Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛЬЕФА И ОСАДКИ ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ АЙСБЕРГА

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для дистанционных акустических измерений рельефа и осадки подводной части айсберга (ПЧА) из-под воды.

Известны способы дистанционного определения осадки и рельефа ПЧА с помощью гидроакустических средств, которые описаны, например, в [1, 2]. В первом из них [1] в качестве гидроакустического средства используется жестко закрепленный на корпусе надводного судна-носителя гидролокатор бокового обзора (ГБО), акустическая антенна которого находится на некоторой фиксированной глубине относительно поверхности воды. ГБО периодически, по мере движения судна-носителя на некотором удалении вокруг айсберга, озвучивает ПЧА в направлении от поверхности моря к его дну, обеспечивая тем самым формирование на индикаторе яркостного гидролокационного изображения ПЧА, по которому можно определить его форму и осадку.

Основным недостатком способа, описанного в работе [1], является отсутствие возможности измерения рельефа озвученной поверхности (относительных углов наклона и высот) подводной части айсберга, что не позволяет достоверно оценивать действительную форму ПЧА. Фактически упомянутый способ позволяет оценивать только осадку айсберга в направлении зондирования и его протяженность в направлении, перпендикулярном направлению зондирования.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа, выбранным в качестве прототипа, является способ, описанный в [2]. Этот способ определения осадки айсберга и формы его подводной части с надводного объекта (судна) характеризуется следующими операциями:

- подход судна-носителя с установленным на нем опускаемым гидролокатором бокового обзора к надводной части айсберга на некоторое расстояние, лежащее в пределах от 100 до 200 м;

- остановка судна на некотором фиксированном расстоянии от надводной части айсберга, удержание судна в окрестностях точки остановки;

- включение ГБО в режим обследования поверхности ПЧА и последующее опускание ГБО с постоянной скоростью на глубину для снятия первого (по счету) рельефа поверхности ПЧА;

- наблюдение и регистрация гидролокационного изображения ПЧА на устройстве отображения ГБО до его исчезновения с экрана;

- немедленная остановка погружения ГБО сразу после исчезновения гидролокационного изображения ПЧА с экрана устройства отображения и одновременная фиксация момента времени от начала погружения и глубины погружения антенн ГБО, рассчитываемой по данным встроенного в ГБО датчика гидростатического давления;

- после остановки подъем ГБО с постоянной скоростью с наблюдением и регистрацией гидролокационного изображения ПЧА до глубины, с которой было начато погружение;

- остановка работы программного обеспечения ГБО, переход судна в следующую точку наблюдения, расположенную на траектории обхода айсберга судном и повторение описанной выше процедуры наблюдения и регистрации гидролокационного изображения ПЧА.

По гидролокационным изображениям поверхности ПЧА, полученным в фиксированных точках траектории обхода айсберга, вычисляются дальности и углы места самых удаленных от антенн ГБО точек поверхности, которые затем используются для построения рельефа ПЧА справа и слева от направления, по которому погружался и поднимался ГБО. Процедура «профилирования» айсберга тогда считается завершенной, когда получен набор рельефов на замкнутой траектории (окружности) в диапазоне углов 360° вокруг айсберга. По набору плоских профилей рельефов может быть построен трехмерный рельеф обследованной гидролокатором поверхности, а затем с использованием данных измерения надводной части айсберга синтезирована и трехмерная форма ПЧА с определением ее реальных геометрических размеров.

Основным недостатком способа, описанного в работе [2], является большая трудоемкость способа, определяемая необходимостью многократных операций по спуску и подъему гидроакустического средства (в данном случае ГБО) при «профилировании» ПЧА и необходимости удержания судна-носителя на определенном расстоянии от айсберга в течение всего цикла «спуск-подъем».

Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения рельефа поверхности ПЧА и, следовательно, определения их формы и осадки без процедуры погружения и подъема гидролокатора и на ходу судна-носителя.

Технический результат заключается в снижении трудоемкости и повышении технологичности способа.

Для достижения указанного технического результата в способ определения осадки и формы подводных частей айсбергов, включающий излучение импульсных зондирующих сигналов в направлении ПЧА антеннами, опускаемыми с борта судна-носителя, прием акустических эхо-сигналов, рассеянных озвученной поверхностью ПЧА, и одновременное измерение с помощью датчика гидростатического давления глубины погружения антенн, введены новые признаки, а именно излучение импульсных зондирующих сигналов производят излучающей антенной гидроакустического интерферометра, прием эхо-сигналов от айсберга производят двумя приемными антеннами гидроакустического интерферометра, находящимися на фиксированном заглублении от поверхности воды и разнесенными в горизонтальной плоскости на расстояние D, являющееся базой интерферометра, при этом обе приемные антенны интерферометра имеют узкую характеристику направленности (ХН) в плоскости большего размера приемной антенны интерферометра и широкую ХН в плоскости меньшего размера приемной антенны интерферометра, прием эхо-сигналов обеими приемными антеннами производят в диапазоне углов Θ, охватываемых их ХН, по интерференционной картине измеряют расстояния между нулевой линией, соответствующей середине базы интерферометра, и серединой интерференционной полосы, соответствующей точкам рассеяния от поверхности ПЧА принятых эхо-сигналов, пропорциональные удалению этих точек рассеяния от середины базы интерферометра, с помощью масштабной линейки определяют наклонные дальности r_i точек рассеяния эхо-сигнала до середины базы интерферометра по формуле , где i=1, 2, 3… - номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала, λ₀ - длина волны принимаемого эхо-сигнала, определяют расстояние z_i каждой i-й точки рассеяния от поверхности ПЧА относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы интерферометра, по формуле определяют вертикальное расстояние x_i от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки рассеяния, используя вычисленные значения координаты x_i и известное значение заглубления h₀ антенн интерферометра относительно поверхности воды, вычисляют значения осадки h_i каждой i-й точки рассеяния на поверхности ПЧА по формуле h_i=x_i+h₀ вплоть до точки M(x_M, z_M), соответствующей осадке айсберга H_a; по формуле Δz_i=z_i-z_э, где z_э - кратчайшее расстояние от середины базы интерферометра до поверхности ПЧА, которое измеряют с помощью эхолота, закрепленного вместе с приемными антеннами интерферометра на корпусе судна-носителя, вычисляют с учетом значения заглубления антенн интерферометра h₀ ординаты точек поверхности ПЧА относительно уровня z=z_э в данном цикле зондирования в диапазоне глубин, соответствующих диапазону углов Θ, охватываемых характеристиками направленности антенн интерферометра, используя пары чисел Δz_i x_i строят профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z относительно уровня z=z_э, повторяют последовательное импульсное акустическое зондирование ПЧА в процессе движения судна-носителя акустической системы по замкнутой траектории обхода айсберга с периодической привязкой результатов очередного цикла зондирования к направлению, времени и угловому положению относительно стран света точек зондирования, осуществляемой с помощью измерения угла ϕ, отсчитываемого от истинного траверса айсберга в первом цикле зондирования, в результате чего получают ансамбль из n профилей рельефов ПЧА, которые используют для построения ее трехмерной формы.

Наилучший результат получается, если излучающая антенна интерферометра расположена в средней точке его базы, а приемоизлучающая антенна эхолота расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы.

Сущность способа поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2а, в приведены схемы применения предлагаемого способа, фиг. 2б поясняет процедуру построения профиля ПЧА, на фиг. 3 представлен вид интерференционной картины с оперативными отметками на выходе интерферометра.

Структурная схема, представленная на фиг. 1, содержит излучающую акустическую антенну интерферометра A; приемные акустические антенны интерферометра A₁, A₂; приемоизлучающую акустическую антенну эхолота A₃; генераторное устройство 1 интерферометра; приемоусилительные устройства 2 интерферометра; фазовый различитель 3; регистратор (индикатор) интерференционной картины и синхронизатор работы системы 4; устройство 5 определения номера i интерференционной полосы; вычислитель 6 координаты z_i и вертикального расстояния (глубины) x_i от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки ПЧА; устройство 7 вычисления осадки h_i, ординат Δz_i точек поверхности ПЧА относительно уровня z=z_э в каждом цикле зондирования и построения функции для каждого цикла зондирования; программируемое устройство 8 построения рельефа поверхности ПЧА по ансамблю из n профилей рельефов ; устройство 9 отображения рельефа ПЧА; интерферометр 10; устройство 11 предварительной обработки эхо-сигнала эхолота и измерения расстояния r_э; коммутатор 12 «прием-передача»; импульсное генераторное устройство 13 эхолота; эхолот 14.

Блоки 1-6 технически представляют собой типовые функциональные узлы стандартных интерферометрических ГБО, известных, например, из [3]. Блоки 7-9 представляют собой электронные приборы, алгоритмы работы которых реализованы с помощью аналоговых и цифровых программируемых средств, например в судовых многолучевых эхолотах, обеспечивающих построение 3D изображений поверхности дна акваторий. Блоки 11-13 являются типовыми функциональными узлами высокочастотных судовых эхолотов, в частности навигационных, подробно рассмотренных, например, в [4].

На фиг. 2а в проекции на вертикальную плоскость изображены:

0 - средняя точка базы интерферометра;

- геометрическая разность хода эхо-сигнала от некоторой точки поверхности ПЧА i до антенн интерферометра;

0, x, y, z - прямоугольная система координат, связанная с судном-носителем: начало координат 0 совпадает со средней точкой базы интерферометра, ось y совпадает с продольной осью судна-носителя;

z_э=r_э - кратчайшее расстояние от середины базы интерферометра (точка 0) до поверхности ПЧА (точка M₀), измеряемое с помощью эхолота;

r_i - наклонная дальность от базы интерферометра до i-й точки озвученной поверхности ПЧА;

z_i - высота точки поверхности льда относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной базе и проходящей через среднюю точку базы интерферометра;

Θ - ширина XH приемных антенн интерферометра в вертикальной плоскости;

θ_i - угол скольжения акустического луча в i-й точке;

x_i - вертикальное расстояние (глубина) от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки поверхности ПЧА, равное проекции наклонной дальности r_i на координатную ось x;

h₀ - заглубление (осадка) средней точки базы интерферометра относительно поверхности воды;

h_i - осадка i-й точки поверхности ПЧА;

H_a - осадка айсберга;

Фиг. 2б поясняет процедуру построения профиля ПЧА относительно уровня z=z₀ в каждом цикле зондирования. Фрагмент профиля поверхности ПЧА в сечении плоскостью x0z представлен как некоторая функция координаты . Значения Δz_i, представляющие собой отклонения значений функции от уровня z_э, вычисляются по выражениям (1) и (2). Пары чисел Δz_i, x_i описывают профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z относительно уровня z=z_э.

На фиг. 2в в проекции на горизонтальную плоскость изображены:

1, 2…n, 1 - последовательные положения судна-носителя в точках траектории обхода айсберга;

ϕ - некоторый постоянный угол, отсчитываемый от истинного траверса айсберга Ф, определяющий точки траектории обхода айсберга, в которых осуществляется акустическое зондирование ПЧА;

- угол, соответствующий истинному траверсу айсберга относительно судна-носителя в точках траектории обхода, где осуществляется зондирование ПЧА.

На фиг. 3 представлен вид интерференционной картины на выходе интерферометра. На поле рисунка изображены: «нулевая линия» (начало отсчета наклонной дальности), соответствующая моменту излучения интерферометром зондирующего сигнала, x₁ - расстояние от нулевой линии до первой интерференционной полосы, соответствующее наклонной дальности r₁ до точки поверхности ПЧА.

Способ характеризуется следующими операциями:

В некоторый момент времени излучающая антенна A интерферометра (фиг. 1) излучает в сторону ПЧА акустический импульсный зондирующий радиосигнал, сформированный генераторным устройством 1 интерферометра по синхроимпульсу, вырабатываемому синхронизатором 4 работы системы и регистратором (индикатором) интерференционной картины. Поскольку ось характеристики направленности (ХН) антенны интерферометра A в вертикальной плоскости лежит в плоскости x0z, перпендикулярной диаметральной плоскости судна-носителя интерферометра (фиг. 2а), происходит облучение ПЧА акустической энергией в направлении, перпендикулярном линии курса судна-носителя. Вследствие узкой в плоскости размера антенны и широкой в плоскости ее меньшего размера XH излучающей антенны A интерферометра облучается узкая в плоскости горизонта и широкая по глубине полоса льда на ПЧА.

После излучения зондирующего сигнала интерферометр переходит в режим приема эхо-сигналов, рассеянных озвученной поверхностью ПЧА. Прием эхо-сигналов производится двумя разнесенными в горизонтальной плоскости приемными акустическими антеннами A₁ и A₂ (фиг. 1). Первыми к антеннам A₁ и A₂ приходят эхо-сигналы от наиболее близких точек, затем от все более удаленных точек облученной полосы льда. Принятые антеннами акустические эхо-сигналы преобразуются в электрическое и после усиления и детектирования в приемоусилительных устройствах 2 интерферометра 10 поступают на фазовый различитель 3 и далее на регистратор (индикатор) интерференционной картины и синхронизатор работы системы 4.

Если геометрическая разность хода эхо-сигнала от некоторой точки i ПЧА до антенн интерферометра A₁ и A₂, зависящая от базы интерферометра D и угла скольжения акустического луча θ_i в i-й точке, равна целому числу длин волн λ₀ принимаемого эхо-сигнала, т.е. , где i=1, 2, 3, …, то при сложении напряжений эхо-сигналов, снимаемых с выходов антенн A₁ и A₂, суммарный сигнал будет равен сумме напряжений этих сигналов. Если , то суммарный сигнал будет равен их разности. Указанный эффект обусловлен интерференцией эхо-сигналов от точки поверхности ПЧА, принятых разнесенными по вертикали антеннами интерферометра.

В процессе приема и суммирования эхо-сигналов в фазовом различителе 3, приходящих от все более удаленных точек облученной полосы льда, будет формироваться интерференционная картина, которая будучи зарегистрированной на яркостном регистраторе 4 с прямоугольной растровой разверткой в координатах «путевая дальность» - «наклонная дальность», будет представлять собой чередующиеся темные и светлые полосы (интерференционные полосы), как это показано на фиг. 3. Координата «путевая дальность» отсчитывается от точки (фиг. 2в).

Каждая интерференционная полоса на интерференционной картине имеет свой номер, равный целому числу i длин волн λ₀, характеризующих разность хода . Иными словами i - это номер интерференционной полосы на интерференционной картине или номер интерференционного лепестка в XH антенны интерферометра, ось одного из которых (i-го) изображена на фиг. 2а пунктиром. Номер интерференционной полосы от начала интерференционной картины определяется в устройстве 5 определения номера i интерференционной полосы. Интерференционные полосы удалены от «нулевой линии» (начала отсчета наклонной дальности), соответствующей моменту излучения интерферометром зондирующего сигнала, на расстояния x_i, пропорциональные соответствующим наклонным дальностям r_i до точек облученной поверхности (фиг. 3). Измеряются эти наклонные дальности с помощью масштабной линейки, функционально реализованной в регистраторе интерференционной картины и синхронизаторе работы системы 4. Измерения проводятся от нулевой линии интерференционной картины. Наклонная дальность r_i (фиг. 2а) до точки пересечения поверхности ПЧА с осью i-го интерференционного лепестка связана с высотой z_i этой точки в плоскости x0z, образованной прямоугольной системой координат 0, x, y, z, связанной с судном-носителем, у которой начало координат 0 совпадает со средней точкой базы интерферометра, а ось y совпадает с продольной осью судна-носителя, соотношением

В свою очередь из фиг. 2а следует, что

Объединяя (1) и (2), получим

Вертикальное расстояние (глубина) от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки поверхности ПЧА - x_i может быть определено по формуле

Таким образом, интерференционная картина однозначно связана с рельефом поверхности ПЧА и может быть использована при определении высот и глубин от середины базы интерферометра в широкой полосе обзора. Для этого в вычислителе 6 по определенным номерам интерференционных полос i, измеренным наклонным дальностям r_i и по известному для данного интерферометра соотношению , используя выражения (3) и (4), выполняются расчеты высот z_i и глубин x_i относительно середины базы интерферометра 0 (фиг. 2а).

Далее по рассчитанным значениям x_i в устройстве 7 осуществляется вычисление глубины погружения или осадки h_i i-й точки поверхности ПЧА (фиг. 2а) относительно поверхности воды по формуле

где h₀ (фиг. 2а) - измеренное при установке интерферометра на судно-носитель значение заглубления (осадки) средней точки базы интерферометра относительно поверхности воды или действительной ватерлинии судна. После приема эхо-сигнала от наиболее удаленной точки M (фиг. 2а) облученной полосы льда режим приема интерферометра заканчивается.

Сразу же по окончании режима приема интерферометра по синхроимпульсу, вырабатываемому синхронизатором 4, начинает работу эхолот 14. На приемоизлучающую акустическую антенну A₃ эхолота 14, ось характеристики направленности которой ориентирована по нормали к диаметральной плоскости судна-носителя, поступает через коммутатор 12 импульсный зондирующий радиосигнал, вырабатываемый импульсном генераторным устройством 13 эхолота. Акустическая антенна A₃ эхолота преобразует этот электрический радиосигнал в акустический и излучает его в сторону ПЧА, после чего эхолот переходит в режим приема эхо-сигнала, отраженного от ближайшей к нему точки поверхности ПЧА (на фиг. 2а, в - точка M₀). В устройстве 11 по измеренному времени запаздывания t₃ эхо-сигнала относительно зондирующего радиосигнала и известной скорости звука в воде с осуществляется измерение расстояния r_э до ближайшей к антенне А₃ эхолота точки поверхности ПЧА по формуле

Затем, учитывая действительные координаты , , центра излучающей поверхности антенны A₃ относительно точки 0 интерферометра в устройстве 11, вычисляется координата z_э точки M₀ в системе координат 0xyz.

Используя значение координаты z_э в устройстве 7 для каждого цикла зондирования по формуле

вычисляют ординаты точек Δz_i поверхности ПЧА относительно уровня z=z_э (фиг. 2б) в каждом цикле зондирования. Пары чисел Δz_i, x_i характеризуют профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z, но уже не относительно уровня, проходящего через начало координат z=0, а относительно уровня z=z_э. Значения Δz_i могут быть представлены как некоторая функция координаты x (или координаты h=х+h₀), меняющейся в некоторых пределах, определяемых осадкой айсберга H_a (фиг. 2а), построение которой осуществляется в этом же устройстве. На этом работа эхолота заканчивается и цикл «профилирования» ПЧА повторяется.

Для получения профиля поверхности ПЧА за пределами облученной в одном цикле зондирования узкой в плоскости горизонта и широкой по глубине полосы льда на ПЧА судно-носитель и вместе с ним и интерферометр с эхолотом должны быть перемещены в другую точку траектории обхода айсберга, после чего интерферометр и эхолот излучат в сторону поверхности ПЧА очередной акустический импульсный зондирующий радиосигнал и примут соответствующие эхо-сигналы от ПЧА. По мере движения судна-носителя интерферометра и эхолота по траектории обхода айсберга облучаются новые, примыкающие друг к другу полосы поверхности ПЧА, эхо-сигналы от которых принимаются и обрабатываются интерферометром 10 и эхолотом 14. Одновременно с облучением поверхности ПЧА фиксируются и наносятся на интерферограмму в виде оперативных отметок (фиг. 3) текущий номер профиля n, текущее время и значения истинного траверса айсберга для различных точек траектории обхода (фиг. 2в, 3). Этот процесс продолжается до тех пор, пока судно-носитель не «замкнет» траекторию обхода айсберга, т.е. не придет в исходную точку начала «профилирования».

Полученный при обходе по замкнутой траектории обхода ансамбль профилей рельефов ПЧА вида с привязкой каждого профиля к конкретному моменту времени и значению угла накапливаются в программируемом устройстве 8, где осуществляется также построение трехмерной формы ПЧА вида , которая затем может быть визуально отображена на устройстве отображения рельефа ПЧА 9.

Таким образом, описанный выше способ обеспечивает возможность измерения рельефа поверхности ПЧА и, следовательно, определение ее формы и осадки на ходу судна-носителя и без процедуры погружения и подъема гидролокатора, что существенно снижает трудоемкость процесса и повышает его технологичность.

Источники информации

1. Богородский А.В., Попов И.К. Инструментальные исследования подводных частей айсбергов Южного океана // Труды ААНИИ. 1978. Т. 359. С. 134-138.

2. Determination of Iceberg Draft and Shape // Prepared By: Oceans Ltd., 85 LeMarchant Road, St. John's, NL, Canada, A1C 2H1. June 2004, PERD/CHC Report 20-75.

3. Барась С.Т. Исследование и разработка гидролокационного интерферометра для картографической съемки дна в широкой полосе обзора. Дис… канд. техн. наук / ОКБ «Риф». Г. Бельцы, 1981, 210 с.

4. Хребтов А.А. Судовые эхолоты. - Л.: Судостроение, 1982. - 232 с.