Корректировка измеренных значений разности фаз в системе со сверхкороткой акустической базой Текст научной статьи по специальности «Физика»

6. Гаврилов А.М. Нелинейная дисперсия трехчастотного волнового пакета в бездисперси-

онной квадратично-нелинейной среде. Теория. Электронный журнал «Техническая акустика», <http://www.ta.org.ru> 2005, 28.

А.А. Борисов, С.А. Борисов

КОРРЕКТИРОВКА ИЗМЕРЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ РАЗНОСТИ ФАЗ В СИСТЕМЕ СО СВЕРХКОРОТКОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ БАЗОЙ

В последнее время при проведении подводных исследований большое распространение получили системы подводной навигации со сверхкороткой (ультракороткой) базовой линией (СКБ-системы). Эти системы состоят из приемной антенны, расположенной на корпусе судна и излучающей антенны, находящейся на подводном аппарате (ПА) или маяке. Судовая антенна состоит из трех элементов, расстояние между которыми лежит в интервале от десяти до нескольких десятков сантиметров [1],[2].

Принцип действия СКБ-систем основан на измерении разности фаз приходящего сигнала между различными элементами судовой антенны, которая вызвана различием времен прохождения сигнала между передающей антенной на ПА или маяке и элементами судовой антенны. При расчетах координат ПА принципиально важно, чтобы измеренная разность фаз соответствовала бы пространственному положению всех элементов судовой антенны в один и тот же фиксированный момент времени. Значения разностей фаз, которые были бы измерены при неподвижной во время приема судовой антенне, назовем «истинными» значениями. Движение судна во время последовательного процесса приема сигнала различными элементами судовой антенны приводит к тому, что измеренная с помощью фазометра разность фаз между элементами может отличаться от «истинной». Это происходит из-за доплеровского сдвига частот.

В данной работе анализируются условия необходимости корректировки разностей фаз, а также даются приближенные расчетные формулы для проведения данной корректировки без проведения дополнительных измерений. Во многих практических случаях это позволяет существенно увеличить точность расчета координат.

Рассмотрим СКБ-систему, состоящую из трех элементов, образующих две взаимно перпендикулярные базы. Данные базы расположены в плоскости, параллельной плоскости палубы. Ось х базы элементов 12 направлена вдоль осевой линии судна, а ось у базы элементов 13 - по траверзу вправо [2]. Начало координат системы, связанной с приемной антенной, находится в месторасположении первого элемента.

Обозначим: Д/12, Л/13 - измеренные значения разностей фаз между элементами; dA/12, dA/13 - их погрешности, связанные с движением судна во время приема; a, b - длины баз 12 и 23 соответственно, а а ив - углы между приходящим сигналом и базами. Назовем первоначальными координаты xo, y0, z0 ПА, которые не откорректированы с учетом крена, дифферента и курса судна.

Тогда, при известной глубине ПА H для относительных погрешностей горизонтальных координат x0, y0 можем записать выражения:

¿Х0 cos2 а ч dA/12 cos2 в dAf12

—;Г = (1+-------5-------+-----------------5---^“5-----Г712, (1)

х0 1 - cos а- cos в Д/12 1 - cos а- cos в Д/12

Раздел III

Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике

Sy0 = (1 + cos2 в ) dAf13 + cos2 а dAf13

y0 1 - cos2 а- cos2 в Л/13 1 - cos2 а- cos2 в Д/13

dДf12 dДf13

Отношения ---------г=- и ---:— могут быть оценены по формуле

(2)

Af12

Afu

dAf12 ^ dAf 13 С_п

Af12 А/1

13

1 -

Спр

(3)

В выражении (3) vr проекция скорости элементов на ось r , которая направлена перпендикулярно волновому фронту (волна считается плоской) в месторасположении приемника по направлению к нему. В данном приближении проекцию скорости всех элементов будем считать одинаковой.

Приняв при оценке относительной погрешности первоначальных горизонтальных координат Vr _5м/с, cosa _ 0,6,cosв_ 0,7, получим следующие значения

8x01 x0 _8у0/y0 _ 0.023.

При увеличении проекций скоростей и значения суммы cos2 a + cos 2 в относительная погрешность горизонтальных координат будет возрастать. С учетом того, что при расчетах не учитывались погрешности измерительных приборов, а также погрешности, получающиеся при корректировке первоначальных координат с учетом курса, крена и дифферента судна, можно прийти к выводу о необходимости корректировки для данных случаев.

Теперь рассмотрим второй тип СКБ-систем, когда известна не глубина ПА, а наклонная дальность d между ним и судном.

В этом случае относительные погрешности первоначальных координат определяются по формулам:

8x0 dAf12 x0

8у0

у0

Af12 dAf 13 Af13

(4)

8z0

z0

dz0 dx0 — •—— • d f +^

dz0 dy0

dx0 df

dy° dAf13

d Af13

x02

-y02

d Af13

(5)

(6)

20 202

Из анализа данных выражений видно, что модуль относительной погрешности первоначальных горизонтальных координат для СКБ-систем второго типа в большинстве случаев существенно меньше, чем для СКБ-систем первого типа. Как следует из приведенных формул, его значение превышает один процент только при значениях уг > 15м / с. При последующей корректировке горизонтальных координат с учетом курса, крена и дифферента судна данное значение может увеличиться примерно в 1,5 раза.

Модуль относительной погрешности первоначальной координаты 20 во многом зависит от отношения Я2 / Н2, где Я - горизонтальное расстояние между ПА и судном. В тех случаях, когда горизонтальное расстояние в несколько раз превышает глубину, данная относительная погрешность может принимать недопустимо большие значения. Например, при значениях х0 = у0 = 800м , 20 = 200м ,

V

r

vr = 5м / с, значение \Sz0l z0 превышает 5% и может увеличиться при последующей корректировке с учетом крена и дифферента судна.

Таким образом, можно прийти к следующему выводу: для СКБ-систем первого типа корректировка измеренных значений разности фаз проводится для уточнения горизонтальных координат ПА, а для систем второго типа - в основном для корректировки глубины. Необходимость корректировки определяется требованиями к точности работы системы подводной навигации при оценке возникающих погрешностей по формулам, приведенным выше.

При сделанных выше предположениях связь между измеренными и «истинными» значениями разностей фаз дается следующими формулами:

A f = Af12_______Af12

‘УНист - v V ,

1 +----r 1 + -r-

Спр - Vr Спр

Af = Afi3 ~ Afi3 (8)

Af 13ист = v ~ v ■ (8)

1 + —^ 1 + ■Vr-

С -v С

пр r пр

Переход от точных формул к приближенным не вносит существенной ошибки, поскольку выполняется условие vr << Спр .

Величина vr может быть оценена с помощью скорости судна, которая направлена вдоль базы 12. При небольших значениях крена и дифферента судна можно использовать формулу

± Спр ■ Af12

vr « ±v—-------->

2n-f 0-a

в которой f 0 - несущая частота сигнала, v - скорость судна. Знак плюс ставится, если сигнал приходит на элемент 1 раньше, чем на элемент 2, знак минус - в противном случае.

Несмотря на то, что приведенные выше формулы корректировки являются приближенными, в большинстве случаев, они позволяют снизить погрешность измерений разностей фаз до допустимого уровня. Точное решение задачи корректировки необходимо в достаточно малом количестве случаев и возможно только при проведении дополнительных измерений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования.- Л.: Судостроение, 1989. -

232с.

2. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А. Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства.- Л.: Судостроение, 1983. - 264с.

И.А. Кириченко, Р.П. Бондаренко

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АУДИОМЕТРИИ С НЕЛИНЕЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

Проблема исследования восприятия речевых сигналов наиболее актуальна в современной аудиологии [1]. Это объясняется прежде всего тем, что все способы диагностики и реабилитации тугоухости направлены в конечном итоге на достижение улучшения разборчивости речи у больных. Назначение приборов для иссле-