Эхолокатор

 

Изобретение относится к звуковой и ультразвуковой технике и может быть использовано для эхолокационного акустического измерения расстояний в газовой среде, в жидкостях и твердых телах. Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и улучшение распознавания регистрируемых эхосигналов. Эхолокатор содержит электроакустический преобразователь, соединенный через коммутатор с выходом импульсного генератора и входом усилителя. Коммутатор переключает электроакустический преобразователь с измерения на прием. Эхолокатор также содержит управляемый по частоте автогенератор, к выходу которого подключен формирователь циклически повторяющегося кода, соединенный с формирователем импульсов синхронизации и с формирователем строб-импульсов, к управляющим входам автогенератора подключен блок коррекции частоты автогенератора. Выход формирователя импульсов синхронизации соединен с входом импульсного генератора и входом блока временной автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя. Выход формирователя строб-импульсов соединен через многопозиционный переключатель измерения интервалов с входом стробирования многоканального аналогового мультиплексора. Выходы формирователя циклически повторяющегося кода соединены через многопозиционный переключатель измеряемых интервалов с входами управления многоканального аналогового мультиплексора. Выход усилителя соединен с входом детектора, выход которого соединен с сигнальным входом многоканального аналогового мультиплексора, выходы которого соединены с входами N ячеек памяти, выходы которых соединены с выводами N дискретных источников световых сигналов индикатора дальности. Цель изобретения достигается тем, что в эхолокатор дополнительно введены формирователь циклически повторяющегося кода, формирователь импульса синхронизации, блок временной автоматической регулировки усиления, многоканальный аналоговый мультиплексор, детектор, N ячеек памяти. 2 ил.

Изобретение относится к звуковой и ультразвуковой технике и может быть использовано для эхолокационного акустического измерения расстояний в газовой среде, в жидкостях и твердых телах.

Известны дефектоскопы, принцип действия которых основан на эхо-методе, эхолоты и гидролокаторы с временной разверткой принятых эхо-сигналов на экране электронно-лучевой трубки, позволяющие производить измерения расстояний до нескольких отражающих, попадающих в зону приема этих устройств, объектов одновременно и производить сравнительную оценку эхо-сигналов по интенсивности.

Недостатками этих устройств являются большое энергопотребление, большие габариты и вес.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, предназначенное для эхолокационного контроля скважин, содержащее электронно-акустический блок, вычитающий импульсный генератор и усилитель, подключенный через коммутатор к электроакустическому преобразователю, индикатор дальности, состоящий из последовательно соединенных схемы возбуждения световых сигналов и дискретных источников световых сигналов, подключенных своим сигнальным входом к выходу усилителя, синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блока коррекции частоты коммутации, автогенератора сигналов коммутации, управляемого делителя частоты коммутации, распределителя сигналов коммутации, выходы которого соединены с дискретным источником света, и пересчетной схемы, выход которой соединен с входом запуска импульсного генератора, формирователя цифровых кодов измеряемых интервалов, формирователя цифровых кодов циклов срабатывания синхронизатора, блока равнозначности цифровых кодов, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходами указанных формирователей, а выход - с входом управления индикатора дальности, переключателя измеряемых интервалов, соединенного с управляемым делителем частоты коммутации, пересчетной схемой и формирователем цифровых кодов измеряемых интервалов. Данное устройство позволяет производить измерения расстояний до нескольких отражающих объектов, попадающих в зону приема эхолокатора, одновременно и производить сравнительную оценку эхо-сигналов по интенсивности свечения дискретных источников света.

Однако такое устройство обеспечивает ограниченную разрешающую способность. Это определяется тем, что яркость свечения дискретных источников световых сигналов, воспринимаемая человеческим глазом, в данном устройстве определяется скважностью эхо-сигналов, а так как длительность эхосигналов обычно равна длительности зондирующих импульсов, то и скважностью зондирующих импульсов. Распознавание регистрируемых эхо-сигналов в данном устройстве возможно лишь при условии малой скважности, что автоматически приводит к малой разрешающей способности. Но и при малой скважности зондирующих импульсов яркость свечения дискретных источников световых сигналов, воспринимаемая человеческим глазом, будет в скважность раз меньше пиковой яркости этих источников света, что не обеспечивает уверенного распознавания регистрируемых эхосигналов и приводит к необходимости применения специальных конструктивных элементов, затемняющих индикатор дальности от внешней подсветки, например тубуса. Применение тубуса приводит также к известному неудобству работы оператора с прибором, так как снятие показаний необходимо производить с близкого от индикатора дальности расстояния.

Необходимое условие малой скважности для данного устройства приводит также, как следствие, к увеличению потребляемой мощности от источника энергопитания, так как генератор зондирующих импульсов является самым, или одним из самых, энергоемких узлов данного устройства.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и улучшение распознавания регистрируемых эхо-сигналов.

Цель достигается тем, что в эхолокатор, содержащий импульсный генератор и усилитель, подключенный через коммутатор к электроакустическому преобразователю, автогенератор, переключатель измеряемых интервалов, индикатор дальности, содержащий N дискретных источников световых сигналов, блок коррекции частоты автогенератора, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, введены формирователь циклически повторяющегося кода, формирователь импульсов синхронизации, формирователь строб-импульсов, блок временной автоматической регулировки усиления, многоканальный аналоговый мультиплексор, детектор, N ячеек памяти.

Сопоставимый анализ заявляемого изобретения показывает, что предлагаемое устройство отличается от прототипа наличием вновь введенных дополнительных устройств: формирователя циклически повторяющегося кода, формирователя импульсов синхронизации, формирователя строб-импульсов, блока временной автоматической регулировки усиления, многоканального аналогового мультиплексора, детектора, N ячеек памяти и их связями с остальными устройствами эхолокатора. Совокупность перечисленных признаков, отличающих предлагаемый эхолокатор от прототипа, не выявлена в других технических решениях при изучении данной области техники и, следовательно, обеспечивает заявленному эхолокатору соответствие критерию "Новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение дополнительных устройств в предлагаемый эхолокатор в указанных связях с остальными устройствами вышеуказанного эхолокатора придают заявляемому эхолокатору новые свойства, способствующие увеличению разрешающей способности и улучшению распознавания регистрируемых эхо-сигналов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия (причем t₁, t₂,...,t_n - моменты времени, соответствующие характерным изменениям состояния эхолокатора, а цифры слева от диаграммы соответствуют номерам элементов эхолокатора на фиг. 1).

Эхолокатор содержит электроакустический преобразователь 1, соединенный через коммутатор 2 с выходом импульсного генератора 3 и входом усилителя 4. Коммутатор 2 обеспечивает совмещение функций излучателя и приемника акустических импульсов в одном электроакустическом преобразователе 1. Эхолокатор также содержит управляемый по частоте автогенератор 5, к выходу которого подключен формирователь 6 циклически повторяющегося кода, соединенный с формирователем 7 импульсов синхронизации и формирователем 8 строб-импульсов. К управляющему входу автогенератора 5 подключен блок 9 коррекции частоты автогенератора. Выход формирователя 7 импульсов синхронизации соединен с входом импульсного генератора 3 и входом блока 10 временной автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя 4, выход формирователя 8 строб-импульсов соединен через многопозиционный переключатель 11 измеряемых интервалов с входом стробирования многоканального аналогового мультиплексора 12, выходы формирователя 6 циклически повторяющегося кода соединены через многопозиционный переключатель 11 измеряемых интервалов с входами управления многоканального аналогового мультиплексора 12. Выход усилителя 4 соединен с входом детектора 13, выход которого соединен с сигнальным входом многоканального аналогового мультиплексора 12, выходы которого соединены с входами N ячеек 14 памяти, выходы которых соединены с выводами N дискретных источников световых сигналов индикатора 15 дальности, вторые выводы которых соединены с источником питания.

Электроакустический преобразователь 1 формирует зондирующие акустические импульсы, которые излучаются в контролируемую среду. Периодичность их посылок определяется периодом следования синхросигналов, поступающих на вход импульсного генератоpа 3 от формирователя 7 импульсов синхронизации. В контролируемой среде импульс отражается от различных объектов, находящихся в зоне приема, но разнесенных по расстоянию. На выходе блока усилителя 4 появляются эхо-сигналы, сдвинутые во времени относительно момента посылки зондирующих импульсов пропорционально расстояниям до мест их отражения. Интенсивность эхосигналов зависит от многих причин и колеблется в широком интервале значений. Поэтому в каждом конкретном случае измерений для выделения полезных сигналов необходимо оптимизировать параметры эхолокатора путем регулирования коэффициента усиления (чувствительности) усилителя 4. Кроме того, для уменьшения маскирующего воздействия реверберационных помех и для осуществления возможности сравнения нескольких эхо-сигналов по интенсивности в условиях затухания сигналов при распространении их в контролируемой среде коэффициент усиления усилителя 4 изменяется во времени с помощью блока 10 временной автоматической регулировки усиления. В момент начала излучения зондирующих импульсов блок 10 временной автоматической регулировки усиления устанавливает минимальный коэффициент усиления усилителя 4, а затем увеличивает коэффициент усиления усилителя во времени по заданному закону, обычно экспоненциальному. Длительность воздействия временной автоматической регулировки усиления определяется значением периода следования зондирующих импульсов, то есть максимальным значением измеряемых расстояний. Техническая реализация блока 10 не вызывает затруднений.

Плавная коррекция частоты автогенератора 5 с целью увеличения точности измерения расстояний осуществляется с помощью блока 9 коррекции, преобразующего в электрические величины физические параметры среды локации, от которых зависит скорость распространения звука или ультразвука. В воздухе и воде такими параметрами являются температура и в меньшей степени давление, в твердых телах - температура. В качестве датчиков прямого преобразования температуры и давления в блоке 9 можно использовать, например, терморезисторы и мехатроны, которые обеспечивают достаточную чувствительность в широком интервале измерения параметров среды. Техническая реализация блока 9 не вызывает затруднений.

Формирователь 6 циклически повторяющегося кода, представляющий собой многоразрядный счетчик, преобразует частоту автогенератора 5 в циклически повторяющийся код. Количество разрядов определяется заданной разрешающей способностью устройства.

Формирователь 7 импульсов синхронизации, представляющий собой схему совпадений на основе логических элементов, преобразует многоразрядный код с формирователя 6 циклически повторяющегося кода в импульсный сигнал синхронизации устройства с заданными длительностью импульса и периодом повторения.

Для индикации эхосигналов в требуемом диапазоне предназначен формирователь строб-импульсов, представляющий собой схему совпадений на основе логических элементов, формирующий из многоразрядного кода с формирователя 6 циклически повторяющегося кода с помощью многопозиционного переключателя 11 измеряемых интервалов заданную длительность и задержку этого импульса относительно фронта импульса синхронизации.

В качестве переключателя 11 можно использовать, например, клавишный переключатель с фиксацией включенного положения и сбросом предыдущего. Каждое положение такого переключателя можно обозначить в виде численного значения интервала измерений и использовать для взятия начальных отсчетов.

Эхосигналы через детектор 13 поступают на аналоговый вход многоканального аналогового мультиплексора 12, представляющего собой совокупность N аналоговых двунаправленных ключей, выполненных, например, на основе полевых транзисторов, последовательность и частота открывания которых задаются через много- позиционный переключатель 11 измеряемых интервалов многоразрядным кодом с формирователя 6 циклически повторяющегося кода, а интервал времени, в течение которого разрешается прохождение эхо-сигнала через мультиплексор 12, определяется строб-импульсами с выхода формирователя 8 строб-импульсов, передаваемыми через многопозиционный переключатель 11 измеряемых интервалов.

Продетектированные эхосигналы через открытые в определенные моменты времени каналы мультиплексора 2 поступают на входы N ячеек 14 памяти.

В ячейках памяти осуществляется запоминание амплитуды напряжения эхо-сигналов. По существу детектор, соединенный с входом одной из N ячеек памяти через открытый канал мультиплексора 12, представляет собой пиковый детектор. Время заряда пикового детектора не превышает длительности импульса синхронизации, время разряда пикового детектора выбирается таким, чтобы ток через дискретный источник светового сигнала индикатора 15 дальности, являющегося нагрузкой ячеек памяти, уменьшался бы, например, не более, чем на 10-15% от своего максимального значения за время, равное периоду повторения импульсов синхронизации, чтобы воспринимаемая человеческим глазом яркость свечения источника света мало отличалась бы от пиковой яркости свечения этого источника.

В качестве детектора может быть применен диод. Схема ячеек памяти состоит из элемента памяти, например конденсатора, и линейного усилителя мощности, согласующего электрические импедансы элементов памяти и источников световых сигналов индикатора 15 дальности. Усилитель мощности может быть выполнен в виде эмиттерного повторителя.

Число каналов аналогового мультиплексора 12 равно числу ячеек 14 памяти и соответствует числу дискретных источников световых сигналов индикатора 15 дальности и выбирается с учетом требований к разрешающей способности отсчетного устройства, габаритов шкалы индикатора, удобства визуального наблюдения и взятия отсчетов.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить разрешающую способность эхолокатора за счет уменьшения длительности зондирующих импульсов при соответствующем выборе элементов ячеек 14 памяти и улучшить распознавание регистрируемых эхо-сигналов за счет длительного послесвечения дискретных источников световых сигналов с яркостью, мало отличающейся от пиковой.

Работа эхолокатора поясняется графиками временных диаграмм (фиг. 2), номера которых соответствуют номерам узлов на структурной схеме (фиг. 1).

На выходе автогенератора 5 в интервале времени t₁-t₁₁ существует непрерывная последовательность сигналов, поступающая на вход формирователя 6 циклически повторяющегося кода, причем, если мультиплексор 12 аналоговый имеет, например, 4 канала (N = 4), длительность импульса синхронизации равна длительности периода повторения сигнала на выходе автогенератора 5 и количество диапазонов равно двум, то для работы эхолокатора достаточно трех двоичных разрядов формирователя 6 циклически повторяющегося кода.

На фиг. 1 изображены сигналы на выходах формирователя 6 циклически повторяющегося кода. В интервалах времени t₁-t₃, t₃-t₅, t₇-t₉, t₉-t₁₁, равных длительности одного цикла работы эхолокатора, на выходах формирователя 6 формируется трехразрядный параллельный двоичный код со значениями от нуля до семи. Моменты времени t₁, t₃, t₇, t₉ являются начальными моментами циклов работы эхолокатора, моменты времени t₂, t₄, t₆, t₈ соответствуют серединам циклов. На вход запуска импульсного генератора 3 поступают сигналы синхронизации, определяющие период следования зондирующих импульсов, с формирователя 7 импульсов синхронизации. Длительность импульса синхронизации равна, например, длительности периода повторения сигналов на выходе автогенератора 5, и передний фронт этих импульсов соответствует моментам времени t₁, t₃, t₇, t₉. Формирователь 8 строб-импульсов через многопозиционный переключатель 11 измеряемых интервалов формирует на управляющем входе многоканального аналогового мультиплексора 12 строб-сигналы. В интервале времени t₁-t₅, который соответствует первому положению переключателя 11 измеряемых интервалов, напряжение строб-сигнала имеет значение логического "0". В интервале времени t₆-t₁₁, который соответствует второму положению переключателя 11 измеряемых интервалов, напряжение строб-сигнала имеет значение логического "0" в интервалах времени t₇-t₈, t₉-t₁₀ и значение логической "1" в интервалах времени t₈-t₉, t₁₀-t₁₁. На выходе усилителя 4 в каждом периоде посылок (интервалы времени t₁-t₃, t₃-t₅, t₇-t₉, t₉-t₁₁) возникает серия акустических импульсов. Первый из них соответствует зондирующему импульсу, просачивающемуся в цепь усилителя 4 через коммутатор 2, второй и третий треугольной формы представляют собой эхо-сигналы. Через аналоговый мультиплексор 12 будут передаваться только те акустические импульсы, которые совпадают во времени со значениями напряжения строб-импульсов, равным логическому "0". Так в интервале времени t₁-t₅ будут проходить через мультиплексор 12 все эхо-сигналы, то есть первому положению переключателя 11 измеряемых интервалов соответствует обзорный диапазон, а в интервале времени t₇-t₁₁ будут проходить только зондирующий импульс и первый эхосигнал, то есть второму положению переключателя 11 измеряемых интервалов соответствует диапазон измерения дальности, соответствующий первой половине периода следования зондирующих импульсов. Для обеспечения этих режимов работы для первого диапазона на управляющие входы мультиплексора 12 подаются второй и третий разряды с формирователя 6 циклически повторяющегося кода через переключатель 11 измеряемых интервалов, а во втором - первый и второй разряды. На первом диапазоне частота развертки в два раза ниже, чем во втором диапазоне.

На фиг. 2 изображены сигналы на выходах ячеек 14 памяти. На диаграмме 14а изображен выходной сигнал первой ячейки памяти, а на диаграммах 14б, 14в, 14г - выходные сигналы второй, третьей и четвертой ячеек памяти соответственно. В интервале времени t₁-t₅ для первого положения переключателя 11 измеряемых интервалов на выходах первой, второй и четвертой ячеек 14 памяти присутствуют сигналы с амплитудами, мало отличающимися от амплитуд соответствующих эхо-сигналов и просачивающегося зондирующего импульса. В интервале времени t₇-t₁₁ для второго положения переключателя 11 измеряемых интервалов на выходах первой и третьей ячеек памяти присутствуют сигналы с амплитудами, мало отличающимися от амплитуд просачивающегося зондирующего импульса и первого эхо-сигнала.

Ниже временных диаграмм (фиг. 2) схематически изображены состояния дискретных источников световых сигналов индикатора 15 дальности, соответствующие рассмотренным интервалам времени. Шкала индикатора дальности содержит четыре источника (по числу каналов аналогового мультиплексора 12). Начало и конец шкалы обозначены цифровыми индикаторами в окружностях. В интервалах t₁-t₃ и t₃-t₅ согласно диаграмме 15 на шкале будут возбуждаться источники первый, второй и четвертый (обозначены крестиками).

После изменения состояния переключателя 11 в интервале времени t₅-t₆ возбудятся первый и третий источники.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с устройствами аналогичного назначения (прототип) позволяет создать эхолокаторы с высокой разрешающей способностью за счет уменьшения длительности зондирующих импульсов и с улучшенным распознаванием регистрируемых эхо-сигналов за счет длительного послесвечения дискретных источников световых сигналов с яркостью, мало отличающейся от пиковой.

Формула изобретения

ЭХОЛОКАТОР, содержащий импульсный генератор и усилитель, подключенные через коммутатор к электроакустическому преобразователю, автогенератор, переключатель измеряемых интервалов, индикатор дальности, содержащий N дискретных источников световых сигналов, блок коррекции частоты автогенератора, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и улучшения распознавания регистрируемых эхосигналов, в него введены формирователь циклически повторяющегося кода, формирователь импульсов синхронизации, формирователь строб-импульсов, блок временной автоматической регулировки усиления, многоканальный аналоговый мультиплексор, детектор, N ячеек памяти, при этом вход формирователя циклически повторяющегося кода соединен с входом автогенератора, выходы формирователя циклически повторяющегося кода соединены с входами формирователя импульсов синхронизации, формирователя строб-импульсов и через переключатель измеряемых интервалов - с управляющими входами многоканального аналогового мультиплексора, выход формирователя импульсов синхронизации соединен с входом импульсного генератора и входом блока временной автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя, выход формирователя строб-импульсов через переключатель измеряемых интервалов соединен со стробирующим входом многоканального аналогового мультиплексора, выход усилителя соединен с входом детектора, выход которого соединен с сигнальным входом многоканального аналогового мультиплексора, выходы которого соединены с входами N ячеек памяти, выходы которых соединены с N дискретными источниками световых сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2