Устройство для вычисления оценки значений коэффициентов отражения Советский патент 1987 года по МПК G01V1/38 

Изобретение -относится к техничес-: ой физике и может быть использовано ри совместной работе с геофизичесой аппаратурой, предназначенной для сейсмоакустических исследований структурных и литологических особенностей донных отложений на акватоиях.

Цель изобретения - повышение точности вычисления оценки значений ко- эффициентов отражения за счет учет а оли энергии, вносимой случайными помехами в отраженный сигнал.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для вычисления оценки значений коэффициентов отражения; на фиг,2 - функциональная схема формирователя упреждения.

Устройство для вычисления оценки значений коэффициентов отражения содержит блок 1 управления, измеритель 2 временных интервалов, аналого-цифровой преобразователь 3, блок 4 нормировки амплитуд, блок 5 задержки кодов, коммутатор 6,- формирователь 7 упреждения, цифровой согласованный фильтр 8, четыре регистра 9 - 2 и арифметический блок 13. Вход блока 1 управления соединен с первым уп- равляющим входом устройства, а выход - с управляющими входами измерителя 2 временных интервалов, аналого-цифрового преобразователя 3, блока 5 задержки кодов, с первым управляющим входом цифрового согласованного фильтра Вис входом 14 формирователя 7 упреждения, вход 15 которого соединен с вторым управляющим входом устройства, а выход 16 - с управляющим входом цифрового согласованного фильтра 8, магистральный вход которого соединен с выходом коммутатора 6, а магистральный выход через регистры 9-12 подключен к входам арифметического блока 13, выход которого соединен с выходом устройства.

Четыре управляющих выхода цифрового согласованного фильтра 8 подключены к управляющим входам регистров 9 - 12, пятый управляющий выход - к управляющему входу арифметического блока 13, а тестой - к управляющему входу коммутатора 6, магистральные йходы которого подключены к выходу блока 4 нормировки амплитуд, причем первый вход непосредственно, а второй через блок 5 задержки кодов. Первый вход блока 4 нормировки амплитуд подключен к выходу измерителя 2 временных интервалов 2, второй вход - к первому сигнальному

входу устройства, а третий вход - к выходу аналого-цифрового преобразователя 3, вход которого соединен с вторым сигнальным входом устройства. Q Формирователь упреждения содержит два триггера 17 и 18, две схемы И 19 и 20, счетчик 21, реверсивный счетчик 22, регистр 23, схему 24 сравнения и схему 25 выделения пер5 вого импульса, причем вход по следней соединен с входом 14 формирователя 7 упреждения и первыми входами схем И 19 и 20, а выход - с первым входом триггера 18, второй вход которого 0 соединен с входом 15 формирователя 7 упреждения. Первый выход триггера 18 соединен с вторым входом схемы И 20, а второй выход - с первым . входом триггера 17, выход которого под5 ключен к второму входу схемы И 19, выход которой соединен с входом счетчика 21 и вычитающим вход ом ревер сивного счетчика 22, суммирующий вход которого подключен к выходу схе0 мы И 20.

Магистральный выход реверсивного счетчика 22 подключен к магистральным входам регистра 23 и схемы 24 сравнения, выход которой соединен с

jf выходом 16 формирователя 7 упреждения. Выход счетчика 21 подключен к управляющему входу регистра 23 и второму входу триггера 17, а второй магистральный вход схемы 24 сравне0 ния соединен с магистральным выходом регистра 23.

Устройство предназначено для совместной работы с сейсмоакустической аппаратурой. Командный импульс, сов45 падающий по времени с созданием звуковой волны в воде, через первый управляющий вход поступает на блок 1 управления, где по его переднему фронту формируются импульсы запуска

50 измерителя 2 временных интервалов, аналого-цифрового преобразователя 3, блока 5 задержки кодов и формирователя 7 упреждения. Импульсы запуска представляют из себя последователь- j ность импульсов- с периодом Т 1/f д, где f JJ - частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 3.

В измерителе 2 временных интервалов производится подсчет импульсов

запуска и формируется код текущего времени t,V iT, последний подается на первый вход блока 4 нормировки амплитуд, на второй вход которого через первый сигнальный вход устрой- ства поступают коды коэффициентов передачи излученного и отраженного сигналов,

Аналоговый сигнал с приемной системы t сейсмоакустической аппаратуры через второй сигнальный вход поступает на вход аналого-цифрового .преобразователя 3, где он преобразуется в цифровую форму, Цифровые коды с аналого-цифрового преобразователя 3 подаются на третий вход блойа 4 нормировки амплитуд,

Блок 4 нормировки амплитуд, в об

щем случае, представляет собой арифметическое устройство, которое реализует следующ то формулу:

А , А :, -н А,

пер

25

де Л - нормированная (приведенная к 1 м) амплитуда входного сигнала; AJ - текущее значение амплитуды

входного сигнала; . t. - текущее время (время от ко- .мандного импульса до момента измерения текущего значения амплитуды входного сигнала);

35

пер коэффициент передачи сигна

па в тракте сейсмоакустической аппаратуры. В частном случае, если представляется как 2 , блок нормировки амплитуд может содержать умножитель для получения произведения AJ t -, и регистр сдвига, на котором осуществляется деление на путем сдвига вправо кода полученного произведения на i разрядов.

Нормированные текущие значения амплитуд подаются на первый вход коммутатора 6 непосредственно, а на второй вход его через блок 5 задержки кодов. Последний представляет собой блок памяти с последовательной записью считьгеания кодов. Регулировка времени задержки кодов осуществляется путем выбора числа ячеек памяти п, участвующих в режиме запись - считывание. Управление коммутатором 6 осуществляет цифровой согласован- ный фильтр 8, коды амплитуд на ко

5

O

5

0

5

5

торый подаются с коммутатора 6. В исходном состоянии коммутатор 6 подключает выход блока 4 нормировки амплитуд к входу цифрового согласованного фильтра 8, который по импульсам запуска производит запись импульсной характеристики, в качестве которой используется прямой зондирующий сигнал, поступающий с сейсмоакустической аппаратуры.

По окончании записи импульсной характеристики цифровой согласованный фильтр вырабатывает сигнал Конец залиси, которьй поступает на коммутатор 6, переключая его таким образом, что выход блока 5 задержки кодов, оказывается подключенным к входу цифрового согласованного фильтра 8, который по сигналу Конец записи переходит в режим фильтрации. Время задержки кодов равно длительности импульсной характеристики цифрового согласованного фильтра 8, поэтому на вход последнего подается снова прямой зондирующий сигнал, только задержанный на время Т . пД. Через время Т на выходе цифрового согласованного фильтра 8 появляется сигнал, амплитуда которого равна энергии прямого зондирующего сигнала:

S... (Т„) S,,,, (п„Т)

hO

И

ВЫХ ЯР

Язс-1(п„-К), (л„-К)Т Э.,

0

,

0

5

где S., - амплитуда выходного сигВЫХ

нала цифрового согласованного фильтра;

- длительность импульсной характеристики цифрового согласованного фильтра, равная длительности зондирующего сигнала; Т - интервал дискретизации; п - число отсчетов импульсной

характеристики; S - амплитуда зондирующего

сигнала;

3j - энергия прямого зондирующего сигнала.

Кроме того, через время Т цифровой согласованный фильтр формирует управляющую команду Конец фильтрации, которая поступает на регистр 9 и записывает код Э. в этот регистр.

Импульсы запуска блока 1 управления поступают также через вход 15

формирователя 7 упреждения на первые входы схем И 19 и 20 и на вход схемы 25 выделения первого импульса (фиг.2). В последней из серии импульсов запуска вьщеляется первый импульс, который поступает на вход триггера 18 и устанарливает его в единичное состояние, разрешая тем самым прохождение импульсов запуска через схему И 20 .на суммирующий вход реверсивного счетчика 22, в котором формируется код числа импульса и подается на схему 24 сравнения. В последней производится сравнение текущего кода с кодом, зафиксированным в регистре 23, который представляет код времени (Т) распространения- звуковых колебаний по пути излучатель - дно - приемник, при предыдущем зондировании с учетом вычета содержимого счетчика 21 (3Tq,) .

При поступлении импульса Дно с высокочастотного эхолота сейсмоакус- тической аппаратуры через второй управляющий вход устройства и вход 15 формирователя 7 упреждения на второй вход триггера 18, последний устан в- ливается в нулевое состояние, тем самым по первому выходу запрещает прохождение импульсов запуска через схему И 20, а по второму выходу устанавливает триггер 17 в единичное состояние. Разрешающий сигнал с выхода триггера 17 поступает на второй вход схемы И 19 и импульсы запуска начинают проходить через эту схему на вычитающий вход реверсивного счетчика 22 и на вход счетчика 21, емкость которого выбрана равной ЗТ. При заполнении емкости счетчика 21 в нем формируется импульс переполнения, который поступает на второй вход триггера 17, сигнал с которого запрещает прохождение импульсов запуска через схему И 19. Кроме того,импульс переполнения поступает на управляющий вход регистра 23 и переписывает код содержимого реверсивного счетчик 22 (Т - ЗТ) в регистр 23.

Во время работы реверсивного счет чина 22 на суммирование, текущие код числа импульсов в схеме 24 сравнения сравниваются с кодом (Т - ЗТ ), записанным в регистре 23, и при их равенстве в схеме сравнения вырабатывается команда, которая поступает на второй управляющий вход цифрового согласованного фильтра 8 и- включает

его в режим фильтрации. В это время сигнал с приемной системы сейсмоакус- тической аппаратуры, поступающий на вход устройства, представляет чистую помеху, а в качестве импульсной характеристики цифрового согласованного фильтра 8 используется запомненный прямой зондирующий сигнал. Через время Т на выходе цифрового согласованного фильтра 8 появляется сигнал, амплитуда которого равна взаимной эн.ергии прямого зондирующего сигнала и чистой помехи.

f5

ых

(т) s:,,, (п Т)

С5;Л(п, -К)Т.ЗД(п„-К)Т Эу,„,

0

5

0

5

0

5

0

5

где S

вь(х ц )

5 (о - амплитуда сигнала на выходе цифрового согласованного фильтра;

Sjj - амплитуда зонди- рующего сигнала; Sf, - амплитуда помехи на входе цифрового, согласованного фильтра;

- взаимная энергия прямого зондир ую- щего сигнала и помехи.

В это время в цифровом согласованном фильтре 8 вырабатьгоается управляющая команда Конец фильтрации , которая поступает на управляющий вход регистра 10, записывая в него код , на управляющий вход коммутатора 6, переключая его так, чтобы выход блока 4 нормировки амплитуд был непосредственно подключен к входу цифрового согласованного фильтра 8, и переводит последний в режим записи импульсной характеристики. Так как в это время сигнал на входе приемной системы сейсмоакустической аппаратуры еще представляет чистую помеху, то в качестве импульсной характеристики цифрового согласованного фильтра 8 запишется чистая помеха. Через время Тф вырабатывается команда Конец записи, которая поступает на коммутатор 6 и переключает его, подключая выход блока 5 задержки кодов к входу цифрового согласованного фильтра 8, и переводит

/1Z886A5

последний в режим фильтрации, В это время аналоговый сигнал на входе устройства все еще представляет чистую помеху, поэтому через время Т на выходе цифрового согласованного .фильтра 8 появляется сигнал, амплитуда которого равна энергии помехи:

вых

р вых

(п„Т)

К-1

Sj(n -К)Т 8ЛК-К)ТЗ

ho

К-1

S;( К)Т1 Э„,

S вых ,, Ь

вы

(Тф) (п„Т)

амплитуда сит нала на выходе цифрового 20 согласованного фильтра; S - амплитуда помехи

на входе цифрового согласованного 25 фильтра;

Эр - энергия помехи на входе цифрового согласованного фильра,30

Одновременно с этим в цифровом ласованном фильтре 8 вырабатываетуправляющая команда Конец фильтии, которая поступает на управляющий вход регистра 11, записьшая в него код Э, на управляющий вход

коммутатора 6, переключая его так, I

чтобы выход блока А нормировки амплитуд был непосредственно подключен к входу цифрового согласованного фильтра 8, и переводит последний в режим записи импульсной характеристики. Так как из кода времени до прихода отраженного сигнала вычитается код времени, равный трем длительностям импульсной характеристики - ЗТ,, а это время уже использовано, то на входе устройства должен появиться сигнал, представляющий аддитивную смесь отраженного сигнала и помехи, который записывается в качестве импульсной характеристики цифрового согласованного фильтра 8, Через время T&J вырабатывается команда Конец записи, которая поступает на коммутатор 6, переключая его так, что выход блока 5 задержки кодов ока- зьюается подключенным к входу цифрового согласованного фи ьтра 8, и переводит последний в режим фильтрации. На вход цифрового согласованного фильтра 8 подается задержанный сигнал и через время Т на выходе его появляется сигнал, амплитуда которого равна энергии смеси сигнала с помехой.

0

5

0

5

0

5

ла на выходе цифрового согласованного фильтра; S - амплитуда отраженного сигнала на входе цифрового согласованного фильтра; S| - амплитуда помехи

на входе цифрового согласованного фильтра;

Эдр - энергия отраженного сигнала; ооп взаимная энергия отраженного сигнала и помехи.

Одновременно с этим в цифровом согласованном фильтре 8 вырабатывается управляющая команда Конец

фильтрации, которая поступает на управляющий вход регистра 12, записы вая в него код Э, на управляющий вход коммутатора 6, переключая его так, чтобы выход блока 4 нормировки амплитуд был непосредственно подключен к входу цифрового согласованного фильтра 8, а на управляющий вход арифметического блока 13. В последнем по этой команде производится счи- тьгоание кодов с регистров 9 - 12 и

вг.шисление оценки значения коэффициента отражения по следующей формуле :

Э.

- РЭ

ЗСП

- Эп

ic

/3 э

ЗСГ7

где V.J - оценка значения коэффициента отражения; Э - общая энергия сигнала и помехи;

коэффициент, который выбирается экспериментально; взаимная энергия прямого зондирующего сигнала и помехи;

энергия помехи; энергия прямого зондирующего сигнала.

Коды оценки V.. через выход устройства подаются в сейсмоакустичес- кую аппаратуру, где о.ни используютс например, для определения типа донного грунта.

3rt Э

3с

Как показывают теоретические рас- 25 равляющему входу арифметического

четы, погрешность определения значений коэффициентов отражения сильно зависит от соотношения .сигнал/помеха - d , Так, при d 15 погрешность составляет 5%, а при d 7 погрешность возрастает до 15%, В связи с этим необходимо учитывать долю энергии помехи вносимой в отраженный сигнал, В предлагаемом устройстве учитывается как энергия помехи, вносимой в отраженный сигнал (в случае стационарности помех), так и взаимная энергия отраженного сигнала и помехи, а так как в вычислениях энергий используются нормированные значения амплитуд, то можно подобрать коэффициент таким образом, чтобы компенсировать указанную взаимную энергию взаимной энергией зондирующего сигнала и помехи, тем самым повысить точность вычисления оценки значений коэффициентов отражения.

Формула изобретения

1. Устройство для вычисления оценки, значений коэффициентов отражения, содержащее блок управления, вход которого соединен с первым управляюпщм входом устройства, измеритель временных интервалов, аналого-цифровой преобразователь, блок задержки кодов управляющие входы которых соединены с выходом блока управления,, два ре

5

0

гистра и арифметический блок, вход которого соединен с выходом первого регистра, отличаю п ееся тем, что, с целью повышения точности вычисления оценки значений коэффициентов отражения, в него введены блок нормировки амплитуд, коммутатор, цифровой согласованный фильтр, третий и четвертый регистры и формирователь упреждения, причем первый вход последнего соединен с выходом блока управления и первым управляюпдам входом цифрового согласованного фильтра, а второй вход - с вторым управляющим входом устройства, а выход - с вторым управляющим входом цифрового согласованного фильтра,- выход которого подключен параллельно к входам всех четырех регистров, четыре управляющих выхода цифрового согласованного фильтра подключены к управляющим входам соответствующих .регистров , пятый управляющий выход - к уп0

5

0

5

0

5

блока, а шестой - к управляющему входу коммутатора, выход которого соединен с входом цифрового согласованного фильтра, а первый вход - с выходом блока нормировки амплитуд, второй вход - с выходом блока задержки кодов, вход последнего соединен с выходом блока нормировки амплитуд, первый вход которого соединен с первым сигнальным входом устройства, второй вход - с выходом измерителя временных интервалов, а третий вход - с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход последнего соединен с вторым сигнальным входом устройства, выходы, всех четырех регистров подключены к соответствующим входам арифметического блока, выход которого является выходом устройства,

2. Устройство поп,1,отлича- ю щ е е .с я тем, что формирователь упреждения содержит два триггера, две схемы И, счетчик, реверсивный счетчик, регистр, схему сравнения и схему выделения первого импульса, причем вход последней соединен .с первым входом формирователя упреждения и с первыми входами обеих схем И, а выход - с первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с вторым входом формирователя упреждения, первый выход - с вторым входом первой схемы И, а второй вы11

ход - с первым входом второго триггера, выход которого подключен к второму входу второй схемы И, выход которой подключен к входу счетчика и вычитающему входу реверсивного счетчика, суммирующий вход последив го соединен с выходом первой схемы И, а выход - с входом схемы сравне

8864512

ния и магистральным входом регистра, управляющий вход которого соединен с выходом счетчика и с вторым входом . второго триггера, выход схемы сравне- 5 ния соединен с выходом формирователя упреждения, а второй магистральный вход схемы сравнения соединен с магистральным выходом регистра.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в геофизической аппаратуре, предназначенной для сейсмоакус- тических исследований структурных и литологических особенностей донных отложений на акваториях. Целью изобретения является повышение точности вычисления оценки значений коэффициентов отражения за счет учета доли энергии, вносимой случайными помехами в отраженньм сигнал. Устройство содержит блок управления, измеритель временных интервалов, аналого-цифровой преобразователь, блок задержки кодов, два регистра и арифметический блок. Для достижения цели в устройство введены блок нормировки ампли- - туд, коммутатор, цифровой согласованный фильтр, третий и четвертый регистры и формирователь упреждения. Формирователь упреждения содержит два триггера, две схемы И, счетчик, реверсивный счетчик, регистр, схему сравнения и схему вьщеления. первого импульса. Введенные элементы вместе с их связями позволяют учитывать как энергию помехи, вносимой в отражен- ньш сигнал в случае стационарности помех, так и взаимную энергию отраженного сигнала и помехи. Поскольку в вычислениях энергий используются нормированные значения амплитуд, то коэффициент пропорциональности |5 в выражении для оценки значения коэффициента отражения V., -( - Зэсп -Эп)/э где 3ch - общая энергия сигнала и помехи; Э-,„ взаимная энергия прямого зондирующего сигнала и помехи; Э„ - энергия помехи; Э - энергия прямого зондирующего сигнала, можно подоб рать экспериментально таким образом, чтобы компенсировать взаимную энергию отраженного сигнала и помехи взаимной энергией зондирующего сигнала и помехи. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. с S (Л с: ю 00 00 о ел

ПерВый

упрабляю- щтбход

Второй

сигнальный вход

Bmopov

упробля- нзщии В}(од

Вылод

фиг.1

Редактор А. Шандор

Составитель Н. Журавлева

Техред В.Кадар Корректор И, Эрдейй

Заказ 7805/45 Тираж 752Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Ироизводственно-полигра.фическое предприятие, Г.Ужгород, ул. Проектная, 4

фиг. 2