ЭХОЛОКАТОР ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ МОРСКИХ ГРУНТОВ Российский патент 1995 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначено для непрерывного измерения и индикации свойств протяженных отражающих границ по величине удлинения эхосигналов за счет поверхностной реверберации и может быть использовано для классификации морских грунтов, измерения параметров поверхностного волнения, неразрушающего контроля протяженных поверхностей, поиска объектов перед границей и внутри ее (придонных и приповерхностных рыб, трещин и непроклеев многослойных конструкций, крепления ребер жесткости оболочек, объектов подводной археологии, морской геологии, донных мин, подводных трубопроводов и др.).

Известно устройство для распознавания морского грунта, работа которого основана на измерении параметров эхосигнала при зондировании дна прямоугольными импульсами [1] В зависимости от грунта эхосигнал при нормальном падении на дно изменяет свою форму в широких пределах: от практически неискаженного прямоугольного радиоимпульса на монолитах до сильно "растянутого" импульса с весьма пологим фронтом и длительностью, в несколько раз превышающей длительность посылки, на жидких илах. В качестве информативного параметра в указанных устройствах используется крутизна фронта нарастания эхосигнала, которая измеряется и выносится на индикатор, где используется заранее проградуированная сетка с нанесенными границами жесткости (сопротивляемости) для следующих типов грунтов: жидкие илы, илы, илистые глины, глины, глинистые пески, мелкозернистые пески, крупнообломочные породы, монолиты.

Недостатком такого устройства является низкая достоверность распознавания морского грунта, обусловленная тем, что крутизна нарастания эхосигнала определяется главным образом акустическими свойствами границы раздела вода/грунт, а не всей толщей грунта. Поэтому при наличии на поверхности достаточно "мягкого" дна неровностей или объектов с высокой жесткостью (камни, бревна, железомарганцевые конкреции и т.п.) крутизна нарастания фронта эхосигнала будет определяться отражательными свойствами последних, что приводит к получению завышенных значений жесткости грунта.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является классификатор морского дна, работа которого основана на измерении удлинения эхосигналов относительно длительности посылки при нормальном лоцировании дна, вызванного донной реверберацией. По величине удлинения эхоимпульса определяется степень мягкости (жесткости) дна, исходя из известной зависимости удлинения эхосигнала от физико-механических характеристик грунта [2] Устройство состоит из эхолота, сигнальный и синхронизирующий выход которого соединены с приемным трактом, выход приемного тракта соединен с вычислительным устройством, а также с формирователем опорных импульсов и индикатором, выход формирователя соединен с вторым входом вычитающего устройства, выход которого соединен с входом измерителя удлинения эхосигналов. Приемный тракт устройства состоит из последовательно соединенных входного аттенюатора, первого эмиттерного повторителя, первого усилителя, детектора, фильтра, компаратора и делителя напряжения, последовательно соединенных аттенюатора, ограничителя, первого ждущего мультивибратора, разрядной цепи, первого пикового детектора, второго эмиттерного повторителя и делителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора, последовательно соединенных блока памяти, подключенного к выходу второго эмиттерного повторителя, второго усилителя и ключа, включенного между выходом первого ждущего мультивибратора и входом первого усилителя. Формирователь опорных импульсов состоит из последовательно соединенных дифференциатора, ограничителя и второго ждущего мультивибратора. Измеритель удлинения эхосигналов состоит из последовательно соединенных преобразователя время/напряжение, второго пикового детектора, третьего усилителя и индикатора (регистратора). В качестве вычитающего устройства используется триггер Шмидта.

Эхолот излучает тональный радиоимпульс по нормали к поверхности дна и принимает эхосигналы, несущие информацию о характеристиках дна, которые обрабатываются в приемном тракте и подаются на вычитающее устройство. Формирователь опорных импульсов запускается передним фронтом эхосигнала с выхода приемного тракта и вырабатывает опорный импульс с длительностью, равной длительности посылки, который поступает на второй вход вычитающего устройства. На выходе вычитающего устройства вырабатывается импульс с длительностью, равной разности длительностей эхосигнала и опорного импульса. Длительность разностного импульса измеряется и регистрируется измерителем удлинения эхосигнала. О характере грунта и его жесткости судят по длительности разностного импульса. Индикатор предназначен для оперативного контроля поступающих на измеритель эхосигналов.

Недостатками прототипа являются:
низкая точность определения жесткости отражающей границы, вызванная систематической погрешностью измерения удлинения эхосигнала, величина которой зависит от расстояния до дна (глубины) и обусловлена конечным углом раскрыва характеристики направленности (ХН) приемной и излучающей антенн эхолота;
низкая достоверность результатов измерения параметров отражающей границы, обусловленная неоднозначностью работы вычитающего устройства, которое вырабатывает разностный сигнал в любом случае неравенства длительностей эхосигнала и опорного импульса, включая встречающийся на практике случай превышения опорным импульсом длительности эхосигнала. С точки зрения классификации границы по удлинению эхосигнала получаемый в данном случае сигнал не имеет физического смысла, поскольку априорно предполагается, что длительность эхосигнала даже от самой жесткой границы не может быть меньше длительности посылки. Одной из причин "обужения" эхоимпульсов может быть интерференция эхосигналов от нескольких сосредоточенных целей (рыбы, поддонные слои и др.);
низкая надежность обнаружения объектов с отличными от границы отраженными характеристиками, расположенных вблизи поверхности и внутри (в грунте), поскольку эхосигналы от ограниченных размеров подавляются в вычитающем устройстве и в работе описанного устройства не используются;
низкая надежность определения местоположения дна, измеряемого по задержке разностного импульса схемы вычитания, обусловленная отсутствием различения донных эхосигналов от эхосигналов, создаваемых объектами.

Задача изобретения разработка усовершенствованного устройства для точного определения параметров отражающей границы, например жесткости морского дна, разработка усовершенствованного классификатора для непрерывной классификации с удаленного места, например корабля, разработка устройства для надежного обнаружения объектов с отличными от дна отражательными характеристиками, расположенных вблизи границы и внутри ее, а также разработка устройства для надежного определения местоположения протяженной отражающей поверхности.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности определения параметров отражающей границы, повышение достоверности результатов измерения, повышение надежности обнаружения объектов с отличными от границы отражательными характеристиками и определения местонахождения границы.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее эхолот, к сигнальному выходу которого последовательно подсоединены приемный тракт, второй вход которого соединен с синхронизирующим выходом эхолота, формирователь опорных импульсов, вход которого соединен с выходом приемного тракта, выход формирователя опорных импульсов соединен с вторым входом схемы вычитания, измеритель удлинения эхосигналов и индикатор, введены первая схема совпадения, первый вход которой соединен с выходом приемного тракта, второй вход соединен с выходом схемы вычитания, а выход соединен с измерителем удлинения эхосигналов, вторая схема совпадения, первый вход которой соединен с выходом схемы вычитания, второй вход соединен с выходом формирователя опорных импульсов, а вход соединен с индикатором, формирователь опорных импульсов состоит из генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, выход которого соединен со счетным входом счетчика и генератора импульсов, выход которого соединен с установочным входом счетчика.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Возможность достижения технического результата изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами. Известно, что при нормальной локации плоской поверхности DE (фиг. 1) сферической волной, ограниченной конусом с углом раскрыва у вершины 2θ время прихода эхосигнала в точку приема С вдоль оси АС и вдоль бокового луча ВС будет различаться на время двойного прохода отрезка А'В:
Δt 2(BC AC)/C_o 2H(1 -cosθ)/C_ocosθ= t(1 cosθ)/cosθ (1) где С_o скорость звука в среде (воде); 2θ- ширина характеристики направленности приемно-излучающей антенны эхолота; t время движения акустического сигнала. Очевидно, что при излучении импульса посылки длительностью τ_o длительность эхосигнала увеличится на величину Δt и относительное удлинение эхосигнала по отношению к посылке
δ= Δt/τ_o 2H(1 cosθ)/C_oτ_ocosθ t(1 cosθ)/ τ_ocosθ (2) может оказаться существенным. Например, при τ_o 1 мс, θ= 2^о и Н 1000 м удлинение составит δ= 81% и с увеличением ширины ХН будет расти. Поскольку удлинение эхосигнала согласно (2) обусловлено конечной шириной ХН апертуры, а не характеристиками отражающей поверхности, то для устройства измерения жесткости дна апертурное удлинение является систематической погрешностью, величина которой зависит при прочих равных условиях от глубины Н.

Поскольку информативным параметром для определения жесткости дна в предлагаемом устройстве является абсолютное удлинение эхоимпульса, т.е. разность между длительностями эхосигнала и посылки (τ_э -τ_o) Δτ, то присутствие в Δτ в качестве составной части апертурного удлинения Δt недопустимо. Исключение Δt из удлинения эхосигнала осуществляется при вычитании из длительности эхосигнала длительности посылки. При этом вычитаемая длительность посылки должна увеличиваться пропорционально расстоянию, пройденному эхосигналом τ_o^l=τ_o+βt, где β= (1 соsθ)/cosθ константа, зависящая от ширины ХН. В результате будет получено удлинение
Δτ_э τ_э τ_o' τ_э τ_o 2Н(1 соsθ)/cosθ обусловленное только физико-механическими свойствами отражающей поверхности, например жесткостью морского грунта.

Неоднозначность операции вычитания длительностей двух сигналов проявляется в появлении на выходе вычитающего устройства (триггера Шмидта или схемы "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ") сигнала в любом случае неравенства длительности вычитаемых импульсов, т.е. осуществляется вычитание по модулюА-Б| Эта неоднозначность может быть устранена посредством введения дополнительной операции логического умножения с помощью схемы совпадения. Поскольку вычитание длительностей двух импульсов осуществляется с помощью операции "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" А ⊕ В, то с учетом логического умножения на уменьшаемое А конечный результат примет вид
τ_уд=τ_A-τ_B=(A⊕B)A=(A+B)A=A+AB=A что свидетельствует об однозначности вычитания длительностей сигналов А и В.

Повысить надежность обнаружения объектов с отличными от дна отражательными характеристиками и определения местоположения дна возможно посредством различения эхосигналов от объектов и дна. Критерием распознавания может быть принята длительность эхосигнала от абсолютно жесткой отражающей поверхности, т. е. длительностью, в которую в качестве составных частей входят длительность посылки τ_o и апертурное удлинение эхосигнала Δt. Если длительность эхосигнала меньше величины τ_o+ Δt, то с достаточно высокой вероятностью можно говорить, что эхосигнал образован объектом иной формы и геометрических размеров, чем дно. Если длительность эхосигнала больше или равна величине τ_o + Δt, то можно говорить, что эхосигнал образован плоским протяженным объектом с поверхностью, достаточной для размещения озвучиваемого характеристикой направленности пятна площадью π˙(H˙tgθ)². Таким объектом в практике морской эхолокации вероятнее всего может быть дно.

Эхолокатор для распознавания морских грунтов состоит из последовательно соединенных эхолота 1, приемного тракта 2, второй вход которого соединен с синхронизирующим выходом эхолота 1, схемы 3 вычитания, схемы 4 совпадения, второй вход которой соединен с выходом приемного тракта 2, и измерителя 5 удлинения эхосигналов, последовательно соединенных генератора 6 линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала, вход которого соединен с синхронизирующим выходом эхолота 1, счетчика 7, схемы 8 совпадения, второй вход которой соединен с выходом схемы 3 вычитания и индикатора 9, генератора 10 импульсов, включенного между выходом приемного тракта 2 и вторым входом счетчика 7, выход счетчика 7 соединен с вторым входом схемы 3 вычитания. Генератор 6 ЛЧМ сигнала, счетчик 7 и генератор 10 импульсов входят в состав формирователя 11 опорных импульсов.

Эхолокатор работает следующим образом.

Эхолот 1 в момент появления синхронизирующего импульса U1 (фиг. 2) излучает в среду, которой может быть вода, воздух и т.п. радиоимпульс длительностью τ_o≥10/f_o, где f_o частота заполнения радиоимпульса, выбираемая из условия получения линейной зависимости абсолютного удлинения эхосигнала от параметров отражающей поверхности DE (фиг. 1), например жесткости морского грунта, в пределах диапазона возможных вариаций этих параметров для данного типа границы, например морского дна. На сигнальном выходе эхолота 1 сигнал U2 может содержать помимо эхосигнала от контролируемой поверхности U2.3 эхосигналы от других объектов, например от рыб U2.2 и погруженных на дно камней U2.4, а также электрическую наводку посылки U2.1. В приемном тракте 2 осуществляется обработка сигнала U2, в результате которой исключается электрическая наводка посылки U2.1, а эхосигналы приводят к виду U3, пригодному для их дальнейшей обработки с помощью импульсных, например цифровых, схем. При отсутствии синхроимпульсов U1 генератор 6 линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала вырабатывает непрерывные колебания с постоянной частотой f₁₀ > f₀. Начиная с момента поступления синхроимпульса U1, частота выходного сигнала генератора 6 начинает линейно уменьшаться по закону f₁ f₀ kβt, где k экспериментально устанавливаемая константа; β= (1 соsθ)/cosθ до поступления следующего синхроимпульса, после чего цикл повторяется. ЛЧМ сигнал с выхода генератора 6 поступает на счетный вход счетчика 7. Для приведения счетчика 7 в исходное состояние на его установочный вход поступают короткие импульсы U4, вырабатываемые генератором 10 импульсов в моменты времени, совпадающие с передним фронтом сигналов U3. Коэффициент счета N счетчика 7 постоянен и выбран таким образом, чтобы время, затрачиваемое на подсчет периодов ЛЧМ сигнала (N˙T₁), где Т₁ 1/f₁, было равно τ_o' (τ_o + βt). На выходе счетчика 7 вырабатываются опорные импульсы U5 для схемы 3 вычитания, длительность которых растет по мере увеличения времени распространения акустического сигнала. Этот рост длительности опорных импульсов равен апертурному удлинению эхосигналов, возникающему при отражении от плоской поверхности звукового пучка с конечной угловой шириной ХН 2θ (фиг. 1). Генератор 6 ЛЧМ сигнала, счетчик 7 и генератор 10 импульсов образуют формирователь 11 опорных импульсов. Опорные импульсы U5 поступают на вход схемы 3 вычитания и на вход схемы 8 совпадения. На второй вход схемы 3 вычитания подается сигнал U3 с выхода приемного тракта 2.

На выходе схемы 3 вычитания, в качестве которой может быть использована логическая схема "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", вырабатываются разностные сигналы U6, длительность которых равна разнице длительностей эхосигналов U3 и опорных импульсов U5. Схема 4 совпадения, в качестве которой может быть использована логическая схема "И", осуществляет селекцию донного сигнала при подаче на ее второй вход эхосигналов U3, в результате чего на ее выходе вырабатывается сигнал U7 с длительностью, равной абсолютному удлинению донного эхосигнала. Величина удлинения измеряется и регистрируется в измерителе удлинения эхосигнала, который может быть отградуирован в единицах измерения исследуемого параметра отражающей границы, например жесткости грунта. Сигнал U7 (дополнительный вход U7) может подаваться на дополнительные устройства, например, для автоматического оповещения о достижении исследуемым параметром заданного значения.

Схема 8 совпадения, в качестве которой может быть использована логическая схемы "И", осуществляет селекцию эхосигналов, длительность которых не содержит апертурного удлинения из-за малости геометрических размеров объектов. Для этого на один вход схемы 8 совпадения подается разностный сигнал U6 с выхода схемы 3 вычитания, а на другой вход подаются опорные импульсы U5. Выходной сигнал U8 схемы 8 совпадения поступает на индикатор 9 для контроля и регистрации объектов, отличающихся по своим отражательным характеристикам от протяженной отражающей границы.

Использование: в акустических локационных системах, предназначенных для непрерывного измерения и индикации свойств протяженных отражающих границ по величине удлинения эхосигналов за счет поверхностной реверберации, для классификации морских грунтов, измерения параметров поверхностного волнения, неразрушающего контроля протяженных поверхностей, поиска объектов перед границей и внутри ее (приповерхностных и придонных рыб, трещин и непроклеев многослойных конструкций, крепления ребер жесткости оболочек, объектов подводной археологии, морской геологии, донных мин, подводных трубопроводов и др. ). Изобретение предназначено для увеличения точности определения параметров отражающей границы, повышения достоверности результатов измерения, повышения надежности обнаружения объектов с отличными от границы отражательными характеристиками и определения местоположения границ. Сущность изобретения: эхолокатор содержит эхолот 1, приемный тракт 2, схему 3 вычитания, формирователь 11 опорных импульсов, измеритель 5 удлинения эхосигналов и индикатор 9. Кроме того, в эхолокатор введены две схемы 4 и 8 совпадения, генератор 10 импульсов, генератор 6 линейно-частотно-модулированного сигнала и счетчик 7. 2 ил.

ЭХОЛОКАТОР ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ МОРСКИХ ГРУНТОВ, содержащий эхолот, к сигнальному выходу которого последовательно соединены приемный тракт, второй вход которого соединен с синхронизирующим выходом эхолота, и схема вычитания, формирователь опорных импульсов, вход которого соединен с выходом приемного тракта, выход формирователя опорных импульсов соединен с вторым входом схемы вычитания, измеритель удлинения эхосигналов и индикатор, отличающийся тем, что в него введены первая схема совпадения, вход которой соединен с выходом приемного тракта, второй вход соединен с выходом схемы вычитания, а выход соединен с измерителем удлинения эхосигналов, вторая схема совпадения, первый вход которой соединен с выходом схемы вычитания, второй вход соединен с выходом формирователя опорных импульсов, а выход соединен с индикатором, формирователь опорных импульсов состоит из генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, выход которого соединен с счетным входом счетчика, и генератора импульсов, выход которого соединен с установочным входом счетчика.