Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы дистанционного измерения расстояний 7
1.1 Методы эхолокации 7
1.2 Методы активного ответа 12
1.3 Спутниковые системы 14
Глава 2 Радиоакустический метод измерения слабых течений 27
2.1. Радиоакустический способ измерения расстояний 27
2.2 Метод измерения слабых течений с помощью дрейфующих буев и радиоакустического способа 33
2.3 Математическая модель метода измерения слабых течений 36
2.4. Компьютерное моделирование измерения расстояний и оценка погрешностей 43
Глава 3 Разработка требований к техническому комплексу 56
3.1 Общие требования 56
3.2 Дрейфующий радиобуй 57
3.3 Стационарный радиобуй 59
3.4 Аппаратура сбора и обработки информации 60
3.5 Контрольно-проверочная аппаратура 61
Глава 4 Экспериментальная проверка макета системы измерения слабых приповерхностных течений 62
4.1 Краткое описание макета КИТ-Д 62
4.1.1 Состав макета КИТ-Д 62
4.1.2 Принцип действия КИТ-Д 62
4.2 Макет дрейфующего радиобуя РБ-Д 68
4.2.1 Электронная аппаратура макета РБ-Д 68
4.2.2 Конструкция макета радиобуя РБ-Д 72
4.3 Бортовая аппаратура макета КИТ-Д 74
4.3.1 Бортовая аппаратура радиоакустического дальномера 74
4.3.2 Аппаратура системы спутниковой радионавигации 78
4.3.3 Устройства электропитания 80
4.4 Результаты экспериментальной проверки макета КИТ-Д 81
4.4.1 Цель и задачи экспериментальной проверки макета 81
4.4.2 Результаты проверки макета КИТ -Д в лабораторных условиях 83
4.4.3 Оценка точности измерения небольших расстояний с использованием радиоакустического дальномера 91
4.4.4 Результаты эксперимента на озере «Красное» 96
Глава 5 Методика измерения скорости слабых приповерхностных течений с помощью макета аппаратуры КИТ-Д 108
5.1 Условия проведения измерений 108
5.2 Техническое обеспечение 108
5.3 Требования к размещению аппаратуры 108
5.4 Порядок действий в ходе проведения измерений 109
Заключение 111
Литература 113
Приложение 121
- Методы эхолокации
- Радиоакустический способ измерения расстояний
- Дрейфующий радиобуй
- Краткое описание макета КИТ-Д
Введение к работе
Интенсивное развитие технического прогресса, использование природных ресурсов в интересах людей приводит к экологическим изменениям и катастрофам в окружающей нас природе. Создание геоинформационных систем направлено на определенный контроль за текущими изменениями в природе и выработке предсказаний о возможных изменениях. Водные ресурсы одно из главных государственных богатств и контроль за его состоянием одна из важнейших государственных задач. Водные просторы страны - реки озера, моря и океаны, требуют к себе постоянного внимания. Вид рек, озер, количество воды в них, скорость их течений значительно изменяется в течение года. Эти изменения связаны, прежде всего, со сменой сезонов года, с таянием снега, засухами, дождями, - т.е. теми естественными факторами, которые определяют поступление в них питающих их вод. Много видных ученых посвятили свои исследования изучению мирового океана, морей, озер, рек. Академики В.И. Ильичев, В.А. Акуличев, ученые М.А. Науменко, Ю.Н. Моргунов, Г.В. Шевченко, В.К.Лесненко, Л.Л. Ильина, Е.А. Лойко и др. Геоинформационные системы, обязанные осуществлять постояннии мониторинг контроля состояния водных ресурсов не справляются со своей задачей из-за отсутствия достаточного количества точных мобильных приборов контроля движения водных масс. Как ни странно, но точно измерять медленные приповерхностные течения оказалось сложной задачей и потребовало поиска новых методов измерений с учетом экономических возможностей и ресурсов. В настоящее время такие измерения для рек и озер выполняются вручную, требуют много времени и не дают полной картины течений в реках и озерах. Исследования и разработки данной диссертации выполнялись в соответствии с программой гидрофизических исследований РАН в Санкт-Петербургской лаборатории Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева.
Постановка и решение задачи измерения слабых приповерхностных течений водоемов: рек, озер, морей и океанов несомненно актуальны.
5 В диссертации была поставлена и решена задача анализа методов измерений, разработан и экспериментально проверен радиоакустический метод, дающий измерения слабых приповерхностных течений с помощью дрейфующих буев с необходимой точностью.
В первой главе «Методы дистанционного измерения расстояний» рассматриваются основные методы локации для определения местоположения объектов. Выделены акустическая локация, радиолокация и оптическая локация, которые работают в разных частотных диапазонах и имеют определенные преимущества и недостатки при решении задач локации в различных природных условиях. Достаточно подробно рассмотрены спутниковые системы навигации: американская GPS (Navstar), российская ГЛОНАСС и создаваемая европейская Galileo их состояние и перспективы. Сделана оценка возможности их использования для рассматриваемой задачи.
Во второй главе «Радиоакустический метод измерения слабых течений» предложен радиоакустический метод измерения расстояний. Разработан метод измерений слабых течений (0-20 см/с) на базе дрейфующих буев. Предложена математическая модель метода измерений, сделана оценка точности метода и расчет погрешностей, возникающих при влиянии различных факторов в процессе измерений.
В третьей главе «Разработка требований к техническому комплексу» на основе полученных во второй главе теоретических результатов предложены требования к экспериментальному макету технического комплекса для проведения измерений.
В четвертой главе «Экспериментальная проверка макета системы измерения слабых приповерхностных течений» дается описание макета технического комплекса для проведения экспериментальных проверок предложенного метода, рассмотрены характеристики технических средств и влияние их на результаты эксперимента. Рассмотрены результаты проведенного лабораторного эксперимента (Санкт-Петербург) и натурного эксперимента (на озере
«Красное», Карельский перешеек), на основе которых даны предложения о дальнейшем развитии исследований и работ.
В пятой главе «Методика измерения скорости слабых приповерхностных течений с помощью макета аппаратуры КИТ-Д» представлена методика проведения экспериментов с использованием радиоакустического метода, разработанная на основе полученного опыта в данной работе.
Заключение содержит основные результаты исследований и разработок и предложения по дальнейшему развитию данной работы.
Приложение содержит:
Основные характеристики некоторых приемников системы спутниковой радионавигации;
Описание автономного измерителя гидрологических параметров "ВЕКТОР-2";
3. Текст программы, написанный на алгоритмическом языке C++ «Слеже
ние и поиск дрейфующего буя в сложных условиях видимости с использова
нием спасательного бота и судна».
Методы эхолокации
Локация - это совокупность методов обнаружения, измерения координат, а также распознавания формы удалённых объектов с помощью электромагнитных волн.
Принцип эхолокации заключается в посылке в пространство электромагнитного сигнала и прием его после отражения от удаленного предмета, измеряя время прохождения сигнала от момента посылки до момента приема и, зная скорость распространения сигнала, вычисляют расстояние до предмета. Акустическая локация использует низкочастотный диапазон электромагнитных волн - звуковой и ультразвуковой (от нескольких герц до десятков килогерц). Радиолокация использует радиодиапазон, но в большей степени СВЧ (длина волны от 8 см до 1 мм). Оптическая локация использует оптический диапазон — от инфракрасных лучей до ультрафиолетовых лучей (длина волны от 700 нм до 300 нм).
Необходимо отметить, что скорости распространения электромагнитных волн зависят от длины волны (частоты) и свойств той среды, в которой они распространяются. Немаловажное значение имеет и затухание при прохождении сигналов через среду. Поэтому точность измерений зависит от вышеназванных параметров.
Акустические локаторы широко используются для измерения водных глубин (эхолоты). Промышленность выпускает локаторы для определения косяков рыб. В последнее время появились разработки систем предупреждения столкновения автомобиля при движении задним ходом с находящимися сзади на небольшом удалении (до 2 метров) предметами. Акустические локаторы используются также для измерения параметров атмосферы (скорость ветра, загрязненность, температуры слоев и др.).
Для рассматриваемой здесь тематики измерений течений наибольший интерес представляет недавно предложенный акустический метод дистанционного мониторинга течений в прибрежных районах океана. Новый подход, получивший название метода согласованной невзаимности (МСН), представляет собой дальнейшее развитие традиционной акустической томографии течений применительно к условиям мелкого моря. В качестве зондирующего сигнала для измерения течений используются низкочастотные звуковые волны. МСН позволит получать в реальном времени карты течений в области, простирающейся на десятки и сотни километров по горизонтали и охватывающей водную толщу от поверхности до дна океана. Такие карты важны для решения крупных научных проблем, в частности, мониторинга изменений климата и верификации моделей глобальной циркуляции. МСН позволяет преодолеть ограничения, присущие предложенным ранее методам мониторинга. МСН опирается на достигнутый в последние годы прогресс в теории и математическом моделировании распространения звука в неоднородных движущихся средах, а также в использовании метода согласованного поля для решения обратных томографических задач. Физической основой МСН является выбор в качестве измеряемой величины такой характеристики акустического поля, которая чувствительна к профилю течения, но нечувствительна к вариациям скорости звука и топографии дна. В силу этого МСН приводит к устойчивому решению обратной задачи относительно вертикальной зависимости скорости течения. Развитие методов акустической томографии течений рассматривается с точки зрения их пригодности для мониторинга динамики океана в прибрежной зоне. Обсуждаются также возможные приложения МСН к решению других океанографических задач.
Помимо МСН, известны четыре акустических подхода, потенциально пригодных для мониторинга течений в прибрежной зоне: традиционная томография [14-19, 58-62], высокочастотные методы [31, 32, 63, 64], модовая томография [33, 34], и сцинтилляционный метод [77, 78]. В литературе рассматриваются и другие схемы решения обратной задачи восстановления поля скорости течения по данным измерений звуковых полей [65]. Эти работы содержат интересные теоретические результаты. В частности, они проливают свет, как на сходство, так и на существующие качественные отличия между обратными задачами определения неизвестных скалярных (скорость звука, плотность) и векторных (скорость потока) параметров среды. Однако, упомянутые исследования, во-первых, были основаны на идеализации среды и волнового поля, которые не отражают реальной сложности процесса распространения звука в мелком море. Во-вторых, как правило, предполагалось наличие входной информации в объеме, который не может быть получен в морском эксперименте. Поэтому работы [58-83] не привели к разработке метода, непосредственно применимого для томографии течений в океане.
Оптические локаторы позволяют с высокой точностью (до нескольких десятков сантиметров) производить картографирование земной поверхности, поверхности Луны, определять расстояние до облаков, самолётов, космических, надводных и подводных (используя зелёный участок спектра) объектов, исследовать распределение инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере. Практически создание оптических локаторов с большой дальностью действия, высокой точностью и разрешающей способностью стало возможным только с появлением таких мощных источников когерентного излучения, как оптические квантовые генераторы — лазеры. Оптический локатор облучает объект с помощью передатчика и принимает отражённое от него излучение при помощи приёмника. Электрический сигнал на выходе приёмника содержит информацию о параметрах лоцируемого объекта; характеристики этого сигнала в среднем пропорциональны координатам объекта. Вследствие квантового характера взаимодействия лазерного излучения с детектором приёмника и когерентности лазерного излучения методы обработки сигнала в оптическом локаторе являются статистическими. Если оптический локатор определяет только расстояние до объектов, он называется электрооптическим дальномером.
Радиоакустический способ измерения расстояний
В данной работе предлагается повысить точность измерений расстояний не за счет повышения точности измерения времени, что встречает, как уже отмечалось, определенные трудности, а путем использования измерительного сигнала, имеющего малую скорость распространения. Сущность предлагаемого способа состоит в совместном использовании акустических и радио волн (сигналов). Акустические волны, скорость распространения которых, примерно, в миллион раз меньше скорости распространения радиоволн, предлагается применять в качестве измерительного сигнала, а сверхбыстрые радиоволны в качестве переносчика информации о времени излучения и приема акустических сигналов. Для оценки идеи радиоакустического способа необходимо рассмотреть условия, при которых данный метод обеспечит необходимую точность измерений. Так как точность измерений расстояний будет зависит от значений скоростей распространения акустических и электромагнитных волн в атмосфере, то необходимо сделать оценки определения скоростей распространения акустических и электромагнитных волн в различных природных условиях. Скорости распространения акустических волн зависят от той среды, в которой они распространяются, от температуры воздуха, давления, скорости ветра и его направления по отношению к линии измерений. Измерение скорости перемещения звука начали проводить несколько веков назад. Теоретические исследования Ньютона (1687 г.) [48] дали скорость звука в воздухе при температуре О С равной 279,945 м/с. Экспериментальные измерения дали следующие результаты: Академия наук Франции (1738 г.) -332 м/с, Бенценберг (1811 г.)-333,7 и 332,3 м/с, Голдингхем( 1821 г.)-331,1 м/с, Бюро долгот (1822 г.) - 330,6 м/с, Молль и ван Беек - 332,2 м/с, Штамп- фер и Мирбак - 332,4 м/с, Браве и Мартен (1844 г.) - 332,4 м/с, Вертгейм - 321,6 м/с, Стон (1871 г.) - 332,4 м/с, Ле-Ру - 330,7 м/с, Реньо - 330,7 м/с. Как видно из приведенных данных экспериментальные измерения сильно отличаются от теоретических выводов Ньютона. Экпериментальные данные отличаются друг от друга максимум на 3 м/с, что составляет 1%. Далее проведенные исследования [10,47] выявили, что в газообразных скорость звука зависит от плотности среды и статического атмосферного давления и имеет линейную зависимость от температуры при нормальном атмосферном давлении. С увеличением температуры скорость звука растет, при изменении температуры на 50 скорость звука изменяется на 10%. При уменьшении плотности воздуха (подъем над уровнем моря) скорость звука снижается. На высоте 10 км скорость звука будет составлять 90% от скорости звука над уровнем моря. Если погодные условия меняются, то необходимо при расчетах измерять и учитывать значение температуры, плотность и направление ветра. Так как измерение этих параметров атмосферы также дают погрешности, то желательно проводить тестовые измерения скорости звука между фиксированными точками, что может иметь более точное значение скорости звука, чем расчетное. Далее необходимо оценить измерение распространения электромагнитных волн (оптических и радиоволн). Измерением скорости света как и звука ученые занимались давно [3]. В 1849 году французский физик Луи Физо получил скорость света около 312 000 км/с. В 1855 году Фуко получил скорость света 298 000 км/с, другой исследователь Альфред Корню в 1872 измерил скорость света 300 000 км/с, Альберт Майкельсон усовершенствовав метод Фуко более точно измерил в 1877 году скорость света 300 092 км/с. Современные исследования [2-9] показывают, что скорость электромагнитных волн в атмосфере в приземном слое зависят от температуры, давления и влажности воздуха, что приводит к изменению электрических свойств атмосферы и преломлению радиоволн. Особое внимание следует уделить появлению слоистых неоднородностей (инверсий, температуры) в приводном слое. Появление инверсий препятствует вертикальному движению воздуха и потому приводит к изменению влажности воздуха и скорости ветра, а это влияет на скорость распространения радиоволн. При проведении измерений над водной поверхностью особенно при больших волнениях требуется учитывать возможные отклонения скоростей распространения как акустических так и радиоволн.
Дрейфующий радиобуй
Дрейфующий буй в рассматриваемом комплексе является основным элементом. В идеале конструкция дрейфующего буя, предназначенного для измерения скорости течения, должна обеспечивать его движение в заданном слое (на заданной глубине) без проскальзывания относительно среды. Такому требованию полностью отвечают только буи, элементы конструкции которых, не выходят за пределы заданного слоя воды. Это буи с автоматически управляемой плавучестью - сложное, точное и дорогое устройство. Целесообразно создать дрейфующий буй на базе авиационного буя РГБ-16 [5], который остается на плаву, благодаря нерегулируемому запасу плавучести (рис. З.1.). Так как, какая-то часть такого буя всегда должна находиться над поверхностью воды и весь буй в одном слое среды находиться не может. Даже в слое, непосредственно прилегающем к поверхности, поскольку часть буя находится в воздухе. Следовательно, должны быть выполнены требования: - предусмотреть меры, обеспечивающие снижение скорости проскальзывания буя относительно заданного слоя среды до приемлемого значения; - определить скорость проскальзывания в процессе работы; - предусмотреть возможность изменения глубины слоя, скорость которого измеряется; - ограничить диапазон глубин 1 - Юм с дискретностью регулировки глубины в 1м. Максимальная глубина ограничена значением Юм в связи с тем, что по техническим условиям на РГБ-16 его корпус должен выдерживать внешнее давление в одну атмосферу, что соответствует указанному заглублению. В процессе работы, при необходимости, можно экспериментально определить значение допустимой глубины погружения корпуса. Для технологического обслуживания РБ-Д должны быть предусмотрены устройства для постановки и выборки его из воды. Буй должен быть рассчитан на непрерывную работу в дрейфе не менее 10 часов. Электронная аппаратура буя должна обеспечивать прием акустических сигналов, распространяющихся в воздухе, и ретрансляцию принятых сигналов в радиодиапазоне. Рабочая полоса принимаемых акустических сигналов выбрана 10-12 кГц. В целях экономии электроэнергии должна быть предусмотрена возможность дистанционного управления работой радиопередатчика и других устройств буя. Дело в том, что время дрейфа буя, необходимое для получения приемлемой точности, может составлять несколько часов. Время, необходимое для измерения удаления буя или определение его координат, составляет несколько секунд. В интервале между сеансами измерения радиопередатчик может быть выключен. Это обеспечит значительную экономию электроэнергии. Дрейфующий буй имеет над поверхностью воды только штангу с радиоантенной, поэтому он обладает слабой заметностью и должны быть предусмотрены меры, облегчающие поиск и обнаружение буя в любых ситуациях. 3.3 Стационарный радиобуй Стационарный радиобуй РБ-С предназначен для обозначения точки начала дрейфа РБ-Д и должен в комплексе с дрейфующим буем и аппаратурой сбора информации РПА обеспечивать прямое измерение расстояния Р, на которое удалился РБ-Д от этой точки за время дрейфа. РБ-С должен устанавливаться в заданной точке на якоре с туго натянутым буйрепом. Диапазон рабочих глубин 5-30м. Отклонение буя от среднего положения при изменении скорости ветра в диапазоне 0 - 3м/сек и скорости течения в диапазоне 0 - 20см/сек при глубине места 30м не должно превышать 50см. Электронная аппаратура РБ-С должна обеспечивать: - излучение акустических импульсных сигналов в воздухе; - передачу по радио методом ЧМ сигналов, соответствующих моментам излучения акустических сигналов. Акустические сигналы должны иметь следующие характеристики в воздушной среде: - уровень излучаемых сигналов на оси излучателя, (приведенный к 1м) 20 Па; - сектор излучения в горизонтальной плоскости 360; - сектор излучения в вертикальной плоскости ±30; - длительность импульса 1 мсек; - рабочая частота 10-12 кГц.
Краткое описание макета КИТ-Д
Аппаратура, описание которой, приведено в данном разделе, строго говоря, позволяет измерить скорость Сб перемещения дрейфующего радиобуя РБ-Д. Конструкция РБ-Д такова, что он перемещается вместе с слоем воды (Н ± А), в котором находится его корпус (гермоотсек). Проскальзывание корпуса буя относительно воды незначительно и скорость дрейфа буя Сб практически равна средней скорости течения Ст (Н) в слое 2А на глубине Н. Данное свойство РБ-Д позволяет использовать его в качестве маркера течения. Для оценки расстояния между начальной и конечной точкой движения буя Рнк используются аппаратура спутниковой системы радионавигации (СРН) и радиоакустический дальномер (РАД). В рассматриваемом случае РАД используется для измерения расстояния между точкой судна, где установлена антенна СРН, и микрофоном РБ-Д. В одной из заданных точек (А - антенна СРН), расстояние Раб между которыми необходимо измерить, в момент времени Тиа излучают акустический (звуковой) сигнал. В другой точке (Б - буй) этот акустический сигнал принимают и в момент его приема Тпа излучают радиосигнал. Момент приема радиосигнала Тпр на судне практически совпадает с моментом приема акустического сигнала в точке Б, так как время распространения радиосигнала на расстояние порядка сотен метров пренебрежимо мало (несколько мкс). Следовательно, можно считать, что Тпр = Тпа. Поэтому расстояние между точками А и Б рассчитывают по формуле Раб = Сзх(Тпр-Тиа), где Сз - скорость распространения акустического сигнала. Эксперимент по измерению скорости течения с использованием КИТ-Д проводится следующим образом. Выставляют РБ-Д в заданном участке (точке) водоема на рис. 4.2 в точке Н. Фиксируется время начало дрейфа Тн и координаты точки Н. В некоторый, рационально выбранный момент времени Тк фиксируют координаты точки К, в которую переместился РБ-Д. Затем определяют расстояние Рнк, между точкой Н и точкой К. Координаты РБ-Д определяют следующим образом. В заданный момент времени (Тн или Тк) фиксируют по данным СРН координаты точки судна, в которой установлена антенна СРН, одновременно с помощью РАД измеряют удаление РБ-Д от заданных точек (О и Д) судна (Рон, Рдн или Рок, Рдк). Одновременно в моменты времени Тн и Тк с помощью РАД определяют расстояния Рон и Рдн (Рок и Рдк) от задан- ных точек судна до РБ-Д (рис. 4.3 ). Эта информация позволяет определить положение РБ-Д относительно судна. Одна из заданных точек на судне (основная) должна совпадать с точкой размещения антенны СРН, а вторая точка ( дополнительная ) удалена на некоторое расстояние В от антенны СРН по линии, параллельной осевой линии ПС. Измерив, удаление РБ-Д от основного (Ро) и дополнительного (Рд) излучателей, можно определить не только удаление буя от антенны (Ро), но и его курсовой угол. Если ситуация позволяет определить пеленг на буй из точки размещения антенны СРН с помощью других средств (например, на судне есть оптический пеленгатор и метеоусловия позволяют запеленговать с его помощью РБ-Д), расстояние Рд можно было бы не измерять. Однако не стоит отказываться от возможности получить на всякий случай дополнительную информацию. - с помощью РАД измерить удаления РБ-Д от заданных точек на судне Рон и Рдн , Рок и Рдк; - с помощью судового оптического пеленгатора определить направление на РБ-Д из точки установки антенны СРН (пеленги Пбн и Пбк); - с помощью аппаратуры СРН определить координаты точек Не и Кс, в которых ПС находилось в моменты Тн и Тк, расстояние Рнкс между
