Способ измерения частоты эхосигнала в доплеровском лаге

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.

Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна с использованием доплеровского лага (ДЛ) [1-6].

Физическим принципом, заложенным в работу ДЛ, является измерение доплеровского сдвига частоты эхосигнала (ЭС), отраженного от дна, относительно частоты излученного сигнала (фиг. 1). Этот сдвиг частот несет в себе информацию о скорости судна в соответствии с формулой [1]:

где

ƒ_ЗС - частота зондирующего сигнала (ЗС), Гц;

ƒ_ЭС - частота эхосигнала, Гц;

V - скорость судна, м/с;

ψ_изл - угол между направлением излучения ЗС и направлением вертикально вниз, град;

C_zv - скорость звука в воде в месте расположения приемно-излучающей антенны, м/с.

Из формулы (1) скорость судна вычисляется по формуле

Таким образом, для измерения скорости судна необходимо измерить частоту ƒ_ЭС эхосигнала, отраженного от дна.

Известны два способа измерения частоты эхосигнала - в частотной и временной области [1].

Способ измерения частоты эхосигнала в частотной области состоит в вычислении спектра Фурье сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны и обнаружении в нем методом частотного контраста спектрального окна, в котором находится эхосигнал. Средняя частота этого спектрального окна принимается за частоту эхосигнала.

Достоинством этого способа является высокая помехоустойчивость, обеспечиваемая тем, что негативное влияние на обнаружение и измерение частоты эхосигнала в спектре оказывает не вся помеха, поступающая с выхода антенны, а лишь та ее часть, которая попала в спектральное окно, ширина которого Δƒ равна обратной величине длительности ЗС τ_ЗС. Недостатком этого способа является низкая точность измерения скорости судна при малых глубинах под килем, поскольку в этом случае приходится использовать ЗС с малой длительностью, что приводит к большой величине Δƒ.

Способ измерения частоты эхосигнала во временной области, проиллюстрированный на фиг. 2, заключается в прямом измерении средней частоты сигнала, поступающего с выхода приемной гидроакустической антенны, например, путем подсчета среднего числа n_cp пересечений сигналом нулевого уровня в единицу времени с последующим вычислением обратной величины этого числа .

Достоинством второго способа является высокая точность измерения скорости судна при любых глубинах под килем (поскольку известно, что для измерения частоты тонального сигнала во временной области требуется значительно более короткая реализация сигнала, чем путем вычисления спектра), а недостатком - малая помехоустойчивость (поскольку на результат влияет помеха во всей полосе приема), что негативно сказывается при больших глубинах под килем.

В качестве прототипа выбран описанный в работе [1] способ измерения частоты ЭС во временной области.

Решаемая техническая проблема - повышение эксплуатационных характеристик доплеровского лага.

Технический результат - повышение помехоустойчивости ДЛ и повышение точности измерения скорости судна при малых глубинах под килем.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе объединяются достоинства обоих известных способов измерения частоты ЭС: в частотной области осуществляется обнаружение ЭС и измерение его частоты с точностью до ширины спектрального окна Δƒ, а во временной области осуществляется более точное измерение частоты ЭС, но уже не во всей полосе приемного тракта, а только в полосе шириной Δƒ.

Блок-схема заявляемого способа приведена на фиг. 3.

На вход блока 1 поступает сигнал с выхода приемной антенны в полосе частот [ƒ_min, ƒ_max],

где ,

,

V_min, V_max - минимальная и максимальная скорости судна соответственно.

В блоке 1 поступивший сигнал на последовательных перекрывающихся более чем на 50% интервалах времени, равных длительности зондирующего сигнала, подвергается спектральному анализу при помощи прямого преобразования Фурье.

В блоке 2 в каждом вычисленном спектре осуществляется обнаружение ЭС от дна методом частотного контраста и определяются границы спектрального окна, содержащего ЭС.

В блоке 3 спектр, в котором обнаружен ЭС, при помощи обратного преобразования Фурье преобразуется во временную область.

В блоке 4 полученный временной процесс подвергается фильтрации полосовым фильтром с границами, равными границам спектрального окна, в котором обнаружен ЭС.

В блоке 5 в профильтрованном процессе вычисляется среднее число пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

В блоке 6 вычисляется частота ЭС как обратная величина среднего числа пересечений процессом нулевого уровня в единицу времени.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается аналитическими расчетами и моделированием.

Источники информации:

1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги // Л.: Судостроение, 1990.

2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н. и др. Судовые измерители скорости. // Л.: Судостроение, 1978.

3. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983. 262 с.

4. Богородский В.В. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана // Л.: Гидрометиздат, 1984.

5. Виноградов К.А., Новиков И.А., Гидроакустические навигационные системы и средства // Навигация и гидрография, ГНИИГИ МОРФ, №7, 1999.

6. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхосигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.