Определение энергетической дальности действия гидролокатора и оценка погрешностей измерений

Министерство аграрной политики Украины

Государственный департамент рыбного хозяйства Украины

Керченский государственный морской технологический университет

Кафедра ²Судовождение²

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине ²Гидроакустические поисковые приборы²

вариант №5

Выполнил студент гр.

Руководитель: ст. преподаватель кафедры

Новоселов Д.А.

Керчь, 2013

РАЗДЕЛ 1

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ГИДРОЛОКАТОРА

1.1     Уравнение гидролокации

Для расчета энергетической дальности действия гидролокатора используется уравнение гидролокации в логарифмической форме:

DL=SL-2TL+TS-NL (I),

где DL - уровень обнаружения сигнала (Detektion Level), дБ;- уровень источника (Source Level), дБ;- потери на распространение (Transmission Loss), дБ;

TS - сила цели (Target Strength), дБ;

NL - уровень шумовой помехи (Noise Level), дБ.

.2 Уровень источника излучения

Уровень источника акустического излучения можно определить

из выражения :

=10 lgW+DI+170,9 [дБ/ мк Па],

где W - акустическая мощность источника, кВт;

= Wи*КПД(антенны)

и = 22,5 кВт ; КПД= 33 % ;= 22,5*0,33=7.425 кВт- индекс направленности, дБ.

Значение индекса направленности определяется выражением :

DI=10 lgS-20 lg l+10,99 ,

где S - площадь антенны, которая равна 0,005 м2;

l - длина звуковой волны, м.

Длина звуковой волны определяется по формуле: l=C/F ,

где C- скорость звука в воде , 1500 м/с;- рабочая частота ГАПП , 19,7кГц

l=1500/19700=0,07614 мI=10 lg0,005-20 lg 0,07614 +10,99=10,3474 дБ=10 lg(7425)+10,3474+170,9= 219,95 дБ

.3 Расчет силы цели

Отражательная способность промысловых объектов характеризуется уровнем эхосигнала в логарифмической форме - силой цели.

TS=10lg(Io/In),

где Io и In - интенсивности отраженного и падающего сигналов на расстоянии одного метра от объекта эхолокации. Так как отраженная интенсивность эхосигнала зависит от свойств объекта в каждом частном случае, то для рыбных объектов получены эмпирические выражения для расчета силы цели. В общем случае для рыб полученно выражение:

TS=19 lgL-0,9 lgF+10lgN-62 ,

где L - длина рыбы, равная 16 см;- частота сигнала, которая равна 19,7 кГц;

N - количество одиночныч рыб в косяке, можно определить, как :

N=V*S

где V - объем косяка, равный 90000 м3;- плотность скопления промысловых объектов, которая равна 16 шт/м3

N=90000*16 =1440000

TS=19*lg16-0.9*lg19,7+10*lg1440000-62=21,3дБ.

1.4 Расчет уровня шумовой помехи

Наиболее существенными шумовыми помехами влияющими на работу гидроакустической аппаратуры являются помехи двух видов: гидродинамические шумы, обусловленные движением судна и шумы обусловленные гидрометеорологическими факторами, то есть ветром, волнением.

Гидродинамические шумы обусловленные обтеканием корпуса судна водой и работой гребных винтов, создают помехи в работе гидроакустических приборов. В общем случае уровень шумовой помехи, создаваемый движением судна, можно оценить по выражению:

NL=30 lgV+9 lgW-20 lgF+23,46

где NL - уровень шумовой помехи, дБ;- водоизмещение судна, равное 800 т;- частота работы ГАПП, равная 19,7 кГц.- скорость судна, равная 5,8 уз.

NL=30 lg5,8+9 lg800-20 lg19,7+23,46

= 46,6001дБ

Для оценки уровня шумовых помех создаваемых морем можно воспользоваться выражением:

NLм=65,1+30 lgVв-50 lgF ,

где F - частота работы ГАПП , 19,7 кГц .в - скорость ветра равная 12,0м/с

м=65,1+30 lg12-50 lg19.7 = 32,7521 дБ.

Общая величина шумовой помехи представляет собой сумму рассмотренных помех:

NLΣ=NL+lg(1+10(NL-NLм)/20));

NLΣ= 46,6001+lg(1+10(46,6001-32,7521)/20))= 47,3728 дБ

1.5    Оценка порога обнаружения

Величина уровня обнаружения сигнала зависит от соотношения сигнал/шум на входе приемника. В случае присутствия эхосигнала на входе гидроакустической системы оператор может принять два решения:²сигнал есть² или ²сигнал нет². Вероятность того, что в случае присутствия сигнала принято правильное решение называется вероятностью обнаружения-P(D), а вероятность принятия решения ²сигнал есть² при его отсутствии - вероятностью ложной тревоги P(F). По известным P(D) и P(F) рассчитываем значение коэффициента обнаружения:

d= ,

где P(F)=0.003

P(D)=0.860

d=8,6621

Расчет порога обнаружения ведется по выражению:

DL=5 lgd+5 lg(ΔF)-5 lgt ,

где ΔF - полоса пропускания приемного тракта, Гц;

t- длительность эхосигнала (10-40)τ, c

τ =0,010с.

Так как косяк достаточно плотный, то внутрикосяковая реверберация не очень велика и длительность эхосигнала можно принять равной 10t, то есть t=0,1 с.

ΔF =330 Гц.

DL==5 lg8,6621+5 lg330-5 lg0,1= 22,2807 дБ.

.6 Потери на распостранение

Потери на распространение рассматриваются как суммарные потери на расширение фронта волны и потери вследствие затухания. Потери на распространение фронта волны в основном зависят от типа волновой поверхности. Так как размеры акустического источника по сравнению с дистанцией до объекта малы, то можно принять закон расширения волны сферическим и потери на распространение определять по выражению:

TL=20lgR,

где R-дистанция.

Для расчета потерь при распространении акустических сигналов в морской воде имеют значение потери на затухание. Эти потери определяютсяэффектами поглощения, рассеяния и утечкой энергии из звуковой среды. Выражение потерь с учетом поглощения для сферической волны определяется по выражению:

TL=20lgR+αR,

где α - коэффициент поглощения, дБ/км.

Для частот сигналов до 25 кГц коэффициент поглощения можно рассчитать по выражению:

α=0,0205*S*F2*Fт/(Fт2+F2)+0.0295*F2/Fт2,

где F-рабочая частота , 19,7 кГц

S-соленость ,3700/0

Fт-зависящая от температуры частота релаксации,

Fт=21,9*10(6-1520/(T+273))

где T-температура воды, 10˚С.

Fт=21,9*10(6-1520/(10+273)) =93,2007

α=0,0205*37* 19,72*93,2007/(93,20072+19,72)+0,0295*19,72/

,20072=3,0247 дБ/м

Окончательные рассчеты потерь при распространении зависят так же и от геометрических размеров цели. Так как размер цели соизмерим с площадью фронта падающей волны, то считаем эту цель пространственной и используем выражение для расчета потерь на распространение для пространственной цели, то есть

TL=20lgR+αR, ( II )

Для расчета величины энергетической дальности преобразуем выражение ( I ) к виду:

TLд=0.5(SL+TS-DL-NL)д=71,1596 дБ.

Величину энергетической дальности действия гидролокотора для данной цели определим из выражения (II). Используя метод последовательных приближений, сравниваем полученное значение со значением TLд, и получаем величину, равную: R= 1126,3м.

РАЗДЕЛ 2

РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ

(зона обнаружения)

Излучение акустических сигналов осуществляется не только по нормали к гидроакустической антенне, но и при отклонении от оси. Акустическая мощность имеет максимальное значение на оси излучения, и по этому направлению антенны гидроакустическая система обладает наибольшей энергетической дальностью, расчитанной в разделе 1. Диаграмму энергетической дальности получаем по диаграмме направленности и величине энергетической дальности действия. Диаграмму энергетической дальности можно вычислить из выражения :

*lgR+αR=TLд+D

где α-коэффициент поглощения, дБ/кмуровень направленности антенны, дБ.

Направленность антенны D, выраженная в логарифмической форме, и ее линейное значение G(Θ) связаны соотношением:

D=20*lgG(Θ)

Для круглой антенны характеристика направленности вычисляется по формуле:

где J-функция Бесселя первого рода;диаметр антенны, м

l -длина волны, м

На уровне основного лепестка диаграммы направленности функция Бесселя большого влияния не оказывает. Её заметное влияние начинает сказываться только начиная с первого бокового лепестка, а так как он не представляет для нас особого практического интереса, то функцией Бесселя можно пренебречь. Расчет диаграммы направленности произведен в табличной форме. Таблица расчетных значений представленна не полностью, так как в работе требуется представить диаграмму с изображением основного и первого боковых лепестков. Так как диаграмма представлена в полярных координатах, то в таблице приведены значения лишь первой половины данных. Вторая же половина является их зеркальным отображением.

РАЗДЕЛ 3

РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Основным фактором определяющим дальность действия гидроакустической системы является рефракция.

Рефракция или искривление звуковых лучей объясняется тем, что из-за неоднородности физических свойств морской воды скорость распространения звука в ней непрерывно меняется. Изменение скорости звука в основном определяется характером распределения температуры и солёности воды. Распределение t и S можно охарактеризовать их градиентом. То есть отношением изменения этих величин к еденице длинны.

Для построения геометрической картины распространения акустических лучей знать градиент скорости звука, который является функцией t и S.

При расчете градиентов С, t и S считаем, что в пределах дальности действия гидролокатора горизонтальное изменение этих величин равно 0 (за исключением прибрежных вод), а в пределах слоя по глубине они изменяются линейно. Рассчет градиентов производим по следующим формулам:

Gt=Dt/DZ

Gs=DS/DZ

Gc=0.0182+(4.587- 0.09t)Gt+1.31Gs,

где постоянная составляющая градиента скорости 0.0182(1/с) обусловлена влиянием градиента гидростатического давления.

Так как мы допустили, что t и С изменяются линейно по глубине, то траектория акустического луча будет достаточно близкой к окружности. Для построения дуги окружности в пределах заданного слоя необходимо знать радиус этой окружности и её центр.

Радиус кривизны траектории луча R определим по выражению:

R=Cs/Gc,

где Cs-постоянная Снеллиуса ;

Cs =C/sinq

Cs является постоянной величиной для данного луча, так как изменение скорости звука с глубиной сопровождается изменением угла наклонения q.

Так как луч входит в i-тый слой под некоторым углом, то центр окружности будет на перпендикуляре.

Уравнение окружности имеет вид: X2+Y2=R2.

Учитывая смещение центра окружности от начала координат a и b

a=Rsinq ; b=Rcosq +3 (3-заглубление антенны), уравнение примет вид:

(x-a)2+(y-b)2=R2

Для практического построения окружности преобразуем уравнение к виду:

x=(R2-(y-b)2)0.5+a

где R -радиус для данного слоя;

a, b-смещения центра окружности относительно начала координат;

y-текущее значение глубины;

x-дальность.

Рассчитываем x и y, понесколько значений для каждого слоя и строим траекторию акустического луча, учитывая, что для каждого последующего слоя центр окружности имеет дополнительное смещение.

При расчете траектории лучей воспользуемся табличной формой расчетов.

Расчет начального угла входа лучей в первый слой произведем исходя из предполагаемой глубины объекта промысла (~210 м) и заглубления антенны. Рассчитаем установочный угол наклона антенны:

b=arcsin((210-4)/Rmax)

b=10,53

где Rmax-энергетическая дальность действия гидролокатора рассчитанная в первом разделе.

Так как значение первоначального угла наклона антенны получилось достаточно малым, то расчетным значением пренебрегаем и устанавливаем половину ширины диаграммы направленности, то есть b=7.

Значение угла входа луча q=90-b

Для каждого последующего слоя значение q можно получить, если воспользоваться законом Снеллиуса

Ci/sinqi=C(i+1)/sinq(i+1) ; q(i+1)=arcsin(C(i+1)*sinqi/Ci).

По рассчитанным данным строится траектория акустического луча исходя из задания на курсовую работу.

РАЗДЕЛ 4

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ РЫБОПОИСКОВЫМИ ПРИБОРАМИ

4.1 Погрешность измерений дистанции от ошибок в скорости развёртки

Общее выражение для оценки величины систематической погрешности и её случайной составляющей:

DH=Hi(1 - (ti±s)/60)

где DH-погрешность измерения дистанции, м;текущее (измеренное) значение глубины, м;среднее значение из ряда измерений времени развёртки за контрольное число посылок,с;

s- среднеквадратическая погрешность измерения ti (из серии 5 измерений)

.2 Погрешность за отклонение скорости звука от стандартной

Расчёт производим по формуле:

DR=R(1-C/1500),

где С-среднее значение скорости звука по траектории; C=1482,75 м/с,измеренное значение дальности.=600M DR=6.9= 1126.3м DR=12.95

.3 Погрешность измерения дальности за рефракцию луча

Выражение погрешности наклонной дальности имеет вид:

DR=Rи-2Rsin(Rи*90˚/(p*R))= 3613,93.

Таблица зависимости погрешности дальности от рефракций акустического луча

По данным таблицы строим график зависимости погрешности дальности от рефракции акустического луча.

.5 Разрещающая способность по дальности и углу гидроакустических промысловых приборов

.5.1    Разрешаюшая способность по дальности

Общее выражение для разрешающей способности по глубине:

DH = R(1-cos(Q/2))+C*t/2*cosQ/2) ,

где DH-разрешающая способность, м;дальность (глубина) до объекта, м.;

Q/2-величина угла направленности на объект,град.;

t-длительность зондирующего импульса,с.:t=0.01расчётное значение скорости звука,м/с: C=1500

По данным таблицы строим диаграмму разрешающей способности.

Таблица разрешающей способности по дальности

РАЗДЕЛ 5

ТАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОИСКОВЫХ СИСТЕМ

.1 Построение траектории гидролокационной линии

Траектория гидролокационной линии строится для относительной оценки величины просматриваемой площади максимальным радиусом энергетической дальности для заданных параметров косяка рыбы.

В курсовой работе траектория гидролокационной линии построена в прямоугольных координатах. Значения перемещения по оси Х рассчитываем по формуле :

X=Rcosa+Vt , а по оси Y: Y=Rsina

где R= 691,6 м -энергетическая дальность обнаружения;

a- угол разворота антенны , aÎ(-60°;60°)текущее время, с;скорость движения судна, V= 5,8м/сек;

После построения траектории гидролокационной линии для различных секторов обзора пришли к выводу, что при данной скорости судна одним из наиболее оптимальных секторов является сектор 120°, так как в нем непросматриваемые участки (зоны тени) являются наиболее минимальными.

гидролокатор акустический поисковый

Таблица траекторий гидролокационной линии

Список использованной литературы

1. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчёты в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988.- 320 с.

2. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982.- 344 с.

3. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. - М.: Пищевая промышленность, 1978.- 312 с.

4. Кудрявцев В.И. Использование гидроакустики в рыбном хозяйстве. - М.: Пищевая промышленность, 1979.-280 с.

5. Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Пищевая промышленность, 1983.- 440 с.

6. Павлов Г.Н. Промысловые гидроакустические приборы. -М.: Агропромиздат, 1984. - 287 с.