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. 6.14 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 и , определяющих усреднённую форму импульса, и цен­трированных случайных процессов и ,являющихся отклонениями реальной формы импульсов от усреднённой:

. (6.18)

Первые слагаемые выражения (6.18) используются для оценки глубины под килем судна, аналогично тому, как это делается в эхолотах. Для получения информации о скорости судна используются и . Для этого в усилителях - преобра­зователях УП заменяются знаковыми функциями .

(6.19)

Рис. 6.14

Для измерения длительности положительных и отрицательных значений этих функ­ций ими модулируется непрерывная последовательность коротких импульсов, по­ступающая от генератора импульсов ГИ с частотой и постоянной скважностью. Преобразованный сигнал первой антенны подаётся в блок задержки, представляю­щий собой регистр сдвига РГ, управляемый импульсами, поступающими с частотой от регулируемого генератора тактовых импульсов РГТИ. Время задержки сигнала определяется количеством ячеек регистра сдвига и скоростью продвижения по нему сигнала. Последняя пропорциональна частоте . 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. 6.15). 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 T импульсов будет определять значения корреляционных функций

(6.20)

разнесённых по времени задержки на .

Рис. 6.15

Импульсы, подсчитанные интеграторами, поступают в вычитающее устройство ВУ, которое определяет разницу значений корреляционных функций. Знак этой раз­ницы указывает на положение максимума ВКФ относительно (рис. 6.16). При больше максимум находится справа от , при обратном неравенстве - слева. Если , то количество импульсов, поступающих с И1 и И 2, равны . Выходной сигнал ВУ управляет частотой , и, следовательно, скоростью продвижения сигнала в регистре сдвига. В результате 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 объемной реверберации, воз­никающим за счёт отражения от промежуточных слоев 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 слоев воды, расположенных вблизи корпуса судна.

Рис. 6.16

Использование импульсного характера излучения накладывает определенные ограничения на возможность вычисления скорости в ранках рассмотренного алго­ритма. Действительно, относительность реализации случайных процессов и ограничена длительностью импульса посылки и следовательно, вели­чина транспортного запаздывания может быть определена только в том случае, если она не превышает Т_я. 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:

(6.21)

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

Рис. 6.17

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 (рис.6.17), то максимум ВКФ будет иметь место тогда, когда антенна А₂ переместится в положе­ние , максимально близкое к точке В. При этом, изменится как расчетная база антенн (отре­зок А₂ не равен l/2), так и величина ВКФ.

В рассматриваемых условиях измеренная скорость судна , будет равна:

(6.22)

Как следует из выражения (6.22) найденная скорость судна не соответствует не истинной скорости v его движения, ни ее продольной составляющей . Довольно часто ее называют индицируемой или кажущейся.

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 не существенно.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение судового лага.

2. Как классифицируются судовые лаги?

3. Какой физический принцип положен в основу работы индукционного лага?

4. Объясните суть эффекта Доплера.

5. Почему однолучевые доплеровские гидроакустические лаги не используются?

6. В чем состоит суть работы корреляционного лага?