Эхолот Российский патент 2024 года по МПК G01S15/02 

Предлагаемое изобретение относится к гидроакустическим устройствам определения глубины и может быть использовано в эхолотах с автоматическим адаптивным обнаружением эхо-сигналов от дна и измерением глубины в условиях изменяющегося уровня шумов мешающих его работе.

Известно, что для выделения полезных сигналов из совокупности всех принятых применяют пороговые устройства, в которых амплитуда анализируемых сигналов сравнивается с пороговым уровнем, который формируется по определенным правилам и в результате на выход порогового устройства проходят только те сигнала, амплитуда которых больше порогового уровня.

В гидроакустическом альтиметре серии 1007D фирмы Kongsberg Masotech Ltd, описанным в Altimeter Operator Manual 975-72007041/1/1, 2018 г., в приложении 7, на рисунке на стр. 39 представлен сформированный пороговый уровень, который представляет собой напряжение постоянного уровня. Использование напряжения постоянного уровня в качестве порогового уровня для обнаружения и выделения полезных эхо-сигналов в условиях изменяющегося уровня помех его работе затрудняет правильное обнаружение эхо-сигналов от дна, что приводит к недостоверному обнаружению эхо-сигнала от дна из всей совокупности обнаруженных сигналов.

Известна [Woodward SJ, inventor; Federal IND IND Group INC, assignee. Acoustic range finding system. European patent application EP №0340953. 1989 Apr 24], которая содержит микропроцессор, блок памяти, ряд интерфейсов, цифроаналоговый преобразователь, дисплей, передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, электроакустический преобразователь.

В этой [Woodward SJ, inventor; Federal IND IND Group INC, assignee. Acoustic range finding system. European patent application EP №0340953. 1989 Apr 24] периодически излучается передатчиком зондирующий импульс, приемник принимает отраженные эхо-сигналы и сжимает их динамический диапазон. Выходной сигнал с приемника оцифровывается аналого-цифровым преобразователем, и поступает на обработку в микропроцессор с целью обнаружения эхо-сигнала от дна и измерения расстояния до него. В этой системе микропроцессор из принятого массива оцифрованных данных вырабатывает порог обнаружения эхосигнала от дна путем сглаживания и выравнивания амплитуды эхо-сигнала с использованием линейной регрессии. Таким образом, пороговый уровень зависит от как от амплитуды сигнала, так и от его ручной регулировки оператором системы измерений, что позволяет обнаруживать и выделить для дальнейшей обработки эхо-сигналы от дна. Недостатком этой системы является использование неадаптивного порогового уровня в условиях изменяющегося уровня шумов, что затрудняет правильное обнаружение эхо-сигналов от дна, и приводит к недостоверному обнаружению эхо-сигнала от дна из всей совокупности обнаруженных сигналов.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому эхолоту является эхолот [Бородин AM; ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Морфизприбор». Эхолот. Патент №2241242 РФ, МПК G01S 7/52, 15/08. №2003108988/09; Заявл. 31.03.2003; Опубл. 27.11.2004, Бюл. №33], который содержит микроконтроллер, передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, электроакустический преобразователь, дисплей, блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ). В процессе работы эхолота передатчик излучает зондирующий импульс, приемник принимает отраженные эхо-сигналы и их динамический диапазон сжимается действием ВАРУ. Мощность передатчика и усиление приемника регулируются в зависимости от амплитуды выделенного эхо-сигнала, принятого за эхо-сигнал от дна. Выходной сигнал с выхода приемника оцифровывается аналого-цифровым преобразователем, и поступает на обработку в микропроцессор с целью обнаружения эхо-сигнала от дна и измерения расстояния до него. Микропроцессор из принятого массива оцифрованных данных вырабатывает порог обнаружения эхо-сигнала от дна путем сглаживания и выравнивания амплитуды эхо-сигнала с использованием линейной регрессии. Таким образом, пороговый уровень зависит от амплитуды сигнала, что позволяет обнаруживать и выделить для дальнейшей обработки эхо-сигналы от дна.

Недостатком этой системы является использование неадаптивного порогового уровня в условиях изменяющегося уровня шумов, и это затрудняет правильное обнаружение эхо-сигналов от дна, что приводит к недостоверному обнаружению эхо-сигнала от дна из всей совокупности обнаруженных сигналов.

Задачей изобретения является повышение достоверности результатов измерения глубин эхолотом.

Технический результат изобретения заключается в селекция мешающих эхо-сигналов по кратности, длительности и амплитуде с учетом текущего уровня шумов, мешающих работе эхолота.

Для достижения заявленного технического результата в эхолот, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, также содержащий электроакустический преобразователь, подключенный к выходу передатчика и входу приемника, также содержащий дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а выход с входом регулировки усиления приемника, в него введены новые признаки, а именно: последовательно соединенные блок вычисления фиксированного порога, блок вычисления следящего порога, блок амплитудной селекции эхо-сигналов, блок селекции эхо сигналов по длительности, блок селекции эхо-сигналов по кратности, при этом выход блока селекции эхо-сигналов по кратности подключен к входу микроконтроллера, а вход блока вычисления фиксированного порога подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, к которому подключен также второй вход блока вычисления следящего порога.

Введение новых блоков обеспечивает адаптацию порога обнаружения эхо сигналов к меняющейся шумовой обстановке в зоне приема эхосигналов от дна, что обеспечивает повышение достоверности измерения глубины.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг. 1.

Эхолот, изображенный на фигуре содержит, микроконтроллера 1 (МК 1), первый выход которого подключен к входу передатчика 2, для формирования периода излучения Т и длительности зондирующего импульса т.Выход передатчика 2 соединен с входами приемника 3 и электроакустического преобразователя 5 (ЭАП). В режиме приема выход электроакустического преобразователя 5 соединен с входом приемника 3. Вход регулировки усиления приемника 3 соединен с выходом блока временной автоматической регулировки усиления 7 (ВАРУ), вход которого подключен ко второму выходу микроконтроллера 1, для синхронного с формированием зондирующего импульса запуска формирования напряжение ВАРУ. Выход приемника 3 соединен с входом аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), выход которого соединен с блоком вычисления фиксированного порога 8 и блоком вычисления следящего порога 9 для передачи цифрового массива огибающей эхо-сигналов. Вход дисплея 6 соединен с третьим выходом МК 1 для отображения измеренной глубины. Выход блока 8 вычисления фиксированного порога соединен с входом блока 9 вычисления следящего порога для передачи вычисленной величины, фиксированного порога с учетом оценки уровня шумов и заданного соотношения сигнал помеха. Выход блока 9 подключен к входу блока 10 амплитудной селекции эхо-сигналов для селекции эхо-сигналов по амплитуде. Выход блока 10 подключен к входу блока 11 селекции эхо-сигналов по длительности для селекции слишком коротких и длинных эхо-сигналов относительно длительности зондирующего импульса τ. Выход блока 11 подключен к входу блока 12 селекции эхо-сигналов по кратности для селекции кратных по времени задержки эхо-сигналов, поступающих на электроакустический преобразователь относительно момента излучения зондирующего импульса τ. Выход блока 12 подключен к входу микропроцессора 1 для передачи параметров выделенного эхо-сигнала от дна для обработки и вычисления глубины.

Практическое выполнения блоков микроконтроллера 1, передатчика 2, блока ВАРУ 7, приемника 3, электроакустического преобразователя 5, блока АЦП 4, дисплея 6 приведено в патенте [Бородин AM; ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Морфизприбор». Эхолот. Патент №2241242 РФ, МПК G01S 7/52, 15/08. №2003108988/09; Заявл. 31.03.2003; Опубл. 27.11.2004, Бюл. №33]. Блоки 8, 9, 10, 11 и 12 могут быть реализованы на основе ИМС 1903 ВЕ91Т - однокристальной 16 - разрядной микро - ЭВМ, с памятью Flash - типа, набором последовательных интерфейсов и портами ввода - вывода.

Предлагаемый эхолот работает следующим образом.

При включении эхолота или в течение его работы по прямому назначению, периодически, микроконтроллер 1 запрещает излучение зондирующего импульса на один период Т его работы, то есть излучение зондирующего импульса т не производиться и прием эхо-сигналов проходит без излучения зондирующего импульса, при этом принимается электроакустическим преобразователем 5 и усиливается приемником 3 смесь электрических шумов приемного тракта, гидроакустических шумов и разного рода корабельных помех, уровень которых постоянно меняется. В течение времени Т микроконтроллер 1 устанавливает коэффициент усиления приемника 3 максимальным и постоянным путем отключения действия блока ВАРУ 7. С выхода приемника 3 эта смесь оцифровывается АЦП 4 со временем выборки t_aцп. Далее оцифрованный массив данных этой смеси из n выборок поступает в блок вычисления фиксированного порога 8, где вычисляется их среднеквадратичное значение U_f по выборкам АЦП 4 за время Т по формуле 1

где i=1…n, где n - число выборок АЦП на периоде излучения Т;

σ - заданное значение соотношения сигнал помеха;

U_i - напряжение i-ой выборки АЦП.

Число выборок АЦП n на периоде излучения Т определяется по формуле 2

где: Т - период излучения, известен и формируется микроконтроллером 1,

t_aцп - время выборки АЦП 4, известно.

Длительность зондирующего импульса τ известна и формируется микроконтроллером 1. Длительность зондирующего импульса τ в отсчетах выборок АЦП w определяется по формуле 3

Известно [Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты // Л.: Судостроение. - 1982., Т. - 232. - С. 74-75], что достоверность результатов измерении глубины эхолотом зависит от соотношения сигнал помеха на входе решающего устройства, выделяющего эхо-сигнал от дна, которое в свою очередь определяет требуемый минимальный пороговый уровень на его опорном входе. Таким образом, вычисленное напряжение U_f будет являться фиксированным порогом, обеспечивающий для заданного соотношения сигнал-помеха заданное значение вероятности правильного обнаружения эхо-сигнала.

Далее значение напряжения фиксированного порога U_f передается в блок вычисления следящего порога 9. После этого микроконтроллер 1 на следующем периоде Т разрешает излучение зондирующих импульсов передатчиком 2 на электроакустический преобразователь 5 и работу блока ВАРУ 7. Далее приемник 3 принимает эхо-сигналы от электроакустического преобразователя 5, усиливает их и затем они в АЦП 4 преобразуются в массив цифровых выборок n на интервале времени Т с периодом t_aцп, таким образом, массив цифровых выборок представляет собой двоичный эквивалент амплитуд огибающих эхо-сигналов. Блок 9 вычисления скользящего порога производит для каждой i выборки АЦП вычисление следящего порога U_pi по скользящему окну длиной m выборок АЦП формуле 4, при этом U_pi зависит от текущего суммарного уровня смеси эхо-сигналов и помех на входе электроакустического преобразователя 5.

где k - защитный коэффициент, значение которого выбирается из диапазоне 1…1.25, так как в какой-нибудь момент времени Т мгновенная амплитуда шумов и помех может превышать их среднеквадратичное значение;

m - размер скользящего окна в выборках АЦП, значение m определяется по формуле 5

где z - целое число, если z<3, импульсные помехи частично могут проходить амплитудную селекцию, при z>6 растягивается передний фронт полезного эхо-сигнала, диапазон оптимальных значений для z от 4 до 5;

U_i - амплитуда i-ой выборки;

i=0…n, где n - количество выборок за период времени Т. Далее, если значение вычисленного порога U_pi оказывается меньше значения фиксированного порога U_ф, то значение U_pi замещается на U_ф, если нет, то используется U_pi. Таким образом, массив следящего порога из n значений, сформированный блоком 9, каждое значение которого по времени соответствует соответствующей выборке АЦП и учитывает уровень, как самого эхо-сигнала, так и уровень шумов, но его уровень не может быть ниже фиксированного уровня U_ф, обеспечивающего значение соотношения сигнал помеха σ на каждом шаге i. Далее этот массив следящего порога и исходный массив от АЦП 4 поступают в блок амплитудной селекции 10, при этом значение каждой i выборки эхо-сигнала сравнивается с i значением скользящего порога U_pi и если U_i>U_pi, то оно проходит амплитудную селекцию и запоминается во вновь формирующимся массиве данных без изменений, если U_i<U_pi, то U_i замещается на 0 во вновь формирующимся массиве данных, размер которого тоже n. Вновь сформированный массив данных, то есть эхо-сигналов прошедших амплитудную селекцию поступает в блок 11 селекции эхо-сигналов по длительности.

Известно, что при распространении сигналов в дисперсионных средах большее затухание высокочастотных составляющих спектра сигнала приводит к его заметному уширению, то есть к искажению формы эхо-сигнала и затягиванию его фронтов. Так же к затягиванию фронтов сигналов приводить конечная добротность электроакустического преобразователя.

В блоке И вычисляется длительность в выборках АЦП каждого эхо-сигнала во вновь сформированном массиве данных по нулевому уровню. Далее длительность каждого эхо-сигнала в выборках АЦП сравнивается с w, длительностью зондирующего импульса в выборках АЦП, и если длительность какого то эхо-сигнала менее значения w, то все его значения выборок замещаются на нулевые значения во вновь формирующимся массиве данных, а если длительность какого то эхо-сигнала больше или равна значению w, то значения всех его выборок во вновь формирующимся массиве данных записываются без изменений. Далее длительность каждого эхо-сигнала в выборках АЦП из вновь сформированного массива сравниваются со значение w₁, определяющее верхнюю границу длительности эхо-сигнала в выборках АЦП, при этом

где: к₁ - коэффициент, учитывающий расширение длительности эхо-сигнал от дна, возникающего вследствие дисперсии скорости звука в воде, добротности электроакустического преобразователя 5 и допустимого наклона дна, обычно значение к₁ выбирают в диапазоне от 1.25 до 2, и если длительность какого то эхо-сигнала более значения w₁, то все его значения выборок замещаются на нулевые значения во вновь формирующимся массиве данных. Таким образом, во вновь сформированном массиве данных присутствуют эхо-сигналы с длительностью от w до w₁, а все остальные эхо-сигналы, слишком короткие или слишком длинные удаляются из дальнейшей обработки.

Вновь сформированный массив данных с эхо-сигналами прошедших селекцию по длительности передается в блок 12 селекции эхо-сигналов по кратности, где устраняются кратные по времени задержки приема эхо-сигналы, возникающие вследствие их многократных переотражений. Переотражения могут возникать, например, на мелководье или при акустически жестком грунте на дне, при большом значении усиления приемника 3 или при большой мощности излучения передатчика 2. В блоке 12 для каждого эхо-сигнала вычисляется в выборках АЦП время задержки T_j от момента излучения зондирующего импульса τ, где j=1…x, а х - число эхо-сигналов прошедших селекцию по длительности в блоке 11. Вначале выбирается эхо-сигнал с минимальным значением времени задержки T₁ и для него ищутся кратные эхо-сигнал путем сравнения с каждым из остальных значений времени задержки остальных эхо-сигналов из T_j-1 по правилу

где: у - целое число, у≥2, к₂ - защитный коэффициент, учитывающий изменение времени задержки возникающей вследствие качки, изменения крена и дифферента судна носителя на интервале времени Т. Если для эхо-сигнала со временем задержки T₁ нашлись кратные эхо-сигналы, то их значения замещаются на нулевые значения во вновь формируемом массиве данных, а значения для самого эхо-сигнала со временем задержки T₁ записываются без изменений во вновь формируемый массив данных. Далее выбирается эхо-сигнал со значением времени задержки Т₂ и для него так же ищутся кратные эхо-сигнал путем сравнения с каждым из остальных j-2 значений по описанному выше правилу и так же по нему принимается решение о записи в вновь формируемый массив данных и такая процедура проводится до предпоследнего, х-1 эхо-сигнала.

В блоке селекции эхо-сигналов по кратности 12 из вновь сформированного массива данных эхо-сигналов прошедших селекцию по кратности выбирается эхо-сигнал с максимальной амплитудой - он и является эхо-сигналом от дна, его значение амплитуды и время задержки, и вновь сформированный массив эхо-сигналов данных прошедших селекцию по кратности передается в микроконтроллер 1, где происходит его дальнейшая обработка и вычисление глубины согласно алгоритма, описанному в патенте [Бородин AM; ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Морфизприбор». Эхолот. Патент №2241242 РФ, МПК G01S 7/52, 15/08. №2003108988/09; Заявл. 31.03.2003; Опубл. 27.11.2004, Бюл. №33].

Таким образом, предлагаемый эхолот позволяет с высокой достоверностью обнаруживать эхо-сигнал от дна в условиях качки и нестационарных шумов на судне, обусловленных вращением винтов и работой его механизмов, путем селекции эхо-сигналов по амплитуде, длительности, кратности времени задержки, выработки фиксированного и следящего порога обнаружения эхо-сигналов с учетом уровня помех работе эхолота и это все обеспечивает достижение заявляемого технического результата. Предлагаемый эхолот полностью автоматический и не требует участия оператора в работе.

Эхолот относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть применен для автоматического обнаружения эхо-сигналов дна и измерения глубины с повышенной достоверностью. Устройство содержит блок вычисления фиксированного порога с учетом уровня шумов мешающих работе эхолота, блок вычисления следящего порога, блоки амплитудной селекции эхо-сигналов, селекции эхо-сигналов по длительности, селекции эхо-сигналов по кратности. Технический результат - повышение достоверности результатов измерения глубины. 1 ил.

Эхолот, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, также содержащий электроакустический преобразователь, подключенный к выходу передатчика и входу приемника, также содержащий дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а выход с входом регулировки усиления приемника, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные блок вычисления фиксированного порога, блок вычисления следящего порога, блок амплитудной селекции эхо-сигналов, блок селекции эхо-сигналов по длительности, блок селекции эхо-сигналов по кратности, при этом выход блока селекции эхо-сигналов по кратности подключен к входу микроконтроллера, а вход блока вычисления фиксированного порога подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, к которому подключен также второй вход блока вычисления следящего порога.