Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна с использованием доплеровского лага. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости доплеровского лага и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем. Указанный технический результат достигается тем, что в частотной области осуществляется обнаружение эхосигнала, отраженного от дна, и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, определяемой длительностью зондирующего сигнала, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты эхосигнала в полосе частот шириной Δƒ, в которой обнаружен эхосигнал. 3 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 с использованием доплеровского лага (ДЛ) [1-6].

Физическим принципом, заложенным в работу ДЛ, является измерение доплеровского сдвига частоты эхосигнала (ЭС), отраженного от дна, относительно частоты излученного сигнала (фиг. 1). Этот сдвиг частот несет в себе информацию о скорости судна в соответствии с формулой [1]:

где

ƒЗС - частота зондирующего сигнала (ЗС), Гц;

ƒЭС - частота эхосигнала, Гц;

V - скорость судна, м/с;

ψизл - угол между направлением излучения ЗС и направлением вертикально вниз, град;

Czv - скорость звука в воде в месте расположения приемно-излучающей антенны, м/с.

Из формулы (1) скорость судна вычисляется по формуле

Таким образом, для измерения скорости судна необходимо измерить частоту ƒЭС эхосигнала, отраженного от дна.

Известны два способа измерения частоты эхосигнала - в частотной и временной области [1].

Способ измерения частоты эхосигнала в частотной области состоит в вычислении спектра Фурье сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны и обнаружении в нем методом частотного контраста спектрального окна, в котором находится эхосигнал. Средняя частота этого спектрального окна принимается за частоту эхосигнала.

Достоинством этого способа является высокая помехоустойчивость, обеспечиваемая тем, что негативное влияние на обнаружение и измерение частоты эхосигнала в спектре оказывает не вся помеха, поступающая с выхода антенны, а лишь та ее часть, которая попала в спектральное окно, ширина которого Δƒ равна обратной величине длительности ЗС τЗС. Недостатком этого способа является низкая точность измерения скорости судна при малых глубинах под килем, поскольку в этом случае приходится использовать ЗС с малой длительностью, что приводит к большой величине Δƒ.

Способ измерения частоты эхосигнала во временной области, проиллюстрированный на фиг. 2, заключается в прямом измерении средней частоты сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны, например, путем подсчета среднего числа ncp пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени с последующим вычислением обратной величины этого числа .

Достоинством второго способа является высокая точность измерения скорости судна при любых глубинах под килем (поскольку известно, что для измерения частоты тонального сигнала во временной области требуется значительно более короткая реализация сигнала, чем путем вычисления спектра), а недостатком - малая помехоустойчивость (поскольку на результат влияет помеха во всей полосе приема), что негативно сказывается при больших глубинах под килем.

В качестве прототипа выбран описанный в работе [1] способ измерения частоты ЭС во временной области.

Решаемая техническая проблема - повышение эксплуатационных характеристик доплеровского лага.

Технический результат - повышение помехоустойчивости ДЛ и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе объединяются достоинства обоих известных способов измерения частоты ЭС: в частотной области осуществляется обнаружение ЭС и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты ЭС, но уже не во всей полосе приемного тракта, а только в полосе шириной Δƒ.

Блок-схема заявляемого способа приведена на фиг. 3.

На вход блока 1 поступает сигнал с выхода приемной антенны в полосе частот [ƒmin, ƒmax],

где ,

,

Vmin, Vmax - минимальная и максимальная скорости судна соответственно.

В блоке 1 поступивший сигнал на последовательных перекрывающихся более чем на 50% интервалах времени, равных длительности зондирующего сигнала, подвергается спектральному анализу при помощи прямого преобразования Фурье.

В блоке 2 в каждом вычисленном спектре осуществляется обнаружение ЭС от дна методом частотного контраста и определяются границы спектрального окна, содержащего ЭС.

В блоке 3 спектр, в котором обнаружен ЭС, при помощи обратного преобразования Фурье преобразуется во временную область.

В блоке 4 полученный временной процесс подвергается фильтрации полосовым фильтром с границами, равными границам спектрального окна, в котором обнаружен ЭС.

В блоке 5 в профильтрованном процессе вычисляется среднее число пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

В блоке 6 вычисляется частота ЭС как обратная величина среднего числа пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается аналитическими расчетами и 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. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983. 262 с.

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

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

6. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхосигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.

Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге, включающий прием сигнала с выхода гидроакустической антенны доплеровского лага, вычисление среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени и вычисление частоты эхосигнала как обратной величины среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени, отличающийся тем, что перед вычислением среднего числа пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени периодически на последовательных перекрывающихся более чем на 50% интервалах времени, равных длительности зондирующего сигнала, при помощи прямого преобразования Фурье вычисляют спектр сигнала, в каждом вычисленном спектре методом частотного контраста обнаруживают эхосигнал, в случае его обнаружения определяют границы спектрального окна, содержащего эхосигнал, затем спектр, в котором обнаружен эхосигнал, при помощи обратного преобразования Фурье преобразуют во временную область, полученный временной процесс подвергают фильтрации полосовым фильтром с границами, равными границам спектрального окна, в котором обнаружен эхосигнал, после чего профильтрованный процесс подают на вычисление среднего числа пересечений им нулевого уровня в единицу времени.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерным локаторам и может быть использовано в судебной баллистике для определения направления прямого пулевого выстрела. Устройство для определения направления прямого пулевого выстрела состоит из направляющей, снабженной конусной вставкой и выполненной, например, в виде жесткой спицы, на которой закреплена фокусирующая система, соединенная посредством световода с источником лазерного излучения, при этом оптическая ось фокусирующей системы соосна с направляющей.

Группа изобретений относится к способу и системе определения текущего местоположения целевого объекта. В автоматизированном процессе используется система местного позиционирования для получения данных местоположения (т.е.

Изобретение относится к области пассивной оптической локации и может быть использовано для обнаружения оптических импульсных сигналов на фоне мощной фоновой засветки и для определения времени прихода оптического сигнала на фоне помех.

Использование: для дистанционного измерения поля скорости и направления ветра. Сущность изобретения заключается в том, что доплеровский сканирующий лидар бортового базирования содержит: полупроводниковый лазер; делитель; волоконно-оптический усилитель; акустооптический модулятор; многокаскадный волоконно-оптический усилитель; оптический циркулятор; приемо-передающий телескоп; сканирующий узел; волоконно-оптический сумматор; балансный детектор и микропроцессор.

Изобретение относится к области лесопользования, в частности к определению состояния деревьев в лесных массивах. Устройство для выполнения измерений в группе деревьев содержит беспилотное воздушное транспортное средство (236), датчиковую систему (306), связанную с беспилотным воздушным транспортным средством (236), управляющее устройство (310).

Лидарный комплекс содержит лазерный источник зондирования, оптическую систему, направляющую лазерное излучение в инспектируемое пространство, приемный телескоп, спектроанализатор и фотоприемное устройство.

Изобретение относится к области океанографических измерений. Способ дистанционного определения дисперсии уклонов морской поверхности заключается в том, что импульсным лазером вертикально зондируют морскую поверхность, регистрируют отраженные импульсы и по ним рассчитывают дисперсию уклонов морской поверхности.

Многоканальная оптико-локационная система содержит тепловизионный, телевизионный и инфракрасный коротковолновый каналы наблюдения с общим зеркальным телескопом, излучающий и приемный лазерные каналы, широкоспектральный и два узкоспектральных излучателя, приемо-передающий телескоп, спектроделители, а также вычислительно-управляющий блок.

Способ формирования и обработки зондирующего лазерного сигнала основан на генерации неэквидистантных импульсов лазерного излучения, фильтрации принятого сигнала, вычисления взаимной корреляционной функции принятого сигнала и опорного сигнала.

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности маневрирования судов при подходе к причалу и может быть использовано для швартовки судов. Для швартовки судна с помощью лазерной системы (1) лазерные измерители расстояния (2) и (3) до объекта швартовки с устройствами передачи-приема устанавливают на оконечностях судна.

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна с использованием доплеровского лага. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости доплеровского лага и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем. Указанный технический результат достигается тем, что в частотной области осуществляется обнаружение эхосигнала, отраженного от дна, и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, определяемой длительностью зондирующего сигнала, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты эхосигнала в полосе частот шириной Δƒ, в которой обнаружен эхосигнал. 3 ил.

Наверх