АКТИВНЫЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ ЛОКАТОР

Полезная модель относится к локационным приборам, предназначенным для обнаружения объектов находящихся в различных средах. Заявляемый локатор может использоваться в гидролокационных системах различного назначения - эхолотах, гидролокаторах, профилографах, а также в ультразвуковых дефектоскопах, медицинских приборах УЗИ, уровнемерах и других активных локационных системах. Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известны активные эхолокационные системы, описание которых приведено в многочисленных литературных [1-7] и патентных [8-10] источниках. Они содержат, как правило, блок акустических преобразователей, соединенный с выходом генераторного и входом приемного трактов, блок управления соединенный с управляющими входами блока обработки и индикации, генераторного и приемного трактов, выход приемного тракта соединен с сигнальным входом блока обработки и индикации. Приемные тракты этих локационных систем содержат в различных сочетаниях последовательно соединенные усилители и частотно избирательные фильтры. Блок обработки и индикации в различных сочетаниях может содержать блоки с изменяемым во времени коэффициентом передачи, детектор, пороговые элементы, аналого-цифровой преобразователь и другие вспомогательные блоки.
Работа данных локационных систем происходит следующим образом. В блоке управления через заданные временные интервалы T вырабатываются синхросигналы определяющие начало рабочих циклов для остальных блоков локатора, а также другие сигналы определяющие режимы работы этих блоков [1-7]. В генераторном тракте вырабатывается радиоимпульсный зондирующий сигнал длительностью тис частотой заполнения f, поступающий на блок акустических преобразователей, излучающих в среду лоцирования акустический сигнал, который распространяется в среде лоцирования и отражается от объектов находящихся в канале лоцирования. Отраженные акустические эхо-сигналы принимаются элементами блока акустических преобразователей, и соответствующие им электрические сигналы поступают на вход приемного тракта. Значения параметров T, τ и f зависят в каждом конкретном и случае от условий лоцирования и рассчитывают по известным выражениям [1-7].
В приемном тракте эхо-сигналы обрабатываются по заданным алгоритмам - это, как правило, усиление и частотная фильтрация, а затем поступают на блок обработки и индикации, где выполняется их детектирование, обработка в блоках «Отсечка», «ВАРУ»-«ВРЧ», преобразование в цифровую форму и другие [1-7]. Затем выполняется определение параметров обнаруженных объектов (расстояния до них, размеры и другие) с последующей индикацией результатов лоцирования.
Все данные локационные системы используют узкополосные зондирующие сигналы простой формы. Поэтому в их приемных трактах выполняется фильтрация, реализуемая обычными активными или пассивными узкополосными частотно избирательными системами с не изменяемыми параметрами.
Эти локаторы имеют ограниченные эксплуатационные характеристики, вызванные малым отношением сигнал/шум на выходе их приемных трактов. Это обусловлено тем, что при отражении акустических сигналов от объектов, для которых происходит изменение расстояния между носителем локатора и самим объектом - происходит изменение частоты эхо-сигналов на величину доплеровского смещения. Поэтому полосу пропускания частотных фильтров приемных трактов локаторов выбирают больше на величину доплеровского смещения, что увеличивает уровень шумов на выходе приемного тракта. В результате этого снижается дальность лоцирования, также такие локаторы не могут обнаруживать малоразмерные объекты на предельных дальностях лоцирования. Локаторы с узкополосными зондирующими сигналами позволяют получать ограниченную информацию об обнаруженных объектах, обычно это их удаление по направлению лоцирования и сила цели.
В патентах [11-15] предложены гидроакустические локационные системы, в которых для приема узкополосных эхо-сигналов, частота которых изменяется в результате эффекта Доплера, используют приемный тракт, в котором частотная фильтрация реализуется блоком, состоящим из нескольких параллельно включенных цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные узкополосный фильтр, пороговый элемент и блок, разрешающий прохождение только тех частотных составляющих сигнала, уровни которых превышают пороговый уровень, определяемый уровнем шумовой составляющей для того же частотного диапазона. Использование нескольких параллельных цепочек частотной фильтрации повышает отношение сигнал/шум на выходе приемного тракта, однако не позволяет получать дополнительную информацию об обнаруженных объектах.
Дальнейшее повышение дальностей лоцирования и получение дополнительной информации об объектах лоцирования стало возможным при использовании в локационных системах широкополосных зондирующих сигналов со сложной структурой, модулированных по частоте, фазоманипулированных и других [16-18]. Последующая корреляционная обработка таких сигналов или их оптимальная фильтрация в приемном тракте позволяют получить большее отношение сигнал/шум, по сравнению с использованием узкополосных сигналов, увеличить дальность лоцирования, получить дополнительную информацию об обнаруженных объектах [19-20]. Однако в этих системах при обработке эхо-сигналов не учитывается изменение спектров зондирующих сигналов, происходящее при их распространении в реальных средах лоцирования имеющих частотную зависимость коэффициента затухания. Изменение спектров зондирующих сигналов, а после их отражения от объектов - эхо-сигналов нарушает условия оптимальности обработки эхо-сигналов в приемных трактах таких локаторов. Это не позволяет получить достижимую величину увеличения отношения сигнал/шум на выходе приемного тракта локатора, что ограничивает его эксплуатационные возможности.
В работе [19] показано, что при частотной фильтрации аддитивной суммы сигнала и помехи для получения максимального отношения сигнал/помеха на выходе линейного фильтра для времени t0 его комплексная частотная характеристика K(jω) должна соответствовать выражению
p
1
где B - постоянный множитель, S*(jω) - функция комплексно сопряженная спектральной плотности сигнала S(jω), S(jω) - спектральная плотность помехи. Если зондирующий сигнал, излучаемый в среду лоцирования имеет исходную спектральную плотность S(jω), то при его распространении в среде лоцирования и при отражении от объекта его спектр будет изменяться в соответствии с выражением
где множитель A(jω) характеризует комплексный коэффициент отражения зондирующего сигнала от объекта, а множитель exp(-2βr) - ослабление уровня зондирующего сигнала в результате поглощения при распространении в среде лоцирования, β - коэффициент поглощения, r - расстояние до обнаруженного объекта.
Для случая гидроакустики коэффициент поглощения β для диапазона частот акустических сигналов f=(5-100) кГц можно определить, воспользовавшись эмпирической формулой Шихи и Хелли [1 с. 71]
где частота сигнала f выражена в кГц.
В соответствии с выражениями (2-3) следует, что за счет зависимости величины коэффициента затухания β от частоты, спектр эхосигнала будет зависеть от расстояния r до обнаруженного лоцируемого объекта. С увеличением расстояния r за счет большего поглощения высокочастотных компонент спектра сигнала его огибающая будет смещаться в низкочастотную область. В соответствии с выражением (1) для оптимального приема эхосигналов частотная характеристика линейного фильтра K(jω) также должна иметь разный вид для объектов находящихся на разных расстояниях r.
Это относится ко всем гидроакустическим локационным системам, в том числе и к специализированным, таким как профилографы, эхоледомеры и другие системы, у которых зондирующий сигнал распространяется не только в водной среде, а и в других средах - донных осадках или в массиве льда. Так в работе [21] приведены графики (фиг. 1) для изменений спектра ЛЧМ-зондирующего сигнала при его распространении в донном осадке, которые показывают значительное искажение спектра зондирующего сигнала при увеличении расстояния r. Из приведенных графиков видно, что при приеме эхосигналов прошедших в осадочных грунтах расстояние до 3-5 м фильтр должен иметь полосу пропускания порядка 10 кГц при центральной частоте фильтра также около 10 кГц, а при прохождении расстояния более 10 м - центральная частота фильтра смещается в область 5 кГц, а полоса его пропускания уменьшается более чем в два раза. Таким образом, в данном случае для получения максимального отношения сигнал/шум на выходе приемного тракта локационной системы, необходимо изменять во времени параметры линейного фильтра, установленного в приемном тракте профилографа. Такой вывод относится и к другим локационным системам использующим широкополосные сигналы.
Целью данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей активного эхо-импульсного локатора.
Технический результат заключается в реализации в приемном тракте локатора условия оптимальной фильтрации для широкополосных эхосигналов от всех объектов, независимо от их удаления, что позволяет на выходе приемного тракта получить для них максимальное значение отношения сигнал/шум.
Технический результат достигается тем, что в активном эхо-импульсном локаторе по патенту [11], содержащем блок управления соединенный с управляющими входами блока обработки и индикации, генераторного и приемного трактов, состоящего из последовательно соединенных блока усилителей и блока частотной фильтрации, выход которого соединен с сигнальным входом блока обработки и индикации, блок акустических преобразователей соединенный с выходом генераторного и входом блока усилителей, дополнительно введен блок расчета коэффициентов, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, дополнительный управляющий вход соединен с выходом блока обработки и индикации, а выход соединен с управляющим входом блока частотной фильтрации, комплексная частотная характеристика K(jω) которого изменяется во времени в соответствии с выражением
p
K(jω)=Bexp(-jωt)S*(jω)/S(jω),
p
где B - постоянный множитель, S(jω) - спектральная плотность помехи, S*(jω) - функция комплексно сопряженная спектральной плотности S(jω) сигнала, определяемой выражением
,
1
где S(jω) - спектральная плотность исходного зондирующего сигнала, излучаемого в среду лоцирования, exp(-2βct) - множитель характеризующий ослабление зондирующего сигнала при его распространении в среде лоцирования, t - время отсчета от начала цикла лоцирования, β - коэффициент поглощения, c - скорость распространения акустического сигнала в среде лоцирования, A(jω) комплексный коэффициент отражения зондирующего сигнала от объекта лоцирования.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 приведены графики для огибающей спектра ЛЧМ зондирующего сигнала при его распространении в донных осадках, на фиг. 2 показана структурная схема заявляемого локатора, а на фиг. 3 - структурная схема одного из вариантов реализации блока частотной фильтрации.
Активный эхо-импульсный локатор содержит блок управления 1 соединенный с управляющими входами блока обработки и индикации 2, блока расчета коэффициентов 3, генераторного тракта 4 и блока усиления 5 входящего с блоком частотной фильтрации 6 в приемный тракт 7, блок акустических преобразователей 8 соединенный с выходом генераторного тракта 4 и входом блока усиления 5, последовательно соединенного с блоком частотной фильтрации 6, блоком обработки и индикации 2; дополнительный управляющий вход блока расчета коэффициентов 3 соединен с выходом блока обработки и индикации 2, а выход блока расчета коэффициентов 3 соединен с управляющим входом блока частотной фильтрации 6, комплексная частотная характеристика K(jω) которого изменяется во времени в соответствии с выражением
p
K(jω)=Bexp(-jωt)S*(jω)/S(jω),
p
где B - постоянный множитель, S(jω) - спектральная плотность помехи, S*(jω) - функция комплексно сопряженная спектральной плотности S(jω) сигнала, определяемой выражением
,
1
где S(jω) - спектральная плотность зондирующего сигнала, излучаемого в среду лоцирования, exp(-2βct) - множитель характеризующий ослабление зондирующего сигнала при его распространении в среде лоцирования, β - коэффициент поглощения, t -время отсчета от начала циклов лоцирования, c - скорость распространения акустического сигнала в среде лоцирования, A(jω) комплексный коэффициент отражения зондирующего сигнала объекта лоцирования.
Работа эхо-импульсного локатора происходит следующим образом.
В блоке управления 1 через заданные временные интервалы T вырабатываются синхросигналы определяющие начало рабочих циклов для остальных блоков локатора. В генераторном тракте 4 вырабатывается широкополосный зондирующий сигнал длительностью τ, поступающий на блок акустических преобразователей 8, излучающих в среду лоцирования акустический сигнал, который распространяется в среде лоцирования и отражается от объектов находящихся в канале лоцирования. Отраженные акустические эхо-сигналы принимаются элементами блока акустических преобразователей 8, и соответствующие им электрические сигналы поступают на вход блока усиления, а затем на вход блока частотной фильтрации 6 приемного тракта 7. Значения параметров T, τ, спектральные и временные параметры зондирующего сигнала зависят от конкретных условий лоцирования и рассчитываются по известным выражениям [1-7].
В приемном тракте 7 сигналы обрабатываются по заданным алгоритмам - это, как правило, усиление и частотная фильтрация, а затем поступают на блок обработки и индикации, где выполняются детектирование, обработка в блоках «Отсечка» и «ВАРУ»-«ВРЧ», преобразование в цифровую форму и другие [1-7]. После этого выполняется определение параметров обнаруженных объектов (расстояния до них, размеров и других) с последующей индикацией результатов лоцирования.
Для получения максимальной величины отношения сигнал/шум в блоке 6 выполняется линейная частотная фильтрация аддитивной суммы сигнала и помехи. Управляющие сигналы поступающие с блока расчета коэффициентов 3 на дополнительный вход блока частотной фильтрации 6 изменяют во времени его комплексную частотную характеристику K(jω) в соответствии с условием
p
где B - постоянный множитель, S(jω) - спектральная плотность помехи, S*(jω) - функция комплексно сопряженная спектральной плотности S(jω) сигнала, которая равна
1
где S(jω) - спектральная плотность зондирующего сигнала, излучаемого в среду лоцирования, A(jω) комплексный коэффициент отражения зондирующего сигнала от объекта лоцирования, множитель exp(-2βct) - характеризует ослабление зондирующего сигнала в результате поглощения при его распространении в среде лоцирования, t - время отсчета от начала цикла лоцирования, β - коэффициент поглощения, c - скорость распространения акустического сигнала в среде лоцирования.
1
Параметры коэффициента A(jω) для различных видов объектов, от которых может происходить отражение зондирующего сигнала для рассматриваемого локатора, а также значения остальных параметров S(jω), β, c, f хранятся в блоке 3 и используются для расчета сигналов поступающих на управляющий вход блока 6 и изменяющий его комплексный коэффициент передачи в соответствии с выражениями (4)-(5). Причем, коэффициенты β, с могут быть приведены и использованы последовательно для нескольких различных сред лоцирования, например, для профилографа - это могут быть вода и различные осадочные породы. Выбор тех или иных значений коэффициентов определяется по командам, поступающим на дополнительный управляющий вход блока 3 с блока обработки и индикации 2.
Возможны различные варианты структурного построения блока 2, где может выполняться как обработка аналоговых сигналов (детектирование, преобразование в блоках «Отсечка», «ВАРУ»-«ВРЧ»), так и их преобразование в цифровую форму с последующей программной обработкой по заданным алгоритмам.
Также возможны различные варианты построения блока частотной фильтрации 6. На фиг. 3 приведен один из вариантов построения блока 6. Он содержит n параллельно включенных цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные узкополосный фильтр 10, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 11 и фазовращатель 12. Входы всех n фильтров соединены с выходом блока усиления 5, выходы n фазовращателей соединены с n входами сумматора 13, выход которого соединен с входом блока обработки и индикации 2. Управляющие входа n усилителей и n фазовращателей соединены с выходами блока расчета коэффициентов 3.
Сигналы с выхода блока усиления 5 поступают на входы n узкополосных фильтров 10, которые пропускают отдельные частотные компоненты сигналов. Количество фильтров 10 и их полосы пропускания определяются шириной спектра обрабатываемых эхосигналов. С выходов фильтров эти частотные компоненты усиливаются усилителями 11 и поступают на входы фазовращателей 12. Коэффициенты передачи усилителей 11 и значения изменений фазы частотных компонент сигналов в фазовращателях 12 устанавливают путем подачи управляющих сигналов с блока 3 на их управляющие входы так, чтобы выполнялись условия выражений (4) и (5) для отдельных частотных компонент обрабатываемых сигналов. Частотные компоненты сигналов затем поступают на входы сумматора 13, на выходе которого формируется сигнал с максимальным отношением сигнал/шум, поступающий затем на вход блока 2.
Моделирование локатора с предложенным блоком частотной фильтрации, выполненное для различных условий лоцирования, подтвердило работоспособность его блока частотной фильтрации при обработке реальных широкополосных эхосигналов получаемых при использовании локационных систем различного назначения. Все блоки предлагаемого эхо-импульсного локатора реализуются путем использования распространенных аналоговых и цифровых элементов различной степени интеграции.
Источники информации
1. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.
2. Хребтов А.А. «Судовые эхолоты», Л.: Судостроение, 1982. - 232 с.
3. Яковлев А.Н., Каблов Г.П. «Гидролокаторы ближнего действия», - Л.: Судостроение, 1983. - 172 с.
4. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1982. - 240 с.
5. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 264 с.
6. Карлик Я.С., Марапулец Ю.В. Рыбопромысловая гидроакустика. - Петропавловск-Камчатский.: Камчат ГТУ, 2004. - 260 с.
7. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. «Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде», М.: Энергия, 1973. - 126 с.
8. Патент RU 2123191 «Эхолот», МПК G01S 15/00, опубликован 10.12.1998 г.
9. Патент RU 2241242 «Эхолот», МПК G01S 15/08, G01S 7/52, опубликован 27.11.2004 г.
10. Патент RU 2390796 «Эхолот», МПК G01S 15/00, опубликован 27.05.2010 г.
11. Патент RU 20389 «Гидролокатор обнаружения и классификации надводных и подводных целей для надводных кораблей», МПК G01S 15/02, опубликован 27.10.2001 г.
12. Патент RU 108642 «Система многочастотного акустического зондирования», МПК G01S 15/00, опубликован 07.06.2011 г.
13. Патент RU 1840759 «Устройство обработки и обнаружения гидроакустических сигналов», МПК G01S 7/52, опубликован 27.04.2009 г.
14. Патент RU 1840779 «Приемно-усилительный тракт гидролокатора», МПК G01S 7/52, опубликован 27.07.2009 г.
15. Патент RU 83344 «Устройство обнаружения подводных объектов по оценке меры случайности эхосигнала гидролокатора», МПК G01S 15/04, опубликован 27.05.2009 г.
16. Патент RU 105470 «Акустический тракт гидролокатора бокового обзора», МПК G01S 15/02, опубликован 10.06.2011 г.
17. Патент RU 125726 «Гидролокатор бокового обзора со сверхширокополосным зондирующим сигналом», МПК G01S 15/00, опубликован 10.03.2013 г.
18. Патент RU 126848 «Излучающий тракт гидролокатора с сверхширокополосным зондирующим сигналом», МПК G01S 15/02, опубликован 10.04.2013 г.
19. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.
20. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.
21. Черниховская Г.Л. Особенности применения сложных сверхширокополосных сигналов в гидроакустике. Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред. Материалы V Всероссийской научной конференции (Муром, 26-28 июня. 2012 г.) - Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ, 2012. с. 371-376.