RU2655711C1

RU2655711C1 - Acoustic sonar

Info

Publication number: RU2655711C1
Application number: RU2017122693A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Максименко
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2018-05-29

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to acoustic echolocation systems for subsurface sounding and can be used to detect local inhomogeneities in an acoustically transparent medium. Device comprises a video impulse generator, a radio impulse generator connected to it, an emitting acoustoelectric transducer, first receiving acoustoelectric transducer connected to a first receiver unit, a first time interval determining unit, first input of which is connected to an output of the video impulse generator, and a second input is connected to an output of the first receiver unit, as well as a second receiver unit and a second time interval determining unit, first input of which is connected to an output of the second receiver unit, and information outputs of the first and second time interval determining units are connected to a computing unit which output is connected to an indicating unit, second and third receiving acoustoelectric transducers, a third receiver unit, a coincidence circuit, a control unit, and a third time interval determining unit are introduced, wherein the emitting acoustoelectric transducer is connected to an output of the radio impulse generator, second and third receiving acoustoelectric transducers are connected respectively to an input of the second and third receiver units, first input of the third time interval detecting unit is connected to an output of the third receiver unit, its second input is connected to the output of the first receiver unit, as well as to the second input of the first and second time interval determining units, and the information output is connected to the computing unit, control outputs of the first, second and third time interval determining units are connected to the inputs of the coincidence circuit which output is connected to a control input of the computing unit, and an output of the control unit is connected to control inputs of the first, second and third time interval determining units and to a control input of the video impulse generator. Achieved technical result is provided by the use of three reception channels and the correlation processing of the received reflected impulses. It allows to determine the spatial coordinates of the inhomogeneity, reduce the effect on the result of measuring the coordinates of the shape of an object being located and the presence of small inhomogeneities in the medium.

EFFECT: technical problem to be solved is to increase the reliability and accuracy of determining the location of the inhomogeneity.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустическим эхолокационным системам подповерхностного зондирования и может быть использовано для обнаружения локальных неоднородностей в акустически прозрачной среде, в частности, для акустической локации подповерхностного слоя грунта, в гидроакустике, диагностической медицине, для поиска предметов на дне водоема.The invention relates to acoustic echolocation systems of subsurface sounding and can be used to detect local heterogeneities in an acoustically transparent medium, in particular, for acoustic location of a subsurface soil layer, in hydroacoustics, diagnostic medicine, to search for objects at the bottom of a reservoir.

Известен акустический эхолокатор [патент РФ на изобретение №2346295, М. кл. G01S 15/06, опубл. 10.02.2009, Бюл. №4], предназначенный для обнаружения объектов в океане на большой глубине. Он содержит излучающий и приемный акустоэлектрические преобразователи, генератор радиоимпульсов, генератор видеоимпульсов, блок измерения времени задержки эхо-сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала, блок вычисления угла прихода отраженного сигнала в вертикальной плоскости и блок определения глубины объекта.Known acoustic sonar [RF patent for the invention No. 2346295, M. cl. G01S 15/06, publ. 02/10/2009, bull. No. 4], designed to detect objects in the ocean at great depths. It contains emitting and receiving acoustoelectric converters, a radio pulse generator, a video pulse generator, a unit for measuring the delay time of the echo signal relative to the moment of emission of the probe signal, a unit for calculating the angle of arrival of the reflected signal in the vertical plane, and a unit for determining the depth of the object.

Известное устройство имеет следующие недостатки. Оно может применяться только в море при нахождении объекта на большой глубине. Вычисления всех координат объекта оно не производит. При нахождении между объектом и эхолокатором большого количества рыбы обнаружение объекта становится недостоверным.The known device has the following disadvantages. It can be used only at sea when the object is at a great depth. It does not calculate all the coordinates of the object. When there is a large number of fish between the object and the sonar, the detection of the object becomes unreliable.

Известен акустический эхолокатор [патент РФ на изобретение №2433423, МКИ G01S 15/06, опубл. 10.121.2011, Бюл. №31], предназначенный для определения двух координат локальных неоднородностей в подповерхностном слое грунта. По наибольшему числу совпадающих признаков это устройство принято за прототип. Прототип содержит генератор видеоимпульсов, соединенный с генератором радиоимпульсов, приемно-излучающий акустоэлектрический преобразователь, приемный акустоэлектрический преобразователь, первый и второй приемные блоки, включающие в себя последовательно соединенные усилитель и амплитудный детектор, антенный коммутатор, осуществляющий подключение приемно-излучающего акустоэлектрического преобразователя к генератору радиоимпульсов или к первому приемному блоку, при этом приемный акустоэлектрический преобразователь подключен ко второму приемному блоку. Выход первого и второго приемных блоков подключен соответственно к первому и второму блокам определения времени задержки эхосигнала относительно излученного импульса, на которые также поступают импульсы с генератора видеоимпульсов. Выходы первого и второго блоков измерения времени задержки подключены к вычислительному блоку, осуществляющему обработку выходных сигналов блоков измерения времени задержки, а его выход подключен к блоку индикации.Known acoustic sonar [RF patent for the invention No. 2433423, MKI G01S 15/06, publ. 10.121.2011, Bull. No. 31], designed to determine the two coordinates of local inhomogeneities in the subsurface soil layer. By the largest number of matching features, this device is taken as a prototype. The prototype comprises a video pulse generator connected to a radio pulse generator, a receiving and emitting acoustoelectric converter, a receiving acoustoelectric converter, first and second receiving blocks including a series-connected amplifier and an amplitude detector, an antenna switch that connects the receiving and emitting acoustoelectric converter to a radio pulse generator or to the first receiving unit, while the receiving acoustoelectric transducer is connected to a second receiving unit. The output of the first and second receiving blocks is connected respectively to the first and second blocks for determining the delay time of the echo signal relative to the emitted pulse, which also receives pulses from the generator of video pulses. The outputs of the first and second delay time measurement units are connected to a computing unit that processes the output signals of the delay time measurement units, and its output is connected to an indication unit.

К недостаткам прототипа следует отнести, во-первых, неполное определение координат объекта (только две из трех), во-вторых, низкую достоверность определения координат цели, поскольку при их вычислении могут быть использованы эхосигналы, отраженные разными объектами, которых, например, в подповерхностном слое грунта достаточно много (камни разного размера, обломки металла). Недостатком прототипа также является недостаточная точность определения координат объекта, поскольку вследствие искажения огибающей зондирующего акустического импульса при отражении от объекта сложной формы и переотражений акустической волны от мелких неоднородностей невозможно с высокой точностью определить время задержки отраженного импульса.The disadvantages of the prototype include, firstly, the incomplete determination of the coordinates of the object (only two out of three), and secondly, the low reliability of determining the coordinates of the target, since in their calculation echo signals reflected by different objects, which, for example, in the subsurface, can be used there is a lot of soil (stones of different sizes, metal fragments). The disadvantage of the prototype is also the lack of accuracy in determining the coordinates of the object, because due to distortion of the envelope of the probe acoustic pulse during reflection from the object of complex shape and re-reflections of the acoustic wave from small inhomogeneities, it is impossible to determine the delay time of the reflected pulse with high accuracy.

Техническая задача, решаемая в заявленном устройстве, состоит в повышении достоверности и точности определения места расположения неоднородности.The technical problem solved in the claimed device is to increase the reliability and accuracy of determining the location of heterogeneity.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор видеоимпульсов, соединенный с ним генератор радиоимпульсов, излучающий акустоэлектрический преобразователь, первый приемный акустоэлектрический преобразователь, соединенный с первым приемным блоком, первый блок определения интервала времени, первый вход которого подключен к выходу генератора видеоимпульсов, а второй вход - к выходу первого приемного блока, а также второй приемный блок и второй блок определения интервала времени, первый вход которого подключен к выходу второго приемного блока, а информационные выходы первого и второго блоков определения интервала времени подключены к вычислительному блоку, чей выход соединен с блоком индикации, введены второй и третий приемные акустоэлектрические преобразователи, третий приемный блок, схема совпадений, блок управления, а также третий блок определения интервала времени, при этом излучающий акустоэлектрический преобразователь подключен к выходу генератора радиоимпульсов, второй и третий приемные акустоэлектрические преобразователи подключены соответственно ко входу второго и третьего приемных блоков, первый вход третьего блока определения интервала времени соединен с выходом третьего приемного блока, второй его вход соединен с выходом первого приемного блока, а также со вторым входом первого и второго блоков определения интервала времени, а информационный выход подключен к вычислительному блоку, управляющие выходы первого, второго и третьего блоков определения интервала времени соединены с входами схемы совпадений, чей выход соединен с управляющим входом вычислительного блока, а выход блока управления соединен с управляющими входами первого, второго и третьего блоков определения интервала времени и с управляющим входом генератора видеоимпульсов.The stated technical problem is solved in that in a device containing a video pulse generator, a radio pulse generator connected to it, a radiating acoustoelectric converter, a first receiving acoustoelectric converter connected to a first receiving unit, a first time interval determining unit, the first input of which is connected to the output of the video pulse generator, and the second input to the output of the first receiving unit, as well as the second receiving unit and the second unit for determining the time interval, the first input of which connected to the output of the second receiving unit, and the information outputs of the first and second time interval determination units are connected to a computing unit whose output is connected to the indicating unit, the second and third receiving acoustoelectric transducers, the third receiving unit, the coincidence circuit, the control unit, and the third a time interval determining unit, wherein the emitting acoustoelectric converter is connected to the output of the radio pulse generator, the second and third receiving acoustoelectric converters if they are connected respectively to the input of the second and third receiving units, the first input of the third time interval determination unit is connected to the output of the third receiving unit, its second input is connected to the output of the first receiving unit, as well as to the second input of the first and second time interval determination units, and the information the output is connected to the computing unit, the control outputs of the first, second and third time interval determination units are connected to the inputs of the coincidence circuit, whose output is connected to the control input in a computational unit, and the output of the control unit is connected to the control inputs of the first, second, and third time interval determination units and to the control input of the video pulse generator.

Первый, второй и третий блоки определения интервала времени идентичны. Блок определения интервала времени содержит управляемую линию задержки, неуправляемую линию задержки, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, первый и второй пиковые детекторы, компаратор и генератор линейно изменяющегося напряжения, при этом первый вход блока определения интервала времени через управляемую линию задержки соединен с первым входом первого перемножителя, второй вход блока определения интервала времени соединен со вторым входом первого и второго перемножителей, первый вход второго перемножителя через неуправляемую линию задержки соединен с выходом управляемой линии задержки, выход первого перемножителя через последовательно соединенные первый интегратор и первый пиковый детектор подключен к первому входу компаратора, а выход второго перемножителя через последовательно соединенные второй интегратор и второй пиковый детектор подключен ко второму входу компаратора, выход которого является управляющим выходом блока определения интервала времени и подключен к первому управляющему входу генератора линейно изменяющегося напряжения, чей второй управляющий вход является управляющим входом блока определения интервала времени, а выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с управляющим входом управляемой линии задержки и является информационным выходом блока определения интервала времени.The first, second, and third blocks for determining the time interval are identical. The time interval determination unit comprises a controlled delay line, an uncontrolled delay line, the first and second multipliers, first and second peak detectors, a comparator and a ramp generator, while the first input of the time interval determination unit is connected via a controlled delay line to the first input of the first multiplier, the second input of the time interval determination unit is connected to the second input of the first and second multipliers, the first input of the second multiplier is black Without an uncontrolled delay line, it is connected to the output of the controlled delay line, the output of the first multiplier is connected through the first integrator and the first peak detector to the first input of the comparator, and the output of the second multiplier is connected through the second integrator and the second peak detector in series to the second input of the comparator, the output of which is the control output of the time interval determination unit and is connected to the first control input of the linearly varying voltage generator whose second control input is the control input of the time interval determination unit, and the output of the ramp generator is connected to the control input of the controlled delay line and is the information output of the time interval determination unit.

При этом излучающий акустоэлектрический преобразователь и приемные акустоэлектрические преобразователи расположены на поверхности раздела сред по углам прямоугольника так, что излучающий и первый приемный акустоэлектрические преобразователи расположены на противоположных концах его диагонали.In this case, the emitting acoustoelectric transducer and the receiving acoustoelectric transducers are located on the media interface at the corners of the rectangle so that the emitting and the first receiving acoustoelectric transducers are located at opposite ends of its diagonal.

Блок-схема акустического эхолокатора изображена на фиг. 1. Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 видеоимпульсов, генератор 2 радиоимпульсов, излучающий акустоэлектрический преобразователь 3, идентичные первый 4, второй 5 и третий 6 приемные акустоэлектрические преобразователи, первый 7, второй 8 и третий 9 приемные блоки, а также первый 10, второй 11 и третий 12 блоки определения интервала времени, информационные выходы которых соединены с входами вычислительного блока 13, выход которого соединен с блоком 14 индикации, при этом выход первого 7 приемного блока соединен со вторым входом первого 10, второго 11 и третьего 12 блоков определения интервала времени, выход второго 8 приемного блока соединен с первым входом второго 11 блока определения интервала времени, выход третьего 9 приемного блока соединен с первым входом третьего 12 блока определения интервала времени, первый вход первого 10 блока определения интервала времени соединен с выходом генератора 1 видеоимпульсов, чей управляющий вход соединен с выходом блока 15 управления и с управляющими входами первого 10, второго 11 и третьего 12 блоков определения интервала времени, управляющие выходы которых соединены с входами схемы совпадений 16, чей выход соединен с управляющим входом вычислительного блока 13.A block diagram of an acoustic sonar is shown in FIG. 1. The device contains a series-connected video pulse generator 1, radio pulse generator 2, emitting an acoustoelectric transducer 3, identical first 4, second 5 and third 6 receiving acoustoelectric converters, first 7, second 8 and third 9 receiving blocks, as well as first 10, second 11 and the third 12 time interval determination units, the information outputs of which are connected to the inputs of the computing unit 13, the output of which is connected to the indication unit 14, while the output of the first 7 receiving unit is connected to the second input the house of the first 10, second 11 and third 12 blocks for determining the time interval, the output of the second 8 receiving block is connected to the first input of the second 11 block for determining the time interval, the output of the third 9 receiving block is connected to the first input of the third 12 block for determining the time interval, the first input of the first 10 the time interval determination unit is connected to the output of the video pulse generator 1, whose control input is connected to the output of the control unit 15 and to the control inputs of the first 10, second 11 and third 12 time interval determination units audio, control outputs are connected to inputs of the coincidence circuit 16 whose output is connected to the control input of the computing unit 13.

Блок определения интервалов времени 10, 11 и 12 содержит управляемую линию задержки 17, неуправляемую линию задержки 18, первый 19 и второй 20 перемножители, первый 21 и второй 22 интеграторы, первый 23 и второй 24 пиковые детекторы, компаратор 25 и генератор 26 линейно изменяющегося напряжения, при этом первый вход блока определения интервала времени через управляемую линию задержки 17 соединен с первым входом первого перемножителя 19, второй вход блока определения интервала времени соединен со вторым входом первого 19 и второго 20 перемножителей, первый вход второго перемножителя 20 через неуправляемую линию задержки 18 соединен с выходом управляемой линии задержки 17, выходы первого 19 и второго 20 перемножителей через последовательно соединенные соответственно первый 21 и второй 22 интеграторы и первый 23 и второй 24 пиковые детекторы подключены к первому и второму входам компаратора 25, выход которого является управляющим выходом блока определения интервала времени и подключен к первому управляющему входу генератора 26 линейно изменяющегося напряжения, чей второй управляющий вход является управляющим входом блока определения интервала времени и соединен с выходом блока управления 15, а выход генератора 26 линейно изменяющегося напряжения соединен с управляющим входом управляемой линии задержки 17 и является информационным выходом блока определения интервала времени.The unit for determining the time intervals 10, 11 and 12 contains a controlled delay line 17, an uncontrolled delay line 18, the first 19 and second 20 multipliers, the first 21 and second 22 integrators, the first 23 and second 24 peak detectors, a comparator 25 and a ramp generator 26 wherein the first input of the time interval determination unit through the controlled delay line 17 is connected to the first input of the first multiplier 19, the second input of the time interval determination unit is connected to the second input of the first 19 and second 20 multipliers, the first the input of the second multiplier 20 through an uncontrolled delay line 18 is connected to the output of the controlled delay line 17, the outputs of the first 19 and second 20 multipliers through the first 21 and second 22 integrators respectively connected in series and the first 23 and second 24 peak detectors are connected to the first and second inputs of the comparator 25 whose output is the control output of the time interval determination unit and is connected to the first control input of the ramp generator 26, whose second control input is directs input of determining the time interval and connected to the output of the control unit 15, and the output of the generator 26 linearly varying voltage coupled to the control input of the controllable delay line 17 and a data output unit determining the time interval.

Излучающий акустоэлектрический преобразователь 3 (излучатель) и приемные акустоэлектрические преобразователи 4, 5, 6 расположены на горизонтальной поверхности раздела сред (воздух и грунт) по углам прямоугольника со сторонами

и

где

- расстояние от излучателя 3 до приемного преобразователя 6,

- расстояние от излучателя 3 до приемного преобразователя 5. Искомый объект находится в нижней среде в точке с координатами x, y, z в ортогональной системе координат, начало которой совпадает с точкой расположения излучателя 3, ось х соответствует направлению от излучателя 3 на приемный акустоэлектрический преобразователь 6, ось у - направлению от излучателя 3 на приемный акустоэлектрический преобразователь 5, а ось z направлена вертикально вниз. Излученная преобразователем 3 акустическая волна распространяется в нижней среде и отражается от искомого объекта. Время задержки t₁, t₂, t₃ отраженного импульса при распространении соответственно до приемных преобразователей 5, 4, 6 относительно излученного импульса определяется системой уравненийThe emitting acoustoelectric transducer 3 (emitter) and the receiving acoustoelectric transducers 4, 5, 6 are located on the horizontal interface of the media (air and soil) at the corners of the rectangle with the sides

and

Where

- the distance from the emitter 3 to the receiving transducer 6,

- the distance from the emitter 3 to the receiving transducer 5. The desired object is located in the lower medium at a point with coordinates x, y, z in the orthogonal coordinate system, the origin of which coincides with the location of the emitter 3, the x axis corresponds to the direction from the emitter 3 to the receiving acoustoelectric transducer 6, the y axis is the direction from the emitter 3 to the receiving acoustoelectric transducer 5, and the z axis is directed vertically downward. The acoustic wave emitted by the transducer 3 propagates in the lower medium and is reflected from the desired object. The delay time t ₁ , t ₂ , t _{3 of the} reflected pulse during propagation, respectively, to the receiving transducers 5, 4, 6 relative to the emitted pulse is determined by the system of equations

где ν - скорость распространения акустической волны. Исходя из геометрии расположения приемных акустоэлектрических преобразователей, время задержки t₂ является наибольшим.where ν is the acoustic wave propagation velocity. Based on the geometry of the location of the receiving acoustoelectric transducers, the delay time t ₂ is the largest.

При прохождении сквозь среду и отражении от объекта огибающая акустического импульса деформируется. Это происходит потому, что в среде находятся мелкие неоднородности, вызывающие затухание, рассеяние и переотражение волны. Также сложная форма объекта является причиной деформации огибающей. В результате огибающая акустического импульса, приходящего на разные приемники, различна. Определение времени задержки вызывает трудности, так как определение момента прихода импульса становится неопределенным. В заявленном устройстве время t₂ прихода на первый приемный акустоэлектрический преобразователь 4 отраженного импульса определяется по максимуму взаимно корреляционной функции огибающей излучаемого и принимаемого преобразователем 4 импульсов. Вместо непосредственного измерения времени t₁, t₃ измеряется разность τ₁=t₂-t₁ и τ₂=t₂-t₃. Для повышения точности и достоверности измерения определяется функция взаимной корреляции импульсов, полученных приемными преобразователями 4 и 5, а также 4 и 6. Временное положение максимума этой функции соответствует задержке τ₁ и τ₂ импульса, принятого преобразователем 4, относительно импульсов, принятых преобразователями 5 и 6. При этом в наибольшей степени учитываются особенности деформации огибающей при отражении от искомого объекта и усредняются все фоновые переотражения от мелких неоднородностей. Корреляционная обработка при определении интервалов времени дает уверенность, что импульсы на выходах приемных блоков 7, 8 и 9 принадлежат одному объекту локации, а не разным. Для правильной работы излучатель 3 должен иметь достаточно узкую диаграмму направленности, чтобы различить два разных объекта и не определить их как один. При поиске локальных неоднородностей осуществляется сканирование подповерхностного слоя путем поворота излучателя или перемещением платформы с акустоэлектрическими преобразователями 3-6.When passing through the medium and reflected from the object, the envelope of the acoustic pulse is deformed. This is because the medium contains small inhomogeneities that cause attenuation, scattering, and re-reflection of the wave. Also, the complex shape of the object is the cause of the envelope deformation. As a result, the envelope of the acoustic pulse arriving at different receivers is different. The determination of the delay time is difficult, since the determination of the moment of arrival of the pulse becomes uncertain. In the claimed device, the time t _{2 of} arrival at the first receiving acoustoelectric transducer 4 of the reflected pulse is determined by the maximum of the cross-correlation function of the envelope of the pulses emitted and received by the transducer 4. Instead of directly measuring the time t ₁ , t ₃ , the difference τ ₁ = t ₂ -t ₁ and τ ₂ = t ₂ -t ₃ is measured. To increase the accuracy and reliability of the measurement, the function of cross-correlation of the pulses received by the receiving transducers 4 and 5, as well as 4 and 6, is determined. The temporary position of the maximum of this function corresponds to the delay τ ₁ and τ _{2 of the} pulse received by the transducer 4 relative to the pulses received by the transducers 5 and 6. At the same time, the peculiarities of the envelope deformation during reflection from the desired object are taken into account to the greatest extent and all background reflections from small inhomogeneities are averaged. Correlation processing in determining the time intervals gives confidence that the pulses at the outputs of the receiving units 7, 8 and 9 belong to one location object, and not to different ones. For proper operation, the emitter 3 must have a sufficiently narrow radiation pattern to distinguish between two different objects and not to define them as one. When searching for local inhomogeneities, a subsurface layer is scanned by turning the emitter or moving the platform with acoustoelectric transducers 3-6.

Устройство работает следующим образом. По сигналу блока управления 15 генератор 1 начинает генерировать прямоугольные видеоимпульсы, которые модулируют генератор 2, в результате чего генератор 2 вырабатывает короткие радиоимпульсы, огибающая которых повторяет форму модулирующих видеоимпульсов. С помощью акустоэлектрического преобразователя 3 они преобразуются в акустические импульсы и излучаются во внешнюю среду. Если вблизи излучателя 3 находится объект, акустическое сопротивление которого отличается от акустического сопротивления среды, происходит отражение падающей на объект акустической волны и отраженные волны достигают приемных акустоэлектрических преобразователей 5, 4 и 6 соответственно через интервалы времени t₁, t₂ и t₃, считая от момента излучения. Напряжение с каждого приемного акустоэлектрического преобразователя усиливается, детектируется амплитудным детектором и фильтруется в приемных блоках 7, 8 и 9. В результате на их выходах имеются видеоимпульсы, соответствующие огибающей принятых акустических импульсов. С выхода первого 7 и второго 8 приемных блоков эти импульсы поступают на входы блока 11 определения интервала времени τ₁=t₂-t₁. С выхода первого 7 и третьего 9 приемных блоков эти импульсы поступают на входы блока 12 определения интервала времени τ₂=t₂-t₃. На входы блока 10 определения интервала времени t₂ поступают импульсы с выхода первого приемного блока 7 и с выхода генератора видеоимпульсов 1. На информационных выходах блоков 10, 11 и 12 формируются напряжения, пропорциональные соответственно интервалам времени t₂, τ₁ и τ₂. Эти напряжения поступают на входы вычислительного блока 13. По окончании определения интервалов времени τ₁, τ₂ и t₂ на управляющих выходах блоков 10, 11 и 12 появляется сигнал в виде перепада напряжения. Управляющие выходы блоков 10, 11 и 12 соединены со входами схемы совпадений 16. При появлении напряжения на всех входах схемы совпадения 16, на выходе последней формируется сигнал, разрешающий блоку 13 начать вычисление координат. Блок 13 осуществляет вычисление координат x, y, z, решая систему уравнений (1). При этом t₁=t₂-τ₁, t₃=t₂-τ₂. В качестве блока 13 можно использовать компьютер, запрограммированный на решение системы (1). Результаты вычислений координат отображаются блоком индикации 14.The device operates as follows. By the signal of the control unit 15, the generator 1 begins to generate rectangular video pulses that modulate the generator 2, as a result of which the generator 2 generates short radio pulses, the envelope of which repeats the shape of the modulating video pulses. Using acoustoelectric transducer 3, they are converted into acoustic pulses and radiated into the external environment. If near the emitter 3 there is an object whose acoustic resistance is different from the acoustic resistance of the medium, the acoustic wave incident on the object is reflected and the reflected waves reach the receiving acoustoelectric transducers 5, 4 and 6, respectively, at time intervals t ₁ , t ₂ and t ₃ , counting from moment of radiation. The voltage from each receiving acoustoelectric transducer is amplified, detected by an amplitude detector and filtered in the receiving blocks 7, 8 and 9. As a result, there are video pulses at their outputs corresponding to the envelope of the received acoustic pulses. From the output of the first 7 and second 8 receiving blocks, these pulses are fed to the inputs of the block 11 determining the time interval τ ₁ = t ₂ -t ₁ . From the output of the first 7 and third 9 receiving blocks, these pulses are fed to the inputs of the block 12 determining the time interval τ ₂ = t ₂ -t ₃ . The inputs of the unit 10 for determining the time interval t ₂ receive pulses from the output of the first receiving unit 7 and from the output of the video pulse generator 1. At the information outputs of blocks 10, 11 and 12, voltages are generated proportional to the time intervals t ₂ , τ ₁ and τ ₂ , respectively. These voltages are supplied to the inputs of the computing unit 13. At the end of the determination of the time intervals τ ₁ , τ ₂ and t ₂ , a signal in the form of a voltage drop appears at the control outputs of the blocks 10, 11 and 12. The control outputs of blocks 10, 11 and 12 are connected to the inputs of the matching circuit 16. When voltage appears at all inputs of the matching circuit 16, a signal is generated at the output of the matching circuit, allowing the block 13 to begin calculating coordinates. Block 13 calculates the coordinates x, y, z, solving the system of equations (1). Moreover, t ₁ = t ₂ -τ ₁ , t ₃ = t ₂ -τ ₂ . As block 13, you can use a computer programmed to solve the system (1). The results of the calculation of the coordinates are displayed by the display unit 14.

Работу блока определения интервала времени рассмотрим на примере блока 11. Блок 11 определения интервала времени вырабатывает напряжение, пропорциональное разности τ₁=t₂-t₁. На первый вход блока 11 поступает видеоимпульс с выхода второго приемного блока 8, на второй вход - напряжение с выхода первого приемного блока 7. Импульс с выхода приемного блока 8 задерживается линией задержки 17 и поступает на первый вход перемножителя 19, на второй вход которого поступает видеоимпульс с выхода приемного блока 7. После перемножения видеоимпульсов в блоке 19 и интегрирования интегратором 21 на выходе последнего формируется функция взаимной корреляции двух импульсов. Время задержки линии задержки 17 определяется величиной напряжения на ее управляющем входе. Это управляющее напряжение формируется генератором линейно изменяющегося напряжения 26, который запускается импульсом с блока управления 15. В результате время задержки каждого следующего импульса с выхода приемного блока 8 увеличивается на некоторую величину Δτ. Напряжение с выхода интегратора 21 поступает на пиковый детектор 23, который вырабатывает постоянное напряжение, равное амплитуде взаимно корреляционной функции. На первый вход второго перемножителя 20 поступает импульс с выхода управляемой линии задержки, задержанный дополнительно на время Δτ неуправляемой линией задержки 18. На второй вход перемножителя 20 поступает видеоимпульс с выхода приемного блока 7. Выходное напряжение перемножителя 20 интегрируется интегратором 22 и подается на пиковый детектор 24. Перемножитель 20 с интегратором 22 формируют функцию взаимной корреляции, которая отличается от аналогичной функции, которая формируется на выходе интегратора 21, сдвигом по времени на Δτ. Напряжения с выходов пиковых детекторов 23 и 24 подаются на входы компаратора 26. Когда напряжение на выходе пикового детектора 23 становится меньше, чем на выходе пикового детектора 24 (то есть функция взаимной корреляции идет на спад), компаратор генерирует скачок напряжения, останавливающий рост напряжения на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения. А это напряжение является управляющим для управляемой линии задержки 17 и выходным напряжением блока 11 определения интервала времени. В результате напряжение на информационном выходе блока 11 соответствует максимуму взаимно корреляционной функции и определяет задержку акустического импульса, принятого первым приемным блоком 7, относительно акустического импульса, принятого вторым приемным блоком 8. Выход компаратора 26 является также управляющим выходом блока 11. Появление напряжения на этом выходе означает окончание формирования на информационном выходе блока 11 напряжения, пропорционального τ₁. Блок 12 определения интервала времени работает аналогично и вырабатывает напряжение, пропорциональное разности τ₂=t₂-t₃. Блок 10 определения интервала времени работает аналогично блокам 11 и 12 и вырабатывает напряжение, пропорциональное времени t₂ задержки акустического импульса, принятого первым приемным блоком 7, относительно излученного акустического импульса.Work determining unit time interval by the example block 11. Block 11 determines the time interval generates a voltage proportional to the difference between τ ₁ = t ₂ -t _1. A video pulse arrives at the first input of block 11 from the output of the second receiving block 8, and a voltage from the output of the first receiving block 7 comes to the second input. The pulse from the output of receiving block 8 is delayed by the delay line 17 and fed to the first input of the multiplier 19, to the second input of which there is a video pulse from the output of the receiving unit 7. After multiplying the video pulses in block 19 and integrating the integrator 21 at the output of the latter, a function of cross-correlation of two pulses is formed. The delay time of the delay line 17 is determined by the magnitude of the voltage at its control input. This control voltage is generated by a ramp generator 26, which is triggered by a pulse from the control unit 15. As a result, the delay time of each next pulse from the output of the receiving unit 8 increases by a certain value Δτ. The voltage from the output of the integrator 21 is supplied to the peak detector 23, which generates a constant voltage equal to the amplitude of the cross-correlation function. The first input of the second multiplier 20 receives a pulse from the output of the controlled delay line, which is additionally delayed by the time Δτ of the uncontrolled delay line 18. The second input of the multiplier 20 receives a video pulse from the output of the receiving unit 7. The output voltage of the multiplier 20 is integrated by the integrator 22 and fed to the peak detector 24 The multiplier 20 with the integrator 22 form a cross-correlation function, which differs from the similar function that is formed at the output of the integrator 21, by a time shift by Δτ. The voltages from the outputs of the peak detectors 23 and 24 are applied to the inputs of the comparator 26. When the voltage at the output of the peak detector 23 becomes less than at the output of the peak detector 24 (that is, the cross-correlation function decreases), the comparator generates a voltage jump that stops the voltage increase by output of a ramp generator. And this voltage is the control for the controlled delay line 17 and the output voltage of the block 11 determine the time interval. As a result, the voltage at the information output of block 11 corresponds to the maximum of the cross-correlation function and determines the delay of the acoustic pulse received by the first receiving block 7 relative to the acoustic pulse received by the second receiving block 8. The output of the comparator 26 is also the control output of the block 11. The appearance of the voltage at this output means the end of the formation on the information output of the block 11 voltage proportional to τ ₁ . Block 12 determining the time interval works similarly and generates a voltage proportional to the difference τ ₂ = t ₂ -t ₃ . The time interval determination unit 10 operates similarly to blocks 11 and 12 and generates a voltage proportional to the delay time t _{2 of the} acoustic pulse received by the first receiving unit 7 with respect to the emitted acoustic pulse.

При глубине зондирования 5 метров период следования зондирующих импульсов составляет около 10 мс. Время задержки в линии задержки 17 не может превышать значения периода следования импульсов, то есть может составлять единицы миллисекунд. Время задержки Δτ в линии задержки 18 зависит от требуемой точности определения интервала времени и составляет порядка 0,1 мс при точности 1%. Управляемые линии задержки могут быть реализованы в цифровом виде. Подлежащий задержке сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуется в цифровой код, запоминается в ячейках памяти, считывается через заданное время и цифроаналоговым преобразователем преобразуется в аналоговый вид.With a sounding depth of 5 meters, the period of probing pulses is about 10 ms. The delay time in the delay line 17 cannot exceed the value of the pulse repetition period, that is, it can be a few milliseconds. The delay time Δτ in the delay line 18 depends on the required accuracy of determining the time interval and is of the order of 0.1 ms with an accuracy of 1%. Managed delay lines can be digitally implemented. The signal to be delayed is converted into a digital code using an analog-to-digital converter, stored in memory cells, read out after a specified time, and the digital-to-analog converter is converted to analog form.

Технический результат, достигаемый при применении предложенного устройства, состоит в повышении точности и достоверности определения места расположения неоднородности. Он обеспечивается применением трех каналов приема и корреляционной обработкой принятых отраженных импульсов. Это позволяет определить пространственные координаты неоднородности, уменьшить влияние на результат измерения координат формы лоцируемого объекта и наличия в среде мелких неоднородностей. Корреляционная обработка исключает возможность определения времени задержки t₁, t₂, t₃ по импульсам, отраженным разными объектами.The technical result achieved by the application of the proposed device is to increase the accuracy and reliability of determining the location of heterogeneity. It is provided by the use of three reception channels and correlation processing of the received reflected pulses. This allows you to determine the spatial coordinates of the inhomogeneity, to reduce the influence on the result of measuring the coordinates of the shape of the located object and the presence of small inhomogeneities in the medium. Correlation processing excludes the possibility of determining the delay time t ₁ , t ₂ , t ₃ from pulses reflected by different objects.

Claims

1. An acoustic sonar, comprising a video pulse generator, a radio pulse generator connected thereto, a radiating acoustoelectric transducer, a first acoustoelectric receiving transducer connected to a first receiving unit, a first time interval determining unit, the first input of which is connected to the output of the video pulse generator, and the second input to the output of the first receiving unit, as well as the second receiving unit and the second unit for determining the time interval, the first input of which is connected to the output of the second receiving about the unit, and the information outputs of the first and second time interval determination units are connected to the computing unit, whose output is connected to the display unit, characterized in that the second and third receiving acoustoelectric converters, the third receiving unit, the coincidence circuit, the control unit are inserted into it, and also the third unit for determining the time interval, while the emitting acoustoelectric converter is connected to the output of the radio pulse generator, the second and third receiving acoustoelectric converters are connected respectively to the input of the second and third receiving units, the first input of the third time interval determining unit is connected to the output of the third receiving unit, its second input is connected to the output of the first receiving unit, and also to the second input of the first and second time interval determining units, and the information output connected to the computing unit, the control outputs of the first, second and third time interval determination units are connected to the inputs of the coincidence circuit, whose output is connected to the control input unit, and the output of the control unit is connected to the control inputs of the first, second, and third time interval determination units and to the control input of the video pulse generator.

2. The acoustic sonar according to claim 1, characterized in that the first, second and third time interval determination units comprise a controlled delay line, an uncontrolled delay line, first and second multipliers, first and second integrators, first and second peak detectors, a comparator and a generator linearly varying voltage, while the first input of the time interval determination unit via a controlled delay line is connected to the first input of the first multiplier, the second input of the time interval determination unit is connected to the second the input of the first and second multipliers, the first input of the second multiplier through an uncontrolled delay line is connected to the output of the controlled delay line, the output of the first multiplier is connected through the first integrator and the first peak detector connected to the first input of the comparator, and the output of the second multiplier is connected through the second integrator and the second the peak detector is connected to the second input of the comparator, the output of which is the control output of the time interval determination unit It is connected to the first control input of the ramp generator, whose second control input is the control input of the time interval determination unit, and the output of the ramp generator is connected to the control input of the controlled delay line and is the information output of the time interval determination unit.

3. Acoustic sonar according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the emitting acoustoelectric transducer and the receiving acoustoelectric transducers are located on the interface of the media at the corners of the rectangle so that the radiating and the first receiving acoustoelectric transducers are located at opposite ends of its diagonal.