Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик л,Ф(22) Заявлено 2%1280 (21) 3226451/18-25 1311 М. Кл. з О 01 Ч 1/38 с присоединением заявки Мо Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 070682 ЪНаучно-производственное объединение фГео мыщцы 1 Н.М. Шагиев, Е.С. Иванов, К.Н. Пантюшов и В.М. Разбитной(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ОТ ДНА ВОДОЕМА Изобретение относится к поисково" разведочной геофизике и может быть использовано при инженерно-геологических исследованиях структуры пород, слагающих дно водоемов акустическими методами разведки.Известна аппаратура, измеряющая мгновенные амплитуды падающей и отраженной продольных волн и выделяющая иэ них реальную и мнимую часть комплексного коэффициента отражения от донного грунта на выбранной.частоте (1.Применяемые для зондирования дна импульсные сигналы имеют широкую полосу частот, и обеспечить постоянство мгновенных значений амплитуд иэлученного сигнала в узкой полосе частот от зондирования к.зондированию практически невозможно, А это, в свою очередь, порождает большой разброс текущих значений коэффициентов отражения от грунта дна, вычисленных по мгновенным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов на выбранной частоте.Наиболее близким к предлагаемому являетсяустройство, позволяющее определять коэффициент отражения от морского дна, предназначено для совместного использования с акустической аппаратурой и определяет повременным индикациям ослабление звуковых сигналов при их отражении отморского дна. Устройство содержитусилители, подключенные ко входуустройства, измеритель временныхинтервалов, схему управления, схему 10 задержки импульсов, элементы хранения кодов и аналого-циФровой преобразователь. Сигналы обрабатываютсяв аналоговом виде и полученная величина потерь преобразуется в цифровуюформу для вывода на дисплей 2).Недостатками данного устройстваявляются большой разброс величиныпотерь по профилю и нестабильностьпиковых значений амплитуд от зондирования к зондированию.Цель изобретения увеличение точности определения коэффициента отражения от дна водоема и уменьшениераэбросов текущих значений коэффициентов отражения от грунта с одними тем же литологическим составоми сглаживание указанных величин попрофилю.:Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для определения коэффициента отражения от днаводоема, содержащее первый и второймасштабные усилители, аналого-цифровой преобразователь, измерительвременных интервалов, схему управления,. схему задержки импульсов и пер"вый и второй регистры, при этом первый и второй масштабные усилителиподключены параллельно к первомунходу устройства, первые выходымасштабных усилителей подключены кпервому и второму входам аналогоцифрового преобразователя, первыйвход схемы управления подключен ковторому входу устройства, а выходсхемы управления соединен со входомсхемы задержки импульсов, нходом 15измерителя временных интервалов итретьим входом аналого-цифровогопреобразователя, выход схемы задержки импульсов подключен ко второмувходу схемы управления, выходы первого и второго регистров являютсявыходами устройства, дополнительновведены амплитудно-временной селек тор, схема отношений, схема задержки кодов, схема выбора длительностии арифметический блок, при этом первый вход схемы отношений подключенк третьему входу устройства, второйи третий входы - ко вторым выходаммасштабных усилителей, а последний,четвертый, вход схемы отношений соединен с выходом измерителя временныхинтервалов, входы арифметическогоблока соединены с выходами первогорегистра, схемы задержки кодов,схемы отношений и измерителя временныхинтервалов, с первым выходом амплитудно-временного селектора и выходомсхемы управления, выход которой подключен также к входу схемы выборадлительности и первым входам схемы 40задержки кодов и амплитудно-временного селектора, вторые входы которыхподсоединены к выходу аналого-цифрового преобразователя, второй выход амплитудно-временного селектора 45соединен с третьим входом схемы управления, а четвертый вход схемыуправления подключен к выходу схемывыбора длительности, выход арифметического блока соединен со входамипервого и второго регистров,На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема.Устройство для определения коэфФициента отражения от дна водоема содержит первый и второй 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, второй 65 регистр 11, схему 12 задержки кодов и схему 13 выбора длительности.Входы масштабных усилителей 1 и 2 подключены к первому входу устройства. Первый вход схемы 7 управления подключен ко второму входу устройства, а первый вход схемы 5 отношений соединенс третьим входом устройства. Входы арифметического блока 9 соединены с выходом первого регистра 10, с первым выходом амплитудно-временного селектора 4, с выходом схемы 5 отношений, с выходом измерителя б временных интервалов и с выходом схемы 7 управления,выход которой подклюЧен также ковходам схемы 8 задержки импульсов иизмерителя б временных интервалов,к третьему входу аналого-цифрового преобразователя 3 и первому входу амплитудно-временного селектора 4. Второй выход последнего соединен с третьим входом схемы 7 управления, второй вход которой подключен к выходу схемы 8 задержки импульсов,первые выходы масштабных усилителей 1 и 2 подключены ко входам аналогоцифрового преобразователя 3, а вторые выходы - ко второму и третьемувходам схемы 5 отношений, последний,четвертый, вход которой соединен с выходом измерителя б временных интервалов. Выход аналого;цифрового преобразователя 3 соединен параллельно со вторыми входами амплитудновременного селектора 4 и схемы 12 задержки кодов. Выход схемы 13 выбора длительности соединен с четвертым входом схемы 7 управления, выход которой подключен ко входу схемы 13 выбора длительности и к первому входу схемы 12 задержкико" дов, выход последней соединен с шестым входом арифметического блока 9Выход арифметического блока 9 соединен с входами первого и нторого регистров 10 и 11, выходы которых являются выходами устройства.В процессе исследования грунтадна Водоемов акустическими методами разведки одним из наиболее нажных параметров, характеризующих снойст" ва донного грунта, является коэффициент отражения звуковых колебанийот границы раздела фвода-дно. Величина его определяется по Формулегде Ви и ВО- коэффициенты передачиамплитуд излученного иотраженного сигналовсоответственно;и - время распространениязвуковых колебаний попути излучатель-дноприемник и от излучателя до приемника;В(0)о - автокорреляционная функция отраженного сигналапри нулевой задержке)В(0) - автокорреляционная функция иэлученного сигналапри нулевой задержке. 5Значения В(0)ои В(0)и равны соответственно энергиям отраженного и излученного сигналов, с точностью до постоянного множителя, и находятся путем накопления квадратов мгновен О ных значений амплитуд, т.е.МИ (оЦ(ЩИ= ( ,САиО и ЩО)о= М АоМИ 1=1 01=115 где Би и И - число выборок, участвую-.щих в накоплении квадратов амплитуд излученного и отраженногосигналов20 Аи(1) и А (1) - цифровые коды мгновенных значений амплитуд излученного иотраженного сигналовсоответственно.Алгоритм, реализующий приведенную формулу, заложен в основу данного устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема,Устройство предназначено для совместной работы сакустической аппаратурой, с которой на первый вход устройства подаются аналоговые сигналы с предварительного усилителя приемной системы, на третий вход - сигналы о коэффициентах передачи иэ- З 5 яученного и отраженного сигналов (К"и К), а на второй вход - комайдный ймпульс, совпадающий цо времени с созданием звуковой волны излучающим устройством. 40С первого входа устройства сигналы с приемной системы акустической аппаратуры подаются одновременно на входы масштабных усилителей 1 и .2. Масштабный усилитель 1 служит 45 для приведения максимальной величины амплитуды иэлученного сигнала к. верхнему пределу диапазона аналогоцифрового преобразователя 3 путем установки соответствующего коэффициента передачи. В масштабном усилителе 1 производится также формирование цифрового кода величины установ- ленного коэффициента передачи излученного синаа (Ки), Масштабный 55 усилитель 2 используется.для тех же. целей, только в нем приводится максимальная амплитуда отраженного от дна сигнала и формируется код коэффициента передачи отраженного сигнала (Ко). Приведенные аналоговые сигналы с выходов масштабных усилителей 1 и 2 подаются на аналого- цифровой преобразователь 3, на входе которого установлен сдвоенный компаратор напряжения, управляемый стро бирующими импульсами со схемы 7 управления.Через второй вход устройства командный импульс с акустической аппа" ратуры поступает на схему 7 управления, где по переднему фронту этого импульса формируются команданачальной установки схем устройства и импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 3, измерителя б временных интервалов, и схемы 8 задержки импульсов. Команда начальной установки подготавливает устройство к работе. Импульсы запуска, 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 схемы 7 управления подаются на ту половину сдвоенного компаратора, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 1. Цифровые коды саналого-цифрового преобразователя 3 подаются на амплитудно-временный селектор .4 и схему 12 задержки кодов.По импульсу запуска схема 8 задержки импульсов обеспечивает задержку переднего фронта командного импульса на два регулируемых раздельно временных интервала (СЗ 1 и з)В конце каждого интервала фоРмиРУются импульсы, которые через схему 7 управления поступают на амплитудно- временной селектор 4,. Разрешая его работу. Так как при исследованиях грунта дна водоема акустическими методами .расстановка приемно-излучающей системы известна и известна примерно глубина водоема, то соответствующей установкой задержки переднего фронта командного ивлпульса исключается воэможность ложного срабатывания устройства, от помех, возникающих в приемной системе акустической аппаратуры на интервалах времени от командного импульса до момента приема излученного сигнала и между иэлученным и отраженным сигналами. Другими словами,амплитудно-временной селектор 4 начинает работу с приходом импульсов со схемы 8 задержки импульсов, осуществляя тем самым селекцию сигналов по времени. По этим же импульсам в амплитудно-временном селекторе 4 производится сравнение кодов текущих значений амплитуд преобразуемых сигналов с кодом заданного порога, при превышении которого амплитудно-временной селектор 4 переходит в режим выделения кода максимального значения амплитуды сигнала. Выбор максимального кода производится путем анализа предыдущего и поступившего в данный момент кодов текущих зна 934410чений амплитуд сигнала. При превышении предыдущего кода над поступившим в амплитудно-временном се"лекторе 4 вырабатывается первый импульс максимума, который поступаетна схему 7 управления. В последнейпо первому импульсу максимума формируется команда, разрешающая считывание кодов текущих значений амплитуд излученного сигнала со схемы12 задержки кодов на арифметическийблок 9, и последовательность импульсов с частотой запуска аналого-цифрового преобразователя 3, котораяпоступает на схему 13 выбора длительности. 10 15 Схема 12 задержки кодов выполнена по принципу сдвиговых регистров,причем в ней предусмотрена регулировка времени задержки кодов путем выбора необходимого числа элементов хране ния кодов. Время задержки кодов задается равным дльрельности фронта излученного сигнала. По сигналу со схемы 7 управления схема 12 задержки кодов подает на арифметический блок 9 не код максимума иэлученного сигнала, а код амплитуды первого вступления фронта иэлученного сигнала и, таким образом, в вычислении авто- корреляционной функции излученного сигнала участвуют и коды амплитуд его переднего фронта. Арифметический блок 9 в процессе поступления кодов накапливает квадраты текущих значений амплитуд излученного сигнала, т.е. вычисляет Е А(1). Иэ последовательности импульсов, поступающих со схемы 7 управления на схему 13 выбора длительности, В последней формируется код текущего числа импульсов, который сравнивается с за ранее заданным кодом числа выборок текущих значений амплитуд излученного сигнала, необходимых для вычисления В(0) . При равенстве указанных кодов схема 13 выбора длительности 45 вырабатывает импульс конца обработки иэлученного сигнала, который поступает на схему 7 управления. По импульсу конца обработки излу О ченного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы 12 задержки кодов, запрещает подачу ,импульсов на схему 13 выбора длительности, переключает стробирующие 55 импульсы на вторую половину сдвоенного компаратора аналого-цифрового преобразователя 3, вход которого соединен с выходом масштабного усилите,ля 2, и формирует команду фКорень для арифметического блока 9. По команде фКорень арифметический блок 9 вычисляет значение квадратного корня автокорреляционной функции излученного сигнала при нулевой задержке, т.е. 5(0)и . Ь 5 По командному импульсу на измеритель б временных интервалов подается последовательность импульсов со схемы 7 управления, а по первому импульсу максимума в измерителе б временных интервалов формируется код временного интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплитуды излученного сигнала (1 и).По второму задержанному импульсу 3 амплитудно-временной селектор 4 переходит снова в режим выделения кода максимального значения амплитуды, но теперь уже отраженного сигнала. При выделении максимального кода в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается второй импульс максимума, который поступает на схему 7 управления, Далее устройство работает аналогично, как и после первого импульса максимума. Но теперь схема 13 выбора длительности при равенстве кода текущего числа импуль- сов с заранее заданным кодом числа выборок текущих значений амплитуд отраженного сигнала, необходимых для вычисления В(0)д, вырабатывает импульс конца обработки отраженного сигнала, который также поступает на схему 7 управления.По импульсу конца обработки отраженного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы 12 задержки кодов, запрещает подачу импуЛьсов на схему 13 выбора длительности, запрещает прохождение стробирующих импульсов на сдвоенный компаратор аналого-цифрового преобразователя 3 и формирует команду Вычисление для арифметического блока 9;Кроме того, по второму импульсу максимума схема 7 управления запрещает подачу последовательности импульсов на измеритель б временных интервалов, а в последнем формирует" ся код временного интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплитуды отраженного сигнала (1 р ).При натурных исследованиях глубина водоема в районе работ может меняться в широких прецелах, что обуславливает широкий диапазон изменения величины времени распространения звуковых колебаний о, При сохранении одинаковой точности измерения величин 1 д и 1 ц в результате измерений получается многоразрядный двоичный ксд о и для выполнения вычислительных операций с указанным кодом требуются, соответственно, многоразрядные вычислительные устройства. Чтобы уменьшить разрядность кода величины ео, схема отношенийпроизводит вычисление промежуточнойвеличины:- , где В=КК,а ВО=Кпз Ко.Ви и оВоТак как В, и Во изменяются ступенчато по закону 2 (1 - целое положительное или отрицательное число)то при укаэанном законе изменениякоэффициентов передачи для нахождения отношения ЬЬ достаточно алгебраического сложения показателейстепени,За счет затухания энергии звуковых колебаний при распространениив воде и поглощения части энергииданным грунтом амплитуда отраженного сигнала всегда меньше амплитудыизлученного сигнала, а Во больше В.соответственно. В связи с этим величина отношения Ви/Во всегда меньшеединицы в процессе умножения этогоотношения на Со уменьшается разрядность кода целой части произведения,т.е. Е . Величина Я находится сдвигом вправо всех разрядов кодапри этом число сдвигов равно алгебраической сумме показателей степени2 коэффициентов передачи Во и В,По команде Вычисление варифметическом блоке вначале производится вычисление значения квадратногокорня автокорреляционной функцииотраженного сигнала при нулевой задержке, т.е. ГЕ(0)а затем ао зафиксированному значению величины 1 ии найденному значению промежуточнойвеличины Е производится вычислениекоэффициента отражения от грунтадна водоема по ормулей (О)оВычисленйое значение коэффициен"та отражения Ч записывается в регистр 11.АриФметический блок 9 вычисляеттакже среднее значение коэффициентовотражения за п,зондирований.при движении плавсредства, на котором установлено устройство с акустическойаппаратурой, т.е, находится величина 10 15 20 25 30 Формула изобретения Йч,. М: )65 указанных величин по профилю, в устСреднее значение коэффициента отражения Ч и промежуточные результаты вычисления хранятся.в регистре 10.Приведение раздельно максимальных амплитуд излученного и отраженного сигналов к верхнему пределу диапазона преобразования аналогоцифрового преобразователя, где, как известно, погрешность преобразования меньше, позволяет расширить диапазонпринимаемых сигналов и увеличить точность преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.Временная селекция излученного иотраженного сигналов исключает возможность ложного срабатывания устройства от помех, возникающих вприемной системе, в зонах отсутствияполезных сигналов, а амплитуднаяселекция позволяет производить уверенное выделение максимальных значений амплитуд, что в конечном итоге увеличивает точность определениякоэффициента отражения от грунтаднаПредставление величин коэффициентов передачи излученного и отраженного сигналов в цифровой формеи выполнение арифметических операций с кодами также увеличивает точность определения коэффициента отражения. Вычисление промежуточнойвеличины 6 в схеме отношений уменьшает объем оборудования арифметического блока. Определение коэффициентаотражения по отношению средних суьюквадратов амплитуд излученного иотраженного сигналов уменьшает разброс текущих значений коэфФициентовотражения от грунта с одним и тем желиталогическим составом. Усреднение по и зондированиям величин коэффициентов отражения, найденных прикаждом зондировании, уменьшает .разброс указанных величин.по профилю. З 5 Устройства для определения коэффициента отражения ат дна водоема,содержащее первый и второй масштабные усилители,.аналого-цифровойпреобразователь, измеритель временных 40.интервалов, схему управления, схемузадержки импульсов и первый и второйрегистры, при этом первый и второймасштабные усилители подключены параллельно к первому входуустройства,первые выходы масштабных усилителейподключены к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя, первый вход схемы управленияподключен ка второму входу устройства, а выход схемы управления соеди 50 нен с входом схемы задержки импульсов, входом измерителя временныхинтервалов и третьим входом аналого. цифрового преобразователя, выходсхемы задержки импульсов подключенко второму входу схемы управления,выходы первого и второго регистровявляются выходами устройства, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью увеличения точности определе ния коэффициента отражения от днаводоема и уменьшения разбросав текущих значений коэффициентов отражений от грунта с одним и тем же лито-,лбгическим составом и сглаживания3930/42 Тираж 717 Подпи ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.иал ППП фПатентфф, г. Ужгород, ул. Проектная,ройство дополнительно введены амплитудно-временной селектор, схема отношений, схема задержки кодов, схемавыбора длительности и арифметическийблок, при этом первый вход схемыотношений подключен к третьему входу устройства, второй и третий входы " ко вторым выходам масштабныхусилителей, а последний, четвертый,вход схемы отношений соединен с выходом измерителя временных интерва Олов, входы арифметического блокасоединены с выходами первого регистра, схемы задержки кодов, схемыотношений и измерителя временныхинтервалов,с первым выходом амплитудно-временного селектора и выходом схемы управления, выход которойподключен также к входу схемы выбора длительности и первым входамсхемы задержки кодов и амплитудновременного селектора, вторые входыкоторых подсоединены к выходу аналого-цифрового преобразователя, второйвыход амплитудно-временного селектора соединен с третьим входом схемыуправления, а четвертый вход схемыуправления подключен к выходу схемывыбора длительности, выход арифметического блока соединен с входамипервого и второго регистров. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США 9 3346067,кл,73-555,опублик. 1967. 2, Патент США 9 3555499,кл.340-3,опублик. 1971 (прототип),