Устройство для распознавания подводных грунтов Советский патент 1984 года по МПК G01V1/38 

11 Изобретение относится к гидроакус тике и предназначено для распознавания подводных грунтов при гидроакустической локации дна акваторий. По основному авт. св. № 989504 известно устройство, содержащее гене ратор-синхронизатор , соединенный с излучателем, акустически связанным с приемником, подключенным к приемному тракту, последовательно соединенные аналоговый ключ, первый управ ляемый интегратор, пиковый детектор и аналоговую ячейку памяти, блок об. наружения, вход которого связан с выходом приемного тракта, а выход подключен к входу одновибратора, выход последнего подключен к аналоговой ячейке памяти, при этом генератор-синхронизатор, помимо излучателя подключен также к приемному тракту, блоку обнаружения и пиковому детекто ру. При этом блок обнаружения выполнен в виде последовательно соединенных усилителя-ограничителя, второго управляемого интегратора, бесконтакт ного реле, логической схемы И и триг гера 1 . Недостатком данного устройства яв ляется то, что снижается точность распознавания поверхностного слоя донного грунта при качке судна носителя из-за волнения моря, вызывающег колебания излучателя. Эти низкочасто ные колебания приводят к феддингов м явлениям в приемном тракте, проявляющемся в периодических замираниях, т.е. ослаблениях сигнала грунта на выходе устройства. Цель изобретения - повышение точности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для распознавания подводных грунтов дополнительно введены второй одновибратор, второй триггер и съемная перемычка, последовательно соединенные третий управляемый интегратор, второй пиковый детектор, вторая аналоговая ячейка памяти и делительное звено, последовательно соединенные дифференцирующее звена, формирователь импульсов, вторая логическая схема И и тре.тий одновибратор, при этом выход третьего одновибратора подключен к управляющему входу второй аналоговой ячей ки памяти, выход второй логической схемы И соединен с вторым входом 1г второго триггера, выход которого является вторым входом второй логической схемы И, вход второго одновибратора .объединен с входом первого одновибратора и первым входом второго.триггера, а его выход через вторую пару контактов съемной перемычки подключен к входу дифференцирующего звена, сигнальный вход третьего управляемого интегратора подключен к выходу приемного тракта, а его управляющий вход объединен с аналогичными входами первого и второго управляемых интеграторов и через первую пару контактов съемной перемычки подключен к входу дифференцирующего звена, вход сброса второго пикового детектора объединен с аналогичным входом первого пикового детектора. На чертеже показана блок-схема устройства для распознавания подводных грунтов. Устройство содержит генераторсинхронизатор 1, излучатель 2, приемник 3, приемный тракт 4, состоящий из последовательно соединенных согласующего каскада 5, блока программного усиления 6, селектора 7 отраженного сигнала, усилителя 8, детектора с фильтром нижних частот (ФНЧ) 9 и амплитудного ограничителя 10, блок обнаружения 11, состоящий из последовательно соединенных усилителя-ограничителя 12, второго управляемого интегратора 13, бесконтрольного реле 14, первой логической схемы И 15 и первого триггера 16, аналрговьй ключ 17, первьй управляемый интегратор 18, первый пиковый детектор 19, первую аналоговую ячейку памяти 20 и первый одновибратор 21, а также третий управляемьй интегратор 22, вtopoй пиковый детектор 23, вторую аналоговую ячейку памяти 24, съемную перемычку 25, дифференцирующее звено 26, формирователь импульсов 27, вторую логическую схему И 28, третий одновибратор 29, второй триггер 30, второй одновибратор 31 и делительное звено 32. При этом сигнальный вход третьего управляемого интегратора 22 подключен к выходу приемного тракта 4, управляющий вход его объединен с аналоговыми входами первого и второго интеграторов 18 и 13 и через первую пару контактов съемной перемычки 25 подключен к входу дифференцирующего звена 26, а выход третьего управляемого интегратора 22 через второй пиковый детектор 23 и вторую аналого вую ячейку памяти 24 подключен к вхо ду делителя делительного звена 32. Выход дифференцирующего звена 26 через формирователь импульсов 27 подключен Кпервому входу второй логической схемы И 28, второй вход которой является выходом второго триггера 30, выход же второй логической схемы И 28 подключен к второму входу второго триггера 30 и через третий одновибратор 29 подключен к управляющему входу второй аналоговой ячейки памяти 24. Вход делимого делитель ного звена 32является выходом перво аналоговой ячейки памяти 20, а выход его - выходом устройства. Вход второго однЬвибратора 31 объединен с входом первого одновибратора 21 и с первым входом второго триггера 30, а выход второго одновибратора 31 чер вторую паруконтактов съемной перемычки 25 подключен к входу дифферен цирующего звена 26. Входы сброса пер вого и второго пиковых детекторов 19 и 23 объединены. Третий управляемый интегратор 22 выполнен аналогично первому и втором управляемым интеграторам 18 и 13 и предназначен для измерения энергии эхо-сигнала на заданном интервале времени. Второй пиковый детектор 23 вьшолнен аналогично первому пиковому детектору 19 и предназначен для кратковременного запоминания без искажения в течение нескольких миллисекунд значения измеренной энергии эхо-сигнала. Вторая аналоговдя ячейка памяти 24 выполнена аналогично первой анало говой ячейке памяти 20 и предназначена для длительного (в течение нескольких секунд) хранения без искажений значения измеренной энергии эхосигнала. Съемная перемычка 25 с двум парами контактов предназначена для задания интервала времени, на которо измеряется энергия эхо-сигнала; при замыкании первой пары контактов энер гия эхо-сигнала измеряется на всем интервале Т сзпцествования первого волнового пакета, а при замыкании второй пары контактов - на интервале Т,) задаваемом длительностью выходного импульса второго одновибра тора 31 (обычно Tj Т ), срабатываощего .при обнаружении эхо-сигнала. Дифференцирующее звено 26 совместно с формирователем импульсов 27 и второй логической схемой И 28 служат для получения командного импульса означающего конец измерения энергии эхо-сигнала. Этот импульс образуется либо на заднем фронте прямоугольного импульса, получаемого с помощью усилителяограничителя 12 из первого волнового .пакета (длительностью Т ) эхо-сигнала (при замкнутой первой паре контактов съемной перемычки 25), либо на заднем фронте выходного импульса (длительностью Т ) второго одновибратора 31 (при замкнутой второй паре контактов съемной перемычки 25). Третий и второй одновибраторы 29 и 31 вьтолнены аналогично первому одновибратору 21. Третий одновибратор 29 предназначен дпя формирования импульса записи измеренного значения энергии эхо-сигнала во вторую аналоговую ячейку памяти 24, а второй одновибратор 31 (в котором предусмотрена возможность изменения при необходимости дпитепьности выходного импульса) предназначен для задания любого интервала Т- измерения энергии эхо-сигнала (не обязательно совпада ющего с интервалом Т существования первого волнового пакета). Второй триггер 30 выполнен аналогично первому триггеру 16 и предназначен для обеспечения однократного появления выходного импульса второй логической схемы И 28 при окончании первого волнового пакета. Делительное звено 32 служит для нормирования сигнала грунта (выходной сигнал первой аналоговой ячейки памяти 20), соответствующего измеренному значению энергии эхо-сигнала на его коротком (порядка 1 мс) начальном участке Т по всему интервалу Т-, Т2 Т энергии эхосигнала , измеренной третьим управляемым интегратором 22 на заданном интервале Т2 либо Т . Конкретная реализация делительного звена может быть выполнена с помощью типовой микросхемы 525 ПС 1. Работа устройства для распозна вания подводных грунтов возможна в двух режимах и обосновывается на следующих принципах. Первый режим задается установкой съемной перемычки 25 в положение. при котором замкнута первая пара контактов, что определяется, исходя из следующих условий. Эхо-сигнал в исследуемой акватории имеет достаточно гладкий и явно выраженный первьй волновой пакет без резкого одиночного выброса, характеризующего наличие скального основания под осадочным поверхностным слоем. При использовании радиоимпуль ных гидролокаторов такой случай реально имеет место в районах океана, характеризуемых мощным и однородньм верхним осадочным слоем донного грун та, в котором сигнал успевает затухать, не доходя до скального основания. В районах же с менее мощным верхним слоем грунта такой случай может быть создан искусственно путем уменьшения длительности и мощности излучаемого радиоимпульса. При указанных условиях физические характеристики приповерхностного слоя грунта отображаются в форме первого волнового пакета эхо-сигнала длительностью Т . В прототипе одним из определяющих признаков формы эхосигнала принята средняя крутизна его переднего фронта, коррелированная с акустической жесткостью грунта и измеряемая как энергия эхо-сигнала на его коротком начальном интервале Т (порядка 1 мс). Однако такое измерение акустичес кой жесткости неинвариантно к ряду неконтролируемых переменных условий Так, например, при увеличении мощно ти сигнала, падающего на один и тот же грунт, соответственно увеличивает ся и мощностью эхо-сигнала, а значи увеличивается и крутизна его переднего фронта. Некбнтролируемые изменения мощности падающего на грунт сигнала возникают в первую очередь при колебаниях оси излучателя в результате качки судна-носителя. Можно считать, что при этом про 1сходят неконтролируемые изменения некоторого эквивалентного коэффицие та усиления канала связи излучатель приемник, изменяющие амплитуду эхосигнала, но сохраняющие его форму и в частности, -сохраняющие соотношения между значениями энергии эхо-сигнала на его отдельных определенных участках. В связи с этим целесообразно изме рять акустическую жесткость грунта не как абсолютную величину средней крутизны переднего фронта эхо-сигнала, а как относительную величину этой крутизны, определяемую отношением энергии эхо-сигнала на его коротком начальном участке длительностью т ко всей энергии первого волнового пакета длительностью Т . Очевидно, что такое измерение инвариантно к неконтролируемым изменениям эквивалентного коэффициента усиления канала связи излучатель - приемник, в связи с чем оно и реализуется в первом режиме работы устройства. Второй режим работы устройства задается установкой перемычки 25 в положение, при котором замкнута вторая пара контактов, что определяется следующими уловиями: первый волновой пакет эхо-сигнала не является достаточно, гладким и характеризуется наличием резкого всплеска . не в начальной части сигнала, причем указанный характер первого волнового пакета сохраняется при уменьшении длительности (и, возможно, мощности) излученного сигнала, т.е. при увеличении разрешающей (по глубине) способности гид- ролокатора. При указанных условиях в форме первого волнового пакета отобража-г ются физические характеристики уже не только приповерхностного слоя грунта, но и характеристики нижележащего скального основания. Тем не менее, средняя:крутизна переднего фронта эхо-сигнала при прочих равных условиях по-прежнему характеризует акустическую жесткость приповерхностного слоя грунта. Однако необходимые одинаковые условия ее измерения по-прежнему реально не соблюдаются в первую очередь из-за качки судна, что снова приводит к необходимости измерения не абсолютного, как в прототипе, а относительного значения средней крутизны переднего фронта эхо-сигнала. При этом измерение ее в виде отношения энергии эхо-сигнала на участке Т-, к энергии первого волнового пакета длительностью Т (как в первом режиме) для одного и того же характера приповерхностного слоя грунта может иметь большую дисперсию, если на различных участках исследуемой акватории существенно различается характер нижележащих .слоев, что определяется по 7 наличию резких всплесков в первом волновом пакете на одних участках акватории и отсутствию таковых на других. Примером такой ситуации может служить наличие твердого скального основания под верхним осадочным слоем на одних участках исследуемой акватории и отсутствие его на других Все это приводит к необходимости измерения средней крутизны переднего фронта эхо-сигнала, коррелированной с акустической жесткостью приповерхностного слоя, в виде отношения энер гии эхо-сигнала на том же коротком начальном интервале длительностью Т к энергии эхо-сигнала на интервале длительностью Т2( Т Т -i Т ) , где интервал Т выбирается так, чтобы в него не попадали резкие всплески от нижележащих слоев исследуемой акватории с резко выраженной нестабильности сейсморазреза. Именно такое измерение и реализуется во втором режиме работы устройства . Таким образом, устройство, учитывающее изложенные принципы, работает следующим образом. С учетом априорных соображений и по результатам предварительных исследований акватории выбирается либо первый режим, либо второй режим рабо ты устройства установкой съемной перемычки 25 в положение, когда замкну тая первая пара контактов в первом случае и вторая пара контактов - во втором случае. В первом режиме синхронизирующий импульс от генератора - синхронизатора 1 запускает излучатель 2, перебрасывает первьй триггер 16 с его второго выхода и сбрасывает первый и второй пиковые детекторы 19 и 23. Продетектированньй сигнал с выхода приемного тракта 4 поступает чере аналоговый ключ 17 на сигнальньй вхо первого управляемого интегратора 18 для дальнейшего измерения и запоминания значения энергии эхо-сигнала на его начальном интервале Т , которое затем поступает на вход делителя делительного звена 32 и присутствует на нем до следующего эхо-сигнала. Этот же сигнал поступает на вход бло ка обнаружения 11 и на сигнальньй вход третьего управляемого интегратора 22. 718 На управляющий Б5сод третьего управляемого интегратора 22 (так же как первого интегратора 18) поступают клиппированные сигналы с выхода усилителя-ограничителя 12, разрешающие интегрирование в течение периода их существования. Эти же сигналы через съемную перемычку 25 поступают на вход дифференцирующего звена 26, которое совместно с формирователем импульсов 27 формирует импульсы на задних фронтах импульсов, вырабатываемых усилителем-ограничителем 12. Импульсы с выхода формирователя импульсов 27 поступаютна первьй вход второй логической схемы И 28. На интервале времени, предшествующем появлению полезного эхосигнала, выходной сигнал приемного тракта 4 соответствует стационарным и нестационарным помехам, которые и формируют выходные прямоугольные случайные импульсы усилителя-ограничителя 12. При этом в момент окончания каждого такого случайного импульса третий управляемьй интегратор 22 сбрасывается. Второй пиковый детектор 23, подключенный к выходу третьего управляемого интегратора 22, запоминает на время, равное нескольким миллисекундам, максимальное из накопленных третьим управляемым интегратором 22 напряжений. Второй триггер 30 до момента обнаружения находится в сброшенном относительно его выхода состоянии, и потому сигнал на втором входе второй логической схемы И 28 отсутствует, а значит отсутствует и сигнал на выходе второй логической схемы И 28, несмотря на появление в случайные моменты времени сигналов на ее первом входе от формирователя импульсов 27. При обнаружении полезного эхосигнала второй триггер 30 перебрасывается, вследствие чего появляется сигнал на втором входе второй логической схемы И 28. При этом сигнал на выходе усилителя-ограничителя 12 существует в течение всего времени Т существования первого волнового пакета эхо-сигнала. Этот сигнал разрешает интегрирование третьим управляемым интегратором 22 выходного сигнала приемного тракта 4, т.е. интегрирование полезного эхо-сигнала в течение псего 9 интервала Т существования первого волнового пакета. Накопленное выходное напряжение третьего управляемого . интегратора 22, соответствующее энер гии первого волнового пакета, поступает во второй пиковьй детектор 23 для запоминания без искадения на вре мя, равное нескольким миллисекундам (порядка 10-15 мс). При окончании первого пакета третий управляемый интегратор 22 сбрасывается. В то же время формируется импульс на первом входе, второй логической схемы И 28, а поскольку на ее втором входе ранее уже присутствовал сигнал от второго триггера 30, то вторая логическая схема И 28 срабаты вает, запуская своим выходным сигнаом второй одновибратор 29. Второй одновибратор 29 вырабатывает при этом выходной импульс длительностью, достаточной для записи выходного сигнала второго пикового детектора 23 во вторую аналоговую ячейку памяти 24, позволяющую хранить измеренное значение энергии первого волнового пакета в течение нескольких секунд без искажения. Это значение поступает на вход делимого делительног звена 32 и присутствует на нем до следующего эхо-сигнала. В результате на выходе звена появляется нормированное, напряжение, соответствующее средней относительной крутизне переднего фронта первого волнового пакета эхо-сигнала, кор релированной с акустической жесткостью донного грунта. Это напряжение с выхода устройства может поступать далее на устрой ство регистрации, в качестве которого целесообразно применять перьевой самописец. Для того, чтобы запись во вторую аналоговую ячейку памяти 24 производилась лишь один раз в -цикле локации при окончании первого волнового паке та, выходной сигнал второй логичес110кой схемы И.28 самоблокируется перебрасыванием второго триггера 30. В следующем цикле локации, определяемом следующим импульсом генератора-синхронизатора 1, повторяется описанный цикл работы устройтства. Во втором режиме работы устройства из априорных соображений, либо по результатам .предварительных исследований устанавливается необходимая длительность Т выходного импульса второго одновибратора 31, а съемная перемычка 25 устанавливается в положение, при котором замкнута вторая пара контактов. При этом устройство работает так же, как и в первом режиме за исключением того, что импульс на выходе формирователя импульсов 27, а следовательно, и импульс записи во вторую аналоговую ячейку памяти 24 появляется один раз в цикле на заднем фронте выходного импульса длительностью Т2 второго одновибратора 31, запускаемого от блока обнаружения 11 в момент обнаружения полезного эхосигнала. Во вторую аналоговую ячейку памяти 24 записывается от второго пико- вого детектора 23 значение энергии полезного эхо-сигнала, измеренное на заданном интервале 2 . В результате на выходе делительного звена 32 в каждом цикле появляется нормированное напряжение,- соответствующее средней относительной крутизне переднего фронта первого волнового пакета, коррелированной с акустической жесткостью приповерхностного слоя донного грунта для случая существенно нестабильной в литологическом отношении акватории. Таким образом, данное устройство в отличие от прототипа позволяет значительно повысить точность распознавания характера подводных грунтов по акустической жесткости за счет устранения дисперсии измерения акустической жесткости, возникающей в результате качки судна-носителя.

/Г устройстЬу ф регистрации

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ГРУНТОВ по авт. св. № 989504, отличающееся тем, что, с целью повышения точнсх:ти, в него дополнительно введены второй одновибратор, второй- триггер и съемМая перемычка, последовательно соединенные, третий управляемый интегратор, второй пиковый детектор, вторая аналоговая ячейка памяти и делительное звено, последовательно соединенные дифференцирующее звено, формирователь импульсов, вторая логическая схема И и третий одновибратор, при этом выход третьего одновибратора подключен .к управляющему входу второй аналоговой ячейки памяти, выход второй логической схемы И соединен с вторым входом второго триггера, выход которого является вторым входом второй логической -схемы И, .вход второго одновибратора объединен с входом первого одновибратора и первым входом второго триггера, а его выход через вторую пару контактов, съемной перемычки подключен к входу дифференцирующего звена, сигнальный вход третьего управляемого интегратора подклюS чен к выходу приемного тракта, а его управляющий вход объединен с аналогичными входами первого и второго управляемых интеграторов и через первую пару контактов съемной перемычки подключен ко входу дифференцирзтощего звена, вход сброса второго пикового детектора объединен с аналогичным входом первого пикового детектора. СО