Эхолот Российский патент 2020 года по МПК G01S15/00 

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики, в частности, гидроакустическим системам определения глубины акватории.

Известно, что в эхолотах длительность зондирующего импульса связана с соотношением сигнал - помеха, разрешающей способностью по глубине и минимальной возможной измеряемой эхолотом глубине. Для максимизации соотношения сигнал-помеха следует использовать наибольшие по условиям работы длительности зондирующего импульса τ_имп., что позволяет уменьшать полосу пропускания приемного тракта Δƒ, однако при этом уменьшается разрешающая способность по глубине и увеличивается так называемая "мертвая зона" - минимальная измеряемая глубина, поэтому в случае использования в работе эхолота зондирующих импульсов различной длительности полоса пропускания приемного тракта эхолота должна быть переменной и согласованной с длительностью зондирующих импульсов и определяться согласно выражению (А.А. Хребров, Судовые эхолоты, Л, Судостроение, 1982 г., стр. 79, формула 2.54.)

Для уменьшения минимальной измеряемой глубины эхолотом длительность зондирующего импульса должна быть минимально возможной, и она определяется полосой пропускания антенны и приемника эхолота. Оптимальная длительность зондирующего импульса τ_{имп.опт}, согласованная с шириной главного максимума лепестка характеристики направленности антенны эхолота θ, или энергетически оптимальная длительность, позволяет получить отраженный в обратном направлении эхо-сигнал одновременно от всей озвученной площади и реализовать при этом максимальную разрешающую способность по глубине, определяется согласно выражению (А.В. Богородский, Д.Б. Островский, Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. С-Пб, изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009 г., стр. 112, 113.).

где Н - текущая глубина, измеренная эхолотом, с - скорость звука, поэтому для текущей глубины Н полоса пропускания Δƒ_опт. приемного тракта эхолота определяется оптимальной длительность зондирующего импульса τ_{имп.опт} так:

При выполнении промерных работ дна акватории гидроакустическими средствами важной задачей является корректная установка диапазона измеряемых дальностей до дна (шкалы дальности) из имеющегося набора, которая возлагается на оператора. Каждая шкала дальности характеризуется максимальным значением измеряемой дальности H_i.

Известен эхолот (Эхолот. Патент №2390796 RU от 27.04.2009, G01S 15/00), который включает электронно-вычислительную машину, устройство отображения информации (дисплей), электроакустический преобразователь, передатчик со ступенчатой регулировкой мощности, приемник, аналого-цифровой преобразователь, а так же последовательный интерфейс, устройство согласования приемника и передатчика сигналов, включающее в себя коммутатор приема - передачи. Вход регулировки усиления приемника обеспечивает результирующую функцию регулировки усиления как произведения ступенчатой функции и функции, компенсирующей затухание сигнала по дистанции. Входы передатчика обеспечивают управление излучаемой мощностью, а также ввод вида и длительности излучаемого сигнала оператором с пульта управления. Недостатком этого эхолота является отсутствие возможности автоматического установления оптимальной длительности зондирующего импульса и периода его излучения в зависимости от текущей глубины, измеряемой эхолотом и низкая достоверность измеренных глубин вследствие отсутствия изменения полосы пропускания приемника в зависимости от текущей глубины.

Известно устройство для съемки рельефа дна акватории (Патент US №4873676, МПК G01S 15/08, 1989), содержащее электроакустический преобразователь, передатчик, приемник с автоматической ступенчатой регулировкой усиления, блок управления, блок сбора и обработки информации о рельефе дна, дисплей для отображения полученной информации. Смена шкалы дальности в данном устройстве производится по результату сравнения измеренного в текущем цикле зондирования значения глубины с порогом 1 и порогом 2. Значения порогов 1 и 2 устанавливаются для каждой шкалы дальности до выполнения съемки и хранятся в памяти устройства для съемки рельефа дна акватории. Если измеренное значение глубины в текущем цикле зондирования меньше порога 1, тогда на следующем цикле зондирования устанавливается шкала дальности с меньшим максимальным значением измеряемой дальности. Если измеренное значение глубины в текущем цикле зондирования больше порога 2, тогда на следующем цикле зондирования устанавливается шкала дальности с большим максимальным значением измеряемой дальности. Если измеренное значение глубины в текущем цикле зондирования находится в диапазоне между порогом 1 и порогом 2, тогда смена шкалы дальности на следующий цикл зондирования не производится.

Недостатком этого устройства является постоянные длительность зондирующего импульса и полоса пропускания приемника для всех шкал и вследствие этого низкая достоверность измеренных глубин на больших шкалах измерения глубин, а так же отсутствие возможности автоматического установления оптимальной полосы пропуская приемника и параметров зондирующего импульса в зависимости от текущей глубины, измеряемой эхолотом. Так же существенный недостаток устройства, заключающемся в том, что смена шкалы осуществляется оператором с пульта управления, реакция которого имеет относительно низкое быстродействие и не всегда адекватна, особенно в района с сильно расчлененным дном.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому эхолоту, является эхолот (Эхолот. Патент №2241242 RU от 31.03.2004, G01S 15/00), включающий микроконтроллер, передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, а также электроакустический преобразователь, дисплей, блок временной автоматической регулировки усиления. 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.

Недостатком этого эхолота является постоянные длительность зондирующего импульса и полоса пропускания приемника для всех шкал и в следствии этого низкая достоверность измеренных глубин на больших шкалах измерения глубин по причине слишком широкой полосы пропускания приемника, а так же отсутствие возможности автоматического установления оптимальных параметров зондирующего импульса и полосы пропускания приемника в зависимости от текущей глубины, измеряемой эхолотом, что не позволяет максимизировать соотношения сигнал/помеха в приемнике эхолота во всем диапазоне измеряемых глубин. Кроме того эхолот обладает существенным недостатком, заключающемся в том, что смена шкалы возлагается на оператора, который имеет относительно низкое быстродействие и не всегда может принять правильные решения (например, в случае сложного характера рельефа дна), что может привести к получению недостоверной информации о рельефе дна. Часто оператор устанавливает шкалу дальности не оптимально, с большим запасом по максимальному значению измеряемой дальности (шкалы), в результате оказывается негативное влияние на алгоритмы оценки глубины из-за необходимости фильтрации эхосигналов двукратного(многократного) отражения от дна.

Задачей изобретения является повышения достоверности измеряемых глубин и автоматическая максимизация соотношения сигнал/помеха в приемнике эхолота в широком диапазоне измеряемых глубин.

Технический результат изобретения заключается в установлении оптимальных параметров зондирующего импульса и полосы пропускания приемника на основе анализа текущей глубины измерения.

Для обеспечения указанного технического результата в эхолот, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер и передатчик со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь, подключенный к передатчику, блок временной автоматической регулировки усиления и дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, также содержащий приемник, выполненный с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки усиления, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки усиления подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, выход приемника соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а вход его соединен с выходом электроакустического преобразователя и выходом передатчика, введены новые признаки, а именно приемник снабжен входом выбора полосы пропускания, в эхолот введен блок анализа текущей глубины, вход которого подключен к микроконтроллеру и блок формирования длительности зондирующего сигнала и периода излучения с одним входом и тремя выходами, вход которого подключен к выходу блока анализа текущей глубины, первый выход подсоединен ко второму входу передатчика, второй выход подсоединен входу выбора полосы пропускания приемника, а его третий выход подключен к входу блока автоматической временной регулировки усиления.

Введение новых блоков, то есть блока анализа текущей глубины и блока формирования длительности зондирующего импульса и периода излучения и связей позволит автоматически устанавливать оптимальные параметров зондирующего импульса и полосы пропускания приемника в зависимости от текущей глубины, измеряемой эхолотом.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг. 1, где:

1 микроконтроллер (МК)

2 передатчик

3 приемник

4 аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

5 электроакустический преобразователь (ЭАП)

6 дисплей

7 блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ)

8 блок формирования длительности зондирующего импульса и периода излучения (БФЗИ)

9 блок анализа текущей глубины (БАТГ)

Для практического выполнения эхолота в качестве микроконтроллера может быть применен микроконтроллер СРС 800 фирмы "FASTWEL" - одноплатный компьютер формата EPIC промышленного исполнения на процессоре Pentium М 2 ГГц 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 300 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, 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 полосового фильтра в приемнике возможно использовать ИМС 4-х полюсного активного фильтра МАХ275, с программируемой резисторами полосой пропускания и добротности или же выполнить его по стандартной схеме на стандартных ИМС операционных усилителей, однако при этом потребуется большее их количество.

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

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

ВАРУ может быть реализована на основе ИМС двоичного n-разрядного счетчика, ПЗУ, в котором записан закон ВАРУ; выходы ПЗУ должны быть соединены с цифроаналоговым преобразователем, например AD7845, который формирует изменяющееся во времени напряжение ВАРУ от 0 до 2,5 В, управляющее коэффициентом усиления приемника - AD600.

Блок БАТГ может быть реализован на основе ИМС 1903ВЕ91Т-однокристальной 16-разрядной микро-ЭВМ с АЦП, памятью Flash-типа, массива таймеров, набором последовательных интерфейсов и портами ввода - вывода.

Блок БФЗИ может быть реализован на основе ИМС программируемых двоичных счетчиков, на пример, таймера 80С54, в состав которого входят 3 программируемых независимых счетчика, один может быть использован для формирования периода излучения зондирующего импульса, второй для формирования длительности зондирующего импульса, а третий для формирования частоты излучения зондирующего импульса и ИМС дешифратора, например 1554ИД7, для выбора полосы пропускания приемника, или иначе возможно реализовать функции блока БФЗИ на массиве программируемых независимых таймеров и параллельном порте, входящих в состав ИМС 1903ВЕ91Т, на котором выполнен блок БАТГ.

При эксплуатации эхолот должен обеспечивать высокую достоверность измерений в широком диапазоне измеренных глубин, что требует от него обеспечение максимизации соотношение сигнал/помеха в приемнике в этом диапазоне измеряемых им глубин.

Предлагаемый эхолот работает следующим образом.

Обычно при разработке эхолота требуется обеспечить измерение максимальной глубины Н, но при этом необходимо обеспечить как можно меньшую величину минимальной измеряемой глубины эхолотом.

Определим оптимальные параметры эхолота, а именно, длительности зондирующего импульса τ_имп., полосы пропускания приемного тракта Δƒ (приемника), как функцию поддиапазонов измерения глубин эхолотом. Разобьем максимальную требуемую глубину измерения эхолотом Н на k поддиапазонов (шкал) Hi согласно формуле 1.

где, i - номер шкалы, i=1:k, при чем к соответствует минимальная шкала измерения глубин H_k, а 1(единице) - максимальная глубина H₁=H.

Наименьшая шкала определяется в зависимости от эксплуатационных требований к эхолоту и ширины полосы пропускания его ЭАП и длительности его переходного процесса после излучения зондирующего импульса, которые определяют минимально возможную длительность зондирующего импульса и при этом полоса пропускания приемника должна обеспечивать его пропускание с минимальными искажениями, и которая обычно составляет несколько метров, иногда 10-20 метров. Каждой шкале H_i соответствует свой период излучения зондирующего импульса T_i который рассчитывается по формуле 2, при чем T_i формируется блоком БФЗИ на основе анализа текущей глубины Н_тек. в блоке БАТГ.

где с - скорость звука в воде, обычно с=1500 м/сек.

Каждой шкале H_i соответствует своя оптимальная длительность зондирующего импульса τ_имп.i, которая рассчитывается по формуле 3, при этом θ является шириной характеристики направленности ЭАП по уровню 0.7 от максимума, при чем τ_имп.i формируется блоком БФЗИ на основе анализа текущей глубины Н_тек. в блоке БАТГ.

Сформированный блоком БФЗИ зондирующий импульс с τ_имп.i, T_i и частотой заполнения на рабочей частоте ЭАП поступает на вход передатчика через его первый выход.

Каждой длительности зондирующего импульса τ_имп.i соответствует полоса пропускания приемника Δƒ_i, которая рассчитывается по формуле 4, при чем Δƒ_i устанавливается в приемнике блоком БФЗИ через его второй выход на основе анализа текущей глубины Н_тек. в блоке БАТГ.

Блок БАТГ анализирует в текущем цикле излучение прием текущее значение измеряемой глубины Н_тек. путем сравнения с двумя порогами глубины на текущей шкале H_i - с верхним пороговым значением Н_ниж.=0.4*H_i и с нижним пороговым значением Н_верх.=0.8*H_i и на основе этого сравнения и согласно правилам, заложенным в его работу, выдает команду в блок БФЗИ на выбор полосы пропускания приемника Δƒ и шкалы, то есть на формирование зондирующего импульса с параметрами, соответствующими текущему значению измеряемой глубины Н_тек. - с периодом излучения T_i и длительности τ_имп.i согласно рассчитанным по формула 2 и 3, на следующий цикл излучения прием. Отметим, что верхнее пороговое значение Н_верх. на текущей шкале H_i совпадает с нижним пороговым значением Н_ниж. на большей шкале - H_i-1 и нижние пороговое значением Н_ниж. на текущей шкале H_i совпадает с верхнем пороговым значением Н_верх. на меньшей шкале H_i+1, что позволяет в случае графического представления профиля измеренных глубин на дисплее в координатах пройденный путь - глубина всегда отображать этот профиль в средней части дисплея по вертикале, что удобно оператору для наблюдения за профилем глубин.

Блок БФЗИ формирует на своем первом выходе, который подключен к входу передатчика, зондирующий импульс длительность τ_имп.i с периодом T_i и частотным заполнением, определяемым рабочей частотой ЭАП. Так же блок БФЗИ на своем втором выходе, который подключен к входу выбора полосы пропускания приемника, формирует команду выбора полосы пропускания приемника Δƒ_i. Так же блок БФЗИ на своем третьем выходе формирует огибающую зондирующего импульса длительность τ_имп.i с периодом T_i, без частотного заполнения, для обеспечения синхронизации работы передатчика и блока ВАРУ.

При включении эхолота, в первом цикле излучение прием, то есть в момент запуска работы программного обеспечения, МП устанавливает в приемнике через первый вход ступенчатой регулировки усиления минимальное усиление, через вход ступенчатой регулировки мощности излучения передатчика - минимальную мощность излучения в передатчике, через блок БАТГ и блок БФЗИ устанавливает максимальную полосу пропускания Δƒ_k. Блок БАТГ выдает команду на вход в блок БФЗИ на формирование зондирующего импульса с частотным заполнением и с минимальным периодом излучения Т_к и минимальной длительности τ_имп.к, которые соответствуют наименьшей шкале H_k, который подается на вход передатчика, и далее он подается на ЭАП, который излучает его в воду в направлении дна, одновременно блок БФЗИ через свой третий выход выдает в блок ВАРУ огибающую зондирующего импульса (ЗИ), которая всегда при излучении ЗИ запускает работу ВАРУ и синхронизирует работу блока ВАРУ с передатчиком и приемником. Далее отраженный эхо-сигнал от дна принимается ЭАП, усиливается приемником, фильтруется и где под действием ВАРУ сжимается его динамический диапазон, и с выхода приемника он поступает на АЦП, где его огибающая преобразуется в цифровую форму. С выхода АЦП огибающая эхо-сигнала поступает в МК, где обрабатывается по алгоритму описанному в патенте 2241242 RU от 31.03.2004, G01S 15/00 и вычисляется текущая глубина Н_тек., значение которой выводиться для оператора на дисплей и передается на вход блока БАТГ. Блок БАТГ сравнивает значение текущей глубины Н_тек. с нижним пороговым значением глубины Н_ниж. и верхнем пороговым значением глубины Н_верх., для текущей шкалы H_k. Далее блок БАТГ производит анализ сравнения текущей глубины с пороговыми значениями:

- если текущая глубина Н_тек. меньше нижнего порога Н_ниж.=0.4*H_k, то в следующем цикле излучение прием не происходит смены шкалы измерения глубины и полосы пропускания Δƒ_k,

- если текущая глубина Н_тек. меньше верхнего порога Н_верх.=0.8*H_k, то в следующем цикле излучение прием не происходит смены шкалы измерения глубины и полосы пропускания Δƒ_k,

- если текущая глубина Н_тек. больше верхнего порога Н_верх.=0.8*H_k, блок БАТГ выдает команду в БФЗИ на переход в следующем цикле излучение прием на следующую шкалу H_k-1, то есть БФЗИ в следующем цикле излучение прием буде формировать длительность зондирующего импульса τ_имп.к-1 с периодом Т_к-1 и устанавливается полоса пропускания Δƒ_k-1,

- если в каком либо цикле излучение прием на шкале Hi текущая глубина Н_тек. меньше нижнего порога Н_ниж.=0.4*H_i, то в следующем цикле излучение прием происходит смена шкалы измерения глубины на предыдущую, меньшую, шкалу H_i+1 и устанавливается полоса пропускания Δƒ_i+1,

- если в каком либо цикле излучение прием на шкале Hi текущая глубина Н_тек. больше верхнего порога Н_верх=0.8*H_i, то в следующем цикле излучение прием происходит смены шкалы измерения глубины на следующую, большую, шкалу H_i-1 и устанавливается полоса пропускания Δƒ_i-1,

- если в каком либо цикле излучение прием на шкале Hi текущее значение глубины одновременно меньше верхнего порога глубины Н_верх=0.8*H_i, и больше нижнего значения порога глубины Н_ниж.=0.4*H_i, то на следующий цикл излучение прием смена шкалы измерения глубины не происходит и полоса пропускания остается прежней Δƒ_i,

- если в каком либо цикле излучение прием на шкале Hi по каким либо причинам глубина окажется не измеренной, то блок БАТГ выдает команду в БФЗИ на переход в следующем цикле излучение прием на следующую, большую, шкалу H_i-1 и устанавливается полоса пропускания Δƒ_i-1, и так далее,

- если в каком либо цикле излучение прием на шкале Н₁, наибольшей для эхолота, по каким либо причинам глубина окажется не измеренной, то блок БАТГ выдает команду в БФЗИ на переход в следующем цикле излучение прием на наименьшую шкалу H_k и устанавливается полоса пропускания Δƒ_k, а затем с каждым циклом излучение прием происходит автоматическая смена шкал в сторону увеличения с формированием, для каждой из них, оптимальной длительности зондирующего импульса и его периода излучения и установка соответствующей полосы пропускания приемника, до тех пор пока на какой либо шкале будет обнаружен эхо сигнал от дна и измерена глубина.

В процессе работы эхолота помимо установки оптимальных параметров ЗИ и полосы пропускания приемника, МП, по результатам обработки эхо сигнала в текущем цикле излучение прием, устанавливает усиление в приемнике и излучаемую мощность в передатчике на следующий цикл излучение прием рассчитанные на основе анализа параметров эхо сигнала по алгоритму описанному в патенте №2241242 RU от 31.03.2004, G01S 15/00.

Таким образом, блок БАТГ эхолота на основе анализа значения измеренной глубины в текущем цикле излучения прием в следующем цикле излучения прием автоматически выбирает из имеющегося набора шкал и полос пропускания приемника оптимальную шкалу измерения глубины и полосу пропускания приемника и выдает команду в БФЗИ для формирования соответствующего ей зондирующего импульса с оптимальными параметрами, что обеспечивает максимизацию соотношения сигнал/помеха на всех шкалах измерения глубин и повышается достоверность измеренных глубин. Таким образом задача изобретения является решенной.

Автоматическая установка оптимальных параметров ЗИ и полосы пропускания приемника обеспечивает расширение диапазона измеряемых глубин эхолотом и оптимальную разрешающую способность эхолота на всех глубинах (шкалах), тем самым обеспечивает достижение технического результата. Так же автоматическая установка оптимального периода излучения зондирующего импульса, в зависимости от текущее глубины измерения, позволяет производить промерные работы в водоемах на больших скоростях хода носителя эхолота, что минимизирует материальные и временные затраты на проведение работ и исключает ошибки связанные с действиями оператора эхолота.

Предлагаемый эхолот полностью автоматический и не требует участия оператора в работе. Достоинством описанного эхолота является автоматический поиск эхо сигнала от дна, установка оптимальной шкалы измерения глубины и параметров ЗИ, расширенный диапазон измеряемых глубин, высокая достоверность измеренных глубин.

Эхолот относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть применен для автоматического обнаружения эхо-сигналов дна и переключения шкалы измерения глубины в зависимости от текущей измеренной глубины. Задачей изобретения является повышение достоверности измеряемых глубин и автоматическая максимизация соотношения сигнал/помеха в приемнике эхолота в широком диапазоне измеряемых глубин эхолотом. Решение поставленной задачи достигается введением возможности автоматического установления оптимальных параметров зондирующего импульса и полосы пропускания по частоте в приемнике эхолота на основе анализа текущей глубины, измеренной эхолотом. 1 ил.

Эхолот, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер и передатчик со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь, подключенный к передатчику, блок временной автоматической регулировки усиления и дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, также содержащий приемник, выполненный с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки усиления, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки усиления подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, выход приемника соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а вход его соединен с выходом электроакустического преобразователя и выходом передатчика, отличающийся тем, что приемник снабжен входом выбора полосы пропускания, в эхолот введен блок анализа текущей глубины, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок формирования длительности зондирующего сигнала и периода излучения с одним входом и тремя выходами, вход которого подключен к выходу блока анализа текущей глубины, первый выход подсоединен ко второму входу передатчика, второй выход подсоединен к входу выбора полосы пропускания приемника, а его третий выход подключен к входу блока автоматической временной регулировки усиления.