Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде

Изобретение относится к дистанционным способам измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде и может быть использовано в исследованиях акустических характеристик водной толщи мирового океана при геофизических изысканиях.

Существуют способы прямого и косвенного измерения ВРСЗ в воде методом погружения измерительного прибора на тросе в воду и измерения скорости звука на каждой глубине [Методы и средства измерения скорости звука в море. / Микушин И.И. и др. Санкт-Петербург: Судостроение, 2012]. Прямые способы измерения ВРСЗ в воде используют приборы, измеряющие время прохождения излучаемым акустическим сигналом известного расстояния, что позволяет вычислить скорость звука. Косвенные способы измерения ВРСЗ в воде используют для вычисления скорости звука измеренные параметры воды, такие как давление, температура и соленость. Данные методы не позволяют проводить измерения во время движения, так как для получения ВРСЗ в воде необходимо на тросе опускать измерительный прибор в воду, меняя его заглубление.

Известен способ измерения ВРСЗ в воде, в котором производят зондирование акустическим импульсным сигналом одиночного относительно сильного естественного акустического рассеивателя, находящегося в водном объеме, ограниченном характеристиками направленности приемопередающей антенны и двух приемников, оси характеристик направленности которых пересекаются на одном горизонте с осью характеристики направленности приемопередающей антенны. Последовательно изменяют углы наклона характеристик направленности первого и второго акустического приемников, которые расположены на фиксированных расстояниях от приемопередающей антенны на одном горизонте с ней. Измеряют времена прихода принятых сигналов, определяют по их значениям, значению скорости звука на горизонте акустических источника и приемников, известным расстояниям между ними значения скорости звука в водоеме на заданных горизонтах. Излучают или монохроматический импульсный акустический сигнал малой длительности, или сложный импульсный акустический сигнал с гиперболической частотной модуляцией, при использовании которой времена прихода принятых сигналов определяют по временному положению максимумов взаимно корреляционных функций излучаемого и принятых сигналов [Патент РФ на изобретение «Способ измерения скорости звука в воде» №2545065, G01H 5/00, от 27.03.2015]. В этом способе для получения информации о глубине, на которой производится измерение скорости звука, используются две приемные антенны с изменяемым углом наклона диаграммы направленности, что усложняет аппаратную и программную реализацию данного изобретения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении программной и аппаратной реализации этого способа, что позволяет уменьшить время проведения измерения, энергопотребление и стоимость прибора.

Технический результат достигается путем измерения приращения фазы акустического сигнала, отраженного от акустических рассеивателей в воде, в зависимости от времени, при этом, используя известную скорость звука на горизонте приемопередающей антенны, последовательно восстанавливают распределение по времени скорости звука в моменты времени, отстоящие друг от друга на время не более половины ширины автокорреляционной функции излучаемого сигнала, по измеренному распределению по времени скорости звука в воде определяют распределение скорости звука по глубине.

В предлагаемом способе измерения ВРСЗ в воде производится зондирование широкополосным акустическим сигналом, например импульсным сигналом с линейной частотной модуляцией, акустических рассеивателей в вертикальном столбе воды. Прием отраженных сигналов осуществляется на ту же приемопередающую антенну с узкой характеристикой направленности. Антенна находится у поверхности воды и направлена вертикально вниз, при этом угол между направлением зондирования и направлением движения судна близок к 90 градусам. Скорость звука на уровне приемопередающей антенны измеряется любым прямым контактным способом. Принятый сигнал задерживается на время Δt, и измеряется разность фаз между принятым сигналом и задержанным. Таким образом получается распределение по времени приращения фазы принятого сигнала на длительность Δt. Интервал времени Δt должен быть не более половины ширины автокорреляционной функции излучаемого сигнала. После по измеренному распределению по времени приращения фазы вычисляется скорость звука при переходе от Δt×k к Δt×(k+1) задержке по времени, начиная от k=0, где скорость звука известна, по формуле

где V_k - скорость звука в столбе воды с задержкой распространения акустического сигнала по времени Δt×k, ϕ_k - приращение фазы принятого сигнала с задержкой распространения сигнала по времени Δt×k, V_k+1 - скорость звука в столбе воды с задержкой распространения акустического сигнала по времени Δt×(k+1), ϕ_k+1 - приращение фазы принятого сигнала с задержкой распространения сигнала по времени Δt×(k+1), f_c - центральная частота зондирующего сигнала, N×Δt - интервал приема отраженного сигнала.

Зная скорость звука на уровне приемопередающей антенны, можно путем последовательных вычислений восстановить зависимость скорости звука от задержки распространения зондирующего сигнала. Вычисления зависимости скорости звука от глубины производится по формуле

где H_k – глубина, соответствующая задержке распространения зондирующего сигнала Δt×k.

В предложенном способе измерения ВРСЗ в воде используется одна приемопередающая антенна и один приемный тракт в отличие от способа-прототипа, что уменьшает стоимость и энергопотребление реализации данного изобретения. Уменьшение количества обрабатываемых приемных каналов приводит к уменьшению времени, затрачиваемого на измерения.