Способ измерения скорости судна доплеровским лагом

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна и расстояния до дна. Указанный технический результат достигается тем, что сигнал, поступающий с выхода сформированной характеристики направленности приемной гидроакустической антенны, наряду с разбиением на перекрывающиеся интервалы времени длительности ТТС, равной длительности тонального зондирующего сигнала, также разбивается на перекрывающиеся интервалы времени меньшей длительности TKC, рассчитываемой исходя из заданной точности измерения глубины. Обнаружение эхо-сигнала (ЭС) осуществляется одновременно как на каждом интервале длительности ТТС, так и на каждом интервале длительности TKC. При обнаружении ЭС на интервале времени длительности ТТС определяется его частота, с использованием которой вычисляется скорость судна, а при первом обнаружении эхо-сигнала на интервале длительности TKC определяется интервал времени ΔТ между моментом времени этого обнаружения и моментом времени начала излучения тонального зондирующего сигнала. С использованием интервала времени ΔТ вычисляется глубина под килем. 2 ил.

 

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.

Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна и глубины под килем с использованием гидроакустического доплеровского лага (ДЛ) [1-6].

Глубина под килем измеряется при помощи эхолота [5, 6].

Как ДЛ, так и эхолот являются дорогостоящими устройствами, особенно при плавании в глубоководных районах, когда необходимо использовать относительно низкие частоты и, как следствие, иметь приемно-излучающую антенну больших габаритов. Поэтому было бы целесообразно использовать в качестве измерителя скорости судна и глубины под килем одно универсальное устройство - лаг-эхолот.

Совмещение функций ДЛ и эхолота в одном устройстве известно. Например, в ДЛ, описанном в изобретении [3], сначала измеряется глубина под килем, затем с использованием измеренной глубины рассчитывается допустимая длительность тонального сигнала, применяемого для измерения скорости судна. Недостатком такого технического решения является невозможность отслеживания изменения глубины под килем (т.е. рельефа дна) в процессе движения судна.

Для отслеживания рельефа дна необходимо глубину под килем измерять одновременно с измерением скорости судна. Но для этого нужно разрешить техническое противоречие между ДЛ и эхолотом. Оно состоит в том, что в ДЛ для обеспечения высокой точности измерения скорости судна используется тональный зондирующий сигнал (ЗС) большой длительности, определяемой по приближенной формуле [1]

ТТС - длительность тонального ЗС, с;

Hdno - глубина под килем, м;

Czv - средняя скорость распространения ЗС, м/с.

Обнаружение эхо-сигнала (ЭС) осуществляется либо путем спектрального анализа сигнала с выхода приемной антенны на перекрывающихся интервалах времени длительности ТТС [1], либо путем использования банка фильтров Калмана [3]. И в том и другом случае имеется неопределенность величиной ТТС в определении момента времени прихода ЭС на приемную антенну. С учетом этой неопределенности среднеквадратическая ошибка (СКО) измерения глубины с учетом формулы (1) составит

т.е. 33% от измеряемой глубины. Естественно, такая ошибка для практического использования неприемлема.

Для уменьшения ошибки измерения глубины, как следует из формулы (2), необходимо уменьшить длительность тонального ЗС. Но это не приемлемо, поскольку при этом возрастет ошибка измерения скорости судна.

Другим путем уменьшения ошибки измерения глубины является одновременное обнаружение ЭС на интервалах большой длительности ТТС (для измерения скорости судна) и малой длительности TKC (для измерения глубины).

В качестве прототипа выберем описанный в работе [1] и поясненный условной блок-схемой (фиг. 1) способ измерения скорости судна доплеровским лагом, включающий: излучение под наклоном ψизл тонального зондирующего сигнала с длительностью ТТС (блок 1); формирование характеристики направленности (ХН) приемной антенны для приема сигнала с направления излучения (блок 2); вычисление спектра сигнала, поступающего с выхода сформированной ХН, на следующих друг за другом с перекрытием не менее чем на 50% интервалах времени длительности ТТС (блок 3); выполнение процедуры обнаружения ЭС в каждом вычисленном спектре (блок 4). В случае обнаружения ЭС осуществляется определение его частоты и с ее использованием вычисление скорости судна по формуле [1]

где V - скорость судна, м/с;

ƒЗС - частота тонального ЗС, Гц;

ƒЭС - частота ЭС, Гц;

ψизл - угол между направлением излучения тонального ЗС и направлением вертикально вниз, град (как правило, ψизл=30°);

Процедуры, реализуемые в блоках 3 и 4 повторяются на интервале времени

где Hmax - максимальная глубина под килем, м.

Решаемая техническая проблема - расширение функций ДЛ.

Технический результат - повышение точности измерения расстояния до дна.

Указанный технический результат достигается тем, что сигнал, поступающий с выхода сформированной характеристики направленности, наряду с разбиением на перекрывающиеся интервалы длительности ТТС, на которых вычисляется его спектр и определяется его частота, также разбивается на перекрывающиеся интервалы меньшей длительности TKC, на которых вычисляется мощность сигнала и осуществляется обнаружение эхо-сигнала. Длительность сигнала TKC рассчитывается с учетом формулы (2) по формуле

где σH - заданная СКО измерения глубины, м.

Например, при σH =1 м TKC=4 мс.

В результате обнаружение ЭС осуществляется одновременно как на каждом интервале длительности ТТС, так и на каждом интервале длительности TKC. Обнаружение ЭС на интервале времени длительности ТТС осуществляется путем поиска максимума в вычисленном спектре сигнала методом двустороннего контраста; обнаружение ЭС на интервале времени длительности TKC осуществляется путем сравнения мощности сигнала на текущем интервале времени длительности TKC с мощностью сигнала на предыдущем интервале времени длительности TKC.

По ЭС, обнаруженному на интервале времени длительности ТТС, осуществляется определение его частоты, с использованием которой по формуле (3) вычисляется скорость судна, а по первому обнаружению ЭС на интервале времени длительности TKC, определяется разность моментов времени ΔТ обнаружения ЭС и излучения ЗС, которая используется для определения расстояния до дна по формуле:

Перекрытие интервалов в обоих случаях должно быть не менее 50%.

Блок-схема заявляемого способа изображена на фиг. 2.

В блоке 1 осуществляется излучение тонального зондирующего сигнала с длительностью ТТС.

В блоке 2 выполняется формирование характеристики направленности приемной антенны для приема сигнала с направления излучения.

В блоке 3 осуществляется вычисление спектра сигнала на текущем интервале времени длительности ТТС.

В блоке 4 выполняется процедура обнаружения ЭС в спектре, вычисленном на текущем интервале времени длительности ТТС. В случае обнаружения ЭС определяется его частота и с ее использованием по формуле (3) вычисляется скорость судна.

В блоке 5, реализуемом одновременно с блоком 3, осуществляется вычисление мощности сигнала на текущем интервале времени длительности TKC (TKC<<ТТС).

В блоке 6 вычисляется разность мощностей сигнала, измеренных на текущем и предыдущем интервалах времени длительности TKC. Если эта разность превышает заданное пороговое значение, то:

- вычисляется разность времен ΔТ между левой границей текущего интервала времени длительности TKC и моментом начала излучения тонального ЗС;

- с использованием вычисленной разности времен ΔТ по формуле (6) вычисляется расстояние до дна;

- формируется признак, по которому дальнейшая обработка сигнала в блоках 5 и 6 не производится.

Процедуры, реализуемые в блоках 3-6, повторяются на интервале времени Tmax, вычисляемом по формуле (4).

Таким образом, обеспечивается одновременное измерение скорости судна и глубины под килем и при этом повышается точность измерения глубины под килем.

Технический результат подтвержден имитационным моделированием.

Источники информации

1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги // Л.: Судостроение, 1990.

2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., и др. Судовые измерители скорости // Л.: Судостроение, 1978.

3. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхо-сигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.

4. Богородский В.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана // Л.: Гидрометиздат, 1984, 264 с.

5. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983, 262 с.

6. Виноградов К.А., Новиков И.А. Гидроакустические навигационные системы и средства // Навигация и гидрография, 1999, №7.

Способ измерения скорости судна гидроакустическим доплеровским лагом, включающий излучение под наклоном к дну тонального зондирующего сигнала большой длительности, рассчитанной с учетом наклонного расстояния до дна, формирование характеристики направленности приемной антенны для приема сигнала с направления излучения, обнаружение отраженного от дна эхо-сигнала на выходе сформированной характеристики направленности на последовательных перекрывающихся интервалах времени, равных длительности тонального зондирующего сигнала, определение частоты обнаруженного эхо-сигнала, используемой для вычисления скорости судна, отличающийся тем, что сигнал с выхода характеристики направленности приемной антенны одновременно с разбиением на интервалы времени большой длительности разбивают на перекрывающиеся интервалы времени малой длительности, рассчитанной исходя из заданной точности измерения расстояния до дна, измеряют мощность сигнала на каждом из этих интервалов времени, вычисляют разность мощностей сигнала, измеренных на текущем и предыдущем интервалах времени малой длительности, вычисленную разность мощностей сигнала сравнивают с заданным пороговым значением, при превышении которого вычисляют разность времен между началом текущего интервала времени малой длительности и моментом времени начала излучения тонального зондирующего сигнала, с использованием вычисленной разности времен вычисляют расстояние до дна.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к области гидролокации и направлено на повышение эффективности определения основных параметров обнаруженной цели. Использование совместной обработки принятого эхосигнала по вертикальным и горизонтальным каналам позволит автоматически определять глубину погружения цели по одному циклу излучения прием на фоне поверхностной и донной реверберации и не только по неподвижным объектам.

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Решаемая техническая проблема - увеличение надежности и точности работы доплеровского лага без значительного увеличения цены и габаритов аппаратуры.

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Решаемая техническая проблема - уменьшение погрешности измерения собственной скорости судна и увеличение предельной глубины работы лага без увеличения цены и габаритов аппаратуры.

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Достигаемый технический результат - повышение надежности обнаружения эхосигналов, отраженных от морского дна, при наличии во входном сигнале, кроме эхосигналов, отраженных от дна, также эхосигналов, отраженных от водных звукорассеивающих слоев.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым системам диагностической визуализации. Система формирует отображения спектральной допплерографии потока для анатомических местоположений, выбранных из изображения от цветового картирования потока и содержит зонд с массивом ультразвуковых преобразователей, формирователь лучей, который управляет направлениями, в которых лучи передаются зондом, допплеровский процессор, дисплей, на котором одновременно отображаются изображения цветового допплеровского картирования потока и спектральной допплерографии, пользовательский элемент управления, процессор положения и угла отклонения цветовой рамки, реагирующий на допплеровские сигналы для автоматического изменения положения цветовой рамки в изображении цветового допплеровского картирования потока относительно потока в кровеносном сосуде, когда пользователь манипулирует элементом управления, осуществляя перемещение из одного указанного положения в другое.

Изобретение относится к области морской навигации и судовождения по ведущему кабелю, а также к подводным навигационным системам с гидроакустическими маяками-ответчиками, и может быть использовано для разработки технических средств навигационного обеспечения, связи и управления надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания, преимущественно в арктических и прилегающих к ним акваториях, в частности на Северном морском пути (СМП).

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров положения объекта, обнаруженного на дне с использованием гидролокатора ближнего действия.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения высоты объекта над уровнем дна. Сущность: гидроакустический способ определения пространственных характеристик объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени t, приема эхосигнала tэхо, определяется дистанция D до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука С, после излучения измеряют уровень объемной реверберации U0, определяют порог обнаружения Uпор., измеряют tнач время начала эхосигнала, при котором впервые амплитуда эхосигнала Аоб превысила порог Аоб>Uпор и определяют дистанцию D0=0,5 С tнач, измеряют момент времени последней амплитуды эхосигнала tпос, при котором минимальная амплитуда эхосигнала от объекта Аоб>Uпор, определяют момент времени начала тени tтени, при котором выполняется условие U0≥Атен и tтени>tпос, определяют момент времени окончания тени tкон.т, при котором Uпор>Аоб≥U0, определяют дистанцию до момента окончания тени Dтени=0,5 С tкон.т, определяют глубину от гидролокатора до дна Hдна, а высоту объекта определяют по формуле .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем классификации обнаруженных объектов гидролокатором освещения ближней обстановки.

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной скорости судна и расстояния до дна. Указанный технический результат достигается тем, что сигнал, поступающий с выхода сформированной характеристики направленности приемной гидроакустической антенны, наряду с разбиением на перекрывающиеся интервалы времени длительности ТТС, равной длительности тонального зондирующего сигнала, также разбивается на перекрывающиеся интервалы времени меньшей длительности TKC, рассчитываемой исходя из заданной точности измерения глубины. Обнаружение эхо-сигнала осуществляется одновременно как на каждом интервале длительности ТТС, так и на каждом интервале длительности TKC. При обнаружении ЭС на интервале времени длительности ТТС определяется его частота, с использованием которой вычисляется скорость судна, а при первом обнаружении эхо-сигнала на интервале длительности TKC определяется интервал времени ΔТ между моментом времени этого обнаружения и моментом времени начала излучения тонального зондирующего сигнала. С использованием интервала времени ΔТ вычисляется глубина под килем. 2 ил.

Наверх