ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА Российский патент 1996 года по МПК G01S15/02 

Изобретение относится к гидролокации и может использоваться в гидролокаторах, предназначенных преимущественно для картографирования морского дна.

Недостатки традиционных способов согласования (сжатия) динамического диапазона принимаемых эхолокационных сигналов с динамическим диапазоном регистраторов хорошо известны. Применение простых автоматических регулировок усиления (АРУ) приводит к недопустимым искажениям гидролокационных изображений в виде "ложных теней" (патент США N 3975704, кл. G 01 S 9/11, 9/00); временные АРУ (ВАРУ), действующие на основе жестко заданного закона регулирования, не обладают адаптивностью в изменяющихся условиях приема, а логарифмический способ сжатия ограничивает возможности обработки эхосигналов с учетом их фазовой структуры. Разработка адаптивных автоматических регулировок усиления (ААРУ) особенно актуальна для гидролокаторов, работающих на борту автономных подводных роботов. Эхосигнал гидролокатора бокового обзора (ГБО) удобно представлять в виде произведения двух составляющих медленно меняющейся F(t) и быстроменяющейся стационарной составляющей S(t):
U(t)=F(t)·S(t) (1)
В составляющую F(t) удобно включить величины с характерным временем изменения τ, сравнимым с периодом зондирования Т, например затухание звука с ростом текущей дальности, изменение эхосигнала и связи с расширением волнового фронта посылки, изменением среднего угла скольжения луча, влиянием неравномерности диаграммы направленности антенны ГБО (с учетом изменений высоты движения носителя) и т.д. Поскольку названные величины прямого интереса при формировании эхо-грамм дна не представляют, то составляющая F(t) фактически является неинформативной, т.е. помехой.

Практика гидролокационной съемки показывает, что основную информационную нагрузку эхограммы при картографировании дна несет быстроменяющаяся составляющая S(t), зависящая от свойства и взаимного расположения донных рассеивателей, т.е. S(t) является информативной составляющей.

Таким образом, задача выделения информативной составляющей эхосигнала S(t) сводится к выделению неинформативной мультипликативной помехи F(t) и выполнению операции
S(t)=U(t)· F^-1(t) (2)
Известны приемные устройства гидролокатора, содержащие регулируемый усилитель, детектор огибающей и схему формирования регулирующего напряжения, которая задает некоторое заранее выбранное, изменяющееся во времени усиление, т. е. осуществляется временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) (см. Аверкиев. Гидроакустические рыбопоисковые и навигационные приборы. Судостроение, 1967, с. 45). В таких устройствах закон изменения коэффициента усиления К_ус выбирается на основании среднеожидаемых условий гидроакустического приема.

Основным недостатком известных устройств является трудность подбора закона ВАРУ, удовлетворяющего широкому диапазону условий приема, что требует постоянного присутствия квалифицированного оператора для коррекции этого закона.

Наиболее близким к предложенному является устройство, которое содержит приемопередатчик, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, схему формирования коэффициента усиления (ВАРУ), детектор и индикатор.

Недостатком этого устройства является принципиальная невозможность полного устранения неинформативной составляющей, поскольку оно является статичным по возмущаемому воздействию. Кроме того, реальная погрешность устройства в значительной мере зависит от линейности регулируемого усилителя по управляющему воздействию, которая на практике обычно невысока.

В основу изобретения положена задача осуществить более полную компенсацию неинформативной составляющейф F(t), чтобы было обеспечено получение гидролокационных изображений без искажения, с адаптивностью устройства в изменяющихся условиях приема.

Это достигается тем, что в приемное устройство гидролокатора бокового обзора, содержащее последовательно соединенные блок опорных частот, приемопередатчик, детектор, фильтр нижних частот и схему ВАРУ, а также индикатор, введены делитель напряжения, первый вход которого подключен к выходу приемопередатчика, а выход к индикатору, схема ВАРУ выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, запоминающего устройства, сумматора, регистра и буфер- ного регистра, выход которого соединен с вторым входом делителя напряжения, ВАРУ также содержит последовательно соединенные блок опережения и счетчик адресов считывания, выход которого соединен с первым входом коммутатора адресных сигналов, выход которого соединен с адресным входом запоминающего устройства, второй вход коммутатора адресных сигналов соединен с выходом счетчика адресов записи, входы синхронизации аналого-цифрового преобразователя, запоминающего устройства, буферного регистра, коммутатора адресных сигналов, счетчика адресов считывания, распределителя импульсов через дифференцирующую RC-цепь, вход обнуления регистра соединен с вторым выходом блока опорных частот, третий выход которого соединен с другим входом распределителя импульсов, первый выход последнего соединен с синхровходом записи регистра, второй выход распределителя импульсов соединен с входом выборки кристалла запоминающего устройства.

Более полная компенсация помехи F(t) осуществляется за счет повышения точности получаемой информации о помехе F(t), для чего и образован дополнительный приемный канал и увеличена длительность интервала наблюдения за помехой F(t) до 2К периодов зондирования.

Увеличение интервала наблюдения помехи F(t) до 2К периодов зондирования основано на допущении малой изменчивости условий приема на соседних периодах зондирования, что практически всегда выполняется.

Введение новой связи можно трактовать как разделение приемного тракта на два канала, причем в первом приемном канале производится выделение неинформативной составляющей F_i(t) (где i номер текущего периода зондирования) непосредственно из входного эхосигнала U_i(t) и одновременно осуществляется считывание, осреднение соответствующих 2К отсчетов U_l(t), записанных на предшествующих периодах зондирования, т.е.

(t) F_l(t) (1)
Во втором канале осуществляется выделение информативной составляющей S_i(t) из входного эхосигнала U_i(t), т.е.

S_i(t) U_i(t)/(t) (2)
Введение дополнительного приемного канала приводит не только к более полной компенсации F(t), но и повышает устойчивость системы к изменяющимся условиям приема.

Технический результат достигается за счет того, что в схему введены делитель напряжения, сумматор, регистр и распределитель импульсов; введена связь между выходом приемопередатчика и входами детектора и делителя напряжения.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков создано приемное устройство гидролокатора бокового обзора, которое обеспечивает получение гидролокационных изображений без искажений с адаптивностью в изменяющихся условиях приема.

На фиг. 1 представлена функциональная схема приемного устройства гидролокатора бокового обзора, адаптирующегося к изменяющимся условиям приема; на фиг. 2 принципиальная схема распределителя импульсов; на фиг. 3 временная диаграмма работы распределителя импульсов; на фиг. 4 принципиальная схема делителя напряжения.

Предложенное устройство имеет приемопередатчик 1 ГБО (см. фиг. 1), первый приемный канал, содержащий детектор 2, вход которого соединен с выходом приемопередатчика 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 3, вход которого соединен с выходом детектора 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, информационный вход которого соединен с выходом ФНЧ 3, цифровое запоминающее устройство (ЗУ) 5, информационный вход которого соединен с выходом АЦП 4, сумматор 6, первый вход которого соединен с выходом ЗУ 5, регистр 7, информационный вход которого соединен с выходом сумматора 6, при этом выход регистра 7 соединен со вторым входом сумматора 6, буферный регистр 8, информационный вход которого (монтажным сдвигом на К разрядов) соединен с выходом регистра 7, коммутатор адресных сигналов 9, выход которого соединен с адресным входом ЗУ 5, счетчик адресов записи 10, выход которого соединен с первым входом коммутатора адресных сигналов 9, счетчик адресов считывания 11, выход которого соединен с вторым входом коммутатора адресных сигналов 9, блок опережения 12 на n отсчетов эхоинформации, выход которого соединен с входом разрешения предварительной записи-установки счетчика адресов считывания 11, распределитель импульсов 13, первый выход которого соединен с входом выбора кристалла ЗУ 5, а второй выход соединен с синхровходом записи в регистр 7, блок опорных частот 14, первый выход которого соединен с входом запуска приемопередатчика 1, с входом обнуления счетчика адресов записи 10, с входом разрешения предварительной записи-установки счетчика адресов считывания 11, а второй выход соединен с входами управления АЦП 4, ЗУ 5, коммутатора адресных сигналов 9 с синхровходом записи буферного регистра 8, через дифференциальную RC-цепочку с входом обнуления регистра 7, со вторым входом распределения импульсов 13 и со счетными входами счетчиков адресов 10 и считывания 11, а третий выход блока опорных частот 14 соединен с первым входом распределителя импульсов 13, второй приемный канал, содержащий делитель напряжения 15, первый вход которого соединен с выходом приемопередатчика 1 ГБО, а второй вход с выходом буферного регистра 8, индикатор 16, информационный вход которого соединен с выходом делителя напряжения 15.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема распределителя импульсов для случая когда интервал наблюдения за помехой F(t) равен четырем периодам зондирования.

Распределитель импульсов 13 содержит десятичный счетчик D₁ (см. фиг. 2), счетный вход которого соединен с третьим выходом блока опорных частот 14, двоичный счетчик D₂, счетный вход которого соединен с вторым выходом блока опорных частот 14, коммутатор цифровых сигналов D₃, адресные входы которого соединены с соответствующими выходами двоичного счетчика D₂, а информационный вход соединен с пятым выходом десятичного счетчика D₁, четыре логических элемента 3И-НЕ D4, первые входы которых соединены с синхровходом двоичного счетчика D₂, а вторые входы соединены с синхровходом десятичного счетчика D₁, при этом третьи входы соединены с соответствующими выходами десятичного счетчика D₁, логический элемент 4 ИЛИ-НЕ D₅, входы которого соединены с соответствующими выходами четырех логических элементов 3 И-НЕ D4, а выход через интегрирующую RC-цепь соединен с синхровходом записи регистра 7 (см. фиг. 1), коммутатор D₆, первый вход управления которого соединен с синхровходом двоичного счетчика D₂, второй вход управления через инвертор, собранный на логическом элементе 2И-НЕ D₇, также соединен с синхровходом двоичного счетчика D₂, а информационные входы коммутатора D₆ соединены с соответствующими выходами логических элементов 3 И-НЕ D₄ и с выходами коммутатора D₃, при этом выходы коммутатора D₆ соединены с входами выборки кристалла ЗУ 5, логический элемент 2 ИЛИ-НЕ D₈, первый вход которого через дифференцирующую RC-цепь соединен с синхровходом двоичного счетчика D₂, а второй вход через дифференцирующую RC-цепь с выходом инвентора D₇, при этом выход соединен с входом обнуления десятичного счетчика D₁.

В предложенном устройстве делитель напряжения 15 реализован по известной схеме с управляемым коэффициентом деления (см. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. М. Радиосвязь, 1982, с. 44), который содержит операционный усилитель с перемножающим цифроаналоговым преобразователем (К 572 ПА 1) в обратной связи (см. фиг. 4). Подбором сопротивления R в схеме на фиг. 2 можно добиться равенства коэффициента пропорциональности К единице.

Устройство работает следующим образом.

В момент появления на первом выходе блока опорных частот 14 синхросигнала начала периода зондирования в приемопередатчике 1 формируется зондирующий импульс (ЗИ), производится обнуление счетчика адресов записи 10 и установка на выходе счетчика адресов считывания 11 кода опережения на n отсчетов эхоинформации, задаваемого блоком опережения 12. Далее оба счетчика работают в режиме прямого счета синхроимпульсов (Си 2), поступающих на их счетные входы с второго выхода блока опорных частот 14. При этом код на выходе счетчика 11, соответствующий адресу считывания, всегда больше кода на выходе счетчика адресов записи 10 на величину n, определяемую блоком опережения 12.

После излучения зондирования импульса антенной ГБО приемопередатчик 1 начинает работать в режиме приема эхосигналов и в этом режиме остается до начала следующего периода зондирования. Эхосигнал U(t) с выхода приемопередатчика 1 поступает на входы двух приемных каналов.

В первом приемном канале, содержащем детектор 2, ФНЧ 3, АЦП 4, ЗУ 5, сумматор 6, регистр 7, буферный регистр 8, формирователь адресов записи и считывания (фиг. 1), блок опорных частот 14, распределитель импульсов 13, производится выделение и запоминание в ЗУ 5 неинформативной составляющей F_i(j·Δt), где i номер текущего периода зондирования;
j 1, 2, 3, N;
N число отсчетов на одном периоде зондирования;
Δt шаг дискретации.

Емкость ЗУ 5 рассчитана на хранение 2k отсчетов помехи F_i (j·Δt), где 2k число соседних, учитываемых периодов зондирования.

Четное число периодов зондирования 2k выбирается для упрощения операции деления при осреднении помех F(t).

Эхосигнал U(t) с выхода приемопередатчика 1 поступает на вход детектора 2, где выделяется огибающая эхоинформации. Далее огибающая эхосигнала поступает на вход фильтра нижних частот 3, на выходе которого получается неинформативная составляющая F_i(t).

Выборки неинформативной составляющей F(t) подвергаются преобразованию в цифровую форму F_i(j·Δt) (где i номер текущего периода зондирования, j номер текущего отсчета) посредством АЦП 4 и последовательно записываются в цифровое запоминающее устройство 5 по адресам, соответствующим номеру отсчета j, начиная с момента поступления сигнала начала периода зондирования. При этом адрес записи и считывания данных ЗУ 5 уточняется в распределителе импульсов 13, который выполняет поочередной выбор одной из 2k частей памяти ЗУ 5 посредством подачи на соответствующие входы выборки кристаллов ЗУ 5 синхроимпульсов С-C2k. Одновременно осуществляется считывание цифровых отсчетов F_i (j·Δt) предыдущего периода зондирования из ячеек, номера которых начинаются с j+n. Величина n устанавливается пропорциональной времени задержки сигнала F(t) в цепи первого приемного канала. Эта задержка определяется параметрами ФНЧ 3 и детектора 2. На практике величины задержки уточняются экспериментально.

На каждом полупериоде синхросигнала См2, наблюдаемого на втором выходе блока опорных частот 14, производится 2k-кратное считывание соответствующих отсчетов F_i(j+n) Δt) из ЗУ 5 и далее выполняется осреднение, т.е.

(j+Δt) F_l((j+n)•Δt) где i номер текущего периода зондирования;
j номер текущего отсчета F(t);
n число опережения эхоинформаций.

Коммутатор адресных сигналов 9 обеспечивает поочередное переключение цифрового ЗУ 5 на запись и на считывание. Управление работой коммутатора 9, АЦП 4, распределителя импульсов 13, запись в регистр 7 и в буферный регистр 8 обеспечиваются путем подачи на соответствующие входы управления блоков синхросигнала Сн₂ с второго выхода блока опорных частот 14.

Рассмотрим более подробно процесс записи и считывания помехи F(t). Возьмом частный случай, когда емкость ЗУ 5 рассчитана на хранение 4 N-отсчетов помехи F(t), где N число отсчетов на одном периоде зондирования, т.е. интервал наблюдения равен четырем периодам зондирования и соответственно К равно двум. На фиг. 2 представлена принципиальная схема распределения импульсов 13 для формирования синхроимпульсов выборки кристалла C (i=1, 2, 3, 4) для ЗУ 5. На фиг. 3 представлена временная диаграмма работы распределителя импульсов 13.

Синхросигнал Си₂ со второго выхода блока опорных частот 14 поступает на второй вход распределителя импульсов 13, на вход управления АЦП 4, на вход управления режима работ (запись/считывание) ЗУ 5 и коммутатора адресных сигналов 9, через дифференцирующую RC-цепь на вход обнуления регистра 7 и на синхровход записи в буферный регистр 8.

За первый (единичный) полупериод синхросигнала Си₂ осуществляется считывание, а за второй (нулевой) полупериод запись данных в ЗУ 5 (см. фиг. 3). По фронту синхросигнала Си₂ осуществляется запуск режима работы ЗУ 5 на считывание данных, обнуление регистра 7 и переключение коммутатора адресных сигналов 9 на прохождение кода адреса считывания с выхода счетчика адресов считывания 11 на соответствующие входы адреса ЗУ 5, а также посредством дифференцирующей RC-цепи и логического элемента 2 ИЛИ-НЕ D₈ (см. фиг. 2) производится обнуление десятичного счетчика 1 распределителя импульсов 13.

С третьего выхода блока опорных частот 14 поступает синхросигнал Си₃ на первый вход распределителя импульсов 13. Причем частота синхросигнала Си₃ на порядок больше частоты синхросигнала Си₂. После обнуления счетчика D₁ (см. фиг. 2 и 3) по фронтам синхросигнала Си₃ на соответствующих выходах счетчика D₁ начинают формироваться импульсы D 1-1 D 1-9. Причем девятый импульс D 1-9 поступает на вход разрешения счета счетчика D₁ и запрещает счет до следующего обнуления счетчика D₁. На первом полупериоде синхросигнала Си₂ импульсы D 1-1 D 1-4 стробируются синхросигналом Си₃ посредством логических элементов D₄ и далее простробированные импульсы Сr₁-Cr₄ поступают на соответствующие входы логического элемента D₅ и коммутатора D₆, который на первом полупериоде синхросигнала Си₂ находится в режиме коммутации выходов логических элементов D₄ с входами выборки кристалла ЗУ 5, благодаря чему на соответствующих выходах 1 распределителя импульсов 13 мы имеем синхроимпульсы C-C.

После поступления синхроимпульса С на соответствующий вход выборки кристалла ЗУ 5 на первом входе сумматора с некоторой задержкой (задержка определяется быстродействием ЗУ 5 при считывании) появляется код, эквивалентной отсчету F_l ((j+n) Δt) где l=i-4, i номер текущего периода зондирования; n код числа опережения эхоинформации; l номер предшествующего периода зондирования.

Одновременно на втором входе сумматора 6 присутствует нулевой код как результат обнуления регистра 7 по фронту синхроимпульса Си₂. На выходе сумматора 6 имеем результат суммирования данных, присутствующих на его первом и втором входах, т.е.

S₁=F_l((j+n)Δ t), где l=i-4.

Логически просуммированные, проинвертированные на элементе D₅синхроимпульсы и задержанные (время задержки определяется быстродействием ЗУ 5 при считывании) посредством интегрирующей RC-цепи поступают на второй выход распределителя импульсов 13 и далее на синхровход записи регистра 7, где производится накопление частичных сумм (S₁, S₂, S₃, S₄ отсчетов F_l((j+n) Δt). По фронту задержанных синхроимпульсов производится запись в регистр 7 результата суммирования на сумматоре 6. Так, по фронту синхроимпульса в регистр 7 записывается первая частичная сумма S₁.

После поступления синхроимпульса на соответствующий вход выборки кристалла ЗУ 5 на первом входе сумматора 6 появляется код, эквивалентный отсчету F_l((j+n) Δt), где l=i-3, i номер текущего периода зондирования.

Одновременно на втором входе сумматора 6 присутствует код хранимой информации в регистре 7, т.е. F_l((j+n) Δt), где l=i-4. На выходе сумматора 6 имеем результат суммирования данных, присутствующих на его первом и втором входах, т.е.

S₂ F_l((j+n)•Δt)
По фронту синхроимпульса в регистр 7 записывается вторая частичная сумма S₂ и т.д.

Перезапись результата суммирования четырех отсчетов F_l((j+n)Δ t) на j-м полупериоде синхросигнала Си₂ в буферный регистр 8 производится по отрицательному спаду синхросигнала Си₂, причем посредством монтажного сдвига на 2 разряда на входе буферного регистра 8 одновременно осуществляется деление результата суммирования на четыре. Таким образом в буферный регистр 8 записывается результат осреднения четырех отсчетов F((j+n)Δ t), записанных в ЗУ 5 на предшествующих периодах зондирования.

В момент прихода отрицательного спада синхросигнала Cи₂, ЗУ 5 переключается в режим записи, коммутатор адресных сигналов 9 подключает адресный вход ЗУ 5 к выходу счетчика адресов записи 10, производится обнуление счетчика D₁ распределителя импульсов 13 (см. фиг. 2), коммутатор D₆ подключает выход коммутатора D₃ к входам выборки кристалла ЗУ 5 и происходит изменение состояния счетчика D₂.

Код состояния первых двух разрядов счетчика D₂ на адресных входах (А, В) коммутатора D₃ определяет появление пятого импульса D1 5 счетчика D₁ на одном из выходов C ÷ C распределителя импульсов 13.

Так, при коде 00 импульс D1 5 появляется на выходе C, при 10 на выходе C и т.д.

С появлением одного из синхроимпульсов C ÷ C на соответствующем входе выбора кристалла ЗУ 5 производится запись очередного j-го отсчета помехи F_i(j·Δt) в ЗУ 5.

Таким образом за один период синхросигнала Си₂ производится четыре считывания отсчетов с ЗУ 5 и одна запись в ЗУ 5.

Во втором приемном канале, содержащем делитель напряжения 15 и индикатор 16, производится выделение информативной составляющей S(t) эхосигнала путем деления входного эхосигнала U(t) на осредненный цифровой эквивалент (j·Δt) помехи F(t), т.е.

S(t) U(t)/(j•Δt)
Эхосигнал U(t) c выхода приемопередатчика 1 поступает на первый вход делителя напряжения 15, при этом цифровой код (j•Δt), эквивалентный осредненной неинформативной составляющей эхосигнала F_i(t), с выхода буферного регистра 8 поступает на второй вход делителя напряжения 15, на выходе которого мы имеем результат деления эхосигнала U(t) на цифровой код (j•Δt). Далее выделенная информативная составляющая S(t) поступает на вход индикатора 16. Такая раздельная обработка эхосигнала U(t) в двух приемных каналах и увеличение времени наблюдения за помехой F(t) до 2k периодов зондирования позволяет более точно учесть информацию об изменении условий приема, благодаря чему достигается лучшее согласование широкого динамического диапазона принимаемых эхосигналов с узким динамическим диапазоном самописца.

Использование: в гидроакустической технике для исследования океана. Сущность изобретения: согласование динамического диапазона принимаемых эхолокационных сигналов с динамическим диапазоном регистраторов путем использования адаптивной автоматической регулировки усиления. 4 ил.

Приемное устройство гидролокатора бокового обзора, содержащее последовательно соединенные блок опорных частот, приемопередатчик, детектор, фильтр нижних частот и схему ВАРУ, а также индикатор, отличающееся тем, что в него введены делитель напряжения, первый вход которого подключен к выходу приемопередатчика, а выход к индикатору, схема ВАРУ выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, запоминающего устройства, сумматора, регистра и буферного регистра, выход которого соединен с вторым входом делителя напряжения, ВАРУ также содержит последовательно соединенные блок опережения и счетчик адресов считывания, выход которого соединен с первым входом коммутатора адресных сигналов, выход которого соединен с адресным входом запоминающего устройства, второй вход коммутатора адресных сигналов соединен с выходом счетчика адресов записи, входы синхронизации аналого-цифрового преобразователя, запоминающего устройства, буферного регистра, коммутатора адресных сигналов, счетчика адресов записи, счетчика адресов считывания, распределителя импульсов и через дифференцирующую RC-цепь, вход обнуления регистра соединены с вторым выходом блока опорных частот, третий выход которого соединен с другим входом распределителя импульсов, первый выход последнего соединен с синхровходом записи регистра, а второй выход с выходом выборки кристалла запоминающего устройства.