Устройство пространственной обработки широкополосных сигналов

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для эхолокации подводных объектов при задачах ультразвукового неразрушающего контроля и ультразвуковой медицинской диагностики внутренних органов. Техническим результатом изобретения является расширение технических возможностей устройства. Устройство содержит кольцевую антенную решетку, блок усилителей, задающий генератор, синхронизатор, коммутатор, антенную решетку, блок приемных усилителей, коммутатор дальности и коммутатор направления. Дополнительно введены акустоэлектронный процессор и приемный акустоэлектронный процессор. Антенная решетка выполнена в виде вогнутой дуговой антенной решетки. Акустоэлектронный процессор содержит элементы переизлучающей решетки, выполненной в виде вогнутой дуги, и дуговые считывающие решетки, каждая из которых содержит элементы, расположенные по дугам окружностей с радиусом, определяемым дальностью до объекта в ближней зоне, а число считывающих решеток определяется числом элементов разрешения по дальности устройства в ближней зоне. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для эхолокации подводных объектов (звуковидение) при задачах ультразвукового неразрушающего контроля (дефектоскопия) и ультразвуковой медицинской диагностики внутренних органов, а также в других областях, связанных между собой одной целью, а именно ультразвуковым контролем и визуализацией структуры объектов внутри зоны обзора.

Известно устройство "Многолучевая адаптивная решетка гидролокатора" (Патент РФ №1112897; 6 МПК G 01 S 15/52 1996.01.27), содержащее синхронизатор, коммутатор направления, антенную решетку, блок приемных усилителей, аналогово-цифровые преобразователи, регистры сдвига, перемножители, сумматор. Выход синхронизатора соединен с входом коммутатора направления, А преобразователей антенной решетки через блок приемных усилителей, через аналогово-цифровые преобразователи соединены с В входами С регистров сдвига, выходы С регистров сдвига через перемножители соединены с входами С сумматоров на А выходов коммутируемых коммутатора направления.

Устройство позволяет осуществлять параллельный обзор исследуемой зоны обзора пространства объектов в дальней зоне антенной решетки.

Недостатком известного устройства является его узкополосность и невозможность его использования на высоких частотах вследствие применения аналогово-цифровых преобразователей.

Известно устройство "Устройство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений морских биологических объектов" (Патент РФ №2003119621; 7 МПК G 01 S 15/96 2004.12.27), содержащее излучатель высокочастотного сигнала накачки, усилитель мощности, задающий генератор, синхронизатор, антенную решетку, блок приемных усилителей, блоки нелинейной и линейной обработки сигналов, сумматор, коррелятор, сканирующий коммутатор направления. Выход усилителя мощности подключен к входу излучателя высокочастотного сигнала накачки, вход усилителя мощности соединен с выходом задающего генератора, первый выход синхронизатора соединен с входом задающего генератора, второй выход синхронизатора соединен с входом сканирующего коммутатора направления, А выходов антенной решетки через блок приемных усилителей, соединены с параллельно соединенными А блоками нелинейной и линейной обработки сигналов, причем первый выход блока нелинейной обработки сигналов соединен с первым входом коррелятора, а второй и третий параллельно подключены к первому входу сумматора, выход блока линейной обработки сигналов подключен к второму входу коррелятора, выход коррелятора соединен с вторым входом сумматора, А входов сканирующего коммутатора направления соединены с А выходами сумматоров.

Устройство позволяет обрабатывать широкополосные сигналы.

Недостатком известного устройства является последовательное сканирование зоны пространства объектов, что существенно увеличивает время обзора.

Наиболее близким к заявленному решению из числа заявленных технических решений является "Сканирующее устройство пространственной обработки широкополосных сигналов" (А.Маковски. Применение решеток преобразователей в ультразвуковых системах визуализации. ТИИЭР, т.67, №4, апрель 1979. с.56), содержащее кольцевую антенную решетку, блок усилителей, линейно изменяемые линии задержки, задающий генератор, синхронизатор, коммутатор, антенную решетку, блок приемных усилителей, приемные линейно и квадратично изменяемые линии задержки, коммутатор дальности и коммутатор направления, сумматор, А выходов блока усилителей подключены к А входам кольцевой антенной решетки, В входов блока усилителей соединены с В выходами линейных линий задержки, С входов линейных линий задержки соединены с С выходами задающего генератора, D входов линейных линий задержки соединены с D выходами коммутатора, первый выход синхронизатора соединен с входом задающего генератора, второй выход синхронизатора соединен с первым входом коммутатора, третий выход синхронизатора соединен с входом коммутатора направления, четвертый выход синхронизатора соединен с входом коммутатора дальности, Е выходов антенной решетки через блок приемных усилителей соединены с F входами приемных линейно изменяемых линий задержек, D выходов приемных линейно изменяемых линий задержек соединены с D входами приемных квадратично изменяемых линий задержки, Н выходов приемных квадратично изменяемых линий задержки соединены с Н входами сумматора, сумматор имеет единственный последовательный выход, I входов коммутатора дальности соединены с I выходами приемных линейно изменяемых линий задержек, J входов коммутатора направления соединены с J выходами приемных квадратично изменяемых линий задержки.

Устройство позволяет обрабатывать широкополосные сигналы, а также сформировать поле (акустическое или электромагнитное) с требуемым разрешением по углу на всех глубинах поля как в зоне Френеля, так и в зоне Фраунгофера.

Недостатком известного устройства является последовательный обзор пространства, что увеличивает время получения информации из заданного сектора пространства.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является последовательное сканирование зоны обзора пространства объектов. Это обусловлено особенностью его технических характеристик и структуры построения.

Основной задачей, на решение которой направлен заявленный объект (устройство пространственной обработки широкополосных сигналов), является уменьшение времени обзора пространства объектов.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является расширение технических возможностей устройства, а именно уменьшение времени зоны обзора пространства объектов, а также возможность обрабатывать широкополосные сигналы.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство содержащее кольцевую антенную решетку, блок усилителей, задающий генератор, синхронизатор, коммутатор, антенную решетку, блок приемных усилителей, коммутатор дальности и коммутатор направления, А выходов блока усилителей подключены к А входам кольцевой антенной решетки, первый выход синхронизатора соединен с входом задающего генератора, второй выход синхронизатора соединен с первым входом коммутатора, третий выход синхронизатора соединен с входом коммутатора направления, четвертый выход синхронизатора соединен с входом коммутатора дальности, Е выходов антенной решетки соединены с блоком приемных усилителей, дополнительно введены акустоэлектронный процессор и приемный акустоэлектронный процессор, В входов которого соединены с В выходами коммутатора, а А его выходов с А входами блока усилителей, С выходов приемного акустоэлектронного процессора соединены с соответствующими входами коммутатора направления, a D вторых выходов приемного акустоэлектронного процессора подключены к D входам коммутатора дальности, антенная решетка выполнена в виде вогнутой дуговой антенной решетки, Е приемных элементов антенной решетки через блок приемных усилителей соединены с Е входами приемного акустоэлектронного процессора, причем приемный акустоэлектронный процессор содержит Е элементов переизлучающей решетки, выполненной в виде вогнутой дуги, и D дуговых считывающих решеток, каждая из которых содержит С элементов, расположенных по дугам окружностей с радиусом, определяемым дальностью до объекта в ближней зоне, а число D считывающих решеток определяется числом элементов разрешения по дальности устройства в ближней зоне.

Поставленная цель достигается за счет одновременной пространственно-временной обработки сигналов, приходящих на антенную решетку со всех дискретных угловых направлений заданной области обзора в акустоэлектронном процессоре.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного объекта "Устройство пространственной обработки широкополосных сигналов", отсутствуют, следовательно заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата и изобретение не основано на:

- дополнении известного устройства-аналога какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;

- замене какой-либо части устройства-аналога другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- исключении какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижением обычного для такого исключения результата;

- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;

- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

- создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;

- изменении количественного признака (признаков) устройства и представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя их известных зависимостей, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема акустоэлектронного устройства пространственной обработки широкополосных сигналов, на фиг.2 - топология приемного акустоэлектронного процессора и введены следующие обозначения:

1 - Кольцевая антенная решетка;

2 - Блок усилителей;

3 - Акустоэлектронный процессор;

4 - Задающий генератор;

5 - Синхронизатор;

6 - Коммутатор;

7 - Антенная решетка;

8 - Блок приемных усилителей;

9 - Приемный акустоэлектронный процессор;

10 - Коммутатор дальности;

11 - Коммутатор направления.

12 - Переизлучающая антенная решетка;

13 - Считывающие антенные решетки;

14 - Подложка.

Устройство пространственной обработки широкополосных сигналов содержит кольцевую антенную решетку 1, блок усилителей 2, акустоэлектронный процессор 3, задающий генератор 4, синхронизатор 5, коммутатор 6, антенную решетку 7, блок приемных усилителей 8, приемный акустоэлектронный процессор 9, коммутатор дальности 10, коммутатор направления 11. Приемный акустоэлектронный процессор состоит из переизлучающей антенной решетки 12, считывающих антенных решеток 13, подложки 14.

А входов кольцевой антенной решетки 1 через блок усилителей 2 соединены с А выходами акустоэлектронного процессора 3, В входов которого соединены с В выходами коммутатора 6. Первый выход синхронизатора 5 соединен с входом задающего генератора 4, второй выход синхронизатора 5 соединен с первым входом коммутатора 6, третий выход синхронизатора 5 соединен с входом коммутатора направления 11, четвертый выход синхронизатора 5 соединен с входом коммутатора дальности 10, выход задающего генератора 4 соединен с вторым входом коммутатора 6. Антенная решетка 7 выполнена в виде вогнутой дуговой антенной решетки, С приемных элементов которой через блок приемных усилителей 8 соединены с С входами приемного акустоэлектронного процессора 9, D выходов которого соединены с соответствующими входами коммутатора направления 11, а Е вторых выходов подключены к Е входам коммутатора дальности 10.

Приемный акустоэлектронный процессор 9 содержит С элементов переизлучающей решетки 12, выполненной в виде вогнутой дуги, и F дуговых считывающих решеток 13, каждая из которых содержит D элементов. Элементы считывающих решеток 12 расположены по дугам окружностей с радиусом, определяемым дальностью до объекта в ближней зоне, а число F считывающих решеток 13 определяется числом элементов разрешения по дальности устройства в ближней зоне.

Кольцевая антенная решетка 1 и антенная решетка 7 выполняются согласно [1], электронные блоки 2; 4; 5; 6; 8; 10; 11 устройства могут быть выполнены на элементной базе выпускаемых такими компаниями, как Analog Devices [2] и Texas Instruments [3], акустоэлектронный процессор 3 выполняется как [4].

Устройство работает следующим образом с первого выхода синхронизатора 5 поступает импульс, который запускает задающий генератор 4. Задающий генератор 4 вырабатывает радиоимпульс, поступающий на вход коммутатора 6, который в свою очередь подключает параллельно (или последовательно) необходимые входы акустического процессора 3 для параллельного (или последовательного) обзора пространства соответственно. Сигналы с выхода акустоэлектронного процессора 3 поступают на вход блока усилителей 2, после чего поступают на входы кольцевой антенной решетки 1. Сигналы излучаются в пространство объектов, где формируется поле (акустическое или электромагнитное) с требуемым разрешением по углу на всех глубинах поля как в зоне Френеля, так и в зоне Фраунгофера. Отраженные от цели сигналы поступают на входы антенной решетки 7, которая позволяет сфокусировать сигнал с требуемым разрешением по углу от цели, расположенной в ближней зоне. Затем сигналы поступают во входной блок усилителей 8 где усиливаются, после этого, поступают на входы приемного акустоэлектронного процессора 9. Если сигнал пришел из дальней зоны, то задержанный относительно выходного сигнала на время распространения до объекта сигнал снимается коммутатором направления 11 с соответствующего этому направлению выхода, если применяется режим сканирования, или одновременно со всех выходов т.е. в режиме параллельного обзора пространства. Если сигнал пришел из ближней зоны, то задержанный относительно выходного сигнала на время распространения до объекта сигнал снимается коммутатором направления 11 с соответствующего этой дальности выхода, предварительно подключенного коммутатором дальности 10, если применяется режим сканирования, или одновременно со всех направлений, режим параллельного обзора пространства. Для синхронизации всей системы с выходов 2, 3, 4 синхронизатора 5 на входы коммутатора 6, коммутатора направления 11 и коммутатора дальности 10 поступают синхроимпульсы.

Приемный акустоэлектронный процессор работает следующим образом. Сигналы с блока приемных усилителей 8 поступают на вход переизлучающей антенной решетки 12, которая излучает поверхностные акустические волны, формирующие максимум акустического поля на поверхности подложки 14 в области называемой областью фокусировки. Если сигнал приходит из дальней зоны, то максимум акустического поля формируется на сфокусированной на бесконечность считывающей антенной решетке 13. Если источник сигнала расположен в ближней зоне, то переизлучающая решетка 12 фокусирует поверхностные акустические волны в зону, где расположена сфокусированная на данную дистанцию считывающая антенная решетка 13.

Как следует из вышеизложенного, достижением технического результата является расширение технических возможностей устройства, а именно уменьшение времени обзора пространства объектов, а также возможность обрабатывать широкополосные сигналы, что обеспечивается за счет применения акустоэлектронного процессора, вогнутой дуговой антенной решетки, приемного акустоэлектронного процессора. Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое изобретение, и прототипа позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство позволяет уменьшить время обзора пространства объектов.

Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства, следует отметить также дополнительные их достоинства, а именно возможность обрабатывать широкополосные сигналы.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в эхолокации подводных объектов (звуковидение), при задачах ультразвукового неразрушающего контроля (дефектоскопия) и ультразвуковой медицинской диагностики внутренних органов, а также в других областях применения, связанных между собой одной целью, а именно, ультразвуковым контролем и визуализацией структуры объектов внутри зоны обзора;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Инженерные расчеты в гидроакустике /А.П.Евтюхов, В.Б.Митько. Л: Судостроение, 1988, 287 с.

2. http://www.analog.com/ru/index.html

3. http://www.texasinstruments.com

4. Авторское свидетельство №789870. Петров П.Н., Кравец B.C. и др. Анализатор спектра на ультразвуковых поверхностных волнах. Опубликовано бюл. №4723.12.1980.

1. Устройство пространственной обработки широкополосных сигналов, содержащее кольцевую антенную решетку, блок усилителей, синхронизатор, задающий генератор, коммутатор, антенную решетку, блок приемных усилителей, коммутатор дальности и коммутатор направления, А выходов блока усилителей подключены к А входам кольцевой антенной решетки, первый выход синхронизатора соединен с входом задающего генератора, второй выход синхронизатора соединен с первым входом коммутатора, третий выход синхронизатора соединен с входом коммутатора направления, четвертый выход синхронизатора соединен с входом коммутатора дальности, выход задающего генератора соединен с вторым входом коммутатора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены акустоэлектронный процессор и приемный акустоэлектронный процессор, В входов которого соединены с В выходами коммутатора, а А его выходов соединены с А входами блока усилителей, С выходов приемного акустоэлектронного процессора соединены с соответствующими входами коммутатора направления, a D вторых выходов приемного акустоэлектронного процессора подключены к D входам коммутатора дальности, антенная решетка выполнена в виде вогнутой дуговой антенной решетки, Е приемных элементов антенной решетки через блок приемных усилителей соединены с Е входами приемного акустоэлектронного процессора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемный акустоэлектронный процессор содержит Е элементов переизлучающей решетки, выполненной в виде вогнутой дуги, и D дуговых считывающих решеток, каждая из которых содержит С элементов, расположенных по дугам окружностей с радиусом, определяемым дальностью до объекта в ближней зоне, а число D считывающих решеток определяется числом элементов разрешения по дальности устройства в ближней зоне.