2. Принцип действия корреляционного лага. Состав отображаемой информации.

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 упрощенную схему. Предположим, что на судне вдоль диаметральной плоскости

размещены две гидроакустические антенны A₁ и A₂.

(рис. 2.17) на расстоянии l друг от друга. В режиме излучения эти антенны совмест­но с передающим 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. 2.18). В связи с тем, что при отсутствии дрейфа судна антенна А2 проходит над теми же участками дна, что и антенна ΔL процессы U₁(t) и U₂(t) будут аналогичны друг другу, но сдвинуты по времени на величину Т_т, которая получила название транспортного запаздыва­ния. Очевидно, величина транспортного запаздывания зависит от расстояния l меж­ду антеннами и скорости Сдвижения судна. В рассматриваемом случае будет иметь место следующее равенство:

Отсюда можно найти скорость V:

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

Транспортное запаздывание определяется путём искусственной задержки

сигнала первой антенны с помощью регулируемого блока задержки БЗ (рис. 2.17), который осуществляет смещение процесса U₁(t) (рис. 2.18) вдоль оси времени. Для каждой задержки , рассчитывается значение взаимной корреляционной функции

(ВКФ) и эти значения сравниваются между собой. Очевидно, что при = , сме­щение 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. 2.17):

• антенную систему А;

• передающее устройство ПУ

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

• регулируемый блок задержки Б3

• 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.

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.

Количество 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.2.19). 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 , расположенной между антеннами А₁ и А₂. В режиме приема каждый вибратор подключался к собственному приемному кана­лу, передавая в него два аналогичных случайных процесса, сдвинутых на величину транспортного запаздывания.

Максимум взаимно - корреляционной функции в рас­сматриваемом случае имеет место при смещении судна на расстояние, равное поло­вине расстояния l между фазовыми центрами антенн. Действительно, как это следу­ет из рис. 2.20, в позиции 1 по отношению к отражающим точкам 1,2и 3, располо­женным на дне антенна А₁ получает сигналы, отраженные от точек 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 A₁; в позиции 1, так как и отражающие точки и путь следова­ния сигнала один и тот же. Следова­тельно, транспортное запаздывание в рассматриваемом случае определяется расстояние 0,5l.

Диаграмма направленности каждого вибратора достаточно широкая (~30°), 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 точной информации о параметрах движения судна используются более сложные по составу антенные блоки и. как следствие, передающие устройства, вырабатывающие различные по ха­рактеристикам сигналы посылок.

Используя еще более сложные по своему составу антенные устройства, имеется возможность создания более точных измерителей скорости судна.

Преобразователи сигнала и корреляторы.

На практике могут встретиться различные алгоритмы вычисления корреляци­онных функций с помощью отличающихся по своей структуре корреляторов. В качестве примера на рис. 2.21 представлена одна из наиболее простых для реали­зации схем дискретного устройства для определения скорости судна. Принцип ее действия сводится к следующему. Принятые антеннами сигналы U₁ (t) и U₂ (t), могут быть представлены в виде сум­мы функций U₁^'(t) и U₂^'(t) - определяющих усреднённую форму импульса, и цен­трированных случайных процессов ΔU₁(t) и ΔU₂(t), являющихся отклонениями реальной формы импульсов от усреднённой:

U₁(t) = U₁^'(t) + ΔU₁(t), U₂(t) = U₂^'(t) + ΔU₂(t)

Первые слагаемые выражения используются для оценки глубины под килем судна, аналогично тому, как это делается в эхолотах. Для получения информации о скорости судна используются ΔU₁(t) и ΔU₂(t). Для этого в усилителях - преобра­зователях УП они заменяются знаковыми функциями SignΔU(t) (рис. 2.22).

Для измерения длительности положительных и отрицательных значений этих функ­ций ими модулируется непрерывная последовательность коротких импульсов, по­ступающая от генератора импульсов ГИ с частотой f_u и постоянной скважностью. Преобразованный сигнал первой антенны подаётся в блок задержки, представляю­щий собой регистр сдвига РГ. управляемый импульсами, поступающими с частотой f_n от регулируемого генератора тактовых импульсов РГТИ. Время задержки сигнала определяется количеством ячеек регистра сдвига и скоростью продвижения по нему сигнала. Последняя пропорциональна частоте f_n. Регистр имеет два отвода. На пер­вом отводе задержка импульса равна , а на втором - . Сигналы, снимаемые с этих выходов, определяющие функции и, поступают на схемы совпадения СС₁ и СС₂, соответственно.

Сюда же подаётся клиппированный сигнал от второй антенны. Схема совпадения

вырабатывает на выходе счётный импульс только тогда, когда знаки импульсов, по­ступающих на её входы, одинаковы (рис. 2.22). Таким образом, эта схема выполняет функции множительного устройства коррелятора.

Сигналы от СС1 и СС2 поступают в интеграторы И1 и И2, роль которых выпол­няют счётчики импульсов. Количество посчитанных за определённый интервал вре­мени Т импульсов будет определять значения корреляционных функций разнесенных по времени задержки на 2Δτ.

Импульсы, подсчитанные интеграторами, поступают в вычитающее устройство ВУ. которое определяет разницу значений корреляционных функций. Знак этой раз­ницы указывает на положение максимума ВКФ относительно Г. (рис. 2.23). При больше максимум находится справа от , при обратном неравенстве - слева. Если =, то количество импульсов, поступающих с И1 и И2. равны и = . Выходной сигнал ВУ управляет частотой f_n и. следовательно, скоростью продвижения сигнала в регистре сдвига. В результате f_n изменяется до тех пор, пока на выходе ВУ сигнал не станет равным нулю. Зная частоту следования продви­гающих импульсов и. в результате, величи­ну транспортного запаздывания, в блоке

вычисления БВ определяется скорость судна, а путём её интегрирования и пройден­ное расстояние. Аналогично описанному, по сигналам объёмной реверберации, воз­никающим за счёт отражения от промежуточных слоёв воды, может быть определе­на относительная скорость судна. Для её измерения, как это уже было указано, мо­гут: использоваться специальные каналы и антенные устройства. Как правило, они имеют более высокую несущую частоту, что обеспечивает возможность получения отражённого сигнала только от слоёв воды, расположенных вблизи корпуса судна.

Использование импульсного характера излучения накладывает определенны ограничения на возможность вычисления скорости в рамках рассмотренного алгоритма. Действительно, длительность реализации случайных процессов и ограничена длительностью τ_и импульса посылки и, следовательно, величина транспортного запаздывания τ_m может быть определена только в том случае, если она не превышает τ_и. В свою очередь, длительность импульса на глубине h не может превышать значения 2h/c. В противном случае отраженный сигнал вернется к антенне раньше, чем закончится цикл излучения. Учитывая сказанное, можно определить диапазон доступных для оценки скоростей:

Д.ля обеспечения возможности измерения скорости независимо от условий плавания следует или использовать режим непрерывного излучения, или иные алгоритмы определения τ_m.

Дополнительные особенности возникают при движении судна с углом дрейфа. Они касаются как точности определения скорости судна, так и самой возможности сделать это.

Действительно, если считать, что судно движется с некоторым углом дрейфа β (рис. 2.24). то максимум ВКФ будет иметь место тогда, когда антенна А₂ переместится в положе­ние А₂', максимально близкое к точке В. При этом, изменится как расчетная база антенн (отрезок А₂А^' не равен l/2),так и величина ВКФ.

В рассматриваемых условиях измеренная скорость судна будет равна:

Как следует, из выражения найденная скорость судна не соответствует ни истинной скорости v его движения, ни ее продольной составляющей V_x. Достаточно часто ее называют индицируемой или кажущейся скоростью.

Снижение значения ВКФ уменьшает вероятность качественной оценки транс­портного запаздывания, однако при относительно небольших углах дрейфа, которые наиболее часто имеют место на практике, изменение коэффициента взаимной корреляции несущественно.