RU153907U1

RU153907U1 - ACOUSTIC PROFILOGRAPH

Info

Publication number: RU153907U1
Application number: RU2015110748/28U
Authority: RU
Inventors: Владилен Иосифович Каевицер; Александр Иванович Захаров; Илья Вячеславович Смольянинов
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Акустический профилограф, содержащий приемо-излучающую антенну, соединенную через переключатель прием/передача с первым выходом генераторного устройства и первым входом блока частотно-временной обработки, причем второй выход генераторного устройства соединен со вторым входом блока частотно-временной обработки, а его первый выход соединен с блоком разделения по времени эхо-сигналов, при этом первый выход блока разделения по времени эхо-сигналов соединен с блоком амплитудного анализа, его первый выход соединен с входом блока определения характеристик дна, а второй выход - с первым входом блока принятия решений, выход блока определения характеристик дна соединен с вторым входом блока принятия решений, а второй выход блока разделения по времени эхо-сигналов соединен с третьим входом блока принятия решений, четвертый вход блока принятия решений соединен с блоком эталонов, второй выход блока частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки спектрального анализа и анализа поглощения среды соединен с пятым входом блока принятия решений, а выход блока принятия решений соединен с входом блока подготовки данных фрагмента дна, к выходу которого присоединены внешние устройства, третий выход блока частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки выделения фазы, вычисления разности фаз и вычисления скорости звука соединен с шестым входом блока принятия решений, отличающийся тем, что в него добавлен блок разделения по времени и частоте эхо-сигнала, первый вход которого соединен со вторым выходом переключателя прием/передача, а второй вход с выходом генераторного устройAn acoustic profilograph comprising a receiving-emitting antenna connected via a receive / transmit switch to the first output of the generating device and the first input of the time-frequency processing unit, the second output of the generating device being connected to the second input of the time-frequency processing unit, and its first output connected to the echo signals time division block, wherein the first output of the echo signals time division block is connected to the amplitude analysis block, its first output is connected to the input of the block the bottom characteristics, and the second output is with the first input of the decision block, the output of the bottom characterization block is connected to the second input of the decision block, and the second output of the echo signal time division block is connected to the third input of the decision block, the fourth input of the decision block of solutions is connected to the block of standards, the second output of the time-frequency processing block through series-connected blocks of spectral analysis and analysis of absorption of the medium is connected to the fifth input of the decision block, and the output of the block decision making is connected to the input of the preparation unit of the bottom fragment data, to the output of which external devices are connected, the third output of the time-frequency processing unit through series-connected phase extraction, phase difference and sound velocity calculation units is connected to the sixth input of the decision making unit, characterized in that it added a block of separation by time and frequency of the echo signal, the first input of which is connected to the second output of the receive / transmit switch, and the second input with the output of the generator device

Description

Устройство относится к приборам дистанционного зондирования окружающей среды и может быть использовано для исследования шельфа мирового океана, в частности, изучения и картирования слоев придонных отложений. Устройство может работать в составе гидроакустических комплексов, предназначенных для геофизических исследований мирового океана.The device relates to instruments for remote sensing of the environment and can be used to study the shelf of the oceans, in particular, the study and mapping of layers of bottom sediments. The device can work as part of sonar systems designed for geophysical exploration of the oceans.

Известны акустические профилографы, предназначенные для получения данных о геоакустических характеристиках морского дна. К геоакустическим характеристикам относят данные о физико-механических характеристиках слоев и границах слоев, т.е. о толщине слоя и его очертаниях. Устройство состоит из антенны, переключателя прием/передача, генераторного устройства, блока разделения по времени, блока амплитудного анализа, блока принятия решения. Устройство не применяет когерентную обработку сигналов, что ухудшает характеристики прибора по точности и не позволяет использовать информацию о фазе сигнала для классификации слоев грунта. [Гидролокационные системы вертикального зондирования // Берник В.Р. и др. Новосибирск: изд. НГУ, 1992].Known acoustic profilographs designed to obtain data on the geoacoustic characteristics of the seabed. Geoacoustic characteristics include data on the physicomechanical characteristics of the layers and the boundaries of the layers, i.e. about the thickness of the layer and its outlines. The device consists of an antenna, a receive / transmit switch, a generator device, a time division block, an amplitude analysis block, and a decision block. The device does not use coherent signal processing, which affects the accuracy of the device and does not allow the use of information about the phase of the signal to classify soil layers. [Sonar systems of vertical sounding // Bernik V.R. et al. Novosibirsk: ed. NSU, 1992].

Известно устройство «Акустический профилограф», содержащее приемо-излучающую антенну, соединенную через переключатель прием/передача с первым выходом генераторного устройства и первым входом блока частотно-временной обработки, причем второй выход генераторного устройства соединен со вторым входом блока частотно-временной обработки, а его первый выход соединен с блоком разделения по времени эхо-сигналов, при этом первый выход блока разделения по времени эхо-сигналов соединен с блоком амплитудного анализа, его первый выход соединен с входом блока определения характеристик дна, а второй выход с первым входом блока принятия решений, выход блока определения характеристик дна соединен с вторым входом блока принятия решений, а второй выход блока разделения по времени эхо-сигналов соединен с третьим входом блока принятия решений, четвертый вход блока принятия решений соединен с блоком эталонов, второй выход блока частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки спектрального анализа и анализа поглощения среды соединен с пятым входом блока принятия решений, а выход блока принятия решений соединен с входом блока подготовки данных фрагмента дна, к выходу которого присоединены внешние устройства, третий выход блока частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки выделения фазы, вычисления разности фаз и вычисления скорости звука соединен с шестым входом блока принятия решений. [Патент на полезную модель №60204, «Акустический профилограф»]. Данное устройство не использует информацию о частотной зависимости скорости акустической волны в зондируемых слоях, для классификации осадочных слоев грунта.A device "Acoustic profiler" containing a receiving-emitting antenna connected via a receive / transmit switch to the first output of the generating device and the first input of the time-frequency processing unit, the second output of the generating device is connected to the second input of the time-frequency processing unit, and its the first output is connected to the echo signal time division block, while the first output of the echo signal time division block is connected to the amplitude analysis unit, its first output is connected to the input of the bottom characterization unit, and the second output with the first input of the decision making unit, the output of the bottom characterization unit is connected to the second input of the decision unit, and the second output of the echo signal time division block is connected to the third input of the decision unit, the fourth input of the unit decision making is connected to the block of standards, the second output of the time-frequency processing block through series-connected blocks of spectral analysis and analysis of absorption of the medium is connected to the fifth input of the decision block p solutions, and the decision block output is connected to the input of the bottom fragment data preparation unit, to the output of which external devices are connected, the third output of the time-frequency processing unit through series-connected phase separation units, phase difference calculation and sound velocity calculation is connected to the sixth input of the decision unit decisions. [Utility Model Patent No. 60204, “Acoustic Profiler”]. This device does not use information about the frequency dependence of the speed of the acoustic wave in the probed layers to classify sedimentary layers of the soil.

Технической задачей, решаемой в предложенном устройстве, является получение новых признаков классификации слоев морского грунта за счет применения двухчастотной когерентной обработки эхо-сигналов.The technical problem solved in the proposed device is to obtain new signs of the classification of layers of sea soil through the use of two-frequency coherent processing of echo signals.

Технический результат заключается в повышении точности классификации морского грунта за счет появления новых признаков классификации грунта, извлекаемых из информации о дисперсии разности фаз между высокочастотной и низкочастотной составляющей эхо-сигнала.The technical result consists in increasing the accuracy of classification of sea soil due to the emergence of new signs of soil classification, extracted from information about the dispersion of the phase difference between the high-frequency and low-frequency components of the echo signal.

Для решения этой задачи в известный акустический профилограф добавляется блок разделения по времени и частоте эхо-сигнала, первый вход которого соединен с вторым выходом переключателя прием/передача, а второй вход с выходом генераторного устройства, первый выход блока разделения по времени и частоте эхо-сигнала соединен с блоком выделения фазы высокочастотного сигнала, а второй выход блока разделения по времени и частоте эхо-сигнала соединен с входом блока выделения фазы низкочастотного сигнала, при этом выходы блоков выделения фазы высокочастотного и низкочастотного сигналов соединены с первым и вторым входами блока вычисления дисперсии разности фаз, выход блока вычисления дисперсии разности фаз соединен с вторым входом блока вычисления скорости звука.To solve this problem, a separation unit for time and frequency of the echo signal is added to the known acoustic profiler, the first input of which is connected to the second output of the receive / transmit switch, and the second input with the output of the generator device, the first output of the separation unit for time and frequency of the echo signal connected to the phase separation unit of the high-frequency signal, and the second output of the time and frequency separation unit of the echo signal is connected to the input of the phase separation unit of the low-frequency signal, while the outputs of the phase separation units in sokochastotnogo and low frequency signals are connected to first and second inputs of the phase difference calculation unit variance, variance of the phase difference calculation unit output is connected to a second input of the computing speed of sound.

Устройство изображено на фиг. 1 и содержит приемо-излучающую антенну 1, переключатель прием/передача 2, генераторное устройство 3, блок 4 частотно-временной обработки, блок 5 разделения по времени эхо-сигналов, блок 6 амплитудного анализа, блок 7 определения характеристик дна, блок 8 принятия решений, блок 9 эталонов, блок 10 спектрального анализа, блок 11 анализа поглощения среды, блок 12 подготовки данных фрагмента дна, блок 13 выделения фазы, блок 14 вычисления разности фаз, блок 15 вычисления скорости звука, блок 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала, блок 17 выделения фазы высокочастотного сигнала, блок 18 вычисления фазы низкочастотного сигнала, блок 19 вычисления дисперсии разности фаз. Приемо-излучающая антенна 1 является входом устройства, выход приемо-излучающей антенны соединен через переключатель прием/передача 2 с первым выходом генераторного устройства 3 и первым входом блока 4 частотно-временной обработки, причем второй выход генераторного устройства 3 соединен со вторым входом блока 4 частотно-временной обработки, а его первый выход соединен с блоком 5 разделения по времени эхо-сигналов, при этом первый выход блока 5 разделения по времени эхо-сигналов соединен с блоком 6 амплитудного анализа, его первый выход соединен с входом блока 7 определения характеристик дна, а второй выход с первым входом блока 8 принятия решений, выход блока 7 определения характеристик дна соединен с вторым входом блока 8 принятия решений, а второй выход блока 5 разделения по времени эхо-сигналов соединен с третьим входом блока 8 принятия решений, четвертый вход блока 8 принятия решений соединен с блоком 9 эталонов, второй выход блока 4 частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки 10 спектрального анализа и 11 анализа поглощения среды соединен с пятым входом блока 8 принятия решений, а выход блока 8 принятия решений соединен с входом блока 12 подготовки данных фрагмента дна, к выходу которого присоединены внешние устройства, третий выход блока 4 частотно-временной обработки через последовательно соединенные блоки 13 выделения фазы, 14 вычисления разности фаз и 15 вычисления скорости звука соединен с шестым входом блока 8 принятия решений, первый вход блока 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала соединен со вторым выходом переключателя прием/передача 2, а второй вход с выходом генераторного устройства 3, первый выход блока 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала соединен с блоком 17 выделения фазы высокочастотного сигнала, а второй выход блока 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала соединен с входом блока 18 выделения фазы низкочастотного сигнала, при этом выходы блоков выделения фазы высокочастотного и низкочастотного сигналов соединены с первым и вторым входами блока 19 вычисления дисперсии разности фаз, выход блока 19 вычисления дисперсии разности фаз соединен с вторым входом блока 15 вычисления скорости звука.The device is depicted in FIG. 1 and comprises a receive-emitting antenna 1, a receive / transmit switch 2, a generating device 3, a time-frequency processing unit 4, an echo signal time division unit 5, an amplitude analysis unit 6, a bottom characteristics determining unit 7, a decision making unit 8 , block 9 standards, block 10 spectral analysis, block 11 analysis of the absorption of the medium, block 12 preparing data of the bottom fragment, block 13 phase separation, block 14 calculating the phase difference, block 15 calculating the speed of sound, block 16 separation of time and frequency of the echo signal block phase selection 17 high-frequency signal, the phase calculation unit 18, the baseband signal, the unit 19 calculating a phase difference variance. The receive-emitting antenna 1 is the input of the device, the output of the receive-emitting antenna is connected via a receive / transmit switch 2 to the first output of the generating device 3 and the first input of the time-frequency processing unit 4, the second output of the generating device 3 being connected to the second input of the unit 4 in frequency -time processing, and its first output is connected to the echo signals time division block 5, while the first output of the echo signals time division block 5 is connected to the amplitude analysis block 6, its first output is connected nen with the input of the bottom characteristics determining unit 7, and the second output with the first input of the decision making unit 8, the output of the bottom characteristics determining unit 7 is connected to the second input of the decision making unit 8, and the second output of the echo signals time division block 5 is connected to the third input decision block 8, the fourth input of decision block 8 is connected to block 9 of standards, the second output of block 4 of the time-frequency processing through series-connected blocks 10 of spectral analysis and 11 analysis of absorption of the medium is connected to the fifth input ohm of decision block 8, and the output of decision block 8 is connected to the input of the bottom fragment data preparation block 12, to the output of which external devices are connected, the third output of the time-frequency processing unit 4 through phase-connected phase isolation blocks 13, phase difference calculation 14, and 15, the sound velocity calculation is connected to the sixth input of the decision block 8, the first input of the time and frequency separation unit 16 is connected to the second output of the receive / transmit switch 2, and the second input to the output of the generator about device 3, the first output of the time and frequency separation unit 16 of the echo signal is connected to the high-frequency signal phase separation unit 17, and the second output of the time and frequency separation unit 16 of the echo signal is connected to the input of the low-frequency phase separation unit 18, while the outputs of the phase separation blocks of the high-frequency and low-frequency signals are connected to the first and second inputs of the phase difference dispersion calculation unit 19, the output of the phase difference dispersion calculation unit 19 is connected to the second input of the sound velocity calculation unit 15.

Устройство работает следующим образом. Приемо-излучающая антенна 1 излучает зондирующий сигнал. Отраженный от морского дна эхо-сигнал, через антенну 1 и переключатель прием/передача 2, управляемый от генераторного устройства 3, поступает на блок 4 частотно-временной обработки эхо-сигнала. Блок 4 частотно временной обработки эхо-сигнала осуществляет согласованную фильтрацию сигнала, используя опорные сигналы от генераторного устройства 3. С первого выхода блока 4 частотно-временной обработки эхо-сигнала, сигнал поступает на блок 5 разделения по времени, где эхо-сигнал синхронизируется с моментом излучения зондирующего сигнала, результат синхронизации поступает на блок 6 амплитудного анализа и блок 8 принятия решения. Блок 6 амплитудного анализа вычисляет амплитуду сигнала для последующего использования в блоке 7 определения характеристик дна и блоке 8 принятия решений. Результаты определения характеристик дна поступают на блок 8 принятия решений. Со второго выхода блока 4 частотно-временной обработки сигнал поступает на блок 10 спектрального анализа, где получают зависимость интенсивности эхо-сигнала от частоты. С выхода блока 10 спектрального анализа информация поступает на блок 11 анализа поглощений среды, где производится анализ поглощения сигнала в зависимости от частоты. Результаты анализа поглощений поступают на блок 8 принятия решений. С третьего выхода блока 4 частотно-временной обработки сигнал поступает на блок 13 выделения фазы, где вычисляется фаза эхо-сигнала. Информация о фазе сигнала поступает на блок 14 вычисления разности фаз, где вычисляется разность фаз между соседними отсчетами сигнала. Данные от вычислителя разности фаз используются в блоке 15 вычисления скорости звука для определения скорости звука в слоях грунта. Информация о распределении скорости звука в грунте поступает на блок 8 принятии решений. Со второго выхода переключателя прием/передача 2 сигнал поступает на блок 16 разделения по времени и частоте, где эхо-сигнал проходит согласованную фильтрацию на низкой и высокой частоте своего спектра и разделяется по частоте и времени, при этом используются опорные сигналы с генераторного устройства 3. С первого выхода блока 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала, сигнал поступает на вход блока 17 выделения фазы высокочастотного сигнала, где вычисляется фаза высокочастотной составляющей эхо-сигнала. Со второго выхода блока 16 разделения по времени и частоте эхо-сигнала, сигнал поступает на вход блока 18 выделения фазы низкочастотного сигнала, где вычисляется фаза низкочастотной составляющей эхо-сигнала. Сигналы с выходов блоков 17 выделения фазы высокочастотного и 18 низкочастотного сигналов поступают на первый и второй вход блока 19 вычисления дисперсии разности фаз, где происходит вычисление приращения разности фаз между высокочастотной и низкочастотной составляющими эхо-сигнала. С выхода блока 19 вычисления дисперсии разности фаз информация поступает на блок 15 вычисления скорости звука, где она используется вместе с информацией от блока 14 вычисления разности фаз для вычисления скорости звука в грунте.The device operates as follows. The receiving-emitting antenna 1 emits a probing signal. The echo signal reflected from the seabed through the antenna 1 and the receive / transmit switch 2, controlled from the generating device 3, is fed to the time-frequency processing unit 4 of the echo signal. Block 4 of the frequency-time processing of the echo signal performs a coordinated filtering of the signal using the reference signals from the generating device 3. From the first output of the block 4 of the frequency-time processing of the echo signal, the signal is sent to the time-division block 5, where the echo signal is synchronized with the moment radiation of the probe signal, the synchronization result is sent to the amplitude analysis unit 6 and the decision making unit 8. Block 6 amplitude analysis calculates the amplitude of the signal for subsequent use in block 7 determining the characteristics of the bottom and block 8 decision-making. The results of determining the characteristics of the bottom go to block 8 decision-making. From the second output of the time-frequency processing unit 4, the signal enters the spectral analysis unit 10, where the dependence of the echo intensity on the frequency is obtained. From the output of the block 10 of the spectral analysis, the information goes to the block 11 analysis of the absorption of the medium, where the analysis of signal absorption depending on the frequency. The results of the analysis of the acquisitions are sent to decision block 8. From the third output of the time-frequency processing unit 4, the signal is supplied to the phase separation unit 13, where the phase of the echo signal is calculated. Information about the phase of the signal is supplied to the phase difference calculation unit 14, where the phase difference between adjacent signal samples is calculated. Data from the phase difference calculator is used in the unit 15 for calculating the speed of sound to determine the speed of sound in the soil layers. Information about the distribution of the speed of sound in the soil goes to block 8 decision-making. From the second output of the receive / transmit switch 2, the signal is supplied to the time and frequency separation unit 16, where the echo passes matched filtering at the low and high frequencies of its spectrum and is divided by frequency and time, using reference signals from the generator device 3. From the first output of the time and frequency separation unit 16 of the echo signal, the signal is fed to the input of the high-frequency signal phase separation unit 17, where the phase of the high-frequency component of the echo signal is calculated. From the second output of the time and frequency separation unit 16 of the echo signal, the signal is fed to the input of the low-frequency signal phase separation unit 18, where the phase of the low-frequency component of the echo signal is calculated. The signals from the outputs of the phase separation blocks 17 of the high-frequency and 18 low-frequency signals are fed to the first and second input of the phase difference dispersion calculation unit 19, where the increment of the phase difference between the high-frequency and low-frequency components of the echo signal is calculated. From the output of the phase difference dispersion calculating unit 19, the information goes to the sound velocity calculating unit 15, where it is used together with the information from the phase difference calculating unit 14 to calculate the sound velocity in the ground.

При использовании предложенного устройства по сравнению с прототипом достигается технический результат, заключающийся в повышении точности классификации морского грунта за счет появления новых признаков классификации грунта, извлекаемых из информации о дисперсии разности фаз между высокочастотной и низкочастотной составляющей эхо-сигнала.When using the proposed device in comparison with the prototype, a technical result is achieved consisting in increasing the accuracy of classification of sea soil due to the appearance of new signs of soil classification, extracted from information about the dispersion of the phase difference between the high-frequency and low-frequency components of the echo signal.

Claims

An acoustic profilograph comprising a receiving-emitting antenna connected via a receive / transmit switch to the first output of the generating device and the first input of the time-frequency processing unit, the second output of the generating device being connected to the second input of the time-frequency processing unit, and its first output connected to the echo signals time division block, wherein the first output of the echo signals time division block is connected to the amplitude analysis block, its first output is connected to the input of the block the bottom characteristics, and the second output is with the first input of the decision block, the output of the bottom characterization block is connected to the second input of the decision block, and the second output of the echo signal time division block is connected to the third input of the decision block, the fourth input of the decision block of solutions is connected to the block of standards, the second output of the time-frequency processing block through series-connected blocks of spectral analysis and analysis of absorption of the medium is connected to the fifth input of the decision block, and the output of the block decision making is connected to the input of the preparation unit of the bottom fragment data, to the output of which external devices are connected, the third output of the time-frequency processing unit through series-connected phase extraction, phase difference and sound velocity calculation units is connected to the sixth input of the decision making unit, characterized in that it added a block of separation by time and frequency of the echo signal, the first input of which is connected to the second output of the receive / transmit switch, and the second input with the output of the generator device In fact, the first output of the time and frequency separation unit of the echo signal is connected to the high-frequency signal phase separation unit, and the second output of the time and frequency separation unit of the echo signal is connected to the input of the low-frequency signal phase separation unit, while the outputs of the high-frequency and phase separation blocks low-frequency signals are connected to the first and second inputs of the phase difference dispersion calculation unit, and the output of the phase difference dispersion calculation unit is connected to the second input of the sound velocity calculation unit.