Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема Советский патент 1982 года по МПК G01V1/22 

Изобретение охносится к поисково-разведочной геофизике, и может бы использовано при инженерно-геологиче ких исследованиях структуры пород слагающих дно водоема акустическими методс1ми разведки. Известно устройство реализующее способ изучения геологического строения морского дна на основании данны об ослаблении акустического сигнала в функции расстояния, в котором используется излучатель звуковой частоты, расположенный на постоянной глубине от поверхности воды и постоянном расстоянии от приемника. Расстояние между приборами постоянно контролируется til. В данном устройстве при определении величины ослабления акустического сигнала не учитывается с1мплитуда излученного сигнеша,стабильность которой при каждом зондировании труд но обеспечить, поэтому найденная величина даже при постоянном контроле расстояний имеет низкую точность и большой разброс этих величин по профилю. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, позволяющее определять коэффициент отражения от морского дна, предназначенное для совместного использования с акустической аппаратурой и которое определяет по временным индикациям ослабление звуковых сигналов при их отражении от морского дна 2. Устройство содержит два масштабных усилителя, подключенных параллельно к первому входу устройства,-измеритель временных интервалов, схему управления, первый вход которой подключен ко второму входу устройства, схему задержки импульсов, элементы хранения кодов, два регистра, и аналого-цифровой преобразователь. Сигнгшы обрабатывёиотся в аналоговом вычислительном устройстве, которое вычисляет величину потерь, вносиких морским дном в децибелах J-la М . Т ж G 71п7П 1 Т5 TG - 820 - , где AJ, - пиковое значение амплитуды излученного сигнала; АО - пиковое значение амплитуды отраикенного сигнала от морского дна; G - усиление приемных схем; D - Глубина океана; oL -.коэффициент поглощения ультразвуковых колебания водой 39 Сигналы Aj и Ag формируются пиковыми детекторами-усилителями, сигналы G и Т формируются с помощью опорных напряжений, а сигналDполучается путем преобразования в аналоговую форму выходного кода цифрового счетчика, который запускается зондирующим сигналом с акустической аппаратуры, а останавливается принятым сигналом от морского дна. Полученная величина потерь фиксируется в аналоговом виде и преобразуется в цифровую форму для вывода на дисплей . Недостаток известного устройства низкая точность определения величины потерь, так как все вычислительные операции выполняются в аналоговом виде, и большой разброс указанной величины по профилю из-за нестабильности пиковых значений амплитуд от зондирования.к зондированию. Цель изобретения - увеличение точ ности определения величины коэффициента отражения и сглаживание разбросов указанной величины по профилю. Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее два масштабны усилителя, подключенных параллельно к первому входу устройства, аналогоцифровой преобразователь, измеритель временных интервалов, схему управления, первый вход которой подключен ко второму входу устройства, схему задержки импульсов, и два регистра, введены амплитудно-временной селектор, схема отношений, первый вход которой подключен к третьему входу устройства, и арифметический блок, причем входы последнего соединены с выходом первого регистра, с первым выходом амплитудно-временного селектора, с выходом схемы отношений, с первым выходом измерителя временных интервалов и с выходом схемы управления, выход которой подключен также к входам схемы задержки импульсов и измерителя временных интервалов, к первым входам аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-временного селектора, второй выход последнего соединен с вторым входом схеки управления, третий вход которой подключен к выходу схемы задержки импульсов, первые выходы масштабных усилителей подключены к входам анало го-цифрового преобразователя, а вто рые ыходы - к входам схемы отношений, последний вход которой соедине с вторым выходом измерителя временных интервалов, выход аналото-цифрового преобра зователя соединен со вто рым входом амплитудно-временного се лектора; выход арифметичесокго блока соединен с входами первого и вто рого регистров, выходы которых явля ются выходами устройства. На чертеже приведена структурная схема устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема по мгновенным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов. Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема по максимальным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов содержит 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 и второй регистр 11. Устройство работает следующим образом. Входы масштабных усилителей 1 и 2 подключены параллельно к первому входу устройства. Первый вход схемы 7 управления подключен ко второму входу устройства, а первый вход схемы 5 отношений подключен к третьему входу устройства. Входы арифметического блока 9 соединены с выходом первого регистра 10, с первым входом амплитудно-временного селектора 4, с выходом схемы 5 отношений, с первым выходом измерителя б временных интервалов и с выходом схемы 7 управления, выход которой подключен также ко входам схемы 8 задержки импульсов и измерителя 6 временных интервалов, к первым входам аналого-цифрового преобразователя 3 и амплитудно-временного селектора 4. Второй выход последнего соединен со вторым входом схемы 7 управления, второй выход которой подключен к выходу схемы 8 задержки импульсов . Первые выходы масштабных усилителей 1 и 2 подключены ко входам аналого-цифрового преобразователя 3, а вторые -г к входам схемы 5 отношения, последний вход которой соединен с вторым выходом измерителя временных интерв.алов 6. Выход аналого-цифрового преобразователя 3 соединен со вторым входом амплитудновременного селектора 4. Выход арифметического блока 9 соединен с входами первого и второго регистров 10 и 11, выходы которых являются выходами устройства. В процессе исследования грунта акустическими методами одним из наиболее .важных параметров, характеризующих свойства данного грунта является коэффициент отражения звуковых колебаний от границы раздела водадно. Величина его определяется отношением амплитуд падающей (излученной) и отраженной звуковых волн по формуле V и J Угах где и А|, - максимальные мгновенные значения амплитуд отраженного и излученного сигналов; и BO - коэффициенты передачи амплитуд излученного и отраженно,го сигналов; и tj - время распростра нения звуковых колебаний по пути излучатель-дноприемник и от излучателя до приемника. Алгоритм, реализующий приведенную формулу, заложен в основу предлагаемого устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема. Устройство предназначено для совместной работы с акустической аппаратурой, с которой на вход 1 устройства подаются аналоговые сигналы с предварительного усилителя приемной система, на вход 3 - сигналы о коэффициентах передачи излученного и отраженного сигналов (Kjjy и ) ,а на вход 2 - командный импульс, совпадающий по времени с созданием звуковой волны излучающим устройством. С входа 1 устройства сигналы 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 преобразования ана лого-цифрового преобразователя 3 путем установки соответствующего коэффициента передачи. В масштабном усилителе 1 производится также формирование цифрового кода величины установленного коэффициента передачи излученного сигнала (Кц ).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 (Kg ). Приведенные аналоговые сигналы с выходов масштабных усилителей 1 и 2 подаются на аналого-цифровой преобразователь 3, на входе которого установлен сдвоенный компаратор напряжения, управляемый стро бирующими импульсами со схемы 7 управления. Через вход 2 устройства командный импульс с акустической аппаратуры поступает на схему 7 управления, где по переднему фронту этого импульса формируется команда начальной установки схем устройства и импульсы, за пуска аналого-цифрового преобразователя 3, измерителя временных интервалов 6 И схемы 8 задержки импульсов. Команда начальной установки подготавливает устройство к работе. Импульсы запуска, поступающие на аналого-цифровой преобразователь 3, разрешают преобразование аналоговых сигнгшов в цифровые коды. Причем по командному импульсу производится преобразование сигналов, поступающих с масштабного усилителя 1, так как стробирующие импульсы со cxeNBJ 7 управления подаются на ту половину сдвоенного компаратора, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 1. Цифровые коды с аналого-цифрового преобразователя 3 подаются на аьлплитудно-временной селектор 4. По импульсу запуска схема 8 задержки импульсов обеспечивает задержки переднего фронта командного импульса на два регулируемых раздельно временных интервала (t и tg)- В конце каждого интервала формиру1этся импульсы, которые через схему 7 управления поступают на амплитудно-временной 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 амплитудного сигнала. Выбор максимального кода производится путем анализа предыдущего и поступившего в данный моменткодов текущих значений амплитуд сигнала. При превышении предыдущего кода над поступившим в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается импульс максимума, и фиксируется код предыдущего значения. Импульсы максимумов с амплитудновременного селектора 4 . поступгиот на схему 7 управления. По первому импульсу максимума стробируннцие импульсы переключаются на вторую половину сдвоенного компаратора аналого-цифрового преобразователя 3, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 2, сиггнал с последнего преобразуется в цифровые коды и поступает на амплитудно-временной селектор 4. По командному импульсу на измеритель 6 временных интервалов подается последовательность импульсов со схемы 7 управления, и по первому импуль су максимума в измерителе временных интервалов формируется код временного интервала от командного импульса до момента выборки максимальной амплитуды излученного сигнала (tn ) а по второму импульсу максимума код временного интервала от командного импульса до момента выборки мак симальной амплитуды отраженного сигнала (tg) . Таким образом, по первому импуль-j су максимума в амплитудно-временном селекторе 4 зафиксирован код максимальной амплитуды излученного сигна ла , по второму импульсу максим ма - код максимальной амплитуды отраженного сигнала А в измерителе б временных интервалов по первому им пульсу максимума зафиксирован код временного интервала t, а по второму импульсу максимума - код временного интервала tg . При натурных исследованиях глубиНа водоема в районе работ может меняться в широких пределах, что обуславливает широкий диапазон изменения величины времени распространения зву ковых колебаний tg. При сохранении одинаковой точности измерения величин t и tfl в результате измерений получается многоразрядный двоичный код tg и для выполнения вычислительных операций с указанным кодом требуются, соответственно, многоразрядные вычислительные устройства,Чтобы уменьшить разрядность кода величины tg, схема отношений 5 производит вычисление промежуточной величины to(Bj Kr,, Bj,K,,j-Kp). Так как By и BO изменяются ступен чато по закону 2 (i - целое положительное или отрицательное число), то при указанном законе изменения коэффициентов передачи для нахождения отношения достаточно алгебраиИд сложения показателей степени За 8:чет затухания энергии звуковых колебаний при распространении в воде и поглощения части энергии донным грунтом амплитуда отраженного сигнала всегда меньше амплитуды излученного сигнала, соответственно Вд боль ше В . В связи с этим величина отноВи . всегда меньше единицы и в процессе умножения этого отношения на to уменьшается разрядность кода целой части произведения, т.е. g. , Величина € находится сдвигом вправо всех разрядов кода t при этом число сдвигов равно алгебраической сумме показателей степени 2 коэффициентов передачи Вр и В,. В арифметическом блоке 9 по зафиксированным значениям кодов максимальных амплитуд излученного л /1ТПОл отраженного А;,,,,,сигналов,а также по измеренному значению величины интервала t, и найденному значению промежуточной величины g вычисляется коэффициент отражения по формуле о V - & ТГй t Вычисленное значение коэффициента отражения записывается в регистр 11. Арифметический блок 9 вычисляет также среднее значение коэффициентов отражения за п зондирований при движении плавсредства, на котором установлена акустическая аппаратура, т.е . находится величина - Ь. V Среднее значение коэффициента отражения V записывается в регистр 10. Таким образом, приведение раздельно максимальных амплитуд излученного и отраженного сигналов к верхнему пределу диапазона преобразования аналого-цифрового преобразователя, где погрешность преобразования меньше, позволяет расширить диапазон принимаелвдх сигналов и увеличить точность преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. А так как в устройстве не производится коммутация аналоговых сигналов, то и не вносятся дополнительно помехи йт переключения указанных сигналов, Временная селекция излученного и отражен-ного сигнала исключает возможность ложного срабатывания устройство от помех, возникающих в приемной системе в зонах отсутствия полезных сигналов, а амплитудная селекция позволяет / роизводить уверенное выделение максимальных значений амплитуд, что., в конечном итоге, уйеличивает точность определения коэффициента отражения от грунта дна водоемов. Преобразование величин коэффициентов передачи излученного и отраженного сигналов в цифровые коды и выполнение арифметических операций в цифровом виде приводит также к увеличению точности вычисления коэффициента отражения. А вычисление промежуточной величины е в схеме отношений уменьшает объем оборудования арифметического блока за счет умень шения разрядности кода временного интервала до отраженного сигнгша. Реализация алгоритма вычисления коэффициента отражения в цифровом виде позволяет получать результат в числений с наперед заданной точностью. Усреднение величин коэффициент отражения, найденных при каждом зон диройании, уменьшает разброс указан ных величин по профилю. Формула изобретения Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема, содержащее два масштабных усилителя подключенных параллельно к первому входу устройства, аналого-цифровой преобразователь, измеритель временных интервалов, схему управления, первый вход которой подключен к вто рому входу устройства, схему задерж ки импульсов и два регистра, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности определен величины коэффициента отражения и сглаживания указанной величины по профилю, в него введены амплитудновременной селектор, схема отнсхиений первый вход которой подключен к третьему входу устройства, и арифметический блок, причем входы последнего соединены с выходом первого регистра, с первым выходом амплитудно-временного селектора, с выходом схемы отнсяаений, с первым выходом измерителя временных интервалов и с выходом схемы управления, выход которой пoдкJIЮчeн также к входам схемы задержки импульсов и измерителя временных интервалов, к первым входам аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-временного селектора,второй выход последнего соединен с вторым входом схемы управления, третий вход которой подключен к -выходу схемы задержки импульсов; первые выходы масштабнйх усилителей подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, а вторые выходы - к входам схемы отношений, последний вход которой соединен с вторым выходом измерителя временных интервалов; выход аналогоцифрового преобразователя соединен с вторым входом амплитудно-временного селектора; выход арифметического бло ка соединен с входами первого и второго регистров, выходы которых являются выходами устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции 1417192, кл. Е 21 В 49/00. 2.Патент США 3555499, кл.340-3, опублик. 1978 (прототип).