Эхоледомер

 

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к аппаратуре для дистанционного обнаружения плавучего льда и определения его морфометрических характеристик из-под воды. Предлагаемое устройство технически реализует принципиальную возможность с помощью многолучевого эхолота (МЭЛ) и гидростата измерять в широкой полосе обзора прямоугольные координаты - высоту zi и горизонтальную дальность хi точек нижней поверхности льда в системе прямоугольных координат х, 0, z, связанных с излучающей и приемной акустическими антеннами МЭЛ с последующими вычислениями в этих точках осадки льда d i толщины льда Hi по значениям его осадки с помощью уравнения линейной регрессии вида Hi(см)=adi (см)+b(см), и высоты льда еi; по формуле еi =(Hi-di). Ширина полосы обзора Ln [L(-n] не всторошенного льда, в которой возможно измерение осадки, толщины и высоты льда предлагаемым способом, составляет Ln=L(-n)= (4-5) h0. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить морфометрические характеристики плавучего ледяного покрова (осадку, толщину, высоту, профили нижней и верхней поверхности) не только в широкой полосе обзора над носителем, характеризуемой значением Ln и L(-n), но и по площади поверхности льда при перемещении носителя.

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к аппаратуре для дистанционного обнаружения плавучего льда и определения его морфометрических характеристик из-под воды.

К основным морфометрическим характеристикам плавучих льдов относятся: осадка, толщина и высота льда, а также профиль рельефа нижней и верхней поверхностей ледяного покрова [1].

Известен акусто-гидростатический эхоледомер [2], содержащий гидроакустический эхолот, включающий приемопередающую антенну, характеристика направленности которой ориентирована в сторону поверхности моря, соединенную через коммутатор приема/передачи с импульсным усилителем мощности и устройством синхронизации и устройством предварительной обработки эхосигнала к выходу которого подключено устройство измерения расстояния, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу устройства вычисления осадки льда di второй вход которого соединен с выходом устройства измерения расстояния. В этом эхоледомере значение осадки льда определяется как разность между глубиной погружения hAi некоторой базовой точки объекта, которая измеряется преобразователем гидростатического давления (гидростатом), и расстоянием от этой же точки до нижней поверхности льда rAi, измеряемым обращенным вверх эхолотом.

Эхоледомер [2] позволяет вычислять осадку льда d, в точке, находящейся над его акустической антенной. Полученные этим эхоледомером значения осадки льда часто используются в качестве действительных значений толщины плавучего льда Я,. Однако, практика показывает, что подобное приближение при

оценке толщины льда может вызывать ошибки до 20% и более от значения измеряемой толщины льда. Ошибки при оценке толщины льда возникают вследствие того, что упомянутый эхоледомер не учитывает высоту льда над поверхностью воды, которая зависит от плотности плавучего льда и высоты снежного покрова на нем, имеющих ярко выраженные сезонные изменения.

Известен акусто-гидростатический эхоледомер [3], позволяющий определить морфометрические характеристики льда. Этот эхоледомер содержит эхолот, включающий приемоизлучающую антенну, характеристика направленности (ХН) которой ориентирована в сторону поверхности моря, соединенную через коммутатор приема/передачи с импульсным усилителем мощности, устройством синхронизации и устройством предварительной обработки эхосигнала, к выходу которого подключено устройство измерения расстояния, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу устройства вычисления осадки льда di;, второй вход которого соединен с выходом устройства измерения расстояния. В этом эхоледомере значение осадки льда определяется как разность между глубиной погружения hAi некоторой базовой точки объекта, которая измеряется преобразователем гидростатического давления (гидростатом), и расстоянием от этой же точки до нижней поверхности льда rAi, измеряемым обращенной вверх приемоизлучающей антенной эхолота.

За базовую точку объекта обычно принимается центр активной поверхности приемоизлучающей антенны эхолота. Такой эхоледомер позволяет вычислять осадку льда di, его толщину Hi; и высоту е i, в точке, находящейся над его акустической антенной.

Осадка льда вычисляется в соответствии с выражением di=hAi-rAi где hAi - глубина погружения активной поверхности i-ой акустической антенны эхолота, вычисленная с помощью гидростата; rAi - кратчайшая дистанция между акустической антенной и границей раздела вода/лед в точке зондирования.

Глубина погружения акустических антенн эхоледомера hAi может быть рассчитана по формуле hAi=(p-Patm)k1 k2-zi(xi,yi,z i,,), где p - абсолютное гидростатическое давление, измеряемое датчиком (преобразователем) давления, установленном на объекте; patm ~ атмосферное давление над поверхностью льда в точке нахождения объекта; k1, k2- поправка на среднюю по вертикальному разрезу плотность морской воды и гравитационная поправка соответственно; 2/ -аппликата соответствующей антенны относительно уровня, на котором измеряется гидростатическое давление; i=1, 2, 3. - порядковый номер антенны.

Вычисление rAi осуществляется по формуле

, где - вычисление по результатам измерения эхолотом времени запаздывания ti эхосигнала относительно зондирующего сигнала дистанция до границы раздела вода/лед от i-ой антенны; с - значение средней по трассе распространения скорости звука; , - соответственно значения углов крена и дифферента объекта в момент зондирования; i=1, 2 n - номер антенны.

Полученные таким эхоледомером значения осадки льда используются для вычисления значений толщины плавучего льда Я; и его высоты е; по выражениям Hi (см)=adi;(см)+b(см) и еi=(Hi -di), где а и b - эмпирические коэффициенты регрессии, учитывающие сезонные изменения плотности плавучего льда и высоты снежного покрова на нем, для каждого из трех основных сезонов годового цикла [4].

По количеству общих признаков эхоледомер [3] является наиболее близким аналогом предложенной полезной модели.

Как следует из описания его функционирования, недостатком эхоледомера прототипа является отсутствие в нем устройств и операций, позволяющих за один цикл «излучение - прием» определить осадку, толщину и высоту плавучего льда в полосе обзора (на некоторой площади поверхности льда) над подводным объектом. По результатам одного цикла «излучение - прием» можно получить данные об осадке, толщине и высоте льда только в одной точке его поверхности, находящейся над антенной эхолота.

Задачей полезной модели является повышение производительности эхоледомера при определении морфометрических характеристик плавучего ледяного покрова и расширении его функциональных возможностей

Технический результат заявленного эхоледомера заключается в обеспечении возможности измерения за один цикл «излучение - прием» морфометрических характеристик ледяного покрова в широкой полосе обзора над подводным объектом.

Для обеспечения заявленного технического результата в известный эхоледомер содержащий эхолот, включающий излучающую антенну, характеристика направленности (ХН) которой ориентирована в сторону поверхности моря, соединенную с импульсным усилителем мощности вход которого подсоединен к устройству синхронизации, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу устройства вычисления осадки льда di, также содержащий последовательно соединенные программируемый блок хранения значений коэффициентов регрессии а и b, устройство вычисления толщины льда Hi, по значениям его осадки di ; с помощью уравнения линейной регрессии вида Hi(см)=аd i(см)+b(см), устройство вычисления высоты плавучего льда относительно поверхности воды, как разности ei=(H i-di) для каждых пар значений осадки и толщины льда, полученных в последовательных циклах зондирования, и устройство отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда, при этом выход устройства вычисления осадки льда соединен со вторым входом устройства вычисления толщины льда и вторым входом устройства вычисления высоты плавучего льда, введены новые признаки, а именно:

в качестве эхолота использован многолучевой эхолот (МЭЛ), а также многоканальное усилительное устройство, формирующее многолучевую характеристику направленности, многоканальный АЦП, устройство измерения времени запаздывания ti эхосигнала по лучам и расчета дальностей ri устройство вычисления прямоугольных координат x i,zi, точек нижней поверхности льда, выход которого соединен со вторым входом устройства вычисления осадки льда di и вторым входом устройства вычисления толщины льда Н,., при этом второй вход многоканального АЦП соединен со вторым выходом импульсного усилителя мощности а третий выход импульсного усилителя мощности соединен со вторым входом устройства отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда и профилей границ раздела вода/лед и лед/воздух, а также со вторым входом программируемого блока хранения значений коэффициентов регрессии и b.

Излучающая акустическая антенна многолучевого эхолота (МЭЛ) имеет узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскостях характеристику направленности (ХН), и облучает импульсными зондирующими сигналами узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскости полосу нижней поверхности льда, а многоканальная приемная акустическая антенна, имеющая статический веер из 2i+1 узких парциальных ХН (лучей), акустические оси которых симметрично расположены под углами ,(i=0, 1, 2,n) относительно оси центральной вертикальной парциальной ХН (луч r0, 0=90°), принимает отраженные и рассеянные облученной полосой поверхности льда эхосигналы (см. фиг.1). По измеренным временам запаздывания ti между моментами излучения зондирующего сигнала и приходом рассеянного (отраженного) эхосигнала от облученных точек поверхности по каждому лучу ХН вычисляются дальности r i, до точек пересечения луча с нижней поверхностью льда

Введение новых признаков позволяет технически реализовать принципиальную возможность за один цикл «излучение - прием» измерять морфометрические характеристики ледяного покрова в широкой полосе обзора над подводным объектом.

Сущность полезной модели поясняется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 дана схема, поясняющая принцип работы эхоледомера, где в проекции на вертикальную и горизонтальную плоскости изображены:

A1, A2 - соответственно излучающая и многоканальная приемная акустические антенны МЭЛ;

ХН - характеристика направленности (парциальная);

Д0,7 - ширина парциальной ХН приемной акустической антенны на уровне 0,7 в горизонтальной плоскости;

0 - начало прямоугольной системы координат х, 0, z; связанной с приемной и илучающей антеннами;

r0 , ri, rn - дальности от начала координат (0) до точек (0, М, N) пересечения соответствующих лучей статического веера ХН с нижней поверхностью льда;

r(-i), r(-n) - дальности от начала координат (0) до точек пересечения соответствующих лучей статического веера ХН с нижней поверхностью льда в области отрицательных значений координаты х;

zi - высота точки поверхности льда относительно горизонтальной плоскости, в которой лежат активные поверхности антенн А,А2;

h0 - глубина погружения активных поверхностей акустических антенн МЭЛ относительно поверхности воды;

i - угол скольжения;

Ln,L (-n) - полосы обзора льда, справа и слева от диаметральной плоскости носителя, соответствующие положительному и отрицательному направлениям оси х;

di-осадка льда;

Нi - толщина льда;

е i - высота льда.

На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого эхоледомера. Эхоледомер содержит: излучающую акустическую антенну, A1 расположенную на корпусе подводного объекта. ХН антенны А1 ориентирована вертикально к поверхности моря. Выводы антенны соединены с выходом импульсного усилителя 1 мощности, вход которого подсоединен к устройству 12 синхронизации МЭЛ. Выходы многоканальной приемной акустической антенны А2 соединены со входом многоканального усилительного устройства 2, формирующего многолучевую ХН, выход которого соединен с первым входом многоканального 3 АЦП, второй вход которого соединен со вторым выходом импульсного усилителя 1 мощности, а выход многоканального 3 АЦП, соединен с входом устройства 4 измерения времени запаздывания ti эхосигнала по лучам и расчета дальностей ri. Выход устройства 4 соединен с входом устройства 5 вычисления прямоугольных координат хi zi точек нижней поверхности льда, выход которого соединен со вторым входом устройства 7 вычисления осадки льда di и вторым входом устройства 8 вычисления толщины льда Hi первые входы которых соединены с выходом преобразователя 6 гидростатического давления. Выход устройства 8 подключен к первому входу устройства 9 вычисления высоты еi, плавучего льда, выход которого соединен с входом устройства 11 отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда и профилей границ раздела вода/лед и лед/воздух, третий выход устройства 1 подключен ко второму входу устройства 11 и ко второму входу программируемого блока 10 хранения значений коэффициентов регрессии (а, б), выход которого подключен к третьему входу устройства 8.

Антенны А1 и A2 и а также устройства и блоки 1 - 5 и 12 предложенного эхоледомера технически представляют собой типовые функциональные узлы серийных многолучевых эхолотов с фазированными антенными решетками [2]. Устройство 6, представляют собой электронно-гидравлический прибор, содержащий преобразователь абсолютного гидростатического давления и электронную схему обработки выходных данных преобразователя, конструкция и алгоритм работы которого являются типовыми для серийных акусто-гидростатических эхоледомеров [5]. Устройства 7-11 представляют собой электронные приборы, алгоритмы работы которых реализованы с помощью цифровых программируемых средств. Так, устройство 10 хранит и выдает в устройство 8 в течение текущего сезона годового цикла соответствующие периодам этого цикла (месяцам и числам) запрограммированные в его памяти значения коэффициентов регрессии а и b, и попарно изменяет значения этих коэффициентов регрессии при наступлении момента смены сезона годового цикла на следующий. Устройство 7 запрограммировано на выполнение вычислений осадки льда по формуле di=ho-zi, а устройства 8 и 9 - на выполнение вычислений параметров ледяного покрова по выражениям Hi(см)=adi(см)+b(см) и еi=(H i-di) соответственно.

Определение параметров ледяного покрова с помощью предложенного эхоледомера (фиг.1), осуществляется следующим образом.

В некоторый момент времени устройство 12 синхронизации вырабатывает короткий синхроимпульс, задающий начало цикла «излучение-прием». Под воздействием синхроимпульса импульсный усилитель 1 мощности вырабатывает радиоимпульс заданного вида, длительности и амплитуды, который поступает на вход излучающей акустической антенны А 1 МЭЛ. Излучающая антенна А1 МЭЛ, размещенного на подвижном подводном носителе, излучает в сторону поверхности воды мощный акустический импульсный зондирующий радиосигнал. Поскольку продольная ось симметрии излучающей антенны МЭЛ располагается в плоскости параллельной или совпадающей с диаметральной плоскостью носителя, происходит облучение нижней поверхности льда акустической энергией в направлениях перпендикулярных линии пути носителя. Вследствие узкой в горизонтальной и широкой в вертикальной плоскостях ХН излучающей антенны МЭЛ, на нижней поверхности льда облучается узкая в диаметральной плоскости и широкая в плоскости шпангоута носителя полоса нижней поверхности льда.

После излучения зондирующего радиосигнала МЭЛ переходит в режим приема рассеянных (отраженных) нижней поверхностью ледяного покрова эхосигналов. Прием эхо-сигналов осуществляет многоканальная А 2 приемная акустическая антенна (плоская прямоугольная фазированная антенная решетка), имеющая статический веер из 2i+1 узких парциальных ХН (лучей), акустические оси которых симметрично расположены под углами i(i=0, 1, 2,n) относительно оси центральной вертикальной парциальной ХН(луч r0, 0=90°). Плоскость статического веера ХН находится в плоскости параллельной или совпадающей с плоскостью шпангоута носителя МЭЛ. Первыми к антенне приходят эхосигналы от наиболее близких точек поверхности льда (0,М) затем от все более удаленных точек облученной полосы нижней поверхности льда, и наконец, от точки N.

Многоканальное усилительное 2 устройство формирует 2i+1(i+0, 1, 2,n) приемных пространственных канала, которые принимают и преобразовывают эхосигналы от облученных точек нижней поверхности льда, приходящие по каждому парциальному лучу многолучевой ХН. В многоканальном АЦП - 3 происходит преобразование аналоговых выходных процессов в пространственных каналах МЭЛ в цифровую форму. В устройстве 4 измеряются времена запаздывания ti эхосигналов по отношению к моменту излучения зондирующего радиосигнала и вычисляются дальности ri , до точек пересечения луча с нижней поверхностью льда по формуле ri=(cti)/2 где с- скорость звука в воде.

Далее, с использованием выражений

где i - угол скольжения соответствующего луча относительно горизонтальной плоскости, в устройстве 5 вычисляются прямоугольные координаты - высота z, и горизонтальная дальность х,

соответствующих точек нижней поверхности льда в системе прямоугольных координат х, 0, z, связанных с приемной акустической антенной МЭЛ.

При этом начало координат 0 находится в середине приемной поверхности антенны, ось z перпендикулярна этой поверхности, а ось х лежит в вертикальной плоскости и совпадает с продольной осью симметрии антенны. Затем, используя значения высоты 2, в устройстве 7 вычисляют значения осадки льда di в каждой i-той точке рассеяния (отражения) от нижней поверхности льда, находящейся на соответствующей горизонтальной дальности x i, по формуле di=h0 - z;, где h 0 -глубина активных поверхностей акустических антенн МЭЛ относительно поверхности воды, которую вычисляют по формуле h 0={р- Patm}k1k2, где p - абсолютное гидростатическое давление на глубине погружения активных поверхностей акустических антенн, измеренное гидростатом 6; Patm - атмосферное давление над поверхностью льда в точке нахождения МЭЛ, k 1, поправка на среднюю по вертикальному разрезу плотность морской воды и k2 -гравитационная поправка соответственно. Затем в устройстве 8 вычисляется толщина льда Я; с помощью уравнения линейной регрессии вида Hi(см)=ad, (см)+b (см), где а и b - эмпирические коэффициенты регрессии, запрограммированные в устройстве 10 и учитывающие сезонные изменения плотности плавучего льда и высоты снежного покрова на нем, для каждого из трех основных сезонов годового цикла [4]. В устройстве 9 вычисляют для каждой г-той точки высоту плавучего льда еi относительно поверхности воды, как разность значений его толщины и осадки в точках поверхности по формуле ei=(Hi-d i).

После получения массива данных об осадке, толщине и высоте ледяного покрова по всем 2i+1 пространственным каналам в одном цикле зондирования («излучение - прием») данные регистрируются и в соответствующем виде отображаются на устройстве 11 отображения. По значениям ei+(H i-di), Hi(см)=adi(cv)+b(см) и хi, строятся графические зависимости ei =(x) которые характеризуют профили рельефа верхней и нижней поверхностей ледяного покрова, обследованные в текущем цикле зондирования в полосах обзора Ln и L(-n) , соответствующих положительному и отрицательному направлениям оси х в пределах диапазона углов n охватываемых статическим веером ХН приемной акустической антенны МЭЛ.

Эмпирические коэффициенты регрессии могут быть определены для летнего сезона (16 июня - сентябрь) =0,83, b=39,2, для осеннего сезона (октябрь - ноябрь) =1,084, b=0,6 и зимнего сезона (декабрь - 15 июня) a =1,070,b=4,6, [4].

После приема эхосигнала от наиболее удаленной точки облученной полосы нижней поверхности льда (точки N) режим приема заканчивается и система переходит в режим ожидания появления очередного синхроимпульса, вырабатываемого в устройстве 12.

Для получения профиля ледовой поверхности за пределами угла, охватываемого ХН антенн МЭЛ в горизонтальной плоскости, подводный объект может быть перемещен, после чего МЭЛ излучает в сторону поверхности воды очередной акустический импульсный зондирующий радиосигнал. По мере движения носителя по линии пути облучаются новые, примыкающие друг к другу полосы нижней поверхности льда, эхосигналы от которых принимаются антенной A2 МЭЛ.

В результате с помощью предлагаемого устройства можно определить морфометрические характеристики плавучего ледяного покрова (осадку, толщину, высоту, профили рельефа нижней и верхней поверхности) не только в широкой полосе обзора над носителем, характеризуемой значениями Ln и L(-n) но и по площади поверхности.

Источники информации

1. Бородачев В.Е., Гаврило В.П., Казанский М.М. Словарь морских ледовых терминов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. - 138 с.

2. Богородский А.В., Островский Д.Б. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. С-Пб.: Издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.242 с.

3. Пат. РФ 120766 / Богородский А.В., Лебедев Г.А, Эхоледомер; Опубл. 27.09.2012 г.

4. Миронов Е.У., Сенько Е.П. О взаимосвязи толщины и осадки льда // Труды ААНИИ.-1995. Т.435.- С.47-54

5. Руководство по эксплуатации изделия МГ-518М. УЛИК.365 183. 001 РЭ. Республика Молдова, г.Бэлцъ, АО «НИИ «Риф-Аквааппарат», 2011 г.

Эхоледомер, содержащий эхолот, включающий излучающую антенну, характеристика направленности (ХН) которой ориентирована в сторону поверхности моря, соединенную с импульсным усилителем мощности, вход которого подсоединен к устройству синхронизации, также содержащий преобразователь гидростатического давления, подключенный к первому входу устройства вычисления осадки льда di, также содержащий последовательно соединенные программируемый блок хранения значений коэффициентов регрессии а и b, устройство вычисления толщины льда Hi по значениям его осадки di , с помощью уравнения линейной регрессии вида Hi(см)=ad i(см)+b(см), устройство вычисления высоты плавучего льда относительно поверхности воды, как разности ei=(H i-di) для каждых пар значений осадки и толщины льда, полученных в последовательных циклах зондирования, и устройство отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда, при этом выход устройства вычисления осадки льда соединен со вторым входом устройства вычисления толщины льда и вторым входом устройства вычисления высоты плавучего льда, отличающийся тем, что эхолот выполнен многолучевым, содержащим также последовательно соединенные многоканальную приемную антенну, многоканальное усилительное устройство, формирующее многолучевую ХН, многоканальный АЦП, устройство измерения времени запаздывания t, эхосигнала по лучам и расчета дальностей ri и устройство вычисления прямоугольных координат xi , zi точек нижней поверхности льда, выход которого соединен со вторым входом устройства вычисления осадки льда d i и вторым входом устройства вычисления толщины льда H i, при этом второй вход многоканального АЦП соединен со вторым выходом импульсного усилителя мощности, а третий выход импульсного усилителя мощности соединен со вторым входом устройства отображения и регистрации осадки, толщины, высоты плавучего льда и профилей границ раздела вода/лед и лед/воздух, а также со вторым входом программируемого блока хранения значений коэффициентов регрессии а и b.



 

Похожие патенты:
Наверх