Improving the performance of underwater system of distance measurement

Abstract

The ways of improving the performance of an underwater ranging system are considered in this paper. It is proposed to simultaneously utilize two fundamentally different wave processes. This creates two operating channels for the phased ranging system. One channel is the reference channel, in which electromagnetic oscillations are emitted and received. The other channel is the information channel, in which hydroacoustic oscillations are emitted and received. It is proposed to emit and receive hydroacoustic signals at the operating frequency of ultrasonic acoustic transducers. Furthermore, it is proposed to modulate the ultrasonic signals with information signals in the audio wavelength band. This approach significantly reduces the weight and size of the range measuring system components. Furthermore, the use of modulated oscillations eliminates additional range determination errors arising due to the resonant nature of the acoustic transducers themselves, which inevitably arise during the operation of a phased ranging system. The system was simulated in MatLab, demonstrating the complete elimination of additional phase difference measurement errors arising in the ultrasonic frequency band. The working graphs directly taken from the simulation environment are presented in the paper. These graphs demonstrate that any changes in the phase of ultrasonic oscillations, caused both by the propagation of the oscillations in water and by the resonant nature of the acoustic transducers, are completely suppressed during demodulation at the receiving unit. An experimental prototype of a modulated oscillation receiver was manufactured and tested. A working diagram of the hydroacoustic channel receiver is presented. The operation of the hydroacoustic receiver of the range measurement system was verified experimentally. The experimental results fully coincide with the simulation results. Conclusions are made.

• Acoustic transducers
• underwater ranging system
• signal modulation
• signal demodulation
• Phase Difference Measurement

Аннотация (на русском)

Улучшение эксплуатационных характеристик системы измерения дальности под водой

В статье рассматриваются вопросы улучшение эксплуатационных характеристик системы измерения дальности под водой. Предлагается для организации работы фазовой системы измерения дальности использовать одновременно два принципиально различных волновых процесса излучения и приема колебаний, формируя тем самым два рабочих канала системы. Один канал - опорный, в котором излучаются и принимаются электромагнитные колебания. Другой канал - информационный, в котором излучаются и принимаются гидроакустические колебания. При этом предлагается осуществлять излучение и прием гидроакустических сигналов на рабочей частоте акустических преобразователей ультразвукового диапазона. При этом ультразвуковые сигналы предлагается модулировать информационными сигналами звукового диапазона длин волн. Данный подход позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели элементов системы измерения дальности. Кроме того, использование модулированных колебаний обеспечивает устранение дополнительных ошибок определения дальности, возникающих за счет резонансной природы самих акустических преобразователей, которые неизбежно возникают при работе фазовой системы измерения дальности. Проведено моделирование работы системы в среде MatLab, которое показало полное устранение дополнительных ошибок измерения разности фаз, возникающих в диапазоне ультразвуковых частот. Приведены рабочие графики, непосредственно взятые из среды моделирования. Из графиков видно, что любые изменения фазы ультразвуковых колебаний, обусловленные как распространением самих колебаний в воде, так и за счет резонансной природы акустических преобразователей, полностью подавляются в процессе демодуляции на приемной стороне. Экспериментальный макет приемника модулированных колебаний был изготовлен и испытан. Приведена рабочая схема приемника гидроакустического канала. Работа гидроакустического приемника системы измерения дальности проверена экспериментально. Результаты экспериментальных исследований полностью совпадают с результатами моделирования. Сделаны выводы по работе.

For citation

References

1. Инзарцев А.В. и др. Мониторинг морского дна с применением технологий интеллектуальной обработки данных поисковых устройств на борту автономного необитаемого подводного аппарата // Подводные исследования и робототехника. - 2015. - №. 2. - С. 20-27.
2. Haugaløkken B.O. A. et al. Docking stations for net-crawling underwater vehicles in aquaculture net pens // OCEANS 2021: San Diego-Porto. - IEEE, 2021. - С. 1-10.
3. Агеев М.Д. и др. Автоматические подводные аппараты. - 1981.
4. Агеев М.Д. и др. Автономные подводные роботы. Системы и технологии. - 2005.
5. Ляхов Д.Г., Смирнов С.В., Чудаков М.И. О применении необитаемых подводных аппаратов в морской нефтегазодобывающей отрасли // Подводные исследования и робототехника. - 2013. - №. 1. - С. 23-32.
6. Peña F.L., Orjales F., Deibe A. Development of a collaborative host-guest unmanned underwater vehicle docking system for inspection and maintenance of offshore structures // OCEANS 2023-MTS/IEEE US Gulf Coast. - IEEE, 2023. - С. 1-5.
7. Shirokova E.I., Shirokov I.B. Positioning Autonomous Underwater Vehicles at its Moving and Berthing // 2023 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). - IEEE, 2023. - С. 444-447.
8. Shirokov I.B., Shirokova E.I., Kosarev N.A. Distance Measuring Under Water // 2024 IEEE Conference on Antenna Measurements and Applications (CAMA). - IEEE, 2024. - С. 1-4.
9. Shirokov I.B., Shirokova E.I., Kosarev N.A. Distance Measurement Under Water // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC). - IEEE, 2024. - С. 58-61.