Эхолот

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 7 52 АВТОРС г ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ У СВИДЕТЕПЬСТ(71) Новосибирский электротехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 315138, кл, С 01 8 11/00, 1969,2. Авторское свидетельство СССР Р 441537, кл, С 01 5 11/00, 1972 (прототип).(54) (57) 1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный Я-триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, регистрирующий прибор и преобразователь напряжения во временной интервал, выход которого подсоединен к входу 5-отсчетного три гера, к-вход которого подключен к выходу приемника, вхол приемника и выход импульсного генератора параллельно подсоединень к приемно-излучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразователя напряжения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения глубин эа 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 выхолом 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 отсчетногоВЯ-триггера, второй - с третьим выходом синхронизирующего устройства,а выход соединен с входом каскаларегистрации пропущенных импульсови вторым входом вычислителя текущегосреднего, выход цифро-аналоговогопреобразователя подключен к вторымвходам компаратора и каскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входом преобразователя напряжения во временной интервал, а выход каскада регистрациипропущенных импульсов подключен ктретьему входу каскада выборки ихранения.2. Эхолот по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что селектор импульсных помех содержит последовательносоединенные элемент задержки, одновибратор, первую схему совпадения,второй вход которой подключен квходу элемента задержки, последовательно соединенные счетчик числаповторяющихся подряд совпалений,дешифратор и вторая схема совпадения,второй вход которой и вход упомянутого счетчика подключены к выходу первой схемы совпадения.3. Эхолот по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что вычислительтекущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массивячеек памяти, сумматор и умножительна постоянный коэффициент, при этомтактовые входы счетчика и ячеек памяти соединены, управляющие входыячеек памяти подключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входыячеек памяти соединены, а выходы ихподключены к входам сумматора, выходкоторого заведен на вход умножителяна постоянный коэффициент, 1054809тельно соединенные двоичный счетчик,цифро-аналоговый преобразователь,вычислитель текущего среднего, компаратор и каскад выборки и хранения,включенные между вторым выходом синхронизирующего устройства и входомрегистрирующего прибора, блок цифровой обработки, первый вход которогосоединен с выходом двоичного счетчика, а второй - с выходом компаратора,и селектор импульсных помех, первыйвход которого соединен с выходомотсчетного РЯ-триггера, второй - стретьим выходом синхронизируюшегоустройства, а выход соединен с входом каскада регистрации пропущенныхимпульсов и вторым входом вычислителя текущего среднего, выход цифроаналогового преобразователя подключен к вторым входам компаратора икаскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входомпреобразователя напряжения во временной интервал, а выход каскадарегистрации пропущенных импульсовподключен к третьему входу каскадавыборки и хранения,Кроме того, селектор импульсныхпомех содержит последовательносоединенные 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 подключены к выходупервой схемы совпадения.При этом вычислитель текущегосреднего содержит кольцевой счетчикс дешифратором, массив ячеек памяти,сумматор и умножитель на постоянныйкоэффициент, при этом тактовые входы счетчика и ячеек памяти соединены, управляющие входы ячеек памятиподключены к соответствующим выходам дешифратора кольцевого счетчика, информационные входы ячеек памяти соединены а выходы их подключены к входам сумматора, выходкоторого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент,На чертеже показана схема предлагаемого эхолота.Эхолот содержит синхронизирующееустройствс 1, импульсный генератор2, преобразователь напряжения во временной интервал (ПНВИ) 3, приемноизлучающую антенну 4, приемник 5,отсчетный РЯ-триггер б, селекторимпульсных помех 7, каскад регистрации пропущенных импульсов (КРПИ)8, вычислитель текущего среднего(ВТС) 9, двоичный счетчик 10,цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)11, регистрирующий прибор 12,блокцифровой обработки (ВПО) 13, ком 10 Изобретение относится к гидролокации, а именно к измерителям глубины,Известен эхолот для определенияпрофиля дна, содержащий синхронизируюшее устройство, генератор мощности, пьезовибратор (приемоизлучатель),приемник, отсчетный триггер, каскадрегистрации пропущенных импульсов,самопишущий прибор, электронный переключатель и фильтр нижних частот 1 .Недостатком указанного эхолотаявляется низкая помехозащищенность,что проявляется в искажении записипрофиля дна, 15Наиболее близким к предлагаемомуявляется эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, подключенноек генератору мощности и преобразователю напряжения во временной интервал, и пьезовибратор, поДсоединенный к выходу генератора мощности ик входу приемного тракта, К выходуприемного тракта подключено отсчетное устройство, состоящее из статического триггера, электронного переключателя, каскада регистрациипропущенных импульсов и самопишущего прибора, подключенного к выходутриггера через последовательно соединенные Фильтр нижних частот иэлектронный переключатель. Вход попостоянному току преобразователянапряжения во временной интервалсоединен с выходом ФильтраНедостатком этого Эхолота является большая погрешность измеренияглубины, обусловленная воздействиемимпульсных помех на оконечное устройство эхолота, а также динамическими погрешностями, причиной возникновения которых является интегрирование функции, описывающей профильдна.Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения глубин 45путем уменьшения динамической ислучайной погрешностей.Укаэанная цель достигается тем,что в эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный 50генератор, приемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный РЯ-триггер,каскад регистрации пропущенных им"пульсов, регистрирующий прибор ипреобразователь напряжения во временной интервал, выход которого подсоединен к входу Б-отсчетного триггера, Р-вход которого подключен квыходу приемника вход приемникаи выход импульсного генератора параллельно подсоединены к приемноизлучавшей антенне, вход импульсногогенератора и преобразователя напря.жения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, введены последова50 периодически (вернее квазипериодически) с интервалом времени Тд = 1/т.е. с интервалом равным периоду повторения зондирующих импульсов. 65 паратор 14, каскад выборки и хранения (КВХ) 15, элемент задержки 1 б,одновибратор 17, первую схему совпадений И 18, счетчик числа повторяющихся подряд совпадений 19, дешифратор 20, вторую схему совпадений И21, кольцевой счетчик с дешифратором 22, массив ячеек памяти (ЯП) 23,сумматор 24, умножитель на постоянный коэффициент 25.Эхолот работает следующим образом.Импульсами синхронизации, поступающими от синхронизируюшего устройства 1, одновременно периодическизапускаются импульсный генератор 2 15и ПНВИ 3. Импульсный генератор 2возбуждает приемно-излучающую антенну 4, которая излучает ультразвуковой (зондирующий) импульс в направлении дна. 20ПНВИ 3 вырабатывает прямоугольныестроб-импульсы напряжения по длительности пропорциональные удвоенномувремени распространения ультразвукового импульса в направлении дна. 25Этими импульсами осуществляется стробирование приемника: отсчетныйЙЯ-триггер б опрокидывается в состояние Логической единицы и удерживается в этом состоянии до доступленияотраженного импульса. Следящий стробимпульс подавляет импульсную помеху,концентрирующуюся в начале периодаоколо зондирующего импульса и распределенную по плотности во времени,примерно, по экспоненциальному закону, "Протяженность" этой помехи поглубине составляет (для плоскодонныхсудов) 1-2 м,Отраженные от дна импульсы преобразуются приемно-излучаюшей антенной 4 в электрические колебания,усиливаются, детектируются приемникоми поступают на Й-вход отсчетногоЙБ-триггера б, возвращая его в исходное состояния. Поскольку эти 45процессы повторяются периодически,то на выходе отсчетного ЙЯ-триггераб существует периодическая последовательность прямоугольных импульсовнапряжения, длительность которыхпрямо пропорциональна глубине подвибратором. Из этих прямоугольныхимпульсов формируются (например,путем дифференцирования) короткиеимпульсы, временное голожение которых совпадает с временным положением отраженных. Эти импульсы поступают на вход селектора импульсныхпомех 7, который пропускает на выход только импульсы, повторяющиеся Отфильтрованный отраженный импульс с выхода селектора импульсных помех 7 поступает на управляющий вход ВТС 9. В результате действия отраженного импульса переключается в новое состояние кольцевой счетчик 22 с дешифратором, меняется состояние одного из выходов дешифратора счетчика 22, подключается к аналоговому выходу ЦАП 11 следующая ЯП из массива ячеек памяти 23. Если включена первая, то отключается первая и подключается вторая ЯП. Одновременно этим же импульсом осуществляется считывание значения глубины, существующей в данный момент на выходе ЦАП 11 и запись этого значения в соответствующую ЯП (в аналоговом виде, в виде напряжения).На выходах двоичного счетчика 10 и ЦАП 11 генерируется пилообразный сигнал "Цифровая и аналоговая пила". Во время считывания мгновенного значения глубины происходит процесс преобразования времени запаздывания отраженного импульса в число (численное значение глубины) и в аналоговую форму (аналоговое значение глубины). Время запаздывания определяется глубиной по формуле где 1 - глубина под вибратором (приемо-излучателем);У - скорость распространенияультразвука в воде.Напряжение с выхода ЯП 23 поступает на сумматор 24, где вычисляется сумма отсчетов, а затем на умножитель 25, где эта сумма делится на и-е (количество ячеек, и = 5) . С выхода умножителя напряжение равное среднему значению (математическому ожиданию) за пять отсчетов поступает на вход компаратара 14, на другой вход которого поступает "пила" с выхода ЦАП 11. В момент возникновения равенства среднего мгновенному значению "пилы" компаратор генерирует короткий импульс напряжения. Этот импульс поступает на вход БЦО 13 и управляющий вход КВХ 15. В КВХ 15 происходит запоминание среднего значения глубины в аналоговой форме. В БЦО 13 в момент действия импульса компаратора происходит процесс считывания мгновенного значения глубины. Напряжение с выхода КВХ 15 поступает на регистрирующий прибор 12 и аналоговый вход ПНВИ 3, который генерирует следящий ,односторонний строб-импульс.КРПИ;8 вырабатывает сигнал тревоги (перепад напряжения) тогда, когда в силу каких-либо причин, обусловлен 1054809ных условием распространения ультразвука в воде, исчезают отраженные импульсы (пропуск сигнала). Сигнал на выходе КРПИ 8 появляется только в случае устойчивого пропадания отраженного импульса, если пропущено подряд, например, в импульсов. Этим сигналом осуществляется стробирование и медленный сброс показаний КВХ 15,Алгоритм обработки сигнала в ВТС 9 заключается в следующем.Функция профиля дна, представленная своими отсчетами, как правило искажена шумом. На ограниченном участке (например, за пять отсчетов) функцию профиля и шума (помехи) можно считать стационарными функциями. Тогда, сигнал можно представить в виде суммыгде(С) - полезный сигнал;И(1) - помеха с нулевь 1 м математическим ожиданием;дискретное время.Помеха (шум) обусловлена процессом суммирования составляющих сигналов со случайными фазами и амплитудами, Воздействуя на сигнал оператором текущего среднего 5, который реализован в ВТС1 л 1 1;.,л 1 лн+,Э получаемгде 1; - 1-тый отсчет глубины,"(1) - несмещенная оценка сигнала.Таким образом, удается в значительной степени освободиться от шумов, сохранив сигнал - профиль дна.Сигнал на выходе ВТС запаздывает по отношению к 1-му отсчету (текущему, в данный момент) на дэа периода повторения зондируюцих импульсов, Значение глубины на выходе ВТС в данный момент равно сглаженному значению глубины в (1-3)-.й период, т.е.Селектор импульсных помех 7 можно отнести к дискретным (цифровым) фильтрам. Принцип его работы основан на использовании признака квази- периодичности: сигнал представляет собой серий импульсов, разделенных интервалами РЬвными периоду повторения Т 1. Интервалы между импульсами при работе эхолота не остаются постоянными и изменяются от отсчета к отсчету в небольших пределах по случайному закону (квазипериодичность). Средняя величина расстояния между отраженными импульсами (сигнал от дна) - величина постоянная и рав Для интенсивности помех 20 имп./период и для длительности стробайслр = Т/1024, Р = 10, Поэтому,несмотря на то, что счетчик можетуспеть зарегистрировать два совпадения подряд, э 3-м периоде происходит обнуление счетчика зондирующим(синхронизирующим) импульсом, и схема И 21 остается закрытой для помехи. Импульсы обнуления (сброса)поступают на вход "Сброс" счетчика19 с второго выхода синхронизирующего устройства один раз за три периода,50 55 60 Таким образом, селектор импульсных помех обладает хорошей селективностью и, в случае пропуска отраженного импульса, предотвращает проная периоду повторения зондирующихимпульсов Т, Чтобы получить малуювероятность ложной тревоги и исключить пропуски сигнала, вызванныепроявлением эффекта квазипериодичности, в устройство введены одновибратор и счетчик числа повторяющихсяподряд совпадений.Селектор импульсных помех 7работает следующим образом.С выхода отсчетного Й 8-триггера 6 отраженный импульс поступает на вход элемента задержки16 и, пройдя элемент задержки,запускает одновибратор 17, который 15 генерирует строб-импульс. Стробимпульс поступает на один входсхемы И 18, на другой вход которой поступают незадержанные импульсы, Если импульсы следуют с кн тервалом Ти, то они проходят на выход схемы И 16, Импульсы помехиподавляются, так как интервалы между ними случайны и неравны Т.Счетчик числа совпадений 19 подсчитыэа ет количество импульсов, появившихсяна выходе схемы И 18, Их должно бытьтри за три периода (число задается),Число три, появившееся на выходесчетчика 19, преобразуется дешифраЗ 0 тором 20 в перепад напряжения, который открывает схему И 21. Третий посчету импульс проходит через схему И 21 на выход селектора импульсных помех.В случае пропадания (обусловленного условиямираспространения ультразвука в воде) отраженного импульсана выходе отсчетного РБ-триггера 6наблюдаются импульсы помехи, распределенные во времени по случайному закону. Вероятность появления наинтервале строба двух импульсов подряд равна Р. Тогда вероятность ложной тревоги - вероятность совпадения подряд в трех периодах 45Р=рР 1Редактор А, Гульк вх каз 9101/5 аж 710дарственм изобре Ж,илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная хождение помех на вход в ВТС, темсамым исключает искажения вычисленного результата. Во время отсутствия:(пропуска) отраженного импульса результат, вычисленный ВТС, сохраняется прежним до момента появленияотраженного импульса. Происходит Тир ВНИИПИ Госу по дела 3035, Москваинтерполирование значений, выпавших из процесса измерения.Таким образом, введение новых элементов в эхолот позволяет снизить погрешность измерения глубин - средняя квадратическая ошибка измерения глубин уменьшается в 2-5 раз. Подписноеого комитета СССРений и открытийаушская наб д, 4