Эхолот Советский патент 1983 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к гидролокации, а именно к измерителям глубины.

Известен эхолот для определения профиля дна,содержащий синхронизирующее устройство, генератор мощное ти, пьеэовибратор (приемоизлучатель приемник, отсчетный триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, самопишущий прибор, электронный переключатель и фильтр нижних частот .

Недостатком указанного эхолота является низкая помехозащищенность, что проявляется в искажении записи профиля дна.

Наиболее близким к предлагаемому является эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, подключенное к генератору мощности и преобразователю напряжения во временной интервал, и пьезовибратор, подсоединенный к выходу генератора мощности и к входу приемного тракта. К выходу приемного тракта подключено отсчетное устройство, состоящее из статического триггера, электронного переключателя, каскада регистрации пропущенных импульсов и самопишущего прибора, подключенного к выходу триггера через последовательно соединенные фильтр нижних частот и электронный переключатель. Вход по постоянному току преобразователя напряжения во временной интервал соединен с выходом Фильтра .

Недостатком этого зхолота являет ся большая погрешность измерения глубины, обусловленная воздействием импульсных помех на оконечное устройство эхолота, а также динамическими погрешностями, причиной возникновеНия которых является интегрирование функции, описывающей профиль дна.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения глубин путем уменьшения динамической и случайной погрешностей.

Указанная цель достигается тем, что в эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, прйемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный RS-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, регистрирующий прибор и преобразователь напряжения во временной интервал, выход которого подсоединен к входу S-отсчетного триггера, R-вход которого подключен к выходу приемника, вход приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемноизлучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразователя напря-жения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизируэтЕцего устройства, введены последовательно соединенные двоичный счетчик цифро-аналоговый преобразователь,вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранения, включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входом регистрирующего прибора, блок цифро вой обработки, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, а второй - с выходом компаратор и селектор импульсных помех, первый вход которого соединен с выходом отсчетного .RS-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенных импульсов и вторым входом вычислителя текущего среднего, выход цифроаналогового преобразователя подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входом преобразователя напряжения во временной интервал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада йыборки и хранения.

Кроме того, селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одновибратор, первую схему совпадения, второй вход которой подключен к входу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числа повторяющихся подряд совпадений, дешифратор и вторая схема совпадения, второй вход которой и вход упомянутого счетчика подключены к выходу первой схемы совпадения.

При этом вычислитель текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив ячеек памяти сумматор и умножитель на постоянный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и ячеек памяти соединены, управляющие входы ячеек памяти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входы ячеек памяти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент.

На чертеже показана схема предлагаемого эхолота.

Эхолот содержит синхронизирующее устройство 1, импульсный генератор 2, преобразователь напряжения во врменной интервал (ПНВИ) 3, приемноизлучающук антенну 4, приемник 5, отсчетный RS-триггер 6, селектор импульсных помех 7, каскад регистрации пропуш.енных импульсов (КРПИ) 8, вычислитель текущего среднего (ВТС) 9, двоичный счетчик 10,цифроаналоговый преобразователь (1ДАП) 11, регистрирующий прибор 12,блок цифровой обработки (БКО) 13, компаратор 14, кас1сад выборки и хранения (КВХ) 15, элемент задержки 16, одновибратор 17, первую схему совпадений И 18, счетчик числа повторяющихся подряд совпадений 19, деьаифратор 20, вторую схему совпадений И 21, кольцевой счетчик с дешифратором 22, массив ячеек памяти (ЯП) 23, сумматор 24, умножитель на постоянный коэффициент 25,

Эхолот работает следующим образом.

Импульсами синхронизации, поступающими от синхронизирующего устройства 1, одновременно периодически запускаются импульсный генератор 2 и ПНВИ 3. Импульсный генератор 2 возбуждает приемно-излучающую антенну 4, которая излучает ультразвуковой (зондирующий) импульс в направлении дна.

ПНВИ 3 вырабатывает прямоугольные строб-импульсы напряжения по длительности пропорциональные удвоенному времени распространения ультразвукового импульса в направлении дна. Этими импульсами осуществляется стробирование приемника: отсчетный RS-триггер б опрокидывается в состояние Логической единицы и удерживается в этом состоянии до лоступления отраженного импульса. Следящий стробимпульс подавляет импульсную помеху, концентрирующуюся в начале периода около зондирующего импульса и распределенную по плотности во времени примерно, по экспоненциальному закону, Протяженность этой помехи по глубине составляет (для плосколонных судов) 1-2 м.

Отраженные от дна импульсы преобразуются приемно-излучаюшей антенной 4 в электрические колебания,усиливаются, детектируются приемником и поступают на R-вход отсчетного RS-триггера 6, возвращая его в исходное состояния. Поскольку эти процессы повторяются периодически, то на выходе отсчетного RS-триггера б существует периодическая последовательность прямоугольных импульсов напряжения, длительность которых прямо пропорциональна глубине под вибратором. Из этих прямоугольных импульсов формируются (например, путем дифференцирования) короткие импульсы, временное положение которых совпадает с временным положением отраженных. Эти поступают на вход селектора импульсных помех 7, который пропускает на выход только импульсы, повторяющиеся

периодически (вернее квазипериодически) с интервалом времени Tf, l/ftt т т.е. с интервалом равным периоду повторения зондирующих импульсов.

Отфильтрованный отраженный импульс с выхода селектора импульсных помех 7 поступает на управляющий вход ETC 9. В результате действия отраженного импульса переключается в новое состояние кольцевой счетчик 22 с дешифратором, меняется состояние одного из выходов дешифратора счетчика 22, подключается к аналоговому выходу ЦАП 11 следующая ЯП из массива ячеек памяти 23. Если включена первая, то отключается первая и подключается вторая ЯП. Одновременно этим же импульсом осуществляется считывани значения глубины, существующей в данный момент на выходе ЦАП 11 и запись этого значения в соответствующую ЯП (в аналоговом виде, в виде напряжения).На выходах двоичного счетчика 10 и ЦАП 11 генерируется пилообразный сигнал Цифровая и аналоговая пила. Во время считывания мгновенного значения глубины происходит процесс преобразования времени запаздывания отраженного импульса в число (численное значение глубины) и в аналоговую форму (аналоговое значение глубины).Врем запаздывания определяется глубиной по формуле

. 2

где G - глубина под вибратором (приемо-излучателем); V - скорость распространения

ультразвука в воде. Напряжение с выхода ЯП 23 поступает на 24, где вычисляется сумма отсчетов, а затем на умножитель 25, где эта сумма делится на п-е (количество ячеек, п 5). С выхода умножителя напряжение равное среднему значению (математическому ожиданию) за пять отсчетов поступает на вход компаратора 14, на другой вход которого поступает пила с выхода ЦАП 11. В момент возникновения равенства среднегю мгновенному значению пилы компа0 ратор генерирует короткий импульс напряжения. Этот импульс поступает на вход БЦО 13 и управляющий вход КВХ 15. В КВХ 15 происходит запоминание среднего значения глубины в

5 аналоговой форме. В БДО 13 в момент действия импульса компаратора происходит процесс считывания мгновенного значения глубины. Напряжение с выхода КВХ 15 поступает на регистри0 рующий прибор 12 и аналоговый вход ПНВИ 3, который генерирует следящий односторонний строб-импульс.

КРПИ--.8 вырабатывает сигнал тревоги (перепад напряжения) тогда, когда

f. в силу каких-либо причин, обусловленэ ных условием распространения ультразвука в воде, исчезают отраженные импульсы (пропуск сигнала). Сигнал на выходе КРПИ 8 появляется только в случае устойчивого пропадания отраженного импульса, если пропущено подряд, например, m импульсов. Этим сигналом осуществляется стробирование и медленный сброс показаний КВХ 15.

Алгоритм обработки сигнала в ВТС 9 заключается в следующем.

Функция профиля дна, представленная своими отсчетами, как правило искажена шумом. На ограниченном участке (например, за пять отсчетов функцию профиля и шума (помехи) можно считать стационарньзми функциями. Тогда, сигнал можно представить в виде суммы

f (t) W(t) + N(t),

где W (t) - полезный сигнал;

N(t) - помеха с нулевым математическим ожиданием; t - дискретное время. Помеха (шум) обусловлена процессом суммирования составляющих сигналов со случайными фазами и амплитудами. Воздействуя на сигнал оператором текущего среднего S, который реализован в ВТС

1,. + 1-2 -И

5 -F

получаем

5.UtbVJ4t),

где f, - i-тый отсчет глубины, ) - несмещенная оценка сигнала.

Таким образом, удается в значительной степени освободиться от шумов, сохранив сигнал профиль дна. Сигнал на выходе ВТС запаздывает по отношению к i-му отсчету (текущему, в данный момент) на два периода повторения зондирующих импульсов . Значение глубины на выходе ВТС в данный момент равно сглаженному значению глубины в (1-3)тй период, т.е. f.v

Селектор импульсных помех 7 можно отнести к дискретным (цифровым) фильтрам. Принцип его работы основан на использовании признака квазипериодичности: сигнал представляет собой серий импульсов, разделенных интервалами {Равными периоду повторения Т,.,. Интервалы между импульсами при работе эхолота не остаются постоянными и изменяются от отсчета к отсчету в небольших пределах по случайному закону (квазипериодичность) Средняя величина расстояния между отраженными импульсами (сигнал от дна) - величина постоянная и равн§я периоду повторения зондирующих импульсов Т. Чтобы получить малую вероятность ложной тревоги и исключить пропуски сигнала, вызванные проявлением эффекта квазипериодичности, в устройство введены одновибратор и счетчик числа повторяющихся подряд совпадений.

Селектор импульсных помех 7 работает следующим образом.

С выхода отсчетного RS-триггера б отраженный импульс поступает На вход элемента задержки 16 и, пройдя элемент задержки,запускает одновибратор 17, который генерирует строб-импульс. Стробимпульс поступает на один вход схемы И 18, на другой вход которой поступают незадержанные импульсы. Если импульсы следуют с интервалом Тп, то они проходят на выход схемы И 16. Импульсы помехи подавляются, так как интервалы между ними случайны и неравны Тц.Счетчик числа совпадений 19 подсчитывает количество импульсов, появившихс на выходе схемы И 18. Их должно быт три за три периода (число задается) Число Три, появивитееся на выходе счетчика 19, преобразуется дешифратором 20 в перепад напряжения,который открывает схему И 21. Третий по счету импульс проходит через схему И 21 на выход селектора импульсных помех.

В случае пропадания (обусловленного условиямираспространения ультразвука в воде) отраженного импульс на выходе отсчетного RS-триггера 6 наблюдаются импульсы помехи, распределенные во времени по случайному закону. Вероятность появления на интервале строба двух импульсов подряд равна Р. Тогда вероятность ложной тревоги - вероятность совпадения подряд в трех периодах

F р р

Для интенсивности помех 20 имп./ период и для длительности строба tcrp Тп/1024, F- 10. Поэтому, несмотря на то, что счетчик может успеть зарегистрировать два совпадения подряд, в 3-м периоде происходит обнуление счетчика зондирующим (синхронизирующим) импульсом, и схема И 21 остается закрытой для помехи. Импульсы обнуления (сброса) поступают на вход Сброс счетчика 19 с второго выхода синхронизирующего устройства один раз за три периода .

Таким образом, селектор импульсных помех обладает хорошей селективностью и, в случае пропуска отраженного импульса, предотвращает прохождение помех на вход в ВТС, тем самым исключает искажения вьгчисленного результата. Во время отсутствия (пропуска) отраженного импульса результат, вычисленный ETC, сохраняется прежним до момента появления отраженного импульса. Происходит

интерполирование значений, вьтавших из.процесса измерения.

Таким образом, введение новых элементов в эхолот позволяет снизить погрешность измерения глубин - средняя квадратическая ошибка измерения глубин уменьшается в 2-5 раз..

1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный RS-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, регистрирующий прибор и преобразователь напряжения во временной интервал, выход которого подсоединен к входу S-отсчетного триггера, R-вход которого подключен к выходу приемника, вход приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемно-иэлучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразователя напряжения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения глубин за счет уменьшения динамической и случайной погрешностей, в него введены последовательно соединенные двоичный счетчик, цифро-аналоговый преобразователь, вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранения, включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входом регистрирующего прибора, блок цифровой обработки, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, а второй с выходом компаратора, и селектор импульсных помех, первый вход которого соединен с выходом о счетного RS-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенных импульсов и вторым входом вычислителя текущего среднего, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входом преобразователя напряжения во временной интервал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и i хранения. 2.Эхолот ПОП.1, отличаю(Л щийся тем, что селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одновибратор, первую схему совпадения, второй вход которой подключен к входу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числа повторяющихся подряд совпадений,дешифратор и вторая схема совпадения, Сл второй вход которой и вход упомянутого счетчика подключены к выхо4 ду первой схемы совпадения. эо 3.Эхолот ПОП.1, отличающийся тем, что вычислитель о ;о текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив ячеек памяти, сумматор и умножитель на постоянный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и ячеек па мяти соединены, управляющие входы ячеек памяти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входы ячеек памяти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент.