пика взаимокорреляционной функции затруднено тем, что данная величина определяется взаимосвязанными параметрами - длиной волны зондирующего сигнала и остротой направленного действия ИПИА. Так, при неизменной апертуре за счет уменьшения длины волны зондирующего сигнала острота направленного действия повышается, что следует из соотношения (см. А.П.Евтютов, В.Б.Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Судостроение, 1988, с.17-27);1) the ground speed measurement accuracy is limited by the lack of the ability to adjust the sharpness of the directional action of narrow-band EAP IPIA and their single-frequency mode of operation. So, for example, for the prototype under consideration, the relative fluctuation error in measuring the ground speed , defined by relation (4), is also relevant for the analogue considered above - the method of cross-correlation measurement of ground speed (see Loginov K.V. Electrical navigation and fish-searching devices. - M .: Easy and food industry, 1983, p. 203 - 204). From (4) it follows that, despite the decrease in the relative fluctuation error of the ground speed measurement due to the increase in the longitudinal spacing (base) IPIA, in the method there is no possibility of increasing the accuracy characteristics by adjusting the value of an important parameter - - the width of the peak of the cross-correlation function, which may be necessary when maneuvering the vessel at low speeds in narrow places, in the waters of the harbor, etc. In the prototype, changing the peak width of the cross-correlation function is hampered by the fact that this value is determined by interrelated parameters - the wavelength of the probing signal and the severity of the directional action of the IPIA. So, with a constant aperture, due to a decrease in the wavelength of the probing signal, the sharpness of the directional action increases, which follows from the relation (see A.P. Evtyutov, V.B. Mitko Engineering calculations in hydroacoustics. - 2nd ed., Revised and added. - L .: Shipbuilding, 1988, p. 17-27);
2) в способе не предусмотрена возможность изменения точности измерения глубины под килем. Так, используемая одновибраторная (моностатическая) схема эхолотирования для повышения точности профиля глубин водоема и подробной детализации рельефа дна предполагает возможность как уменьшения длительности зондирующего импульса, так и уменьшение угловой ширины основного лепестка ХН ИПИА, что в прототипе не осуществляется. Данный подход наиболее эффективен при многочастотном режиме эхолотирования, предполагающем использование зондирующих тональных импульсных сигналов с различной длительностью и частотой заполнения: - на мелководье - малые длительности импульсов и высокочастотный УЗ, на морском шельфе - большие длительности импульсов и низкочастотный УЗ. Из практики эксплуатации эхолотов известно, что на точность измерения глубины эхолотом также влияет тип грунта, так как при отражении сигналов от илистого дна запись глубины на регистраторе - эхограмма - получается менее четкой, чем при отражении от плотного грунта, и в данном случае отрицательный эффект может быть уменьшен за счет концентрации излучаемой акустической энергии в меньшем телесном угле.2) the method does not provide for the possibility of changing the accuracy of measuring the depth under the keel. Thus, the single-vibrator (monostatic) echo sounding scheme used to improve the accuracy of the depth profile of the reservoir and detailed detailing of the bottom topography suggests the possibility of both reducing the duration of the probing pulse and reducing the angular width of the main lobe of the HN IPIA, which is not carried out in the prototype. This approach is most effective in the multi-frequency echo sounding mode, which involves the use of probing tonal pulse signals with different durations and filling frequencies: - in shallow water - short pulse durations and high-frequency ultrasound, on the sea shelf - long pulse durations and low-frequency ultrasound. From the practice of operating echo sounders, it is known that the type of soil also affects the accuracy of depth measurement with an echo sounder, since when signals are reflected from a muddy bottom, the depth record on the registrar - the echogram - is less clear than when reflected from dense ground, and in this case, a negative effect can be reduced by concentrating the emitted acoustic energy in a smaller solid angle.
3) гидрофизические поля океана характеризуются наличием тонкой структуры ступенчатого характера, т.е. достаточно однородных по свойствам слоев с толщинами от десятков метров до единиц сантиметров, которые отделены друг от друга граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука). Для получения информации о наличии данной слоистой стратификации водной среды оптимально применение УЗ методов, однако, в способе-прототипе данные измерения не осуществляются, причем, работоспособность способа может быть основана на установлении эхоконтактов с рассеивателями, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев.3) the hydrophysical fields of the ocean are characterized by the presence of a fine structure of a stepped nature, i.e. Layers of sufficiently uniform properties with thicknesses from tens of meters to units of centimeters, which are separated from each other by boundary layers with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, density, sound speed). To obtain information about the presence of this layered stratification of the aquatic environment, the use of ultrasonic methods is optimal, however, in the prototype method, these measurements are not carried out, and the operability of the method can be based on the establishment of echo contacts with scatterers that are randomly and statistically inhomogeneously distributed in the water volumes of the layers .
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:Features that match the claimed object:
1) размещают на днище судна две ИПИА, состоящие из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;1) place on the bottom of the vessel two PSIA, consisting of the required number of EAP, each of which is equipped with a piezoelectric element, screening units, hydro-, electrical and noise insulation;
2) обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой ;2) ensure the operability of the emission / reception modes of each EAP through the use of reverse / direct piezoelectric effects for a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency ;
3) регулируют пространственное расположение акустической оси обоих ИПИА до совпадения с нормалью относительно дна, что обеспечивает облучение сверху вниз УЗ энергией:3) adjust the spatial arrangement of the acoustic axis of both EPIAs to coincide with the normal relative to the bottom, which ensures irradiation from top to bottom with ultrasonic energy:
участка границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей через совокупности рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, имея акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна;section of the "water-bottom" interface with a random distribution of bottom irregularities through sets of scatterers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, having acoustic resistance , which differs from the similar parameter of the aquatic environment, and neutral buoyancy, as a result of which sets of scatterers are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom;
4) генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания и преобразуют их в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту ;4) generate electrical oscillations in the radiating path of the equipment and convert them into short-term amplitude-pulse modulated oscillations, the envelope of which repeats the shape of rectangular pulses, and the package contains a carrier frequency ;
5) преобразуют электрические сигналы с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИИА амплитудно-импульсных модулированных колебаний в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой , что формирует за счет интерференции в водной среде УЗ пучок;5) convert electrical signals using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP IIA of amplitude-pulse modulated oscillations into periodic bursts of ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment due to the propagation of oscillations with a cyclic frequency , which forms an ultrasonic beam due to interference in the aquatic environment;
6) осуществляют акустические контакты с участками поверхностей6) carry out acoustic contacts with surface areas
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, имея акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, и нейтральную плавучесть, вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна,sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, having acoustic resistance , which differs from the similar parameter of the aquatic environment, and neutral buoyancy, as a result of which sets of scatterers are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
и границы раздела «вода-дно» со случайным распределением донных неровностей,and boundaries of the "water-bottom" section with a random distribution of bottom irregularities,
причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью судна, что обеспечивает формирование информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом;moreover, these parts of the surfaces are at a given moment of time under the bow (H) and stern (K) parts of a vehicle moving at a speed vessel, which ensures the formation of information signals - volumetric reverberation processes and delayed echo signals, the squares of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelopes will fluctuate in a chaotic manner;
7) преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА информационные сигналы, в частности, флуктуирующие по амплитуде эхосигналы от поверхностей разных участков границы раздела «вода-дно» со случайными и отличающимися друг от друга распределениями донных неровностей, причем, эти участки поверхностей находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью судна, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры;7) using the direct piezoelectric effect of the EAP piezoelectric elements, the bow and stern IPIA information signals are converted, in particular, echo signals fluctuating in amplitude from the surfaces of different sections of the water-bottom interface with random and differing from each other distributions of bottom irregularities, moreover, these sections of the surfaces are currently under the bow (H) and stern (K) parts of a vehicle moving at a speed ship, into the corresponding electrical signals arriving at the input of the receiving path of the equipment;
8) определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину ;8) determine in the receiving path of the equipment as the vessel moves along a given course, two slowly changing functions of the distribution of the depths of the reservoir, i.e. non-coinciding at a given moment in time dependencies of electrical signals And , proportional to the distribution of depths of the water area under the fore and aft parts of the hull, moreover, these functions are identical to each other, but shifted in time by the value ;
9) определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса на пути движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна ;9) determine the value of the cross-correlation coefficient for the dependencies of electrical signals that do not match at a given time And , proportional to the distribution of the depths of the water area under the bow and stern parts of the hull on the path of the ship, which allows you to calculate the speed of the ship ;
10) отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре.10) display, record and document the results of measurements in the equipment.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного способа, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.The reason preventing the achievement of the claimed technical result is the limited operational capabilities of the considered method, which makes it difficult to obtain reliable information about the parameters of the flows in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers.
Между тем, известно, что водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной УЗ 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 , что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей донной поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами , где - порядковый номер гармоники. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают специфическими пространственными характеристиками: на акустической оси ИПИА изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой происходит в наибольшей степени, в связи с чем угловая ширина основного лепестка ХН для каждой последующей гармоники меньше, а в направлениях дополнительных максимумов ХН 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 ХН для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей (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. 245-250). Анализируя представленную выше информацию об угловых распределениях амплитуды звукового давления локационных сигналов кратных частот можно сделать вывод о том, что с их использованием целесообразна разработка многочастотного корреляционного способа измерения скорости движения, в котором возможно получение уточненных данных о детальной структуре распределения глубин водоема в реальном масштабе времени на ходу судна-носителя аппаратуры, абсолютной (относительной) скорости его движения, а также получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.Meanwhile, it is known that the aquatic propagation medium has a nonlinearity of its elastic properties, which leads to the appearance of various nonlinear effects during the propagation of an intense ultrasonic wave (see Hydroacoustic Encyclopedia. Under the general editorship of V.I. Timoshenko. - Taganrog, TSURE Publishing House. 2000. pp. 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 probing pump signal with a frequency , which leads to a distortion of the shape of the profile of a wave of finite amplitude as it propagates towards the scattering bottom surface, i.e. generation of higher harmonic components with frequencies , Where - serial number of the harmonic. Acoustic fields of higher harmonic signals have specific spatial characteristics: on the acoustic axis of the PSIA, a change in the properties of the medium under the action of a powerful pump wave with a frequency occurs to the greatest extent, in connection with which the angular width of the main lobe of the XH for each subsequent harmonic is smaller, and in the directions of the additional XN 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 level of the lateral field XH for each subsequent harmonic is less than that of the previous one (see T. J. Muir. Nonlinear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Acoustics of marine sediments / Edited by Yu. Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1977. - pp. 245-250). Analyzing the information presented above on the angular distributions of the amplitude of the sound pressure of the location signals of multiple frequencies it can be concluded that with their use it is advisable to develop a multi-frequency correlation method for measuring the speed of movement, in which it is possible to obtain refined data on the detailed structure of the distribution of the depths of the reservoir in real time on the move of the vessel carrying the equipment, the absolute (relative) speed of its movement, as well as obtaining reliable information about the parameters of currents in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers.
Таким образом технической проблемой для известных в уровне техники акустических способов измерения параметров течений статистически неоднородной водной среды является невозможность получения достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.Thus, a technical problem for the acoustic methods known in the prior art for measuring the parameters of flows of a statistically inhomogeneous aquatic environment is the impossibility of obtaining reliable information about the parameters of flows in the fine structure layers of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers.
Задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего расширить эксплуатационные возможности корреляционного способа измерения скорости течений.The objective of this invention is to create a method that allows you to expand the operational capabilities of the correlation method for measuring the speed of currents.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности получения информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей, что позволяет получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и добиться расширения эксплуатационных возможностей способа.The technical result of the invention is to increase the reliability of obtaining information about the parameters of the currents in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers, which makes it possible to obtain a new amount of primary data on the underwater situation and to expand the operational capabilities of the method.
Заявляемый результат достигается тем, что в известный корреляционный гидроакустический способ измерения скорости течений, в котором:The claimed result is achieved by the fact that in the well-known correlation hydroacoustic method for measuring the speed of currents, in which:
- размещают на расстоянии в диаметральной плоскости судна, в частности, в носовой и кормовой частях днища две ИПИА эхолотных систем, которые состоят из необходимого количества ЭАП, каждый из которых снабжен пьезоэлементом, узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, при этом ИПИА ориентированы акустическими осями вертикально вниз, имеют одинаковые волновые размеры, а облучаемые УЗ области дна под носом и кормой судна не перекрываются (1);- placed at a distance in the diametrical plane of the vessel, in particular, in the fore and aft parts of the bottom, two EAPs of echo sounding systems, which consist of the required number of EAPs, each of which is equipped with a piezoelectric element, screening units, hydro-, electrical and noise insulation, while the EAPs are oriented vertically with acoustic axes down, have the same wave sizes, and the bottom areas under the bow and stern of the vessel irradiated by US do not overlap (1);
- обеспечивают работоспособность режимов излучения/приема каждого ЭАП за счет использования обратного/прямого пьезоэлектрических эффектов для пьезоэлемента простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданной резонансной частотой (2);- ensure the operability of the emission / reception modes of each EAP through the use of reverse / direct piezoelectric effects for a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency (2);
- генерируют в излучающем тракте аппаратуры электрические колебания, которые преобразуют в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму импульсов прямоугольной формы, а посылка содержит в себе несущую частоту (3);- generate electrical oscillations in the radiating path of the equipment, which are converted into short-term amplitude-pulse modulated oscillations, the envelope of which repeats the shape of rectangular pulses, and the package contains a carrier frequency (3);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии за счет распространения колебаний с циклической частотой и формируя за счет интерференции в водной среде под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью судна УЗ облучающие пучки (4);- using the direct piezoelectric effect of the EAP piezoelectric elements, the bow and stern PSIA are converted into amplitude-pulse modulated oscillations into periodic bursts of ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment due to the propagation of oscillations with a cyclic frequency and forming due to interference in the aquatic environment under the bow and stern parts of the hull moving at speed ship ultrasonic irradiating beams (4);
- осуществляют акустические контакты с участками поверхностей:- carry out acoustic contacts with surface areas:
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -том горизонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность и акустическое сопротивление , отличающееся от аналогичного параметра водной среды, а также нейтральной плавучестью вследствие чего совокупности рассеивателей пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна, sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of characteristics, in particular, on -volume depth horizon - the number of structural elements , their linear size , reflectivity and acoustic impedance , which differs from a similar parameter of the aquatic environment, as well as neutral buoyancy, as a result of which the sets of scatterers are passively transferred by water masses with different linear current velocities relative to the bottom
границы раздела «вода - дно» со случайным распределением донных неровностей,borders of the "water - bottom" section with a random distribution of bottom irregularities,
причем эти поверхности участков находятся в данный момент времени под носовой и кормовой ИПИА эхолотных систем, т.е. носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью судна, что обеспечивает одновременное формирование двух пространственно-временных зависимостей информационных сигналов - объемных реверберационных процессов и запаздывающих эхосигналов, квадраты огибающих которых будут содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом (5);moreover, these surfaces of the sections are at a given moment of time under the bow and stern IPIA of the echo sounding systems, i.e. bow (H) and stern (K) parts moving at speed ship, which ensures the simultaneous formation of two space-time dependencies of information signals - volumetric reverberation processes and delayed echo signals, the squares of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelopes will fluctuate chaotically (5);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА движущегося со скоростью судна две пространственно-временные зависимости информационных сигналов, в частности, амплитуд эхосигналов от обоих облучаемых участков границы раздела «вода - дно» со случайными и различными распределениями донных неровностей в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры (6);- convert using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP bow and stern IPIA moving at a speed ship two spatio-temporal dependences of information signals, in particular, the amplitudes of echo signals from both irradiated sections of the "water - bottom" interface with random and different distributions of bottom irregularities into the corresponding electrical signals entering the input of the receiving path of the equipment (6);
- определяют в приемном тракте аппаратуры по мере движения судна по заданному курсу две меняющиеся в пространстве и во времени зависимости распределения глубин водоема, т.е. несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью судна, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину (7);- determine in the receiving path of the equipment as the vessel moves along a given course, two dependences of the distribution of the depths of the reservoir that change in space and time, i.e. non-coinciding at a given moment in time dependencies of electrical signals And , proportional to the distribution of the depths of the water area under the bow and stern parts of the hull moving at a speed ship, moreover, these functions are identical to each other, but shifted in time by an amount (7);
- определяют величину коэффициента взаимной корреляции для несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов и , пропорциональных распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса по курсу движения судна, что позволяет вычислить скорость движения судна (8);- determine the value of the cross-correlation coefficient for the dependencies of electrical signals that do not match at a given time And , proportional to the distribution of the depths of the water area under the bow and stern of the hull along the course of the vessel, which makes it possible to calculate the speed of the vessel (8);
- отображают, регистрируют и документируют результаты измерений в аппаратуре (9),- display, record and document the results of measurements in the equipment (9),
дополнительно введены следующие операцииadditionally introduced the following operations
- задают для обоих ИПИА эхолотных систем критерий соответствия их волновых размеров интервалу значений- set for both IPIA echo sounding systems the criterion of compliance of their wave sizes with the interval of values
где - диаметр антенны, - длина волны УЗ с частотой , распространяющегося со скоростью в воде, - амплитуда звукового давления в Паскалях у поверхности ИПИА в режиме излучения (10);Where - antenna diameter, - ultrasonic wavelength with frequency , propagating at a speed in water, - the amplitude of the sound pressure in Pascals near the surface of the IPIA in the radiation mode (10);
- генерируют с помощью излучающего тракта аппаратуры электрические мощные колебания с частотой , поступающие на две ИПИА эхолотных систем в режиме излучения (11);- generate with the help of the radiating path of the equipment electrical powerful oscillations with a frequency , coming to two FPIA echo sounding systems in the radiation mode (11);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП двух ИПИА эхолотных систем амплитудно-импульсные модулированные колебания в периодические посылки мощных УЗ волн с необходимой длительностью, обеспечивая передачу частицам водной среды акустической энергии, достаточной для проявления нелинейных упругих свойств водной среды под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью судна, что формирует в водной среде две параметрические излучающие антенны (ПИА), в объемах которых распределены нелинейные источники генерируемых спектральных компонент (самовоздействие) (12);- using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP of two EPIA echo sounding systems, amplitude-pulse modulated oscillations are converted into periodic bursts of powerful ultrasonic waves with the required duration, ensuring the transmission of acoustic energy to the particles of the aquatic environment, sufficient for the manifestation of the nonlinear elastic properties of the aquatic environment under the bow and stern parts of the hull of the moving with speed vessel, which forms two parametric radiating antennas (PRA) in the aquatic environment, in the volumes of which nonlinear sources of the generated spectral components are distributed (self-action) (12);
- генерируют посредством обоих ПИА в водной среде два полигармонических пучка УЗ сигналов с частотами , где - порядковый номер гармоники, акустические поля гармоник соосны, их волновые векторы ориентированы вертикально вниз, причем, с ростом номера гармоники пучки имеют уменьшающиеся величины поперечного сечения (13);- generate by means of both PIA in the aquatic environment two polyharmonic beams of ultrasonic signals with frequencies , Where - the serial number of the harmonic, the acoustic fields of the harmonics are coaxial, their wave vectors are oriented vertically downwards, and, with an increase in the number of the harmonic, the beams have decreasing cross-sections (13);
- устанавливают на УЗ сигналах с частотами акустические контакты с участками поверхностей:- set on ultrasonic signals with frequencies acoustic contacts with surface areas:
совокупностей рассеивателей водной среды, в 1, 2,…, , .., слоях которой они случайным образом и статистически неоднородно распределены, каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -том горизонте глубины - количество структурных элементов , их линейный размер , отражательная способность и акустическое сопротивление , sets of diffusers of the aquatic environment, in 1, 2, ..., ,.., layers of which they are randomly and statistically inhomogeneously distributed, each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of characteristics, in particular, on -volume depth horizon - the number of structural elements , their linear size , reflectivity and acoustic impedance ,
причем эти участки поверхностей совокупностей рассеивателей в слоях водной среды находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью ( ) судна относительно -го слоя, что обеспечивает формирование носовых и кормовых информационных сигналов, в частности, объемных реверберационных процессов, огибающие которых флуктуируют хаотическим образом (14);and these areas of surfaces of sets of scatterers in layers of the aquatic environment are at a given time under the bow (Н) and stern (К) parts of the moving at a speed ( ) vessel relative to layer, which ensures the formation bow and stern information signals, in particular, volumetric reverberation processes, the envelopes of which fluctuate chaotically (14);
- преобразуют с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП носовой и кормовой ИПИА носовых и кормовых информационных сигналов, в частности, объемных реверберационных процессов от участков поверхностей совокупностей рассеивателей водной среды, которые движутся с различными скоростями течений на i горизонтах глубин и находятся в данный момент времени под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося со скоростью ( ) судна относительно -го слоя, в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры (15);- convert using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP bow and stern IPIA bow and stern information signals, in particular, volumetric reverberation processes from surface areas of sets of diffusers of the aquatic environment that move at different speeds currents at i depth horizons and are currently under the bow (H) and stern (K) parts of the moving with speed ( ) vessel relative to -th layer, into the corresponding electrical signals arriving at the input of the receiving path of the equipment (15);
- осуществляют вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…, , .., горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот стробирование полученной амплитудной информации, установив одинаковые величины - ширины строба , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба, в частности, для получения по горизонту глубин расчетных данных об усредненной величине скорости течения (16);- carry out vertical spatial stratification of sets of scatterers of the aquatic environment into 1, 2, ..., ,.., depth horizons, carrying out in the receiving paths of echo sounding systems on signals of multiple frequencies gating of the received amplitude information by setting the same values - the width of the gate , their initial location relative to the bottom, the speed and sequence of movement of the strobe, in particular, to obtain the depth horizon of the calculated data on the average value of the velocity currents (16);
- определяют в приемном тракте аппаратуры на каждой из частот , где , по мере движения судна по заданному курсу по паре меняющихся функций распределения пространственной плотности совокупностей рассеивателей в водной среде, т.е. пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей для амплитуд электрических сигналов и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей на -том горизонте под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью судна относительно -го горизонта, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты в парах на промежутки времени, имеющие значений- determined in the receiving path of the equipment at each frequency , Where , as the ship moves along a given course along a pair of changing distribution functions of the spatial density of scatterer sets in the aquatic environment, i.e. pairs of dependencies that do not coincide at a given moment in time for the amplitudes of electrical signals And , proportional to the density of the spatial distribution of sets of scatterers on -the horizon under the bow and stern parts of the hull moving at a speed vessel regarding -th horizon, moreover, these functions are identical to each other, but are shifted in pairs by time intervals having values
- определяют величин коэффициентов взаимной корреляции для пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей электрических сигналов и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей в водной среде на -том горизонте глубины водоема под носовой и кормовой частями корпуса движущегося судна, что позволяет вычислить значений скорости ( ) движения судна относительно -го слоя, где знак «+» соответствует попутному, знак «-» - встречному направлению течения на -том горизонте глубины водоема соответственно (18);- determine values of cross-correlation coefficients for pairs of electrical signal dependencies that do not match at a given time And , proportional to the density of the spatial distribution of sets of scatterers in the aquatic environment on -the horizon of the depth of the reservoir under the bow and stern parts of the hull of a moving vessel, which makes it possible to calculate speed values ( ) ship's motion relative to -th layer, where the sign "+" corresponds to the passing, the sign "-" - to the opposite direction of the flow on -th horizon of the depth of the reservoir, respectively (18);
- вычисляют для -го горизонта глубины с совокупностями рассеивателей на частотах величин значений скорости их движения, т.е. скоростей ( ) течения на -том горизонте глубины водоема при вычисленной ранее скорости движения судна относительно дна, что позволяет рассчитать величину средней арифметической скорости- calculate for -th depth horizon with sets of scatterers at frequencies values of their speed, i.e. speeds ( ) currents on -the horizon of the depth of the reservoir at the previously calculated speed of the vessel relative to the bottom, which allows you to calculate the value of the arithmetic average speed
течения в -том слое, которая наиболее близко соответствует имеющемуся значению скорости течения (19);currents in -volume layer that most closely matches the available speed currents (19);
- осуществляют последовательно операции 16 - 19 для следующих горизонтов глубин водоема, что позволит косвенно измерить параметры течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей;- sequentially carry out operations 16 - 19 for the following horizons of the depths of the reservoir, which will allow indirectly measuring the parameters of the currents in the layers of the fine structure of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed volumes of scatterers;
Предлагаемый способ поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемое изобретение.The proposed method is illustrated in figure 1, which shows a block diagram of a device that implements the claimed invention.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.The inventive method is carried out as follows.
Реализующий способ многочастотный корреляционный гидроакустический лаг (фиг.1) функционально объединяет в себе две (нос и корма) эхолотовые системы (излучение, прием, отображение и регистрация информации), дополненные общими трактами: корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления. Эхолотовые системы имеют общий тракт излучения: генератор 1 соединен через последовательно включенные хронизатор-модулятор 2, усилитель мощности 3 и коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» с ИПИА 6 и 7 (корма и нос соответственно). Носовая 7 и кормовая 6 ИПИА размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии (база) , ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна. УЗ эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности осуществляются через водную среду. Водная среда имеет неоднородную тонкую структуру, обладающую граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука) для слоев совокупностей рассеивателей, которые случайным образом и статистически неоднородно распределены в водных объемах слоев (1, 2,…, , .., ), имея различное акустическое сопротивление и нейтральную плавучесть, пассивно переносятся водными массами с различными линейными скоростями течений относительно дна. Эхолотовые системы имеют раздельные приемные тракты. ИПИА 6 через коммутатор 4 (корма) в режиме «Прием» соединена через параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 8, 9, ….,10 (частоты ), стробируемых усилителей 14, 15, …,16, амплитудных детекторов 20, 21, ...,22 с - входовым аналоговым ключом 26, а ИПИА 7 через коммутатор 5 (нос) в режиме «Прием» соединена через параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных полосовых фильтров 11, 12, ….,13 (частоты ), стробируемых усилителей 17, 18, …19, амплитудных детекторов 23, 24, ...,25 с -входовым аналоговым ключом 27. В обеих эхолотовых системах предусмотрены тракты отображения и регистрации информации, для чего выходы -входовых аналоговых ключей соединены со входами индикаторов и регистраторов: в кормовой эхолотной системе - -входовый аналоговый ключ 26 - с индикатором 33 и регистратором 34, а в носовой эхолотной системе - -входовый аналоговый ключ 27 - с индикатором 35 и регистратором 36. Приемные тракты эхолотовых систем подключены к общему тракту корреляционной обработки информации и измерения путевой скорости судна: выходы -входовых аналоговых ключей 26 и 27 соединены с двумя входами перемножающего устройства 29, причем, аналоговый ключ 26 (корма) - через блок регулируемой задержки времени 28, управляющий вход которого соединен через экстремальный регулятор 32 с выходом интегратора 30 и входом измерительного прибора 31. Вход интегратора 30 соединен с выходом перемножающего устройства 29. Функционирование блоков эхолотовых систем определяется трактом управления: управляющие входы стробируемых усилителей 14,15, …,16 и 17,18, …,19, аналоговых ключей 26 и 27, индикаторов 33 и 35, регистраторов 34 и 36, хронизатора-модулятора 2 соединены с соответствующими выходами блока управления 37.The multi-frequency correlation hydroacoustic log (figure 1) that implements the method functionally combines two (bow and stern) echo sounding systems (radiation, reception, display and registration of information), supplemented by common paths: correlation processing of information, measuring the speed of the vessel and control. Echo sounding systems have a common radiation path: generator 1 is connected through serially connected timer-modulator 2, power amplifier 3 and switches 4 and 5 in the "Transmission" mode with IPIA 6 and 7 (stern and bow, respectively). Bow 7 and stern 6 IPIA are placed in the diametrical plane along the ship's hull at a distance (base) , are oriented with their acoustic axes vertically down to the seabed surface. Ultrasonic echo contacts with different, but belonging to the same route, sections of the bottom surface are carried out through the aquatic environment. The aquatic environment has an inhomogeneous fine structure, which has boundary layers with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, sound speed) for layers of scatterer sets that are randomly and statistically inhomogeneously distributed in water volumes layers (1, 2,…, ,.., ), having different acoustic impedance and neutral buoyancy, are passively carried by water masses with different linear current velocities relative to the bottom. Echo sounding systems have separate receiving paths. IPIA 6 through switch 4 (stern) in the "Receive" mode is connected through parallel-connected chains of series-connected band-pass filters 8, 9, ...., 10 (frequencies ), gated amplifiers 14, 15, ..., 16, amplitude detectors 20, 21, ..., 22 s - input analog key 26, and IPIA 7 through the switch 5 (nose) in the "Receive" mode is connected through parallel-connected chains of series-connected band-pass filters 11, 12, ...., 13 (frequencies ), gated amplifiers 17, 18, …19, amplitude detectors 23, 24, ..., 25 s - input analog key 27. In both echo sounder systems, paths for displaying and recording information are provided, for which the outputs - input analog keys are connected to the inputs of indicators and recorders: in the stern echo sounding system - - input analog key 26 - with indicator 33 and recorder 34, and in the bow echo sounder system - - input analog key 27 - with indicator 35 and recorder 36. Receiving paths of echo sounding systems are connected to a common path for correlation processing of information and measuring the ground speed of the vessel: outputs - input analog switches 26 and 27 are connected to two inputs of the multiplying device 29, and the analog switch 26 (stern) is connected through the adjustable time delay unit 28, the control input of which is connected through the extreme controller 32 to the output of the integrator 30 and the input of the measuring device 31. Input integrator 30 is connected to the output of the multiplying device 29. The operation of the units of echo sounder systems is determined by the control path: control inputs of gated amplifiers 14.15, ..., 16 and 17.18, ..., 19, analog switches 26 and 27, indicators 33 and 35, recorders 34 and 36, the chronizer-modulator 2 is connected to the corresponding outputs of the control unit 37.
Работа многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ, происходит следующим образом. Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал с частотой , поступающий на вход хронизатора-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 37, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс с гармоническим заполнением. После усилителя мощности 3 радиоимпульс поступает через коммутаторы 5 и 4 в режиме «Передача» на ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно), излучающие мощные зондирующие УЗ сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. Носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии и ориентированы акустическими осями вертикально вниз (фиг.1), причем, их ХН должны иметь такую остроту направленного действия, чтобы облучаемые области дна не перекрывались.The operation of the multi-frequency correlation hydroacoustic lag that implements the proposed method occurs as follows. Generator 1 of the radiating path of echo sounding systems generates an electrical signal with frequency , supplied to the input of the chronizer-modulator 2, which is put into operation by the operator on command from the control unit 37, as a result of which a radio pulse is obtained at the output of the chronizer-modulator with harmonic content. After power amplifier 3 radio pulse enters through the switches 5 and 4 in the "Transmission" mode to the IPIA 7 and 6 (bow and stern, respectively), emitting powerful probing ultrasonic signals into the aquatic environment, which has a nonlinearity of its elastic properties. Bow 7 and stern 6 IRIA echo sounding systems are placed in the diametrical plane along the ship's hull at a distance and oriented acoustic axes vertically downwards (figure 1), moreover, their XN must have such a sharpness of the directional action that the irradiated areas of the bottom do not overlap.
Отметим, что носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем обеспечивают формирование и прием волновых процессов в водной среде, т.к. именно УЗ является эффективным для передачи и получения информации в водной среде, причем, проектирование данного многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений обусловливает существенное увеличение мощностей излучаемых волн. В данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей среды - от линейной акустики, в рамках которой изменение плотности воды еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до нелинейной акустики, где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая как самовоздействие, так и взаимодействие распространяющихся волн конечной амплитуды, приводя к генерации новых спектральных компонент комбинационных частот. Следует учитывать, что все процессы, приводящие к уменьшению плотности потока акустической энергии - диссипативные, дифракционные и т.д. ослабляют нелинейные явления, что делает актуальным прояснение области значений нелинейного режима как для ЭАП носовой 7 и кормовой 6 ИПИА эхолотных систем, так и излучаемых мощных волн.Note that the bow 7 and stern 6 IRIA echo sounding systems provide the formation and reception of wave processes in the aquatic environment, because It is ultrasound that is effective for transmitting and receiving information in the aquatic environment, and the design of this multi-frequency correlation method for measuring the speed of currents causes a significant increase in the power of the emitted waves. Under these conditions, the role of the hydroacoustic channel as a sound-conducting medium begins to change - from linear acoustics, in which the change in water density still linearly depends on the change in the sound pressure of the propagating wave process, which determines the fulfillment of the superposition principle, to nonlinear acoustics, where the nonlinearity of its elastic properties begins to manifest itself , which causes both self-action and interaction of propagating waves of finite amplitude, leading to the generation of new spectral components of combination frequencies. It should be taken into account that all processes leading to a decrease in the acoustic energy flux density - dissipative, diffractive, etc. weaken non-linear phenomena, which makes it important to clarify the range of values of the non-linear regime both for the EAP of the bow 7 and stern 6 IPIA echo sounding systems, as well as for emitted powerful waves.
Ниже обсудим критерий соответствия (6) волновых размеров для обоих 6, 7 ИПИА эхолотных систем интервалу значений 10 < < , что обеспечивает работоспособность многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ. В нелинейной акустике принято оценивать относительное влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на мощные излучаемые волны, рассчитав безразмерные величины: параметр Хохлова , число Рейнольдса или параметр (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.13-14, 100-102, Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. - М.: Изд-во «Наука», 1966. - 520 с., стр. 98-110) для конкретной ПИА с использованием соотношений:Below we will discuss the criterion for the correspondence (6) of the wave sizes for both 6, 7 IPIA echo sounding systems to the range of values 10 < < , which ensures the operability of the multi-frequency correlation hydroacoustic lag that implements the proposed method. In nonlinear acoustics, it is customary to evaluate the relative influence of dissipative, diffractive, and nonlinear effects on powerful radiated waves by calculating dimensionless quantities: the Khokhlov parameter , the Reynolds number or parameter (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 p., pp. 13-14, 100-102, Zarembo L.K. ., Krasilnikov V. A. Introduction to Nonlinear Acoustics. - M .: Publishing House "Nauka", 1966. - 520 p., pp. 98-110) for a specific PIA using the ratios:
- расстояние разрыва плоской волны с частотой (рад/с) и амплитудой звукового давления (Па) у поверхности ЭАП, м;is the distance of the plane wave breaking with the frequency (rad/s) and sound pressure amplitude (Pa) at the EAP surface, m;
- длина области дифракции Френеля для волны накачки с частотой (рад/с), м;is the length of the Fresnel diffraction region for a pump wave with a frequency (rad/s), m;
- расстояние затухания акустической волны, м. Коэффициент затухания (Нп/м) акустического сигнала с частотой в морской воде рассчитывать по соотношениям Шихи и Хелли, а также Либермана (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.23-26). Для пресной воды коэффициент затухания (Нп/м) связан с частотой (1/с) следующим уравнением: (см. Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.:Судостроение, 1983.-200с., стр.7-9)- acoustic wave attenuation distance, m. Attenuation coefficient (Np/m) acoustic signal with frequency in sea water, calculate according to the ratios of Sheehy and Helly, as well as Lieberman (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 p., p. .23-26). For fresh water, the attenuation coefficient (Np/m) related to frequency (1/s) by the following equation: (see Yakovlev A.N., Kablov G.P. Short-range sonars. - L .: Shipbuilding, 1983.-200s., pp. 7-9)
амплитуда звукового давления сигнала накачки у поверхности ЭАП, Па. Здесь: amplitude of the pump signal sound pressure at the EAP surface, Pa. Here:
амплитуда звукового давления сигнала накачки, приведенного к расстоянию 1 метр от ЭАП с учетом затухания. the amplitude of the sound pressure of the pump signal, reduced to a distance of 1 meter from the EAP, taking into account attenuation.
Приближенно оценивать предельные значения амплитуд звукового давления накачки, при которых начинают проявляться нелинейные эффекты, предложено (см Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с., стр.248-252) следующим образом. Образование разрывов для плоских волн характеризуется величиной параметра отсюда соответствующая амплитуда звукового давления у поверхности антенны равнаIt is proposed to estimate approximately the limiting values of the pumping sound pressure amplitudes at which nonlinear effects begin to appear (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 s ., pp. 248-252) as follows. The formation of discontinuities for plane waves is characterized by the value of the parameter hence the corresponding sound pressure amplitude at the antenna surface is
где - диссипативный коэффициент среды. Но так как дифракционные явления значительно ослабляют нелинейные эффекты, то для ограниченных пучков накачки при этих значениях разрыв может и не наступить. Тогда, пренебрегая нелинейным затуханием волны накачки и полагая , предельные уровни амплитуд звукового давления рассчитывают по формулеWhere - dissipative coefficient of the medium. But since diffraction phenomena significantly weaken nonlinear effects, for limited pump beams at these values breakup may or may not occur. Then, neglecting the nonlinear damping of the pump wave and assuming , the limiting levels of sound pressure amplitudes are calculated by the formula
Таким образом, амплитуда звукового давления у поверхности ЭАП для каждого из сигналов накачки ПИА заключена в пределах, определяемых в соответствии с (14) и (15). Соотношение (15) с учетом того, что диаметр ИПИА , и частота , можно преобразовать и представить в видеThus, the amplitude of the sound pressure at the surface of the EAP for each of the pump signals, the PIA lies within the limits determined in accordance with (14) and (15). Relation (15), taking into account the fact that the diameter of the IPIA , and frequency , can be transformed and presented in the form
что ограничивает сверху величину волнового размера ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, причем, нижнюю границу ( ) можно установить из результатов экспериментов (см Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.,стр.161-165,171-179,182-188).which limits from above the value of the wave size of IPIA 7 and 6 (bow and stern, respectively) of echo sounding systems, moreover, the lower boundary ( ) can be established from the results of experiments (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 p., pp. 161-165, 171-179, 182-188 ).
Проведем анализ типичных результатов экспериментальных измерений пространственных характеристик акустических сигналов кратных частот, полученных при реализации линейного и нелинейного режимов излучения мощного одночастотного сигнала накачки, например, для ИПИА рыбопоисковой аппаратуры гидролокатора «Таймень - М» в режиме самовоздействия (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018.-176 с., стр.29-42). Так, для ИПИА РПА «Таймень-М» представлены несколько угловых распределений амплитуд звуковых давлений для акустических сигналов кратных частот, полученные в двух режимах:Let us analyze the typical results of experimental measurements of the spatial characteristics of acoustic signals of multiple frequencies obtained in the implementation of linear and nonlinear modes of emission of a powerful single-frequency pump signal, for example, for the IPIA of fish-searching equipment of the Taimen-M sonar in the self-action mode (see Voloshchenko V.Yu., Voloshchenko A.P. Parametric hydroacoustic means of short-range underwater observation. Southern Federal University. - Rostov-on-Don; Taganrog: Publishing House of the Southern Federal University, 2018.-176 pp., pp. 29-42). So, for IPIA RPA "Taimen-M" several angular distributions of sound pressure amplitudes for acoustic signals of multiple frequencies are presented, obtained in two modes:
1) ( ) - линейный, соответствующий непосредственному возбуждению антенны на частотах =50 кГц ( ), =100 кГц ( ), =150 кГц ( );1) ( ) - linear, corresponding to the direct excitation of the antenna at frequencies =50 kHz ( ), =100 kHz ( ), =150 kHz ( );
2) ( ) - нелинейный, соответствующий штатному режиму возбуждения антенны РПА на частоте =50 кГц ( ), что приводит к генерации в водной среде высших гармоник ( ).2) ( ) - non-linear, corresponding to the standard mode of excitation of the RPA antenna at the frequency =50 kHz ( ), which leads to the generation of higher harmonics in the aquatic environment ( ).
Итак, ИПИА гидролокатора «Таймень-М» имеет: в нелинейном режиме - на частоте =50 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 =14,4° и уровень бокового излучения =(-19 дБ); на частоте = 100 кГц - =10,8° и = (- 23 дБ); на частоте = 150 кГц - =8,1° и = (- 23 дБ);So, the IPIA of the Taimen-M sonar has: in a non-linear mode - at a frequency \u003d 50 kHz angular width of the main lobe XH at a level of 0.7 \u003d 14.4 ° and the level of lateral radiation =(-19 dB); at frequency = 100 kHz - =10.8° and = (- 23 dB); at frequency = 150 kHz - =8.1° and = (- 23 dB);
в линейном режиме непосредственного возбуждения - на частоте =50 кГц угловую ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 = 14,4° и уровень бокового излучения = (-19 дБ); на частоте = 100 кГц - = 7,2° и = (- 19 дБ); на частоте = 150 кГц - = 4,8° и = (- 18 дБ).in the linear mode of direct excitation - at a frequency \u003d 50 kHz angular width of the main lobe XH at a level of 0.7 = 14.4° and the level of lateral radiation = (-19 dB); at frequency = 100 kHz - = 7.2° and = (- 19 dB); at frequency = 150 kHz - = 4.8° and = (- 18 dB).
Из представленных данных видно, что в линейном режиме на всех частотах УЗ уровень бокового поля ХН практически не изменяется (- 18 дБ), а угловая ширина основного лепестка ХН уменьшается в соответствии с известными закономерностями - (14,4°, 7,2°, 4,8° ) - (см. А.П.Евтютов, В.Б.Митько Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Судостроение, 1988. с.17-27), в нелинейном режиме мощный акустический сигнал наиболее заметно меняет упругие свойства водной среды именно на оси антенны, что и приводит к существенному ослаблению бокового поля -от (- 18 дБ) до (- 23 дБ) - и постепенному обострению основного лепестка - (14,4°, 10,°, 8,1°), причем, применение нелинейного режима существенно расширяет рабочий диапазон устройства, реализующего предлагаемый способ.From the presented data, it can be seen that in the linear mode at all US frequencies, the level of the side field of the XH practically does not change (-18 dB), and the angular width of the main lobe of the XH decreases in accordance with the known patterns - (14.4°, 7.2°, 4.8 °) - (see A.P. Evtyutov, V.B. Mitko Engineering calculations in hydroacoustics. - 2nd ed., Revised and added. - L .: Shipbuilding, 1988. p. 17-27 ), in the non-linear mode, a powerful acoustic signal most noticeably changes the elastic properties of the aquatic environment precisely on the antenna axis, which leads to a significant weakening of the side field - from (-18 dB) to (-23 dB) - and a gradual sharpening of the main lobe - (14 ,4°, 10,°, 8.1°), moreover, the use of a non-linear mode significantly expands the operating range of the device that implements the proposed method.
Анализируя представленную выше информацию о локационных сигналах кратных частот , можно сделать вывод о том, что целесообразно применение носовой 7 и кормовой 6 ИПИА эхолотных систем комплексно: - 1) «нелинейный режим» - формирование в водной среде мощного полигармонического зондирующего сигнала, содержащего сигналы кратных частот , 2) «линейный режим» - прием отраженных сигналов кратных частот , что расширит эксплуатационные возможности известного корреляционного способа, обеспечив, в частности, получение достоверной информации о параметрах течений в слоях тонкой структуры статистически неоднородной водной среды со случайно распределенными объемами рассеивателей.Analyzing the above information about location signals of multiple frequencies , we can conclude that it is advisable to use bow 7 and stern 6 IRIA echo sounding systems in a complex: - 1) "nonlinear mode" - the formation of a powerful polyharmonic probing signal in the aquatic environment, containing signals of multiple frequencies , 2) "linear mode" - reception of reflected signals of multiple frequencies , which will expand the operational capabilities of the known correlation method, providing, in particular, obtaining reliable information about the flow parameters in the fine structure layers of a statistically inhomogeneous aquatic environment with randomly distributed scatterer volumes.
Водная среда имеет неоднородную тонкую слоистую структуру в вертикальном направлении, обладающую граничными прослойками (см. Майкл С. Грегг. Микроструктура океана //Наука об океане / Под ред. О. И. Мамаева. - М.: Изд-во «Прогресс», 1983. - с. 219- 243) с резкими изменениями термодинамических характеристик (температура, соленость, скорость звука), в водных объемах слоев (количество слоев i - от 1 до k) совокупности рассеивателей (фиг.1) случайным образом и статистически неоднородно распределены, пассивно переносятся водными массами слоев с различными скоростями течений относительно дна на i горизонтах глубин. Каждая совокупность рассеивателей в любом из слоев обладает «уникальным» набором характеристик, в частности, на -том горизонте глубины - их количество составляет , каждая совокупность из находящихся в -том слое имеет свой линейный размер , отражательную способность и акустическое сопротивление , причем совокупность может быть как акустически жесткой > ), так и акустически мягкой < ) - относительно водной среды.The aquatic environment has a heterogeneous thin layered structure in the vertical direction, which has boundary layers (see Michael S. Gregg. Microstructure of the ocean // Ocean science / Edited by O. I. Mamaev. - M .: Progress Publishing House, 1983. - pp. 219-243) with sharp changes in thermodynamic characteristics (temperature, salinity, sound speed), in water volumes of layers (number of layersi - from 1 tok) sets of scatterers (figure 1) randomly and statistically non-uniformly distributed, passively transferred by water masses of layers with different velocities currents relative to the bottom onidepth horizons. Each set of scatterers in any of layers has a "unique" set of characteristics, in particular, on -volume depth horizon - their number is , each set of those in -th layer has its own linear size , reflectivity and acoustic impedance , and the set can be both acoustically rigid > ), and acoustically soft < ) - relative to the aquatic environment.
В процессе движения судна со скоростью относительно дна носовая 7 и кормовая 6 ИПИА эхолотных систем обеспечивают необходимое количество циклов эхозондирования мощным полигармоническим зондирующим сигналом, содержащим сигналы кратных частот . Таким образом, оператор многочастотного корреляционного гидроакустического лага осуществляет одновременно - как по горизонтали, так и по вертикали соответственно - серии акустических контактов с близлежащими зонами участков поверхностей распределенных совокупностей рассеивателей на 1, 2,…, , .., горизонтах глубин при скоростях движения ( ), ( ), …., ( ) судна относительно этих 1, 2,…, , .., слоев. While the ship is moving at a speed relative to the bottom, the bow 7 and stern 6 PIIA of echo sounding systems provide the required number of echo sounding cycles with a powerful polyharmonic sounding signal containing signals of multiple frequencies . Thus, the operator of the multi-frequency correlation hydroacoustic lag performs simultaneously - both horizontally and vertically, respectively - a series of acoustic contacts with nearby areas of the surface areas of distributed sets of scatterers for 1, 2, ..., ,.., depth horizons at movement speeds ( ), ( ), …., ( ) of the vessel with respect to these 1, 2,…, ,.., layers.
Отраженные спектральные компоненты полигармонического УЗ сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам линейной акустики, достигают ИПИА 7 и 6 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются с помощью прямого пьезоэффекта пьезоэлементов ЭАП ИПИА 7 и 6 в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход приемного тракта аппаратуры. Полигармонические электрические сигналы (фиг.1) несут амплитудную информацию о близлежащих зонах участков горизонтально распределенных поверхностей совокупностей рассеивателей на 1, 2,…, , .., -тых горизонтах глубин, а также границы раздела «вода-дно», позволяя судить об их отражательной способности в широкой полосе частот ( ), а также и о их удалении от ИПИА 7 и 6.The reflected spectral components of the polyharmonic ultrasonic signal, due to the smallness of the disturbance amplitudes during backpropagation, obey the laws of linear acoustics, reach the PSIA 7 and 6 (bow and stern, respectively) echo sounding systems, and are converted using the direct piezoelectric effect of the piezoelectric elements of the EAP IPIA 7 and 6 into the corresponding electrical signals arriving to the input of the receiving path of the equipment. Polyharmonic electrical signals (figure 1) carry amplitude information about the nearby zones of sections of horizontally distributed surfaces of sets of scatterers on 1, 2, ..., ,.., -th depth horizons, as well as the “water-bottom” interface, allowing one to judge their reflectivity in a wide frequency band ( ), as well as their removal from IPIA 7 and 6.
Первым этапом является измерение скорости судна относительно дна за счет обработки эхосигналов от облучаемых участков границы раздела «вода - дно», квадраты огибающих которых будет содержать спектр частот, а их огибающие будет флуктуировать хаотическим образом. С этой целью по команде оператора через блок управления 37 в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов , которые вырабатывают обе ИПИА 7 и 6 в режиме приема. Электрические сигналы с частотой вырабатываются при соответствующей обработке в коммутаторах 5, 4, полосовых фильтрах 11, 10 с частотой пропускания , усилителях 17, 16 и амплитудных детекторах 23, 22 поступают через управляемые аналоговые ключи 27, 26 на соответствующие входы индикаторов 33, 35 и регистраторов 34 и 36. По мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две медленно меняющиеся во времени t функции распределения глубин водоема (фиг.1), т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и , пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величину . Для определения величины промежутка времени сигналы с выходов амплитудных детекторов 23, 20 приемных трактов эхолотных систем дополнительно поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от носовой ИПИА - через блок 28 регулируемой задержки времени. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции сигналов и , поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок 28 регулируемой задержки, устанавливающий такую задержку , чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость суднаThe first step is to measure the speed vessel relative to the bottom due to the processing of echo signals from the irradiated sections of the "water - bottom" interface, the squares of the envelopes of which will contain the frequency spectrum, and their envelopes will fluctuate chaotically. To this end, at the command of the operator through the control unit 37 in the receiving paths of the bow and stern echo sounding systems of a moving vessel, the corresponding signal processing is carried out , which produce both IPIA 7 and 6 in the receive mode. Electrical signals with frequency are generated with appropriate processing in switches 5, 4, bandpass filters 11, 10 with a pass frequency , amplifiers 17, 16 and amplitude detectors 23, 22 are fed through controlled analog switches 27, 26 to the corresponding inputs of indicators 33, 35 and recorders 34 and 36. As the vessel moves along a given course, two slowly varying in time t depth distribution functions are continuously determined reservoir (figure 1), i.e. the dependences of electrical signals that do not coincide at a given moment of time are recorded And , proportional to the distribution of depths of the water area under the bow and stern parts of the hull, moreover, these functions are identical to each other, but shifted in time by . To determine the value of the time interval the signals from the outputs of the amplitude detectors 23, 20 of the receiving paths of the echo sounding systems are additionally fed to the two inputs of the multiplier device 29, and the signal from the nasal IPIA is through the adjustable time delay unit 28. From the integrator 30 a signal proportional to the coefficient cross-correlation of signals And , goes to the extreme controller 32 and to the measuring device 31. The control signal from the extreme controller 32 acts on the adjustable delay block 28, which sets such a delay so that the maximum signal is maintained on the measuring device 31, i.e. coefficient maximum correlations. The speed of the ship is determined by the value of the entered delay
Для получения информации о скоростях течений , , …, в слоях тонкой структуры водной среды оператор устройства применяет вертикальную пространственную стратификацию совокупностей рассеивателей водной среды на 1, 2,…, , .., горизонтов глубин, осуществляя в приемных трактах эхолотных систем на сигналах кратных частот , стробирование полученной амплитудной информации, установив одинаковые величины - ширины строба , их исходного расположения относительно дна, скорости и последовательности перемещения строба. Отметим, что в приемных трактах эхолотных систем для входных сигналов на частоте стробирование для пространственной стратификации совокупностей рассеивателей водной среды, находящихся в горизонте водной среды, не осуществляется.For information on current velocities , , …, in the layers of the fine structure of the aquatic environment, the operator of the device applies a vertical spatial stratification of the sets of scatterers of the aquatic environment into 1, 2, ..., ,.., depth horizons, carrying out in the receiving paths of echo sounding systems on signals of multiple frequencies , strobing the received amplitude information by setting the same values - the width of the strobe , their initial location relative to the bottom, the speed and sequence of the gate movement. Note that in the receiving paths of echo sounding systems for input signals at a frequency gating for spatial stratification of sets of scatterers of the aquatic environment, located in horizon of the aquatic environment, is not carried out.
С этой целью в приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов по команде оператора через блок управления 37. В результате этого на выходе приемного тракта носовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 11 ( ), 12 ( ),…13 ( )), стробирования и усиления (стробируемые усилители 17, 18, …19), детектирования (детекторы 23, 24,…25) и соответствующего переключения -входового аналогового ключа 27 может быть выделен видеоимпульсный электрический сигнал , соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот , , …., от облучаемых участков совокупностей рассеивателей из любого 1, 2,…, , .., горизонтов водной среды, а также морского дна, находящихся под носовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 35 и регистратора 36, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.For this purpose, the corresponding signal processing is carried out in the receiving paths of the bow and stern echo sounding systems of a moving vessel. at the command of the operator through the control unit 37. As a result, at the output of the receiving path of the nasal echo sounding system after filtering (bandpass filters 11 ( ), 12 ( ),…13 ( )), gating and amplification (gated amplifiers 17, 18, ...19), detection (detectors 23, 24, ...25) and the corresponding switching - input analog key 27 can be allocated video-pulse electrical signal , corresponding to the echo signal of any one selected by the operator as a working spectral component from a set of frequencies , , …., from the irradiated areas of sets of scatterers from any 1, 2,…, ,.., horizons of the aquatic environment, as well as the seabed, located under the bow of the ship's hull. Video pulse electrical signal is fed into the path for displaying and recording information - to the inputs of the indicator 35 and the recorder 36, triggered by the supply of a clock pulse from the output of the control unit 37.
Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8 ( ), 9 ( ),…10 ( )), стробирования и усиления (стробируемые усилители 14, 15, …16), детектирования (детекторы 20, 21,…22) и соответствующего переключения -входового аналогового ключа 26 выделяется видеоимпульсный электрический сигнал , соответствующий эхосигналу какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот , , …., облучаемых участков совокупностей рассеивателей из любого 1, 2,…, , .., горизонтов водной среды, а также морского дна, находящихся под кормовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 33 и регистратора 34, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.Similarly, at the output of the receiving path of the stern echo sounding system after filtering (bandpass filters 8 ( ), 9 ( ),…10 ( )), gating and amplification (gated amplifiers 14, 15, ...16), detection (detectors 20, 21, ...22) and the corresponding switching - input analog key 26 emits a video-pulse electrical signal , corresponding to the echo signal of any one selected by the operator as a working spectral component from a set of frequencies , , …., irradiated areas of sets of scatterers from any 1, 2, ..., ,.., horizons of the aquatic environment, as well as the seabed, located under the aft part of the ship's hull. Video pulse electrical signal is fed into the path for displaying and recording information - to the inputs of the indicator 33 and the recorder 34, triggered by the supply of a clock pulse from the output of the control unit 37.
Таким образом, оператор устройства может определить, например, для -того горизонта глубины водоема, на любой из частот , где , по мере движения судна по заданному курсу по паре меняющихся функций распределения пространственной плотности совокупностей рассеивателей в водной среде, т.е. пар несовпадающих в данный момент времени зависимостей для амплитуд электрических сигналов и , пропорциональных плотности пространственного распределения совокупностей рассеивателей на -том горизонте под носовой и кормовой частями корпуса движущегося со скоростью ( ) судна относительно -го горизонта, где знак «+» соответствует попутному, знак «-» - встречному направлению течения на -том горизонте глубины водоема соответственно, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты в парах на промежутки времени, имеющие значенийThus, the device operator can define, for example, for - that horizon of the depth of the reservoir, at any of the frequencies , Where , as the ship moves along a given course along a pair of changing distribution functions of the spatial density of scatterer sets in the aquatic environment, i.e. pairs of dependencies that do not coincide at a given moment in time for the amplitudes of electrical signals And , proportional to the density of the spatial distribution of sets of scatterers on -the horizon under the bow and stern parts of the hull moving at a speed ( ) vessel relative to -th horizon, where the sign "+" corresponds to the passing, the sign "-" - to the opposite direction of the flow on -th horizon of the depth of the reservoir, respectively, moreover, these functions are identical to each other, but are shifted in pairs by time intervals having values
Для определения величин промежутков времени видеоимпульсные электрические сигналы и , соответствующие эхосигналам от совокупностей рассеивателей в водной среде на -том горизонте глубины для какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот , …, поступают на два входа перемножающего устройства 29, причем, сигнал от кормовой ИПИА - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту взаимной корреляции сигналов и , поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку , чтобы на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента корреляции. По величине введенной задержки может быть определена скорость движения судна относительно -го горизонта, измеренная на любой из набора частот To determine the values of time intervals video pulse electrical signals And , corresponding to echo signals from sets of scatterers in the aquatic environment on -th depth horizon for any one selected by the operator as a working spectral component from a set of frequencies , …, are fed to two inputs of the multiplier device 29, and the signal from the stern IPIA is through the adjustable time delay unit 28. From the integrator 30, the signal is proportional to the coefficient cross-correlation of signals And , is supplied to the extreme controller 32 and to the measuring device 31. The control signal from the extreme controller 32 acts on the adjustable delay block 28, which sets such a delay so that the maximum signal is maintained on the measuring device 31, i.e. coefficient maximum correlations. The value of the entered delay can be used to determine the speed of the vessel relatively -th horizon, measured at any of the set of frequencies
что позволяет при измеренной ранее скорости движения судна относительно дна вычислить значения скоростей ( ) течения в -том горизонте на рабочих спектральных компонентах из набора частот , …., . Полученные данные позволяют вычислить для -го горизонта с совокупностями рассеивателей на любой из частот величину средней арифметической скоростиwhich allows at the previously measured speed ship movements relative to the bottom calculate speed values ( ) currents in -th horizon on the working spectral components from the set of frequencies , …., . The data obtained allow us to calculate for -th horizon with sets of scatterers at any of the frequencies the value of the arithmetic average speed
течения в -том горизонте, которая наиболее близко соответствует имеющемуся значению скорости течения в нем.currents in -volume horizon that most closely matches the available speed currents in it.
Для многочастотного корреляционного способа измерения скорости течений имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения скорости течения, определяемой соотношением (7), за счет регулировки величины важного параметра - - ширины пика взаимокорреляционной функции. Следует отметить, что использование обратимой интерференционной антенны РПА «Таймень» в качестве ИПИА многочастотного корреляционного гидроакустического лага, реализующего предлагаемый способ, может обеспечить снижение относительной флуктуационной погрешности измерения скорости течения, определяемой соотношением (4), за счет того, что в силу описанных выше закономерностей имеется возможность регулировки величины параметра - - ширины пика взаимокорреляционной функции для соответствующей спектральной компоненты полигармонического сигнала (при использовании более высокочастотного сигнала числитель уменьшается быстрее, чем знаменатель , что вызывает уменьшение самого отношения), где - длина волны используемого ультразвукового сигнала (изменяется в раз), - угловая ширина результирующего основного лепестка ХН ИПИА (излучение - «нелинейный» режим, прием - «линейный» режим).For the multi-frequency correlation method of measuring the current velocity, it is possible to increase the accuracy characteristics and select the optimal value of the relative fluctuation error of the velocity measurement flow, determined by relation (7), by adjusting the value of an important parameter - - the width of the peak of the cross-correlation function. It should be noted that the use of the reversible interference antenna of the RPA "Taimen" as a multi-frequency correlation hydroacoustic lag RTIA, which implements the proposed method, can reduce the relative fluctuation error of velocity measurement flow determined by relation (4), due to the fact that, due to the laws described above, it is possible to adjust the value of the parameter - - peak width of the cross-correlation function for the corresponding spectral component of the polyharmonic signal (when using a higher frequency signal, the numerator decreases faster than the denominator , which causes a decrease in the ratio itself ) , where is the wavelength of the ultrasonic signal used (varies with once), is the angular width of the resulting main lobe of the HN IPIA (radiation - "nonlinear" mode, reception - "linear" mode).
Рассмотрим еще один пример. Относительная погрешность в измерении скорости течения из-за вертикальных перемещений судна на качке при амплитудном детектировании описывается соотношением (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.143-157)Let's consider one more example. Relative error in speed measurement currents due to vertical movements of the vessel on the roll with amplitude detection is described by the relation
где - среднее значение размаха вертикальных перемещений судна, - период вертикальных колебаний судна. Из (21) видно, что при амплитудном детектировании относительная погрешность в измерении скорости из-за вертикальных перемещений судна на качке растет с увеличением размаха вертикальных перемещений и с уменьшением путевой скорости судна и периода качки, но уменьшается при более узком основном лепестке ХН ИПИА.Where - the average value of the range of vertical movements of the vessel, - the period of vertical oscillations of the vessel. It can be seen from (21) that with amplitude detection, the relative error in measuring the speed due to the vertical movements of the ship on the roll increases with an increase in the range of vertical movements and with a decrease in the ground speed of the ship and the period of the roll, but decreases with a narrower main lobe of the HN RPIA.
Заявляемый способ может найти широкое применение при измерении скорости движения судна как относительно дна, так и относительно пассивно переносимых течениями рассеивателей, находящихся в слоях тонкой структуры водной среды океана, при этом сопровождаться измерением глубин акватории по пути следования с высокой точностью.The claimed method can be widely used in measuring the speed of a vessel both relative to the bottom and relatively passively carried by the currents of scatterers located in the layers of the fine structure of the aquatic environment of the ocean, while being accompanied by measuring the depths of the water area along the route with high accuracy.
