Гидроакустический способ измерения скорости течения

 

Способ определения скорости течения, основанный на использовании эффекта Доплера и измерении скорости движения корабля относительно грунта, состоит в том, что производят временное разделение принимаемых сигналов донной и объемной реверберации с помощью временного стробирования. Затем запоминают средние частоты спектров этих сигналов и находят разность частот. По разности определяют скорость течения. Технический результат - повышение точности измерения скорости течения. 2 ил.

Изобретение относится к области проектирования гидроакустической аппаратуры, использующей эффект Допплера и предназначенной для целей навигации и изучения течений Мирового океана. Знание течений имеет особое значение для повышения точности навигации кораблей и подводных лодок.

Известны несколько способов определения скорости течений, используемых в настоящее время в практике судовождения и океанографических работах [1, 2, 3]. Навигационный метод определения течений [1], сущность которого состоит в сравнении счислимого места с обсервованным, довольно прост, но дает большие погрешности (до 100%), поскольку точность результата зависит от величины ошибок, которые возникают при определении счислимого и обсервованного места.

Инструментальные методы определения течений [1, 2, 3], к которым относятся методы определения течений по привязным поплавкам, с помощью морской вертушки, динамический метод по наблюдениям температуры и солености воды, также неоперативны (время определения до нескольких часов). Кроме того, при этих методах скорость течения определяется только на стопе в надводном положении судна. Ошибка при этих измерениях достигает 50%. В связи с появлением абсолютных гидроакустических лагов появилась возможность измерения скорости течения как разности между скоростями, измеренными абсолютным гидроакустическим лагом и относительным, например, гидродинамическим. В этом случае, если абсолютный гидроакустический лаг измеряет скорость относительно грунта в виде 2-х составляющих, то составляющие течения выражаются как:

где: V_тх - продольная составляющая течения,

V_ту - поперечная составляющая течения,

V_ах - величина продольной составляющей скорости движения судна, определенной гидроакустическим лагом,

V_ау- величина поперечной составляющей скорости движения судна, определенной гидроакустическим лагом,

V_ол - величина скорости, определенная относительным лагом.

Модуль течения:

Направление течения:

Такой способ измерения течений реализован в акустическом лаге. К недостаткам этого метода измерения течений следует отнести следующие:

1) возрастание погрешности на стопе и малом ходу, т.к. велики погрешности относительного лага;

2) относительный лаг имеет сложные калибровочные зависимости, чем затрудняется определение V_тх;

3) при преобразовании информации существующих относительных лагов в информацию, необходимую для работы гидроакустического лага, ошибка достигает 15% при скорости хода 10 узлов;

4) измерение скорости течения может производиться только в навигационном слое.

Целью настоящего изобретения является создание способа измерения скорости течения на ходу корабля, обладающего высокой точностью и позволяющего оперативно определить элементы течения на различных горизонтах.

Поставленная цель достигается чисто гидроакустическими средствами при использовании различия в допплеровском сдвиге частоты сигнала, отраженного от слоев воды и от грунта.

Известно, что гидроакустический сигнал, отраженный от движущегося по отношению к гидролокатору объекта, имеет частоту, отличную от частоты зондирующего сигнала благодаря эффекту Допплера.

Допплеровское смещение частоты пропорционально в первом приближении величине радиальной скорости отражающего объекта и гидролокатора:

где: Δf_д - допплеровское смещение частоты,

f₀ - частота зондирующего сигнала,

- радиальная скорость взаимного перемещения отражателя и гидролокатора,

С - скорость звука в воде.

Соотношение (4) справедливо при

При распространении ультразвуковых колебаний в реальной морской среде происходит рассеяние энергии, связанное с неоднородностью среды, при этом часть энергии возвращается обратно к гидролокатору. Это явление носит название объемной реверберации и наблюдается [5] во всех морях и океанах земного шара. Основной вклад в сигналы объемной реверберации вносят такие неоднородности, как пузырьки газов, планктон, взвешенные минеральные частицы и т.п. Эти включения пассивно дрейфуют с теми слоями воды, в которых они находятся, поэтому скорость их движения равна скорости течения слоя воды. Предлагаемый способ определения скорости морских течений и снятия их вертикальных разрезов базируется на том, что допплеровские смещения частоты для сигналов, отраженных от грунта, и сигналов объемной реверберации будут различными. Схема, поясняющая предлагаемый способ, приведена на фиг.1.

Здесь: 1 - движущийся корабль:

2 - гидроакустический преобразователь, излучающий ультразвуковые колебания;

3 - гидроакустический преобразователь - приемник;

4 - объем воды, формирующий сигнал объемной реверберации;

5 - дно.

Преобразователь 2 излучает в воду узкий пучок колебаний под углом α к горизонту, а приемник 3 принимает сигналы, отраженные дном 5 и объемом 4, в обратном направлении.

Согласно соотношению (4) допплеровский сдвиг частоты для сигналов, отраженных от грунта (сигналы донной реверберации), будет равен

где: V₀ - скорость хода корабля относительно дна.

Для сигнала, рассеянного объемом воды (сигнал объемной реверберации), допплеровское смещение частоты будет другим

где: V_тх - составляющая скорости течения вдоль линии движения корабля.

Определяя разность допплеровских частот Δf₂-Δf₁, можно определить продольную составляющую скорости течения

откуда

Для определения второй составляющей скорости течения, необходимой для определения вектора течения, систему, изображенную на фиг.1, следует расположить и в траверзном направлении по отношению к линии движения корабля. Как видно, скорость хода корабля не влияет на определение вектора скорости течения, поэтому измерения течения можно выполнять на ходу корабля.

Существенным моментом для реализации предложенного способа на практике является разделение (селекция) сигналов донной и объемной реверберации. Для этого предлагается временное разделение сигналов. При этом используется тот факт, что время распространения в среде сигналов объемной реверберации меньше времени распространения сигналов донной реверберации. Таким образом, принятые сигналы будут иметь разное запаздывание по отношению к излученным, что позволит их разделить. Реализация временного разделения сигналов поясняется на фиг.2. Акустический преобразователь 1 излучает в воду импульсный сигнал, поступающий на него из генератора 3 через коммутатор 2. Формирование этого импульсного сигнала осуществляется в модуляторе-синхронизаторе 4. Прием осуществляется на тот же акустический преобразователь 1, соединенный с приемными устройствами 5 и 6, которые управляются через коммутатор 2 с помощью специальных стробов, вырабатываемых в модуляторе-синхронизаторе 4. Временное взаимоположение стробов, поступающих на коммутатор 2 в момент приема, выбирается так, чтобы один канал усиления, например 5, открывался в момент прихода сигнала объемной реверберации с горизонта, где необходимо измерить скорость течения, а другой канал усиления 6 - в момент прихода сигнала донной реверберации. Частоты принятых сигналов объемной и донной реверберации запоминаются, например, с помощью следящих гетеродинов с астатизмом 7 и 8, а затем сравниваются в узле сравнения 9. Полученное значение разностной частоты будет пропорционально одной из составляющих скорости течения. Аналогичным образом вырабатывается и вторая составляющая скорости течения.

Точность метода

Согласно выражению (6) ошибки измерения зависят от точности, с которой известны скорость звука в воде, излучаемая частота, угол наклона акустических лучей к горизонту и от точности измерения разностной частоты сигналов.

Ошибка за счет непостоянства излучаемой частоты и за счет неточности измерения разностной частоты может быть сделана меньше 1%. Относительная ошибка за счет непостоянства скорости звука в воде равна относительной величине изменения скорости звука. Для всей акватории морей и океанов земного шара скорость звука изменяется на ±3%. Локальные изменения скорости звука меньше. При качке корабля угол наклона α изменяется, что дает ошибку, определяемую соотношением

где: Δα - отклонение угла α от расчетной величины.

При скорости течения V _тх=2 узла α=45° и Δα=3° (˜0,05 рад) получим ΔV_т=0,1 узла.

Такая точность уже является вполне удовлетворительной. Как для навигации, так и для океанографических исследований.

Введение коррекции на скорость звука и на текущий угол наклона позволяет существенно повысить точность. Современные измерители скорости звука позволяют определять скорость звука в воде с точностью 0,1%. Коррекция по углу α может быть обеспечена стабилизацией акустических лучей в пространстве с помощью следящего привода.

При точности стабилизации 0,5-1° ошибка в определении скорости течения составит 1-2%.

Положительный эффект

Способ позволяет измерить течение в условиях открытого моря на ходу корабля. Время измерения при этом составляет единицы минут. Имеется возможность снятия разрезов распределения течения по глубине. При использовании предлагаемого способа экспедиционное судно, имеющее скорость хода 15 узлов, может исследовать течение на трассе 200-300 миль в течение одних суток. (При работе с буйковыми станциями для получения данных о течении в одной точке океана требуется несколько суток).

Источники информации

1. Г.Р.Жуковский "Океанография для судоводителей", Водтрансиздат, 1953 г.

2. Н.Н.Зубов, О.И.Мамаев "Динамический метод вычисления морских течений", Гидрометеоиздат, 1956 г.

3. В.А.Снежинский "Практическая океанография", Гидрометеоиздат, 1951 г.

4. А.П.Сташкевич "Акустика моря", Л-д., изд.Судостроение, 1966 г.

Формула изобретения

Способ определения скорости течения, основанный на использовании эффекта Допплера и измерении скорости движения корабля относительно грунта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения скорости течения, производят временное разделение принимаемых сигналов донной и объемной реверберации с помощью временного стробирования, запоминают средние частоты спектров этих сигналов, находят разность частот и по разности определяют скорость течения.

РИСУНКИ