ЭХОЛОТ
ECHO SOUNDER

Изобретение относится к акустическим локационным системам, в частности к однолучевым электроакустичеким приборам (эхолотам).
Большинство из известных эхолотов содержат большое количество блоков, например [Л1, Л2]. Подобная структурная организация указывает на то, что авторы делают упор на аппаратную реализацию предлагаемых алгоритмических решений. Такой подход ограничивает область применения эхолотов рамками поставленной цели.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому эхолоту является "Эхолот", описанный в патенте [Л3], который содержит микроконтроллер (МК), передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, электроакустический преобразователь (ЭАП), дисплей, блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).
В этом «Эхолоте» периодически излучается сигнал, мощность которого вычисляется по определенному алгоритму. Коэффициент усиления приемника регулируется по двум управляющим входам, один из которых подключен к блоку ВАРУ, второй - к микроконтроллеру. Выходной сигнал с приемника оцифровывается аналого-цифровым преобразователем и поступает на обработку в МК с целью обнаружения эхо-сигнала от дна и измерения расстояния до него, причем используется адаптивный порог обнаружения. Далее МК вычисляет глубину по определенной формуле и выводит полученное значение на дисплей.
Однако наличие в «Эхолоте» аппаратно реализованного блока ВАРУ, с одной стороны, неизбежно приводит к уменьшению помехозащищенности приемника за счет использования второго управляющего входа, с другой стороны, в «Эхолоте» в этом случае можно использовать только один управляющий закон.
Известно [Л4], что коэффициент затухания при распространении звука зависит от многих факторов. Так, при распространении в водной среде, кроме частоты излучения, он сильно зависит от солености и в меньшей степени от температуры среды. Таким образом, для оптимизации выбора закона ВАРУ в зависимости от акватории и времени года необходимо иметь значительный набор таких законов, а также ввести в МК алгоритм управления выбором необходимого закона.
Другим недостатком рассматриваемого эхолота является отсутствие блока согласования приемника и передатчика с электроакустическим преобразователем, что неизбежно приводит к потерям полезной мощности при излучении и чувствительности в приеме [Л5].
Задачами изобретения является обеспечение универсальности за счет минимизации аппаратной части, повышение КПД в цепи электроакустический преобразователь - передатчик и увеличение чувствительности в цепи электроакустический преобразователь - приемник за счет использования устройства согласования.
Для решения поставленной задачи в эхолот, содержащий электронно-вычислительную машину с устройством отображения информации (дисплеем), электроакустический преобразователь, передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, последовательный интерфейс, введены новые признаки, а именно: устройство согласования приемника и передатчика сигналов, включающее в себя коммутатор приема-передачи, причем электронно-вычислительная машина последовательно соединена с дисплеем и, через последовательный интерфейс, с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход передатчика, представляющего собой усилитель со ступенчатой регулировкой мощности, и вход приемника, которые через устройство согласования соединены с электроакустическим преобразователем, вход регулировки усиления приемника, обеспечивающий результирующую функцию регулировки усиления как произведения ступенчатой функции и функции, компенсирующей затухание сигнала по дистанции, а также два входа передатчика, первый вход - для управления мощностью, второй - для ввода формы, вида и длительности излучаемого сигнала, которые подключены через последовательный интерфейс к электронно-вычислительной машине.
Сущность предлагаемого изобретения представлена на чертеже, где:
1 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);
2 - последовательный интерфейс;
3 - передатчик;
4 - приемник;
5 - электроакустический преобразователь (ЭАП);
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 - дисплей;
8 - устройство согласования с коммутатором приема-передачи.
Известно, что электроакустический преобразователь имеет комплексное сопротивление и содержит емкость в качестве реактивной составляющей [Л5]. Для компенсации реактивной составляющей ЭАП обычно используют согласующую индуктивность.
Известны последовательные и параллельные устройства согласования. Согласование в режиме «передачи» (излучения) приводит к снижению реактивной мощности, что значительно повышает КПД в цепи ЭАП - передатчик. Согласование в режиме «прием» позволяет управлять формой частотной характеристики и повышать чувствительность в цепи ЭАП - приемник.
Для оптимизации процесса компенсации уменьшения амплитуды эхо-сигнала с увеличением глубины посредством пропорционального увеличения коэффициента усиления приемника и для удержания эхо-сигнала в диапазоне, обеспечивающем максимальное соотношение сигнал/помеха, необходимо исключить аппаратную реализацию блока ВАРУ и использовать обобщенную функцию управления коэффициентом усиления приемника, расчет которой выполняет ЭВМ в зависимости от всех входящих в нее параметров. Для водной среды это температура и соленость [Л4].
Известно, что существуют различные типы эхолотов, каждый из которых решает свою конкретную задачу и имеет соответствующие структурную и аппаратную реализации. Эхолоты бывают навигационные, промерные, рыбопоисковые, впередсмотрящие, прецизионные и т.п. [Л6]. Они отличаются главным образом параметрами сигналов, используемых в передатчике (несущая частота, длительность и период излучения), алгоритмами обработки и отображения принимаемых сигналов и параметрами электроакустического преобразователя.
Предлагаемый эхолот может быть использован в качестве любого из перечисленных выше за счет исключения аппаратных средств регулировки усиления в приемнике (блока ВАРУ) и использования в передатчике, представляющем собой усилитель мощности, второго управляющего входа, по которому из ЭВМ поступает сформированный полезный сигнал. При этом алгоритмы обработки сигналов реализованы с помощью ЭВМ и могут меняться в зависимости от типа эхолота и решаемых задач.
Предлагаемый эхолот работает следующим образом.
В начальный момент времени, то есть в момент запуска работы программного обеспечения, ЭВМ 1 через последовательный интерфейс 2 проверяет готовность аппаратуры к работе. В случае успешного завершения тестирования оператору выдается команда «готов к работе». Одновременно выполняются начальные установки параметров передатчика 3 и приемника 4.
Для передатчика 3 - это «излучаемая мощность» (она устанавливается по первому управляющему входу передатчика) и «параметры излучаемого сигнала» - это тип сигнала, его длительность и частота. Для приемника 4 - это обобщенная функция регулировки коэффициентом усиления.
Затем, по команде «пуск», на второй вход передатчика 3 из ЭВМ 1 через последовательный интерфейс 2 поступает полезный сигнал, сформированный по параметрам, установленным по умолчанию, и, после усиления, через устройство согласования с коммутатором приема-передачи 8, он подается на электроакустический преобразователь 5. Одновременно коммутатор приема-передачи 8 отключает вход приемника 4 от ЭАП 5. Этим обеспечивается защита приемника 4 от высокого напряжения на входе в момент излучения.
После окончания цикла передачи (излучения) коммутатор приема-передачи подключает вход приемника 4 к ЭАП 5, и начинается цикл приема.
Принятый эхо-сигнал выхода приемника 4 оцифровывается АЦП 5 и через последовательный интерфейс 2 вводится в ЭВМ 1 в виде массива последовательных отсчетов. В ЭВМ 1 этот исходный массив отсчетов обрабатывается в соответствии с одним из существующих алгоритмов выделения донного сигнала, например, таким, как описан в [Л3].
Полученное числовое значение выводится на дисплей 7. Так как в ЭВМ 1 вводится исходный массив, который несет полную информацию о каждом цикле прием-передача, обеспечивается возможность, меняя алгоритмы обработки, выделять информацию не только о донном сигнале, но и о любых других объектах, попадающих в зону облучения.
Это может быть информация об одиночных рыбах, рыбных скоплениях, препятствиях, опасностях либо иных объектах. В зависимости от решаемой задачи отображение информации на дисплее также может меняться.
После окончания цикла передача-прием начинается новый, в котором описанные процедуры обнаружения эхо-сигнала от дна, установления его амплитуды, определения его начала, вычисления глубины и вывод ее на дисплей 7 повторяются.
Изобретение может найти широкое применение в приборах для измерения глубины под килем судна, рыбопоисковой аппаратуре для обнаружения косяков рыб, измерительных приборах для определения расстояния до препятствий (при горизонтальном зондировании), а также других приложений, в которых необходимо измерить расстояние до объекта либо обнаружить объект в облучаемом пространстве в твердых, жидких и газовых средах.
Литература
1. Эхолот. Патент 2123191 RU от 1998.12.10, G01S 15/00.
2. Способ определения расстояния до дна и устройство для его осуществления. Патент 2065176 RU от 1996.08.10.
3. Эхолот. Патент 2241242 RU от 2003.03.31, G01S 15/08.
4. Урик Р.Д. Основы гидроакустики. Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.
5. Дамаркас В.И., Кажис Р.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис, 1975.
6. Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты. Л.: Судостроение, 1982 г.