АКУСТИЧЕСКИЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР Российский патент 2000 года по МПК G01S13/32 G01N29/04 

Предлагаемое изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах и для классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению. Возможно использование локатора в рыболокации, гидроакустике, медицине, а также при ультразвуковой дефектоскопии материалов. Преимущественное использование - дефектоскопия.

Известен акустический эхо-импульсный локатор, описанный в книге Д.С.Шрайбера "Ультразвуковая дефектоскопия", М., Металлургия 1965, с.312, содержащий синхронизатор, соединенный через последовательно включенные генератор радиоимпульсов и коммутатор с акустическим преобразователем. Второй выход коммутатора через усилитель соединен с сигнальным входом индикатора, вход запуска которого соединен с выходом синхронизатора. Эти блоки имеются в заявляемом объекте. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие генератор радиоимпульсов, а также запускающие соответствующие блоки индикатора, например, в осциллографическом индикаторе это - генератор развертки и блок импульсов подсвета прямого хода луча. Радиоимпульс с генератора радиоимпульсов через коммутатор поступает на акустический преобразователь, излучающий в среду акустический импульс. Этот импульс распространяется в среде, достигает объекта с акустическим сопротивлением Z1, отличным от акустического сопротивления среды Z0, отражается от него и принимается тем же акустическим преобразователем. Сигнал с преобразователя через коммутатор и усилитель подается на сигнальный вход индикатора, например осциллографического, на экране которого наблюдают форму этого сигнала. Если Z1 > Z0, то наблюдаемый отраженный эхо-сигнал имеет такую же начальную фазу, что и излучаемый, если же Z1 < Z0, то эхо- сигнал имеет начальную фазу, сдвинутую на 180^o по сравнению с начальной фазой излучаемого акустического сигнала. Это объясняется тем, что при отражении от объектов с Z1 < Z0 происходит изменение фазы акустического сигнала на 180^o (см. С.Н.Ржевкин "Курс лекций по теории звука", изд. МГУ, М., 1960, с. 39, 45). Таким образом, наблюдая на экране осциллографического индикатора начальную фазу отраженного эхо-сигнала, можно различать объекты по их акустическому сопротивлению, например, для титановых сплавов - газовый пузырь или кусок вольфрамового электрода. Однако при реальной эхо-локации объектов в различных средах происходит расплывание посылаемого акустического сигнала во времени, что приводит к невозможности определения значения начальной фазы отраженного эхо-сигнала. Эти процессы расплывания сигнала описаны в работах: С.Е.Барышев "Влияние затухания на спектральную плотность эхо-сигналов". Дефектоскопия 1978 N 3, В. М. Меркулова "Искажение прямоугольного акустического импульса в среде с затуханием". Сб. Применение ультраакустики к исследованию вещества. Вып. 21, М., 1965, изд. МОПИ им. Н.К.Крупской.

Известна также "Система обнаружения и классификации, использующая униполярные импульсы" см. патент США N 3686669, G 01 S 9/02, НКИ 343/5 PC, ИЗР N 17, 1972, содержащая синхронизатор, соединенный через генератор униполярных импульсов и коммутатор с акустическим широкополосным преобразователем. Второй выход коммутатора через усилитель соединен с сигнальным входом индикаторам, вход запуска которого соединен с выходом синхронизатора. Блоки: синхронизатор, коммутатор, усилитель и индикатор имеются в заявляемом объекте.

Устройство работает следующим образом. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие генератор униполярных импульсов, а также запускающие соответствующие блоки индикатора, например для осциллографического индикатора это - генератор развертки и блок импульсов подсвета прямого хода луча. Униполярные импульсы проходят через коммутатор и подаются на акустический широкополосный преобразователь, излучающий эти импульсы в среду лоцирования. Эта серия униполярных импульсов распространяется в среде, отражается от объектов с акустическим сопротивлением Z1, отличным от акустического сопротивления среды Z0, и принимается акустическим широкополосным преобразователем. Принятая серия отраженных эхо-импульсов после усилителя подается на сигнальный ход индикатора, генератор развертки которого запускается видеоимпульсом от синхронизатора. При этом в зависимости от соотношений Z0 и Z1 различных лоцируемых объектов, расстояния между ними, соотношения длительностей отдельных униполярных импульсов и размеров объекта на экране индикатора наблюдается серия разнополярных, различных по длительности и амплитуде импульсов. Анализируя представленную картину, можно судить о расстоянии до объектов, их акустическом сопротивлении, протяженности в пространстве.

Системе присущи недостатки. Требования широкополосности акустического преобразователя, обеспечиваемые механическим демпфированием, снижают его чувствительность в режимах приема и излучения, что уменьшает дальность действия системы. Вследствие зависимости коэффициента затухания звука от частоты происходит искажение формы униполярных импульсов и появление неоднозначности расшифровки их полярности в последовательности. При наличии нескольких отражающих поверхностей с разными величинами акустических сопротивлений и расположенных на близких расстояниях может происходить интерференция отраженных эхо-импульсов в серии и их взаимное компенсирование, т.е. объекты будут не обнаружены.

От данных недостатков свободны акустические локаторы, в которых определяют фазу всего эхо-сигнала, а не его начальной части. Для этого проводят его сравнения со специальным опорным сигналом.

Таким локатором является локатор по Пат. ФРГ N 2006152, G 01 S 9/66, ИЗР N 7, 1977 г., имеющий наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым объектом и содержащий синхронизатор, соединенный со входом запуска индикатора и с генератором радиоимпульсов, выход которого соединен непосредственно с одним из входов сумматора, а со вторым входом сумматора через делитель частоты. Выход сумматора через коммутатор соединен с акустическим преобразователем. Второй выход коммутатора соединен со входами двух фильтров; выход первого фильтра через последовательно соединенные умножитель частоты сигнала и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, а выход второго фильтра соединен с сигнальным входом индикатора.

Все данные блоки имеются в заявляемом устройстве. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие генератор радиоимпульсов, а также запускающие соответствующие блоки индикатора, например для осциллографического индикатора это - генератор развертки и блок импульсов подсвета прямого луча. На выходе генератора радиоимпульсов формируется радиоимпульс с частотой f1, а на выходе делителя частоты радиоимпульс с частотой f2=f1/2. После суммирования эти радиоимпульсы через коммутатор поступают на акустический преобразователь, излучающий в среду с акустическим сопротивлением Z0 сигналы с частотами f1 и f2. Эти сигналы распространяются в среде, достигают поверхности объекта, имеющего акустическое сопротивление Z1≠Z0, отражаются от него и принимаются тем же акустическим преобразователем. Напряжение с него поступает через коммутатор на входы двух фильтров: первого - настроенного на частоту f2 и второго - настроенного на частоту f1. С выхода первого фильтра сигнал с частотой f2 через последовательно соединенные умножитель частоты сигнала на два и усилитель-ограничитель поступает на первичный вход фазового детектора, а с выхода второго фильтра сигнал с частотой f1 подается на сигнальный вход индикатора, а также через второй усилитель - ограничитель на второй вход фазового детектора. Сигналы, поступающие на входы детектора, могут находиться в фазе относительно друг друга, если Z1 > Z0, и в противофазе, если Z1 < Z0, то есть для жесткого и акустически мягкого отражающего объекта. Сигнал, снимаемый с выхода фазового детектора для данных случаев, будет иметь разную полярность, что позволяет судить об акустическом сопротивлении Z1 объекта.

Данный локатор имеет малую дальность лоцирования, а также недостаточную надежность получаемых результатов. Это обусловлено следующим.

Для излучения одним акустическим преобразователем двух сигналов со значительно отличающимися частотами f1 и f2 преобразователь должен быть широкополосным, то есть механически сильно задемпфирован. Это снижает эффективность его работы, требует использования для получения необходимых уровней акустических сигналов повышенных электрических возбуждающих напряжений.

Для надежной работы устройства должна соблюдаться строгая идентичность фазовых характеристик генераторного излучающего тракта и акустического преобразователя для частот f1 и 2f, что не всегда возможно, так как параметры акустического преобразователя меняются при изменении температуры, акустического сопротивления среды, а также за счет старения активных элементов преобразователя. За счет большого различия используемых частот возникают дополнительные погрешности, обусловленные значительными различиями в условиях распространения акустических сигналов в среде лоцирования, а также в характеристиках их отражения от поверхности обнаруженного объекта.

Перечисленные недостатки приводят к уменьшению дальности лоцирования и надежности получаемых результатов.

Задачей данного изобретения является увеличение дальности лоцирования и повышения надежности получаемых результатов.

Технический результат изобретения заключается в увеличении дальности лоцирования и повышении надежности получаемых результатов по классификации объектов.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, соединенный с индикатором и генератором радиоимпульсов, выход которого соединен непосредственно с первым входом сумматора и через делитель частоты со вторым входом сумматора, а его выход через коммутатор соединен с акустическим преобразователем и со входами двух фильтров, выход первого фильтра через последовательно соединенные умножитель частоты и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, а выход второго фильтра соединен с сигнальным входом индикатора и через второй усилитель-ограничитель со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен со вторым сигнальным входом индикатора, дополнительно введены второй делитель частоты, установленный между выходом генератора радиоимпульсов и первым входом сумматора, и второй умножитель частоты, установленный между выходом второго фильтра и входом второго усилителя-ограничителя.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом и аналогами показывает, что заявляемое устройство соответствует критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

В предлагаемом устройстве в результате введения вторых делителя и умножителя частоты процесс лоцирования и классификаций объектов осуществляется путем использования акустических сигналов с мало отличающимися частотами (не в два раза, как в прототипе, а значительно меньше). Это приводит к значительному повышению дальности лоцирования при той же мощности излучаемого акустического сигнала, упрощает конструкцию акустического преобразователя, повышает надежность и помехоустойчивость классификации обнаруженного объекта.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема устройства, на фиг. 2 - эпюры напряжений в различных точках устройства, на фиг. 3 - спектральные характеристики сигналов.

Акустический эхо-импульсный локатор содержит синхронизатор 1, соединенный со входом запуска индикатора 2 и генератором радиоимпульсов 3, выход которого через два делителя частоты 4 и 5 соединен с двумя входами сумматора 6, выход которого через коммутатор 7 соединен с акустическим преобразователем 8. Второй выход коммутатора соединен со входами двух фильтров 9 и 10. Выход первого фильтра 10 через последовательно соединенные умножитель частоты 11 и усилитель-ограничитель 12 соединен с первым входом фазового детектора 13, а выход второго фильтра 9 соединен с сигнальным входом индикатора 2, а также через последовательно соединенные второй умножитель частоты 14 и второй усилитель-ограничитель со вторым входом фазового детектора 13, выход которого соединен со вторым сигнальным входом индикатора 2.

Синхронизатор 1 через интервалы времени T > 2rmax/c, где rmax - максимальная дальность лоцирования, с - скорость звука в среде лоцирования, вырабатывает видеоимпульсы U1, поступающие на вход запуска индикатора 2 (для осциллографического индикатора, например, это может быть вход запуска генератора развертки и вход запуска прямого хода луча), а также на вход генератора радиоимпульсов 3, вырабатывающего радиоимпульс U2 с частотой заполнения f1, поступающий на входы делителей частоты 4 и 5, в которых происходит деление частоты сигнала U2 соответственно n и m, где n и m - простые числа, до частот f2= f1/n, f3=f1/m. Сигналы U3 и U4 с частотами f2 и f3 поступают на сумматор 6, а с его выхода напряжение U5=U3+U4 через коммутатор 7 поступает на акустический преобразователь 8, излучающий в среду лоцирования акустический сигнал U6, содержащий две спектральные составляющие U7 и U8 с частотами f2 и f3, которые выбирают такими, чтобы они лежали в полосе рабочих частот акустического преобразователя 8. Для момента излучения можно записать, для сигналов U7 и U8, учитывая, что напряжения U3 и U4 получены из напряжения U2 = U2max•cos(ω1t+ϕ1) следующие соотношения
U7 = A1•U3 = U7max•cos((ω1•t+ϕ1)/n)
U8 = A2•U4 = U8max•cos((ω1•t+ϕ1)/m),
где A1,2 - постоянные множители, учитывающие коэффициенты передачи преобразователя 8 для частот f2 и f3.

Пройдя расстояние r, акустические сигналы U7 и U8 достигают поверхности объекта, отражаются от него, претерпевая при этом изменения фазы α2 и α3, проходят еще раз расстояние r и достигают преобразователя 8, преобразующего их в электрические сигналы U9 и U10, проходящие через коммутатор 7 и поступающие на входы фильтров 9 и 10, настроенных соответственно на частоты f2 и f3. При этом дополнительный фазовый сдвиг для сигналов U9 и U10 будет равен сумме угла β, характеризующего задержку сигналов при прохождении расстояния 2r и углов α2 и α3. Причем
β1 = 2r•(2π)/λ2, β2 = 2r•(2π)/λ3,
где

откуда
U9 = B1•U7max•cos(ω1•t/n+ϕ1/n+α2+2r•ω1/c•n),
U10 = B2•U8max•cos(ω1•t/m+ϕ1/m+α3+2r•ω1/c•m),
где В1,2 - постоянные множители, учитывающие ослабление сигналов U7 и U8 в среде лоцирования и модули комплексных коэффициентов
K(f2),K(f3) - отражения сигналов с частотами f2 и f3 от объекта (в общем случае)


и коэффициенты передачи акустических сигналов в электрический сигнал преобразователем 8 для частот f2 и f3. Так как частоты f2 и f3 отличаются незначительно, то можно считать, что A1 ≈ A2, B1 ≈ B2. Сигналы U9 и U10 пропускают затем через умножители частоты 14 и 11 с коэффициентами умножения соответственно n и m и через усилители-ограничители 15, 12 и подают на входы фазового детектора 13. Сигнал U9 подают также на сигнальный вход индикатора 2 и по нему судят о наличии объекта в канале лоцирования, о его удалении от преобразователя и о его величине, сигнал U15 с выхода фазового детектора поступает на второй сигнальный вход индикатора и по нему судят об импедансе отражающей поверхности объекта.

Неодинаковые постоянные фазовые сдвиги напряжений U13 и U14, имеющие место при прохождении сигналов U3 и U4 через электронные цепи локатора, устраняют перед работой при калибровке локатора путем введения в один из каналов фазосдвигающей цепочке. Этот вопрос является общим для всех фазоизмерительных систем и поэтому здесь специально не рассматривается.

На входах фазового детектора формируются сигналы U13, U14 с одинаковой частотой f1;


Разность фаз между ними равна β = α2•n-α3•m, а сигнал U15 на выходе фазового детектора равен
U15 = D•cos(α2•n-α3•m),
то есть определяется разностью фаз между сигналами U13 и U14 (D - это коэффициент передачи фазового детектора, зависящий от особенностей его схемных реализаций). Если частоты f2 и f3 достаточно близки друг к другу, так чтобы α2 ≈ α3 ≈ α, коэффициенты n и m отличаются на единицу (например n = 10, m = 9), то окончательно получим
U15 = D•cosα.
Сигнал U15 поступает на второй сигнальный вход индикатора и по его полярности и амплитуде судят об импедансе поверхности лоцируемого объекта.

Так, для объекта с плоской акустически мягкой поверхностью получим, что α2 = α3 = α = 180^° и U15 = -D, для акустически жесткой поверхности α2 = α3 = α = 0^° и U15 = +D. Для импедансных поверхностей с промежуточными значениями 0^°< α < 180^°≪ сигнал U15 будет находиться в пределах -D < U15 < +D и однозначно характеризовать величину α.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения второго делителя частоты, установленного между генератором радиоимпульсов и сумматором, а также второго умножителя частоты, установленного между вторым фильтром и умножителем частоты, процесс лоцирования и классификация объекта производится сигналами с мало отличающимися частотами f2 и f3 (f2 =f3m/n), а не с частотами, отличающимися в два раза (f2 = 2f3), как это выполняется в прототипе. Это приводит к значительному повышению дальности лоцирования при той же мощности зондирующего сигнала U5, подаваемого на акустический преобразователь, упрощает конструкцию преобразователя, повышает достоверность и помехоустойчивость классификации обнаруженного объекта.

При использовании кратных частот f2 и f1=2f2 преобразователь должен иметь среднюю частоту f0 = (f2•2•f2)^1/2 = (2)^1/2f2 и полосу пропускания Δf = f2. Откуда добротность преобразователя Q ≤ (2)^1/2. Реализация такой малой добротности преобразователя при его односторонней нагрузке на воду (случай иммерсионного контроля в дефектоскопии или гидроакустики (тыльная сторона нагружена на демпфер)) связана со значительным усложнением конструкций, так как демпфер должен эффективно поглощать колебания преобразователя, излученные его тыльной стороной. Габариты демпфера будут в несколько раз больше габаритов активного материала самого преобразователя (см. "Подводные электроакустические преобразователи", Л., Судостроение, 1983, с. 39, 45-47.).

Давление в акустической волне, приведенное к расстоянию r = 1 м на оси преобразователя, определяется выражением

где P0 - давление, излучаемое преобразователем с Q=1, f - частота излучения, f0 - резонансная частота.

Для рассматриваемого случая при Q = (2)^1/2 и f/f0 = 1/(2)^1/2 и (2)^1/2 имеем, что P = (2)^1/2r. B заявляемом устройстве частоты f2 и f3 находятся в значительно более узком интервале. Так, для m/n=9/10 имеем, что f3 = 1, f2 = 0,9, Δf = 0, 1, f0 = (f2•f3)^1/2 = 0,95, Q =9,5, f/f0=1/0,95 и 0,9/0,95. Подставляя в выражение для P имеем, что P≈7,1R, то есть при том же возбуждающем напряжении U5 звуковое давление излучаемой акустической волны для частот f2 и f3 будет примерно в пять раз больше, чем у прототипа. Это позволит увеличить дальность лоцирования (учитывая, что чувствительность преобразователя в режиме приема будет в заявляемом устройстве также примерно в 5 раз выше) более чем в 2,3 раза.

В заявляемом устройстве среда лоцирования оказывает примерно одинаковое воздействие на обе гармонические составляющие f2 и f3. В прототипе же эти воздействия различны. Так, например, если в первом случае относительная разность в величинах коэффициентов затухания (для воды) для сигналов f3 и 9/10f3 достигает 1,14 раз, то для прототипа при f1=2f2 - 2,8 раз. Это приводит к более быстрому ослаблению сигнала с частотой 2f2 и дополнительному снижению дальности лоцирования для этой частоты. Для твердых материалов, где коэффициент затухания пропорционален от второй до четвертой степени частоты сигнала, эта разница будет еще больше.

Кроме того, в прототипе акустический преобразователь имеет для частоты f3 одну ширину диаграммы направленности, а для частоты f1=2f2 примерно в два раза более узкую, в результате чего рефракция сказывается на эти акустические сигналы совершенно по-разному и, кроме того, пятно засветки, от которого происходит отражение акустических сигналов, имеет площади отличающиеся, друг от друга в четыре раза. Поэтому компоненты эхо-сигналов, отраженные от участков, не засвечиваемых высокочастотной волной, вносят дополнительные погрешности при классификации цели. В заявляемом устройстве эти недостатки устранены, так как диаграммы направленности преобразователя и засвечиваемые площади для близко лежащих частот f2 и f3 практически идентичны.

Это увеличивает дальность действия заявляемого локатора, повышает надежность его работы и достоверность получаемых результатов, а также упрощает конструкцию акустического преобразователя.

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах, и классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению. Преимущественная область использования - ультразвуковая дефектоскопия, а также медицина, рыболокация, гидроакустика. Технический результат изобретения заключается в увеличении дальности лоцирования, повышении надежности полученных результатов. Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, соединенный с индикатором и генератором радиоимпульсов, выход которого соединен непосредственно с первым входом сумматора и через делитель частоты со вторым входом сумматора, а его выход через коммутатор соединен с акустическим преобразователем и входами двух фильтров, выход первого фильтра через последовательно соединенные умножитель частоты и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, а выход второго фильтра соединен с сигнальным входом индикатора и через второй усилитель-ограничитель со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен со вторым сигнальным входом индикатора, дополнительно введены второй делитель частоты, установленный между выходом генератора радиоимпульсов и первым входом сумматора, и второй умножитель частоты, установленный между выходом второго фильтра и входом второго усилителя-ограничителя. 3 ил.

Акустический эхо-импульсный локатор, содержащий синхронизатор, соединенный с индикатором и генератором радиоимпульсов, выход которого соединен через делитель частоты со вторым входом сумматора, а его выход через коммутатор соединен с акустическим преобразователем и со входами двух фильтров, выход первого фильтра через последовательно соединенные умножитель частоты и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, выход которого соединен со вторым сигнальным входом индикатора, второй усилитель-ограничитель соединен со вторым входом фазового детектора, а выход второго фильтра соединен с сигнальным входом индикатора, отличающийся тем, что в него введены второй делитель частоты, установленный между выходом генератора радиоимпульсов и первым входом сумматора, и второй умножитель частоты, установленный между выходом второго фильтра и входом второго усилителя-ограничителя.