Способ определения распределения скорости звука в жидких средах вниз по глубине

 

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: заключается в дистанционном последовательном измерении доплеровского сдвига, времени его существования и величины транспортного запаздывания эхо-сигналов вертикальных каналов, при котором коэффициенты авто- и взаимной корреляции равны между собой, а затем рассчитывают толщину очередного слоя и глубину его нижней границы. 3 ил.

Известен способ [1] определения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ).

Недостатком его является необходимость перемещения излучающей и приемной антенн по глубине.

Известен способ определения скорости звука в жидких средах (2), заключающийся в том, что в среду излучают звуковые колебания, принимают с помощью не менее чем двух излучающе-приемных антенн, установленных на движущемся объекте, эхосигналы от границы раздела среды, измеряют доплеровский сдвиг частоты эхосигналов, подвергают эхосигналы вертикальных каналов авто- и взаимной корреляционной обработке и рассчитывают скорость звука в слое до границы раздела по формуле C=S·fcosΘ/(Δf·T), где S расстояние между излучающе-приемными антеннами; f частота излучаемых звуковых колебаний; Θ угол между направлением излучения звуковых колебаний и направлением движения объекта при измерении доплеровского сдвига частоты эхосигналов; Т величина транспортного запаздывания, при которой коэффициенты корреляции равны между собой.

Определяет скорость в одном слое.

Цель изобретения расширение области применения за счет дистанционного определения ВРСЗ с движущегося объекта.

Поставленная цель достигается последовательным измерением величины очередного i-го доплеровского сдвига и дополнительного времени его существования, вычислением толщины очередного i-го слоя среды до i-ой границы раздела среды по формуле h_i=t_i·C_i/sinΘ, (1) где Θ угол между направлением излучения звука и плоскостью излучающе-приемных антенн, дополнительным расчетом глубины H_i границы раздела среды по выражению
причем толщина h_i последнего слоя, например у дна, берется в два раза меньше чем рассчитанного по формуле (1). Отличительные признаки и их совокупность позволяют сделать вывод о соответствии критериям "Новизна" и "Существенные отличия". При этом достигнут положительный эффект, решивший проблему дистанционного оперативного определения ВРСЗ с движущегося объекта.

На фиг. 1 изображено устройство определения ВРСЗ с движущегося объекта, где обозначено: 1 и 2 первая и вторая излучающе-приемные антенны; 3 блок определения скорости звука в жидкой среде; 4 блок измерения времени t_i существования очередного данного доплеровского Δf_i сдвига; 5 блок вычисления толщины h_i очередного слоя среды до i-ой границы раздела среды до i-ой границы раздела среды (вычисляемой по формуле (1), если i-я граница раздела среды не дно, и по формуле

если i-я граница раздела среды есть дно); 6 сумматор, определяющий глубину H_i для i-ой границы раздела среды по выражению
7 индикатор ВРСЗ, отображающий изменение скорости звука C_i по глубине Н_к.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ и состоящее из первой 1 и второй 2 излучающе-приемных антенн, установленных на движущемся объекте и соединенных с блоком 3 определения скорости звука в жидких средах, первый выход которого соединен через блок 4 измерения времени t_i существования очередного доплеровского Δf_i сдвига с первым входом блока вычисления толщины h_i очередного слоя до i-ой границы раздела сред, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 3 определения скорости звука в жидких средах, а выход блока 5 вычисления толщины h_i очередного слоя среды до i-ой границы раздела сред соединен через сумматор 6 с первым входом индикатора 7 ВРСЗ, кроме того, второй выход блока 3 дополнительно соединен еще с вторым входом индикатора 7 ВРСЗ.

Работает устройство, реализующее способ, следующим образом.

Блок 3 определения скорости звука в жидких средах излучает сигналы под углом Θ в вертикальной плоскости и по эхосигналу измеряет доплеровский сдвиг Df_i частоты, кроме того, излучают сигналы вертикально вниз и по корреляционному способу определяют T_i задержку, при которой значения авто- и взаимнокорреляционной функции равны, рассчитывают скорость звука по способу /2/
C_i=S·f·cosΘ/(Δf_i·T_i), (4)
где S расстояние между излучающе-приемными антеннами 1 и 2;
f частота излучаемого звука;
Θ угол между направлением излучения звука и плоскостью излучающе-приемных антенн.

Блок 3 выдает C_i через второй выход на второй вход блока 5, кроме того, вычисленное значение Df_i через первый выход поступает в блок 4 измерения t_i времени существования данного значения доплеровского сдвига. Значение t_i передается на первый вход блока 5. Блок 5 вычисления толщины h_i (i 1, 2,k) очередного слоя среды до i-ой границы раздела среды рассчитывает h_i по формуле (1) или (2), если k-я граница раздела дно. Полученное значение h_i поступает в блок 6, где рассчитывается H_i по выражению (3).

Значения H_i с блока 6 поступают на первый вход индикатора 7 ВРСЗ. Кроме того, со второго выхода блока 3 значения поступают на второй вход индикатора 7 ВРСЗ в виде C_i. При следующем цикле измеряется величина очередного i+1-го доплеровского сдвига, t_i+1 время его существования, вычисляется толщина h_i+1 очередного слоя по формуле (1), определяется, что i+1 граница раздела не дно, и все перечисленное выше повторяется, если же i+1-я граница дно, то толщина последнего слоя берется равной половине, и все перечисленное выше повторяется до отображения на индикаторе 7 ВРСЗ. Затем синхронизатор блока 3 обнуляет схемы, подготавливает их к очередному измерению ВРСЗ (при необходимости). Блоки устройства аналогичны блокам прототипа. В роли новых блоков использованы блок 4 (фиг.2), состоящий из регистра 8, первый выход которого соединен с первым входом схемы сравнения 9, выход которой подключен к выходу "Стоп" счетчика 10 t_i, кроме того, второй выход регистра 8 соединен с входом "Пуск" счетчика 10 t_i, входом блока 4 являются вход регистра 8 и второй вход схемы сравнения 9, причем цепь начальной установки счетчика 10 t_i и регистра соединена со схемой сброса блока 3. В роли блока 5 (фиг. 3) предлагается схема, состоящая из первого 11 умножителя, на первый вход которого поступает значение t_i, на второй вход C_i, выход первого 11 умножителя соединен со вторым 12 умножителем, на второй вход которого подано постоянное значение "1/sinΘ", а выход через переключатель 13 "слой дно" в положение "слой" соединен с выходом блока, а в положении "дно" соединен с третьим 14 умножителем, на второй вход которого подано значение "1/2", выход третьего 14 умножителя соединен с выходом блока 5.

Предлагаемый способ обеспечивает оперативное и дистанционное определение ВРСЗ, что давно требовалось для обеспечения оптимального выбора режимов работы гидроакустических средств.

Формула изобретения

Способ определения распределения скорости звука в жидких средах вниз по глубине, заключающийся в том, что в среду излучают звуковые колебания, принимают с помощью не менее чем двух излучающеприемных антенн, установленных на движущемся объекте, эхо-сигналы от границы раздела слоя среды, измеряют доплеровский сдвиг частоты Δf эхо-сигналов, подвергают эхо-сигналы вертикальных каналов авто- и взаимной корреляционной обработке и рассчитывают скорость звука в слое до границы раздела по формуле
C=s·f·cosΘ/(Δf·T),
где S расстояние между излучающе-приемными антеннами;
f частота излучаемых звуковых колебаний;
Θ угол между направлением излучения звуковых колебаний и направлением движения объекта при измерении доплеровского сдвига частоты эхо-сигналов;
T величина транспортного запаздывания, при которой коэффициенты авто- и взаимной корреляции равны между собой,
отличающийся тем, что при определении скорости звука в данном i слое одновременно с измерением доплеровского Df_i сдвига частоты измеряют дополнительно время t_i его существования, рассчитывают толщину h_i данного слоя среды с постоянными доплеровским Δf_i сдвигом частоты и скоростью звука C_i до глубины границы раздела слоев, характеризующихся изменением доплеровского Δf_i+1 сдвига частоты, по формуле
h_i=t_i·C_i/sinΘ, если i + 1 слой не дно;
h_i=t_i·C_i/(2·sinΘ), иначе,
а для определения распределения скорости C_i звука по глубинам H_i-1 ^oC H_i дополнительно рассчитывают глубину нижней границы раздела i слоя по формуле

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3