Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик о 11949586(61) Дополнительное к авт, сеид-ву(22) Заявлено 22.12,80 (21) 3223679/18-25с присоединением заявки Йо(23) Приоритет -Опубликовано 070882, Бюллетень Но 29Дата опубликования описания 070882 Щ М. Кп. 6 01 Ч 1/22 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ОТ ДНА ВОДОЕМАИзобретение отвосится к поисково-разведочнойгеофизике, и может быть использовано при инженерно-геологических исследованиях структуры пород слагающих дно водоема акустическими методами разведки.Известно устройство, реализующее способ изучения геологического строения морского дна на основании данных об ослаблении акустического сигнала в функции расстояния, в котором используется излучатель звуковой частоты, расположенный на постоянной глубине от поверхности воды и постоянном расстоянии от приемника, Расстояние между приборами постоянно контролируется (.11.В данном устройстве при определении величины ослабления акустического сигнала не учитывается амплитуда излученного сигнала, стабильность которой при каждом зондировании трудно обеспечить, поэтому найденная величина даже при постоянном контроле расстояний имеет низкую точность 25 . и большой разброс этих величин по проФилю.Наиболее близким к предлагаемому является устройство, позволяющее определять коэффициент отражения от З 0 морского дна, предназначенное для совместного использования с акустической аппаратурой и которое определяет по временным индикациям ослабление звуковых сигналов при их отражении от морского дна 2). Устройство содержит два масштабных усилителя, подключенных параллельно к первому входу устройства,.измеритель временных интервалов, схему управления, первый вход которой подключен ко второму входу устройства, схему задержки импульсов, элементы хранения кодов, два регистра, и аналого-цифровой преобразователь. Сигналы обрабатываются в аналоговом вычислительном устройстве, которое вычисляет величину потерь, вносимых морским дном в децибелахг 1 д - + + - г 1 дгоАи Т С еИ)Огде Ак - пиковое значение амплитуды излученного сигнала;А 0 - пиковое значение амплитудыотраженного сигнала от морского дна;С - усиление приемных схем;П - глубина океана;-.коэффициент поглощения ультразвуковых колебаний водой.Сигналы Аи и Ао формируются пиковыми детекторами-усилителями, сигналы С и Т формируются с помощьюопорных напряжений, а сигнал Р получается путем преобразования в аналоговую форму выходного кода цифрового счетчика, который запускаетсязондирующим сигналом с акустическойаппаратуры, а останавливается принятым сигналом от морского дна. По-лученная величина потерь Фиксируется 10в аналоговом виде и преобразуется вцифровую форму для вывода на дисплей,Недостаток известного устройстванизкая точность определения величины потерь, так как все вычислительные операции выполняются в аналоговом виде, и большой разброс указанной величины по профилю из-за нестабильности пиковых значений амплитуд от зондирования. к эондированию.Цель изобретения - увеличение точности определения величины коэффици-,ента отражения и сглаживание разбросов указанной величины по профилю. 25Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее два масштабных 65 усилителя, подключенных параллельно к первому входу устройства, аналогоцифровой преобразователь, измеритель 30 временных интервалов, схему управления, первый вход которой подключен ко второму входу устройства, схему задержки импульсов,и два регистра, введены амплитудно-временной селек тор, схема отношений, первый вход которой подключен к третьему входу устройства, и арифметический блок, причем входы последнего соединены с выходом первого регистра, с пеРвым 40 выходом амплитудно-временного селектора, с выходом схемы отношений, с первым выходом измерителя временных интервалов и с выходом схемы управления, выход которой подключен так же к входам схемы задержки импульсов и измерителя временных интервалов, к первым входам аналого-цифрового преобразователя и амплитудно-временного селектора, второй выход последнего соединен с вторым входом схемы управления, третий вход которой подключен к выходу схемы задержки импульсов, первые выходы масштабных усилителей подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, а вто 55 рые рыходы - к входам схемы отношений, последний вход которой соединен с вторым выходом измерителя временных .интервалов, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом амплитудно-временного селектора, выход арифметичесокго бло- . ка соединен с входами первого и второго регистров, выходы которых являются выходами .стройства. На чертеже приведена структурная схема устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема по мгновенным значениям амплитуд иэлученного и отраженного сигналов.Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема по максимальным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов содержит масштабные усилители 1 и 2, аналого-цифровой преобразователь 3, амплитудно-временной селектор 4, схему 5 отношений, измеритель б временных интервалов, схему 7 управления,схему 8 задержки импульсов, арифметический блок 9, первый регистр 10 и второй регистр 11.Устройство работает следующим образом.Входы масштабных усилителей 1 и 2 подключены параллельно к первому входу устройства. Первый вход схемы 7 управления подключен ко второму входу устройства, а первый вход схемы 5 отношений подключен к третьему входу устройства. Входы арифметического блока 9 соединены с выходом первого регистра 10, с первым входом амплитудно-временного селектора 4, с выходом схемы 5 отношений, с первым выходом измерителя б временных интервалов и с выходом схемы 7 управления, выход которой подключен также ко входам схемы 8 задержки импульсов и измерителя б временных интервалов, к первым входам аналого-цифрового преобразователя 3 и амплитудно-временного селектора 4, Второй выход последнего соединен со вторым входом схемы 7 управления, второй выход которой подключен к выходу схемы 8задержки импульсов . Первые выходы масштабных усилителей 1 и 2 подключены ко входам аналого-цифрового преобразователя 3, а вторые в . к входам схемы 5 отношения, последний вход которой соединен с вторым выходом измерителя временных интервалов б. Выход аналого-цифрового преобразователя 3 соединен со вторым входом амплитудно- временного селектора 4. Выход арифметического блока 9 соединен с входами первого и второго регистров 10 и 11, выходы которых являются выходами устройства.В процессе исследования грунта акустическими методами одним иэ наиболее, важных параметров, характеризующих свойства данного грунта является коэффициент отражения звуковых колебаний от границы раздела "водадно". Величина его определяется отношением амплитуд падающей (иэлученной) и отраженной звуковых волн по ФормулеоАеак Виогде Ао д и А"- максимальные мгновенные значенияамплитуд отраженного и излученного сигналов; Ви и Во - коэффициенты передачи амплитуд излученного и отраженного сигналов;- время распространения звуковыхколебаний по пути"излучатель-дноприемник" и от излучателя до приемника.Алгоритм, реализующий приведенную р и и515 О Формулу, заложен в основу предлагаемого устройства для определениякоэффициента отражения от дна водоема.20Устройство предназначено для совместной работы с акустической аппаратурой, с которой на вход 1 устройства подаются аналоговые сигналы спредварительного усилителя приемнойсистемы, на вход 3 - сигналы о коэффициентах передачи излученного и отраженного сигналов (К" и Ко),а навход 2 - командный имйульс, совпадающий по времени с созданием звуковойволны излучающим устройством.ЗОС входа 1 устройства сигналы сприемной системы акустической аппаратуры подаются одновременно на входы масштабных усилителей 1 и 2. Масштабный усилитель 1 служит для приведения максимальной величины амплитуды иэлученного сигнала к верхнемупределу диапазона преобразования аналого-цифрового преобразователя 3 путем установки соответствующего коэф Официента передачи. В масштабном усилителе 1 производится также формирование цифрового кода величины установленного коэффициента передачи излученного сигнала (Ки ).Масштабныйусилитель 2 используется для тех жецелей, только в нем приводится максимальная амплитуда отраженного отдна сигнала, и формируется код коэффициента передачи отраженного сигнала (Ко ). Приведенные аналоговыесигналы с выходов масштабных усилителей 1 и 2 подаются на аналого-цифровой преобразователь 3, на входекоторого установлен сдвоенный компаратор напряжения, управляеьый стробирующими импульсами со схемы 7 управления.Через вход 2 устройства командныйимпульс с акустической аппаратуры поступает на схему 7 управления, где вО по переднему Фронту этого импульсаФормируется команда начальной установки схем устройства и импульсы, эапуска аналого-цифрового преобразователя 3, измерителя временных интер валов б и схемы 8 задержки импульсов. Команда начальной установки подготавливает устройство к работе. Импульсызапуска, поступающие на аналого-цифровой преобразователь 3, разрешают преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды. Причем по командному импульсу производится преобразование сигналов, поступающих с масштабного усилителя 1, так как стробирующие импульсы со схемам 7 управления подаются на ту половину сдвоенного компаратора, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 1.Цифровые коды с аналого-цифрового преобразователя 3 подаются на амплитудно-временной селектор 4.По импульсу запуска схема 8 задержки импульсов обеспечивает задержки переднего Фронта командного импульса на два регулируемых раздельновременных интервала (й . н 13). В конце каждого интервала формируются импульсы, которые через схему 7 управления поступают на амплитудно-временной селектор 4, разрешая его работу. Так как при исследованиях грунтадна водоема акустическими методамирасстановка приемно-излучающей системы известна и известна примерно глубина водоема, то соответствующей установкой задержки переднего Фронта командного импульса исключается возможность ложного срабатывания устройства от помех возникающих в приемнойсистеме акустической аппаратуры на интервалах времени: от командного импульса до момента приема излученного сигнала и между излученным и отраженным сигналами. Другими словами, амплитудно-временной селектор 4 начинает работу с приходом импульсов со схемы 8 задержки импульсов, осуществляя тем самым селекцию сйгналов по времени. По этим же импульсам вамплитудно-временном селекторе 4 производится сравнение кодов текущих значений амплитуд преобразуемых сигналов с кодом заданного порога, при превышении которого амплитудно-временной селектор 4 переходит в режимвыделения кода максимального значения амплитудного сигнала. Выбор максимального кода производится путем анализа предыдущего и поступившего в данный момент кодов текущих значений амплитуд сигнала. При превышении предыдущего кода над поступившим в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается импульс максимума, и фиксируется код предыдущего значения. Импульсы максимумов с амплитудно- временного селектора 4 поступают на схему 7 управления.По первому импульсу максимума стробирующие импульсы переключаются на вторую половину сдвоенного компаратора аналого-цифрового преобраэова 949586теля 3, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 2, сиг-, нал с последнего преобразуется в цифровые коды и поступает на амплитудно-временной селектор 4.По командному импульсу на измери тель б временных интервалов подается последовательность импульсов со схемы 7 управления, и по первому импульсу максимума в измерителе временных интервалов формируется код временного интервала от командного импульса до момента выборки максимальной амплитуды излученного сигнала сСи ), а по второму импульсу максимума - код временного интервала от командного импульса до момента выборки максимальной амплитуды отраженного сигнала (со).Таким образом, по первому импуль- су максимума в амплитудно-временном селекторе 4 зафиксирован код максимальной амплитуды излученного сигнала А,х, по второму импульсу максимуима - код максимальной амплитуды отраженного сигнала А в измерителеоб временных интервалов по первому импульсу максимума зафиксирован код временного интервала С, а по второ-му импульсу максимума - код временного интервалаПри натурных исследованиях глуби- ЗО на водоема в районе работ может меняться в широких пределах, что обуславливает широкий диапазон изменениявеличины времени распространения звуковых колебаний Со. При сохранении одинаковой точности измерения величин си и со в результате измерений получается многоразрядный двоичный код Со и для выполнения вычислительных ойераций с укаэанным кодом тре буются, соответственно, многоразрядные вычислительные устройства, Чтобы уменьшить разрядность кода величины со, схема отйошений 5 производит вычйсление промежуточной величины45 Ви о Я =со - (В,=К; В,=КК,). о Так как В и Во изменяются ступенчато по закойу 2 (. - целое положи тельное или отрицательное число), топри указанном законе изменения коэффициентов передачи для нахожденияВотношения -". достаточно алгебраив,честного сложения показателей степени.За Вчет затухания энергии звуковыхколебаний при распространении в водеи поглощения части энергии донным грунтом амплитуда отраженного сигнала всегда меньше амплитуды излученного сигнала, соответственно Во больше Ви. В связи с этим величина отно- шения -, всегда меньше единицы и во 65 процессе умножения этого отношения на со уменьшается разрядность кода целой части произведения, т,е.Величина 6 находится сдвигом вправо всех разрядов кода с при этом число сдвигов равно алгебраической сумме показателей степени 2 коэффициентов передачи Во и В,В арифметическом блоке 9 по заФиксированным значениям кодов максимальных амплитуд излученного А" и отраженного А сигналов,а также йооизмеренному значению величины интервала Си и найденному значению промежуточной величинывычисляется коэфФициент отражения по формулеоАтеях еВычисленное значение коэффициента отражения записывается в регистр 11.Арифметический блок 9 вычисляет также среднее значение коэффициентов отражения за и зондирований при движении плавсредства, на котором установлена акустическая аппаратура, т.е. находится величинаФчпСреднее значение коэффициента отражения Ч записывается в регистр 10.Таким образом, приведение раздельно максимальных амплитуд излученного и отраженного сигналов к верхнему пределу диапазона преобразования аналого-цифрового преобразователя, где погрешность преобразования меньше, позволяет расширить диапазон принимаемых сигналов и увеличить точность преобразования аналоговых сиг- налов в цифровую форму. А так как в устройстве не производится коммутация аналоговых сигналов, то и не вносятся дополнительно помехи От переключения укаэанных сигналов, Временная селекция излученного и отражен-. ного сигнала исключает воэможность ложного срабатывания устройство от помех, возникающих в приемной системе в зонах отсутствия полезных сигналов, а амплитудная селекция позволяет производить уверенное выделение максимальных значений амплитуд, что, в конечном итоге, увеличивает точность определения коэффициента отражения от грунта дна водоемов.Преобразование величин коэффициентов передачи излученного и отраженного сигналов в цифровые коды и выполнениеарифметических операций в цифровом виде приводит также к увеличению точности вычисления коэффициента отражения. А вычисление промежуточной величины Е в схеме отношений уменьшает объем оборудования10 949586 формула изобретения 744/3 ясное арифметического блока за счет умень шения разрядности кода временного интервала до отраженного сигнала.Реализация алгоритма вычисления коэффициента отражения в цифровом виде позволяет получать результат вы числений с наперед заданной точностью. Усреднение величин коэффициентов отражения, найденных при каждом зондировании, уменьшает разброс указанных величин по профилю. 10 Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема, 15 содержащее два масштабных усилителя, подключенных параллельно к первому входу устройства, аналого-цифровой преобразователь, измеритель временных интервалов, схему управления, 2 О первый вход которой подключен к второму входу устройства, схему задержки импульсов и два регистра, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности определения 25 величины коэффициента отражения и сглаживания. указанной величины по профилю, в него введены амплитудно- временной селектор, схема отношений, первый вход которой подключен к третьему входу устройства, и арифметический блок, причем входы последнего соединены с выходом первогорегистра, с первым выходом амплитудно-временного селектора, с выходомсхема отношений, с первым выходомизмерителя временных интервалов и свыходом схемы управления, выход которой подключен также к входам схемызадержки импульсов и измерителя временных интервалов, к первым входаманалого-цифрового преобразователя иамплитудно-временного селектора,второй выход последнего соединен с вторым входом схемы управления, третийвход которой подключен к выходу схемы задержки импульсов; первые выходы .масштабнйх усилителей подключены квходам аналого-цифрового преобразователя, а вторые выходы - к входам схемы отношений, последний вход которойсоединен с вторым выходом измерителявременных интервалов; выход аналогоцифрового преобразователя соединен свторьм входом амплитудно-временногоселектора; выход арифметического блока соединен с входами первого и второго регистров, выходы которых являются выходами устройства.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Франции Р 1417192,кл. Е 21 В 49/00.2, Патент США 9 3555499,кл.340-3, опублик. 1978 прототип). нт", г, Ужгород, ул. Проектна