Доплеровская локационная система

Полезная модель относится к акустическим системам активной локации, в основе работы которых лежит двойной эффект Доплера, и может быть применена в деле исследования Мировых как водного, так и воздушного океанов: - в гидроакустике - для увеличения точности измерения скорости судна как относительно дна, так и относительно воды по сигналам объемной реверберации от неоднородностей водной среды с помощью многочастотных доплеровских навигационных систем (ДНС), - в метеорологии - для увеличения точности измерения скорости и направления перемещения облаков относительно земли, а также при исследовании пространственно-временных характеристик поля скорости синоптических вихрей в приземном слое атмосферы в условиях сложного рельефа с помощью многочастотных звуколоцирующих систем - содаров.

Применение доплеровской локационной системы позволит увеличить информативность гидроакустического канала за счет совершенствования параметров приемного тракта, в котором производится обработка частотных характеристик эхосигналов для первичных (сигнал накачки f) и вторичных (сигналы высших гармоник 2f, 3f,...... nf) акустических полей.

Полезная модель относится к акустическим системам активной локации, в основе работы которых лежит двойной эффект Доплера, в соответствии с которым происходит смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел. В данных устройствах, осуществив измерение сдвига частоты принятой рассеянной волны по отношению к частоте излученной, косвенным образом определяют как скорость перемещения носителя источника волн относительно рассеивающей поверхности, так и наоборот -скорость перемещения рассеивающей поверхности относительно источника. В предлагаемой доплеровской локационной системе данные измерения предлагается осуществлять на нескольких кратных рабочих частотах, что позволит выбирать необходимую скоростную чувствительность устройства и увеличить точность определения скорости. Область использования -гидроакустика, метеорология, ультразвуковая диагностика.

Известна доплеровская навигационная система для измерения скорости корабля относительно дна или неподвижных объектов в воде (см. К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография. Основы и применения. - пер. с англ., Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. с.357 - 361.), содержащая генератор, соединенный с излучающим преобразователем, приемный преобразователь, соединенный через резонансный усилитель и частотный дискриминатор с блоком вторичной обработки доплеровской информации, причем, второй вход частотного дискриминатора соединен с выходом генератора. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f, поступающий на излучающий преобразователь, формирующий в воде прямо по курсу корабля в сторону дна ультразвуковой пучок под углом _д к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 _0,7. В соответствии с двойным эффектом Доплера дно можно рассматривать сначала как приемник, а затем как переизлучатель волн (см.

Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. Ред. В.И.Тимошенко. -Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.215 - 217). Вследствие движения судна со скоростью частота ультразвуковых колебаний волны, дошедшей до дна, будет равна

За время t прохождения акустическим сигналом со скоростью звука с в среде пути «излучающий преобразователь - дно - приемный преобразователь» корабль переместится на расстояние t и эхосигнал от дна попадет на приемный преобразователь уже под углом _д. Частота колебаний эхосигнала, пришедшего на приемный преобразователь от поверхности дна, будет равна

Приемный преобразователь вырабатывает электрический сигнал с частотой f₂=f+f _D, который через резонансный усилитель поступает на первый вход частотного дискриминатора, на второй вход которого с выхода генератора подается электрический сигнал с частотой f. На выходе частотного дискриминатора вырабатывается напряжение с частотой f_D), подаваемое на вход блока вторичной обработки доплеровской информации

В рассматриваемом случае зависимость доплеровского приращения частоты fi) от скорости движения корабля и имеет вид

откуда видно, что по доплеровскому сдвигу частот f_D можно измерить скорость судна (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62).

Разлагая (3) в степенной ряд и ограничиваясь лишь членами второго порядка малости, а также тем, что для реальных скоростей морских судов можно принять дд, выражение (3) примет вид

Из выражения (4) видно, что зависимость доплеровского приращения частоты от скорости движения судна носит нелинейный характер.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является малая точность косвенного измерения скорости движения судна с помощью данного однолучевого доплеровского лага, что обусловлено большими погрешностями при определении доплеровского сдвига частоты. Перечислим основные причины возникновения погрешности в определении доплеровского сдвига частоты:

1) пренебрежение влиянием на величину доплеровского сдвига частоты со стороны квадратичного члена в выражении (4);

2) использование приближенного равенства _дд;

3) использование в расчетах постоянной скорости звука, хотя в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с;

4) замена телесного угла _0,7, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме акустических сигналов, углом _д наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;

5) изменение величин углов _д, _д при постоянных крене и дифференте судна, а также при его качке;

Для рассматриваемого лага при с=1500 м/с, _д=60°, скорости =20 узлов, диапазоне изменения скорости звука в море 30 м/с, угле дифферента 3° относительные погрешности измерения доплеровского приращения частоты будут составлять в порядке их вышеуказанного перечисления соответственно 0,3%. 1%, 2%, (0,9%+0,3%), 9% (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.80-86). Рассмотрим более подробно причины возникновения погрешностей определения доплеровского сдвига частоты и, соответственно, скорости движения судна, вызываемые причинами, указанными в пункте 4.

Известно, что облучение рассеивающей поверхности коническим пучком звуковых волн приводит к расширению доплеровского спектра

частот, причем, ширина этого спектра приблизительно может быть оценена из соотношения (см. Виницкий А.С.Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М., Сов. Радио, 1961)

Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешности в определении доплеровского сдвига по двум причинам:

1) величина мгновенной частоты доплеровского спектра флюктуирует относительно среднего значения частоты спектра, причем, в данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна (/)_фл доплеровским лагом может быть оценена из соотношения (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.85)

где _д - доплеровская длина волны сигнала; Т - время усреднения результатов N измерений мгновенных значений частоты Гц пришедшего сигнала. Из (6) следует, что для уменьшения флуктуационной погрешности желательно уменьшать ширину основного лепестка _0,7 диаграммы направленности по уровню 0,7 и длину волны доплеровского _д рассеянного сигнала при увеличении времени усреднения Т.

2) максимум энергии доплеровского спектра не соответствует центральной доплеровской частоте и смещен в сторону низких частот, что обусловлено имеющимися различиями как в условиях распространения излученного сигнала в направлениях крайних лучей (ближний и дальний по курсу судна проходят разные по длине трассы), так и в условиях их рассеяния дном, которое имеет угловую зависимость силы донного рассеяния. Относительная погрешность измерения скорости судна за счет деформации огибающей доплеровского спектра эхосигнала, обусловленная параметрами лага (_0,7; д) и параметрами среды распространения ( -коэффициент затухания сигнала лага, - коэффициент обратного донного

рассеяния для выбранного угла наклона акустической оси антенны, Н -глубина под килем судна), может быть оценена из соотношения

Из (7) следует, что для уменьшения погрешности смещения максимума энергии доплеровского спектра следует уменьшать ширину основного лепестка _0,7 диаграммы направленности по уровню 0,7 и не использовать в качестве рабочих акустические сигналы, испытывающие значительное пространственное затухание; знак (-) в правой части выражения (7) означает, что величины измеряемой скорости движения судна будут занижены по сравнению с истинной.

Таким образом, данный однолучевой лаг неудовлетворительно работает при кренах и дифферентах судна, при его вертикальных перемещениях, имеет значительную погрешность при измерении скорости судна, не позволяет определять его поперечный относительно курса снос, отсутствует возможность выбора необходимой для изменяющихся условий лоцирования частоты зондирующего сигнала, и, соответственно, дальности действия устройства.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, излучающий и приемный преобразователи, резонансный усилитель, частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.

Известен доплеровский навигационный лаг, в котором излучение акустических волн производится вдоль диаметральной плоскости судна, в сторону носа и кормы под одним и тем же углом к горизонту _д. (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищевая промышленность, 1980, с.62), содержащий генератор, соединенный с двумя излучающими преобразователями, два приемных преобразователя, соединенных через резонансные усилители с частотным дискриминатором, выход которого соединен с входом блока обработки и индикации. Генератор вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой f,

поступающий на излучающие преобразователи, формирующие в воде в сторону дна два ультразвуковых пучка под углом _д к горизонту и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 2_0.7. Ультразвуковые пучки лежат в плоскости «нос - корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от дна колебания со стороны носа и со стороны кормы поступают на соответствующие приемные преобразователи, вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно

Доплеровский сдвигчастот «нос - корма» в этом случае составит f_D=f _2HOC-f_2корма и выражение для скорости движения судна запишется в виде

Данный двухлучевой доплеровский навигационный лаг обладает преимуществами перед однолучевым, так как из (10) следует линейная зависимость доплеровского частотного сдвига от скорости судна; а погрешности в определении доплеровского частотного сдвига по вышеперечисленным пунктам 1, 2, 5 практически устранены.

Однако часть причин, препятствующих достижению заявляемого технического результата и ограничивающих точность косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного двухлучевого доплеровского лага, осталась. Основные погрешности при определении доплеровского сдвига частоты для двухлучевого лага обусловлены следующими причинами:

1) использование в расчетах постоянной усредненной скорости звука (в морской среде скорость может изменяться в пределах от 1435 до 1540 м/с);

2) замена телесного угла _0,7, соответствующего основному лепестку диаграммы направленности по уровню 0,7 антенн при излучении и приеме акустических сигналов, углом _Д наклона акустической оси излучающей антенны по отношению к горизонтальной плоскости;

Следует отметить, что относительные погрешности измерения скорости судна по этим указанным причинам имеют величины одного порядка, как для однолучевой, так и двухлучевой схем построения доплеровских лагов, причем, разработаны различные методы компенсации изменений скорости звука, что уменьшает влияние погрешности по пункту 1 (см.А.В. Богородский, Г.В. Яковлев и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с.60).

В то же время флуктуационная погрешность и погрешность смещения максимума энергии доплеровского спектра и для двухлучевой схемы построения доплеровского лага приводит к существенной неизменной погрешности измерения скорости судна вследствие расширения доплеровского спектра частот (см.соотношения (6) и (7)); двухлучевая схема построения лага не позволяет определять поперечный относительно курса снос судна.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, два излучающих и два приемных преобразователя, два резонансных усилителя, частотный дискриминатор, блок вторичной обработки доплеровской информации.

Для определения не только продольной, но и поперечной составляющих скорости судна применяют четырехлучевые доплеровские системы. На крупнотоннажных судах устанавливают комбинацию четырехлучевой (ближе к носу) и двухлучевой (на корме в траверзной плоскости) систем для обеспечения, как навигационных целей, так и для определения поперечных скоростей носовой и кормовой оконечностей судна при осуществлении причаливания.

Известна доплеровская навигационная система (ДНС) JN-400, (см. А.Л.Простаков. - Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, с.184 -185), содержащая генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями, четыре приемных преобразователя, соединенных через четыре резонансных усилителя попарно с двумя частотными

дискриминаторами, выходы которых соединены с блоком обработки и индикации. Генератор вырабатывает высокочастотный гармонический сигнал с частотой f₀=1МГц, поступающий на четыре излучающих преобразователя, формирующих в водной среде в сторону дна четыре ультразвуковых пучка с углом наклона 30° к вертикали и с шириной диаграммы направленности по уровню 0,7 около 3°. Отраженные от дна колебания поступают на приемные преобразователи, образующие вместе с излучающими пары - «нос (н)» и «корма (к)» в диаметральной плоскости судна, а также - «лев. борт (л.б.)» и «прав. борт (п.б.)» в его траверзной плоскости, что позволит определить как продольную, так и поперечную составляющие скорости судна относительно дна. Приемные преобразователи вырабатывают электрические сигналы с частотами f _2НОС; f_2корма; f_{2лев.борт} ; f_{2прав.борт} (см. соотношения (8) - (9)) и через резонансные усилители подают их на два входа каждого из двух частотных дискриминаторов, образуя два канала выделения доплеровских частот (см. соотношение (10))-диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»). Выходы дискриминаторов соединены с блоком вторичной обработки доплеровской информации, который выдает информацию о скорости движения и угле сноса судна относительно курса.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор, четыре излучающих и четыре приемных преобразователя, четыре резонансных усилителя, два частотных дискриминатора, блок вторичной обработки доплеровской информации.

Однако ограничения по точности (флуктуационная погрешность (6) и погрешность смещения максимума энергии (7) доплеровского спектра) косвенного измерения скорости движения судна, с помощью данного четырехлучевого доплеровского лага, остались, так как их наличие и отрицательное влияние обусловлены определенной пространственной избирательностью (направленностью) находящихся в среде лоцирования интерференционных излучающих и приемных преобразователей, т.е. их

способностью излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других, причем, во всех рассмотренных выше доплеровских системах среда распространения необходима лишь для переноса энергии продольной ультразвуковой волны «разрежения - сжатия» в прямом и обратном направлениях(см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. - М.:Сов. энциклопедия, с.221 -223,351).

Между тем как водная, так и воздушная среды распространения обладают нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной ультразвуковой волны различных нелинейных эффектов (см. Гидроакустическая энциклопедия. Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438 -441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой f, что приводит к искажению формы волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f,... nf. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи, с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Известны результаты теоретического и экспериментального исследований пространственных характеристик акустических полей сигналов основной частоты f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц, формирующихся в пресной воде при

работе преобразователя поршневого типа диаметром 76мм (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков //Акустика морских осадков/ Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227 - 273). Из множества данных приведенных в данном источнике рассмотрим следующие:- на удалении 102 метра от преобразователя угловое распределение амплитуд звукового давления для этих сигналов, характеризуемое шириной главного максимума излучения по уровню половинной мощности _0,7(nf) и максимальным уровнем бокового поля излучения P _{БП (nf)} имело величины: - для сигнала основной частоты =450 кГц _0,7(f)=4,2⁰ и Р_БП(f)=-12дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±5⁰) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 3,98 раза);- для сигнала второй гармоники 2=900 кГц _0,7(2f)= 2,9⁰ P_БП(f)=-22дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4,5⁰) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 12,9 раза);- для сигнала третьей гармоники 3=1350кГц _0,7(3f)=2,6⁰ и P_БП(3f) экспериментально не зарегистрирован, в то время как расчетное значение РБП _(3f)теор=-32дБ (т.е. уровень излучения в направлении (±4°) от акустической оси для первого бокового лепестка меньше в сравнении с основным в 39,8 раз); на удалении 102 метра от преобразователя на его акустической оси звуковые давления для рассматриваемых сигналов составили соответственно 79320 Па, 14100 Па и 640 Па.

Исследование атмосферы, связанные с определением ее состояния и наблюдения за синоптическими процессами, в частности измерение толщины приземного и пограничного слоев и т.д. посредством акустического зондирования атмосферы производят с помощью систем активной локации -содаров (sodar -sound detecting and ranging), названных так по аналогии с радаром (radar - radio detecting and ranging), использующим принципы радиолокации (см. Яцек Валзевский. 20 лет польского содара. Wiad. Inst. Meteorol. i gosp.wod., 1999, 22, №3, с.5 - 21). Как и в гидролокации, нелинейные эффекты наблюдаются при распространении мощной звуковой

волны в воздушной среде, обладающей нелинейными упругими свойствами. Действительно, как следует из адиабаты для воздуха, равным положительным и отрицательным изменениям давления соответствуют разные изменения объема данной массы воздуха - изменение объема при повышении давления меньше изменения при равном понижении давления, что приводит к образованию ударных волн при распространении в атмосфере интенсивных монохроматических звуковых сигналов. Развитие дистанционных методов зондирования атмосферы обусловило создание мощных излучателей, которые позволяют формировать звуковые волны с интенсивностью, достаточной для возникновения нелинейных эффектов (см. Андрианов В.А., Кальцин В.А. Применение нелинейных эффектов при выборе акустической антенной системы для зондирования атмосферы. Радиотехника и электроника, 1981, 26, №10, с.2209 - 2211). Установлено, что для акустического зондирования пограничного слоя атмосферы оптимальными являются частоты в диапазоне - (1-5) кГц, а при излучении акустической мощности 35 Вт антенной диаметром 3м на частоте 2 кГц в атмосфере распространяется звуковой пучок, формирующие ударные волны на расстоянии ˜ 50 м, т.е. сформированы вторичные акустические сигналы на частотах 2f=4 кГц и 3f=6 кГц, имеющие пространственные характеристики, близкие к описанным выше для водной среды.

Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей доплеровской локационной системы за счет возможности выбора оптимальной скоростной чувствительности и повышения точности определения скорости движения судна.

Технический результат достигается тем, что в известную доплеровскую навигационную систему введены 4(n-1) резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f, 3f,.....nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав.

борт»), причем, входы данных усилителей (н., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f,.....nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно с входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.

Для достижения технического результата в доплеровскую навигационную систему, содержащую генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями (н., к., л.б., п.б.), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), соединенными через четыре резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f с двумя входами двух частотных дискриминаторов таким образом, что образуются два канала выделения доплеровских частот - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»), выходы частотных дискриминаторов соединены с соответствующим входом блока вторичной обработки доплеровской информации, дополнительно введены 4(n-1) резонансных усилителя (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки (2f, 3f,.....nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям (н., к., л.б., п.б.) с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт»), причем, входы данных усилителей (н., к., л.б., п.б.) соединены с четырьмя приемными преобразователями (н., к., л.б., п.б.), а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f,.....nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно со входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами

блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема заявляемого устройства.

Доплеровская локационная система содержит генератор 1, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями 2 («нос»), 3(«корма»), 4(«лев. борт»), 5(«прав. борт»), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями 6 («нос»), 7(«корма»), 8(«лев. борт»),9(«прав. борт»), причем, как излучающие, так и приемные преобразователя расположены попарно (2, 6 - «нос», 3, 7 - «корма», 4, 8 - «лев. борт», 5, 9 - «прав. борт») и установлены таким образом, чтобы осуществлять излучение и прием ультразвуковых колебаний под углом _д к горизонту как вперед, так и назад относительно курса судна в его диаметральной плоскости, а также как влево, так и в вправо относительно курса судна в его траверзной плоскости. Приемные преобразователи 6 («нос»), 7 («корма»), 8 («лев. борт»), 9 («прав. борт») соединены каждый с входами 4n резонансных усилителей 10, 13, 16, 19 и 11, 14, 17, 20 ... и 12, 15, 18, 21, настроенных соответственно на частоты f, 2f, ... nf; причем, выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки f, 2f,...nf и попарно с указанных направлений («нос» и «корма» -10 и 13, 11 и 14, ... 12 и 15; «лев. борт» и «прав. борт» - 16 и19, 17 и 20, ... 18 и 21) соединены со входами 2n частотных дискриминаторов (направление «нос» и «корма» - частотные дискриминаторы 22, 23, ... 24; направление «лев. борт» и «прав. борт» - частотные дискриминаторы 25, 26, ... 27), выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации 28.

Работа доплеровской локационной системы, установленной на движущемся со скоростью и относительно дна, судне происходит следующим образом. Генератор 1 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал конечной амплитуды с частотой f, поступающий на

четыре акустических преобразователя 2 («нос»), 3 («корма»), 4 («лев. борт»), 5 («прав. борт»), излучающих в сторону дна (вперед, назад, влево, вправо относительно направления «нос-корма») акустические пучки с шириной главного максимума по уровню 0,7 _0,7(f) наклоненные на угол _Д относительно горизонта. При распространении в среде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, акустический сигнал конечной амплитуды по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f, 3f, ... nf излученного сигнала с частотой f. Полигармонический локационный сигнал достигает дна по всем четырем направлениям и отражается от него.

Ниже рассмотрим работу только диаметрального канала выделения доплеровских частот, так как функционирование траверзного канала полностью аналогично. Ультразвуковые пучки лежат в плоскости «нос -корма» и сигналы распространяются как по курсу судна, так и в противоположную сторону. Отраженные от дна колебания со стороны носа и со стороны кормы поступают на соответствующие приемные преобразователи 6 («нос»), 7 («корма»), вырабатывающие электрические сигналы с частотами соответственно

которые через соответствующие резонансные усилители 10 и 13, 11 и 14, ... 12 и 15, настроенные на частоты f, 2f, ... nf, поступают указанными парами - [см. соотношения (11), (12), ... (13)] на частотные дискриминаторы 22, 23,

... 24,, где происходит их перемножение, а затем выделение низкочастотных компонент фильтром низкой частоты. Таким образом, частотные дискриминаторы 22, 23, ... 24 вырабатывают n гармонических электрических сигналов с частотами f_D(nf)H-K=f _2нос(nf)-f_{2корма(nf)}, которые пропорциональны составляющей вектора скорости судна в его диаметральной плоскости, где n - число используемых в доплеровской локационной системе акустических сигналов кратных частот. В результате доплеровские сдвиги частот «нос-корма» в диаметральной плоскости судна будут определены на частотах f, 2f, ... nf,что позволит вычислить n значений для составляющей скорости движения судна в этом направлении «нос-корма» (н-к) относительно рассеивающей поверхности дна по формуле

где K_(nf)=4 _(nf)×cos_Д/с - скоростная чувствительность доплеровской локационной системы, характеризующая приращение доплеровской частоты при изменении скорости на один узел. Отметим, что при прочих равных условиях выгоднее иметь большую скоростную чувствительность, так как в этом случае точность измерения скорости (при фиксированной инструментальной погрешности измерения доплеровской частоты) будет выше. Так, например, применение двухлучевого доплеровского лага в сравнении с однолучевым увеличивает скоростную чувствительность в два раза (см. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение,c. 136), в нашем же случае скоростная чувствительность двухлучевой доплеровской системы улучшена в n раз, где n - номер используемой высокочастотной составляющей сигнала накачки основной частоты f.

В блоке вторичной обработки доплеровской информации 28 осуществляются следующие операции: 1) алгебраическое суммирование частот сигналов, принятых по отдельным лучам «нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт» доплеровской локационной системы, для каждой гармонической составляющей в отдельности; 2) измерение значений полученных наборов

доллеровских частот; 3) переход от значений полученных наборов доплеровских частот к значениям скоростей и учет калибровочных значений; 4) ввод поправок в расчетные значения скоростей и усреднение их значений; 5) интегрирование расчетных значений скоростей с целью выработки данных о пройденном судном расстоянии; 6) преобразование полученной информации в код индикаторных элементов и индикация составляющих вектора скорости и пройденного расстояния; 7)сопряжение доплеровской локационной системы с внешними регистрирующими устройствами.

Для выполнения указанных операций по вторичной обработке могут быть использованы известные аналогичные устройства из радиодоплеровских систем (см. Цифровые навигационные устройства. Под ред. В.Б. Смолова. М.: Сов. радио, 1980). Более перспективным направлением выполнения перечисленных задач вторичной обработки доплеровской информации является применение средств вычислительной техники (см. Судовые измерители скорости.(справочник). А.А. Хребтов, В.Н. Кошкарев и др. Л.: Судостроение, 1978).

Оценим изменение величин флуктуационной погрешности (6) и погрешности смещения максимума энергии (7) доплеровского спектра при косвенном измерения скорости движения судна с помощью данного четырехлучевого доплеровского лага, но при условии использования в качестве излучающего преобразователя описанного выше поршневого в режиме излучения сигнала конечной амплитуды (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков //Акустика морских осадков/ Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227 -273), а также еще одного такого же - в качестве приемного преобразователя, имеющего для рассматриваемых акустических сигналов ширину главного максимума характеристики направленности по уровню 0,7 соответственно 4,2°, 2,1° и 1,4°. В данном случае флуктуационная относительная погрешность измерения скорости судна (/)_фл доплеровским лагом при работе на сигнале второй или третьей гармоники может быть уменьшена по

сравнению с применением сигнала основной частоты соответственно в 2,8 и 5,2 раз, а относительная погрешность измерения скорости судна за счет деформации огибающей доплеровского спектра эхосигнала, обусловленная параметрами лага (_0,7; _д) и параметрами среды распространения (, , Н) - при тех же условиях уменьшена соответственно в 3,5 и 6,8 раз. Следует отметить, однако, что частоты сигнала конечной амплитуды f=450 кГц и его высших гармоник 2f=900 кГц, 3f=1350 кГц не являются оптимальными для решения задач расширения эксплуатационных возможностей доплеровской локационной системы.

В доплеровских локационных системах с непрерывным излучением присутствует явление «паразитного» прохождения сигнала из излучающего тракта в приемный как по электрическим цепям, так и по акустическому каналу через воду, что приводит к искажению спектра сигнала и ухудшению точности измерения скорости судна вследствие чего антенные системы доплеровских лагов должны обеспечивать малый уровень боковых лепестков и ореола ДН. В доплеровских лагах в большинстве случаев применяют линейные поршневые антенны, для которых в характеристике направленности уровень первого добавочного максимума составляет ˜13% от уровня главного максимума. В предлагаемом устройстве использование акустических преобразователей в режиме излучения мощного сигнала конечной амплитуды и формирование в среде лоцирования дополнительных акустических сигналов высших гармонических компонент с подавленным боковым излучением (см. Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977. - с.227-273) обеспечит снижение уровня помех по акустическому каналу.

Ограничение в рабочей глубине под килем у судов с доплеровскими локационными системами связано с явлением объемной реверберации ультразвука, так как в приемный тракт устройства, наряду с сигналом, рассеянным от дна (полезный сигнал), поступает рассеянный от

близлежащих слоев воды (объемная реверберационная помеха). Интенсивность полезного сигнала резко убывает с увеличением расстояния между локатором и дном, в то время как интенсивность реверберационной помехи, определяемая рассеянием от близлежащих слоев воды, остается неизменной, причем, начиная с некоторой глубины под килем помеха превысит полезный сигнал, вследствие чего доплеровская локационная система будет измерять не абсолютную скорость судна, а скорость его относительно воды, что при наличии течения приведет к ошибкам. Действительно, уровень объемной реверберационной помехи прямо пропорционален реверберирующему объему V т.е. объему, заполненному рассеивателями, которые находятся в пределах телесного угла, определяемого шириной эквивалентной характеристики направленности приемно-излучающей антенной системы (см. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики/ Пер.с англ.- Л.: Судостроение, 1978. с.253), тогда обужение (обострение) главного максимума результирующей характеристики направленности преобразователя накачки на используемых сигналах основной частоты и его двух гармониках (f=450 кГц _0,7(f)изл=4,2° и _0,7(f)пр4.2°; 2f=900 кГц _{0,7(2f)изл}=2,9° и _0,7(2f)пр=2,1°; 3f=1350 кГц _{0,7(3f)изл}=2,6° и _0,7(3f)пр=1,4°) приведет к снижению уровня маскирующего действия объемной реверберационной помехи на сигналах гармоник.

С учетом вышеперечисленного, можно сделать вывод о том, что дополнительное использование формирующихся в нелинейной среде распространения высших гармонических компонент с частотами 2f, 3f, nf в качестве зондирующих в доплеровской локационной системе может позволить получить новый уточненный объем первичных данных о параметрах движения судна, что расширяет ее эксплуатационные возможности.

Рассмотрим предполагаемые области использования предлагаемой доплеровской локационной системы в навигационных целях:- в глубоком море предлагаемое устройство может быть использовано в режиме работы

по сигналам объемной реверберации (СОР) от горизонтов воды, удаленных от киля судна на 6-15 м (для более высокочастотных составляющих) и на 30-60 м (для более низкочастотных компонент);- в прибрежных районах с глубинами Н200 м доплеровская локационная система гложет работать на сигнале основной частоты и измерять скорость судна относительно дна;

- при плавании крупнотоннажных судов в узкостях предлагаемое устройство может работать как на сигнале основной частоты для измерения абсолютной скорости судна, так и на сигналах высших гармоник в режиме работы по сигналам объемной реверберации (СОР) от различных горизонтов воды для определения направления и скорости течения; - при маневрировании на рейде и в порту предлагаемая доплеровская локационная система может работать с высокой скоростной чувствительностью на сигналах высших гармоник в режиме работы по дну, что обусловлено требованием малости скорости крупнотоннажных судов [не более 0.2 уз (0,1 м/с) - 0,25 уз (0,13 м/с)] при пороге ее измерения 0,01 уз (5 мм/с); - при швартовке судна к стационарному или плавучему причалу предлагаемое устройство на сигналах высших гармоник в режиме работы по дну может обеспечить контролируемый сброс скорости до 0,1 уз (5 см/с) - 0,25 уз (13 см/с).

Полезная модель может быть применена в деле исследования Мировых как водного, так и воздушного океанов: - в гидроакустике - для увеличения точности измерения скорости судна как относительно дна, так и относительно воды по сигналам объемной реверберации от неоднородностей водной среды с помощью многочастотных доплеровских навигационных систем (ДНС), - в метеорологии - для увеличения точности измерения скорости и направления перемещения облаков относительно земли, а также при исследовании пространственно-временных характеристик поля скорости синоптических вихрей в приземном слое атмосферы в условиях сложного рельефа с помощью многочастотных звуколоцирующих систем - содаров.

Доплеровская локационная система, содержащая генератор, соединенный с четырьмя излучающими преобразователями («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), которые через нелинейную среду распространения акустически связаны с четырьмя приемными преобразователями («нос», «корма», «лев. борт», «прав. борт»), соединенными через четыре резонансных усилителя с частотами настройки f с двумя входами двух частотных дискриминаторов таким образом, что образуются два канала выделения доплеровских частот - диаметральный («нос» и «корма») и траверзный («лев. борт» и «прав. борт»), выходы частотных дискриминаторов соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены 4(n-1) резонансных усилителя с частотами настройки (2f, 3f, ... nf), включенных параллельно четырем резонансным усилителям с частотами настройки f, что расширяет частотный диапазон каналов выделения доплеровских частот как диаметрального («нос» и «корма»), так и траверзного («лев. борт» и «прав. борт»), причем входы 4(n-1) усилителей соединены с четырьмя приемными преобразователями, а выходы резонансных усилителей с одинаковыми частотами настройки (2f, 3f, ... nf), образующие пары («нос» и «корма»; «лев. борт» и «прав. борт»), соединены соответственно со входами 2(n-1) частотных дискриминаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вторичной обработки доплеровской информации, где n - число используемых гармоник акустического сигнала конечной амплитуды.