АКУСТИЧЕСКИЙ ЭХОИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР Российский патент 2004 года по МПК G01S15/08 G01N29/10 

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах. Преимущественная область использования - рыболокация, гидроакустика, медицина, ультразвуковая дефектоскопия. Известен акустический эхоимпульсный локатор (см. “Техническое описание дефектоскопа УД-10УА”, завод “Электроприбор”, Кишинев 1973 г.), содержащий синхронизатор, соединенный с индикатором, блоком временной регулировки чувствительности (ВРЧ) и последовательно соединенными ждущим мультивибратором, генератором зондирующих сигналов, коммутатором и преобразователем. Второй выход коммутатора через последовательно соединенные усилитель, детектор, ограничитель по минимуму и видеоусилитель подключен ко второму входу индикатора; выход блока ВРЧ соединен с управляющим входом усилителя. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие блок ВРЧ, ждущий мультивибратор и соответствующий блок индикатора, например, в осциллографическом индикаторе это генератор развертки. Видеоимпульс с выхода мультивибратора разрешает работу генератора зондирующих сигналов и с его выхода радиоимпульс через коммутатор поступает на преобразователь, излучающий в среду лоцирования акустический импульс, который распространяется в среде, отражается от объектов, находящихся в ней и принимается тем же преобразователем. Сигналы, соответствующие эхоимпульсам, проходят через коммутатор, усилитель, детектор, ограничитель по минимуму, видеоусилитель и подаются на сигнальный вход индикатора, например осциллографического. Одновременно с выхода блока ВРЧ (для гидроакустики более употребителен термин ВАРУ - временная автоматическая регулировка усиления) на управляющий вход усилителя подается напряжение, изменяющее во времени его коэффициент передачи (см., например, П.С.Стрелков. Автоматическое регулирование чувствительности ультразвукового дефектоскопа //Дефектоскопия, №2, 1973 г., с.61-66. или Ю.С.Кобяков, Н.Н.Кудрявцев, В.И.Тимошенко. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986 г., с.138-143). Порог ограничения ограничителя по минимуму устанавливается, как правило, таким, чтобы он был больше уровня шумовой составляющей и меньше уровня эхосигналов. Такое ограничение сигнала называется “Отсечкой”.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что в результате ограничения сигнала нарушается пропорциональность между отдельными его составляющими, например между эхоимпульсами от целей и донным сигналом, что приводит к погрешностям при определении размеров целей. Порог ограничения устанавливается оператором вручную, что снижает производительность лоцирования.

Так как реальные сигналы на выходе детектора являются суммой эхосигнала от обнаруженного объекта и неизвестной оператору шумовой составляющей, то порог ограничения устанавливается субъективно, что приводит к дополнительным погрешностям при определении размеров объектов. Кроме того, так как сигналы и шумовая составляющая проходят через усилитель с изменяемым во времени коэффициентом передачи, а порог ограничения является постоянным, то на малых дистанциях лоцирования возможен пропуск эхосигналов от малоразмерных объектов, а на больших дистанциях шумовая составляющая полностью не ограничивается.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор, генератор зондирующих сигналов, коммутатор, преобразователь, блок временной регулировки чувствительности, усилитель, детектор, ограничитель по минимуму видеоусилитель и индикатор.

Известен также акустический эхо-импульсный локатор по авторскому свидетельству СССР №669287 от 25.10.1976 г., кл. G 01 N 29/04, содержащий синхронизатор соединенный с индикатором, блоком ВРЧ и последовательно соединенными ждущим мультивибратором, генератором зондирующих сигналов, коммутатором и преобразователем. Второй выход коммутатора через последовательно соединенные усилитель и детектор соединен со входами аналогового ключа и ограничителя по минимуму, выход которого через компаратор соединен со вторым (управляющим) входом ключа, выход которого через видеоусилитель соединен со вторым входом индикатора; выход блока ВРЧ соединен с управляющим входом усилителя. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие блок ВРЧ, ждущий мультивибратор, соответствующий блок индикатора. Видеоимпульс с выхода мультивибратора разрешает работу генератора зондирующих сигналов и с его выхода радиоимпульс через коммутатор поступает на преобразователь, излучающий в среду лоцирования акустический импульс, который распространяется в среде, отражается от объектов, находящихся в ней и принимается тем же преобразователем. Сигналы, соответствующие эхоимпульсам, проходят через коммутатор, усилитель, детектор и ограничитель по минимуму, на выходе которого формируются части продетектированных сигналов, превышающие по уровню порог ограничения ограничителя. Эти сигналы проходят через компаратор, поступают на управляющий вход нормально закрытого аналогового ключа и открывают его. На выходе ключа формируются эхосигналы с неискаженной амплитудой, которые проходят через видеоусилитель и поступают на сигнальный вход индикатора. Одновременно с выхода блока ВРЧ на управляющий вход усилителя подается напряжение, изменяющее во времени его коэффициент передачи.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что порог ограничения устанавливается оператором вручную, что снижает производительность лоцирования, на вход видеоусилителя поступают сигналы, представляющие собой сумму эхосигналов и шумовой составляющей; кроме того, порог ограничения в ограничителе по минимуму не меняется во времени, что приводит к возможности пропуска эхосигналов от малоразмерных объектов, находящихся на малых дистанциях.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор, генератор зондирующих сигналов, коммутатор, преобразователь, блок временной регулировки чувствительности, усилитель, детектор, ограничитель по минимуму, компаратор, аналоговый ключ, видеоусилитель и индикатор.

От ряда перечисленных недостатков свободен акустический эхоимпульсный локатор по авторскому свидетельству СССР №785742, М.кл. G 01 N 29/04, опубл. 07.12.1980 г., имеющий наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым объектом и содержащий синхронизатор, соединенный через первый ждущий мультивибратор с управляющим входом первого аналогового ключа, а также со входом второго ждущего мультивибратора, к выходу которого подключены блок ВРЧ, индикатор, а также последовательно соединенные генератор зондирующих сигналов, коммутатор и преобразователь; второй выход коммутатора соединен через усилитель с детектором, выход которого соединен с ограничителем по минимуму, со вторым аналоговым ключом и с входом первого аналогового ключа, выход которого через пиковый детектор соединен с пороговым входом ограничителя по минимуму, выход которого через компаратор соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, а его выход через видеоусилитель соединен со вторым входом индикатора; выход блока ВРЧ соединен с управляющим входом усилителя.

Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие первый ждущий мультивибратор, сигнал с выхода которого открывает нормально закрытый первый аналоговый ключ, а также запускает второй ждущий мультивибратор, видеоимпульс с выхода которого запускает один из блоков индикатора, блок ВРЧ и разрешает работу генератора зондирующих сигналов, с выхода которого радиоимпульс через коммутатор поступает на преобразователь, излучающий в среду лоцирования акустический импульс, который распространяется в среде, отражается от объектов, находящихся в ней и принимается тем же преобразователем. Сигналы, соответствующие эхоимпульсам, проходят через коммутатор, усилитель, детектор и поступают на сигнальные входы первого аналогового ключа, второго аналогового ключа и ограничителя по минимуму. Первый аналоговый ключ открывается перед началом лоцирования видеоимпульсом, вырабатываемым первым ждущим мультивибратором, и на выходе ключа формируется сигнал соответствующий шумовой составляющей на выходе детектора. Это объясняется тем, что перед началом лоцирования нет ни зондирующего, ни эхосигналов.

Сигнал с выхода первого аналогового ключа поступает на пиковый детектор, на выходе которого формируется квазипостоянное напряжение, уровень которого будет равен уровню шумовой составляющей, присутствующей перед лоцированием на выходе детектора. Это напряжение поступает на ограничитель по минимуму и служит в качестве порогового. Те сигналы, уровень которых больше порогового напряжения проходят через ограничитель, уровень же которых меньше - не проходят. Таким образом, на выходе ограничителя по минимуму формируются части сигналов, снимаемых с входа детектора, уровень которых превышает пороговое напряжение, то есть уровень шумовой составляющей перед началом лоцирования. С выхода ограничителя сигналы поступают на компаратор, а затем на управляющий вход нормально закрытого второго аналогового ключа и открывают его. На выходе ключа формируются эхосигналы с неискаженной амплитудой, которые проходят через видеоусилитель и поступают на сигнальный вход индикатора. Одновременно с выхода блока ВРЧ на управляющий вход усилителя подается напряжение, изменяющее во времени его коэффициент передачи.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что на вход видеоусилителя поступают сигналы, представляющие собой сумму эхосигналов и шумовой составляющей, что приводит к ошибкам при определении размеров обнаруженных объектов. Также, порог ограничения в ограничителе по минимуму не меняется во времени, что приводит к возможности пропуска эхосигналов от малоразмерных объектов, находящихся на малых дистанциях. Так, например, при отношении сигнал/шум, равном трем, ошибка при определении размера объекта будет равна примерно 12%. При глубине регулировки блока ВРЧ (ВАРУ) равной 40 дБ и динамическом диапазоне усилителя 90 дБ на малых дистанциях за счет ограничения эхосигналов от малоразмерных целей реальный динамический диапазон усилителя приемного тракта будет не более 60 дБ.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: синхронизатор, первый ждущий мультивибратор, второй ждущий мультивибратор, генератор зондирующих сигналов, коммутатор, преобразователь, блок временной регулировки чувствительности, усилитель, детектор, ограничитель по минимуму, компаратор, первый аналоговый ключ, пиковый детектор, второй аналоговый ключ, видеоусилитель, индикатор.

Задачей данного изобретения является расширение эксплуатационных возможностей локатора, позволяющих устранить ошибки при определении размеров обнаруженных объектов, а также устранить возможность пропуска малоразмерных объектов на малых дистанциях лоцирования.

Технический результат изобретения заключается в увеличении точности определения размеров объектов и в устранении пропуска малоразмерных объектов на малых дистанциях лоцирования.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, соединенный через первый ждущий мультивибратор с управляющим входом первого аналогового ключа, а также со входом второго ждущего мультивибратора, к выходу которого подключены: блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ), индикатор, а также последовательно соединенные генератор зондирующих сигналов, коммутатор и преобразователь; второй выход коммутатора соединен через усилитель с детектором, выход которого соединен с ограничителем по минимуму, со вторым аналоговым ключем и с сигнальным входом первого аналогового ключа, выход которого через пиковый детектор соединен с пороговым входом ограничителя по минимуму, выход которого через компаратор соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, а его выход через видеоусилитель соединен со вторым входом индикатора; выход блока ВРЧ соединен с управляющим входом усилителя, дополнительно введены аттенюатор, два квадратора, блок вычитания и блок извлечения квадратного корня; вход аттенюатора соединен с выходом пикового детектора, управляющий вход аттенюатора соединен с выходом блока ВРЧ, а его выход со входом ограничителя по минимуму и входом первого квадратора, выход которого соединен с одним из входов блока вычитания, второй его вход через второй квадратор соединен с выходом второго аналогового ключа, а выход через блок извлечения квадратного корня соединен со входом видеоусилителя.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений в различных точках устройства.

Акустический эхоимпульсный локатор содержит синхронизатор 1 соединенный через первый ждущий мультивибратор 2 с управляющим входом первого аналогового ключа 3, а также со входом второго ждущего мультивибратора 4, к выходу которого подключены: блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 5, индикатор 6, а также последовательно соединенные генератор зондирующих сигналов 7, коммутатор 8 и преобразователь 9; второй выход коммутатора соединен через усилитель 10 с детектором 11, выход которого соединен: с ограничителем по минимуму 12, с вторым аналоговым ключом 13 и с сигнальным входом первого аналогового ключа 3, выход которого через последовательно соединенные пиковый детектор 14 и аттенюатор 15 соединен с пороговым входом ограничителя по минимуму 12, выход которого соединен с первым квадратором 16, а также через компаратор 17 с управляющим входом второго аналогового ключа 13, выход которого через второй квадратор 18 соединен с входом блока вычитания 19, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора 16, а выход блока вычитания 19 через последовательно соединенные блок извлечения квадратного корня 20 и видеоусилитель 21 соединены с вторым входом индикатора 6; кроме того, выход блока ВРЧ 5 соединен с управляющими входами усилителя 10 и аттенюатора 15.

Синхронизатор 1 вырабатывает периодически повторяющиеся импульсы U1, передний фронт которых запускает первый ждущий мультивибратор 2, на выходе которого формируются импульсы U2, поступающие на управляющий вход нормального закрытого первого аналогового ключа 3. Задний фронт импульсов U2 запускает второй ждущий мультивибратор 4, с выхода которого импульсы U3 запускают блок ВРЧ 5, соответствующие блоки индикатора 6, в качестве которого, например, может служить осциллографический индикатор (в этом случае происходит запуск генератора развертки), а также запускают генератор зондирующих сигналов 7, с выхода которого радиоимпульс U4 проходит через коммутатор 8 и поступает на преобразователь 9, излучающий в среду лоцирования акустический сигнал, распространяющийся в среде и отражающийся от объектов, находящихся в канале лоцирования. Отраженные эхосигналы принимаются тем же преобразователем 9 и соответствующие им электрические сигналы U5 снимаются со второго выхода коммутатора 8 и поступают на вход усилителя 10. Усиленные сигналы поступают на детектор 11, на выходе которого формируется напряжение U7, представляющее собой сумму эхоимпульсов и шумовой составляющей. Это напряжение поступает на сигнальный вход первого аналогового ключа 3, открываемого импульсом U2, и на его выходе формируется напряжение U8, амплитуда которого будет равна уровню шумовой составляющей перед началом цикла лоцирования. Это напряжение подается на вход пикового детектора 14 и на его выходе получают квазипостоянное напряжение U9 с амплитудой сигнала U8. Напряжение U9 поступает на вход аттенюатора 15, на управляющий вход которого с блока ВРЧ 5 поступает напряжение U6, которое одновременно подается на управляющий вход усилителя 10. Коэффициент передачи усилителя изменяется по закону K(t). При начале цикла лоцирования, при t=0, K(t) имеет наименьшее значение и затем постепенно увеличивается до максимальной величины К_max перед началом нового цикла лоцирования.

Коэффициент передачи аттенюатора изменяется по закону P(t)=K(t)/Kmax.

Таким образом, уровни шумовой составляющей U_ш(t) в сигнале U7 и напряжение U10(t) будут равны для всех значений времени t (при условии, что для каждого цикла лоцирования напряжение шумов U_ш остается постоянным). Напряжение U10 поступает на пороговый вход ограничителя по минимуму 12, на сигнальный вход которого подается напряжение U7 и на выходе ограничителя по минимуму 12 выделяется напряжение U11, представляющее собой те части сигнала U7, которые по амплитуде будут превышать напряжение U10, то есть соответствующие эхосигналам. Напряжение U11 поступает на вход компаратора 17, на выходе которого получают видеоимпульсы U12, поступающие на управляющий вход нормально закрытого второго аналогового ключа 13 и открывают его. На выходе ключа формируются видеоимпульсы U13, представляющие сумму эхоимпульсов U и шумовой составляющей U. Так как эти составляющие не коррелированны, то можно записать, что

(см., например, Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982. – 624 с.).

Для восстановления сигналов напряжения U10 и U13 подаются соответственно на первый 16 и второй 18 квадраторы, а с их выходов на блок вычитания 19, а затем на блок извлечения квадратного корня 20, на выходе которого получаем напряжение U14 равное уровням эхосигналов U_c без шумовой составляющей. Напряжение U14 поступает на видеоусилитель 21, а с его выхода на второй вход индикатора (для осциллографического индикатора - это вход канала Y).

Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: аттенюатора, двух квадраторов, блоков вычитания и извлечения квадратного корня; вход аттенюатора соединен с выходом пикового детектора, управляющий вход аттенюатора - с выходом блока ВРЧ, а выход с пороговым входом ограничителя по минимуму и через первый квадратор со входом блока вычитания, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом второго аналогового ключа, а выход через блок извлечения квадратного корня со входом видеоусилителя, стало возможным увеличить точность определения размеров объектов и устранить пропуски малоразмерных объектов на малых дистанциях лоцирования, что расширяет эксплуатационные возможности локатора.

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения объектов, расположенных в различных средах. Технический результат заключается в увеличении точности определения размеров объектов и в устранении пропуска малоразмерных объектов на малых дистанциях лоцирования. Устройство содержит синхронизатор, первый и второй ждущие мультивибраторы, первый и второй аналоговые ключи, блок временной регулировки чувствительности, индикатор, генератор зондирующих импульсов, коммутатор, преобразователь, усилитель, детектор, ограничитель по минимуму, пиковый детектор, аттенюатор, компаратор, первый и второй квадраторы, блок вычитания, блок извлечения квадратного корня. 2 ил.

Акустический эхоимпульсный локатор, содержащий синхронизатор, соединенный через первый ждущий мультивибратор с управляющим входом первого аналогового ключа, а также со входом второго ждущего мультивибратора, к выходу которого подключены блок временной регулировки чувствительности, индикатор, а также последовательно соединенные генератор зондирующих сигналов, коммутатор и преобразователь; второй выход коммутатора соединен через усилитель с детектором, выход которого соединен с ограничителем по минимуму, со вторым аналоговым ключом и с сигнальным входом первого аналогового ключа, выход которого соединен со входом пикового детектора; выход ограничителя по минимуму через компаратор соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, выход блока временной регулировки чувствительности соединен с управляющим входом усилителя, а второй вход индикатора соединен с выходом видеоусилителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два квадратора, блок вычитания, блок извлечения квадратного корня и аттенюатор, причем вход аттенюатора подключен к выходу пикового детектора, управляющий вход аттенюатора подключен к выходу блока временной регулировки чувствительности, а выход аттенюатора подключен к пороговому входу ограничителя по минимуму и к первому квадратору, выход которого подключен к одному из входов блока вычитания, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом второго аналогового ключа, а выход через блок извлечения корня подключен ко входу видеоусилителя.