CC BY
129
УДК 534.222.2
В.Ю. Волощенко, Г.В. Куповых
МНОГОЧАСТОТНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ЛАГ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ ПЛАВАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рассмотрена структурная схема и физические принципы функционирования многочастотного корреляционного гидроакустического лага для обеспечения безопасной навигации судов в сложных условиях. Применение данного устройства позволяет увеличить точность как определения абсолютной и относительной скоростей судна, так и регистрации глубин водоемов на трассе следования, что достигается за счет выбора необходимой величины угловой разрешающей способности приемоизлучающей антенны.
Нелинейная акустика; корреляционный гидроакустический лаг.
V.Y. Voloshchenko, G.V. Kupovykh
THE MULTIFREQUENCY CORRELATION LOG FOR VESSEL'S SAFETY
NAVIGATION
The structural scheme of the multifrequency correlation log and its operation for providing of vessel's safety navigation are considered. The multifrequency correlation log's application enables to increase the accuracy its vessel velocity measurement and echo sounding bottom records by means of electroacoustic antenna's angular resolution variation.
Nonlinear acoustics; correlation acoustic log.
Задачи исследования и освоения мелководного Арктического шельфа России могут быть решены при использовании автономных плавательных аппаратов (АПА), подводная навигация которых осложнена целым рядом специфических причин: 1) АПА работают в условиях, где невозможно использование радионавигационных средств и систем спутниковой навигации; 2) погрешность навигационных средств по определению места АПА по каждой из трех осей координат не должна превышать 0,3 м [1]. В данных условиях эксплуатация АПА невозможна без применения устройств, позволяющих косвенным образом определять как абсолютную, так и относительную скорость, например, при использовании корреляционной обработки флуктуирующих при движении судна амплитудных характеристик донных отраженных сигналов, регистрируемых размещенными на нем эхолотами. В настоящее время фирмой Consilium Marine разработано четвертое поколение корреляционных лагов серии SAL (Speed Automatic Log), в которых используются сложные конструкции интерференционных приемоизлучающих антенн, состоящих из нескольких поршневых резонансных электроакустических преобразователей. Например, в лаге Consilium SAL R1a антенный блок TRU R1 выполнен в виде цилиндра диаметром 32 мм, высотой 160 мм и массой 3,7 кг, на нижнем торце которого расположены два пьезоэлемента с резонансными частотами 3,84 МГц и 4,196 МГц, в двухосевом докинговом лаге Consilium SAL T2, а также в комбинированных устройствах «ла г+эхол от» Consilium SAL T1 и Consilium SAL T3, TRU ( 122 , 144
23 ) : -
тов - 5 с резонансной частотой 150 кГц для измерения абсолютной скорости судна в диапазоне регистрируемых глубин (0-250м) (3 - излучают, все пять - принима-
), 2 4
сигналах объемной реверберации при минимальной глубине 3 м под килем [2].
Между тем, водная среда распространения обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении интенсивной ультразвуковой волны различных нелинейных эффектов, заключающихся в генерации в водной среде «новых» сигналов кратных частот. Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой /, что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды при ее распространении к рассеивающей донной поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2/,3/,...и/, где П = 2,3,....-порядковый номер гармоники. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой / 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. Эффективность использования существующих устройств активной локации с «традиционными» моночастотными приемоизлучающими антеннами можно повысить за счет приема и соответствующей обработки сигналов донной и объемной реверберации на кратных частотах - высших гармонических компонентах излученного сигнала основ, -
де (например, с частотами 300 кГц, 450 кГц и т.д.).
Известны результаты экспериментальных исследований пространственных характеристик акустических полей формирующихся сигналов кратных частот -основной частоты - и формирующихся высших гармоник, полученные для штатных режимов работы рыбопоисковой аппаратуры «Сарган» [3]. Конструкция приемоизлучающей интерференционной антенны оказалась настолько удачной и надежной, что в настоящее время с ее использованием фирмой «Симбия» (Россия) и компанией ЖС (Япония) совместно разработаны современные рыбопоисковые эхолоты ЖС V-138/Capгaн и ЖС V-1402/Capгaн [4]. Антенна выполнена многоэлементной из двух наборов поршневых электроакустических преобразователей с резонансными частотами 19,7 и 135 кГц, что для каждой из частот дает возможность изменения ширины основного лепестка характеристики направленности за счет подключения как части (режим «Широкая ДН»), так и всех преобразователей (режим «Узкая ДН»). Итак, антенна «Сарган» в режиме «Широкая ДН» (рис. 1, а) имеет: на частоте / = 135 кГц ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7 в0 7(/) =4,70 и уровень бокового излучения Р/) =(-15,5 дБ); на частоте 2/ = 270 кГц - в0,7(2/) =3,20 и Рш(2/) =(-20 дБ); на частоте 3/ = 405 кГц -в0 7(3/) =2,80 и Рш(3/) =(-50 дБ), а в режиме «Узкая ДН» (рис. 1, б) имеет: на частоте / = 135 кГц - в07(/)=2,10 и Рш(/)=(-9дБ); на частоте 3/ = 270 кГц -в0 7(2/)=1,70 и Рш(2/)=(-16 дБ); на частоте 3/ =405 кГц - в0 7(3/) =1,30 и РШ{3 / )= (-33 дБ).
2 = 4м г = 4м
Рис. 1. Характеристики направленности антенны «Сарган» в режимах: а - «Широкая ДН»; б - «Узкая ДН»
При нормальном падении направленного пучка ультразвуковых волн формировать отраженный сигнал будет донная поверхность площадью , радиус которой
Яэ = Н ■ tg(0п>/2), (1)
где Н — глуби на моря, 0 ]Т — угловой размер отражающей площади дна. В случае акустически ровной поверхности дна формирование отраженного сигнала происходит в пределах площади, ограниченной первой зоной Френеля, радиус которой при нормальном облучении можно рассчитать
я0 =4ХЩ2, (2)
где Л — дайна волны зондирующего ультразвука [5]. Если поверхность дна неров-, -
нала формируется площадкой, имеющей размеры порядка первой зоны Френеля, а рассеянная компонента формируется на неровностях, положение которых не ограничено этой областью. Внесение ясности в размер отражающей площади дна важно как при расчете величины эхосигнала от дна, так и при оценке отражающих свойств дна с помощью приемоизлучающей антенной системы, обладающей различной остротой направленного действия на разных частотах зондирующих акустических сигналов. Как известно [6], угловой размер @]Т отражающей площади дна равен половине угловой ширины индикатрисы рассеяния акустического сигнала дном моря. Это позволяет сделать вывод о том, что при использовании приемоизлучающей антенны, у которой ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности больше половины угловой ширины индикатрисы рассеяния (0О7 > 0п, ),
0,7
лепестка ее характеристики направленности. В свою очередь, применение антенны, у которой ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности меньше половины угловой ширины индикатрисы рассеяния (0 ]Т > д0 7 ), обу-, -
го действия. Таким образом, наличие большого числа неровностей в перемещающейся за счет движения судна донной зоне облучения обусловит то, что квадрат амплитуды эхосигнала будет содержать спектр частот, а огибающая эхосигнала будет флюктуировать хаотическим образом, причем при фиксированных значениях
величин скорости судна, длины волны излучаемого ультразвукового сигнала и глубины моря максимальная частота флуктуаций f з иакс определяется самым
большим расстоянием между неровностями, которое зависит от размеров отражающей площади дна [7]. Так, если ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности приемоизлучающей антенны д0 7 больше углового размера ®]Т отражающей области дна (д0 7 > дгр), то
f_=4usin 0ГР/Я. (3)
Если же характеристика направленности приемно-излучающей антенны уже углового размера отражающей области дна (д0 7 < дп,), то
= sineQJ/Á. (4)
, -
рактеристики направленности и определяется характером рельефа дна, в то время как во втором спектр эхосигнала будет определяться именно шириной основного лепестка характеристики направленности приемоизлучающей антенны, но не будет зависеть от характера рельефа дна [7]. Данный вывод позволяет сделать заключение о том, что наличие многочастотной высоконаправленной приемоизлучающей антенны с регулируемой остротой направленного действия в корреляционном гидроакустическом лаге может позволить получить дополнительный объем уточненной первичной информации как о характеристиках движения судна, .
Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг (рис. 2) функционально объединяет в себе две (нос и корма) эхолотовые системы (излучение, прием, отображение и регистрация информации), дополненные общими трактами: корреляционной обработки информации, измерения скорости судна и управления [8]. Работа многочастотного корреляционного гидроакустического лага происходит следующим образом.
Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает высокочастотный электрический сигнал U1 с частотой f, поступающий на вход хрони-- 2,
блока управления 37, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U2 с гармоническим ВЧ-заполнением. После усилителя мощности 3 радиоимпульс U 3 поступает через коммутаторы 4 и 5 в режиме «Передача» на приемоизлучающие антенны 6 и 7 (нос и корма соответственно), излучающие мощные зондирующие ультразвуковые сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. Носовая 6 и кормовая 7 интерференционные антенны эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса судна на расстоянии L и ориентированы акустическими ( . 2), -ны иметь такую остроту направленного действия, чтобы основные лепестки и, со, .
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 /.
Рис. 2. Структурная схема корреляционного лага
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 , -
следующей 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. Полигармонический зондирующий ,
/ ,2 / ,3 /,.... п/, распространяется в среде лоцирования, имеющей акустическое сопротивление (2СР = р с ), где р - плотность среды, с - скорость звука в
ней, достигает расположенных в среде подвижных (рассеиватели, формирующие сигнал объемной реверберации) и покоящихся (дно) относительно нее объектов с акустическим сопротивлением (2()н = ро6 соб )ф (2СР) и отражается от них. Амплитуды отраженных ультразвуковых волн, несущих информацию об объектах, определяются их рассеивающими (отр^ающими) свойствами, которые определя-
ются формой объектов, ракурсом облучения, волновыми размерами. 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 кор) ,
электрические, причем полигармонические электрические сигналы и4н ,и4к несут определенную амплитудную информацию о границах раздела, позволяют судить об их отражательной способности в широкой полосе частот (/ — и/), а
6 7. ,
движении судна со скоростью V с помощью обоих эхолотных систем на различных спектральных компонентах /,2/,3/,....,и/ отраженного полигармонического сигнала можно зафиксировать с различной разрешающей способностью детали подробных профилей «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся на общем маршруте следования, но в данный момент времени в разных его частях - под носовой (Н) и кормовой (К) частями движущегося судна со.
систем движущегося судна осуществляется соответствующая обработка сигналов и4н ,и4к. В результате этого на выходе приемного тракта носовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 8 (/ ),9 (2/ ),...10 (и/)), усиления (усилители 14, 15, .16), детектирования (детекторы 20, 21,...22) и соответ-
и - 26 -
и5 , -
либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот /, 2/ ,3/ ...., и/ от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под носовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электриче-
и5 -
входы индикатора 33 и регистратора 34, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37. Аналогично, на выходе приемного тракта кормовой эхолотной системы после фильтрации (полосовые фильтры 11 (/), 12 (2/),...13 (и/)), усиления (усилители 17, 18, .19), детектирования (детекторы 23, 24,. ..25) и соответствующего переключения и - входового аналогового ключа 27 выделяет-
и5 ,
какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот /, 2/ ,3/ .., и/ от облучаемой поверхности морского дна, находящейся под кормовой частью корпуса судна. Видеоимпульсный электрический сигнал и5К подается в тракт отображения и регистрации информации - на входы индикатора 35 и регистратора 36, запускаемые подачей синхроимпульса с выхода блока управления 37.
На характер записи рельефа морского дна эхолотной системой влияет как ширина основного лепестка характеристики направленности, так и уровень бокового излучения интерференционных антенн, в частности, в нашем случае - результирующая острота направленного действия в0 7(и/) приемоизлучающей антенны, где и = 1,2,3,....., и, в результате чего изображение рельефа дна на эхограмме
в основном соответствует действительному рельефу, однако неровности дна (впа-
дины и возвышенности) получаются сглаженными. При прохождении носа судна
( . 2) -
,
/ ,2 / ,3 /,____п/, на которых антенна 6 в режиме излучения имеет разную остроту
направленного действия б^/>зл > б^/>зл >......> в^/)ш,3 Нелинейный
). , 6 в режиме приема более высокочастотной компоненты также возрастает: в0,7(/)пр = 2 • в0,7(/>р = .... = п • вол(/упр (линейный режим). Таким образом,
формирование результирующей характеристики направленности приемоизлучаю-щей антенны 6 для каждой спектральной компоненты имеет свои особенности,
обусловленные перемножением ее характеристик направленности по давлению в : , -
ние основного лeпecткa, причем ^/)рез > в{)Л(2/)рез >......> в0,7(п/)ре,. Как
. 2,
различных по площади участков поверхности впадины, в результате чего возвращаются к антенне 6 неодновременно, что приводит к удлинению эхосигналов, а также регистрации на эхограмме первыми отраженных сигналов, пришедших от ближайших к приемнику точек поверхности впадины. Таким образом, изображение рельефа впадины на эхограмме представляет собой геометрическое место точек на горизонтальной проекции облученной площади углубления морского дна, находящихся на кратчайшем расстоянии от приемной антенны при различных положениях носа судна относительно впадины [9]. Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования судна обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов, вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины и неровности на полученной эхо-грамме изображаются сглаженными. В том случае, если измерение глубин производится на акваториях с большими уклонами дна, индикатор и регистратор эхолота будут фиксировать глубины меньше фактической, так как их срабатывание обусловлено приходом первого эхосигнала, соответствующего кратчайшему расстоянию между антенной и дном, что обусловливает наличие в практике измерений соответствующих поправок. В частности, если а - угол наклона дна больше, чем
ширина основного лепестка характеристики направленности в0 7 по уровню 0,7,
то первым к антенне придет эхосигнал, распространяющийся по направлению, перпендикулярному к наклонному участку дна, и поправка на уклон дна определится по формуле [10]
Ша=Н• |со8[(в07/2) -а]/со8(в07) -1}, (5)
причем в данном направлении участок наклонного дна может «акустически освещать» и дополнительный лепесток характеристики направленности, что говорит об актуальности снижения уровня бокового излучения приемоизлучающих интерференционных антенн эхолотов. Из соотношения (5) видно, что увеличение остроты направленного действия приемоизлучающей интерференционной антенны эхолота (т.е. уменьшение в0 7 ) приводит к уменьшению АНа. При прохождении
судном акваторий с сильно расчлененным дном погрешность измерения глубины будет зависеть также и от профиля дна: при движении судна «акустически освещается» полоса донной поверхности шириной 2 • Н • tgв0 7 , в пределах которой
регистрируются ближайшие площадки дна, что маскирует имеющиеся в непосредственной близости неровности, в связи с чем увеличение остроты направленного действия приемоизлучающей антенны приведет к более точному отображению
сложного профиля дна на регистраторе.
, -
ределяются две медленно меняющиеся функции распределения глубин водоема, . . -трических сигналов и5 к (/)(*) и и 5 н (и/)(*), пропорциональные распределению глубин акватории под носовой и кормовой частями корпуса. Эти функции идентичны друг другу и могут быть зарегистрированы оператором на любой из рабочих частот /,2/,3/,.....,и/ в зависимости от конкретных условий навигации, но сдвинуты во времени на величины тч 12(н/) = и/) (рис. 3).
Рис. 3. Зависимости электрических сигналов и5к (п/)(*) (корма) и и5н(/)(*) (нос), пропорциональных распределению глубин акватории
Для определения величин промежутков времени Т
Т\2(и/ ) * 2(и/ )
деоимпульсные электрические сигналы
и 5,, И и 5
, -
-
/ , 2 / , 3 / .. , и/ ,
29, -
28. 30 , -
циональный коэффициенту г12(т)(и/) взаимной корреляции сигналов и 5 к ^ )
и и5н(и/)(*), поступает на экстремальный регулятор 32 и на измерительный
31. 32
блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку Т = Тг 12(/),
31 , . . -
симум коэффициента г12(тт 12)(„/) корреляции. По величине введенной задержки
определяется скорость судна, измеренная на нескольких частотах / ,2 /,.... п/
и
( и/ )
(ТГ 12(и/)) '
(6)
Для многочастотного корреляционного гидроакустического лага имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости
и/), определяемой соотношением (6), за счет регулировки величины важного параметра (А/в0 7 ) - ширины пика взаимокорреляционной функции, что может
быть необходимо при маневрировании судна с малыми скоростями движения V в узкостях, на акватории гавани и т.д. Следует отметить, что использование обратимой интерференционной антенны РПА «Сарган» в качестве приемоизлучающей антенны многочастотного корреляционного гидроакустического лага может обеспечить снижение относительной флуктуационной погрешности измерения путевой
скорости V (методическая погрешность устройства, обусловленная вероятност-
), -
ношением
3(ифл /и) = К„ ■ (А/в0,7) • ЦЩТЦг) • (1/Ь), (7)
где коэффициент кп = (0,3 - 0,4) определяется рассеивающими свойствами морского дна, Ь — продольный разнос (база) приемных антенн, Т — время осреднения данных [7]. Из (7) следует, что относительная флуктуационная погрешность измерения путевой скорости и определяется техническими параметрами системы
и в наибольшей степени зависит от значений измеряемой скорости, длины волны , -
,
разнос антенн и время усреднения, повышать рабочую частоту и расширять характеристику направленности (дая интерференционных поршневых антенн при неизменной апертуре при повышении рабочей частоты острота направленного действия повышается, т.е. ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики
). (7), -
ровки величины параметра (А(п/^в0 7(п/)рез) - ширины пика взаимокорреляционной функции для соответствующей спектральной компоненты полигармонического сигнала (при использовании более высокочастотного сигнала числитель А(/)
уменьшается быстрее, чем знаменатель в0 7(п/)рез, что вызывает уменьшение самого отношения), где А(/)- длина волны используемого ультразвукового сигнала (изменяется в п раз), в0 7(п/) - ширина результирующей характеристики
направленности приемоизлучающей антенны (излучение - «нелинейный» режим, прием - «линейный» режим). Выше описан режим работы корреляционного измерителя абсолютной путевой скорости судна, т.е. относительно дна моря, причем, на больших глубинах устройство может работать в относительном режиме, носителем информации в котором является объемная реверберация.
Как следует из представленного выше, наличие остронаправленных приемо-излучающих антенн с регулируемой остротой направленного действия в эхолот-ных системах многочастотного корреляционного гидроакустического лага может позволить получить дополнительный объем уточненной первичной информации как о характеристиках движения судна-носителя, так и о регистрируемых глубинах водоемов по пути следования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богорадский В.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. - J1.: Гидрометеоиздат, 1984. - 263 с.
2. http://www.simbia.ru/ru/page.php?eq= sonars&id= spsrg
3. Волощенко В.Ю. Вопросы исследования акустических сигналов высших гармоник для модернизации рыбопоисковой аппаратуры (часть1) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ес-теств. науки. - 2007. - № 2. - С. 38-42.
4. http://www.simbia.ru/ru/page.php?eq=sounders&id=v138
5. Акустика океана / Под ред. Л.М. Бреховских. - М.: Наука, 1974. - 694 с.
6. . .
дном океана // Труды Акустического института АН СССР. - 1970. - Вып. X111. - С. 53-59.
7. . ., . . . - .: -ность, 1980. - 176 с.
8. . ., . ., . ., . . -
// 28.01.2010 . патента на полезную модель по заявке №2010100095/22(000146).
9. . . . - .: -вая промышленность, 1983. - 440с.
10. Судовые эхолоты / А.А.Хребтов и др. - Л.: Судостроение, 1982. - 232 с.
Волощенко Вадим Юрьевич
Технологический институт федерального государственного образовательного
учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный
университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected]; [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371794.
Куповых Геннадий Владимирович
E-mail: [email protected]. Тел.: 88634371649.
Voloshchenko Vadim Yur'evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of
Higher Vocational Education "Southern Federal University".
E-mail: [email protected], [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 88634371794.
Kupovyh Genadij Vladimirovich
E-mail: [email protected]. Phone: 88634371649.
УДК 627.02
В.Ю. За нин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ (ТПА) СО СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ И НЕСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ
ПЛАВСРЕДСТВ
Рассмотрены вопросы безопасного обеспечения спускоподъемных операций в сложных условиях, вопросы навигационного обеспечения, изложены требования к характеристикам системы позиционирования судна. Предложен метод использования ТПА осмотро-вого класса с судна, не оборудованного системами позиционирования. Предложен метод обеспечения спускоподъемных операций аппарата рабочего класса в ледовой обстановке.
Подводный аппарат; спускоподъемное устройство; ТПА, СПУ; подводная робототехника; судно обеспечения.
