устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, содержащее блок управления, два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов, при этом возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки в разные стороны на одинаковый угол, а приемные электроды расположены на подводной поисковой установке так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки, причем возбуждающие электроды подключены к выходам блока управления, а приемные электроды подключены на входы блока управления, отличающееся тем, что приемные электроды каждого приемного диполя установлены на подводной поисковой установке в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве подводной поисковой установки используется автономный необитаемый подводный аппарат.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что место установки приемных электродов каждого приемного диполя на поверхности корпуса поисковой установки определяется как геометрическое место точек, образуемое серединами отрезков линий пересечения поверхности корпуса поисковой установки плоскостью, проходящей через оба полюса соответствующего излучающего электрического диполя, при ее повороте относительно оси этого диполя, причем концами отрезков линий пересечения являются полюса излучающего диполя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электромагнитных исследований и может быть использовано преимущественно для поиска, обнаружения, распознавания и отслеживания трасс подводных металлосодержащих протяженных объектов, в том числе и заиленных в донный грунт, например подводных трубопроводов, силовых кабелей и т.д.

Известно устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, содержащее блок управления и излучатель электромагнитного поля, выполненный в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки [1].

Основным недостатком этого известного устройства является сложность определения положения устройства относительно протяженного объекта. Определить положение известного устройства относительно металлосодержащего протяженного объекта можно только при многократном прохождении над объектом под разными углами.

Известно также устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, содержащее два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов, блок управления, объединяющий входящие в его состав генератор переменного напряжения, два коммутатора, селектор сигналов приемника и блок управления и преобразования сигналов, при этом возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты в разные стороны относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки на одинаковый угол, а приемные электроды расположены на подводной поисковой установке так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости поисковой подводной установки, возбуждающие электроды подключены к выходам блока управления, а приемные электроды подключены на входы блока управления [2].

Данное устройство для обнаружения металлосодержащих подводных объектов по функциональному назначению, своей технической сущности и по достигаемому техническому результату наиболее близко к заявленному устройству для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта (далее ПО) с борта подводной поисковой установки.

Основным недостатком известного устройства является изменение напряжений, наводящихся на приемных электродах, при движении поисковой установки с изменением высоты над дном, а также с изменением электропроводности грунта дна по ходу движения поисковой установки. Обусловлено это тем, что приемные диполи известного устройства повернуты относительно поперечной вертикальной осевой плоскости поисковой подводной установки в разные стороны на угол, равный углам поворота излучающих электрических диполей относительно продольной вертикальной осевой плоскости поисковой установки. Действительно, возбуждаемый излучающим диполем ток "растекается" по поверхности корпуса поисковой установки и в окружающую среду, протекая от одного электрода к другому. Симметрия излучаемого поля относительно оси электрического диполя при этом заметно нарушается, и на приемном диполе наводится э.д.с., обусловленная асимметрией поля. Из-за того, что отраженное от дна моря электрическое поле также асимметрично (благодаря зеркальности отражения), наводимые на приемных диполях напряжения будут изменяться как с изменением высоты движения поисковой установки над дном, так и с изменением электропроводности грунта дна по ходу движения поисковой установки, обусловливая так называемый эффект "влияния дна". Такие изменения напряжений на приемных диполях приводят к ошибкам измерения угла отклонения продольной оси поисковой установки от направления трассы прокладки ПО и в определении моментов пересечения трассы ПО.

В основу изобретения поставлена задача разработать такое устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, в котором напряжения на приемных диполях, обусловленные эффектом "влияния дна", были бы сведены к минимуму или не наводились бы вовсе и за счет этого увеличить точность измерения угла отклонения продольной оси подводной поисковой установки от направления трассы прокладки ПО и фиксирования моментов пересечения трассы ПО подводной поисковой установкой.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, содержащем блок управления, два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки, два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов, при этом возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки в разные стороны на одинаковый угол, а приемные электроды расположены на подводной поисковой установке так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости поисковой подводной установки, причем возбуждающие электроды подключены к выходам блока управления, а приемные электроды подключены на входы блока управления, приемные электроды каждого приемного диполя устанавливаются на подводной поисковой установке в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению.

В качестве подводной поисковой установки используется автономный необитаемый подводный аппарат (далее АНПА).

Место расположения приемных электродов каждого приемного диполя на поверхности корпуса АНПА определяется как геометрическое место точек, образуемое серединами отрезков линий пересечения поверхности корпуса АНПА плоскостью, проходящей через оба полюса соответствующего излучающего электрического диполя, при ее повороте относительно оси этого диполя, причем концами отрезков линий пересечения являются полюса излучающего диполя.

В заявленном устройстве для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки общими существенными признаками для этого устройства и для его прототипа являются:

- блок управления;

- два излучателя электромагнитного поля, каждый из которых выполнен в виде двух возбуждающих токовых электродов, установленных соответственно в носовой и кормовой частях подводной поисковой установки;

- два приемника электромагнитного поля в виде четырех приемных электродов;

- возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки таким образом, что образуемые ими два электрических диполя повернуты относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки в разные стороны на одинаковый угол;

- приемные электроды расположены на подводной поисковой установке так, что образуемые ими два приемных диполя повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки;

- возбуждающие электроды подключены к выходам блока управления;

- приемные электроды подключены на входы блока управления.

Сопоставительный анализ заявленного устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки и прототипа показывает, что первый имеет, в отличие от прототипа, следующий существенный признак:

- приемные электроды каждого приемного диполя установлены на подводной поисковой установке в местах, где потенциал электромагнитного поля, излучаемого соответствующим электрическим диполем, близок к нулевому значению.

Данная совокупность известных и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Признаки же, указанные ниже, характеризуют изобретение лишь в конкретных формах реализации отличительных существенных признаков устройства, но также существенным образом обеспечивают достижение технического результата:

- в качестве подводной поисковой установки используется автономный необитаемый подводный аппарат;

- место расположения приемных электродов каждого приемного диполя на поверхности корпуса автономного необитаемого подводного аппарата определяется как геометрическое место точек, образуемое серединами отрезков линий пересечения поверхности корпуса автономного необитаемого подводного аппарата плоскостью, проходящей через оба полюса соответствующего излучающего электрического диполя, при ее повороте относительно оси этого диполя, причем концами отрезков линий пересечения являются полюса излучающего диполя.

Такая совокупность всех существенных признаков заявленного устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки, используя автономный необитаемый подводный аппарат в качестве подводной поисковой установки, позволила:

- значительно снизить зависимость сигналов на приемных электродах от изменений высоты подводного аппарата над дном, а также от изменения электропроводности грунта дна по ходу движения подводного аппарата;

- повысить стабильность и точность фиксирования моментов пересечения трассы металлосодержащего протяженного подводного объекта;

- увеличить точность измерения углов отклонения продольной оси подводного аппарата от направления трассы металлосодержащего протяженного подводного объекта и за счет этого осуществить без сбоев проход вдоль всей трассы подводного объекта с управлением АНПА по сигналам устройства.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной новой совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

На чертежах представлено: на фиг.1 изображена блок-схема устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки; на фиг.2 показано расположение электродов по бортам поисковой установки, в качестве которой используется автономный необитаемый подводный аппарат, причем на фиг.2а дан вид с правого борта, а на фиг.2б - вид с кормы; на фиг.3 показан упрощенный вид поисковой установки с одним из излучающих диполей устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта и показана секущая плоскость, с помощью которой определяется расположение точек на поверхности корпуса поисковой установки с потенциалом электрического поля, близким к нулю; на фиг.4 показано расчетное расположение на поверхности корпуса поисковой установки точек с потенциалом излучаемого поля, близким к нулевому значению (вид с правого борта); на фиг.5 показана подводная поисковая установка (вид сверху) в момент прохождения над электропроводным протяженным объектом при его обнаружении; на фиг.6 показана подводная поисковая установка (вид сзади) в момент прохождения над электропроводным протяженным объектом при его отслеживании.

Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки (см. фиг.1) содержит блок управления 1, возбуждающие электроды 2, 3, 4, 5, приемные электроды 6, 7, 8. 9. Возбуждающие токовые электроды расположены в горизонтальной плоскости подводной поисковой установки 10 таким образом, что образуемые ими два электрических диполя А1˜В1 и А2˜В2 повернуты относительно продольной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки в разные стороны на одинаковый угол ₀. Приемные электроды расположены на подводной поисковой установке 10 так, что образуемые ими два приемных диполя M1˜N1 и M2˜N2 повернуты в разные стороны относительно поперечной вертикальной осевой плоскости подводной поисковой установки. Возбуждающие токовые электроды 2, 3, 4, 5 подключены соответственно к выходам 11, 12, 13, 14 блока управления 1. Приемные электроды 6, 7, 8, 9 подключены соответственно ко входам 15, 16, 17, 18 блока управления 1. Обмен информацией устройства с остальным оборудованием поисковой установки (прием команд, передача вырабатываемых устройством сигналов) производится через порт ввода-вывода 19. Приемные электроды 6, 7, образующие приемный диполь M1˜N1, расположены на поверхности поисковой установки 10 в местах, где потенциал напряжения возбуждаемого излучающим диполем А1˜В1 электрического поля при движении вдоль линии тока от одного полюса этого диполя к другому изменяет свой знак на противоположный, т.е. близок к нулю. Аналогично и приемные электроды 8, 9 расположены на поверхности поисковой установки 10 в местах, где потенциал напряжения возбуждаемого излучающим диполем А2˜В2 электрического поля также близок к нулю. Конкретное расположение приемных электродов по бортам подводной поисковой установки 10 зависит от геометрии поверхности ее корпуса.

На фиг.2, 3 показана поисковая установка, в качестве которой используется АНПА. Центральная часть 20 корпуса АНПА имеет форму цилиндра радиусом R, носовая часть 21 имеет форму полусферы радиусом R, а кормовая часть 22 имеет форму конуса с основанием радиусом R и высотой g, усеченного на расстоянии L_C от основания. Возбуждающие и приемные электроды установлены на поверхности корпуса поисковой установки в центральной его части 20. Для определения конкретного местоположения точек на поверхности корпуса, в которых потенциал электрического поля, возбуждаемого излучающим диполем, близок к нулю, установим декартову систему координат (см. фиг.2, 3) с нулем, расположенным на пересечении горизонтальной и вертикальной диаметральных плоскостей цилиндра с вертикальной плоскостью, проходящей через кормовые излучающие электроды. При этом ось х направлена по движению АНПА и совпадает с осью цилиндра, ось у направлена вправо (относительно хода установки), а ось z - вниз. Поверхность центральной части 20 АНПА, где установлены электроды, описывается уравнением цилиндра:

Это выражение применимо при значениях х (см. фиг.2) от - L_b до (L_d+L_t). Для определения уравнения секущей плоскости 23 (см. фиг.3), проходящей через ось излучающего диполя А2˜В2 с углом наклона к горизонтальной плоскости, найдем три ее точки с координатами (х₀,0,0), (0,у₀,0) и (0,0,z₀ ).

При

При

При

Секущая плоскость 23 в отрезках описывается уравнением:

Горизонтальная секущая плоскость ( =0, tg =0) не имеет пересечения с горизонтальной осевой плоскостью АНПА и выражение (5) имеет вид: z/С=1. Особым случаем является также вертикальная секущая плоскость ( =90°, tg ), когда выражение (5) принимает вид:

2·x/L+y/b=1.

Носовая часть 21 корпуса АНПА имеет форму сферы, которая описывается уравнением:

Это выражение применимо при значениях х от (L _d+L_t) до (L_d+L_t+R).

Кормовая часть 22 корпуса АНПА имеет форму усеченного конуса, боковая поверхность которого описывается уравнением:

Выражение (7) применимо для значений х от - (L_c+L_b) до - L_b.

Система уравнений (1), (5) определяет линию пересечения 24 секущей плоскости 23 с цилиндрической поверхностью 20 корпуса АНПА. Продолжение линии пересечения 24 в носовой сферической части 21 корпуса АНПА определяет система уравнений (5), (6), а в кормовой части 22 - (5), (7). Координатами точек нулевого потенциала на поверхности корпуса АНПА можно считать середины линий пересечения секущей плоскости с поверхностью корпуса в его нижней части (угол поворота секущей плоскости 23 относительно горизонтальной плоскости меняется от 0 до 90°). Определить длины линий пересечения можно, например, с помощью кусочно-линейной аппроксимации. Задавая (меняя) одну из координат, например х, можно, решая соответствующие системы уравнений, определить две остальные координаты (приращения) линии пересечения. При этом длина линии пересечения определяется как сумма приращений: Ls= [ ( x²+ у²+ z²)], где х, у, z - приращения по осям координат при движении вдоль одной оси координат. При достаточно малом приращении ( х) ошибками аппроксимации можно пренебречь. Координаты, соответствующие длине, равной Ls/2 и отмеренной вдоль линии пересечения от одного из полюсов излучающего диполя к другому, в первом приближении определяют точку нулевого потенциала. Найдя середины длин линий пересечения плоскости (5) с поверхностью корпуса АНПА для разных углов поворота этой плоскости относительно оси диполя получим геометрическое место точек на поверхности корпуса АНПА с потенциалом, близким к нулевому значению. На фиг.4 показано рассчитанное с помощью выражений (1, 5-7) расположение точек нулевого потенциала по правому борту АНПА для излучающих диполей (к носу от осевой вертикальной плоскости для диполя А2˜В2, к корме - для А1˜В1). Расположение точек нулевого потенциала по левому борту симметрично (относительно продольной вертикальной осевой плоскости АНПА) точкам по правому борту. Расчеты произведены для трех значений С (см. фиг.2, 3) и учитывают верхнюю, среднюю и нижнюю части возбуждающих электродов. Дополнительно на чертежах (см. фиг.5 и 6) показан металлосодержащий протяженный подводный объект 25.

Устройство для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта подводной поисковой установки работает следующим образом.

Блок управления 1 вырабатывает сигнал переменного напряжения, который поочередно подается на возбуждающие электроды 2, 3, затем на электроды 4, 5 и, наконец, (параллельно) на обе эти пары электродов.

При этом в первом случае возбуждается электрический диполь А1˜В1, ось которого отклонена от продольной вертикальной осевой плоскости поисковой установки 10 вправо на угол 0, а на приемных электродах 6, 7 наводится переменное напряжение U_M1˜N1. Блок управления 1 производит усиление, синхронное детектирование, фильтрование и преобразование напряжения U_M1˜N1 в цифровой эквивалент U1, который подается на выход устройства через порт ввода- вывода 19.

Во втором случае аналогично возбуждается электрический диполь А2˜В2, ось которого отклонена от продольной вертикальной осевой плоскости поисковой установки 10 влево на угол 0. На приемных электродах 8, 9 наводится переменное напряжение U_M2˜N2. Блок управления 1 производит усиление, синхронное детектирование, фильтрование и преобразование напряжения U_M1˜N1 в цифровой эквивалент U2, который подается на выход устройства через порт ввода-вывода 19.

В третьем случае возбуждаются оба электрических диполя А1˜В1 и А2˜В2, которые образуют суммарный электрический диполь А1А2˜В1В2, ось которого лежит в вертикальной продольной осевой плоскости. При этом в блоке управления вырабатываются сигналы U0=К·(U _M1˜N2+U_M2˜N1)/2 и US=К·(U _M1˜N2-U_M2˜N1) из напряжений, снимаемых с двух пар приемных электродов 6, 9 и 8, 7. Эти сигналы затем преобразуются в соответствующие цифровые эквиваленты и поочередно подаются на выход устройства через порт ввода-вывода 19.

При отсутствии металлосодержащего протяженного подводного объекта 25 (см. фиг.5) вблизи поисковой установки 10 (в зоне чувствительности) входные сигналы U_M1˜N1, U_M2˜N2 близки к нулю благодаря расположению приемных электродов по бортам АНПА в местах, где потенциалы напряжения электрического поля, возбуждаемого соответственно диполями А1˜В1 и А2˜В2, близки к нулю. При этом отраженное от грунта дна электрическое поле благодаря зеркальности отражения также не наводит на приемных диполях M1˜N1 и M2˜N2 напряжений. Поэтому при движении поисковой установки с изменением высоты или при изменении электропроводности грунта дна по ходу движения напряжение на приемных диполях M1˜N1 и M2˜N2 практически отсутствует.

Поскольку приемные электроды установлены на АНПА с учетом искажений возбуждаемого электрического поля, вносимых корпусом АНПА, основные соотношения между сигналами, вырабатываемыми предлагаемым устройством, сохраняются такими, как при отсутствии этих искажений. Общеизвестно, что силовые линии электрического поля, наведенного в металлосодержащем протяженном подводном объекте, направлены вдоль протяженного объекта. Поэтому при прохождении вблизи и над протяженным объектом 25 (см. фиг.5) для сигналов устройства будут справедливы следующие выражения:

U1=Ks·r^-5·sin( + 0),

U2=Ks·r^-5·sin( - 0),

U0=Ks·r^-5·sin ,

US=Kb·r^-7·b·Y,

где коэффициент Ks=k1·k2·I/2; k1 - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных и свойств протяженного объекта; k2 - постоянный коэффициент, характеризующий приемный диполь; I - ток в возбуждающем диполе; r - расстояние от диполя до протяженного объекта; - угол между вертикальной осевой плоскостью подводного аппарата и продольной осью протяженного объекта; Kb=4·k1·К3·I; К3 - конструктивный коэффициент; b - расстояние от осевой вертикальной плоскости поисковой установки до электродов; Y - отклонение подводного аппарата от протяженного объекта в поперечном направлении (см. фиг.6). По сигналам U1 и U2 можно оценить как угол отклонения : _S=0.5·arctg(U_S1/U_S2 ), так и получить сигнал, резко выделяющийся на фоне возбужденного электромагнитного поля: Vm= (U_S1 ²+U_S2 ² )=2·K_S·r^-5, где U_S1 =(U1+U2)/cos(2· 0)=2·K_S·sin(2· ), U_S2=(U1-U2)/sin(2· 0)=2·K_S·cos(2· ). По сигналу Vm судят о наличии в зоне обнаружения металлосодержащего протяженного объекта, а по оценке _S определяют его ориентацию относительно вертикальной осевой плоскости поисковой установки 10. Отслеживание подводного протяженного объекта осуществляется путем постоянного удержания поисковой установки 10 точно над трассой металлосодержащего протяженного объекта 25. Для этого измеряют боковое Y (по сигналу US) и угловое смещение (по сигналам U0, U1, U2) поисковой установки 10 относительно металлосодержащего протяженного подводного объекта 25 и по их значениям корректируют программу управления движением поисковой установки 10 по трассе прокладки протяженного объекта 25.

Институтом проведены сравнительные натурные морские испытания предлагаемого устройства для обнаружения и отслеживания металлосодержащего протяженного подводного объекта с борта автономного необитаемого подводного аппарата и устройства-прототипа, отличающихся только расположением приемных электродов по бортам АНПА. Как показали результаты испытаний, чувствительность сигналов U1 и U2 к изменениям высоты снизилась в несколько раз. Так, например, при движении подводного аппарата над одним и тем же участком дна с изменением высоты с 1.3 м до 2.1 м изменение сигнала U1 в устройстве-прототипе составило 0.38 мВ, а в предлагаемом устройстве - 0.04 мВ. При отслеживании трассы подводного кабеля с движением аппарата над трассой галсами с постепенным изменением углов отклонения в моменты пересечения с 75° до 20° среднеквадратическая ошибка в измерении угла отклонения аппарата от направления трассы снизилась почти в три раза (с 11° для устройства-прототипа до 4° для заявленного устройства). Контроль углов отклонения осуществлялся по снимкам подводной видеокамеры, установленной на АНПА.

Источники информации

1. США, патент №5430380, МПК 6 G 01 V 3/02, G 01 V 3/04, G 01 V 3/06, G 01 V 3/08, 1995 г.

2. РФ, патент №2174244, МПК 7 G 01 V 3/08, 2000 г. - прототип.