Способ настройки приемных каналов установленного на судне гидроакустического доплеровского лага
Владельцы патента RU 2293360:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" (RU)
Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для настройки в натурных условиях приемных каналов гидроакустического доплеровского лага. Технический результат заключается в возможности разделения во времени отраженных от грунта сигналов одной частоты, принятых по симметричным лучам антенны лага. Для этого на судне с установленным на нем лагом создают дифферент, чтобы возникла разность путей между одним лучом антенны лага и дном и вторым лучом и дном, причем время прохождения звука по этому разностному отрезку было больше длительности излученного импульса. Тогда при этом дифференте регулируют последовательно в каждом из двух приемных каналов сдвиги фаз, добиваясь на их выходе максимального соотношения между уровнями полезного сигнала и помехи от другого канала. 3 ил.
Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для обеспечения возможности настройки в натурных условиях приемных каналов установленного на судне гидроакустического доплеровского лага, имеющего переменно-фазную приемную акустическую антенну.
Известна конструкция доплеровского лага, использующего для приема отраженных ото дна сигналов двухлучевую двухстороннюю [1, стр.29; 2, стр.213-216] переменно-фазную акустическую антенну [1, стр.44)], у которой оси характеристик направленности (ХН) акустических лучей расположены симметрично вертикали, например, в диаметральной плоскости судна, под углом к горизонту.
Применение в лаге переменно-фазной приемной акустической антенны позволяет получить несколько некомпланарных лучей с одной активной поверхности. Такая антенна имеет плоскую форму, позволяющую размещать ее на судне без обтекателя, что является ее большим достоинством, однако ее применение приводит к усложнению приемных трактов, вызванному необходимостью разделения сигналов по каждому из лучей путем введения суммирующих трансформаторов, фазовращателей и т.п. [1, стр.44].
Переменно-фазная двухлучевая приемная акустическая антенна, формирующая два симметричных луча ХН, состоит из двух пространственных решеток. Элементы одной решетки встроены между элементами другой. Каждая решетка содержит две группы элементов. Так, например, антенна лага ЛА-51 [3] содержит в каждой из групп 64 пьезоэлемента. Сигналы от элементов первой и второй решеток (фиг.1) складываются на трансформаторах T1 и Т2 соответственно. Сигналы на выходах трансформаторов сдвинуты между собой на угол вследствие пространственного сдвига решеток. Знак фазового сдвига определяется направлением прихода эхо-сигнала. К выходу трансформатора Т2 подключен фазовращатель 2, изменяющий фазу сигналов от элементов (1-1) одной из решеток на угол 
. Эти сигналы далее алгебраически складываются с сигналами элементов другой решетки. В результате на одном из выходов трансформатора T1 происходит сложение сигналов, принятых по одному лепестку ХН (например, переднему) и подавление сигналов, принятых по другому лепестку ХН, чем достигается разделение сигналов, приходящих по симметричным лучам. На другом выходе трансформатора картина обратная [2, стр.214]. Максимальное разделение сигналов, приходящих по симметрично расположенным лучам ХН, достигается при соблюдении указанных выше значениях сдвигов фаз.
Однако наличие во входной цепи каждого из приемных каналов индуктивности трансформатора (T1, Т2 фиг.1), суммарной емкости антенны и кабеля, соединяющего антенну с аппаратурой лага, приводит к дополнительному сдвигу фазы в этой цепи и к ухудшению условий разделения сигналов. Для компенсации этого дополнительного сдвига фаз, являющейся собственно настройкой приемного канала, введены элементы регулировки фазы 3 (фиг.1). Очевидно, что оптимальную регулировку по разделению сигналов возможно осуществить только после установки лага на судно, когда проложены и подсоединены кабели, соединяющие антенну с аппаратурой лага, и суммарная емкость во входной цепи канала приобрела определенное постоянное значение. Степень влияния помех, возникающих за счет "пролезания" сигнала, принятого по симметричному лучу, на точность измерения скорости лагом можно оценить по формуле [2, стр.193, 206]
где δ - относительная погрешность измерения скорости судна 
;
- отношение дисперсий помехи (n) и сигнала (с).
Так, например, при допустимой относительной погрешности измерения скорости δ=0,003 отношение дисперсий помех и сигнала а2≈0,003, т.е. должно быть достаточно большим.
Однако настройка приемных каналов по реальным отраженным от грунта сигналам для обеспечения максимального отношения основного сигнала к "пролезающей" помехе от сигнала, принятого по симметричному лучу ХН при традиционном положении судна на ровном киле, невозможна, т.к. сигнал и помеха принимаются одновременно и разделить их при наблюдении по экрану осциллографа нельзя.
Авторам не удалось обнаружить в известной им патентной и научно-технической литературе сведений о способах разделения приходящих одновременно импульсных сигналов, имеющих одинаковую частоту (настройка должна выполняться при отсутствии хода судна, когда обеспечиваются минимальные флюктуации отраженных сигналов).
Задачей изобретения является оптимизация процесса настройки лага после установки его на судно, обеспечивающая повышение его точности путем увеличения отношения полезного и мешающего сигналов в приемных каналах лага.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности разделения во времени отраженных от грунта сигналов, принятых по симметричным лучам ХН антенны лага.
Для достижения указанного технического результата предложен способ настройки приемных каналов установленного на судне гидроакустического доплеровского лага, имеющего двухлучевую двухстороннюю переменно-фазную приемную акустическую антенну, у которой оси характеристик направленности акустических лучей расположены симметрично вертикали, например в диаметральной плоскости судна, под углом к горизонту, включающей излучение зондирующих импульсных акустических сигналов в сторону дна, прием импульсных акустических сигналов, отраженных ото дна, заключающийся также в том, что создают неравенство путей, которые проходят эти отраженные ото дна импульсные акустические сигналы, для чего создают дифферент судна на некоторый постоянный угол, при котором время распространения сигнала, принятого по одному из акустических лучей антенны, отличается от времени распространения сигнала, принятого по другому акустическому лучу, не менее чем на длительность зондирующего импульсного акустического сигнала при этом дифференте, регулируют последовательно в каждом из двух приемных каналов сдвиги фаз, добиваясь на их выходе максимального соотношения между уровнями импульсных сигналов, принятых по каждому из акустических лучей, и уровнями мешающих сигналов, принятых по симметричным им лучам.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2. При этом на фиг.1 приведена структурная схема приемных каналов гидроакустического доплеровского лага. На фиг.2 приведены изображения траекторий одной пары акустических лучей при нахождении судна с дифферентом на корму, а также изображения идеализированной формы сигналов на выходах приемных каналов лага при интервале времени Δt между передними фронтами основного сигнала и сигнала помехи.
Способ имеет следующую последовательность операций:
- Устанавливают на судно антенны и аппаратуру лага, приемные каналы которого в общем случае содержат (фиг.1) переменно фазную акустическую антенну - 1, состоящую из пьезоэлементов 1-1, расположенных на расстоянии между соседними элементами, соответствующем пространственному сдвигу фаз принимаемого сигнала; фазовращатель 2 (на ); элементы регулировки 3 фазы сигнала ϕ; элементы регулировки 4 коэффициента передачи канала К; трансформаторы T1 и Т2; приемные усилители 5, 6.
- Создают дифферент судна на угол β (фиг.2) путем перекачки жидкости в балластных цистернах на подводных аппаратах, либо перемещением балласта в трюме или на палубе на надводных судах.
Угол наклона судна β находят по формуле:
где α - угол между вертикалью и осью луча характеристики направленности антенны;
τ - длительность зондирующего импульса;
Н - глубина под килем судна;
с - скорость звука.
Приведенная формула получена из условий (фиг.2) 
где R - наклонное расстояние от судна до отражающей площадки.
- Излучают передающим трактом [1, стр.46, 3, стр.19-25] зондирующие импульсные акустические сигналы в сторону дна.
- Принимают сигналы, отраженные ото дна.
- Наблюдают последовательно на выходах усилителей 5 и 6 (U5, U6) с помощью осциллографа уровни отраженных дном сигналов (U1 и U2) и "пролезающих" сигналов (Uп2 и Uп1) (фиг.2). Пути, проходимые сигналами по носовому и кормовому лучам различны, поэтому на выходах каналов основной (U1) и мешающий (Uп2) сигналы приходят со сдвигом по времени Δt=сτ (где с - скорость звука, а τ - длительность сигнала) и могут наблюдаться раздельно на экране осциллографа, подключаемого на выход канала, что обеспечивает возможность слежения за их соотношением, изменяющимся при регулировке задержки фазы.
- Регулируют при созданном дифференте судна последовательно в каждом из приемных каналов элементами 3 сдвиги фаз, добиваясь максимального отношения между уровнями сигналов U1 и U2, принятых по основному для данного канала лучу и мешающих "пролезающих" сигналов Uп2 и Uп1, принятых по лучу, симметричному основному.
Таким образом, результаты регулировок фаз сигналов наглядно отображаются на экране осциллографа, подключаемого к выходу настраиваемого приемного канала, что позволяет эффективно настраивать приемные каналы лага в натурных условиях.
Достоинством предлагаемого способа является обеспечение возможности точной настройки приемных каналов лага, что приводит к повышению его точности.
Источники информации
1. К.А.Виноградов и др. "Абсолютные и относительные лаги", Справочник, Л., Судостроение, 1990 г., стр.198-203, 209-210.
2. В.И.Бородин и др. "Гидроакустические навигационные средства", Л., Судостроение, 1983 г.
3. ЛА-51, Техническое описание доплеровского лага ЫП1.030.086-01 ТО, утверждено главным инженером НИИ "Риф" 23.06.89 г.
Способ настройки приемных каналов установленного на судне гидроакустического доплеровского лага, имеющего двухлучевую двухстороннюю переменно-фазную приемную акустическую антенну, у которой оси характеристик направленности акустических лучей расположены симметрично вертикали, например в диаметральной плоскости судна, под углом к горизонту, включающий излучение зондирующих импульсных акустических сигналов в сторону дна, прием импульсных акустических сигналов, отраженных ото дна, заключающийся также в том, что создают неравенство путей, которые проходят эти отраженные ото дна импульсные акустические сигналы, для чего создают дифферент судна на некоторый постоянный угол, при котором время распространения сигнала, принятого по одному из акустических лучей антенны, отличается от времени распространения сигнала, принятого по другому акустическому лучу не менее чем на длительность зондирующего импульсного акустического сигнала, и при этом дифференте регулируют сдвиги фаз последовательно в каждом из двух приемных каналов, добиваясь на их выходе максимального соотношения между уровнями импульсных акустических сигналов, принятых по каждому из акустических лучей, и уровнями мешающих сигналов, принятых по симметричным им лучам.
