Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов

Авторы патента:

G01S15/00 - Системы с использованием отражения или вторичного излучения акустических волн, например системы гидроакустических станций

B63B22/00 - Гидродинамические или гидростатические характеристики корпусов или подводных крыльев (корпуса подводных лодок B63B 3/13; кили B63B 3/38; определение гидродинамических характеристик корпусов при проектировании B63B 9/00; уменьшение килевой и бортовой качки или подобных нежелательных движений водных транспортных средств с помощью стабилизирующих пластин, воздействующих на воду B63B 39/06)

Владельцы патента RU 2723914:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ТИХООКЕАНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ ИМЕНИ С.О. МАКАРОВА" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (Г. ВЛАДИВОСТОК) (RU)

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов, и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования, и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель. Принципиальным отличием радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов является то, что в состав измерительного блока на микроконтроллере дополнительно введена база данных эталонных сигналов (БД), реализованная на основе микросхемы памяти, используемая для первичной классификации источников шумов и связанная с микроконтроллером измерительного блока по интерфейсу SPI. Технический результат изобретения заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат: снижение вероятности ложной тревоги путем проведения спектрального анализа смеси сигнала и помехи, сравнения полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных; увеличение радиуса действия буя и, соответственно, вероятности обнаружения цели за счет того, что спектральный анализ смеси сигнала и помехи проводится непрерывно; увеличение времени и скрытности работы буя. 3 ил.

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.

Известно устройство - авиационный радиогидроакустический буй РГБ-16, содержащий опускаемое устройство, включающее в себя гидроакустическую антенну и предварительный усилитель; блок комбинированный, включающий в себя тракт усиления акустического сигнала, пороговое устройство, радиопередающий тракт, дальномерный канал, стабилизаторы питания; приемо-передающую радиоантенну, источник тока, устройство самоликвидации, парашютную систему, пусковое устройство. (С.В. Попов, В.В. Емельяненко, И.Н. Сургаев. Радиогидроакустические буи противолодочной авиации. Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова, 2002.)

Основными недостатками данного буя являются:

- высокая вероятность ложной тревоги, т.к. срабатывание порогового устройства происходит при превышении уровня сигнала на его входе заданного порога, а причиной этого может быть шум из любого источника, а не только шум винтов подводной лодки;

- наличие порогового устройства снижает радиус действия буя и, соответственно, вероятность обнаружения цели;

- малое время и скрытность работы буя.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является радиогидроакустический буй на микроконтроллерах (Патент № 2659347 RU от 29.06.2018), который выбран в качестве прототипа. Прототип содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель.

Основными недостатками прототипа являются:

- высокая вероятность ложной тревоги, т.к. срабатывание порогового устройства (триггер Шмитта) происходит при превышении уровня сигнала на его входе заданного порога, а причиной этого может быть шум из любого источника, а не только шум винтов подводной лодки;

- наличие порогового устройства снижает радиус действия буя и, соответственно, вероятность обнаружения цели;

- малое время и скрытность работы буя.

На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение «Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов», технической задачей которого является

- снижение вероятности ложной тревоги путем проведения спектрального анализа смеси сигнала и помехи, сравнения полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных;

- увеличение радиуса действия буя и, соответственно, вероятности обнаружения цели за счет того, что спектральный анализ смеси сигнала и помехи проводится непрерывно;

- увеличение времени и скрытности работы буя.

Указанный технический результат достигается тем, что создано новое устройство - радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов, который содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель.

Принципиальным отличием радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов от прототипа является то, что в состав измерительного блока на микроконтроллере дополнительно введена база данных эталонных сигналов (БД), реализованная на основе микросхемы памяти, используемая для первичной классификации источников шумов и связанная с микроконтроллером измерительного блока по интерфейсу SPI.

Введение базы данных эталонных сигналов, реализованной на основе микросхемы памяти, позволяет проводить первичную классификацию источников шумов, что способствует снижению вероятности ложной тревоги.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фигура 1. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Функциональная схема.

Фигура 2. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Принципиальная электрическая схема.

Фигура 3. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм работы буя.

На Фигуре 1 представлена функциональная схема радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов:

1. Гидроакустическая антенна (гидрофон).

2. Предварительный усилитель.

3. Измерительный блок:

3.1. База данных эталонных сигналов (БД).

3.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

3.3. Микроконтроллер (МК):

3.3.1. Фильтр нижних частот (ФНЧ).

4. Блок радиопередающих трактов (РПТ):

4.1. (4.2, …4.n). Радиопередающий тракт:

4.1.1 (4.2.1…4.n.1). Микросхемы памяти FlashROM

4.1.2 (4.2.2…4.n.2). Микроконтроллеры

4.1.3 (4.2.3…4.n.3). Радиопередатчики.

Все конструктивные элементы буя связаны между собой электрическими связями.

Выход гидрофона 1 связан с входом предварительного усилителя 2. Выход предварительного усилителя 2 связан с аналоговым входом VIN+ АЦП 3.2 измерительного блока 3. АЦП 3.2 связан с МК 3.3 измерительного блока 3 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием трех выводов МК 3.3: последовательный цифровой выход данных SDO связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI, вход тактирования SCK АЦП 3.2 связан с выходом тактирования RC5(SCK), вход разрешения (запрещения) преобразования CONV связан с выходом RA1 МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения преобразования или Лог. 1 для разрешения передачи результата преобразования.

Результаты преобразования из выходного регистра АЦП 3.2 измерительного блока 3 после фильтрации записываются в память МК 3.3, последовательным кодом с использованием интерфейса SPI передаются в блок РПТ 4 и записываются в микросхемы памяти FlashROM 4.1.1…4.n.1, которые связаны с МК 3.3 измерительного блока 3 следующим образом: входы тактирования C, соединены с выходом тактирования RC5(SCK) модуля SPI МК 3.3, входы D соединены с последовательным выходом данных RC4(SDO)модуля SPI МК 3.3, входы выбора микросхемы соединены с выходом RA0 параллельного порта portA МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения записи. Микроконтроллеры 4.1.2…4.n.2 осуществляют чтение записанных данных из памяти, приведение их к аналоговому виду и передачу на вход радиопередатчиков 4.1.3…4.n.3.

МК 3.3 определяет спектр принятого сигнала и производит его сравнение со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в БД 3.1, реализованной на интегральной микросхеме и связанной с МК 3.3 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием четырех выводов МК 3.3: последовательный цифровой выход данных Q БД 3.1 связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI МК 3.3, вход тактирования C БД 3.1 связан с выходом тактирования RC5(SCK) МК 3.3, последовательный вход данных D БД 3.1 связан с последовательным выходом данных RC4 (SDO) МК 3.3, вход выбора ведомого связан с выходом RA2 МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения обращения к микросхеме, на которой реализована БД 3.1, с целью записи или чтения. В случае совпадения спектра принятого сигнала со спектром шума подводного объекта, хранящегося в базе данных, вырабатывается сигнал на отстрел очередного РПТ.

На Фигуре 2 приведена принципиальная электрическая схема измерительного блока 3 с микросхемами памяти блока радиопередающих трактов 4 для случая, когда число РПТ n=3. Данная схема используется для моделирования работы буя в программе Proteus. В состав схемы входят:

U1 - микроконтроллер dsPIC33FJ32GP204;

U2 - микросхема FlashROM M45PE80 базы данных эталонных сигналов;

U3, U4, U5 - микросхемы FlashROM M45PE80;

U6 - АЦП LTC1864;

R1 - резистор 1К.

Все элементы схемы соединены электрическими связями.

Напряжение на выходе предварительного усилителя буя, пропорциональное уровню шума, имитируется при помощи генератора, подключенного к аналоговому входу VIN+ АЦП U3.

На Фигуре 3 приведен алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм включает следующие блоки:

Блок 1 - Начало алгоритма;

Блок 2 - Запись отсчетов АЦП в EEPROM микроконтроллера;

Блок 3 - Нахождение спектра записанного шума (БПФ);

Блок 4 - Проверка условия «Цель- ПЛ ?»;

Блок 5 - Отстрел очередного РПТ;

Блок 6 - Проверка условия m<=n ? (m - номер отстреливаемого РПТ, n - количество РПТ в буе);

Блок 7 - Конец алгоритма.

Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах работает следующим образом:

Алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллерах представлен на Фигуре 3. Спектральный анализ сигнала с выхода предварительного усилителя 2 (Фигура 1) проводится непрерывно (Фигура 3, Блок 3). Выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) принятого сигнала и производится сравнение полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных эталонных сигналов БД 3.1 (Фигура 1). В случае, если принятый сигнал является шумом винтов ПЛ (Фигура 3, Блок 4) производится отстрел очередного РПТ и передача записанного шума на носитель (береговой центр) (Фигура 3, Блок 5).

Технический результат изобретения заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:

- увеличение времени и скрытности работы буя.

Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы распространенные устройства и компоненты, такие как:

- МК на интегральной микросхеме (ИМС) dsPIC33FJ32GP204;

- FlashROM на ИМС М45РЕ80;

- Ethernet-адаптер на ИМС ENC28J60;

- цифровое РПДУ.

Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов, содержащий последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования, и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель, отличающийся тем, что в состав измерительного блока на микроконтроллере дополнительно введена база данных эталонных сигналов (БД), реализованная на основе микросхемы памяти, используемая для первичной классификации источников шумов и связанная с микроконтроллером измерительного блока по интерфейсу SPI.

Использование: для ультразвукового измерения расстояния. Сущность изобретения заключается в том, что малоразмерный ультразвуковой измеритель расстояния состоит из микроконтроллера, аналогово-цифрового преобразователя, двух полосовых фильтров, блока временной автоматической регулировки усиления, цифро-аналогового преобразователя, управляемого источника напряжения, драйвера усилителя мощности, входного усилителя, усилителя мощности, коммутатора приема-передачи, стабилизатора питания, интерфейса приема-передачи и акустического датчика, выходы микроконтроллера соединены с входами цифро-аналогового преобразователя, управляемого источника напряжения, драйвера усилителя мощности и интерфейса приема-передачи, выходы управляемого источника напряжения и драйвера усилителя мощности соединены с входами усилителя мощности, выход усилителя мощности соединен с входом коммутатора приема-передачи, выходы коммутатора соединены с входами входного усилителя и акустического датчика, выход акустического датчика соединен с входом коммутатора приема-передачи, выход входного усилителя соединен с входом первого полосового фильтра, выходы первого полосового фильтра и цифро-аналогового преобразователя соединены с входами блока временной автоматической регулировки усиления, выход блока временной автоматической регулировки усиления соединен с входом второго полосового фильтра, выход второго полосового фильтра соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя, выход аналогово-цифрового преобразователя соединен с входом микроконтроллера, причем в качестве зондирующего импульса использован сигнал с линейно-частотной модуляцией, все функциональные блоки измерителя расположены в едином корпусе, а работа измерителя происходит согласно заложенному в него алгоритму без участия оператора.

Приемный тракт гидролокатора // 2719730

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в активных гидроакустических системах (гидролокаторах) при поиске и распознавании подводных объектов, слежения за рельефом дна, для навигационного обеспечения плавания подводных аппаратов в сложных условиях.

Активный гидролокатор // 2719214

Изобретение относится к гидроакустической технике, конкретнее к области активной гидролокации, в том числе к активным гидролокаторам, предназначенным для обнаружения объектов, измерения координат и параметров движения обнаруженных объектов.

Эхолот // 2719210

Эхолот относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть применен для автоматического обнаружения эхо-сигналов дна и переключения шкалы измерения глубины в зависимости от текущей измеренной глубины.

Система противоаварийной безопасности // 2715599

Изобретение относится к системе контроля дистанции для карьерных самосвалов. Система противоаварийной безопасности содержит блок обнаружения препятствий, включающий ультразвуковой датчик, связанный с блоком согласования и уведомления, а также выполненный с возможностью световой и звуковой сигнализации.

Зонд с ультразвуковым матричным преобразователем для визуализации сдвиговых волн // 2715598

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам измерения ригидности или эластичности ткани с использованием сдвиговых волн. Ультразвуковая система содержит зонд и передающий формирователь луча с заданным числом каналов передачи, в зонде расположена матрица ультразвуковых преобразователей, имеющая некоторое число преобразовательных элементов, превышающее упомянутое заданное число, и коммутатор-мультиплексор, подсоединенный между каналами передачи формирователя луча и элементами матрицы преобразователей и выполненный с возможностью избирательного соединения каждого из заданного числа каналов передачи с преобразовательными элементами на передающих апертурах толкающего импульса, причем система выполнена с возможностью передачи толкающих импульсов одновременно, когда каналы передачи формирователя луча соединены с преобразовательными элементами передающих апертур.

Способ пассивного акустического определения местоположения водолаза // 2713053

Изобретение относится к пассивному гидроакустическому обнаружению и подводной навигации, конкретно к пассивным способам акустического обнаружения и определения местоположения водолазов и подводных пловцов в толще воды, и может быть использовано при проведении подводных поисковых и спасательных водолазных работ.

Приемный гидроакустический блок // 2713007

Изобретение относится к гидроакустической технике, а точнее к гидроакустическим антеннам, устанавливаемым на подводных лодках, надводных кораблях и подводных аппаратах.

Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена и система для его реализации // 2711632

Предлагаемые способ и система относятся к автоматике и вычислительной технике и могут быть использованы при построении систем автоматизированного контроля состояния подземных сооружений метрополитена.

Акустический доплеровский измеритель течений // 2710527

Изобретение относится к области океанологии и гидрологии и касается устройства для измерения скорости течений с использованием отражения акустических волн. Акустический доплеровский измеритель течений содержит четыре приемопередающих канала, процессор и встроенную память, конструктивно заключенные в один корпус, а также блок питания, блок обработки данных, канал связи RS 485, причем каждый из приемопередающих каналов содержит последовательно соединенные приемоизлучающую головку, приемопередающий модуль, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь.

Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи // 2703406