ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСТАНЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01S15/00 

Изобретение предназначено для использования в гидроакустических системах измерения дистанции между подводными объектами, которые широко применяются в гидроакустических средствах навигации, позиционирования и т.д.

Принцип действия гидроакустических систем измерения дистанции между двумя объектами основан на измерении времени распространения (задержки) сигнала от одного объекта до другого. При этом существует два основных варианта систем измерения дистанции. В одном из них акустический сигнал излучается с одного объекта и принимается на другом объекте, причем на приемном объекте должен быть точно известен момент излучения сигнала, что достигается за счет предварительной синхронизации времязадающих устройств излучающего и приемного объектов. В другом варианте один объект сначала излучает сигнал, а затем принимает сигнал, либо отраженный от другого объекта, либо переизлученный им.

При работе подобных систем часто возможны ситуации, когда в приемном устройстве наряду с полезным сигналом, пришедшим по прямому лучу, выделяются также мешающие (ложные) сигналы, обусловленные отражениями излученного сигнала от поверхности и/или дна моря, а также от подводных несущих конструкций, на которых смонтированы элементы системы. Эти мешающие сигналы могут прийти как раньше, так и позже полезного сигнала, в зависимости от типа вертикального разреза скорости звука по глубине, определяемого районом моря, сезоном и т. д. Эти мешающие сигналы к тому же весьма похожи на полезный сигнал и могут быть соизмеримы с ним по уровню, в связи с чем в приемнике вместо полезного сигнала может быть зафиксирован один из мешающих сигналов, что приведет к ошибке измерения дистанции. Таким образом, мешающий сигнал может снижать точность измерения дистанции в гораздо большей степени, чем шумовая помеха того же уровня, так что задача различения полезного сигнала от мешающих является весьма важной.

Основными узлами приемного устройства системы измерения дистанции, определяющими точность измерения, являются фильтр, согласованный с сигналом оптимальным или квазиоптимальным образом, и решающее устройство, принимающее решение о наличии или отсутствии полезного сигнала при различных значениях задержки сигнала. В качестве такого устройства во многих системах измерения дистанции используется наиболее простая в реализации пороговая схема (В.И. Бородин и др. Гидроакустические навигационные средства. Судостроение, 1983, с. 65). При этом пороговый уровень должен устанавливаться таким образом, чтобы полезный сигнал на выходе фильтра превышал этот уровень, а мешающие сигналы и шумовой процесс не превышали. Следует, однако, отметить, что в связи с затуханием сигнала при его распространении в воде уровень полезного и мешающих сигналов на входе приемного устройства зависит от фактической дистанции между объектами, и с увеличением дистанции естественно уменьшается. Поэтому при выборе порогового уровня одинаковым для всех дистанций окажется, что на малых дистанциях этот уровень будет превышаться не только полезным, но и мешающими сигналами, что приведет к снижению точности измерений.

Для устранения этого недостатка в ряде устройств, в частности Пат. США N 4451909, осуществляется увеличение коэффициента усиления входного усилителя в функции от времени (дистанции) с тем, чтобы скомпенсировать снижение уровня входного сигнала в зависимости от пройденного сигналом расстояния.

Такое решение имеет, однако, целый ряд недостатков. Во-первых, реализация усилителя с изменяющимся по сложному закону коэффициентом усиления представляет собой достаточно сложную задачу. Во-вторых, реальное изменение величины затухания сигнала в функции от дистанции может отличаться от той теоретической зависимости, которая закладывается в закон изменения коэффициента усиления, что вызовет дополнительные ошибки измерения дистанции. Наиболее существенный недостаток, однако, заключается в том, что пороговый уровень надо устанавливать в зависимости от соотношения уровней полезного сигнала, мешающих сигналов и шума, что практически осуществимо лишь вручную, эмпирическим путем. Это крайне затрудняет эксплуатацию системы.

Наиболее близким к изобретению является приемное устройство в составе системы измерения дистанции, описанной в Пат. США N 14975889. В этом устройстве с целью лучшего различения полезного сигнала от мешающих осуществляется изменение во времени не коэффициента усиления входного усилителя, как в упомянутом аналоге, а порогового уровня. Для этого в приемное устройство включен специальный формирователь порогового уровня, обеспечивающий спадание порогового уровня во времени по экспоненциальному закону от некоторого начального значения до некоторого конечного значения. Такое устройство проще в реализации, чем предыдущее, однако, сохраняет два его основных недостатка, а именно: во-первых, реальная зависимость затухания уровня сигнала от дистанции может отличаться и существенно от теоретической (в данном случае экспоненциальной), и, во-вторых, необходима ручная установка начального значения порогового уровня в зависимости от ожидаемого соотношения между уровнями полезного сигнала, мешающих сигналов и шума.

Задачей изобретения является повышение точности измерения дистанции за счет реализации беспорогового решающего устройства, осуществляющего отбор максимального значения сигнала на выходе фильтра и обеспечивающего благодаря этому наилучшее различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума при всех просматриваемых значениях дистанции.

Для решения поставленной задачи в приемное устройство измерения дистанции, содержащее акустический преобразователь, согласованный фильтр с детектором, компаратор, счетчик и индикатор дистанции, а также первую группу схем И, введены:
ячейка памяти с входной схемой И, выход ее соединен с 2-м входом компаратора, а сигнальный и управляющий входы ее входной схемы И соединены соответственно с выходом согласованного фильтра и выходом компаратора;
буферный регистр, входы его соединены с выходами первой группы схем И;
вторая группа схем И, выходы которых соединены с входами индикатора дистанции, сигнальные входы этих схем И соединены с выходами буферного регистра, а их управляющие выходы с выходом переполнения счетчика дистанции.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения в приемное устройство перечисленных выше элементов и соединения их определенным образом реализована процедура определения такого значения дистанции, при котором сигнал на выходе фильтра имеет максимальное значение. Такой беспороговый алгоритм обеспечивает оптимальное различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума во всем диапазоне измеряемых дистанций, и следовательно, и наилучшую точность измерения дистанции.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого приемного устройства системы измерения дистанции.

Она содержит акустический преобразователь 1 и согласованный фильтр с детектором 2, выходной сигнал которого через схему И, поступает на ячейку памяти 4, а также на один из входов компаратора 5, другой вход которого соединен с выходом упомянутой ячейки памяти 4. Выходной сигнал компаратора 5 поступает на управляющие входы первой группы схем И 3, при открывании которых содержимое счетчика дистанции 6 переписывается в буферный регистр 7. Выходы упомянутого буферного регистра 7 соединены с входами индикатора дистанции 8 через вторую группу схем И 3, на управляющие входы которых поступает сигнал переполнения счетчика дистанции 6.

Работа предлагаемого приемного устройства поясняется фиг. 2, на верхнем рисунке которой условно показано выходное напряжение согласованного фильтра с детектором 2, а на нижнем напряжение, хранимое в ячейке памяти 4.

При этом полезный сигнал соответствует моменту времени t₃, мешающие сигналы моментам времени t₂ и t₄, а выброс шума - моменту времени t₁.

По сигналу "Запуск", формируемому синхронно с моментом излучения сигнала, обнуляется содержимое ячейки памяти 4 и запускается счетчик дистанции 6, отсчитывающий текущую дистанцию. При этом в начальный момент на первом входе компаратора 5 оказывается нулевое напряжение с выхода ячейки памяти 4, а на втором начальное значение выходного напряжения согласованного фильтра 2. Поскольку напряжение на втором входе компаратора 5 больше, чем на первом, то на его выходе появляется сигнал, открывающий схему И 3 на входе ячейки памяти 4, в которую заносится начальное значение выходного напряжения согласованного фильтра 2. Этим же выходным сигналом компаратора 5 открывается первая группа схем И 3, через которые содержимое счетчика дистанции 6 (в начальный момент равное нулю) переписывается в буферный регистр 7, т.е. в данном случае производится его обнуление.

До тех пор, пока последующие значения сигнала на выходе фильтра 2 не превышают хранимого в ячейке памяти 4 начального значения, содержимое ячейки памяти 4 и буферного регистра 7 сохраняется неизменным. Как только текущее значение выходного сигнала фильтра 2 превысит хранимое в ячейке памяти 4 значение сигнала, как например в момент t₁ на фиг. 2, срабатывает компаратор 5, и под действием его выходного сигнала в ячейку памяти 4 заносится новое значение сигнала, соответствующее моменту времени t₁, а в буферный регистр записывается соответствующий моменту t₁ отсчет дистанции t₁. Аналогичным образом происходит обновление содержимого ячейки памяти 4 и буферного регистра 7 в моменты времени t₂и t₃, соответствующие появлению первого мешающего сигнала и полезного сигнала. Последующие значения сигнала на выходе фильтра 2 вплоть до момента окончания данного цикла измерения дистанции оказываются меньше уровня полезного сигнала, так что срабатывание компаратора 5 не происходит, и в буферном регистре сохраняется отсчет дистанции Д₃, соответствующий моменту выделения в приемнике полезного сигнала. По окончании данного цикла сканирования дистанции (момент времени t_k) под действием импульса переполнения счетчика дистанции 6 открывается вторая группа схем И 3, и хранимый в буферном регистре отсчет дистанции Д₃, соответствующий моменту появления полезного сигнала, переписывается в индикатор дистанции 8. Таким образом, в предлагаемом приемном устройстве отсчет измеряемой дистанции осуществляется не по превышению некоторого порогового уровня (который, кроме полезного, может превысить и близкие к нему по уровню мешающие сигналы), а более надежно по максимальному значению сигнала.

При этом не требуется никаких регулировок и обеспечивается наилучшее различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума во всем диапазоне измеряемых дистанций, а следовательно, наиболее высокая точность измерения дистанции.

Техническая реализация предлагаемого приемного устройства системы измерения дистанции особых трудностей не вызывает, так как оно включает в себя такие широкоприменяемые узлы, как счетчик импульсов, регистр, индикатор, схемы И, акустический преобразователь. Структура согласованного фильтра зависит от вида сигнала, применяемого для измерения дистанции. В случае использования простого тонального сигнала, как в пат. США 4975889, согласованный фильтр представляет собой обычный полосовой фильтр. При использовании сложного широкополосного сигнала с внутриимпульсной модуляцией, позволяющего получить более высокие точность и разрешаемую способность измерения дистанции, согласованный фильтр обычно реализуется в виде коррелятора. При этом в случае построения согласованного фильтра в аналоговом виде в качестве схемы запоминания максимального значения (ячейка памяти 4 с входной схемой И 3 и компаратор 5) можно использовать широкоизвестный пиковый детектор, состоящий в простейшем случае из диода и конденсатора. В случае, когда согласованный фильтр реализуется в виде цифрового процессора, то в качестве ячейки памяти 4 можно использовать обычный цифровой регистр, а в качестве компаратора - обычное устройство сравнения двоичных чисел.

Использование: в гидроакустических системах измерения дистанции между подводными объектами. Сущность изобретения: в приемном устройстве системы измерения дистанции, введением ячейки памяти с входной схемой И между выходом согласованного фильтра с детектором и компаратором, включением буферного регистра и второй группы схем И между выходами схем И первой группы и индикатором дистанции, а также осуществлением связи между выходом компаратора и управляющим входом введенной схемы И реализована процедура беспорогового определения дистанции при обеспечении оптимального различения полезного сигнала во всем диапазоне действия системы. 2 ил.

Приемное устройство гидроакустической системы измерения дистанции, содержащее последовательно соединенные акустический преобразователь и согласованный фильтр с детектором, компаратор, один из входов которого соединен с выходом согласованного фильтра, счетчик дистанции, выходы которого соединены с сигнальными входами первой группы схем И, управляющие входы которых соединены с выходом компаратора, и индикатор дистанции, отличающееся тем, что в него введены ячейка памяти с входной схемой И, буферный регистр и вторая группа схем И, причем выход ячейки памяти соединен с другим входом компаратора, а сигнальный и управляющий входы ее входной схемы И соединены с выходом согласованного фильтра и выходом компаратора, входы буферного регистра соединены с выходами первой группы схем И, а его выходы с сигнальными входами второй группы схем И, выходы которых соединены с входами индикатора дистанции, а управляющие входы с выходом переполнения счетчика дистанции.