Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах
Рассматриваются особенности измерения частоты в доплеровском лаге при работе на малых глубинах, производится анализ и уточняются процедуры измерения частоты доплеровского эхо-сигнала. Розглянуто особливості виміру частоти в доплерівському лазі при роботі на малих глибинах, проводиться аналіз та уточ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2006
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19178 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах / А.П. Мартынюк // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 84-88. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860110046776524800 |
|---|---|
| author | Мартынюк, А.П. |
| author_facet | Мартынюк, А.П. |
| citation_txt | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах / А.П. Мартынюк // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 84-88. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| description | Рассматриваются особенности измерения частоты в доплеровском лаге при работе на малых глубинах, производится анализ и уточняются процедуры измерения частоты доплеровского эхо-сигнала.
Розглянуто особливості виміру частоти в доплерівському лазі при роботі на малих глибинах, проводиться аналіз та уточнюються процедури вимірювання частоти доплерівського ехо-сигналу.
The features of frequency measurement in dopler log are examined when operating at small depths, an analysis of dopler echo-signal frequency measurement is made and procedures are specified.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:33:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
84
УДК 681.883.482
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ
ДОППЛЕРОВСКИМ ЛАГОМ НА МАЛЫХ ГЛУБИНАХ
© А.П. Мартынюк, 2006
АО НИИ «RIF-ACVAAPARAT», г. Бэлць (Республика Молдова)
Розглянуто особливості виміру частоти в доплерівському лазі при роботі на малих глибинах,
проводиться аналіз та уточнюються процедури вимірювання частоти доплерівського ехо-сигналу.
Рассматриваются особенности измерения частоты в доплеровском лаге при работе на малых глубинах,
производится анализ и уточняются процедуры измерения частоты доплеровского эхо-сигнала.
The features of frequency measurement in dopler log are examined when operating at small depths, an analysis
of dopler echo-signal frequency measurement is made and procedures are specified.
Основной характеристикой доплеровских лагов является погрешность измерения
скорости.
Как известно, в доплеровском лаге автоматизируется решение следующей формулы
V = fд/Кv, где V – скорость носителя, Кv=const, а fд – доплеровское приращение частоты,
поэтому точность определения V в отсутствие дестабилизирующих факторов определяется, в
частности, точностью измерения fд.
В общем случае погрешности разделяются на систематические и случайные
(флюктуационные) и их характеристики достаточно полно представлены в [1].
Общепринятый способ компенсации систематических погрешностей – калибровка
лага в условиях полигона.
Для доплеровских лагов, использующих импульсный режим излучения,
флюктуационная погрешность измерения при отсутствии дестабилизирующих факторов
определяется как
2 2
p f τσ = σ +σ , (1)
где σf – флюктуационная погрешность за счет стохастического характера доплеровского
эхо-сигнала;
στ – погрешность за счет импульсного режима излучения.
Эффективным способом снижения флюктуационной погрешности является их
сглаживание путем временного осреднения.
Степень уменьшения флюктуационной погрешности за счет стохастического
характера доплеровского спектра эхо-сигнала определяется следующим выражением
к
f f
0
τ
σ =σ · ,
T
(2)
где fσ – значение погрешности, осредненное на интервале Т0;
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
85
σf – погрешность единичного измерения, чаще всего f
∆f
σ =
2
(∆f – ширина
доплеровского спектра по уровню минус 3 дБ);
τк – временной интервал корреляции доплеровской частоты;
Т0 – время осреднения.
Флюктуационная погрешность за счет импульсного режима излучения определяется
следующим выражением
е
τ τ
0
τ
σ =σ · ,
T
(3)
где σ – значение погрешности, осредненное на интервале Т0;
στ– погрешность единичного измерения частоты;
τе – длительность единичного измерения частоты, чаще всего τe ≤ τи;
Т0 – время осреднения.
Известно, что спектр прямоугольного радиоимпульса с длительностью τи и частотой f
может, без учета доплеровского расширения, быть записан в виде [1,2]
и и п
и и п
sin(πτ (f -f ))
S(f)= ,
πτ (f -f )
(4)
где fи – несущая частота излучаемого радиоимпульса;
fп – частота принятого эхо-сигнала.
Делая допущение, что плотность вероятности погрешности измерения доплеровской
частоты пропорциональна спектральной плотности излученной энергии, средняя
квадратичная (с доверительной вероятностью 0,68) погрешность измерения частоты
равна [1]
τ
и
1
σ = .
4τ
(5)
Поскольку в лагах τи = f (H) = Кпроп · Н, где Кпроп – коэффициент пропорциональности,
то начиная с некоторых глубин в выражении (1) погрешность στ начнет доминировать.
Соотношение (5), казалось бы, и определяет потенциальную точность лага при работе
на малых глубинах. Однако данный вывод справедлив для случая, когда измерение
основывается на спектральном анализе и оценка ведется в частотной области.
Достаточно эффективно решить задачу снижения погрешности за счет малой
длительности τи на малых глубинах позволяют методы измерения, основанные на измерении
частоты эхо-сигнала во временной области. Перед рассмотрением необходимо отметить, что
в доплеровских лагах ∆f << fп.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
86
А. Метод счета нулей
Метод широко известен. Используется в благоприятных энергетических условиях.
Основан на измерении несущей частоты путем счета количества переходов через ноль
напряжения доплеровского эхо-сигнала на мерном интервале измерения.
Несмотря на то, что всякий счетчик нулей определяет не среднее, а
среднеквадратичное значение частоты, которое всегда выше среднего значения Fcр.д, для
строго узкополосных сигналов, каковым является эхо-сигнал в доплеровском лаге, это
отличие незначительно, а с учетом использования в лаге антенны с янусной характеристикой
направленности, алгоритмически смещение в оценке частоты и вовсе компенсируется.
На практике, с целью минимизации инструментальной погрешности, используется
измерение периода несущего колебания с последующим пересчетом периода в частоту.
Частоту определяют по формуле
и
изм 0
0
N
F = ×F
N ±1
, (6)
где N и, N 0 – количество переходов через ноль измеряемого и эталонного сигнала на
измерительном интервале;
F0 – тактовая частота эталонного сигнала.
Погрешность в определении частоты определяется единицей счета, которая
эффективно снижается путем повышения тактовой частоты F0.
Б. Метод производной
Известно, что эхо-сигнал с учетом узкополосности может рассматриваться как
квазигармонический случайный процесс.
Во временной области реализация эхо-сигнала в пределах τи может быть представлена
следующим выражением
S(t) = U(t)·cos(ωt+ϕ(t)), (7)
где U(t), ϕ(t) – функции, медленно меняющиеся во времени.
По определению [2], полная фаза реализации эхо-сигнала определяется как
Ф = ωt+ϕ(t), (8)
в тоже время полную фазу можно представить как арктангенс отношения квадратурной
(синусной) к синфазной (косинусной) составляющих огибающей реализации S(t) эхо-
сигнала.
Проведя преобразование Гильберта с реализацией эхо-сигнала S(t), определим
мгновенную частоту как производную полной фазы по времени
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
87
s
c
A (t)
d arctg
A (t)dΦ(t)
Ω= = ,
dt dt
(9)
где Ac(t), As(t) – соответственно, синфазная и квадратурная составляющие огибающей
реализации S(t) эхо-сигнала.
Перейдя к дискретному времени с учетом дискретизации с интервалом времени ∆t и
заменив дифференцирование отношением разности ∆Φ (t) к ∆t (при ∆t→0), получим
si+1 si
ci+1 cii
i
A A
arctg -arctg
A A∆Φ (t)
Ω (∆t)= =
∆t ∆t
,
(10)
si+1 si
ci+1 ci
i
A A
arctg -arctg
A A
F = ,
t·2π∆
(11)
где Aci, Asi – i–е дискретные выборки синфазной и квадратурной составляющих огибающей
реализации S(t) эхо-сигнала;
Fi – значение мгновенной частоты i-го единичного измерения.
За длительность импульса среднее значение частоты определяется как
m
i
i=1
F
F= ,
m
∑
(12)
где m – количество измерений, принятых к обработке (обычно m ≤ n–1, n – количество
выборок).
Как видно из (11), (12), результат вычисления частоты не зависит от длительности
импульса, а зависит от количества выборок реализации, погрешности дискрета времени,
точностью выборки при квантовании.
Для косвенных измерений среднеквадратичную погрешность результата единичного
измерения определим с использованием частных производных выражения (11) по формуле
2 2 2 2 2
e Aci Asi Aci+1 Asi+1 ∆t
c si ci+1 si+1
d(F) d(F) d(F) d(F) d(F)
δF = ·σ + ·σ + ·σ + ·σ + ·σ
dA dA dA dA d∆t
, (13)
где σAji – погрешности определения составляющих при квантовании;
σ∆t – погрешность временного дискрета.
Проведя дифференцирование и считая, что σAсi = σAsi = σAсi+1 = σAsi+1 = σA, получим
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
88
22
2 ∆t si+1 si
e A 2 2 2
ci+1 si+1 ci+1 ci
σ A A1 1
δF = σ + arctg -arctg
2π·∆t A +A (∆t) A A
. (14)
Погрешность при слабом шумовом воздействии (обычно при соотношении с/ш не
менее 20 дБ) определятся, в основном, точностью вычисления Aci и Asi, что определяется
разрядностью АЦП, а также погрешностью определения ∆t.
Формула (14) выражает важную особенность. Погрешность измерения мгновенной
частоты, определенной через аналитический сигнал, как отмечено в [3], не зависит от формы
измеряемого колебания и длительности импульса. Увеличивая количество выборок за
длительность импульса, значение средней мгновенной частоты, после исключения
аномальных порциальных измерений, результат измерения не выйдет за пределы ширины
доплеровского спектра непрерывного эхо-сигнала.
Отличие метода Б от известных, например метода, изложенного в [4], в том, что:
– за малую длительность τи производится n выборок и получается n–1 единичных
измерений частоты эхо-сигнала;
– результат измерения мгновенной частоты не зависит от длительности эхо-сигнала;
– для измерения не требуется вычисление комплексной корреляционной функции.
Вопрос соотношения средней частоты спектра эхо-сигнала и среднего значения
мгновенной частоты подробно рассмотрен в [5].
Необходимо отметить, что повышение достоверности измерения частоты заполнения
радиоимпульса по методу А или среднего значения мгновенной частоты по методу Б в
гидроакустическом доплеровском лаге может быть достигнуто за счет измерения частоты в
средней части импульсного эхо-сигнала [6].
Литература
1. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные
средства. – Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.
2. Гоноровский B.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1986.
3. Вакман Д.Е. Измерение частоты аналитического сигнала // Радиотехника и электроника. - том XXIV,
№5. - Издательство «Наука», 1979.
4. Львов К.П. Оценка спектрального момента. // Труды международной конференции «Прикладные
технологии гидроакустики и гидрофизики ГА-2006». - С-Петербург. - 2006.
5. Финк Л.М. Соотношение между спектром и мгновенной частотой сигнала. // Проблемы передачи
информации. – 1966. - т.2, вып.4. - С.26-38.
6. А.с. СССР №1700492 кл. G01. Измеритель частоты гидроакустического доплеровского лага
/С.Т.Барась, В.А.Мельник, А.П.Мартынюк, А.П.Кушнир. - 1991.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19178 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-8277 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:33:30Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Мартынюк, А.П. 2011-04-20T22:32:25Z 2011-04-20T22:32:25Z 2006 Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах / А.П. Мартынюк // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 84-88. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1815-8277 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19178 681.883.482 Рассматриваются особенности измерения частоты в доплеровском лаге при работе на малых глубинах, производится анализ и уточняются процедуры измерения частоты доплеровского эхо-сигнала. Розглянуто особливості виміру частоти в доплерівському лазі при роботі на малих глибинах, проводиться аналіз та уточнюються процедури вимірювання частоти доплерівського ехо-сигналу. The features of frequency measurement in dopler log are examined when operating at small depths, an analysis of dopler echo-signal frequency measurement is made and procedures are specified. ru Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах Деякі аспекти виміру швидкості доплерівським лагом на малих глибинах Article published earlier |
| spellingShingle | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах Мартынюк, А.П. |
| title | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| title_alt | Деякі аспекти виміру швидкості доплерівським лагом на малих глибинах |
| title_full | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| title_fullStr | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| title_full_unstemmed | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| title_short | Некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| title_sort | некоторые аспекты измерения скорости допплеровским лагом на малых глубинах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19178 |
| work_keys_str_mv | AT martynûkap nekotoryeaspektyizmereniâskorostidopplerovskimlagomnamalyhglubinah AT martynûkap deâkíaspektivimírušvidkostídoplerívsʹkimlagomnamalihglibinah |