Способ измерения расстояния до контролируемого объекта

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в водоемах 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, разнесенными на расстояние, меньшее длины волны излучаемого сигнала. Приемники размещены непосредственно на грунте. В качестве одного из приемников используют векторный приемник колебательной скорости, а в качестве второго приемника используют ненаправленный 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.

 

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.

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 Сmax в волноводе, до некоторого максимального, соответствующего минимальной групповой скорости Cmin, 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 Синв, которая функционально выражается через фазовую Сф и групповую Сг 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

Суть указанного способа заключается в одновременном измерении фазового времени tф или фазовой скорости Сф и группового времени tг запаздывания акустического сигнала, а в качестве инвариантной скорости в [2] предложено использовать скорость распространения обобщенной придонной волны Сп в пограничной области вода - морское дно

где ρ1212, с121/C2, ρ1, С1, 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(Cинв/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 tф и групповое время tг запаздывания соответственно по формулам:

где

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

T1, T2 - предварительно определенные временные интервалы, причем Т21<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 Сф через измеренное фазовое время tф, 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 лучей β 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

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

uz, ur - 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(Синв1), где

Синв, 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 1, меньшее длины волны излучаемого сигнала, и расположенными непосредственно на грунте, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tг 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 Синв, измеренной фазовой скорости Сф и группового времени tг запаздывания, в качестве одного из приемников используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t), инвариантную скорость определяют соотношением

где ρ1212, 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

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(Cинв/C1),

где Синв, 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 1, меньшее длины волны излучаемого сигнала;

- располагают приемники непосредственно на грунте;

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

- вычисляют искомое расстояние r с использованием предварительно определенной инвариантной скорости Синв, измеренной фазовой скорости Сф и группового времени tг 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 одного из приемников векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости;

- используют в качестве второго приемника ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t);

- инвариантную скорость определяют соотношением

- вычисляют искомое расстояние r по формуле

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 погрешность измерения расстояния на 1-2%.

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=amax-amin, α=arccos(Cинв/C1(h)), соответствующих минимальному углу β=0 и максимальному углу рефракции βmax=arccos(C(h)/Cmax)), где Сmax - 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, размещенными непосредственно на грунте и разнесенными на расстояние l, меньшее длины волны излучаемого сигнала [3]. В качестве одного из приемников используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости. В качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t). На основе измерения параметров принятых сигналов определяют групповое время tг запаздывания по формуле

фазовую и инвариантную скорости по формулам

- параметр, измеряемый с помощью векторного приемника, а 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

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

3. В.А.Щуров. Векторная акустика океана. Владивосток, Дальнаука, 2003 г., с.38-54.

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

α=arccos(Cинв/C1),

где Синв, 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, меньшее длины волны излучаемого сигнала, и расположенными непосредственно на грунте, на основе измерений параметров принятых сигналов определяют групповое время tг 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 Синв, измеренной фазовой скорости Сф и группового времени tг запаздывания, отличающийся тем, что в качестве одного из приемников используют векторный приемник колебательной скорости, на выходе которого измеряют вертикальную uz и горизонтальную ur компоненты вектора колебательной скорости, в качестве второго приемника используют ненаправленный приемник звукового давления, на выходе которого измеряют звуковое давление P1(t), инвариантную скорость определяют соотношением

где ρ1212, с12=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 Сф1(h)/cosβ.



 

Похожие патенты:

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.

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов. .

Изобретение относится к акустическим измерителям расстояний в различных средах. .

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для измерения дистанции между объектами, объединенными в пространственную гидроакустическую сеть.

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах. .

Эхолот // 2241242
Изобретение относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть использовано в эхолотах с автоматическим адаптивным обнаружителем эхо-сигналов от дна и измерением глубины.

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным системам и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов. .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения абсолютной скорости движения подводного объекта. .

Изобретение относится к акустическим системам, определяющим направление на источник мощных импульсных акустических сигналов. .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем. .

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в водоемах типа мелкого моря с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала

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

Изобретение относится к области звукодальнометрии и акустического управления и может быть использовано для измерения расстояний до объектов, перемещающихся во внутритрубных пространствах без нарушения целостности трубопровода

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и предназначено для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия

Изобретение относится к области подводной навигации, а именно к определению координат подводного объекта

Изобретение относится к области подводной навигации, а именно к определению координат подводного объекта

Изобретение относится к области звукодальнометрии и акустического управления и может быть использовано для измерения расстояний до объектов, перемещающихся во внутритрубных пространствах

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к определению координат преимущественно подводных аппаратов для позиционирования подводных объектов при обследовании морских объектов хозяйственной деятельности

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в мелком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала
Наверх