ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОДВОДНОГО ПРОСТРАНСТВА

Изобретение относится к области гидроакустической техники и может быть использовано в составе оборудования, обеспечивающего воспроизведение рельефа дна в реальном масштабе времени.

Известно устройство гидроакустической системы для визуализации подводного пространства на основе многоканального технологического комплекса для исследования шельфа, содержащее модуль гидролокатора бокового обзора (ГБО), модуль сейсмоакустического профилографа, модуль эхолота, навигационную систему, блок обработки и регистрации, блок оперативной контрольной информации, блок синхронной индикации и регистрации, коммутатор режимов работы, причем ГБО содержит буксируемую на кабель-тросе гондолу, которая оснащена гидроакустическими антеннами, аналого-цифровым преобразователем, управляющим компьютером с монитором и блоками графической и магнитной регистрации. (Свидетельство на полезную модель РФ №16406, МПК G01V 1/38, G05D 27/00, опубл. 27.12.2000).

Недостатком устройства является невозможность воспроизведения с его помощью рельефа дна и наличие невидимой зоны в центре полосы обзора.

Известно устройство гидроакустической системы для визуализации подводного пространства на основе морского геоакустического комплекса «МАК», содержащее бортовой модуль судна-носителя, соединенный кабель-тросом с буксируемым аппаратным модулем, включающим последовательно соединенные блок сбора данных измерений и блок регистрации и обработки информации, при этом забортный буксируемый модуль включает гидролокатор бокового обзора (ГБО) дальнего действия, ГБО высокого разрешения, акустический профилограф, эхолот, гидроакустическую навигационную систему, синтезатор зондирующих сигналов, интерфейс сигналов управления, датчики пространственного положения буксируемого модуля, блок цифровых датчиков, блок датчика давления и аналоговых датчиков, интерфейс аналоговых датчиков, кабельный интерфейс, цифровой приемопередатчик, одноплатную ЭВМ и блок питания буксирного модуля, связанные посредством системной шины данных и управления, причем выходы синтезатора зондирующих сигналов подключены к первым входам гидролокатора обзора дальнего действия, гидролокатора бокового обзора высокого разрешения, акустического профилографа, эхолота и маяка-ответчика, входы-выходы интерфейса сигналов управления подключены ко вторым входам блоков гидролокатора бокового обзора дальнего действия, гидролокатора бокового обзора высокого разрешения, акустического профилографа, эхолота и маяка-ответчика, выходы которых подключены к входам кабельного интерфейса, с входом-выходом которого связан цифровой приемопередатчик (Свидетельство на полезную модель РФ №38233, МПК G01V 1/38, G05D 27/00, опубл. 27.05.2004).

Недостатком устройства также является невозможность воспроизведения рельефа дна и наличие невидимой зоны.

Известна гидроакустическая система для визуализации подводного пространства, содержащая блоки антенн левого и правого бортов, выходы которых соединены с соответствующими последовательно включенными приемными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, а входы соединены с выходами усилителей мощности, измеритель крена, модуль формирования, приема и упаковки сигналов, ко входам которого подключены аналого-цифровые преобразователи, усилители мощности и измеритель крена, блок интерфейса, навигационную систему и бортовой компьютер, причем ко входу бортового компьютера подключены выход навигационной системы и через блок интерфейса выход модуля формирования, приема и упаковки сигналов, а также блоки приемной антенны профилографа и первую и вторую антенны накачки профилографа. (Матвиенко Ю.В., Воронин В.А., Тарасов С.П., Скнаря А.В., Тутынин Е.В. Пути совершенствования гидроакустических технологий обследования морского дна с использованием автономных необитаемых подводных аппаратов / Подводные исследования и робототехника. 2009. №2 (8) с. 4-15).

Благодаря использованию интерферометрических гидролокаторов бокового обзора (ИГБО) устройство позволяет воспроизводить рельеф дна. Однако в полосе его обзора по-прежнему сохраняется невидимая зона. Кроме того, построение точного рельефа возможно лишь в процессе вторичной обработки с использованием данных, полученных на разных галсах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является известная гидроакустическая система визуализации подводного пространства, содержащая блоки антенн левого и правого бортов, выходы которых соединены с соответствующими последовательно включенными приемными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, а входы соединены с выходами усилителей мощности, измеритель крена, модуль формирования, приема и упаковки сигналов, ко входам которого подключены аналого-цифровые преобразователи, усилители мощности и измеритель крена, блок интерфейса, навигационную систему и бортовой компьютер, причем ко входу бортового компьютера подключены выход навигационной системы и через блок интерфейса выход модуля формирования, приема и упаковки сигналов, антенну многолучевого эхолота, последовательно соединенные блок приемных усилителей и блок аналого-цифровых преобразователей, включенными между выходом антенны многолучевого эхолота и модулем формирования, приема и упаковки сигналов, блок усилителей мощности, включенный между входом антенны многолучевого эхолота и выходом модуля формирования, приема и упаковки сигналов, а также подключенный ко входу этого блока измеритель глубины (Патент РФ №2461845 от 28.04.2011 г., МПК G01S 15/89).

Недостатком этого устройства является невозможность упреждающего обнаружения навигационных препятствий и предотвращения столкновения с ними из-за малого сектора обзора по курсу движения подводного модуля системы.

Техническим результатом изобретения является обеспечение упреждающего обнаружения навигационных препятствий и предотвращения столкновения с ними за счет увеличения сектора обзора по курсу движения подводного модуля системы.

Технический результат достигается за счет того, что гидроакустическая система визуализации подводного пространства, содержащая блоки антенн левого и правого бортов, выходы которых соединены с соответствующими последовательно включенными приемными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, а входы соединены с выходами усилителей мощности, измеритель крена, модуль формирования, приема и упаковки сигналов, ко входам которого подключены аналого-цифровые преобразователи, усилители мощности и измеритель крена, блок интерфейса, навигационную систему и бортовой компьютер, причем ко входу бортового компьютера подключены выход навигационной системы и через блок интерфейса выход модуля формирования, приема и упаковки сигналов, антенну многолучевого эхолота, последовательно соединенные блок приемных усилителей и блок аналого-цифровых преобразователей, включенные между выходом антенны многолучевого эхолота и модулем формирования, приема и упаковки сигналов, блок усилителей мощности, включенный между входом антенны многолучевого эхолота и выходом модуля формирования, приема и упаковки сигналов, а также подключенный ко входу этого блока измеритель глубины, снабжена впередсмотрящим гидролокатором секторного обзора, включающим приемно-передающую антенну, усилитель мощности, вход которого подключен к блоку формирования, приема и упаковки сигналов, а выход к излучателю приемно-передающей антенны, последовательно подключенные к приемным элементам приемно-передающей антенны многоканальные усилители и многоканальный аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к блоку формирования, приема и упаковки сигналов, и устройством звуковой и световой сигнализации, подключенным к выходу компьютера.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на Фиг. 2 - блок-схема компьютерной обработки сигналов.

Гидроакустическая система визуализации подводного пространства содержит блоки антенн левого и правого бортов 1 и 1′, выходы которых соединены с соответствующими последовательно включенными приемными усилителями 2 и 2′ и аналого-цифровыми преобразователями 3 и 3′, а входы соединены с выходами усилителей мощности 4 и 4′, антенну 5 многолучевого эхолота, приемные элементы которой последовательно соединены со входами блоков приемных усилителей 6 и блоками аналого-цифровых преобразователей 7, блок усилителей мощности 8, подключенный к излучающим элементам антенны многолучевого эхолота 5, измеритель крена 9, измеритель глубины 10, модуль формирования, приема и упаковки сигналов 11, блок интерфейса 12, навигационную систему 13 и бортовой компьютер 14, при этом ко входам модуля формирования, приема и упаковки сигналов 11 подключены аналого-цифровые преобразователи 3, 3′ и блок 7, усилители мощности 4, 4′ и блоки 8, измеритель крена 9, и измеритель глубины 10, а ко входам бортового компьютера 14 подключены навигационная система 13 и через блок интерфейса 12 выход модуля формирования, приема и упаковки сигналов, впередсмотрящий гидролокатор секторного обзора (ГСО), включающий приемно-передающую антенну 15, последовательно подключенные к приемным элементам антенны 15 многоканальные усилители 16 и многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17, выход которого подключен к блоку формирования, приема и упаковки сигналов 11, усилитель мощности 18, вход которого подключен к блоку формирования, приема и упаковки сигналов 11, а выход к излучателю приемно-передающей антенны 15, и устройство звуковой и световой сигнализации 19, подключенное к выходу компьютера 14.

Блок-схема системы компьютерной обработки сигналов (Фиг. 2) содержит блок считывания и распаковки сигналов 20, последовательно подключенные к его выходу блок формирования характеристик направленности 21, блок оценки времен задержки эхо-сигналов 22, а также последовательно подключенные к выходу блока 20 соответственно блоки измерения фазы и амплитуды 23 и 23′, блоки оценки начальной фазы 24 и 24′, блоки оценки углов падения лучей 25 и 25′, блоки вычисления координат точек пересечения лучей с поверхностью дна 26, 26′ и 26′′, блок привязки координат пересечения с дном к географической карте 27, а также включенные между выходом блока считывания и распаковки сигналов 20 и входом устройства звуковой и световой сигнализации 19 блок формирования характеристик направленности 28, блок вычисления корреляционных функций 29 и пороговый блок 30.

Устройство работает следующим образом.

Все излучаемые сигналы одновременно формируются блоком 11 и последовательно подключаются к блокам усилителей мощности 4, 4′, 8 и 18 и излучающим элементам антенн 1, 1′, 5 и 15. Конструктивно антенны 1, 1′ и 5 выполнены таким образом, что луч каждой из них узок вдоль направления движения, и широк в поперечном направлении, причем сектор обзора антенны 5 приходится на середину полосы обзора дна, а сектора обзора антенн левого и правого бортов 1 и 1′ расположены слева и справа от буксировщика подводного модуля и пересекаются с сектором обзора многолучевого эхолота. Приемные элементы антенны 5 многолучевого эхолота расположены вдоль линии (или дуги, обращенной вниз), лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Блоки антенн каждого борта 1 и 1′ состоят из двух разнесенных по вертикали линейных антенн с характеристикой направленности, узкой в горизонтальной плоскости и широкой в вертикальной. Приемно-передающая антенна 18 размещается в носовой части подводного модуля. Ее элементы располагаются на не менее чем двух разнесенных по вертикали горизонтальных линиях или дугах, обращенных вперед. Сигналы с выхода приемных элементов антенн 1, 1′ 5 и 15 усиливаются в блоках 2, 2′, 6 и 16, оцифровываются в блоках 3, 3′, 7 и 17 и поступают в блок 11, в котором происходит упаковка принятых сигналов для последующей передачи их через блок интерфейса 12 на бортовой компьютер 14. К сигналам с приемных антенн 1, 1′, 5 и 15 в блоке 11 примешиваются сигналы с выхода измерителя крена 9 и измерителя глубины 10, к бортовому компьютеру 14 дополнительно подключается навигационная система 13, обеспечивающая необходимые исходные данные для привязки воспроизводимого рельефа дна к географической карте местности.

Обработка сигналов в бортовом компьютере 14 осуществляется следующим образом. Сигналы с приемных элементов всех антенн через блок интерфейса 12 принимаются блоком считывания и распаковки сигналов 20 и распределяются на четыре потока, соответствующие сигналам от блоков приемных антенн многолучевого эхолота 5, блоков антенн 1 и 1′ левого и правого бортов и от антенны 15 впередсмотрящего гидролокатора секторного обзора. По совокупности сигналов от элементов приемной антенны многолучевого эхолота в блоке 21 формируется веер характеристик направленности, оси которых равномерно распределены по ширине сектора обзора многолучевого эхолота. Для каждого сформированного луча в блоке 22 вычисляется корреляционная функция принятого сигнала с излученным и по положению максимума корреляционной функции оценивается время задержки эхо-сигнала, приходящего от точки пересечения луча с дном. Таким образом, на выходе блока 22 формируется совокупность времен задержки τ(α_i) и максимумов корреляционной функции А(α_i) для каждого луча, характеризуемого углом α₁.

По сигналам с выхода пар приемных антенн левого и правого бортов в блоках 23 и 23′ соответственно производятся текущие оценки амплитуды эхо-сигнала и фазового сдвига между сигналами на выходах пары антенн. Амплитуда сигнала определяется путем сложения квадратов реальной и мнимой частей с выхода каждой антенны:

где Re₁, Im_i, Re₂ и Im₂ - реальные и мнимые компоненты сигналов на выходе первой и второй антенны соответственно.

Фазовый сдвиг определяется известным способом:

Вследствие периодичности функции арктангенса данная оценка фазового сдвига производится с точностью до постоянной величины, кратной π.

Фазовому сдвигу соответствует угол падения луча α:

где β - угол наклона линии, соединяющей линейные антенны ГБО;

d - расстояние между линейными антеннами ГБО;

λ - длина волны излучения в воде.

Неоднозначность оценки фазового сдвига приводит к неоднозначности определения угла падения луча. В устройстве прототипа для устранения неоднозначности воспроизведение рельефа дна осуществляется вторичная обработка с использованием данных, полученных на нескольких галсах. В предлагаемом устройстве неоднозначность определения фазового сдвига устраняется в блоках 24 и 24′ непосредственно в процессе обработки текущих данных. Достигается это тем, что для идентификации соответствия между фазовым сдвигом и углом падения луча используются данные многолучевого эхолота. По полученной совокупности задержек τ(α_i) каждому времени t можно поставить в соответствие угол падения луча α, для которого время задержки сигнала равно t. Выбрав некоторое опорное время t₀, можно определить соответствующее начальный угол α₀ и в соответствии с формулой (3) поставить ему начальную фазу Δφ₀.

где γ₀ - значение крена носителя на момент времени t₀.

В блоках 25 и 25′ вычисляется текущий угол падения луча. Уравнение для вычисления этого угла получается путем вычитания (4) из (3):

Благодаря тому, что в формуле пересчета используется разность фазовых сдвигов в начальный и текущий моменты времени, неоднозначность вычисления фазы в начальный момент времени становится неактуальной. Однако при вычислении фазового сдвига в текущий момент времени необходимо учитывать приращения фазы, кратные 2π. Для этого необходимо осуществлять подсчет интерференционных полос и с появлением каждой новой полосы прибавлять 2π к текущей оценке фазы, выполненной по формуле (2).

Таким образом, на выходе блоков 25 и 25′ для каждого момента времени формируются оценки углов падения луча на поверхность дна. В блоках 26, 26′ и 26′′ по полученным оценкам зависимости угла α, для текущего времени t_i производится вычисление координат пересечения с дном. В предположении, что скорость звука с по глубине остается неизменной, координаты X_a,i и Z_a,i точки пересечения луча с дном относительно центра соответствующей антенны определяются аналитически:

Для определения координат точки пересечения луча с дном в условиях известного распределения скорости звука по глубине может быть использована лучевая программа, которая для заданного угла падения луча строит траекторию распространения луча и вычисляет время распространения вдоль этой траектории. Траектория луча строится до тех пор, пока время распространения звука по лучу не буде равно половине текущего времени. Совокупность концов построенных траекторий определяет координаты точек X_a,i, Z_a,i на поверхности рельефа в системе координат соответствующей антенны. В блоке 27 производится пересчет этих точек в географической карте местности по следующей формуле:

X_i=Х_Н+(Х_а+X_a,i)cosК+(Y_a-L_Г)sinК

Y_i=Y_H+(Y_a-L_Г)cosK+(X_a+X_a,i)sinК

Z_i=H_ПМ+Z_a+Z_i

где Х_Н и Y_H - географические координаты носителя гидролокатора, определяемые навигационной системой носителя;

L_Г - горизонтальное расстояние между началами координат носителя и подводного модуля гидролокатора.

К - курсовой угол движения носителя;

Ха, Ya, Za - координаты фазового центра антенны относительно центра подводного модуля гидролокатора.

Н_ПМ - глубина погружения подводного модуля.

Обработка данных от антенны впередсмотрящего гидролокатора секторного обзора включает формирование в блоке 28 двумерной характеристики направленности, вычисление в блоке 29 корреляционной функции принимаемого в сформированных каналах сигнала с излученным и выделении в пороговом блоке 30 пространственных каналов, в которых произошло превышение порога. При превышении порога компьютер 14 включает звуковую и световую сигнализацию, а координаты пространственных каналов, в которых произошло превышение порога, отображаются на его дисплее. Здесь же отображаются сформированное акустическое изображение дна и его рельеф.

Изобретение в отличие от прототипа обеспечивает повышение надежности гидроакустической системы за счет упреждающего обнаружения навигационных опасностей по курсу буксировки подводного модуля гидроакустической системы и предотвращения столкновения с ними.