Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема Советский патент 1982 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к поискояоразведочной геофизике и может быть использовано при инженерно-геологических исследованиях структуры пород, слагающих дно водоёмов акустичесгкими методами разведки.

Известна аппаратура, измеряющая мгновенные амплитуды падающей и отраженной продольных волн и выделяющая из них реальную и мнимую часть комплексного коэффициента отражения от донного грунта на выбранной частоте 11 .

Применяемые для зондирования дна импульсные сигналы имеют широкую полосу частот, и обеспечить постоянство мгновенных значений амплитуд излученного сигнала в узкой полосе частот от зондирования к зондированию практически невозможно. А это, в свою очередь, порождает большой разброс текущих значений коэффициентов отражения от грунта дна, вьмисленных по мгновенным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов на выбранной частоте.

Наиболее близким к предлагаемому являетсяустройство, позволяющее определять коэффициент отражения от морского дна, предназначено для

совместного использования с акустической аппаратурой и определяет по временным индикациям ослабление звуковых сигналов при их отражении от морского дна. Устройство содержит усилители, подключенные ко входу устройства, измеритель временных интервалов, схему управления, схему

10 задержки импульсов, элементы хранения кодов и аналого-цифровой преобразователь. Сигналы обрабатываются в аналоговом виде и полученная величина потерь преобразуется в цифровую форму для вывода на дис11лей 2 .

15

Недостатками данного устройства являются большой разброс величины потерь по профилю и нестабильность пиковых значений гшплитуд от зондирования к зондированию.

20

Цель изобретения --увеличение точности определения коэффициента отражения от дна водоема и уменьшение разбросов текущих значений коэффициентов отрг1жения от грунта с одним

25 и тем же литологическим составом и (Сглаживание указанных величин по профилю.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определе30ния коэффициента отражения от дна водоема, содержащее первый и второй масштабные усилители, аналого-цифро вой преобразователь, измеритель временных интервалов, схему управле ния,, схему задержки импульсов и пер вый и второй регистры, при этом пер вый и второй масштабные усилители подключены параллельно к первому входу устройства, первые выходы масштабных усилителей подключены к первому и второму входам аналогоцифрового преобразователя, первый вход схемы управления подключен ко второму входу устройства, а выход схемы управления соединен со входом схемы задержки импульсов, входом измерителя временных интервалов и третьим входом аналого-цифрового преобразователя, выход схемы задерж ки импульсов подключен ко второму входу схемы управления, выходы первого и второго регистров являются выходами устройства, дополнительно введены амплитудно-временной селектор, схема отношений, схема задержки кодов, схема выбора длительности и арифметический блок, при этом пер вый вход схемы отношений подключен к третьему входу устройства, второй и третий входы - ко вторым выходам масштабных усилителей, а последний, четвертый, вход схемы отношений сое динен с выходом измерителя временны интервалов, входы арифметического блока соединены с выходами первого регистра, схемы задержки кодов,схемы отношений и измерителя временных интервалов, с первым выходом амплитудно-временного селектора и выходо схемы управления, выход которой под ключен также к входу схемы выбора длительности и первым входам схекод задержки кодов и амплитудно-временного селектора, вторые входы которы подсоединены к выходу аналого- цифрового преобразователя, второй выход амплитудно-временного селектора соединен с третьим входом схемы управления, а четвертый вход схемы управления подключен к выходу схемы выбора длительности, выход ари ялети ческого блока соединен со входами .первого и второго регистров. На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема. Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема содержит первый и второй масштабные усилители 1 и 2, аналого-цифровой преобразователь 3, амплитудно-временной селектор 4, схему 5 отношений, измеритель 6 временных интервалов , схему 7 управления, схему 8 задержки импульсов, арифметический блок 9, первый регистр 10, второй регистр 11, схему 12 з,здержки кодов и схему 13 выбора длительности. Входы масштабных усилителей 1 и 2 подключены к первому входу устройства. Первый вход схемы 7 управления подключен ко второму входу устройства, а первый вход схемы 5 отношений соединен с третьим входом устройства. Входы арифметическо- го блока 9 соединены с выходом первого регистра 10, с первым выходом амплитудно-временного селектора 4, с выходом схемы 5 отношений, с выходом измерителя б временных интер- . валов и с выходом схём1л 7 управления, выход которой подклю 1ен также ко входам схемы 8 задержки импульсов и измерителя б временных интервалов,к третьему входу аналого-цифрового преобразователя 3 и первому вхрду амплитудно-временного селектора 4. Второй выход последнего соединен с третьим входом схемы 7 управления, второй вход которой подключен к выходу схемы 8 задержки импульсов,первые выходы масштабных усилителей 1 и 2 подключены ко входам аналогоцифрового преобразователя 3, а вторые выходы - ко втором:/ и третьему входам схемы 5 отношений, последний, четвертый вход которой соединен с выходом измерителя б временных интервалов. Выход аналого,-цифрового преобразователя 3 соединен параллельно со вторыми вход.ами амплитудновременного селектора 4 и схемы 12 задержки кодов« Выход схемы 13 выбора длительности соединен с четвертым вхоДсэм схемы 7 управления, выход которой подключен ко входу схемы 13 выбора длительности и к первому входу схемы 12 задержкикодов, вь1ход последней соединен с шестым входом арифметического блока 9. Выход арифметического блока 9 соединен с входами первого и второго регистров 10 и 11, выходы которых являются выходами устройства. В процессе исследования грунта дна водоемов акустическими методами разведки одним из наиболее важных. параметров, характеризующих свойства донного грунта, является коэффициент отражения звуковых колебаний от гранищл раздела вода-дно. Величина его определяется по формуле BH-toTR(O)o Bo-tv,TIR(0)H гд;е В,, и Вр- коэффициенты передачи амплитуд излученного и отраженного сигналов соответственно; время распространения звуковых колебаний по пути излучатель-дноприёмник и от излучателя до приемникаJ R(O)o - автокорреляционная фун ция отраженного сигнал при нулевой задержке; Е(О)ц - автокорреляционная фун ция излученного сигнал при нулевой задержке. Значения К(О)оИ RCO) равны соот ветственно энергиям отраженного и и лученного сигналов, с точностью до постоянного множителя, и находятся путем накопления квадратов мгновенных значений амплитуд, т.е. )H g/Jui м RCOJ,.Jj-2Ajb-), где NV( и NO - число выборок,участвую щих в накоплении квадратов амплитуд излученного и отраженного сигналов;; Ам(1) и Ajjd) - цифровые коды мгновенных значений ампл туд излученного и отраженного сигнало соответственно. Алгоритм, реализующий приведенную формулу, заложен в основу данного устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема. . Устройство предназначено для сов местной работы с акустической аппаратурой, с которой на первый вход устройства подаются аналоговые сигналы с предварительного усилителя приемной системы, на третий вход сигналы о коэффициентах передачи изцученного и отраженного сигналов (K,j и ) , а на второй вход - командный импульс, совпадающий по времени с созданием звуковой волны излучающим устройством. С первого входа устройства сигна лы с приемной системы акустической аппаратуры подаются одновременно на входы масштабных усилителей 1 и 2. Масштабный усилитель 1 служит для приведения максимальной величины амплитуды излученного сигнала к верхнему пределу диапазона аналогоцифрового преобразователя 3 путем установки соответствующего коэффициента передачи. В масштабном усилителе 1 производится также формирование цифрового кода величины установленного коэффициента передачи излученного, сигнала (К). Масштабный усилитель 2 используется, для тех же целей, только в нем приводится максимальная амплитуда отраженного от дна сигнала и формируется код коэффициента передачи отраженного сигнала (KO). Приведенные аналоговые сигналы с выходов масштабных усилителей 1 и 2 подаются на аналогоцифровой преобразователь 3, на Ъходе которого установлен сдвоенный компаратор напряжения, управляемый стробирующими импульсами со схемы 7 управления. Через второй вход устройства командный импульс с акустической аппаратуры поступает на схему 7 управления, где по переднему фронту этого импульса формируются команданачальной установки схем устройства и импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 3, измерителя б временных интервалов, и схемы 8 задержки импульсов. Команда начальной установки подготавливает устройство к р.аботе. Импульсы запуска, поступающие на аналого-цифровой преобразователь 3, разрешают преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды. Причем по командному импульсу производится преобразование сигналов, поступающих с масштабного усилителя 1, так как стробирующие импульсы со схемы 7 управления подаются на ту ПОЛОВИНУ сдвоенного компаратора, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя I. Цифровые коды с аналого-цифрового преобразователя 3 подаются на амплитудно-временный селектор .4 и схему 12 задержки кодов. По импульсу запуска схема 8 задержки импульсов обеспечивает задержку переднего фронта командного импульса на два регулируемых раздельно временных интервала (t3i и t3i2) . В конце каждого интервала формируются импульсы, которые через схему 7 управления поступают на амплитудновременной селектор 4,. разрешая его работу. Так как при исследованиях грунта дна: водоема акустическими методами расстановка приемно-излучающей системы известна и известна примерно глубина водоема, то соответствующей установкой задержки переднего фронта командного импульса исключается возможность ложного срабатывания устройства, от помех, возникающих в приемной системе акустической аппаратуры нА интервалах времени от командного импульса до момента приема излученного сигнала и между излученным и отраженным сигналами. Другими словами,амплитудно-временной селектор 4 начинает работу с приходом импульсов со схемы 8 задержки импульсов, осуществляя тем самым селекцию сигналов по времени. По этим же импульсам в амплитудно-временном селекторе 4 производится сравнение кодов текущих значений амплитуд преобразуемых сигналов с кодом заданного порога, при превышении которого амплитудно-временной селектор 4 переходит в режим выделения кода максимального значения амплитуды сигнала. Выбор максимального кода производится путем анализа предыдущего и поступившего в данный момент кодов текущих значений амплитуд сигнала. При превышении предьщущего кода над поступившим в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается первый импульс максимума, который поступает на схему 7 управления, в последней по первому импульсу максимума формируется команда, разрешающая считывание кодов текущих значений амплитуд излученного сигнала со схемы

12задержки кодов на арифметический блок 9, и последовательность импульсов с частотой запуска аналого-цифрового преобразователя 3, которая поступает на схему 13 выбора длительности .

Схема 12 задержки кодов выполнена по рринципу сдвиговых регистров,причем в ней предусмотрена регулировка времени задержки кодов путем выбора необходимого числа элементов хране ния кодов. Время задержки кодов задается равным дл-ру ельности фронта излученного сигнала. По сигналу со схемы 7 управления схема 12 задержки кодов подает на арифметический блок 9 не код максимума излученного сигнала, а код амплитуды первого вступления фронта излученного сигнала и, таким образом, в вычислении автокорреляционной функции излученного сигнала участвуют и коды амплитуд его переднего фронта. Арифметический блок 9 в процессе поступления кодов накапливает квадраты текущих значений амплитуд излученного сигнала, т.е. вычисляет S A(i) . Из последовательности импульсов, поступающих со схемы 7 управления на схему

13выбора длительности, е последней формируется код текущего числа импульсов, который сравнивается с заранее заданным кодом числа выборок текущих значений амплитуд излученного сигнала, необходимых для вычисления R(O)vi . При равенстве указанных кодов схема 13 выбора длительности вырабатывает импульс конца обработки излученного сигнала, который поступает на схему 7 управления.

По импульсу конца обработки излученного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы 12 задержки кодов, запрещает подачу |Импульсов на схему 13 выбора длительности, переключает стробирующие импульсы на вторую половину сдвоенного компаратора аналого-цифрового преобразователя 3, вход которого соединен с выходом масштабного усилитевпя 2, и формирует команду Корень для арифметического блока 9. По команде Корень арифметический блок 9 вычисляет значение квадратного корня автокорреляционной функции излученного сигнала при нулевой задержке, т.е. fR(0) .

По командному импульсу на измеритель 6 временных интервалов подается последовательность импульсов со схемы 7 управления, а по первому импульсу максимума в измерителе

б временных интервалов формируется код временногсэ интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплиту,цы излученного сигнала (ty,) .

0 По второму задержанному импульсу t3(j амплитудно-временной селектор 4 переходит снова в режим выделения кода максимального значения амплитуды, но теперь уже отраженного сигнала. При выделении максимального кода в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается второй импульс максимума, который поступает на схему 7 управления. Далее устройство работает аналогично, как и после первого импульса максимума. Но теперь схема 13 выбора длительности при равенстве кода текущегочисла импульсов с заранее заданным кодом числа

5 выборок текущих значений амплитуд отраженного сигнала, необходимых для вычисления R(O)o , вырабатывает импульс конца обработки отраженного сигнала, который также поступает на

Q схему 7 управления.

По импульсу конца обработки отраженного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы 12 задержки кодов, запрещает подачу

- импульсов на схему 13 выбора длительности, запрещает прохождение стробирующих Импульсов на сдвоенный компаратор аналого-цифрового преобразователя 3 и формирует команду Вычисление для арифметического

0 блока 9.

Кроме того, по второму импульсу максимума схема 7 управления запрещает подачу последовательности им5 пульсов-на измеритель б временных интервсшов, а в последнем формируется код временного интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплитуды отраженного 0 сигнала (t0 ).

При натурных исследованиях глубина водоема в районе работ может меняться в широких пределах, что

5 обуславливает широкий диапазон изменения величины времени распространения звуковых колебаний tg. При сохранении одинаковой точности измерения величин t, и to в результате измерений получается многоразрядный двоичный код tg И ДЛЯ выполнения вычислительных операций с указанным кодом требуются, соответственно, многоразрядные вычислительные устройства. Чтобы уменьшить разрядность

65 кода величины tp, схема отношений

ройство дополнительно введены амплитудно-временной селектор, схема отношений, схема задержки кодов, схема выбора длительности и арифметический блок, при этом первый вход схемы отношений подключен к третьему входу устройства, второй и третий входы - ко вторым выходам масштабных усилителей, а последний, четвертый, вход схемы отношений соединен с выходом измерителя временных интервалов, входы арифметического блока соединены с выход гили первого регистра, схемы задержки кодов, схемы отношений и измерителя временных интервалов,с первым выходом амплитудно-временного селектора и выходом схемы управления, выход которой подключен также к входу схемы выбора длительности и первым входам схемы задержки кодов и амплитудновременного селектора, вторые входы которых подсоединены к выходу аналого-цифрового преобразователя,второ выход амплитудно-временного селектора соединен с третьим входом схемы управления, а четвертый вход схекш управления подключен к выходу схемы выбора длительности, выход арифметического блока соединен с входами первого и второго регистров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США 3346067,кл.73-555, опублик. 1967,

2. Патент США 3555499,кл.340-3, опублик. 1971 (прототип).