Эхолот

 

1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну , приемник, отсчетный 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-иэлучающей 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 о счетного 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 интервал , а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и i хранения. 2.Эхолот ПОП.1, отличаю (Л щийся 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, Сл второй вход которой и вход упомянутого счетчика подключены к выхо4 ду первой схемы совпадения. эо 3.Эхолот ПОП.1, отличающийся тем, что вычислитель о ;о текущего среднего содержит кольцевой счетчик с дешифратором, массив ячеек памяти, сумматор и умножитель на постоянный коэффициент, при этом тактовые входы счетчика и ячеек па мяти 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 которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5g С 01 Я 7/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3313048/40-23 (22) 06.07.81 (46) 15.11.83. Бюл. Р 42 (72) О.К. Кочергин (71) Новосибирский электротехнический институт (53) 623.4.0234 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 315138, кл. G 01 S 11/00, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 441537, кл. G 01 5 11/00, 1972 (прототип). (54) (57) 1. ЭХОЛОТ, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный генератор, приемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный 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, о т л и ч а юшийся 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 (19) S (И) А 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 интервал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и хранения.

2. Эхолот по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что селектор импульсных помех содержит последовательно соединенные элемент задержки, одно.вибратор, 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 выходу первой схемы совпадения.

3. Эхолот по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что вычислитель 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 дев.ифратора кольцевого счетчика, информационные входы ячеек памяти соединены, а выходы их подключены к входам сумматора, выход которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент..

1054809 тельно 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 цифроаналогового преобразователя подключен к вторым входам компаратора и каскада выборки и хранения, связанного своим выходом с вторым входом преобразователя напряжения во временной интервал, а выход каскада регистрации пропущенных импульсов подключен к третьему входу каскада выборки и хранения.

Кроме того, 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 подключены к выходу первой схемы совпадения.

При этом вычислитель 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 которого заведен на вход умножителя на постоянный коэффициент.

На чертеже показана схема предлагаемого эхолота.

Эхолот содержит синхронизирующее устройствс 1, импульсный генератор

2, преобразователь напряжения во временной интервал (ПНВИ) 3, приемноизлучающую, антенну 4, приемник 5, отсчетный RS-триггер б, селектор импульсных помех 7, каскад регистрации пропущенных импульсов (КРПИ)

8, вычислитель текущего среднего (BTC) 9, двоичный счетчик 10,цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

11, регистрирующий прибор 12,блок цифровой обработки (ВЦО) 13, ком10

Изобретение относится к гидролокации, а именно к измерителям глубины.

Известен эхолот для определения профиля дна, содержащий синхронизирующее устройство, генератор мощности, пьезовибратор (приемоизлучатель), приемник, отсчетный триггер, каскад регистрации пропущенных импульсов, самопишущий прибор, электронный переключатель и фильтр нижних частот (1) .

Недостатком указанного эхолота является низкая помехозащищенность, что проявляется в искажении записи профиля дна. 15

Наиболее близким к предлагаемому является эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, подключенное к генератору мощности и преобразователю напряжения во временной интервал, и пьезовибратор, поДсоединенный к выходу генератора мощности и к входу приемного тракта. К выходу приемного тракта подключено отсчетное устройство, состоящее из статического триггера, электронного переключателя, каскада регистрации пропущенных импульсов и самоцишущего прибора, подключенного к выходу триггера через последовательно соединенные фильтр нижних частот и электронный переключатель. Вход по постоянному току преобразователя напряжения во временной интервал соединен с выходом Фильтра

Недостатком этого эхолота является большая погрешность измерения глубины, обусловленная воздействием импульсных помех на оконечное устройство эхолота, а также динамическими погрешностями, причиной возник- 40 новения которых является интегрирование функции, описывающей профиль дна.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения глубин 45 путем уменьшения динамической и случайной погрешностей.

Укаэанная цель достигается тем, что в эхолот, содержащий синхронизирующее устройство, импульсный 50 генератор, приемно-излучающую антенну, приемник, отсчетный 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 приемноизлучающей антенне, вход импульсного генератора и преобразователя напря.жения во временной интервал подсоединены к первому выходу синхронизирующего устройства, введены последова- 65

1054809

50 периодически (вернее квазипериодически) с интервалом времени

Тд = 1/f» т.е. с интервалом равным периоду повторения зондирукщих импульсов.

65 паратор 14, каскад выборки и хранения (КВХ) 15, элемент задержки 16, одновибратор 17, первую схему совпадений И 18, счетчик числа повторяющихся подряд совпадений 19, дешифратор 20, вторую схему совпадений И

21, 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 периодически запускаются импульсный генератор 2 15 и ПНВИ 3. Импульсный генератор 2 возбуждает приемно-излучающую антенну 4, которая излучает ультразвуковой (зондирующий) импульс в направлении дна. 20

ПНВИ 3 вырабатывает прямоугольные строб-импульсы напряжения по длительности пропорциональные удвоенному времени распространения ультразвукового импульса в направлении дна. 25

Этими импульсами осуществляется стробирование приемника: отсчетный

RS-триггер 6 опрокидывается в состояние Логической единицы и удерживается в этом состоянии до доступления отраженного импульса. Следящий стробимпульс подавляет импульсную помеху, концентрирующуюся в начале периода около зондирующего импульса и распределенную по плотности во времени, примерно, по экспоненциальному закону, "Протяженность" этой помехи по глубине составляет (для плоскодонных судов) 1-2 м.

Отраженные от дна импульсы преобразуются приемно-излучающей антен- 40 ной 4 в электрические колебания,усиливаются, детектируются приемником и поступают на R-вход отсчетного

RS-триггера 6, возвращая его в исходное состояния. Поскольку эти 45 процессы повторяются периодически, то на выходе отсчетного RS-триггера

6 существует периодическая последовательность прямоугольных импульсов напряжения, длительность которых прямо пропорциональна глубине под вибратором. Из этих прямоугольных импульсов формируются (например, путем дифференцирования) короткие импульсы, временное голожение которых совпадает с временным положением отраженных. Эти импульсы поступают на вход селектора импульсных помех 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 П П 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 L — глубина под вибратором (при емо-излучателем);

V — скорость распространения ультразвука 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, n = 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" KovilBратор 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, обусловлен1054809 ных 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, m импульсов.

Этим сигналом осуществляется стробирование и медленный сброс показаний KBX 15, Алгоритм обработки сигнала в

BTC 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 суммы где 4 (t) - полезный сигнал;

N(t) — помеха с нулевым математическим ожиданием; дискретное время.

Помеха (шум) обусловлена процессом суммирования составляющих сигналов со случайными фазами и амплитудами, Воздействуя на сигнал оператором текущего среднего S, который реализован в ВТС

f, 4л1,зла;-a <+ + i

Э получаем где f — i òûé отсчет глубины, gi"(t) - 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 два периода повторения зондирующих импульсов. Значение глубины на выходе BTC в данный момент равно сглаженному значении глубины в (i-3)-й период, т.е.

Селектор импульсных помех 7 можно отнести к дискретным (цифровым) фильтрам. Принцип его работы основан на использовании признака квазипериодичности: сигнал представляет собой серий импульсов, разделенных интервалами «равными периоду повторения Т> . 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 равДля интенсивности помех 20 имп./ период и для длительности строба

tz p = T„/1024, F = 10 . Поэтому, несмотря на то, что счетчик может успеть зарегистрировать два совпадения подряд, в 3-м периоде происходит обнуление счетчика зондирующим (синхронизирующим) импульсом, и схема И 21 остается закрытой для помехи. Импульсы обнуления (сброса) поступают на вход "Сброс" счетчика

19 с второго выхода синхрониэирующего устройства один раз эа три периода.

Таким образом, селектор импульсных помех обладает хорошей селективностью и, в случае пропуска отраженного импульса, предотвращает про— ная периоду повторения зондирующих импульсов Т . Чтобы получить малую вероятность ложной тревоги и исключить пропуски сигнала, вызванные проявлением эффекта квазипериодичности, в устройство введены одновибратор и счетчик числа повторяющихся подряд совпадений.

Селектор импульсных помех 7 работает следующим образом.

С выхода отсчетного RS-триггера 6 отраженный импульс поступает на вход элемента задержки

16 и, пройдя элемент эадержки,запускает одновибратор 17, который генерирует строб-импульс. Стробимпульс поступает на один вход схемы И 18, на другой вход которой поступают неэадержанные импульсы. Если импульсы следуют с кн20 тервалом Ти, то они проходят на выход схемы И 16. Импульсы помехи подавляются, так как интервалы между ними случайны и неравны Т .Счетчик числа совпадений 19 подсчитыва25 ет количество импульсов, появившихся на выходе схемы И 18. Их должно быть три за три периода (число задается), Число три, появившееся на выходе счетчика 19, преобразуется дешифраg0 тором 20 в перепад напряжения, который открывает схему И 21. Третий по счету импульс проходит через схему И 21 на выход селектора импульсных помех.

B случае пропадания (обусловленного условиями распространения ультразвука в воде) отраженного импульса на выходе отсчетного RS-триггера 6 наблюдаются импульсы помехи, распределенные во времени по случайному закону. Вероятность появления на интервале строба двух импульсов подряд равна Р. Тогда вероятность ложной тревоги — вероятность совпадения подряд в трех периодах

45 г=р =р.

Г = 1

1054809

Составитель В. Зерюкаев

Техред N.Koñòèê Корректор A. Повх

Редактор А, Гулько

Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035 р Москва Ж 35 Раушская наб д 4/5

Заказ 9101/53

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 хождение помех на вход в ВТС, тем самым исключает искажения вычисленного результата. Во время отсутствия

:(пропуска) отраженного импульса результат, вычисленный ВТС, сохраняется прежним до момента появления отраженного импульса. Происходит интерполирование 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.