Гидроакустическое устройство для определения скорости звука и угла наклона грунта

 

Изобретение относится к акустическим измерениям. Цель изобретения повышение функциональных возможностей Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, расстояние между которыми равно S, блок 9 выделения (измерения) доплеровского сдвига частоты, блок 10 авто взаимокорреляционной обработки, первое 11 и второе 13 множительные устройства, делитель 14, индикатор 15 скорости звука, блок 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 - то же

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК фу юа 1 О .. (505 G.01 С 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4859341/22 (22) 02.08,90 (46) 23,07.92, Бюл,¹27 (71) Дальневосточное высшее инженерное морское училище им. адм, Г.И.Невельского (72) Б.Г,Абрамович (56) Патент ГДР

N 148822, кл. G 01 С 13/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N 1580181, кл, G 01 Н 5/00, 1990, (54) ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА И

УГЛА НАКЛОНА ГРУНТА

5U 1749765 А 1 (57) Изобретение относится к акустическим измерениям, Цель изобретения -- повышение функциональных возможностей. Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, расстояние между которыми равно S, блок 9 выделения (измерения) доплеровского сдвига частоты, блок 10 автовзаимокорреляционной обработки, первое

11 и второе 13 множительные устройства, делитель 14, индикатор 15 скорости звука, блок 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 - то же

1749705 при наклонном излучении. третье i8 и четвертое 20 множительные устройства, сумматор 21, второй делитель 22, индикатор 23 угла наклона грунта. В блоке 9 путем сравнения частот излучаемой f и принимаемой измеряется доплеровский сдвиг частоты 1д.

S блоке 10 измеряются значения коэффициентов автовзаимокорреляции, сравниваются, определяется время, при котором значение коэффициента автокорреляции равно значению коэффициента взаимной . корреляции. В устройстве 11 формируется сигнал 1д t, который поступает в делитель 14.

В другом устройстве 13 формируется сигнал з соз 0, где Π— угол наклона излучаемого сигнала к плоскости антенны, который также поступает в делитель 14. В блоке 14 определяется скорость звука в среде С путем

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано, в частности, для определения скорости звука и угла наклона грунта при исследованиях ,Мирового океана с подвижных и неподвиж- 5 ных объектов.

Известно гидроакустическое устройство, позволяющее получать информацию о наклоне поверхности дна в направлении движения судна. Устройство содержит ан-. 10 тенну, передатчик, приемник и блок обработки информации.

Недостатком этого устройства является узкая область применения, а именно ис- пользование только с подвижного объекта и 15 ограниченные функциональные возможности при применении.

Известно также устройство для определения скорости звука в жидкой среде содер- жащее две излучэюще-принима1ощие 20 антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик, синхронизатор, схему сброса, блоки измерения доплеровского сдвига «астоты, блок автовзаимокорреляционной обработки, два множительных уст- 25 ройства, преобразователь для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала. . делитель, блок индикации скорости звука в жидкой среде и соответствующие связи.

Недостатком этого устройства является также узкая область.его применения, а именно невозможность определения скорости звука с неподвижных объектов и ограниченные функциональные возможности. 35

Цель изобретения — повышение функ циональных воэможностей и расширение реализации в нем отношения sfcos 6/1л t. которая индицируется в блоке 15. Кроме того. в блоке 17 формируется сигнал, пропорциональный времени прохождения до грунта и обратно при наклонном излучении

t< = 2D/C, где 0 — дальность до отражающей поверхности, а в блоке 16 — то же самое при вертикальном излучении t = 2Н/С, где Н— глубина. В блоке 18 формируется сигнал

t>cos О, а в блоке 20 — сигнал t>sin О, На выходе сумматора 21 получается сигнал tt>sin О, В итоге, в блоке 23 определяется угол наклона грунта путем реализации зависимости arctg((t - tocsin 0)/ticos О), которая поступает на его вход с выхода делителя 22 в виде отношения (t - t>sin 6)/t>cos О. Информация об угле наклона грунта индицируется в блоке 23. 2 ил. области применения, повышение точности и безопасности кораблевождения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем первую и вторую излучэюще-приемные антенны, первый и второй приемники, блок задержки, передатчик, синхронизатор, схему сброса, блок измерения доплеровского сдвига частоты. блок автовзаимно корреляционной обработки, первый блок умножения, преобразователь для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр памяти), второй блок умножения, делитель и блок индикации. Выходы блока задержки подключены к входам первой и второй — излучающе- приемных антенн и преобразователя для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала, Входы первого и второго приемников соединены соответственно с выходами первой и второй антенн, а выходы первого и второго приемников подключены соответственно к первым и вторым выводам блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно корреляционной обработки. Выходы синхронизатора соединены с входами передатчика, схемы сброса, с третьими выходами блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно корреляционной обработки и с первым входом блока задержки. Выход передатчика подключен к вторым входам блока задержки и второго блока умножения и к четвертому входу блока измерения доплеровского сдаига частоты, первый и второй входы первого блока умножения соединены соответственно с выходами блока измерения доплеровского сдвига частоты и блока автовзаимно

1749705 корреляционной обработки, второй и третий входы делителя соединены соответственно с выходами схемы сброса и первого блока умножения, а выход делителя соединен с входом блока индикации скорости звука. В устройство дополнительно введены блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом одного из приемников и с выходом синхронизатора, а выход — с первым выходом сумматора, блок измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении, входы которого соединены с выходом передатчика, с выходом того же приемника и с выходом синхронизатора, а вйход — с входом третьего блока умножейия. второй вход которого соединен с вйходом преобразователя для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала, соединенного, в свою очередь. с блоком задержки, и с входом четвертого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом преобразователя для получения синуса угла наклона излучаемого сиг нала (регистр памяти), сумматор, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения. а выход — с входом второго делителя, второй вход которого соединен в свою очередь с рйходом третьего блока умножения, а выход делителя — с входом. блока индикации угла наклона грунта.

Техническое решение позволяет расширить функциональные возможности и область применения, так как измеряет дополнительно к скорости звука угол наклона грунта.

Измерения можно вести как с движущегося, так и с неподвижного объекта. . При движении приемника и излучателя звука относительно отражающей поверхности возникает эффект Доплера, На выходе . приемника наблюдается эхосигнал с частатой, отличающейся от излучаемой частоты f на величину доплеровского сдвига

f„2vfcos О/С . где ч — скорость объекта (судна)

- 0 — угол между направлением излучений звука и плоскостью излучающе-приемных антенн, С вЂ” скорость звука в среде.

Для уменьшения влияния изменения угла 0 обычно используют две излучающе, приемные антенны с базой S.

При ориентации по диаметральной плоскости объекта курсовая скорость определяется по формуле

5 v„= С1д/4fcos 0 (2) В то же время курсовую скорость можно определить и по формуле (3) 10 чк= S/4ã, I где т — время, при котором значение коэффициента автокорреляции равно значению коэффициента взаимной корреляции.

15 Для одного и того же объекта значения

vK. определенные по формуле 2 и 3. равны, следовательно

С1д/4fcos0= S/4 t

После преобразования (4) С = Sfcos 0 /1д r (5) 25 При вертикальном излучении расстояCs ние до грунта равно Н = —. где t — время

2 между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении.

3О При наклонном излучении расстояние

Cti до грунта равно 0 = —, где t> — время

2 между посылкой и приемом сигнала при наклонном излучении.

35 На фиг,1 приведена блок-схема устройства; геометрические соотношения при измерении угла наклона грунта.

Из фиг.2 после геометрических преобразователей можно попучить40

x = Н - Dsin О. у = Dcos О, 1д у = х/у (6) откуда

45 y = arctgt(H - 0sin О /0cos 03 =

= arctg((t - tocsin 0/ttcos 0) (7) Формулы (5) и (6) являются исходной

5О информацией для доказательства достоверности решения задачи по определению скорости звука и угла наклона грунта, причем, как видно из формулы, ограничений на получение информации по скорости движения нет.

Предлагаемое устройство за счет введения в него блока измерения промежутка, времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блока из1749705 мерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при наклонном излу- чении, третьего и четвертого блоков умножения второго регистра памяти, сумматора, второго делителя и блока индикэ- 5 ции позволяет измерять и угол наклона грунта. При этом, функции антенны, передатчика, приемника, синхронизатора, регистра памяти и блока задержки, используемые в известном устройстве сохраняют 10 в предлагаемом устройстве свое назначение и при указанном измерении угла наклона грунта, Таким образом, не ухудшая режима работы известного устройства, повышаются его функциональные возмож- 15 ности, т,е. дополнительно к функции измерения скорости звука определяется угол наклона грунта, причем с подвижного и с неподвижного обьекта, что расширяет область использования устройства. 20

На фиг.2 показана блок-схема устройства.

Устройство содержит излучающе-приемные антенны 1 и 2, представляющие со- бой линейные решетки, состоящие иэ 25 отдельных преобразователей (не показаны), приемники 3 и 4; блок 5 задержки, передатчик 6, синхронизатор 7, схему 8 сброса, блок 9 выделения (измерения) доплеровского сдвига частоты, блок 10 автовэаимно корре- 30 ляционной обработки, первое множительное устройство 11, преобразователь 12 для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала (регистр памяти), второе множительное устройство 13, делитель 14, 35 индйкатор 15 скорости звука в жидкой среде, блок 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении, блок 17 измерения промежутка времени между посылкой и 40 приемом сигнала при наклонном излучении, третье множительное устройство 18. преоб разователь 19 для получения синуса угла наклона излучаемого сигнала (второй регистр памяти), четвертое множительное уст- 45 ройство 20, сумматор 21, второй делитель . 22, индикатор 23 угла наклона грунта, Причем, выходы первой и второй излучающеприемных антенн 1, 2 соединены соответственно с первым 3 и вторым 4 при- 50 емниками, а входы через блок 5 задержки соединены с выходом передатчика 6, с вхо дом блока 5 задержки, с входом схемы 8 сброса, с входом блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты и с входом блока 10 55 . автозаимно корреляционной обработки, вторые и третьи входы которых (блоков 9 и

10) соединены соответственно с выходами приемников 3, 4, а четвертый вход блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты соединен с выходом передатчика 6. Входы

nepsoro множительного устройства 11 соединены с выходом блока 9 измерения доплеровского сдвига частоты и с выходом блока

10 автовзаимно корреляционной обработки сигналов. Вход преобразователя 12 для получения косинуса угла наклона излучаемого сигнала соединен с выходом блока 5 задержки, а выход — с первым входом множительного устройства 13, второй вход которого соединен с выходом передатчика 6. а третий вход предназначен для ввода масштабного коэффициента. Входы делителя 14 соединены с выходом схемы 8 сброса. с выходом первого 11 и второго 13 множительных устройств, а его выход -- c входом блока 15 индикации скорости звука в среде. Входы блока 16 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала при вертикальном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом одного из приемников 3 или 4, с выходом синхронизатора 7, а выход — с первым входом сумматора 21. Входы блока, 17 измерения промежутка времени между посылкой и приемом сиггнала при наклонном излучении соединены с выходом передатчика 6, с выходом того же приемника 3 или соответственно 4 и с выходом синхронизатора 7, а выход — с входом третьего множительного устройства 18, второй вход которого соединен с выходом преобразователя 12 косинуса угла наклона излучаемого сигнала, и с входом четвертого множительного устройства

20, второй вход которого соединен- с выходом преобразователя 19 синуса угла наклона излучаемого сигнала, вход которого. соединен с блоком 5 задержки, Второй вход сумматора 21 соединен с выходом четвертого множительного устройства 20, а выход— с входом второго делителя 22, второй вход которого соединен с выходом третьего множительного устройства 18, э выход — с входом блока 23 индикации угла наклона грунта.

Устройство работает следующим образом.

Техническое решение имеет два самостоятельных канала для выработки одновременно информации о скорости звука в жидкой среде и об угле наклона грунта, который обьединены в работе только общими блоками 1, 2,3,4, 5, 6, 7. 12.

С учетом.этого работа канала выработки информации о скорости звука в жидкой среде происходит следующим образом.

При подаче питания по команде синхронизатора 7 в передатчике 6 формируется излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, при помощи которо о формиру1749705 ется угол между направлением излучения и плоскостью антенн, подается на антенны 1 и 2. Этй антенны представляют собой линейные решетки, состоящие иэ отдельных преобразователей, питание к которым пода- 5 ется от блока 5 с небольшим сдвигом по фазе. Антенны 1 и 2 излучают сигнал в сторону отражающей поверхности. Отраженный от грунта сигнал принимают на антенны

1 и 2, с выходов которых сигнал поступает 10 на входы приемников 3 и 4, где эхо-сигналы приводятся к виду, приемлемому для обработки в блоке 9. В блоке 9 происходит разделение сигналов, усиление, преобразо вание по частоте и т.д. и путем сравнения 15 излучаемой частоты f и прйнимаемой частоты происходит измерение доплеровского сдвйга частоты 1д, значение которого передается в блок 11, Во время этого цикла работы блок 10 отключен.синхронизатором 7, 20

При следующем цикле работы блок 10 отключен синхронизатором 7, При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключаются от обработки эхо-сигналов блоки 9 и 5.. 25

При этом передатчик 6 формирует излучаемый импульс, поступающий на антенны

1 и 2 без сдвига по фпз (за счет предвари- . тельного отключения блока 5 задержки по команде синхронизатора 7). В этом случае 30 угол излучения О= 90О, и эхо-сигнал с выхо,дов антенн 1 и 2 через приемники 3 и 4 поступают на входы блока 10, В блоке 10 . происходит регистрация значений коэффициентов авто- и взаимной корреляции, срав- 35 некие их и определение времени т, при . котором значение коэффициента автокор- реляции равно значению коэффициентов взаимной коррекции. Сигналы с выходов блоков 9 и 10 поступают на первый блок 11 40 умножения, с выхода которого сигнал вида

1д t поступает на делитель 14. Одновременно на делитель 14 поступает сигнал вида

sfcos 0, который формируется на втором блоке 13 умножения, на входы которого в 45 свою очередь подается масштабный коэффициент, пропорциональный базе S, частота излучаемого сигнала f с выхода передатчика 6 и cos 0c выхода регистра 12 памяти, вход которого подключен к выходу 50 блока 5 задержки. С выхода делителя 14 информация о скорости звука в жидкой среде поступает на блок 15 индикации где ее визуально и воспринимают.

При следующем цикле по команде син- 55 хронизатора 7 через схему 8 сбора осуществляется сброс информации на выходе делителя 14, блоке 15 индикации и установки блоков 9 и 10 в исходное состояние для последующих измерений. Затем цикл измерений в соответствии с режимом работы синхронизатора 7 повторяется.

Работа канала выработки информации об угле наклона грунта независимо от имеемой своей скорости происходит следующим образом, При подаче питания по команде синхронизатора 7 в передатчике 6 формируется излучаемый импульс, который через блок 5 задержки, где формируется угол Омежду на-, правлением излучения и плоскостью антенн, подается на антенны 1 и 2. Антенны 1 и 2 под углом Ок плоскости антенн излучают сигнал в сторону. отражающей поверхности.

Одновременно по команде синхронйзатора .

7 отключается блок 16 и подключается блок

17, запуск которого осуществляется передним фронтом импульса передатчика 6. Отраженный от грунта сигнал поступает на антенны 1 и 2, с выходов которых сигнал передается на входы приемных устройств 3 и 4. С выхода одного. иэ приемных устройств, допустим 4, сигнал поступает йа BTOрой вход блока 17, в результате чего на выходе этого блока 17 получают информацию о времени прохождения сигнала до грунта и обратно при наклонном излучении (t> = = 2D/С), которая передается в блоки 18 и 20. Одновременно при наклонном излучении в блоке 19 преобразуется угол наклона д в синус этого угла. Вход этого блока 19 подключен к выходу блока 5 задержки, а выход — к входу четвертого блока 20 умножения.

При следующем цикле измерений по команде синхронизатора 7 отключается блок

5 и передатчик 6 формирует очередной излучаемый импульс, поступающий на антен- ны 1 и 2, но уже без сдвига (за счет предварйтельного отключения блока 5 задержки по команде синхронизатора 7), Одновременно по команде синхронизатора 7 отключается блок 17 и подключается блок

16, на второй вход которого поступает импульс передатчика 6. На третий вход блока

16 с приемника 4 поступает отраженный сигнал, в результате чего на выходе блока 16 получают информацию о времени прохождения сигнала дотрунта и обратно при вертикальном излучениь (t = 2Н/С). которая передается далее на вход сумматора 21. 3атем в третьем блоке 18 умножения, на входы которого ранее поданы с выхода блока 17 сигнал t> и с выхода блока 12 сигнал cos 0, формируется сигнал ticos 0, В четвертом блоке 20 умножения, на выходы которого ранее поданы сигнал t> с выхода блока 17 и сигнал sin Ос выхода блока 19, формируется

1749705

12 вигнал цМп 0. Далее в сумматоре 21. рабо- второго множительного устройства. второй т ю ем в ежиме на вычитание, входы ко- вход которого соединен с выходом передатторого подключены к выходам блоков 16 и чика, а трети вх д р д

20, формируется сигнал t — tocsin 0. Выходы масштабного коэффициента, пропорциоб 18 21 дключены на выходы вто- 5 нального базе — расстоянию между излучаблоков и по кл ч н ми елитель. рого делителя, к

22 оторый на выходе фор- юще-приемными антенна, д хо ом схемы мирует сигнал в виде отнош иде отношения (ti — входыкоторогосоединенысвых д цз1п 0)/t>cos . Этот сигнал в локе

О / О. Э блоке 23(сброса, с входом первого и второго множипреобразуется к виду у = = arctgf(t — тельных устройств, а его выход — с входом с з . / 1 Щ ндицируется как изме- 10 блока индикации скорости звука в среде, повышения его функциональных возможноенный гол наклона грунта в блоке . атем иклы измерений в соответСтвии по ы р р - . стей и расширения области применения, с ежимом работы синхронизатора 7 повтооно дополнительно содержит третье и четря ются.

Формула изобретения в

15 вертов множительные устройства. блок изи оак стическое ст ойство для опля оп- мерения промежутка времени между ско ости зв ка и гла наклона посылкойиприемомсигналапривертикальг нта со щ р у - ний входы которого соединены с г нта со е жащее первую и вторую излу- ном излуче и; чаю -, выходом передатчика, с выходом одного из чаю е-и иемные антенны, выходы которых

- 20 приемников и с вйходом синхронизатора, а соединены с пер пе вым и вто ым приемника- и выхо — с первым: входом сумматора, блок ми а вхо ы че ез блок задержки соединены выход — c n выхо о д,, - измерения промежутка времени между повыхо ом пе едатчика, синхронизатор, высылкой и приемом сигнала при наклонном ходы которого соединены с входом передат- ы е жки, с входом излучении, входы которого соединены с вычика, с входом блока задержки, с входом схемы сброса, с входом лок б, дом блока измерения 25 ходом передатчика, с выходом того же привского с вига частоты.и с входом и входом емника и:с выходом синхронизатора, а в а - - xO — с входом третьего множительного ботки; ор р - т ойства, второй вход которого соединен в аимно ко еляционной обра- выход — вх ботки; вторые и третьи входы которых сое- устро ств, динены с выходами приемников, а с в с выходом преобразователя косинуса угла ения доплеров- 30 наклона излучаемого сигнала и с входом четвертый вход блока измерения доплеровского сдвига частоты. соединен с выходом в ходом четвертого множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом препередатчика, первое множительное устройство, входы которого соединены с Выходом образо . у у об азователя синуса угла наклона б и оплеровского сдвига час-. излучаемого сигнала, сумматор, второй ,блока измер ия д б о а автовзаимно.корре- 35 вход которого соединен.с д рляционной обработки сигйалов, второе того множительного ус ро, д ст ойство, и еобразова- . входом второго делителя, второй вход кото76llb - ого сое ийен C SbIXOQOM Tp8Tb6fO 540 тель косинуса угла наклона излучаемого сиг- рого соединен д р

ro соединен с выходом тельного устройства, а его врход — с входом нала вход когорого соединен блока задержки, а выход — с первым входом 40 блока индикац уг ру

l4N гла наклона г нта.