Корреляционный лаг Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ЛАГ © Волощенко В.Ю.*, Волощенко А.П.*

Инженерно-технологическая академия Южного федерального университета, г. Таганрог

Устройство позволяет определять глубины акваторий и скорость судна относительно дна при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях за счет соответствующей обработки как амплитудных, так и фазовых характеристик фазосвязанных эхосигна-лов кратных частот. Данные измерения предлагается осуществлять на нескольких фазосвязанных рабочих сигналах кратных частот - высших гармониках 2/ 3/ ..., п/ формирующихся в нелинейной водной среде при распространении мощного зондирующего сигнала с частотой / что позволит, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающей антенной системы, увеличить точность определения как абсолютной скорости судна, так и регистрации глубин водоемов.

Ключевые слова корреляционный лаг, нелинейная акустика.

Корреляционный лаг (рис. 1) содержит носовую и кормовую эхолотные системы судна, движущегося со скоростью и относительно дна, объединяющие как общий излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генератора 1, хронизатора-модулятора 2, усилителя мощности 3, выход которого подключен в обоих эхолотных системах через коммутаторы 4, 5 в режиме «Передача» к носовой (Н) и кормовой (К) приемоизлучающим антеннам 6,7 соответственно, которые размещены в диаметральной плоскости на донной поверхности корпуса судна на расстоянии Ь и ориентированы акустическими осями вертикально вниз к поверхности морского дна, осуществляя ультразвуковые эхоконтакты с разными, но принадлежащими одному маршруту следования, участками донной поверхности, так и два отдельных приемных тракта (нос, Н и корма, К), каждый из которых состоит из п параллельных цепочек из последовательно включенных: 1) Н - полосового фильтра 8 с частотой пропускания / усилителя 14, амплитудного детектора 20; полосового фильтра 9 с частотой пропускания 2/, усилителя 15, амплитудного детектора 21; полосового фильтра 10 с частотой пропускания п/, усилителя 16, амплитудного детектора 22; 2) К - полосового фильтра 11 с частотой пропускания / усилителя 17, амплитудного детектора 23; полосового фильтра 12 с частотой пропускания 2/, усилителя 18, амплитудного детектора 24; ...; полосового фильтра 13 с частотой пропускания п/, усилителя 19, амплитудного детектора 25.

* Доцент кафедры Инженерной графики и компьютерного дизайна, кандидат технических наук, доцент.

* Ассистент кафедры Электрогидроакустической и медицинской техники.

В каждом канале устройства выходы амплитудных детекторов (Н - 20, 21, ...,22 и К - 23, 24, ... 25) соединены через п входовый аналоговый ключ (Н - 26 и К - 27) с входами индикатора (Н - 33 и К - 35) и регистратора (Н - 34 и К - 36) как носовой, так и кормовой эхолотных систем. В корреляционном лаге тракт корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления состоит из последовательно соединенных блока задержки времени 28, перемножающего устройства 29, интегратора 30, измерительного прибора 31 и экстремального регулятора 32.

Оба входа перемножающего устройства 29 соединены с выходами п-входовых аналоговых ключей (Н - 26 и К - 27) обоих эхолотных систем, причем, выход п-входового аналогового ключа (Н - 26) из носовой эхолот-ной системы через блок регулируемой задержки времени 28, дополнительный вход которого через интегратор 29 и экстремальный регулятор 32 соединен с выходом перемножающего устройства 29, который также дополнительно соединен с входом измерительного прибора 31. Функционирование блоков эхолотных систем определяется блоком управления 37, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей (Н - 26 и К - 27), индикаторов (Н - 33 и К - 35), регистраторов (Н - 34 и К - 36) и хронизатора-модулятора 2 [1]. Приемные тракты как носовой, так и кормовой эхолотных систем корреляционного лага включают в себя идентичные каналы обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот / и 2/ [2], содержащие каждый - удвоитель частоты (Н - 39 и К - 40), фазовращатель (Н - 41 и К - 42) и фазовый детектор (Н - 43 и К - 44), выходы каждого из которых соединены с дополнительными входами п-входовых аналоговых ключей (Н - 26 и К - 27), а первый и второй входы фазовых детекторов (Н - 43 и К - 44) соединены с выходами усилителей (Н - 14, 15 и К - 17, 18) из параллельных цепочек (п = 1, / и п = 2, 2/) приемных трактов, причем, на первый вход фазового детектора (Н - 43 и К - 44) поступает электрический сигнал с частотой / через удвоитель частоты (Н - 39 и К - 40), а на второй вход фазового детектора (Н - 43 и К - 44) - электрический сигнал с частотой 2/ через фазовращатель (Н - 41 и К - 42), а также блок формирования управляющих напряжений 38, причем, его вход соединен с дополнительным выходом блока управления 37, а сигнальный выход соединен с управляющими входами фазовращателей (Н - 41 и К - 42) каналов обработки фазовых характеристик эхосигналов кратных частот/и 2/ как носовой (Н), так и кормовой (К) эхолотных систем.

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 2/, 3/, ..., п/ излученного сигнала с частотой / т.е. набора фазосвязанных акустиче-

ских сигналов кратных частот, один из которых может быть использован в качестве опорного при проведений фазовых измерений [3]. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают следующими пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой / происходит в наибольшей степени, в связи с чем угловая ширина основного лепестка характеристики направленности для каждой последующей гармоники меньше, в то время как в направлениях дополнительных максимумов - изменение свойств среды происходит в меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. к снижению уровня бокового поля для каждой последующей гармоники [4].

Ш,

к(2/)

— 39

Рис. 1

Дно водоема в общем случае представляет собой участки как осадков (наносов), так и выходов коренных пород, каждый из которых обладает различной отражательной способностью так по амплитудным, так и фазовым параметрам. Участки дна водоемов содержат различные концентрации органические вещества, разложение которых с образованием газов обусловливает «индивидуальное» распределение пузырьковых областей, накапливающихся внутри данных участков наносов («акустически мягкие»), в отличие от выходов коренных пород («акустически жесткие»), обладающих стабильностью данного параметра. Регистрация акустического сопротивления границы раздела, которое характеризует ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне, может позволить использовать эту величину в качестве классификационного признака для различения участков донной поверхности. Итак, полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами/ 2/ 3/, ..., п/, распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (1СР = рсреср), где рср - плотность среды, сср - скорость звука в ней, достигает границы раздела «вода-дно», а также расположенных как на донной поверхности, так и в дне объектов с акустическим сопротивлением [(2ОБ = робсоб) ^ (%ср), %ОБ1 < 2СР -«акустически мягкая» газонасыщенная полость в отложениях, 2ОБ2 > 2СР -«акустически жесткий» выход плотных коренных пород] и отражается от них. Амплитуды отраженных ультразвуковых волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отражающими) свойствами, которые определяются формой объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами и акустическим сопротивлением. Отраженные спектральные компоненты полигармонического ультразвукового сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики, достигают приемоизлучающих антенн 6 и 7 (нос и корма соответственно) эхолотных систем, преобразуются ими в соответствующие полигармонические электрические сигналы и4н, П4К, которые через коммутаторы 4,5 в режиме «Прием» поступают на объединенные входы полосовых фильтров 8, 9, .,10 (Н) и 11, 12, ..., 13 (К) с частотой пропускания / 2/ 3/, ..., п/соответственно. Данные сигналы несут определенную как амплитудную, так и фазовую информацию о объектах и границах раздела, позволяют судить об их как отражательной способности, так и акустическом сопротивлении в широкой полосе частот (/- п/), а также и о их удалении от приемоизлучающих антенн 6 и 7.

В специфических условиях эксплуатации (маневрирование как на рейде, так и в порту, обеспечение шлюзования и швартовки судна) работоспособность корреляционного лага вследствие применения обработки лишь

амплитудных характеристик эхосигналов кратных частотf 2f ..., nf может быть нарушена за счет того, что на акваториях «рукотворных» водных путей (судоходные каналы внутренней транспортной системы рек, озер, водохранилищ и т.д., искусственные каналы и фарватеры гаваней и т.д.) практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ, в то время как различие акустических сопротивлений донной поверхности с выходами как плотных коренных пород («акустически жесткие»), так и газонасыщенных отложений - наносов («акустически мягкие») сохранено. В данных условиях эксплуатации в устройстве предусмотрена возможность регистрации изменения такого информативного параметра облучаемых участков донной поверхности на трассе движения судна как акустическое сопротивление границы раздела «вода-грунт», характеризующее ее динамическую реакцию на воздействие упругой волны, в результате чего происходят фазовые сдвиги или для звукового давления («акустически мягкая» граница) или для колебательной скорости частиц среды («акустически жесткая» граница) в отраженной волне. Расширение эксплуатационных возможностей корреляционного лага, позволяющего определять глубины акваторий и скорость судна относительно дна при движении на естественных и искусственных транспортных водных путях, где практически отсутствуют неровности рельефа донной поверхности в результате проведения дноуглубительных работ, может быть достигнуто за счет соответствующей обработки фазовых характеристик фазосвязанных эхосигналов кратных частот. Таким образом, по мере движения судна по заданному курсу непрерывно определяются две синхронно меняющиеся функции распределения акустического сопротивления облучаемых участков донной поверхности, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов U10Hf ,2f)(t) = yh фаза (t) и

U10 К (f ,2f ) (t) = y к фаза (t), пропорциональные распределению изменения акустического сопротивления облучаемых участков донной поверхности под носовой и кормовой частями корпуса, причем, эти функции идентичны друг другу, но сдвинуты во времени на величины tT1Zj 2f ) = Lj v(f 2f ), так как зарегистрированы оператором на фазосвязанных сигналах кратных частот f, 2f с помощью носовой и кормовой эхолотными системами лага.

Список литературы:

1. Пат. № 98254 РФ Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг / Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. и др. Опубл. 10.10.2010, Бюл № 28.

2. Волощенко В.Ю. О возможности различения акустического сопротивления границ раздела в водной среде по фазовым признакам эхосигналов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. - 2008. - № 3. - C. 41-45.

3. Волощенко В.Ю. Параметрические локаторы для ближнего подводного эхопоиска [Электронный ресурс]. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH, OmniScriptum & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, 2015. - 137 с. - Режим доступа: https://www.ljubljuknigi.ru/ store/ru/book/isbn/978-3-659-48014-0.

4. Voloshchenko VY. The multifrequency sonar equipment on the self-action nonlinear effect. P. 659-668 // in Ivan A. Parinov et al. (Eds.), Advanced Materials -Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. Springer Proceedings in Physics, V 175, Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer. - 2016. -707 p. ISBN: 978-3-319-26322-9 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http ://www. springer.com/gp/book/9783319263229.

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕАКТОРА ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА КАК ЗАДАЧА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

© Мамченков Н.А.*, Писаренко Е.В.*, Писаренко В.Н.*

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева,

г. Москва

Рассмотрены этапы построения модели каталитического реактора паровой конверсии метанола на промотированном медно-цинковом катализаторе на основе системного анализа и методов кибернетики химико-технологических процессов.

Ключевые слова системный анализ, моделирование, кинетика, паровая конверсия метанола, каталитические процессы.

Проблема моделирования каталитических реакторов является чрезвычайно важной задачей в моделировании каталитических процессов химической технологии, так как позволяет не только прогнозировать и анализировать протекающие в реакторах процессы, но и создавать системы управления ими. В качестве примера моделирования выбран процесс паровой конверсии метанола, поскольку на его основе можно получить не только высокочистый водород, но и использовать метанол в качестве источника водорода на различных видах транспорта и для получения электроэнергии [1].

* Аспирант кафедры Кибернетики химико-технологических процессов.

* Профессор кафедры Кибернетики химико-технологических процессов, доктор технических наук.

" Профессор кафедры Кибернетики химико-технологических процессов, доктор технических наук.