УСТРОЙСТВО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОДВОДНОГО ПРОСТРАНСТВА В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ ВИДИМОСТИ

Полезная модель относится к области гидроакустической техники и может быть использовано в составе оборудования, обеспечивающего получение изображения различных подводных объектов в ультразвуковом поле в условиях ограниченной оптической видимости при наблюдении за подводными техническими сооружениями, работами по их ремонту и обслуживанию, а также всех видах водолазных работ.
Известно устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости, содержащее двухмерную антенную приемоизлучающую решетку, многопозиционные переключатели, обеспечивающие переключение режимов приема и передачи акустических колебаний, акустическую линзу, обеспечивающую фокусировку, а также блоки обработки и отображения информации на дисплее (см. «Системы акустического изображения / Под ред. Г.Уэйда. - Л.: Судостроение, 1981. - С.133-134»).
Недостатком устройства является плохое качество изображения из-за наличия помех от интерференции сигналов с боковых лепестков, а также искажений сигнала на линзе.
Известно устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости, содержащее размещенные в герметичном корпусе антенный блок, блок генерации излучаемого сигнала, блок обработки принятого сигнала, а также размещенный в герметичном корпусе блок графического отображения акустического изображения, соединенный кабельной линией связи с выходом блока обработки принятого сигнала, при этом антенный блок содержит жидкостную акустическую линзу, фокусирующую звуковое изображение на вращающуюся линейку электроакустических преобразователей, состоящую из 32 элементов, расположенных по радиусу, причем электроакустические преобразователи одновременно являются излучателями, блок обработки принятого сигнала выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, состоящего из 32 светодиодов, расположенных в том же порядке, что и приемные элементы импульсного генератора, а блок графического отображения акустического изображения размещен на маске водолаза (см. «Грегуш П. Звуковидение / Пер. с англ. под ред. В. Д. Света, М. -М: Мир, 1982. - С.168-169»).
Недостатком устройства является плохое качество изображения из-за наличия помех от интерференции сигналов с боковых лепестков и от вращающихся деталей, а также искажений сигнала на линзе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости, содержащее размещенные в герметичном корпусе антенный блок, блок генерации излучаемого сигнала, блок обработки принятого сигнала, а также размещенный в герметичном корпусе блок графического отображения акустического изображения, соединенный кабельной линией связи с выходом блока обработки принятого сигнала, при этом антенный блок содержит установленные в одной плоскости перпендикулярно продольной оси герметичного корпуса излучающую и приемную многоэлементные решетки в виде взаимно перпендикулярных линеек, блок генерации излучаемого сигнала содержит последовательно соединенные генератор, многоотводную линию задержки и многоканальный усилитель, выход которого соединен с излучающей многоэлементной решеткой, блок обработки принятого сигнала содержит последовательно соединенные с выходом приемной антенной решетки приемный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, формирователь характеристик направленности и блок вычисления корреляционной функции, второй вход которого подключен к выходу генератора, а блок графического отображения акустического изображения содержит видеоконтроллер, соединенный кабельной линией связи с выходом блока вычисления корреляционной функции, графический дисплей, соединенный с выходом видеоконтроллера, и пульт управления, подключенный к входу видеоконтроллера.
Недостатком прототипа является большая погрешность измерения дистанций до подводного объекта вследствие наложения эхо-сигналов, отраженных от разноудаленных элементов объекта.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения дистанции от устройства до подводного объекта.
Этот результат достигается тем, что в устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости, содержащее многоотводную линию задержки, многоканальный усилитель мощности, излучающую и приемную антенны, многоканальный усилитель, блок вычисления корреляционной функции, кабельную линию связи и блок графического отображения акустического изображения, введены дополнительно:
генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, генератор с управляемой частотой и электронный ключ - для последовательного формирования зондирующих сигналов с различными частотами;
полосовой и режекторный фильтры, коммутатор, входной блок, дополнительная линия задержки, преобразователь и блок вычитания - для выделения отраженных от элементов объекта эхо-сигналов различных частот и предотвращения их наложения в блоке вычисления корреляционной функции.
Предлагается устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости, содержащее последовательно соединенные многоотводную линию задержки, многоканальный усилитель мощности и излучающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну и многоканальный усилитель, блок вычисления корреляционной функции, последовательно соединенные кабельную линию связи и блок графического отображения акустического изображения, при этом излучающая и приемная многоэлементные антенные решетки установлены в одной плоскости в виде взаимно перпендикулярных линеек. Согласно полезной модели в устройство введены последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, генератор с управляемой частотой и электронный ключ, управляющий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход ключа соединен с многоотводной линией задержки, последовательно соединенные полосовой фильтр, коммутатор и входной блок, выход которого подключен к первому входу блока вычисления корреляционной функции, второй вход которого подключен к второму выходу генератора с управляемой частотой, режекторный фильтр, информационный вход которого совместно с информационным входом полосового фильтра подключены к выходу многоканального усилителя, управляющие входы полосового и режекторного фильтров соединены с выходом счетчика импульсов, дополнительная линия задержки, вход которой подключен к второму выходу коммутатора, второй вход которого подключен к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные преобразователь и блок вычитания, вход преобразователя соединен с выходом блока вычисления корреляционной функции, первый выход дополнительной линии задержки соединен с вторым входом входного блока, а второй выход дополнительной линии задержки соединен с вторым входом блока вычитания, выход которого подключен к кабельной линии связи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показана структурная схема устройства гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости.
Устройство гидроакустической визуализации подводного пространства в условиях ограниченной видимости содержит генератор тактовых импульсов 1, счетчик импульсов 2, генератор с управляемой частотой 3, ключ 4, многоотводную линию задержки 5, многоканальный усилитель мощности 6, излучающую антенну 7, приемную антенну 8, многоканальный усилитель 9, полосовой фильтр 10, режекторный фильтр 11, коммутатор 12, входной блок 13, блок вычисления корреляционной функции 14, дополнительную линию задержки 15, преобразователь 16, блок вычитания 17, кабельную линию связи 18, блок графического отображения акустического изображения 19.
i
На фиг.2 приведен пример конфигурации подводного объекта с различными удалениями (дистанциями) r его элементов от антенного блока устройства (в составе излучающей и приемной многоэлементных антенных решеток).
i
На фиг.3 представлены временные диаграммы сигналов, сформированных генератором с управляемой частотой (а), излучаемых антенной решеткой (б), а также отраженных от элементов объекта и поступивших в приемную антенну (в). При этом временные задержки отраженных эхо-сигналов t соответствуют конфигурации объекта, представленной на фиг.2. Иллюстрация наложения эхо-сигналов представлена на фиг.3, в (в пределах третьего и пятого временных окон).
Устройство работает следующим образом.
Генератор тактовых импульсов 1 формирует последовательность импульсов с периодом следования Т, поступающие на вход счетчика импульсов 2. Результаты подсчета импульсов в виде кодовой комбинации с выхода счетчика 2 подаются на вход генератора 3 для управления частотой формируемого сигнала (см. фиг.3, а).
i
П
С первого выхода генератора 3 сформированный сигнал заданной частоты f через электронный ключ 4, открываемый тактовым импульсом с генератора 1 на время t<T, поступает на вход многоотводной линии задержки 5 и далее к многоканального усилителя мощности 6 (см. фиг.3, б).
С выхода усилителя 6 сигнал поступает к элементам излучающей антенны 7. В результате сложения в воде акустических сигналов, излученных всеми элементами антенны, формируется луч, узкий в плоскости, проходящей через линию излучающей антенны 7, и широкий в перпендикулярной плоскости. Угол наклона луча относительно линии антенны зависит от сигнала на выходе многоотводной линии задержки 5. Путем изменения этих времен и соответствующих частот сигнала при каждом последующем облучении осуществляется последовательное сканирование пространства в заданном секторе углов.
Элементы приемной антенны 8 располагаются вдоль прямой линии, перпендикулярной линии элементов излучающей антенны 7. Характеристика направленности такой антенны имеет малую ширину в плоскости, проходящей через линию антенны, и большую в перпендикулярной плоскости. При формировании веера характеристик направленности приемной антенны 8 осуществляется параллельный обзор пространства вдоль всего сектора облучения. Обзор пространства по третьей координате - дистанции осуществляется путем вычисления корреляционной функции принятого сигнала с опорным.
После каждого облучения отраженные эхо-сигналы от элементов подводных объектов, находящихся в области облучения, принимаются элементами приемной антенны 8 и поступают на многоканальный усилитель 9, к выходу которого параллельно подключены полосовой фильтр 10 и режекторный фильтр 11 (см. фиг.2 и 3, в). Частоты настройки данных фильтров определяются по кодовой комбинации, подаваемой с выхода счетчика 2 на управляющие входы фильтров 10 и 11.
Если принятый (отраженный от объекта) эхо-сигнал находится в своем «временном окне», т.е. имеет ту же частоту, что и частота сигнала, формируемого на данный момент генератором 3, то он проходит через полосовой фильтр 10 и поступает на первый вход коммутатора 12. Если принятый эхо-сигнал отражен от удаленного элемента подводного объекта, т.е. соответствует предыдущему «временному окну», то его частота отличается от частоты настройки полосового фильтра 10. В этом случае принятый сигнал пройдет через режекторный фильтр 11 на второй вход коммутатора 12.
Коммутатор 12 предотвращает наложение отраженных эхо-сигналов различной частоты (см. фиг.3, в - позиции временные окон 3 и 5). Для первого из поступивших на его входы эхо-сигналов коммутатор 12 обеспечивает коммутацию выхода соответствующего фильтра с сигналом (полосового 10 либо режекторного 11) с первым входом блока 13, пройдя который эхо-сигнал поступает на первый вход блока вычисления корреляционной функции 14.
П
Если до окончания прохождения сигнала одной из частот через блоки 12-13-14 на выходе второго фильтра (режекторного 11 либо полосового 10) появится сигнал другой частоты, то коммутатор 12 обеспечит тракт его прохождения на вход дополнительной линии задержки 15. Через временной интервал, равный длительности сканирующих сигналов t, задержанный сигнал с первого выхода линии задержки 15 подается через второй вход блока 13 на первый вход блока вычисления корреляционной функции 14. Входной блок 13 обеспечивает развязку выходов блоков 12 и 15.
На второй вход блока вычисления корреляционной функции 14 подается опорный сигнал с второго выхода генератора 3.
i
i
На выходе блока вычисления корреляционной функции 14 формируется совокупность оценок мощности эхо-сигнала с каждого элементарного участка озвучиваемого пространства. Устройство за каждый цикл работы производит обзор окружающего подводного пространства по всем трем координатам в пределах заданных границ. При этом дистанция от антенного блока устройства до объекта отражения эхо-сигнала определяется по значению отсчета корреляционной функции на выходе блока 14: чем больше дистанция r тем больше время t - задержки отраженного эхо-сигнала относительно переданного сигнала, а соответственно меньше значение отсчета корреляционной функции. Преобразователь 16, подключенный к выходу блока вычисления корреляционной функции 14, обеспечивает преобразование напряжения, соответствующего значению отсчета корреляционной функции (в момент окончания периода опорного сигнала, сформированного генератором 3), в цифровой сигнал, соответствующий дистанции до исследуемого объекта (элемента объекта).
i
Если принятый эхо-сигнал находится в своем «временном окне», т.е. его частота совпадает с частотой опорного сигнала и он прошел через полосовой фильтр 10, то значение отсчета корреляционной функции на выходе блока 14 определяется величиной задержки t принятого (отраженного от объекта) эхо-сигнала по отношению к опорному сигналу (с выхода генератора 3), а также степенью ослабления мощности отраженного сигнала.
i
i
i
i-1
П
Если объект отражения находится на значительном удалении от устройства, то частота принятого отраженного эхо-сигнала может не совпадать с частотой опорного сигнала и данный сигнал проходит через режекторный фильтр 11. В этом случае значение уровня отсчета корреляционной функции в блоке 14 зависит как от задержки t принятого (отраженного от объекта) эхо-сигнала, так и от разности частот Δf=f-f принятого и опорного сигналов. В случае, если эхо-сигнал находился в дополнительной линии задержки 15, то с его второго выхода поступает информация о времени задержки t в блок вычитания 17, подключенного к выходу преобразователя 16, с целью коррекции результата измерения дистанции до объекта.
Полученные оценки эхо-сигнала по кабельной линии связи 18 поступают на блок графического отображения акустического изображения 19, состав и структура которого представлены в прототипе.
В частном случае возможно размещение устройства на шлеме водолаза, что позволяет изменять направление наблюдения путем поворота корпуса, освобождая при этом руки для выполнения необходимых действий.
Таким образом, предлагаемое в рамках полезной модели устройство позволяет повысить точность определения дистанции от антенн до подводного объекта за счет формирования зондирующих сигналов с различными частотами и выделения различными фильтрами отраженных от элементов объекта эхо-сигналов с коммутацией трактов их обработки, что предотвращает наложение эхо-сигналов в блоке вычисления корреляционной функции.