ЭХОЛОТ С ЛЕДОВОЙ ЗАЩИТОЙ Российский патент 2014 года по МПК G01S15/00 

Предлагаемое изобретение относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть использовано в эхолотах с автоматическим адаптивным обнаружением эхо-сигналов от дна и измерением глубины и с ледовой защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя.

Для защиты излучающей поверхности электроакустического преобразователя эхолота в условия ледового плавания от механического повреждения колотым льдом применяются защитные звукопрозрачные пластины, способные выдержать необходимое удельное давление. Для судов классов Ice1(ЛУ1) используются защитные пластины из полимерных материалов, а для судов классов Icebreaker 6 (ЛЛ6).... Icebreaker 9 (ЛЛ9) ЛУ9 - из металлов (алюминий, титан, сталь), которые должны выдерживать удельное давление до 100 кг/см² [1].

Защитная пластина представляет собой перегородку, сопротивление которой отличается от акустических сопротивлений двух сред, разделяемых ею, причем ее акустическое сопротивление больше акустического сопротивления среды, в которой она находиться.

Наилучшее прохождение звука через перегородку возможно, т.е. коэффициент пропускания акустических волн равен 1, в том случае, если в ее толщине h укладывается целое число полуволн λ/2, т.е. при условии, что h=n·λ/2 (n=1, 2, 3,…) [2], [3]. Коэффициент пропускания акустических волн τ(f) определяется [2]

$$\tau (f)=1-{\left(K_p(f)\right)}^2,(1)$$

где

$$K_p(f)=\frac{(R_1/R_2)-(R_2/R_1)}{\sqrt{\left[{\left(\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_2}{R_1}\right)}^2+4{\left[ctg\left(\frac{2\pi h}{\lambda }\right)\right]}^2\right]}}$$ ,

λ=c₂/f_u,

f_u - частота излучения,

R₁=ρ₁c₁ - акустическое сопротивление среды (воды), ρ₁, c₁, удельная плотность и скорость звука в воде, соответственно.

R₂=ρ₂c₂ - акустическое сопротивление материала перегородки (защитной пластины), ρ₂, c₂ удельная плотность и скорость звука в материале защитной пластины, соответственно.

Защитная пластина оказывается звуконепроницаемой, т.е. коэффициент пропускания акустических волн близок к нулю, если в ее толщине укладывается нечетное число четвертей длин волн.

Если защитная пластина имеет толщину меньше полуволны, то прохождение звука через нее улучшается с уменьшением ее толщины. Следует учитывать, что с увеличением удельной плотности материала, из которого изготовлена защитная пластина, уменьшается ширина полосы частот, в которой коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину близок к 1. При фиксированной толщине защитной пластины с изменением скорости звука в материале (например, из-за изменения температуры окружающей среды), из которого изготовлена защитная пластина, изменяется центральная частота, на которой коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину равен единице. Таким образом защитная пластина является узкополосным фильтром для акустических волн, и чем выше акустическое сопротивление (произведение удельной плотности на скорость звука) материала, из которого изготовлена защитная пластина в сравнении с акустическим сопротивлением воды, тем уже полоса пропускания акустических волн и тем сильнее зависимость положения центральной частоты от скорость звука с материале пластины и ее толщины. В процессе эксплуатации скорость звука в материале пластины изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также толщина пластины может изменяться. Эти изменения приводят к уменьшению коэффициента пропускания акустических волн через защитную пластину, а следовательно и уменьшению максимально измеряемой глубины эхолотом. Отметим, что защитные пластины выполнены из поликарбоната, имеют меньшее акустическое сопротивление, произведение (ρ·c), чем металлы, поэтому их полоса пропускания акустических волн шире, чем у любого из металлов, однако металлы обладают большей механической прочностью.

Классическим примером эхолота с ледовой защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя является навигационный эхолот EN 250 Navigation Echo Sounder норвежского производства (SIMRAD, Kongsberg Maritime AS) [4]. Излучающая поверхности электроакустического преобразователя защищена в этой конструкции пластиной из поликарбоната.

Норвежская фирма SKIPPER производит навигационный эхолот GDS 101 [5]. Он имеет те же характеристики, что и EN250. Для защиты излучающей поверхности электроакустического преобразователя возможна установка его в специальный танк ледового исполнения (ice protection Tank). К танку дополнительно монтируется защитная пластина. Сам танк при этом устанавливается путем врезки в корпус днища. В эхолотах EN 250, GDS 101 частота излучения постоянна и не зависит от изменяющихся в процессе эксплуатации эхолота свойств защитной пластины излучающей поверхности электроакустического преобразователя.

В известном эхолоте [6], содержащем синхронизатор, генератор импульсов, пьезовибратор, усилитель, детектор, пороговое устройство, блок индикации, устройство измерения временных интервалов, блок автоматической регулировки усиления (ВАРУ), блок ВАРУ позволяет стационаризировать амплитуду эхо-сигналов, изменяющуюся с глубиной. Однако частота излучения является постоянной, поэтому при использовании его с защитной пластиной излучающей поверхности электроакустического преобразователя, максимальная измеряемая глубина, определяемая частотой излучения, будет зависеть от физических параметров защитной пластины - толщины, удельной плотности, скорости звука в защитной пластине.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому эхолоту является "Эхолот", описанный в патенте [7], который содержит микроконтроллер, дисплей, передатчик, аналого-цифровой преобразователь, приемник, электроакустический преобразователь, блок ВАРУ.

Этот "Эхолот" периодически излучает зондирующие импульсы и поддерживает амплитуду эхо-сигнала в диапазоне, обеспечивающее максимальное соотношение сигнал/помеха для конкретной глубины путем ступенчатого излучения мощности и выбора минимально необходимого коэффициента усиления приемника, а также автоматически определяет начала эхо-сигнала от дна.

Однако в процессе эксплуатации при работе эхолота через защитную пластину этого не достаточно для обеспечения измерения максимально возможной глубины.

В этом случае максимальная измеряемая глубина эхолотом будет зависеть от физических свойств материала защитной пластины - толщины и скорости звука в материале защитной пластины, т.к. в (1) ρ1, ρ2 являются постоянными величинами; h, c1, c2 - переменными, управлять которыми невозможно. Таким образом недостатком эхолота [7] является невозможность обеспечить измерение максимально возможной глубину из-за изменения физических параметров защитной пластины в процессе его работы, влияющих на значение частоты излучения, на которой коэффициент пропускания акустических волн τ(f) близок к единице.

Задачей изобретения является исключение влияния изменяющихся параметров на максимально возможную глубину, измеряемую эхолотом.

Техническим результатом изобретения является компенсация изменения эксплуатационных параметров эхолота настройкой частоты излучения f_u в автоматическом режиме.

Для обеспечения указанного технического результата эхолот с ледовой защитой выполнен содержащим последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь, подключенный к передатчику и приемнику, также содержащим дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а передатчик выполнен со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, приемник выполнен с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, также содержащим блок прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру, при этом электроакустический преобразователь установлен внутри корпуса судна в защитном танке, заполненном водой, скрепленном с днищем судна, и отделенным от внешней среды защитной пластиной.

Новыми признаками в предложенном эхолоте является введение в эхолот блока прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру. Это позволяет осуществлять прямое управление частотой излучения, компенсирующее ее уход, обусловленный изменением физических параметров защитной пластины в процессе эксплуатации эхолота. Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг.1 и фиг.2, где на фиг 1 приведена блок-схема заявленного эхолота, а на фиг 2 - пример установки электроакустического преобразователя относительно днища судна.

Микроконтроллер 1 имеет пять выходов и один вход. К первому выходу микроконтроллера подключен вход дисплея 6, ко второму - вход блока временной автоматической регулировки усиления 7, к третьему - вход ступенчатой регулировки усиления приемника 3, к четвертому - вход управления мощность излучения передатчика 2, к пятому - вход управления выбора частоты прямого цифрового синтезатора частоты 8, выход которого соединен с входом передатчика 2. К входу микроконтроллера 1 подключен выход аналого-цифрового преобразователя 4. Выход блока временной автоматической регулировки усиления 7 подключен к входу регулировки усиления приемника 3, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя 4. Выход передатчика 2 подключен к входам приемника 3 и электроакустического преобразователя 5.

Электроакустический преобразователь 5 установлен в танк 9, который заполнен жидкой средой - водой 10. Танк 9 закреплен в днище судна 12 и закрыт защитной пластиной 11, которая контактирует с забортной водой 10.

Известно, что при скорости продольных волн в стали в зависимости от ее марки изменяется от 5680 м/с до 6100 м/с и линейно зависит от температуры [8]. Также известно, что коэффициент пропускания акустических волн пластины равен 1, в том случае, если в ее толщине h укладывается целое число полуволн λ/2, т.е. при условии, что h=n·λ/2, (n=1, 2, 3,…) [2].

Исключить влияние изменения скорости звука в материале защитной пластины из-за изменения температуры окружающей среды и ее толщины на коэффициент пропускания акустических волн пластины можно путем изменения частоты излучения, которое автоматически компенсирует изменения скорости звука в материале защитной пластины из-за изменения температуры окружающей среды и ее толщины. Изменения скорости звука в воде из-за изменения температуры очень незначительно влияют на коэффициент пропускания акустических волн пластины, поэтому оно не рассматривается. Также изменения удельной плотности воды и материала пластины из-за изменения температуры очень незначительно влияют на коэффициент пропускания акустических волн пластины, поэтому они тоже не рассматривается.

И так согласно (1) для компенсации уменьшения скорости звука в материале защитной пластины частота излучения должна уменьшаться, а с уменьшением толщины защитной пластины частота излучения должна увеличиваться.

Предлагаемый эхолот работает следующим образом.

Изначальная частота излучения эхолота f_u является константой, устанавливается микроконтроллером МК 1, исходя из априорно известных скорости звука С_пл в материале защитной пластины и ее толщины h

$$fu=\frac{Спл}{2\text{·}h}$$ ,

при этом f_u должна быть приблизительно равна центральной частоте полосы пропускания в излучении электроакустического преобразователя эхолота.

В начальный момент времени, то есть в момент запуска работы эхолота, микроконтроллер МК 1 устанавливает путем программирования блока 8 прямого цифрового синтезатора частоты DDS частоту излучения, равную f_u, которая поступает на вход передатчика 2, среднее значение коэффициента усиления в приемнике 3 по первому входу регулировки усиления и среднее значение излучаемой мощности в передатчике 2 по входу регулировки мощности, также минимальное значение коэффициента усиления по второму входу регулировки, определяемое блоком временной автоматической регулировки усиления ВАРУ 7. Затем блок МК 1 запускает блок ВАРУ 7 синхронно с излучением зондирующего импульса передатчиком через электроакустический преобразователь ЭАП 5 в среду. Блок ВАРУ 7 пропорционально уменьшению амплитуды эхо-сигнала, вследствие пространственного затухания, увеличивает коэффициент усиления приемника 3 по второму входу регулировки усиления приемника 3, тем самым стационаризируется уровень эхо-сигнала в пределах действия динамического диапазона ВАРУ 7 [9].

Принятый эхо-сигнал со сжатым под действием ВАРУ 7 динамическим диапазоном с выхода приемника 3 оцифровывается аналого-цифровым преобразователем АЦП 4 и вводится в блок МК 1 в виде массива последовательных отсчетов. В блоке МК 1 из него выделяется ряд отсчетов, составляющих эхо-сигнал от дна. Затем блок МК 1 определяет из этого ряда отсчет, соответствующий максимальной амплитуде эхо-сигнала Am, и сравнивает его с двумя величинами А_н - нижний порог и А_в - верхний порог [7].

Далее, если A_m<А_н, то блок МК 1 в последующих циклах излучение-прием вначале увеличивает мощность излучения до максимальной, а только затем коэффициент усиления приемника 3 (чтобы не увеличивать уровень шума на выходе приемника), до тех пор, пока не будет выполняться условие А_н<A_m≤А_в.

Если же мощность излучения и коэффициент усиления максимальны, а A_m<А_н, то в последующих циклах излучение-прием МК производит регулировку частоты излучения - вначале увеличивает частоту излучения, а затем уменьшает ее до выполнения условия А_н<A_m.

Диапазон изменения частоты излучения δf в блоке DDS 8 определяется как

$$f_u\pm \delta f=({С}_{пл}\pm \delta {С}_{пл})/(h\pm \delta h),(2)$$

где δС_пл - максимальное отклонение скорости звука в материале пластины с учетом изменения температуры и старения материала пластины от начального значения С_пл

δh - допуск изготовления на толщину защитной пластины.

В (2) знаки следует выбирать разнонаправленно для вычисления максимального значения δf, при этом следует учитывать, что полоса пропускания антенны эхолота в приеме и излучении должна быть больше δf.

Шаг изменения при регулировании частоты излучения в блоке DDS 8 не следует выбирать малым, т.к. это приведет к увеличению времени регулирования частоты излучения, и не следует выбирать большим, т.к. это может привести к пропуску значения частоты излучения, соответствующей максимальному значению коэффициент пропускания акустических волн защитной пластины и также к уменьшению максимально возможной измеряемой глубины.

Шаг изменения при регулировании частоты излучения в блоке DDS 8 следует выбирать из условия, чтобы графики частотной зависимости коэффициента пропускания акустических волн пластины, построенные по (1) для двух соседних значений частоты, перекрывались по уровню 0,975 или же графики коэффициента пропускания акустических волн строились для двух толщин пластины или значений скорости звука в ней, которые отличаются на значение погрешности их измерения.

Отметим, что в каждом цикле излучение-прием блок МК 1 производит обнаружение эхо-сигнала от дна по алгоритму, описанному в патенте [7] и вычисление глубины и вывод числового значение глубины на дисплей 6. Выбор ступеней излучаемой мощности и значений коэффициента усиления для уменьшения времени выполнения условия А_н<A_m≤А_в, например, можно вычислять методом наискорейшего спуска.

Затем начинается новый цикл излучение-прием, в котором описанные процедуры обнаружения эхо-сигнала от дна, установления его амплитуды, вычисления глубины и вывод ее на дисплей 6 повторяются, при этом используется установленная выше частота излучения, если А_н<A_m.

Таким образом, изменяя частоту излучения в блоке DDS 8, блок МК 1 поддерживает коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину, близким к 1, и тем самым обеспечивает измерение максимально возможной глубины эхолотом.

Для практического выполнения эхолота в качестве микроконтроллера может быть применен микроконтроллер EPI-QM57 фирмы "Avalue" - одноплатный компьютер формата EPIC промышленного исполнения на основе процессоре i7-620LE фирмы Intel с набором интерфейсов и встроенным электронным Flash-диском для хранения программного обеспечения эхолота.

В качестве передатчика может быть использован импульсный усилитель, собранный по мостовой схеме, причем путем изменения напряжения питания мостового выходного каскада можно изменять излучаемую мощность передатчика от 1 Вт до 200 Вт ступенями через 6 дБ; изменением напряжения питания выходного каскада должен управлять МК 4-разрядным параллельным кодом.

В качестве приемника может применяться усилитель на основе ИМС AD600 - усилителя с коэффициентом усиления, изменяемым напряжением, в диапазоне от 0 до 80 дБ, что должен обеспечивать блок ВАРУ 7, и ИМС AD7945 - перемножающем цифроаналоговом преобразователе, который может изменять ступенчато коэффициент усиления приемника от 0 до 48 дБ через 3 дБ под действием 8-разрядного кода поступающего от МК.

В качестве дисплея может использоваться ЖКИ-монитор с VGA интерфейсом.

В качестве АЦП 4 может использоваться ИМС AD7892-2-12-разрядное АЦП с параллельным интерфейсом и быстродействием 1,6 мкс.

ВАРУ 7 может быть реализована на основе счетчика, синхронизацию которого должен осуществлять МК, перебирающего последовательно адреса ПЗУ, в котором записан закон ВАРУ; выходы ПЗУ должны быть соединены с цифроаналоговым преобразователем, который, собственно, и формирует изменяющееся во времени напряжение ВАРУ от 0 до 2,5 В, управляющее коэффициентом усиления приемника.

Блок 8 прямого цифрового синтезатора частоты DDS [10] может быть реализована на основе микросхемы [11] фирмы ANALOG DEVICES AD9951 - с 32 разрядным фазовым аккумулятором, с выходным 14 разрядным ЦАП и 400 Мгц тактовой частотой и разрешением по частоте 0.093 Гц. Значение выходной частоты f_u вычисляется по формуле

$$fu=\frac{N\text{·}fc}{2^{32}}$$ ,

где N - двоичный код частоты;

f_c - тактовая частота, 400 мГц или менее.

Блок МК 1 на управляющем входе DDS 8 устанавливает код выбора частоты - N и в течение длительности зондирующего импульса разрешает блоку DDS 8 генерировать синусоидальное напряжение частоты f_u.

Микросхема прямого цифрового синтезатора частоты (DDS) AD9951 формирует на выходе синусоидальное напряжение с возможностью программного управления его амплитуды и максимальным разрешением 0,093 Гц.

Применение настройки частоты излучения в процессе работы эхолота с защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя позволяет максимально полно использовать его энергетический потенциал и тем самым обеспечивает измерение максимально возможной глубины эхолотом.

Предлагаемый эхолот полностью автоматический и не требует участия оператора в работе. Достоинством описанного эхолота является также возможность записи в электронном виде информации об измеренных глубинах в координатах глубина-пройденный путь для последующего точного воспроизведения на дисплее для анализа.

Повышенная точность измерения глубины и автоматический режим работы в сочетании с возможностью привязки измеренных глубин к географическим координатам и времени, получаемым от приемника системы GPS, позволяют использовать его в качестве навигационного эхолота на судах ледового класса и там, где необходима механическая защита электроакустического преобразователя эхолота.

Список использованных источников информации.

1. Апполонов Е.М. и др. Расчет ледовой нагрузки на днище ледокола на предельном мелководье. Труды ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, 2011 г. номер 63, стр.5…10.

2. Федоров И.И. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения. Книга 4, Л.: 1960 г., стр.67…71.

3. Шендоров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. Л. 1972 г., стр.213…216.

4. www.simrad.com / 164241ac_EN250_product_specific_lr.pdf.

5. www.skipper.no / GDS101_brochure.pdf.

6. Эхолот. Патент РФ №2123191 от 1998.12.10, м. кл. GO1S 15/00.

7. Эхолот. Патент РФ №2241242, от 31.03.2003, м. кл. GO1S 15/00.

8. Физические величины. Справочник под редакцией И.С. Григорьева и др. М, Энергоатомиздат, 1991 г., стр148.

9. Кобяков Ю.С и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л., Судостроение, 1986 г., стр.141.

10. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям. М, РАДИО И СВЯЗЬ, 1982 г., стр.255…259.

11. www.analog.com, AD9951.pdf, стр.12.

Использование: гидроакустика, а именно в гидроакустических системах определения глубины, и может быть применен для автоматического адаптивного обнаружения эхо-сигналов от дна и автоматического измерения глубины в условиях, когда требуется механическая защита излучающей поверхности электроакустического преобразователя. Сущность: в эхолот вводят блок прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру. Блок прямого цифрового синтезатора частоты позволяет путем регулировки частоты излучения исключить влияние изменяющихся параметров защитной пластины на максимально возможную измеряемую глубину эхолотом. Технический результат: исключение влияния изменяющихся параметров защитной пластины излучающей поверхности электроакустического преобразователя на максимально возможную измеряемую глубину эхолотом путем изменения частоты излучения эхолота. 2 ил.

Эхолот с ледовой защитой, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь подключенный к передатчику и приемнику, также содержащий дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а передатчик выполнен со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, приемник выполнен с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, также содержащий блок прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру, при этом электроакустический преобразователь установлен внутри корпуса судна в защитном танке, заполненном водой, скрепленном с днищем судна и отделенным от внешней среды защитной пластиной.