Гидролокатор бокового обзора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Институт Нанотехнологий, Электроники и приборостроения

Кафедра Электрогидроакустической и медицинской техники

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по курсу: «Конструирование и технология производства приборов и аппаратов»

на тему: «Гидролокатор бокового обзора»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:	Проверил:
Студент гр. ЭПбо4-7 Кретинин А.В	к.т.н. , доцент кафедры ЭГА и МТ Пивнев П.П.

 

 

 

 

Таганрог 2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте стоит задача рассмотрения исследуемого аппарата гидролокатор бокового обзора. На примере портативного гидролокатора бокового обзора, изучить процесс конструирования акустических устройств. Так же в ходе работы будет разработана структурная схема устройства и принципиальная электрическая схема выбранного блока. На основе разработанных документов будет произведен анализ технологии производства.

 

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

В комплексе технических средств, применяемых при исследовании и освоении ресурсов Мирового океана, существенное значение имеют гидроакустические системы, в частно панорамные гидролокаторы, с помощью которых в 50-х годах прошлого столетия впервые удалось получить изображения больших участков дна, по своей структуре не отличающиеся от обычных фотографий. Панорамные гидролокаторы стали незаменимым средством при выполнении поисковых, спасательных и ремонтных работ на дне океана, для поиска и разработки полезных ископаемых, причем наиболее эффективными являются гидролокаторы бокового обзора (ГБО).[6]

Они обладают высокой производительностью и разрешающей способностью, позволяющей получить гидролокационное изображение дна с различной степенью детальности, увидеть и оценить особенности рельефа различной пространственной протяженности.

Совмещение синхронно полученных эхограмм ГБО и гидроакустического профилографа позволяет судить о распределении форм рельефа на обследуемой площади, выявить геологические причины их возникновения. Эти данные используются при поиске нефти и газа, а также твердых полезных ископаемых.

      Существующая аналогия между оптическим и гидролокационным изображением позволяет использовать зрительный аппарат оператора для расшифровки изображения с целью распознавания объектов, а также изменения форм рельефа и типа грунта.

В зависимости от назначения и полосы обзора гидролокаторы бокового обзора можно условно подразделить на три класса [8]:

1. низкочастотные гидролокаторы большой дальности действия для исследования рельефа дна в океане на глубинах до 6 000 м, рабочая частота примерно 6,5 кГц, полоса обзора на каждый борт до 22 000-25 000 м,
2. для геологических исследований континентального шельфа (для исследований рельефа дна на глубинах до 500 м), рабочая частота 30-50 кГц, полоса обзора на каждый борт до 2 000-3 000 м,
3. для поисковых и спасательных работ и получения детального изображения дна с высокой разрешающей способностью на глубинах до 100 м под акустическими антеннами, рабочая частота 100-200 кГц, полоса обзора 400-800 м на каждый борт,
4. гидролокаторы с очень высокой разрешающей способностью, рабочая частота 500-700 кГц, полоса обзора 50-100 м.

     В состав гидролокатора входят приемоизлучающие антенны, генераторные и приемо-усилительные устройства, а также устройства обработки, отображения и документирования информации. Гидроакустические антенны гидролокатора могут устанавливаться на забортных устройствах или непосредственно в борт судна, быть буксируемыми. При этом появляется возможность производить буксировку антенн на определенном расстоянии от дна, при котором достигается оптимальное соотношение разрешающей способности и полосы обзора в зависимости от решаемой задачи, а также уйти под слой температурного скачка.

  Гидролокационное изображение, получаемое с помощью обычного гидролокационного эхографа бокового обзора (ГЭБО), позволяет достаточно точно измерить лишь расстояние до объекта поиска или интересующего участка дна, а в некоторых случаях по теневой характеристике определить высоту отдельных объектов или неровностей дна. Дополненный фазометрическими каналами он может быть инструментом для измерения глубины в стороне от судна в широкой полосе обзора или определения координат целей, находящихся во взвешенном состоянии (например, якорных мин).

Гидроакустическая система фазометрического канала представляет собой две приемные гидроакустические антенны, разнесенные между собой в вертикальной плоскости на расстояние d , называемое базой. В зависимости от величины этой базы различают фазовые гидролокаторы с большой и малой базой.

К фазовым гидролокаторам с малой базой относятся системы, у которых расстояние между приемными антеннами d составляет величину (0,5–2,0)λ , где λ - длина волны, в результате чего измерение разности фаз сигналов, принятых каждой из антенн, осуществляется однозначно в секторе рабочих углов визирования.

Системы с малой базой позволяют производить измерение глубины и плановых координат разрешаемых элементов морского дна при обработке сигналов по простейшим алгоритмам в реальном масштабе времени с использованием микро-ЭВМ.

Для узкополосных сигналов временная задержка между сигналами, одновременно пришедшими на две приемные антенны, измеряется сдвигом фаз ∆ϕ, определяемым соотношением

∆ϕ = kd sinα , (1)

где к – волновое число, равное отношению 2π c, d – расстояние между антеннами (база), отсюда

, (2)

и для малых углов α = ∆ϕ [2π(d λ)].

Отношение d/λ определяет полезный сектор, в котором могут быть сделаны однозначные измерения пеленга.[7]

При базе 1,9λ полезный вертикальный сектор относительно оси антенной системы составляет ± 15°.

Примером фазового гидролокатора с малой базой являются гидролокаторы бокового обзора ТОPО-SSS (Норвегия), и Sea MARC-II (США, International Submarine Technology Ltd and Hawaii Institute of Geophysics).

Фазовые гидролокаторы с малой базой в целом ненамного сложнее обычных ГБО, но имеют более широкие функциональные возможности. Это связано с тем, что они позволяют не только измерять глубины в полосе обзора, но обеспечивают получение и яркостной эхограммы, несущей важную в геологическом отношении информацию. При этом задача дешифрирования яркостной эхограммы существенно облегчается за счет наличия информации о глубине.

Использование большой базы d=(20–30)λ в общем предполагает большую точность измерений, однако появляется необходимость решения проблемы разрешения неоднозначности фазовых измерений.

Акустическая система такого ГБО (приемная), состоящая из двух вертикально разнесенных на расстояние d антенн, имеет характеристику направленности в угломестной плоскости вида

, (3)

имеющую ряд максимумов и минимумов, в результате чего создается эффект интерференции сигналов.

Направление максимумов определяется формулой

Sin(Θ)= λn/d, (4)

где n = 0, 1, 2, ..., N–1, N – целая часть отношения d/λ .

При соответствующем выборе отношения d/λ можно получить несколько интерференционных полос, соответствующих разности фаз сигналов ϕ = 2πn . Каждая интерференционная полоса соответствует углу скольжения акустического луча, определяемому формулой (4). Наклонная дальность до интерференционной полосы определяется временем прихода эхо-сигналов Т, глубина

X(t)=zn=rn λn/d, (5)

горизонтальное отстояние

Y(t)=rn, (6)

и определение координат (х, у) сводится к измерению наклонных расстояний

rn= cT/2 , (7)

где c – скорость распространения звука в воде, и определению номера полосы.

Появление неоднозначности приводит к ошибкам в определении углов прихода эхосигналов и является следствием периодичности функции

∆ϕ = ksinα, (8)

где ∆ϕ – разностьфаз принятых сигналов, а α – угол визирования разрешаемого элемента морского дна.

Простейший способ устранения неоднозначности – в подсчете числа совпадений по фазе (∆ϕ = 0 или ∆ϕ = ±π) сигналов, принятых каждой из антенн.

Существует несколько способов разрешения неоднозначности в нумерации полос, одним из них является способ использования двух пеленгационных баз , при котором число n определяется из соотношения

znd/rn=nλ, (9)

Этот метод предполагает визуальное дешифрирование предвычисленных совпадений полос при использовании двух разных, но близких по величине антенных баз.[7,8]

Процесс разрешения неоднозначности ряда измерений времени прихода синфазных сигналов может быть упрощен путем измерения времени запаздывания появления в канале сигнала с мгновенной частотой, фиксированной в нижнем канале (при d < 50λ ). Этот способ позволяет обеспечить автоматизацию определения глубин и их относительных координат в реальном масштабе времени без визуализации интерференционных полос и использования вспомогательной антенны.

Известными примерами фазовых гидролокаторов с большой базой и устранением неоднозначности являются гидролокатор ISSS, созданный в Ганноверском университете (ФРГ) и ГКБО-500 разработки НИИ «Риф» Минсудпрома СССР.

Для обеспечения условий когерентности излучение производится только одним гидроакустическим преобразователем, а прием - двумя, разнесенными по вертикали, при этом обеспечивается формирование 16–17 интерференционных полос.

Такая конфигурация системы обеспечивает возможность синхронной обработки как обычных данных гидролокатора, так и интерференционных.

Одним из последних фазовых гидролокаторов с большой базой является Батиметрический гидролокатор с веерообразным лучом и интерферометрической корреляционной обработкой сигналов ATLAS CFВS30 . В нем соединены функции гидролокатора бокового обзора, монтируемого в корпус корабля, и многолучевого эхолота с 64 лучами (по 32 на каждый борт).

Эхо-сигнал, полученный с вертикального направления преобразователем А через время Т0, используется для определения глубины в обычных эхолотах.

Сигнал с этого же направления приходит на гидроакустический преобразователь В через время t T0 + ∆ с задержкой ∆t . Величина этой задержки зависит от расстояния между преобразователями А и В (базы антенной системы). Если сигнал антенного преобразователя А задержать на время ∆t и перемножить с сигналом на антенном преобразователе В, будет получен максимум корреляционной функции. Время задержки ∆t будет возрастать пропорционально углу прихода акустического сигнала. Использование 64 предопределенных приращений задержки (по 32 на каждый борт), позволяет получать 64 пары донных измерений.

Рабочая частота этого гидролокатора 50 кГц, длительность зондирующего импульса 0,17 мс. При глубине под антеннами 600 м обеспечивается угол перекрытия ±45 ( ° относительно вертикали), т.е. полоса обзора на каждый борт равна ~ 600 м, при глубине 350 м –угол перекрытия ±60 , ° т.е. полоса обзора на каждый борт сохраняется равной 600 м, при глубине 150 м – угол перекрытия ±70 ° и полоса обзора равна ~ 400 м на каждый борт. Для регистрации и отображения информации имеется графический самописец и цветной дисплей. Этот ГБО может представлять "профильную гистограмму", называемую "каскадным изображением", представляющую собой гистограмму с закодированной цветной информацией об интенсивности сигнала.

Таким образом, проблемный вопрос устранения неоднозначности ряда измерений времени прихода синфазных сигналов решен нетрадиционным путем.

В последние 10-12 лет за рубежом появилось новое поколение гидролокаторов бокового обзора. В них используются гидроакустические преобразователи из новых материалов, способные выдерживать большие гидростатические давления на больших глубинах. Большинство из них использует общеупотребительные цифровые форматы и интерфейсы для сбора, обработки и анализа данных, дальнейшей интеграции и визуализации в аппаратуре ГИС (геоинформационных систем).

Для повышения разрешающей способности стали широко использоваться сложные зондирующие сигналы (в основном линейно-частотно-модулированные).

Благодаря своим уникальным свойствам тракты ГБО введены во многие зарубежные станции миноискания, а в настоящее время вследствие внедрения новых технологий они становятся обязательным элементом таких систем.

 

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

 

Гидроакустическая система состоит из одной или нескольких приёмо-передающей антенны (ППА), устройства управления режимами работы ППА, блока обработки, выдачи и сохранения полученных данных, выполненного обычно на базе персонального компьютера со специальным программным обеспечением.

На сегодняшний день существует огромное количество ППА различных производителей, которые, в основном, обладают сходными техническими параметрами, являются взаимозаменяемыми для различных гидроакустических систем и отличаются лишь различной технологией и материалом изготовления приёмо-передающих элементов.

Основным элементом обработки гидроакустических данных является специальное программное обеспечение (ПО), которое не только "выжимает" максимум информации из получаемых данных, но и вносить, при необходимости, изменения в режимы работы ППА. Такой режим работы ПО предъявляет большие требования к скорости обработки данных компьютером, т.к. запись, измерения и выдача необходимых команд управления должны производиться в реальном масштабе времени. Но на сегодняшний день, благодаря быстрому развитию компьютерных технологий и систем передачи информации, возможности ПО практически не ограничены быстродействием компьютеров, а зависят лишь от используемых алгоритмов фильтрации и обработки данных с ППА.