Устройство для распознавания подводных грунтов Советский патент 1983 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для распознавания подводных грунтов при гидроакустической локации дна акваторий.

Известны устройства и способы для получения донной информации Г11 .

Однако в fl для распознавания донных грунтов требуется большое количество сложного оборудования, к тому же необходимость значительного количества опорных колебаний вызывает дополнительные помехи.

Недостатком устройства 23 является трудность обнаружения момента начала отраженного сигнала, что приводит к измерению энергии не только полезного эхо-сигнала от поверхностного слоя грунта, но и энергии эхо-сигналов от нижележащих слоев, а также энергии кратных отражений донно-поверхностной реверберации и энергии стационарной и нестационарной помехи.

Наиболее близким к изобретению является устройство для распознавания подводных грунтов, содержащее генератор-синхронизатор, соединенный с излучателем, акустически связанным с приемником, подключенным к приемному тракту, блок обнаружения, вход которого связан с выходом приемного тракта, а выход соединен с входом

с одновибратора, первый управляемый интегратор и регистратор, причем приемный тракт выполнен в виде последовательно соединенных согласующего каскада,блока программного

10 усиления,селектора отраженного сигнала избирательного усилителя, детектора с фильтром нижних частот и амплитудного ограничителя минимального значения, блок обнаружения выполнен в виде последовательно соединенных

15 усилителя-ограничителя, второго управляемого интегратора,. бес1 онтактного реле, а также триггера и л о- гической схемы И, первый вход кото- , рой соединен с выходом бесконтактно20го реле, а второй - с выходом триггера, управляющий вход второго управляемого интегратора объединен с его основным входом, выход логической схемы И соединен с первым вхо дом триггера и является выходом блока обнаружения, второй вход триггера объединен с управляющими входами блока программного усиления и селектора отраженного сигнала и подключен к

генератору-синхронизатору. Кроме этого, устройство содержит линию задержки, вход которой объединен со входом блока обнаружения, а выход подключен к первому управляемому интегратору. Управляющий вход послед него подключен к выходу одновибрато ра, а выход - к регистратору 3. Недостатком известного устройст является наличие в его составе линии задержки, которая при требуемых параметрах является достаточно сложной, кроме того, вносит искажение в сигнал, а также препятствует oneративному доступу к регистрируемой ин формации во время движения суднаносителя. Действительно, снимаемлй с выхода управляемого интегратора и регистрируемый на ходу судна сигнал представляет собой последовательность коротких импульсов длительностью порядка одной миллисекунда с большой скважностью, что диктуе необходимость использования безинерционных световых регистраторов с последующей специальной обработкой регистрируемой грунтограммы. Это условие исключает оперативный доступ к грунтограмме по ходу движения судна, и тем самым делает невозможным принятие оперативных решений об остановке судна для уточнения . записи, для забора уточняющих проб грунта и т.п. Цель-изобретения - упрощение устройства и повышение оперативности контроля регистрируемой информации путем обеспечения возможности регистрации информации с помощью перье выц самописцев. Поставленная цель достигается . тем, что в устройство дл;1 распознавания подводных грунтов, содержшцее генератор-синхронизатор, соединенный с излучателем, акустически связанным с приемником, подключённым к при емному тракту, блок обнаружения, вхо которого связан с выходом приемного тракта, а выход соединен с входом одновибратора, первый управляемый интегратор и регистратор, причем при емный тракт выполнен в виде последо вательно соединенных согласующего каскада, блока программного усиления, селектора отраженного сигнала, избирательного усилителя, детектора с фильтром нижних частот и амплитудного ограничителя минимального значения, блок обнаружения выполнен в виде последовательно соединенных усилителя-ограничителя, второго управляемого интегратора, бесконтактного реле, а также триггера и логической схемы И, первый вход которой соединен с выходом бесконтактного ре ле, а второй - с выходом триггера, управляющий вход второго управляемог интегратора объединен с его основным входом, выход логической схемы И соединен с первым входом триггера и является выходом блока обнаружения, второй вход триггера объединен с управляющими входами блока програмгл - кого усиления и селектора.отраженного сигнала и подключен к генератору-синхронизатору , дополнительно введены аналоговый ключ, включенный в цепь, связывающую выход приемного тракта с основным входом первого управляемого интегратора, и последовательно соединенные пиковый детектор и аналоговая ячейка памяти, включенные в цепь, связывающую выход первого управляемого интегратора с входок регистратора, причем управляющий вход аналогового ключа подключен к выходу триггера, управляющие входы первого и второго управляемых интеграторов объединены/ вход сброса пикового детектора подключен к генератору-синхронизатору а управляющий вход аналоговой ягчейки памяти подключен к выходу одновибратора. На чертеже показана блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит генератор-синхронизатор 1, излучатель 2, прием- . ник 3, приемный тракт 4, состоящий из последовательно соединенных согласующего каскада 5, блока программного усиления б, селектора 7 отраженного сигнала, избирательного усилителя 8, детектора с фильтром нижних частот С ФНЧ) 9 и амплитудного ограничителя 10 минимального значения. Устройство содержит также блок обнаружения 11, состоящий из последовательно соединенных усилителя-ограничителя 12, второго управляемого интегратора 13 и бесконтактного реле 14, а также логической схемы И 15 и триггера 16. Кроме того, в устройстве имеются последовательно соединенные аналоговый ключ 17, первый управляемый интегратор 18, пиковый детектор 19, аналоговая ячейка памяти 20, а также одновибратор 21 и перьевой регистраторсамописец 22. Генератор-синхронизатор 1 связан с излучателем 2, блоком программно- , го усиления б, селектором 7, триггером 16 и пиковым детектором 19 и предназначен для формирования последовательности импульсов, управляющих работой устройства. Излучатель 2 служит для формирования последовательности зондирующих гидроакустических сигнсшов по команде генератора-синхронизатора 1. Приемник 3 акустически связан с излучателем и предназначен для преобразования последовательности гидроакустических сигналов в электрические сигналы.

поступающие на вход приемного тракта 4. Приемный тракт 4 предназначен для согласования высокоомного выхода приемника 3 с последующими низкоомными цепями с помощью согласующего каскада-5, для временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), с помощью блока программного усиления б с целью компенсации ослабления гидроакустического сигнала в функции проходимого им расстояния, для запирания канала обработки сигнала на время приема излученного сигнала и

пропускания в канал только отраженного эхо-сигнала с помощью селектора 7, для отфильтровывания и усиления несущей частоты эхо-сигнала с помощью избирательного усилителя 8, для выделения огибающей с помсядью детектора с ФНЧ 9 и для отсечки постоянной составляющей огибающей стационарной помехи с помощью амплитудного ограничителя 10. Выход приемного тракта 4 соединен с входом блока обнаружения 11, а также через аналоговый ключ 17 с входом первого управляемого интегратора 18 Влок обнаружения- 11 предназначен для выйвления полезного эхо-сигнала на фон нестационарной помехи, эхо-сигналов от нижележащих слоев грунта, крайних отражений донно-поверхностной реверберации и остаточных выбросов стационарной помехи после отсечки ее постоянной составляющей амплитудным ограничителем 10. Входящий в блок обнаружения 11 усилитель-ограничитель 12 служит для клиппирования выходного сигнала приемного тракта 4 Выход усилителятограничителя 12 подключен к основному входу второго управляемого интегратора 13 и управляющим входам управляе аых интеграторов 13 и 18. Второй управляемый интегратор 13 служит для измерения длительности прямоугольных импульсов, образующихся после клиппирования выходного сигнала приемного тракта 4. Выход второго управляемого -интегратора 13 соединен с входом бесконтактного реле 14, предназначенного для сравнения длительности прямоугольных импульсов с уставкой, соответствующей некоторой контрольной длительности и, для выработки импуЛьса при превышении этой контрольной длительности. Выход бесконтактного реле 14 соединен с первым входом логической схемы И 15, а второй ее вход - с выходом триггера 16, управляемого по одной цепи от генератора-синхронизатора 1, а по другой - с выхода логической cxe№i И 15. Выход триггера 16 является также управляющим входома1налоговогОключа 17. Логическая схема И 15 и триггер 16 предназначены для обеспечения однократной работы схег1ы обнаружения полезного эхо-сигнала и недопущения повторных ее срабатываний . на реверберационных кратных отражениях и отраженияхЪт нижел ежащих

слоев грунта. Аналоговый ключ 17 служит для подачи сигнала приемного тракта на вход первого управляемого интегратора 18 от момента запуска излучателя 2 генератором-сирхрони- атором 1 до ь«эмента обнаружения полезного эхо-сигнала.

Первый управляемый инт егратор 18 предназначен для измерения энергии всех импульсов произвольной ,

образующихся на выходе приемного тракта 4 после отсечки постоянной составляющей продетектированной стационарной помехи амплитудным ограничителем 10 и прошедйшх через аналоговый ключ 17, в том числе и для измерения энергии полезного эходигнала на некотором начальном его участке, определяемом контрольной длительностью, устанавливаемой в

бесконтактном реле 14.

Пиковый детектор 19, подключенный основным входом к выходу первого управляемого интегратора 1В, а входом сброса - к генератору-синхронизатору 1,служит для кратковременного запоминания без искажения в течение нескольких миллисекунд значения измеряемой энергии начального участка полезного эхосигнала с целью обеспечения необходимого времени для съема информации 3 аналоговую долговременную ячейку памяти 20, подключенную к выходу i пикового детектора 19 и позволяющую

хранить информацию без искажения в течение нескольких секунд и выдавать ее для регистрации на перьевой регистратор - самописец 22, подключенный к выходу аналоговой ячейки памяти 20. Управляющий вход аналоговой ячейки памяти 20 подключен к выходу одновибратора 21, связанного по входу с выходом логической схема И 15 и служащего для формирования по сигналу обнаружения импульса длительностью, достаточной для надежного срабатывания аналоговой ячейки памяти 20. С целью обеспечения в аналоговой ячейке памяти 20 долговременного хранения

мации без искажения она выполнена с использованием герметичного магнитоуправляемого контакта, что полностью исключает разряд запоминающего конденсатора по входной цепи

в режиме хранения.

Работа устройства основана на том, что сопротивляемость грунта акустическому давлению при прочих равных условиях пропорциональна средней крутизне фронта нарастания

полезного эхо-сигнала при зондировании дна прямоугольными гидроакустическими радиоимпульсами длительностью порядка 1-2 мс с несущей частотой в диапазоне 10 - 30 кГц. Этот эффект заваливания фронта в осадочных породах вызван как упругими свойствами грунта, так и присущими осадочным породам градиентами плотности и скорости звука, приводящими к общему затягиванию полезного эхо-сигнала по сравнению с зондирующим сигналом.

В соответствии.с этим при нормальном падении форма полезного эхосигнала в зависимости от грунта меняется в весьма широком диапазоне: от практически неискаженного прямоугольного радиоимпульса на монолитах до сильно размазанного импульса с весьма пологим фронтом,и длительностью, в несколько раз превышающей длительность посылки на жидких илах. По мере возрастания сопротивляемости донные грунты образую следую1цую-упорядоченную шкалу: жидкие илы, илы,.илистые глины, глины, глинистые пески, мелкозернистые пески, крупнозернистые пески, крупнообломочные породы, монолиты. Поэтому, если измерять сопротивляемость, например, ка.к среднюю крутизну фронта нарастания полезного эхо-сигнала, а в регистрирующем устройстве использовать заранее проградуированную сетку с нанесенными границами сопротивляемости в пределах данного класса грунтов, то можно по уровню сопротивляемости делать .вывод о характерё грунта. При этом, такие измерения удобно производить по ходу движения судна-носителя, излучая последовательность зондирующих им.пульсов и регистрируя текущую по профилю дна акватории сопротивляемость в виде некоторой грунтограммы, привяз анной к географическим координатам. Очевидно, что наибольший эф- фект будет в том случае, если грунтограмма доступна непрерывному наблюдению по мере регистрации, например, с помощью перьевого самописца.

Указанная сопротивляемость.-грунта или крутизна фронта нарастания эхо-сигнала может быть при прочих равных условиях измерена как энергия продетектиррванного эхо-сигнала на некотором начальном его участке. С этой целью необходимо обеспечить в устройстве независимость измерения от глубины воды, что достигается введением блока программного усиления, осуществляющего ВАРУ, и обеспечить измерение именно в полезном эхо-сигнале, отселектировав его от излученного сигнала и уверенно обнаружив На фоне стационарных и нестационарных помех и на фоне кратных отражений донно-поверхностной реверберации.

Такая обработка сигнала и осуществляется в данном устройстве. При этом, как показывает эксперимент, контрольная длительность, по которой производится селекция импульсов произвольной формы на выходе приемного тракта 4 и, соответ0 ственно, обнаружение среди них полезного эхо-сигнала составляет порядка 1 мс, исходя из того, что полезный эхо-сигнал не может быть, покрайней мере, короче посылки. В те5 чение этой же длительности измеряется и энергия эхо-сигнала, пропорциональная сопротивляемости грунта.

Очевидно, что регистрация столь

0 кратковременных измерений со скважностью порядка десятка секунд на большихглубинах не может быть произведена перьевым самописцем из-за I его инерционности без введения эле5 ментсрв памяти.

Устройство, учитывающее изложенные выше принципы, работает следующим образом.

0 Генератор-синхронизатор 1 вырабатывает запускающие импульсы и приводит в действие излучатель 2, который посылает зондирующие гидроакустические радиоимпульсы. Частота запускаю5 щих импульсов генератора-синхронизатора 1 регулируется ступенчато в зависимости от диапазона глубины дна. , При этом нужный диапазон частоты выбирается таким образом, чтобы в дан0 ном диапазоне глубин обеспечивалась работа устройства в раздельном режиме: посылка - прием - посылка прием и т.д. Электрический сигнал с гидроакустического приемника 3 пос5 тупает на вход приемного тракта 4. Этот сигнал представляет собой смесь, состоящую из излученного сигнала, полезного эхо-сигнала, эхо-сигналов от нижележащих слоев донных грунтов,

д сигналов кратных отражений донноповерхностной; реверберации и стационарных и нестационарных помех. В приемном тракте 4 принятая смесь проходит через согласующий каскад 5 на вход блока программного усиления 6, в котором производится временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ ) для компенсации ослаблений сигнала в функции проходимого им расстояния, пропорционального

0 времени При этом программа ВАРУ рассчитывается заранее по теоретическим, либо экспериментальным данным с учетом диаграммл направленности излучателя и запускается в дей5 ствие запускающим импульсом генератора-синхронизатора 1. С выхода блока программного усиления б сигнал поступает на вход селектора 7, представляющего собой управляекыя аналоговый ключ. Этот ключ по сигналу генератора-синхронизатора 1 запирает тракт на время излученного сигнала с некоторым запасом. Далее отселектированный сигнал поступаегг на вход избирательного- усилитед я 8 с фильтром, настроенным на Hecyciyra частоту сигнала. С выхода избирательного усилителя 8 сигнал с повышенным в результате фильтрации отнсшением сигн-ал/шум подается на вход детектора с ФНЧ 9 для выделения огибающей. На выходе детектора с ФНЧ 9 образуется напряжение,.пропорг циональное огибакяцей смеси полезного эхо-сигнала,эхо-сигналов от нижележа щих слоев грунта, сигналов кратных отр жений и стационарных и нестационарных мех. Это напряжение поступает затем на ампитудный ограничитель 10 минимального значения, который отсекает снизу напряжение, пропорциональное среднему значению огиба едей стационарной помехи, в результате чего на выходе амплитудного ограничителя 10 образуется последовательность импульсов произвольной фОрЬ4Ы, состоящая из выбросов над средним значением стационарной помехи, среди которых есть и полезный эхо-сигнал.

I

Далее напряжение с выхода амплитудного ограничителя 10, т.е. с выхода приемного тракта 4, поступает на вход блока обнаружения 11, а также через открытый аналогокдй клпч 17 на вход первого управляемого интегратора 18. В блоке обнаружения

IIсигнал клиппируется усилителемограничителем 12, в результате чего на выходе усилителя-ограничителя 12 образуется последовательность прямоугольных импульсов одинакового напряжения с длительностями, пропорциональными длительностям выбросов выходного напряжения приемного тракта 4 над средним значением стационарной помехи. Дальнейшая обработка в блоке обнаружения 11 сводится к обнаружению первого из этих импульсов, длительность которого превышает;контрольную длительность порядка одной миллисекунды. Такое превышение и является признаком полезного эхосигнала. В соответствии с этим выходной сигнал усилителя-ограничй теля 12 поступает на основной функциональный вход второго управля-емюго интегратора 13 и на его управляющий вход. В состав второго управляемого интегратора 13 входит мощный бесконтактный ключ, шунтирующий конденсатор в цепи обратной связи интегратора..Этот ключ разомкнут

при наличии управляющего сигнала и замкнут при его отсутствии, причем при замыкании ключа разряд конденсатора через него происходит за весьма короткое время ( порядка единиц микросекунд из-за малой постоянной времени цепи. Поскольку во втором управляемом интеграторе 13 функциональный и управляющий входы объединены, то при появлении прямоугольного импульса на функциональном входе одновременно разрешаете его интегрирование в течение времени существования входного импульса.

Таким образом, при одинаковой а плитуде входных прямоугольных импульсов напряжение на выходе второго управляемого интегратора 13 пропорционально длительности интегрируемог прямоугольного импульса. Длительность же полезного эхо-сигнала и собтветствуювдего ему клиппированно.го прямоугольного импульса прекл1шает 1 мс.

В связи с этим сигнал с второго , управляемого интегратора 13 подается на бесконтактное реле 14 с напряжением уставки, пропорциональным 1-ой миллисекунде. При прекашении уставки реле срабатывает, что и является одним из признаков обнаружения полезного эхо-сигнала. Для исключения повторного появления сигнеша обнаружения на последукндих отраже- ниях от нижележащих слоев грунта и на кратных отражениях сигнал с выхода бесконтактного реле 14 подается на первый вход лс гической схемы И 15, второй вход которой подключен к шлходу триггера 16. Напряжение же на выЕходе триггера 16 появляется ранее при поступлении запускающего импульса на его первый вход, т.е. в момент появления сигнала на выходе бесконтактного реле 14, логическая схема И 15 срабатывает и выдает окончательный сигнал обнаружения полезного эхо-сигнала. В то же время сиггнал обнаружения перебрасывает триггер 16 в другое состояние и, тем самым, снимает сигнал с его выхода, что исключает повторные срабатывания обнаружителя вплоть до следующего цикла обработки. Выходной сигна триггера 16, существующий от момента запуска излучателя до момента обнаружения полезного/эхо-сигнал, поз- воляет в течение этого времени интегрировать первым управляемым интегратором 18 выходной сигнал приемного тракта 4, поскольку аналоговый ключ 17 при этом открыт..Первый управляемый интегратор 18 выполнен по той же схеме, что и второй управляегвлй интегратор 13, т.е. имеет в своем составе такой же мощный ключ разрешения интегрирования. Этот ключ управляется клиппированным сигналом с выхода усилителя-ограничителя 12. Таким образом, первый управляемый интегратор 18 интегрирует все импульсы произвольной формы на выходе амплитудного ограничителя 10 среди которых есть и полезный эхосигнал.

В момент его обнаружения, т.е. через 1 мс от его начала, аналоговый ключ 17 запирается, в результате чего на выходе первого управляемого интегратора 18 остается напряжение, пропорциональное энергии полезного эхо-сигнала на его начальном участке длительностью 1 мс. Это напряжение сохраняется в течение времени существования всего полезного эхо-сигнала, а затем сбрасывается. Для запоминания измеренной энергии на необходимое время порядка нескольких секунд сигнал с выхода первого управляемого интегратора 18 поступает на вход цепи, состоящей из пикового детектора 19 и аналоговой ячейки памяти 20. Поскольку запись информации в аналоговую ячейку памяти 20 происходит с помощью герметического магнитоуправляемого контакта, надежное время срабатывания которого порядка 2-3 мс, то для подхватывания выходного напряжения первого управляемого интегратора 18 и служит пиковый детектор 19. Вместе с тем сам пиковый детектор 19 из-за утечек не может хранить информацию в течение нескольких секунд без искажения, поэтому вслед за ним и включена,аналоговая ячейка памяти 20 с герметическим магнитоуправляемым контактом для исключения утечек по входной цепи. Таким образом цель пикового детектора 19 состоит в обеспечении сохранения информации без искажения лишь на время надежного срабатывания герметического магнитоуправляемого контакта аналоговой ячейки памяти 20, т.е. в течение 2-3 мс. Срабатывание герметического контакта обеспечивается подачей на его управляющую катушку импульса необходимой длительности с выхода одновибратора 21, который запускается по сигналу обнаружения с выхода блока 11 обнаружения . . При этом в аналоговую ячейкупамяти 20 записывается информация,которая при подаче на вход регистратора-самописца 22 может сохраняться без искажения в течение нескольких десятков секунд, поскольку в. цепь разряда запоминающего конденсатора аналоговой ячейки памяти 20 включен затвор .полевого транзистора, и сопротивление этой цепи порядка сотен мегаом.

При поступлении следующего запускающего импульса с выхода генератора-синхронизатора 1 весь описанный цикл обработки повторяется.

Данное устройство в отличие от прототипа позволяет вести регистрацию грунтограммы перьевым самописцем, что исключает необходимость специальной обработки грунтограммы для визуализации записи и позволяет оперативно контролировать

характер донного грунта вдоль проходимого профиля дна акватории. Кроме того, в устройстве, исключена сложная линия задержки, что упрощает работу устройс- ва и повышает его

точность за счет отсутствия искажений ,« вносимых линией задержки при обработке сигнала.

Формула изобретения

Устройство для распознавания подводных грунтов, содержащее генератор-синхронизатор, соединенный с

5 излучателем, акустически связанным с приемником, подключенным к приемному тракту, блок обнаружения, вход которого связан с выходом приемного тракта, а выход соединен с входом

0 одновибратора, первый управляемый интегратор и регистратор, причем приемный тракт выполнен в виде последовательно соединенных согласующего каскада, блока программного уси5 ления, селектора отраженного сигнала, избирательного усилителя, детектора с фильтром нижних частот и амплитудного ограничителя минимального значения, блок обнаружения вы0 полней в виде последовательно диненных усилителя-ограничителя, второго управляемого интегратора, бесконтактного реле, а также триггера и логической схемы И, первый вход

с которой соединен с выходом бесконтактного реле, а второй - с выходом триггера, управляющий вход второго управляемого интегратора объединен с его основным входом, выход логической схемы И соединен с первым

входом триггера и является выходом блока обнаружения, второй вход .триггера объединен с управляющими входами блока программного усиления и селектора отраженного сигнала и

подключен к генератору-синхронизатору, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и повышения оперативности контроля регистрируемой информации путем

0 обеспечения возможности регистрации информации с помощью перьевых самописцев, в него введены аналоговый ключ, включенный в цепь, связывающую выход приемного тракта с осчов5 ным входом первого управляемого нитегратора, и последовательно соединенные пиксели детектор и аналоговая ячейка памяти, включенные в цепь, свяэывамцую выход первого управляемого интегратора с входом регистрато(а, причем управляющий вход аналогового ключа подключен к тходу триггера, управляющие входы первого и второго управляемых интеграторов объединены, вход сброса пикового детектора подключен к генераторусинхронизатору, а управляющий вход

аналоговой .йчейки памяти подключён к выходу однрвнбратора.

Источники информации, принятые во внимание при. экспертизе

1.Патент Франции t 2091959. . кл. G 01V 1/38, опублик. 1972.

2.Лргинов К.В. Гидроакустические поисковые приборы. М., Тран- . спорт, 1964, с. 54.

3.Авторское свидетельство СССР 826857, кл. G 01V 1/00, 1979 (прототип).