SU1054809A1 - Эхолот - Google Patents

Abstract

1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну , приемник, отсчетный RS-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов , регистрирующий прибор и преобразователь напр жени  во временной интервал, выход которого подсоединен к входу S-отсчетного триггера , R-вход которого подключен к выходу приемника, вход приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемно-иэлучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразовател  напр жени  во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  погрешности измерени  глубин за счет уменьшени  динамической и случайной погрешностей, в него введены последовательно соединенные двоичный счетчик, цифро-аналоговый преобразователь, вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранени , включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входом регистрирующего прибора, блок цифровой обработки, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, а второй с выходом компаратора, и селектор импульсных помех, первый вход которого соединен с выходом о счетного RS-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенных импульсов и вторым входом вычислител  текущего среднего, выход цифро-аналогового преобразовател  подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранени , св занного своим выходом с вторым входом преобразовател  напр жени  во временной интервал , а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и i хранени . 2.Эхолот ПОП.1, отличаю (Л щийс  тем, что селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одновибратор , первую схему совпадени , второй вход которой подключен к входу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числа повтор ющихс  подр д совпадений,дешифратор и втора  схема совпадени , Сл второй вход которой и вход упом нутого счетчика подключены к выхо4 ду первой схемы совпадени . эо 3.Эхолот ПОП.1, отличающийс  тем, что вычислитель о ;о текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив  чеек пам ти, сумматор и умножитель на посто нный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и  чеек па м ти соединены, управл ющие входы  чеек пам ти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входы  чеек пам ти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход которого заведен на вход умножител  на посто нный коэффициент.

Description

Изобретение относитс  к гидролокации , а именно к измерител м глубины .

Известен эхолот дл  определени  профил  дна,содержащий синхронизирующее устройство, генератор мощное ти, пьеэовибратор (приемоизлучатель приемник, отсчетный триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, самопишущий прибор, электронный переключатель и фильтр нижних частот .

Недостатком указанного эхолота  вл етс  низка  помехозащищенность, что про вл етс  в искажении записи профил  дна.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, подключенное к генератору мощности и преобразователю напр жени  во временной интервал , и пьезовибратор, подсоединенный к выходу генератора мощности и к входу приемного тракта. К выходу приемного тракта подключено отсчетное устройство, состо щее из статического триггера, электронного переключател , каскада регистрации пропущенных импульсов и самопишущего прибора, подключенного к выходу триггера через последовательно соединенные фильтр нижних частот и электронный переключатель. Вход по посто нному току преобразовател  напр жени  во временной интервал соединен с выходом Фильтра .

Недостатком этого зхолота  вл ет с  больша  погрешность измерени  глубины, обусловленна  воздействием импульсных помех на оконечное устройство эхолота, а также динамическими погрешност ми, причиной возникновеНи  которых  вл етс  интегрирование функции, описывающей профиль дна.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение погрешности измерени  глубин путем уменьшени  динамической и случайной погрешностей.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, прйемно-излучающую антенну , приемник, отсчетный RS-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов , регистрирующий прибор и преобразователь напр жени  во временной интервал, выход которого подсоединен к входу S-отсчетного триггера , R-вход которого подключен к выходу приемника, вход приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемноизлучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразовател  напр -жени  во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизируэтЕцего устройства, введены последовательно соединенные двоичный счетчик цифро-аналоговый преобразователь,вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранени , включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входом регистрирующего прибора, блок цифро вой обработки, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика , а второй - с выходом компаратор и селектор импульсных помех, первый вход которого соединен с выходом отсчетного .RS-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенных импульсов и вторым входом вычислител  текущего среднего, выход цифроаналогового преобразовател  подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранени , св занного своим выходом с вторым входом преобразовател  напр жени  во временной интервал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада йыборки и хранени .

Кроме того, селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одновибратор , первую схему совпадени , второй вход которой подключен к входу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числа повтор ющихс  подр д совпадений, дешифратор и втора  схема совпадени , второй вход которой и вход упом нутого счетчика подключены к выходу первой схемы совпадени .

При этом вычислитель текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив  чеек пам ти сумматор и умножитель на посто нный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и  чеек пам ти соединены , управл ющие входы  чеек пам ти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика , информационные входы  чеек пам ти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход которого заведен на вход умножител  на посто нный коэффициент.

На чертеже показана схема предлагаемого эхолота.

Эхолот содержит синхронизирующее устройство 1, импульсный генератор 2, преобразователь напр жени  во врменной интервал (ПНВИ) 3, приемноизлучающук антенну 4, приемник 5, отсчетный RS-триггер 6, селектор импульсных помех 7, каскад регистрации пропуш.енных импульсов (КРПИ) 8, вычислитель текущего среднего (ВТС) 9, двоичный счетчик 10,цифроаналоговый преобразователь (1ДАП) 11, регистрирующий прибор 12,блок цифровой обработки (БКО) 13, компаратор 14, кас1сад выборки и хранени  (КВХ) 15, элемент задержки 16, одновибратор 17, первую схему совпадений И 18, счетчик числа повтор ющихс  подр д совпадений 19, деьаифратор 20, вторую схему совпадений И 21, кольцевой счетчик с дешифратором 22, массив  чеек пам ти (ЯП) 23, сумматор 24, умножитель на посто нный коэффициент 25,

Эхолот работает следующим образом .

Импульсами синхронизации, поступающими от синхронизирующего устройства 1, одновременно периодически запускаютс  импульсный генератор 2 и ПНВИ 3. Импульсный генератор 2 возбуждает приемно-излучающую антенну 4, котора  излучает ультразвуковой (зондирующий) импульс в направлении дна.

ПНВИ 3 вырабатывает пр моугольные строб-импульсы напр жени  по длительности пропорциональные удвоенному времени распространени  ультразвукового импульса в направлении дна. Этими импульсами осуществл етс  стробирование приемника: отсчетный RS-триггер б опрокидываетс  в состо ние Логической единицы и удерживаетс  в этом состо нии до лоступлени  отраженного импульса. След щий стробимпульс подавл ет импульсную помеху, концентрирующуюс  в начале периода около зондирующего импульса и распределенную по плотности во времени примерно, по экспоненциальному закону , Прот женность этой помехи по глубине составл ет (дл  плосколонных судов) 1-2 м.

Отраженные от дна импульсы преобразуютс  приемно-излучаюшей антенной 4 в электрические колебани ,усиливаютс , детектируютс  приемником и поступают на R-вход отсчетного RS-триггера 6, возвраща  его в исходное состо ни . Поскольку эти процессы повтор ютс  периодически, то на выходе отсчетного RS-триггера б существует периодическа  последовательность пр моугольных импульсов напр жени , длительность которых пр мо пропорциональна глубине под вибратором. Из этих пр моугольных импульсов формируютс  (например, путем дифференцировани ) короткие импульсы, временное положение которых совпадает с временным положением отраженных. Эти поступают на вход селектора импульсных помех 7, который пропускает на выход только импульсы, повтор ющиес 

периодически (вернее квазипериодически ) с интервалом времени Tf, l/ftt т т.е. с интервалом равным периоду повторени  зондирующих импульсов.

Отфильтрованный отраженный импульс с выхода селектора импульсных помех 7 поступает на управл ющий вход ETC 9. В результате действи  отраженного импульса переключаетс  в новое состо ние кольцевой счетчик 22 с дешифратором, мен етс  состо ние одного из выходов дешифратора счетчика 22, подключаетс  к аналоговому выходу ЦАП 11 следующа  ЯП из массива  чеек пам ти 23. Если включена перва , то отключаетс  перва  и подключаетс  втора  ЯП. Одновременно этим же импульсом осуществл етс  считывани значени  глубины, существующей в данный момент на выходе ЦАП 11 и запись этого значени  в соответствующую ЯП (в аналоговом виде, в виде напр жени ).На выходах двоичного счетчика 10 и ЦАП 11 генерируетс  пилообразный сигнал Цифрова  и аналогова  пила. Во врем  считывани  мгновенного значени  глубины происходит процесс преобразовани  времени запаздывани  отраженного импульса в число (численное значение глубины) и в аналоговую форму (аналоговое значение глубины).Врем запаздывани  определ етс  глубиной по формуле

. 2

где G - глубина под вибратором (приемо-излучателем ); V - скорость распространени 

ультразвука в воде. Напр жение с выхода ЯП 23 поступает на 24, где вычисл етс  сумма отсчетов, а затем на умножитель 25, где эта сумма делитс  на п-е (количество  чеек, п 5). С выхода умножител  напр жение равное среднему значению (математическому ожиданию) за п ть отсчетов поступает на вход компаратора 14, на другой вход которого поступает пила с выхода ЦАП 11. В момент возникновени  равенства среднегю мгновенному значению пилы компа0 ратор генерирует короткий импульс напр жени . Этот импульс поступает на вход БЦО 13 и управл ющий вход КВХ 15. В КВХ 15 происходит запоминание среднего значени  глубины в

5 аналоговой форме. В БДО 13 в момент действи  импульса компаратора происходит процесс считывани  мгновенного значени  глубины. Напр жение с выхода КВХ 15 поступает на регистри0 рующий прибор 12 и аналоговый вход ПНВИ 3, который генерирует след щий односторонний строб-импульс.

КРПИ--.8 вырабатывает сигнал тревоги (перепад напр жени ) тогда, когда

f. в силу каких-либо причин, обусловленэ ных условием распространени  ультразвука в воде, исчезают отраженные импульсы (пропуск сигнала). Сигнал на выходе КРПИ 8 по вл етс  только в случае устойчивого пропадани  отраженного импульса, если пропущено подр д, например, m импульсов. Этим сигналом осуществл етс  стробирование и медленный сброс показаний КВХ 15.

Алгоритм обработки сигнала в ВТС 9 заключаетс  в следующем.

Функци  профил  дна, представленна  своими отсчетами, как правило искажена шумом. На ограниченном участке (например, за п ть отсчетов функцию профил  и шума (помехи) можно считать стационарньзми функци ми. Тогда, сигнал можно представить в виде суммы

f (t) W(t) + N(t),

где W (t) - полезный сигнал;

N(t) - помеха с нулевым математическим ожиданием; t - дискретное врем . Помеха (шум) обусловлена процессом суммировани  составл ющих сигналов со случайными фазами и амплитудами . Воздейству  на сигнал оператором текущего среднего S, который реализован в ВТС

1,. + 1-2 -И

5 -F

получаем

5.UtbVJ4t),

где f, - i-тый отсчет глубины, ) - несмещенна  оценка сигнала .

Таким образом, удаетс  в значительной степени освободитьс  от шумов , сохранив сигнал профиль дна. Сигнал на выходе ВТС запаздывает по отношению к i-му отсчету (текущему , в данный момент) на два периода повторени  зондирующих импульсов . Значение глубины на выходе ВТС в данный момент равно сглаженному значению глубины в (1-3)тй период, т.е. f.v

Селектор импульсных помех 7 можно отнести к дискретным (цифровым) фильтрам. Принцип его работы основан на использовании признака квазипериодичности: сигнал представл ет собой серий импульсов, разделенных интервалами {Равными периоду повторени  Т,.,. Интервалы между импульсами при работе эхолота не остаютс  посто нными и измен ютс  от отсчета к отсчету в небольших пределах по случайному закону (квазипериодичность) Средн   величина рассто ни  между отраженными импульсами (сигнал от дна) - величина посто нна  и равн§  периоду повторени  зондирующих импульсов Т. Чтобы получить малую веро тность ложной тревоги и исключить пропуски сигнала, вызванные про влением эффекта квазипериодичности , в устройство введены одновибратор и счетчик числа повтор ющихс  подр д совпадений.

Селектор импульсных помех 7 работает следующим образом.

С выхода отсчетного RS-триггера б отраженный импульс поступает На вход элемента задержки 16 и, пройд  элемент задержки,запускает одновибратор 17, который генерирует строб-импульс. Стробимпульс поступает на один вход схемы И 18, на другой вход которой поступают незадержанные импульсы . Если импульсы следуют с интервалом Тп, то они проход т на выход схемы И 16. Импульсы помехи подавл ютс , так как интервалы между ними случайны и неравны Тц.Счетчик числа совпадений 19 подсчитывает количество импульсов, по вившихс на выходе схемы И 18. Их должно быт три за три периода (число задаетс ) Число Три, по вивитеес  на выходе счетчика 19, преобразуетс  дешифратором 20 в перепад напр жени ,который открывает схему И 21. Третий по счету импульс проходит через схему И 21 на выход селектора импульсных помех.

В случае пропадани  (обусловленного услови мираспространени  ультразвука в воде) отраженного импульс на выходе отсчетного RS-триггера 6 наблюдаютс  импульсы помехи, распределенные во времени по случайному закону. Веро тность по влени  на интервале строба двух импульсов подр д равна Р. Тогда веро тность ложной тревоги - веро тность совпадени  подр д в трех периодах

F р р

Дл  интенсивности помех 20 имп./ период и дл  длительности строба tcrp Тп/1024, F- 10. Поэтому, несмотр  на то, что счетчик может успеть зарегистрировать два совпадени  подр д, в 3-м периоде происходит обнуление счетчика зондирующим (синхронизирующим) импульсом, и схема И 21 остаетс  закрытой дл  помехи . Импульсы обнулени  (сброса) поступают на вход Сброс счетчика 19 с второго выхода синхронизирующего устройства один раз за три периода .

Таким образом, селектор импульсных помех обладает хорошей селективностью и, в случае пропуска отраженного импульса, предотвращает прохождение помех на вход в ВТС, тем самым исключает искажени  вьгчисленного результата. Во врем  отсутстви  (пропуска) отраженного импульса результат , вычисленный ETC, сохран етс  прежним до момента по влени  отраженного импульса. Происходит

интерполирование значений, вьтавших из.процесса измерени .

Таким образом, введение новых элементов в эхолот позвол ет снизить погрешность измерени  глубин - средн   квадратическа  ошибка измерени  глубин уменьшаетс  в 2-5 раз..

Claims (3)

1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну, приемникотсчетный RS-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, регистрирующий прибор и преобразователь напряжения во временной интервал, выход которого подсоединен к входу S-отсчетного триггера, R-вход которого подключен к выходу приемника, вход приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемно-излучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразователя напряжения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения глубин за счет уменьшения динамической и случайной погрешностей, в него введены последовательно соединенные двоичный счетчик, цифро-аналоговый преобразователь, вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранения, включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входом регистрирующего прибора, блок цифровой обработки, первый вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, а второй с выходом компаратора, и селектор импульсных помех, первый вход которого соединен с выходом отсчетного RS-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенных импульсов и вторым входом вычислителя текущего среднего, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входом преобразователя напряжения во временной интер вал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и хранения.

2. Эхолот по п.1, отличающийся тем, что селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одновибратор, первую схему совпадения, второй вход которой подключен к входу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числа повторяющихся подряд совпадений,дешифратор и вторая схема совпадения, второй вход которой и вход упомянутого счетчика ду первой схемы

3. Эхолот по щ и й с я тем, текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив ячеек памяти, сумматор и умножитель на постоянный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и ячеек памяти соединены, управляющие входы ячеек памяти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входы ячеек памяти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход подключены к выхосовпадения.

п.1, отличаючто вычислитель (3 <g |с которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент.· пропущенных импульсов, прибор, электронный пеи фильтр нижних час10