Параметрический эхоледомер

 

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения льда на поверхности воды, измерения толщины льда и регистрации профиля нижней кромки льда с подводного аппарата. Цель изобретения - повышение надежности обнаружения льда на поверхности воды и увеличение достоверности результатов измерений толщины льда. Эхоледомер содержит синхронизатор 1, генератор 2 радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, коммутатор 3 прием/излучения, высокочастотную обратную антенну 4, низкочастотную приемную антенну 5, первый селективный усилитель 6, фазовый детектор 7, селективный усилитель 8, квадратичный детектор 9, фильтр 10 нижних частот, схему 11 усреднения, формирователь 12 импульсов, регистратор 13, первый усилитель-ограничитель 14, первый детектор 15, второй усилитель-ограничитель 16, второй детектор 17, схему 18 совпадения, второй формирователь 19 и ключ 20. Обнаружение льда на поверхности воды осуществляется путем различия эхо-сигналов от границ раздела вода /лед и вода/ воздух. Различие эхо-сигналов достигается тем, что при отражении от границы вода/ воздух фаза отраженной волны инвертируется, а от границы вода/ лед отражение волны происходит без изменения фазы. Для измерения фазы используется опорный сигнал. 3 ил.

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения льда на поверхности воды, измерения толщины льда и регистрации профиля нижней кромки льда с подводного аппарата. Возможно использование локаторов в геолокации при определении толщины слоев донных отложений, в медицине, в устройствах неразрушающего контроля. Преимущественное использование - гидроакустика.

Известно устройство для измерения толщины льда, устанавливаемое на подводных лодках. В верхней части подводной лодки установлен эхолот, ориентированный акустической осью вверх и излучающий в воду два акустических сигнала, первый из которых имеет первую высокую частоту и промодулирован по амплитуде, второй сигнал непрерывен во времени, немодулирован и имеет вторую высокую частоту. В результате нелинейного взаимодействия амплитудно-модулированного сигнала с массой воды в среде создается акустическая энергия с частотой модуляции, которая распространяется через слой льда над водой и отражается от поверхности раздела лед/воздух. Сигнал с первой высокой частотой после отражения от поверхности раздела вода/лед принимается эхолотом. Сигнал с второй высокой частотой после отражения от граница вода/лед нелинейно взаимодействует в воде с отраженным сигналом модуляционной частоты. В результате по обе стороны от второй высокой частоты образуются боковые полосы частот и формируется частотно-модулированный сигнал второй высокой частоты, который используется для выделения сигнала модуляционной частоты, отразившегося от поверхности раздела лед/воздух. Временной интервал между моментами приема сигналов первой высокой частоты и второй высокой частоты с частотной модуляцией, измеряется и на основании измеренного временного интервала определяется толщина льда [1].

Наиболее близким по технической сущности техническим решением к заявляемому устройству является двухчастотный эхоледомер. Для измерения толщины льда в нем используются две частоты излучения - низкая и высокая. Эхоледомер содержит синхронизатор, соединенный с генератором низкочастотных радиоимпульсов и генератором высокочастотных радиоимпульсов, которые нагружены соответственно на низкочастотную (НЧ) обратимую акустическую антенну и высокочастотную (ВЧ) обратимую акустическую антенну, последовательно соединенные первый резонансный усилитель, подключенный к НЧ-антенне, первый усилитель, первый блок измерения дальности и двухканальный регистратор, последовательно соединенные второй резонансный усилитель, подключенный к ВЧ-антенне, второй усилитель и второй блок измерения дальности, нагруженный на второй вход двухканального регистратора, вторые входы блоков измерения дальности соединены с синхронизатором [2].

Недостатком известного технического решения является низкая надежность обнаружения льда на поверхности воды. Это обусловлено невозможностью однозначного определения характера отражающей поверхности.

Целью изобретения является повышение надежности обнаружения льда на поверхности воды и увеличение достоверности результатов измерения толщины льда.

Цель достигается тем, что в эхоледомер, содержащий синхронизатор, низкочастотную приемную антенну, соединенную с первым селективным усилителем, второй селективный усилитель, высокочастотную обратимую антенну и регистратор, дополнительно введены генератор радиоимпульсов с двухчастотным заполнением и коммутатор прием/излучение, включенные последовательно между синхронизатором и высокочастотной обратимой антенной, последовательно соединенные квадратичный детектор, фильтр нижних частот, фазовый детектор, схему усреднения и первый формирователь импульсов, включенные между выходом второго селективного усилителя, подключенного к второму выходу коммутатора прием/излучение, и регистратором, второй формирователь импульсов и ключ, включенные последовательно между выходом первого селективного усилителя, подключенного к второму входу фазового детектора и регистратором, последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель, первый детектор и схема совпадения, включенные между выходом первого селективного усилителя и ключом, последовательно соединенные между выходом второго селективного усилителя и схемой совпадения, второй усилитель-ограничитель и второй детектор, синхронизатор соединен с регистратором.

На фи г. 1 приведена структурная схема предлагаемого эхоледомера; на фиг. 2 - примерная запись подводного рельефа льда и свободной поверхности воды; на фиг. 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу эхоледомера.

Параметрический эхоледомер состоит из включенных последовательно синхронизатора 1, генератора 2 радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, коммутатора 3 прием/излучение и высокочастотной обратимой антенны 4, включенных последовательно низкочастотной приемной антенны 5, первого селективного усилителя 6, и фазового детектора 7, включенных последовательно между коммутатором 3 и фазовым детектором 7 второго селективного усилителя 8 квадратичного детектора 9 и фильтра 10 нижних частот, соединенных последовательно схемы 11 усреднения, подключенной к фазовому детектору 7, первого фоpмирователя 12 импульсов и регистратора 13, последовательно соединенных первого усилителя-ограничителя 14, подключенного к выходу селективного усилителя 6 и первого детектора 15, последовательно соединенных второго усилителя-ограничителя 16, подключенного к выходу селективного усилителя 8, второго детектора 17 и схемы 18 совпадения, второй вход которой соединен с детектором 15, и нагруженных на регистратор 13, последовательно соединенных между выходами селективного усилителя 6 и регистратором 13 второго формирователя 19 и ключа 20. Синхронизатор 1 соединен с ключом 20.

На фиг. 2 показаны следующие обозначения: 21 - излучаемый импульс и начало развертки регистратора; 22 - короткими отметками показана свободная от льда поверхность воды; 23 - протяженными отметками показана граница вода/лед; 24 - промежуточными по протяженности отметками показана граница лед/воздух. В случае использования цветного индикатора отметки 22 - 24 имеют различный цвет, протяженность отметок может быть одинаковой. Осью ОН обозначено направление вертикально вверх, в сторону льда.

Работает схема следующим образом.

Синхронизатор 1 посредством коротких однополярных импульсов V₁ запускает развертку регистратора 13 и генератор 2 радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, на выходе которого вырабатываются радиоимпульсы V₂. Напряжение V₂ проходит коммутатор 3 прием/излучение, подается на высокочастотную обратимую антенну 4, резонансная частота которой равна f_o=(f₁+f₂)/2 и в виде двухчастотной акустической волны излучается в воду. Из-за квадративного характера нелинейности среды нелинейное взаимодействие между спектральными составляющими с частотами f₁ и f₂ приводит к генерации волны с разностной частотой F= f₂-f₁. Исходная двухчастотная волна и волна разностной частоты (ВРЧ), распространяясь коллинеарно, отражаются от подводного препятствия с акустическим импедансом Z₂. Если в качестве препятствия оказывается лед, импеданс которого Z₂ больше импеданса воды Z₁ (Z₂ > Z₁), то отражение обеих волн происходит без изменения фазы. Если в качестве препятствия оказывается граница с воздухом, импеданс которого Z₂ меньше импеданса воды Z₁ (Z₂<), то фазы обеих волн изменяются на 180^о, причем фаза огибающей не изменяется при любых соотношениях Z₁ и Z₂. Эхо-сигналы ВРЧ принимаются низкочастотной приемной антенной 5, проходят селективный усилитель 6, настроенный на частоту F, и в виде напряжения V₃ поступают на первый вход фазового детектора 7. Высокочастотные эхо-сигналы принимаются высокочастотной обратимой антенной 4, проходят через коммутатор 3 на вход селективного усилителя 8, настроенного на частоту f_o=(f₁+f₂)/2 и после усиления появляются на выходе усилителя в виде напряжения V₄. Напряжение V₄ поступает на квадратичный детектор 9, на выходе которого формируется опорный сигнал, частота которого вдвое больше частоты модулирующей функции исходного сигнала, т.е. с частотой 2 ˙ (F/2)= F. Сигнал V₅ частотой F поступает на второй вход фазового детектора 7. На выходе фазового детектора 7 вырабатывается однополярный сигнал V₆, полярность которого определяется значением фазы коэффициента отражения границы раздела сред: при ϕ =0 V₆ > 0, при ϕ = 180^о V₆ < 0. После устранения в схеме 11 усреднения флуктуаций амплитуды V₆, которые вызваны интерференцией эхо-сигналов от различных зеркальных точек отражающей поверхности, сигнал V₇ поступает на первый формирователь 12 импульсов. На его выходе формируются импульсы V₈, длительность которых определяется полярностью напряжения V₇, длительность импульса τ₁ соответствует случаю V₇ > 0, а τ₂ соответствует случаю V₇ < 0, где τ₁> > τ₂. Напряжение V₈ поступает на регистратор эхо-сигналов 13, где отображается рельеф нижней поверхности льда (в случае его наличия), и посредством меток различной протяженности отмечаются участки, покрытые льдом (23 на фиг. 2), либо свободные от него (22 на фиг. 2). С выходов селективных усилителей 6 и 8 напряжения V₃ и V₄ поступают на усилители-ограничители 14 и 16, с выходов которых сигналы поступают на детекторы 15 и 17. С выходов детекторов 15 и 17 однополярные импульсы V₁₀ и V₁₁ поступают на входы схемы 18 совпадения, на выходе которой вырабатывается импульс V₁₂, длительность которого соответствует длительности эхо-сигнала от нижней поверхности льда. Сигнал V₁₂ запирает ключ 20, через который на регистратор 13 поступают эхо-сигналы V₁₃ от верхней поверхности льда, на время приема и отображения в регистраторе эхо-сигнала V₈ от нижней поверхности льда. Эхо-сигналы от верхней поверхности льда с выхода усилителя 6 поступают на второй формирователь 19 импульсов, вырабатывающий на выходе сигналы V₉ с длительностью τ₃, отличной от τ₁ и τ₂, для отображения верхней поверхности льда (фиг. 2 - отметки 24). Толщина льда определяется по расстоянию между отметками 23 длительностью τ₁ и отметками 24 длительностью τ₃. Промежуток между отметками с равными длительностями, 24 и 25 - на фиг. 2, во внимание не принимается, так как отметки 25 характеризуют внутреннюю структуру льда (трещины).

Использование различения эхо-сигналов от границ раздела вода/лед и вода/воздух позволяет с высокой надежностью обнаруживать лед на поверхности воды и повышать достоверность результатов измерения толщины льда, так как при этом однозначно определяется местонахождение нижней границы льда, служащей началом отсчета при измерении его толщины.

Формула изобретения

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛЕДОМЕР, содержащий синхронизатор, низкочастотную приемную антенну, соединенную с первым селективным усилителем, второй селективный усилитель, высокочастотную обратимую антенну и регистратор, отличающийся тем, что в него введены генератор радиоимпульсов с двухчастотным заполнением и коммутатор прием/излучение, включенные последовательно между синхронизатором и высокочастотной обратимой антенной, последовательно соединенные квадратичный детектор, фильтр нижних частот, фазовый детектор, схема усреднения и первый формирователь импульсов, включенные между выходом второго селективного усилителя, подключенного ко второму выходу коммутатора прием/излучение, и регистратором, второй формирователь импульсов и ключ, включенные последовательно между выходом первого селективного усилителя, подключенного к второму входу фазового детектора, и регистратором, последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель, первый детектор и схема совпадения, включенные между выходом первого селективного усилителя и ключом, последовательно соединенные между выходом второго селективного усилителя и схемой совпадения второй усилитель-ограничитель и второй детектор, синхронизатор соединен с регистратором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3