Подводный зонд

Подводный зонд

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области геофизических исследований, а именно к устройство зондирования гидросферы и может быть использовано в составе зондирующих стационарных, якорных, дрейфующих и донных станций.

Данное устройство может быть использовано как средство обеспечения подводной навигации.

Известные устройства, представляющие собой зонды [1, 2, 3] или подводные зонды [4, 5, 6] содержат прочный корпус, выполненный в форме цилиндра, внутри которого размещена информационно-измерительная аппаратура, программно-управляющая аппаратура, блок энергопитания и устройство для регулирования плавучести зонда.

Технический результат известных устройств заключается в уменьшении габаритов и массы [2, 3], повышения надежности работы [5, 6], что достигается конструктивным исполнением устройств регулирования плавучести, представляющих собой сложные конструкции, включая устройство для перемещения магнитной жидкости [2, 3], камеру сгорания [5, 6].

Преимуществом данный устройств, в частности устройства [3], которое содержит корпус, включающий в себя балластный блок, состоящий из камеры, верхняя часть которой наполнена рабочей магнитной жидкостью и сообщена с нижней частью этой камеры, где происходит вытеснение или прием жидкого балласта при помощи трубки, средняя часть которой уложена по спирали в статоре асинхронного электродвигателя, который преобразует энергию вращающегося магнитного потока статора в поступательное движение рабочей жидкости, что позволяет уменьшить не только габариты зонда, но и обеспечивает регулирование положительной и отрицательной плавучести зонда, что обеспечивает его перемещение в водной среде в вертикальной плоскости.

Известные устройства включают минимальный состав измерительной аппаратуры, как правило, включающий датчик температуры воды, датчик гидродинамического давления и гидрофон, что обусловлено недостаточным ресурсом блока питания. Это обстоятельство вынуждает использовать измерительную аппаратуру поэтапно, что вносит дополнительные трудности при окончательном анализе измеренных параметров гидросферы.

Наиболее высокую информативность при проведении гидрологических исследований имеют известные устройства, приведенные в источниках [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16] дополнительно, обеспечивающие измерение объемного рассеяния звука в воде, измерение профилей звука и их градиентов.

Однако при исследованиях, связанных с определением гидрофизических неоднородностей, применение данных устройств ограничивается низким уровнем генерируемых антенной сигналов, что не является большим препятствием, особенно для малых и средних дистанций зондирования (100-500 м). Однако при исследованиях на больших дистанциях возникает значительные трудности. Как правило, в известных устройствах преобразователь накачки представляет собой 28-ми элементную мозаичную антенную решетку, состоящую из пьезокерамических элементов прямоугольной формы, образующих два набора с различными резонансными частотами. Излучающая поверхность преобразователя накачки имеет форму квадрата со стороной 75 мм. Разностная частота составляет 136 кГц, частоты накачки соответственно 430 кГц и 566 кГц. Разностная частот при этом составляет 50 кГц. Ширина диаграммы направленности антенны находится в пределах 3,5 градуса.

В приемниках давления используются пьезоэлементы, резонансная частота fp которых больше граничной частоты рабочего диапазона.

Для плоской антенной решетки конструктивно оправдано применение плоских элементов, статическая чувствительность которых определяется величиной

γ_cm=g_ikl, где g_ik - пьезоконстанта, ik=33 для поперечного и ik=31 для продольного пьезоэффекта, l - расстояние между электродами.

Так как расстояние между электродами нельзя бесконечно увеличивать, то чувствительность таких элементов в данной антенне недостаточна, что не позволяет максимально использовать всю площадь приема.

Известно также устройство [17], представляющее собой глубоководный зонд, в котором акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, который аппаратно разделен на две части (бортовой блок и погружаемый блок). Комплекс глубоководного зонда включает в себя собственно глубоководное устройство, размещенное в двух прочных цилиндрах диаметром 150 мм, длиной около 1 м с вынесенной глубоководной параметрической антенной, приемником звука и датчиком скорости звука и бортовую аппаратуру, с помощью которой производится включение глубоководного устройства и изменение режимов его работы. Глубоководная часть соединяется с бортовой посредством кабеля КСБ - 8 длиной 2000 м, намотанным на лебедку, имеющим семь токоведущих жил в резиновой изоляции и несущую стальную оплетку двойного повива.

Акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, бортовой блок формирователя которого задает режим работы параметрической антенны и осуществляет синхронизацию работы всего зонда.

Антенна накачки излучает в водную среду две акустические волны накачки с различными частотами, которые взаимодействуют между собой в процессе распространения. В результате взаимодействия в среде образуется волна с частотой, равной разности частот накачки, которая является и рабочей частотой устройства. Таким образом, в среде формируется антенна волны разностной частоты. Антенна накачки представляет собой два набора пьезокерамических преобразователей, каждый из которых подключен к своему усилителю мощности. Наборы преобразователей расположены в шахматном порядке и залиты полимерным компаундом типа КТ-65.

Излучающий тракт зонда имеет диапазон рабочих (разностных) частот 5-30 кГц (четыре дискретные частоты), частота волн накачки (средняя) 150 кГц, длительность зондирующих импульсов 0,2, 1, 5 мс. При длительности 0,2 м предусмотрено отключение одного из генераторов накачки, при этом излучается только волна накачки с частотой 150±15 кГц, ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 от максимального уровня составляет 2,5 градуса во всем диапазоне рабочих частот, диаметр антенны накачки 210 мм. В системе передачи команд применена кодово-импульсная модуляция с частотным разделением сигналов команд и синхроимпульсов.

Недостатком данного устройства является то, что оно не является автономным средством измерения, так как часть аппаратуры размещена на борту судна. Связь и передача команд управления осуществляется по кабелю, что существенно ограничивает радиус действия данного устройства. Кроме того, в известном устройстве не в полной мере обеспечивается однородность акустического поля ввиду того, резонансная частота меньше граничной частоты рабочего диапазона.

Общим недостатком известных устройств является то, что они требуют кабельной связи с диспетчерской станций, в качестве которой как правило используются гидрографические суда, что существенно сужает область исследований и при использовании известных устройств, снабженных кабельной линией, весьма трудоемкой является решение задачи по обеспечению их стабилизации, особенно в районах с сильными подводными течениями.

Задачей настоящего предложения является расширение функциональных возможностей устройств, предназначенных для гидрофизических исследований.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, представляющем собой подводный зонд, содержащий контейнер с информационно-измерительной аппаратурой, состоящей из параметрической антенны, приемника звука с приемной антенной и датчика определения скорости звука, программно-управляющей аппаратуры, блоком электропитания и устройством для регулирования плавучести с исполнительным механизмом, размещенным в нижней части контейнера и состоящим из двух частей, нижняя из которых включает в себя внутреннюю секцию, выполненную из гибкого материала, при этом стенки внешней секции перфорированы для сообщения с окружающей водной средой, а верхняя часть заполнена балластоотжимающей магнитной жидкостью и сообщена с нижней частью трубкой с управляемым вентилем, а механизм выполнен в виде электродвигателя, измерительную аппаратуру, включающую датчики гидроакустических сигналов: параметрическую антенну, приемник звука с приемной антенной, датчик скорости звука, в котором контейнер выполнен колоколообразной формы, в верхней части которого размещено сенсорное кольцо с установленными на нем датчиками измерительной аппаратуры, в нижней части контейнер сочленен с гондолой посредством поворотного механизма, снабженного выдвижными клиньями, выполненными в форме ласточкина хвоста, со стороны одной торцевой части гондола снабжена аппарелью, соединенной с выдвижным кронштейном на котором установлены приемопередающие гидроакустические датчики, с другой торцевой стороны гондола снабжена торцевой электрической машиной с дисковыми индукторами и монолитным дисковым ротором, на валу которого установлен гребной винт, нижняя часть гондолы выполнена в виде киля, блок электропитания снабжен электрической микромашиной с постоянными магнитами на роторе, антенный комплекс, включающий датчики гидроакустических сигналов состоит из 8-канальной 2-секционной приемной гидроакустической антенны и гидроакустической излучающей антенны, при этом каждая секция приемной антенны представляет собой 4-элементный неэквидистантный гидрофонный модуль, секции приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг к другу, дополнительно введены навигационно-управляющий модуль и измеритель глубины.

Новыми отличительными признаками настоящего предложения являются:

- контейнер выполнен колоколообразной формы, в верхней части которого размещено сенсорное кольцо с установленными на нем датчиками измерительной аппаратуры;

- в нижней части контейнер сочленен с гондолой посредством поворотного механизма, снабженного выдвижными клиньями, выполненными в форме ласточкина хвоста;

- со стороны одной торцевой части гондола снабжена аппарелью, соединенной с выдвижным кронштейном на котором установлены приемопередающие гидроакустические датчики;

- с другой торцевой стороны гондола снабжена торцевой электрической машиной с дисковыми индукторами и монолитным дисковым ротором, на валу которого установлен гребной винт;

- нижняя часть гондолы выполнена в виде киля;

- блок электропитания снабжен электрической микромашиной с постоянными магнитами на роторе;

- антенный комплекс, включающий датчики гидроакустических сигналов состоит из 8-канальной 2-секционной приемной гидроакустической антенны и гидроакустической излучающей антенны, при этом каждая секция приемной антенны представляет собой 4-элементный неэквидистантный гидрофонный модуль, секции приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг к другу;

- дополнительно введены навигационно-управляющий модуль и измеритель глубины.

Совокупность новых признаков из известных устройств не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. Структурная схема устройства включает прочный корпус 1, выполненный колоколообразной формы, в нижней части который сочленен с гондолой 2, внутри корпуса 1 размещены балластный блок 3, информационно-измерительная аппаратура 4, программно-управляющая аппаратура 5, блок электропитания 6, навигационно-управляющий модуль 7, электропривод 8. В гондоле 2 установлена торцевая электрическая машина 9 с дисковыми индукторами и монолитным дисковым ротором с гребным винтом в одном узле с ротором. В верхней части корпус 1 снабжен сенсорным кольцом 10, на котором размещены приемные устройства измерительной аппаратуры.

Гондола 2 соединена с корпусом 1 посредством поворотного механизма 11, обеспечивающего поворот гондолы на 360 градусов. Поворотный механизм 11 приводится в действие посредством электропривода 8. Нижняя часть гондолы 2 выполнена в форме киля. Гондола 2 снабжена аппарелью, которая приводится в действие посредством выдвигающегося кронштейна, сочлененным посредством шарнирно-рычажного механизма с электроприводом. На выдвижном кронштейне установлены приемоизлучающие устройства гидроакустических средств измерения. Посредством шарнирно-рычажного механизма выдвинутый из гондолы кронштейн при соответствующих сигналах управления может занимать положения в диапазоне от 0 до 90 градусов.

В поворотном механизме 11 размещены выдвижные клинья, выполненные в форме ласточкина хвоста и обеспечивающие стабилизацию зонда при влиянии волнения и течения.

Фиг.2. Балластный блок 3 состоит из верхней части 12 камеры с балластоотжимающей магнитной жидкостью 13, сообщающейся с нижней частью 14, камеры через трубку 15, уложенную по спирали внутри статора 16 электрической машины 17, установленной в блоке электропитания 6. Перед нижней частью 14 камеры размещен управляемый вентиль 18. Нижняя часть 14 разделена вялой мембраной 19 на две секции, стенки внешней секции нижней части 14 камеры имеют отверстия 20 для обеспечения протока балласта (воды окружающей среды) при его отжиме (приеме). Балластный блок 3 в составе зонда закрепляется в нижней части корпуса 1 зонда, имеющего нулевую плавучесть.

Фиг.3. Торцевая электрическая машина с дисковыми индукторами и монолитным дисковым ротором 9.

Фиг.3а. Продольный разрез.

Фиг.3б. Отштампованный лист пакета индуктора с окнами для укладки активных сторон катушек индуктора.

Фиг.3в. Часть составного защитного экрана из ферромагнитного материала с отверстиями для входа (выхода) охлаждающей морской воды.

Электрическая машина в конкретном исполнении содержит разрезной корпус, состоящий из двух секций 21, выполненных из высокопрочной антикоррозийной стали, в каждую секцию 21 корпуса вмонтирован индуктор 22, который состоит из пакета листов, отштампованных из электротехнической стали в форме дисков 23.

Центральные листы дисков 23 имеют цилиндрические отверстия 24 у вала и на периферии 25, выполняющие функции пазов и предназначены для прохода начала и концов катушек фаз протяжки многофазной обмотки 26, выполненной из обмоточного провода с полимерной изоляцией (из облученного сшитого полиэтилена и фторопласта). Крайние листы дисков 23 имеют сквозные окна 27 для укладки активных сторон катушек фаз обмотки 26, толщина набора этих листов дисков в пакете с обеих сторон индуктора равняется толщине стороны катушки фазы.

Индуктор 22 помещен в составной защитный экран из двух симметричных полуэкранов, выполненных из ферромагнитного материала (магнитной стали), каждая часть полуэкрана от торца имеет плотный механический контакт с пакетом железа индуктора 22 и выполняет функции механической защиты активных частей катушек обмотки 26, а также служит магнитопроводом индуктора для прохода основного магнитного потока. Каждый полуэкран 28 имеет два ряда концентрично расположенных отверстий, один из них 29 у вала, второй 30 на периферии и находящийся у выходов катушек обмотки 26 из пакета сердечника индуктора 22 через отверстия (пазы) 24 и 25. Отверстия 29 одного полуэкрана 28 служат для входа морской воды на охлаждающие обмотки, отверстия 29 и 30 второго полуэкрана для выхода нагретой морской воды.

Каждый редуктор 22 с обмоткой 6 и составным защитным экраном 28 вмонтированы в свою секцию 21 корпуса, каждая секция 21 имеет концентрично расположенные отверстия по окружности поверхности для входа охлаждающей морской воды 32 и для выхода нагретой воды 31. Секции 21 скрепляются жестко между собой посредством замков 33 и болтовых соединений.

Ротор состоит из ряда монолитных дисков 34, выполненных из высокопрочного магнитоэлектропроводящего сплава. Диски 34 охватывают индукторы 22 с обеих сторон, напрессовываются на вал 35 по горячей посадке и фиксируются с помощью упоров 36 на валу 35 и колец 37. Между дисками ротора 34 и индуктором 22 имеется немагнитный рабочий зазор 38, который определяется в зависимости от мощности электродвигателя. Между внутренней цилиндрической поверхностью составного защитного экрана 28 и валом 35 имеется зазор 39 для свободного вращения вала и прохождения охлаждающей морской воды.

Для приостановления контактной коррозии активных частей ротора 34 в морской воде на концах вала имеются втулки-протекторы 40, выполненные из алюминиево-магниевого сплава, а для приостановления контактной коррозии активных частей индукторов 22 на концах электродвигателя в корпусе крайних секций индукторов запрессованы кольца-протекторы 41 из того же сплава.

На концах шеек 35 имеются отшлифованные подвижные втулки из высокопрочной термообработанной антикоррозийной стали. Неподвижные металлокерамические втулки подшипника 42 запрессованы в подшипниковые щиты 43, имеющие свободный зазор 44 относительно вала 35 ротора и ряд концентрично расположенных отверстий 45 у подшипника для входа охлаждающей забортной морской воды. Подшипниковые щиты крепятся к торцам крайних секций 21 с помощью замов по скользящей посадке и болтовых соединений 46.

По сравнению с электродвигателем прототипа данная электромашина имеет более увеличенную мощность за счет каскадного набора дисковых индукторов в общий корпус машины. Функциями электромашины являются, помимо обеспечения работы балластной камеры, также обеспечение работы гребного винта. Аналогом является асинхронная торцевая электрическая машина, приведенная в источнике - патент РФ №2041547 С1.

Фиг.4. Электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе.

Фиг.4а. Продольный разрез микромашины.

Фиг.4б. Ротор с выступами без постоянных магнитов и втулки.

Фиг.4в. Вид сбоку по стрелке А.

Фиг.4г. Сечение по В-В.

Электрическая микромашина с постоянными магнитами на роторе содержит корпус 47, который выполняется из антикоррозийного материала, в корпусе запрессован пакет 48 железа статора. По торцам пакета 48 в корпусе 47 запрессованы диски-протекторы 49 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт по всей поверхности с сердечником пакета 48 статора. Диски предназначены для исключения контактной коррозии пакета 48 статора, ротора, подшипниковых щитов и втулки ротора с переводом их в катодное состояние. В пазы пакета 48 статора укладывается многофазная протяжная обмотка 50 из обмоточного провода с полимерной изоляцией. Пазы статора выполнены закрытыми. Ротор 51 с валом 52 и выступами 53 представляет собой (фиг.4в) единую монолитную конструкцию из высокопрочной антикоррозийной немагнитной нержавеющей стали, например, марки ДИ48-ВД или 20Х13, обладающей высокими механическими характеристиками. На термообработанных концах вала 52 имеются отшлифованные опорные 54 и упорные 55 поверхности, выполняющие функции подвижных скользящих частей подшипников. На активную часть ротора 51 между выступами 53, имеющими угол наклона β боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения, вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном β контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты в виде сегментов 56 (фиг.4г) цилиндрической трубы. Количество сегментов равно числу полюсов, в данном варианте оно равно двум, а их длина равна длине 1 пакета сердечника статора, толщина сегментов h определяется расчетом. На выступы 53 и сегменты 56 напрессовывается втулка 57, равная их длине и выполненная из антикоррозийного немагнитного материала, например 40Х13. С торцов ротора 51 на длинах d (фиг.4б) постоянные магниты 56 и втулка 57 фиксируются крепежными кольцами 58 выполненными из того же материала, что и ротор методом тугой посадки. Подшипниковые щиты 59 с отверстиями 60 для входа охлаждающей забортной воды и отверстиями 61 для выхода воды вмонтированы в замки корпуса 47 статора по скользящей посадке и прижаты с внешней стороны кольцами 62 из нержавеющей стали, которые закрепляются винтами к корпусу 47 со стороны внешней цилиндрической поверхности. Подшипниковые щиты 58, имеющие как и шейки вала 52 ротора отшлифованные опорные 54 и упорные 55 поверхности, выполняют функции неподвижных частей подшипников скольжения, которые имеют по отношению к шейкам вала 52 рабочий зазор.

Между расточкой статора и втулкой 57 ротора 51 имеется немагнитный рабочий зазор 63, определяемый расчетами и габаритами микромашины.

Для уменьшения веса, габаритов и исключения контактной коррозии микромашины корпус 47 и втулка 57 ротора выполнены из углепластика марки УГЭТ-Т или ФУТ на основе углеволокна или углеткани. Подшипниковые щиты 59 выполнены из металлокерамики, а сердечник пакета статора из магнитной антикоррозийной нержавеющей стали марки 00Х13. Аналог приведен в источнике - патент РФ №2041545С1.

Фиг.5. Блок-схема информационно-измерительной аппаратуры включает синхронизатор 64, формирователь импульсов запуска 65, модуляторы 66 и 67, блок генераторов 68, блок запуска команд 69, преобразователь кода команд 70, сумматор 71, схему разделения сигналов команд и синхроимпульсов 72, дешифратор команд 73, генераторы 74 и 75, импульсный генератор 76, усилители мощности 77 и 78, антенну накачки 79, усилитель высокой частоты 80, преобразователь 81, схему первичной обработки 82, гидрофон 83, усилители 84 и 55, фильтр 86, стробирующее устройство 87, согласующие устройства 88 и 89, датчик скорости звука 90, схему первичной обработки 91, преобразователь 92, частотный детектор 93, фильтр низких частот 94, опорный генератор 95, регистрирующее устройство 96.

Фиг.6. Программно-управляющая аппаратура 5 включает кодер 97, устройство формирования пакетов 98, устройство формирования алгоритма 99, устройство управления 100, согласующее устройство 101, блок сбора, обработки информации и картирования подводной обстановки 102.

Блок управления 100 состоит из ПЗУ микрокоманд, ПЗУ управления выбором адреса, БИС микропрограммного управления, двух микропроцессоров, ПЗУ, ОЗУ, схемы формирования переносов, буферных регистров, пяти магистралей - магистрали адреса, магистрали микрокоманд, магистрали D, магистрали М, магистрали L аналого-цифровых преобразователей.

Фиг.7. Навигационно-управляющий модуль 7 состоит из приемоиндикатора 103, антенно-фидерного устройства 104 с антенной, установленной на сенсорном кольце 10, схемы 105 приема и обработки сигналов, контроллера 106, включающего интерфейсы RS232 - до 8 каналов, ЕРР/ЕСР - 1 канал, параллельную 8-ми разрядную шину - 12 каналов, линию управления питанием внешних устройств 5/12 В, до 0,5 А - до 8 линий, SPI до 3 каналов, 12S - до 2 каналов, CAN-канал, USB-1 канал, ультразвуковой канал - 1, оптоволоконный модем-1, радиомодем-1, FLASH-память до 4 Гбайт, часы реального времени, входные фильтры аналоговых каналов, микропроцессор, а также систему динамической стабилизации 107 зонда, содержащую блок датчиков рассогласований по продольному, поперечному и вертикальному перемещениям зонда при внешних воздействиях, гироазимутгоризонткомпас, преобразователь координат, следящие устройства.

Аналогом системы динамической стабилизации 107 зонда являются устройства, приведенные в описаниях к авторским свидетельствам SU №1308040 и №1360405.

Фиг.8. Блок сбора, обработки информации и картирования подводной обстановки 102 состоит приемных регистров 108, блока системной магистрали 109, усилителя 110, диспетчера памяти 111, операционного блока 112, блока управления потоком команд 113, блока микропрограммного управления 114, блока прерываний 115, выходных регистров 116, датчика определения солености 117, датчиков температуры воды и воздуха 118, измерителя глубины 119, датчиков гидростатического 120 и атмосферного 121 давления, измерителя параметров ветра 122, схемы обработки и картирования подводной обстановки 123.

В качестве датчика атмосферного давления 112 использован датчик РТВ-10 с пределами атмосферного давления 600-1100 гПа и точностью измерения 1 гПа. С атмосферой датчик соединяется тонкой эластичной трубкой, проходящей внутри герметичного разъема и выходящий на траверсу, где расположена антенна 10.

В качестве датчика температуры воздуха 109 использован датчик ТСП-002-03 с диапазон измерения от -50 до +60 градусов С, с погрешностью равной ±0,15 градусов С. Этот же датчик используется и для измерения температуры воды в диапазоне от -2 до +32 градусов.

В качестве датчика давления использован датчик, имеющий диапазон измерения давления от 0 до 10 м, с погрешностью 0,1% и диапазон измерения температуры воды от -2 до +32 градусов С, с погрешностью 0,05 градуса С.

Фиг.10. Схема 97 приема и обработки сигналов включает формирователь 124 характеристики направленности, широкополосный фильтр 125 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 126, АЦП 127, узкополосный фильтр 128, детектор 129, интегратор 130, пороговую схему 131, широкополосный фильтр 132 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 133, узкополосные фильтры 134 и 135, детекторы 136 и 137, интеграторы 138 и 139, схему 140 выбора максимума, решающую схему 141. Блоки 124÷131 обеспечивают прием сигналов от информационно-измерительной аппаратуры 4, а блоки 132÷141 предназначены для обработки принятых сигналов для обеспечения навигационного координирования подводных объектов.

Данная схема обеспечивает связь по гидроакустическому каналу связи, при работе зонда в районах оснащенных донными гидроакустическими маяками или береговой диспетчерской станцией.

В качестве сигналов местоположения использованы тональные сигналы с частотой 3 кГц, излучаемого как в автоматическом режиме по специальной программе, так и в режиме запроса.

Фиг.9. Измеритель глубины 110 включает пьезокерамические акустические преобразователи 142 и 143, образующие антенну, предназначенную как для излучения, так и для приема сигналов. В цикле излучения преобразователи 142 и 143 соединены параллельно, а во время цикла приема эхо-сигналов они работают независимо друг от друга. Коммутаторы 144 и 145, построенные по принципу амплитудных ограничителей и выполняют стандартные функции, заключающиеся в том, что во время импульса посылки они обеспечивают подключение преобразователей 142 и 143 к усилителям мощности 146 и 147 и одновременно защищают приемные усилители 148 и 149 от сигнала излучения. В интервалы времени, отведенные для приема эхо-сигналов, коммутаторы 144 и 145 обеспечивают прохождение эхо-сигналов на приемные усилители 148 и 149. Уровень сигналов на выходе приемных усилителей таков, что позволяет провести квантование сигналов по времени, которое осуществляется устройствами квантования 150 и 151 по времени, с которых сигналы поступают через синхронизатор 152 на корреляционное устройство 153. Синхронизатор 152 также выдает на устройства квантования 150 и 151 командные сигналы для проведения операции квантования и вырабатывает для усилителей мощности 146 и 147 сигнал несущей частоты и команду на излучение, а также необходимые сигналы для блока управления 154. Корреляционное устройство 153 определяет время задержки между сигналами. В блоке обработки 155 по промежутку времени между излучением акустического импульса и приемом эхо-сигнала в соответствии с зависимостью Н=ct/2 определяется глубина Н от днища зонда до дна, где с - скорость распространения звука в воде, t - промежуток времени между излучением и приемом отраженного сигнала.

В блоке обработки 156 определяется скорость движения зонда в горизонтальной плоскости. Так как в данном устройстве расстояние Х₀ между излучающей и приемной антеннами известно, то измерив временной сдвиг τ_τ сигналов, можно определить скорость зонда Vз=Х₀/τ_τ.

Нахождение этого сдвига производится путем корреляционной обработки принятых сигналов. Для этого в тракт сигнала одной из антенн вводится переменная временная задержка и производится вычисление взаимно-корреляционной функции огибающих сигналов двух разнесенных антенн и отслеживается ее максимальное значение.

Аналогами измерителя глубины и скорости являются устройства, приведенные в источниках информации: New Ships/Die Neubauten, 1974, XII, Jahrgang 19, №12, p.344. Судовые измерители скорости/Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В. - Л.: Судостроение, 1978, с.172. Гидроакустический корреляционный лаг / К.А.Виноградов, В.Н.Кошкарев, Б.А.Осюхин, Г.В.Яковлев // Судостроение за рубежом, 1977, №7. Sal-Accor-Marine Log. Description, Junger Instrument, Stockholm, Sweden, 1976.

Фиг.10. Схема формирования навигационной базы, где показаны навигационные спутники 157, подводный объект 158, зонд 159.

Фиг.11. Взаимное расположение приемников секции антенны, где позициями 160, 161, 162, 163 обозначены секции антенны.

Фиг.12. Функциональная схема приема сигнала "включение", которая включает формирователь характеристики направленности 164, широкополосный фильтр 165 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 166, узкополосный фильтр 167, детектор 168, интегратор 169, пороговую схему 170, широкополосный фильтр 171 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 172, узкополосный фильтр 173, детектор 174, интегратор 175, узкополосный фильтр 176, детектор 177, интегратор 178, схему выбора максимума 179, решающую схему 180, образующие функциональную схему обработки сигналов.

Так как для систем передачи информации, основанных на использовании тональных сигналов, помехоустойчивость системы определяется помехоустойчивостью обнаружителей сигнала "Включение" и обнаружителей информационных сигналов, для обнаружения сигнала "Включение", представляющего собой отрезок гармонического колебания, использован метод неоптимального некогерентного приема, обеспечивающий широкополосный прием с интегрированием после детектора 168.

Функционально схема приема сигнала "включение" включает формирователь характеристики направленности 164, обеспечивающий предварительное усиление и формирование ненаправленного пространственного канала с антенны спутниковой связи при нахождении зонда на водной поверхности, широкополосный фильтр 165 с полосой ΔF_ш, ограничитель 166 и узкополосный фильтр 167 с полосой ΔF_y, образующие схему, обеспечивающую, при условии ΔF_ш/ΔF_у>>1, стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи, и обеспечивает выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 166, узкополосный фильтр 167, обеспечивающий формирование рабочих частот, детектор 168, имеющий линейную характеристику, интегратор 169, представляющий собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания ΔF_u=1/Т, где Т=2 сек (длительность символа), пороговую схему 170, построенную на основании критерия Неймана-Пирсона, поскольку вероятность появления на ее входе сигнала существенно ниже вероятности его отсутствия. Функциональная схема обработки сигнала включает широкополосный фильтр 171 с полосой ΔF_ш, ограничитель 172 и узкополосный фильтр 173 с полосой Δf_y, которые образуют схему, обеспечивающую, при условии ΔF_ш/ΔF_у>>1, стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 172, детектор 174, имеющий линейную характеристику, интегратор 175, который представляет собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания ΔF_u=1/Т, где Т=0,5 сек (длительность символа), схему выбора максимума 179, обеспечивающую отбор максимального сигнала для последующего сравнения его с заданным порогом, решающую схему 180, построенную на основании критерия идеального наблюдателя, поскольку весомость ошибок типа "ложная тревога" и типа "пропуск сигнала" можно считать одинаковым, то порог в схеме выбран из условия минимизации полной вероятности ошибки, при этом после превышения порога в схему выбора максимума 140 поступает команда на отключение канала с максимальным сигналом.

Таким образом, обработка сигнала при приеме сообщения сводится к обнаружению отдельных тональных сигналов с вероятностями F и D такими, чтобы сумма F+(1-D) не превышала 0,01, причем F+1-D.

Навигационно-управляющий модуль 7 при нахождении зонда на поверхности предназначен для приема командных сигналов на включение той или иной аппаратуры через программно-управляющую аппаратуру 5, установленную на зонде. Кроме того, навигационно-управляющий модуль 7 принимает от спутниковой навигационной системы координаты местонахождения зонда при его нахождении на водной поверхности в географической системе координат посредством приемоиндикатора 103 и антенно-фидерного устройства 104. Посредством гироазимутгоринткомпаса системы динамической стабилизации 107 вырабатываются курс К, углы качки (θ, ψ), угловые скорости качек и рыскания, угловые ускорения качек и рыскания, линейные ускорения. Навигационно-управляющий модуль 7 также обеспечивает выработку координат (φ, λ), скорость перемещения по водной поверхности по приращению координат, высоту волн 3% обеспеченности в соответствии с известными алгоритмами, которые заключаются в следующем (см. например, описание к патенту РФ №2270464).

В основу измерения профиля волнения положен интегральный метод, основанный на косвенном определении профиля волнения исходя лишь из данных о вертикальной скорости перемещения зонда на водной поверхности в соответствии с зависимостью

где S - перемещение устройства за время Т;

V(t) - скорость перемещения зонда.

Перемещение устройства в конкретный момент определяют по формуле

где S(t) - положение устройства в текущий момент;

S₀ - положение устройства в предыдущий момент;

а - ускорение.

Данный метод позволяет полностью исключить из обработки грубые измерения высоты и получить информацию о движении зонда лишь по высокоточным данным о скорости.

Для исключения сильно зашумленных кодовых измерений высоты фазовыми скоростями перемещений зонда применен субоптимальный фильтр. Текущая оценка Z_i с помощью любого линейного фильтра в виде суммы прогноза Z_i и фильтрованной оценки текущего измерения:

где Z_i ^eci - текущее значение измерения;

α - коэффициент передачи, определяет постоянную времени фильтра α=1τ_с;

Поскольку оценка Z формируется в спутниковых приемниках из высокоточных фазовых измерений, воспроизводящих динамику зонда с миллиметровой (субмиллиметровой) точностью формула (2) определяет самый высокоточный прогноз для любого линейного фильтра спутниковых измерений. Подставляя (2) в (1) получим α-БИХ фильтр, оптимальным образом сглаживающий кодовые измерения фазовыми:

Результатом обработки являются оптимальным образом сглаженные кодовые измерения, однако данный фильтр не может убрать постоянный низкочастотный тренд ошибок высотных измерений в силу достаточно большой величины α. Для исключения этого тренда достаточно применить к уже сглаженной оценке этот же самый фильтр повторно, но с большим коэффициентом α (глубокое сглаживание). Анализ низкочастотного шума позволяет сделать вывод, что компромиссным вариантом будет выбор α=0,151/с. Далее выполняется центрирование (вычитание из оценки тренда). После исключения тренда производится вычисление дисперсии полученной центрированной оценки:

где H_i - значения центрированного тренда,

N - количество значений в выборке.

Амплитуда колебаний выводится через дисперсию А=2σ², где А - искомая амплитуда, σ -средняя квадратическая ошибка.

Далее производится вычисление периода волн, методом подсчета числа пересечений волновым профилем нулевой линии.

При этом посредством спутниковой навигационной системы типа СН-3800 определяется вектор скорости течения водной поверхности по изменению горизонтального перемещения зонда.

Высота волны h_i определяется как h_i=r₁+r₂, где r₁ - высота предыдущего полупериода, r₂ - высота последующего полупериода. При наличии нескольких одинаковых максимальных амплитуд за полупериод для расчета высоты волны используется любая из них. После определения значений высот волн и их количества в реализации рассчитывается среднее значение высоты волны -

где m - число волн