6.5 Гидроакустический корреляционный лаг

6.5.1 Принцип действия

Принцип действия корреляционного лага основан на измерении времени, затра­чиваемого судном на прохождение некоторого участка пути, длина которого опре­деляется расстоянием между вибраторами гидроакустической антенны лага и при­нятым алгоритмом обработки информации.

Сущность процесса определения скорости можно понять, рассмотрев следую­щую упрошенную схему. Предположим, что на судне вдоль диаметральной плоскости (ДП) размешены две гидроакустические приёмопередающие антенны А1 и А2

Рис. 6.10 Рис. 6.11

(рис. 6.10) на расстоянии l друг от друга. В режиме излучения эти антенны совмест­но с передавшим устройством (ПУ) формируют импульсы, которые распространя­ются в сторону дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Принимаемые ан­теннами сигналы будут зависеть от отражающей способности грунта, рельефа дна, от параметров среды их распространения и представлять собой некоторые случай­ные процессы U₁(t) и U₂(t), изменяющиеся во времени (рис. 6.11). В связи с тем, что при отсутствии дрейфа судна антенна А2 проходит над теми же участками дна, что и антенна А1, процессы _U1(t) и U₂(t) будут аналогичны друг другу, но сдвинуты по времени на величину _m, которая получила название транспортного запаздывания. Очевидно, величина транспортного запаздывания зависит от расстояния l меж­ду антеннами и скорости V движения судна. В рассматриваемом случае будет иметь место следующее равенство:

(6.16)

Отсюда может быть найдена скорость судна:

(6.17)

Учитывая, что база l известна, задача определения скорости сводится к оценке зна­чения транспортного запаздывания _m.

Транспортное запаздывание _m определяется путём искусственной задержки сигнала первой антенны с помощью регулируемого блока задержки БЗ (рис. 6.10), который осуществляет смешение процесса _U1(t) (рис. 6.11) вдоль оси времени. Для каждой задержки _i рассчитывается значение взаимной корреляционной функции (ВКФ) и эти значения сравниваются между собой. Очевидно, что при _i =_m сме­шение сигнала первой антенны вдоль оси времени будет таким, что процессы прак­тически совпадут и величина ВКФ будет максимальной.

Учитывая сказанное, каждый корреляционный лаг должен включать в себя (рис. 6.10):

• антенную систему A:

• передающее устройство ПУ;

• усилители - преобразователи УП для придания принятому сигналу вида, удобно­го для дальнейшей обработки;

• регулируемый блок задержки БЗ;

• коррелятор, состоящий из множительного устройства МУ и интегратора И;

• устройства сравнения УС значений корреляционных функций;

• вычислитель В скорости, пути, пройденного судном и других величин; устройства индикации УИ.

Рассмотрим особенности устройства отдельных систем лага.

6.5.2 Передающий тракт

Передающий тракт включает в себя передающее устройство и антенную сис­тему. Основной задачей передающего устройства является формирование сигнала посылки с заданными параметрами. В корреляционных лагах обычно использует­ся импульсный режим излучения. Формирование сигнала посылки осуществляет­ся типовыми схемами, такими же, как и в других гидроакустических системах.

В качестве антенн используются пьезокерамические вибраторы направленного действия. Как правило, эти вибраторы устанавливаются в одном антенном блоке подобно тому, как это делается в доплеровских лагах. Отличаются антенны ори­ентацией плоскостей вибраторов. Если в доплеровских лагах плоскости вибрато­ров наклонены к оси антенного блока, то в данном случае они перпендикулярны этой оси с тем, чтобы создавалось вертикальное излучение.

К

Рис. 6.12

оличество вибраторов в антен­ном блоке определяется тем конкрет­ным кругом задач, которые должен решать прибор. Для измерения только продольной составляющей скорости судна, как это было указано выше, достаточно иметь в антенном блоке два вибратора, ориентированных вдоль диаметральной плоскости. Та­кую антенную систему имела одна из первых моделей SAL - ACCOR (Speed Automatic Log - Acoustic Correlation) корреляционного лага, разработанного шведской фирмой «Jungner Instrument» (рис. 6.12). Система использовалась как приемопередающая. В режиме передачи оба вибратора 1 и 2 работали синфазно, образуя излучение, фазовый центр которого расположен ровно посредине между фазовыми центрами вибраторов. Оно эквивалентно излучению, которое создавалось бы неко­торой условной передающей антенной А_п, расположенной между антеннами А1 и А2. В режиме приема каждый вибратор подключался к собственному приемному кана­лу, передавал в него два аналогичных случайных процесса, сдвинутых на величину транспортного запаздывания. Максимум взаимно - корреляционной функции в рас­сматриваемом случае имеет место при смешении судна на расстояние, равное поло­вине расстояния l между фазовыми центрами антенн. Действительно, как это следу­ет из рис. 4.4, в позиции 1 по отношению к отражающим точкам 1,2 и 3, располо­женным на дне, антенна А1 получает сигналы, отраженные от течек 1 и 2, а антенна A2 — от точек 2 и 3. В связи с этим эхосигналы, принятые антеннами будут различными. При перемеще­нии антенн в позицию 2, отстоящую от предыдущей на величину 0,5l, сигнал, принятый антенной A2, будет аналогичен тому, который принима­ла антенна А1; в позиции 1, так как и отражающие точки и путь следова­ния сигнала один и тот же. Следова­тельно, транспортное запаздывание в рассматриваемом случае определя­ется расстоянием 0,5l.

Д иаграмма направленности каждого вибратора достаточно широкая , что при расстоянии между вибраторами, равном 3 см, обеспечивает устойчивую работу прибора в процессе плавания. Частота излучаемого сигнала составляла 150 кГц, что позволяло лагу работать, используя отраженные от дна сигналы до глубин, пример­но равных 200 м.

При необходимости получения большего объема или более точней информации о параметрах движения судка используются белее сложные по составу антенные блоки и, как следствие, передающие устройства, вырабатывающие различные по характеристикам сигналы посылок.

И

Рис. 6.13

спользуя еще более сложные по своему составу антенные устройства, имеется возможность создания более точных измерителей скорости судна. Как уже указыва­лось выше наиболее точный в настоящее время корреляционный лаг "Covelia" имеет антенный блок, который включает в себя 20 самостоятельных вибраторов.