RU2311662C1 - Способ измерения расстояния до контролируемого объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в водоемах малой глубины (типа мелкого моря) с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерений. Согласно способу на контролирующем объекте генерируют и излучают периодический импульсный акустический сигнал. Излучение акустического сигнала синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя приемниками. Один из приемников расположен непосредственно на грунте и в его качестве используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную и горизонтальную компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления. По измеренным параметрам, с учетом предварительно измеренных плотности и скорости звука в придонном слое воды, а также плотности и скорости продольных волн в грунте, определяют расстояние до объекта.

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в водоемах малой глубины (мелкое море) с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Общеизвестен способ измерения расстояния гидроакустическим дальномером, в котором измеряемое расстояние r и время распространения t акустического сигнала в среде между излучателем и приемником связаны соотношением

где С - скорость звука в среде, имеющая смысл групповой скорости, усредненной по трассе распространения, если среда является неоднородной [1].

В водоеме типа мелкого моря (волновода) точки излучения и приема связаны целым набором лучевых траекторий, а время распространения изменяется от некоторого минимального, соответствующего максимальной групповой скорости С_max в волноводе, до некоторого максимального, соответствующего минимальной групповой скорости С_min, называемой обычно скоростью Эйри. Физически это означает уширение акустического сигнала, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения расстояния до контролируемого объекта (второй вариант) [2]. Указанный способ измерения расстояния, использующий понятие инвариантной скорости С_инв, которая функционально выражается через фазовую С_ф и групповую С_г скорости распространения акустического сигнала в водоеме типа волновода и для различных лучевых траекторий сохраняет постоянное значение. Для однородных водоемов малой глубины инвариантная скорость определяется соотношением

Сущность указанного способа заключается в одновременном измерении фазового времени t_ф или фазовой скорости С_ф и группового времени t_г запаздывания акустического сигнала, а в качестве инвариантной скорости в [2] предложено использовать скорость распространения обобщенной придонной волны С_п в пограничной области вода - морское дно

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, c₁₂=C₁/C₂, ρ₁, C₁, ρ₂, С₂ - плотность и скорость звука в водной среде, плотность и скорость продольной волны в грунте соответственно.

Данный способ измерения расстояния реализуется следующим образом.

На контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(C_инв/C₁) периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в месте приема на контролируемом объекте, причем возвышение излучателя над грунтом не превышает длины волны акустического излучения. На контролируемом объекте принимают акустический сигнал двумя гидрофонами, расположенными непосредственно на грунте и разнесенными на расстояние 1. На основе измерений параметров принятых сигналов определяют фазовое t_ф и групповое время t_г запаздывания соответственно по формулам

где:

P₁(t), P₂(t) - сигналы, принятые в двух точках приема;

T₁, T₂ - предварительно определенные временные интервалы, причем Т₂<Т₁<Т, где Т-период излучения импульсного сигнала.

Искомое расстояние вычисляют по формуле

Основной недостаток известного способа, основанного на алгоритме (4), заключается в достаточно большой погрешности измерения фазовой скорости С_ф через измеренное фазовое время t_ф, а также в том, что инвариантная скорость зависит от конкретных условий распространения, хотя и в значительно меньшей степени, чем фазовые и групповые скорости, определенные для всей совокупности лучей, формирующих акустический сигнал. Эта зависимость приводит к погрешности измерения расстояния по алгоритму (4). Так, например, обобщенная придонная волна, скорость распространения которой выбрана в качестве инвариантной, всегда возбуждается совместно с водной волной, а групповая скорость их совместного волнового движения определяется алгоритмом усреднения обратных групповых скоростей отдельных составляющих совместного волнового движения. Групповая скорость такой придонной волны, состоящей из водной волны и обобщенной придонной волны, определяется уточненной формулой

Другая причина изменчивости инвариантной скорости заключается в том, что в случае неоднородной среды с профилем канального типа, который обычно имеет место в придонной области распространения звуковых волн, само соотношение между инвариантной скоростью, фазовой скоростью и групповой скоростью отличается от соотношения (2) и определяется уточненной формулой

а фазовая скорость может быть определена через скорость звука в водной среде в придонной области C₁(h) и угол скольжения β лучей в придонной области формулой

Наконец, сама инвариантная скорость с учетом влияния профиля скорости звука в придонной области может быть определена формулой

При разработке измерителей расстояния повышенной точности, работающих в условиях неоднородного волновода типа мелкого моря, необходимо учитывать все поправки, введенные формулами (5)÷(8), с учетом которых искомое расстояние выражается через измеренные параметры соотношением

где

причем угол скольжения, входящий в расчетные формулы, можно определить с помощью расположенного на грунте векторного приемника соотношением

где

u_z, u_r - компоненты вектора колебательной скорости, измеряемые векторным приемником.

В основу изобретения положена задача разработать способ измерения расстояния, обладающий наименьшей погрешностью в условиях неоднородного волновода типа мелкого моря с помощью акустических средств, работающих в придонной области.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(С_инв/С₁) где С_инв, C₁ - инвариантная скорость и скорость звука в воде, излучателем, возвышение которого над грунтом не превышает длины волны акустического излучения, периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние l, причем один из приемников расположен непосредственно на грунте, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле

где P₁(t) - сигнал на выходе приемника,

Т₁, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T,

Т - период излучения импульсного сигнала.

Искомое расстояние r вычисляют с использованием предварительно определенной инвариантной скорости С_инв, измеренной фазовой скорости С_ф и группового времени t_г запаздывания, в качестве приемника, расположенного непосредственно на грунте, используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_г компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(С(h)/С₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), причем второй приемник размещают от грунта на расстоянии l, значительно большем длины волны излучаемого сигнала, инвариантную скорость определяют соотношением

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, c₁₂=C₁(h)/C₂, ρ₁, C₁(h), ρ₂, C₂ - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно,

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника,

а искомое расстояние r вычисляют по формуле

где

В заявленном способе измерения расстояния до контролируемого объекта общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- на контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения α=arccos(С_инв/С₁),

где С_инв, C₁ - инвариантная скорость и скорость звука в воде,

излучателем, возвышение которого над грунтом не превышает длины волны акустического излучения, периодический импульсный акустический сигнал;

- синхронизируют излучение сигнала с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте;

- принимают акустический сигнал двумя приемниками, разнесенными на расстояние l;

- располагают один из приемников непосредственно на грунте;

- определяют на основе измерений параметров принятых сигналов групповое время t_г запаздывания по формуле

- вычисляют искомое расстояние r с использованием предварительно определенной инвариантной скорости С_инв, измеренной фазовой скорости С_ф и группового времени t_г запаздывания.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа измерения расстояния до контролируемого объекта и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- используют в качестве приемника, расположенного непосредственно на грунте, векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости;

- используют в качестве второго приемника направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t);

- размещают второй приемник от грунта на расстоянии l, значительно большем длины волны излучаемого сигнала;

- инвариантную скорость определяют соотношением

- вычисляют искомое расстояние r по формуле

где

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволила обеспечить наименьшую погрешность в условиях неоднородного волновода типа мелкого моря с помощью акустических средств, работающих в придонной области. Инструментальная погрешность измерения фазовой скорости при использовании калиброванного векторного приемника уменьшена до 1-2%. Кроме того, основные соотношения, определяющие связь между искомым расстоянием и измеренными величинами, более точно учитывают неоднородность среды, которая проявляется в рефракционном отклонении луча от горизонтального распространения на угол β. Для реальных значений профиля скорости звука в мелком море рефракционное отклонение луча может составлять 10-15°, а его учет в задании инвариантной скорости уменьшает на 1-2% погрешность измерения расстояния.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.

Способ измерения расстояния до контролируемого объекта реализуется следующим образом.

На контролирующем объекте излучатель, находящийся на расстоянии от дна, не превышающем длины волны акустического излучения, излучает направленно акустический сигнал, причем максимум характеристики направленности должен лежать в диапазоне углов скольжения Δα=α_max-α_min, α=arccos(C_инв/C₁(h)), соответствующих минимальному углу β=0 и максимальному углу рефракции β_max=arccos(C(h)/C_max), где С_max - предварительно определенная максимальная скорость звука на профиле C(z). Часть энергии излученного сигнала идет на формирование поля отраженных и прошедших волн, но большая часть энергии идет на возбуждение придонной волны, которая распространяется вдоль поверхности дна в виде комбинации водной волны и обобщенной придонной волны.

На контролируемом объекте сигнал принимается приемниками. В качестве приемника, расположенного непосредственно на грунте, используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t). Приемник звукового давления размещают от грунта на расстоянии l, значительно большем, например на порядок, длины волны излучаемого сигнала. На основе измерения параметров принятых сигналов определяют групповое время запаздывания по формуле

Фазовую и инвариантную скорости определяют по формулам

C_ф=С(h)/cosβ,

,

где

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника.

Искомое расстояние r вычисляют по формуле

Использование способа измерения расстояния до контролируемого объекта позволило снизить на 1-2% погрешность измерения расстояния в водоемах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Источники информации, принятые во внимание

1. Милн. П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989 г., с.49-60.

2. Патент РФ №2125278, «Способ измерения расстояния до контролируемого объекта (его варианты)», МПК 6 G01S 15/08, 1997 г. - прототип.

Claims (1)

1. Способ измерения расстояния до контролируемого объекта, при котором на контролирующем объекте генерируют и излучают направленно под углом скольжения

   α=arccos(C_инв/C₁),

   где С_инв, С₁ - инвариантная скорость и скорость звука в воде,

   излучателем, возвышение которого над грунтом не превышает длины волны, периодический импульсный акустический сигнал, излучение которого синхронизируют с началом отсчета времени в точке приема на контролируемом объекте, принимают акустический сигнал на контролируемом объекте двумя приемниками, разнесенными на расстояние l, причем один из приемников расположен непосредственно на грунте, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время t_г запаздывания по формуле

   

   где P₁(t) - сигнал на выходе приемника;

   T₁, Т - предварительно определенные временные интервалы, причем T₁<T, Т - период излучения импульсного сигнала,

   искомое расстояние r вычисляют с использованием предварительно определенной инвариантной скорости С_инв, измеренной фазовой скорости С_ф и группового времени t_г запаздывания, отличающийся тем, что в качестве приемника, расположенного непосредственно на грунте, используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную u_z и горизонтальную u_r компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго приемника используют направленный приемник звукового давления с углом приема, равным критическому углу скольжения α_кр=arccos(C(h)/C₂) для границы раздела вода - морское дно, на выходе которого измеряют звуковое давление P₁(t), причем второй приемник размещают от грунта на расстоянии l, значительно большем длины волны излучаемого сигнала, инвариантную скорость определяют соотношением

   

   где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, c₁₂=C₁(h)/C₂, ρ₁, C₁(h), ρ₂, С₂ - измеренные предварительно плотность и скорость звука в придонном слое воды, плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно,

   

   

   

   - параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а искомое расстояние г вычисляют по формуле

   

   где С_ф=С₁(h)/cosβ.