ИМИТАТОР ЭХОСИГНАЛА ЭХОЛОТА
ACOUSTIC SOUNDER ECHO SIGNAL SIMULATOR

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано на этапе отладки программно-аппаратных средств эхолотов, проверки их работоспособности в процессе производства и эксплуатации на носителях.
Эхолот - навигационный прибор, предназначенный для измерения отстояния носителя эхолота от дна. Принцип работы эхолота заключается в измерении временного интервала между моментом излучения антенной эхолота зондирующего импульса и моментом приема антенной эхолота отраженного от дна эхосигнала. Отстояния носителя эхолота от дна равно половине произведения скорости звука в воде на измеренный временной интервал от момента излучения зондирующего импульса до момента приема отраженного от дна эхосигнала.
Известен имитатор эхосигналов эхолота "Устройство для определения инструментальной погрешности эхолота" (полезная модель N 50006, RU, от 30.06.2005 г., Осюхин Б.А. и др.), который содержит передающий тракт эхолота, эквивалент антенны, блок регулируемой задержки, формирователь контрольного эхосигнала, контрольный излучающий вибратор, размещенный под вибратором эхолота на известной глубине.
Недостатком этого имитатора является то, что он предназначен для работы с эхолотом при испытании последнего в судовых условиях преимущественно у причалов при малых глубинах под килем судна, а также в испытательных бассейнах, то есть при работе эхолота непосредственно в воде.
Известен "Имитатор гидроакустических сигналов." (см. статью УДК 519.876.5 А.Н. Долгов, М.А. Раскита "Имитатор гидроакустических сигналов для отладки научного гидроакустического оборудования, предназначенного для мониторинга водных биоресурсов". Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск N 9.2011 г.), состоящий из системного блока и двух мониторов, предназначенных для отображения пользовательского интерфейса, имитатора сигналов, редактора сценариев и трехмерного отображения моделируемой подводной обстановки. Имитатор предназначен для работ на этапе разработки программного обеспечения прибора управления и отображения гидроакустического оборудования - гидролокатора бокового обзора и позволяющий осуществлять комплексную отладку ПО, не прибегая к дорогостоящим и длительным натурным морским испытаниям аппаратуры. Недостатком этого имитатора является то, что он не позволяет обеспечить проверку аппаратной части приемного тракта эхолота.
Известен имитатор сигналов гидроакустической антенны эхолота (см. статью В.А. Гучмазов, Е.Д. Долганова "Имитатор сигналов гидроакустической антенны эхолота" www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu2013/text/83.doc). Имитатор представляет собой программно управляемый формирователь отраженных сигналов, задержанных относительно излученных, на величину, пропорциональную заданной имитируемой глубине. Имитатор включает в себя эквивалент антенны, являющийся нагрузкой для приемопередатчика эхолота, формирователя огибающей зондирующего импульса с функцией преобразователя уровня, аналого-цифровой преобразователь, схему формирования отраженного эхосигнала (ПЛИС), устройство преобразования мощности отраженного эхосигнала и источник вторичного питания (ИП).
Алгоритм работы имитатора следующий: проверяемый приемопередатчик формирует зондирующий импульс, поступающий одновременно на эквивалент антенны и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП сигнал поступает на ПЛИС, где формируется эхосигнал с задержкой, пропорциональной установленной глубине относительно зондирующего импульса. Значение глубины поступает на ПЛИС по каналу RS-232 с персонального компьютера (ПК). Кроме того, значение мощности имитируемого эхосигнала может задаваться вручную (передается по каналу RS-232 с ПК) или рассчитываться автоматически, в зависимости от значения установленной глубины в соответствии с пространственным затуханием звука в воде. Далее сигнал поступает в устройство приема и детектирования излучаемого сигнала (УПМ), где ослабляется и приводится к уровню эхосигнала гидроакустической антенны. И затем поступает обратно на приемопередатчик эхолота.
Этот имитатор является наиболее близким к предлагаемому имитатору по количеству общих признаков и выбран в качестве прототипа.
Недостатками этого имитатора является то, что он не позволяет имитировать автоматически динамически изменяющуюся пошагово во времени, от зондирования к зондированию, задержку эхосигналов во всем диапазоне измеряемых глубин эхолотом, то есть не позволяет имитировать эхосигналы от наклонного дна и угол его крутизны, а также не позволяет устанавливать соотношение сигнал /помеха при имитации эхосигналов от дна.
В связи с высокой стоимостью проведения испытаний эхолотов на носителях, на этапах отладки программно-аппаратных средств при разработке эхолотов и проверки работоспособности эхолотов в период эксплуатации возникает потребность в имитаторе эхосигналов эхолотов.
Задача предлагаемого изобретения состоит в снижении затрат (материальных и временных) на этапе отладки программно-аппаратных средств эхолота при разработке и проверке его работоспособности в процессе производства и эксплуатации.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении достоверности имитации реальных эхосигналов эхолота, получаемых эхолотом в сложных условиях эксплуатации.
Для обеспечения указанного технического результата в имитатор эхосигналов эхолота, состоящий из эквивалента антенны и формирователя огибающей зондирующего импульса, входы которых соединены и являются входом имитатора эхосигналов эхолота, в него введены новые признаки, а именно: источник опорного напряжения, первый и второй счетчики импульсов, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый регулируемый генератор импульсов и компаратор, при этом выход формирователя огибающей зондирующего сигнала подключен к тактовому входу первого счетчика импульсов и к входу сброса второго счетчика импульсов, а к его тактовому входу подключен выход первого регулируемого генератора импульсов, разрядные выходы первого и второго счетчиков импульсов подключены к соответствующим разрядным входам первого и второго цифроаналоговых преобразователей, их опорные входы подключены к выходу источника опорного напряжения, а выход первого цифроаналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу компаратора, а выход второго цифроаналогового преобразователя подключен к не инвертирующему входу компаратора, также введены регулируемый генератор одиночных импульсов, генератор шумового напряжения с регулируемым напряжением, генератор синусоидального напряжения с регулируемыми частотой и напряжением, ключ и сумматор, причем выход компаратора напряжения соединен с входом регулируемого генератора одиночных импульсов, выход которого соединен с управляющим входом ключа, аналоговый вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, а его выход подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу генератора шумового напряжения, также введены второй регулируемый генератор импульсов, третий счетчик импульсов, преобразователь кода и третий цифроаналоговый преобразователь, при этом, выход сумматора подключен к входу опорного напряжения третьего цифроаналогового преобразователя, к разрядным входам которого подключены соответствующие выходы преобразователя кодов, разрядные входы которого подключены к соответствующим разрядным выходам третьего счетчика импульсов, вход сброса которого подключен к выходу формирователя огибающей зондирующего сигнала, а тактовый вход подключен к выходу второго регулируемого генератора импульсов, при этом выход третьего цифроаналогового преобразователя является выходом имитатора эхосигналов эхолота, а для достижения наилучшего технического результата первый счетчик импульсов и первый цифроаналоговый преобразователь выполнены n-разрядными, второй счетчик импульсов и второй цифроаналоговый преобразователь выполнены m-разрядными, третий счетчик импульсов и преобразователь кода по входу выполнены p-разрядными, третий цифроаналоговый преобразователь и преобразователь кода по выходу выполнены d-разрядными, первый счетчик импульсов выполнен реверсивным, а второй и третий счетчики импульсов выполнены суммирующими.
Введение новых блоков и связей позволяет обеспечить заявленный технический результат путем имитации пространственного затухания, введением автоматической имитации эхосигналов от наклонного дна и задания угла его наклона во всем диапазоне измеряемых глубин, а также за счет имитации переотраженных и ложных эхосигналов и имитации шумовой помехи.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 1 представлена блок схема заявленного имитатора, на фиг. 2 представлены временные диаграммы работы имитатора в режиме имитации одиночного эхосигнала в течение tзи, а на фиг. 3 - в режиме имитации переизлученных эхосигналов в течение tзи.
Заявленный имитатор (фиг. 1) содержит эквивалент 1 антенны эхолота, формирователь 2 огибающей звукового импульса (ЗИ), реверсивный, n-разрядный первый счетчик 3 импульсов, суммирующий, m-разрядный второй счетчик 4 импульсов, первый n-разрядный цифроаналоговый преобразователь 5, второй m-разрядный цифроаналоговый преобразователь 6, компаратор 7 напряжения, генератор 8 одиночных импульсов, генератор 9 синусоидального напряжения, ключ 10, генератор 11 шумового напряжения 11, сумматор 12, источник 13 опорного напряжения (ИОН), первый 14 и второй 15 регулируемые генераторы импульсов, третий суммирующий p-разрядный счетчик 16 импульсов, преобразователь кода x/y 17, третий d-разрядный цифроаналоговый 18 преобразователь.
Предлагаемый имитатор эхосигналов эхолота работает следующим образом.
зи
Первоначально должны быть известны - период зондирования tзи, длительность зондирующего импульса τ и частота излучения эхолота, что всегда известно для конкретного типа эхолота из его спецификации согласно требованиям Российского морского регистра судостроения.
зи
зи
1
С выхода тракта излучения эхолота зондирующий импульс (ЗИ) поступает на вход имитатора - эквивалент антенны эхолота 1 и формирователь огибающей ЗИ 2 с функцией ограничителя напряжения до уровня, необходимого для работы цифровых счетчиков импульсов 1, 2, 3. Эквивалент антенны эхолота 1 обеспечивает адекватную нагрузку для работы передающего тракта эхолота. Формирователь 2 из зондирующего импульса с частотой заполнения, равной частоте излучения эхолота, выделяет его огибающую длительностью τ и ограничивает его амплитуду. С выхода формирователя 2 цифровой импульс длительностью τ и периодом tзи, равным периоду зондирования (ЗИ) (см. фиг. 2.1), поступает на счетный вход реверсивного n-разрядного счетчика 3, вход сброса счетчика 4 и счетчика 16, которые сбрасываются в ноль. Счетчик импульсов 3 получает приращение кода на выходе на 1, далее код с его выходов поступает на входы первого n-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) 5, преобразуется в уровень напряжения и поступает на инвертирующий вход компаратора 7 (см. фиг. 2.2). Импульсы с выхода первого регулируемого генератора импульсов 14 поступают на счетный вход счетчика 4. Период импульсов t на выходе первого генератора 14 должен быть установлен так:
где  - число имитируемых эхосигналов на интервале tзи, при  формируется один эхосигнал, при  формируются два эхосигнала, при этом первый будет истинным, а второй - переотраженным для первого эхосигнала на интервале tзи, при и  - три и так далее,
m - число разрядов счетчика 4.
Отметим, что для повышения точности формирования пошагового изменения времени задержки эхосигналов необходимо выполнить условие при выборе величины разрядности счетчиков импульсов 3 и 4 так:
m>n.
С выхода ИОН 13 опорное напряжение постоянного тока подается на входы опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 5 и цифроаналогового преобразователя 6.
зи
зи
зи
2
р
р
р
Код с выхода счетчика импульсов 4 поступает на входы цифроаналогового преобразователя (ЦАП2) 6, преобразуется в уровень напряжения и поступает на не инвертирующий вход компаратора 7 (см. фиг. 2.3), где сравнивается с напряжением на инвертирующем входе, и в момент, когда оно оказывается больше, на выходе компаратора 7 вырабатывается импульс, который вызывает срабатывание генератора 8 одиночных импульсов, который на выходе формирует импульс длительностью τ (длительность импульса τ на выходе генератора одиночных импульсов 8 должна быть установлена) (см. фиг. 2.4), который в свою очередь на это время открывает аналоговый ключ 10, через который с генератора синусоидального напряжения 9 в течение τ синусоидальное напряжение частотой, равно частоте излучения эхолота, поступает на первый вход сумматора 12. На второй вход сумматора 12 поступает шумовое напряжение с генератора шумового напряжения 11. Регулированием напряжений с выходов генератора шумового напряжения 11 и генератора синусоидального напряжение 9 задается требуемое соотношение сигнал-помеха на выходе имитатора эхосигналов. С выхода сумматора 12 импульс синусоидального напряжения с частотой, равной частоте излучения эхолота, в смеси с шумовым напряжением, поступает на вход опорного напряжения третьего цифроаналового преобразователя (ЦАП3) 18. Регулируемый генератор 15 формирует импульсы с периодом t≥tзи/(2), которые поступают на счетный вход третьего р-разрядного суммирующего счетчика 16. Число 2 задает количество отрезков времени на интервале tзи, в течение которых аппроксимируется пространственное затухание эхосигналов эхолота. Чем больше число 2, тем более точно происходит аппроксимации пространственного затухания эхосигнала. Код с выходов третьего суммирующего счетчика 16 импульсов поступает на входы преобразователя 17 кода x/y. Линейно нарастающий p-разрядный код на входе преобразователя 17 кода x/y - преобразуется в спадающий d-разрядный код вида:
n
n
1/(20log(t/t)+β∗c∗(t-t)),
p
где t - текущее время, шаг его изменения Δt определяется выражением
p
р
Δt=tзи/2,
n
t - начальное время, точка начала формирования пространственного затухания, как правило, это момент окончания ЗИ,
β - коэффициент поглощения в воде на частоте излучения эхолота, Дб/м,
с - скорость звука в воде, обычно в расчетах принимается 1500 м/сек.
d
зи
Число 2 определяет динамический диапазон по амплитуде имитации пространственного затухания эхосигналов. Далее спадающий d-разрядный код с выхода преобразователя 17 кода x/y поступает на вход третьего d-разрядного цифроаналогового преобразователя 18, где происходит ослабление смеси импульса синусоидального напряжения с частотой, равной частоте излучения эхолота, длительностью τ и шумового напряжения, по закону
n
n
1/(20log(t/t)+β∗c∗(t-t)),
d
в диапазоне от 1 до (1/2) нормировано к величине выходного напряжения генератора синусоидального напряжения, то есть от максимума в начале tзи к минимуму в конце tзи. С выхода цифроаналогового преобразователя 18 сформированный задержанный эхосигнал подается на вход приемного тракта эхолота для усиления и обработки (см. фиг. 2.5). На этом первый цикл (т.е. первый интервал времени tзи) работы имитатора закончен - сформирован первый эхосигнал. При поступлении следующего ЗИ на вход имитатора цикл его работы повторяется и при этом задержка эхосигнала либо увеличится, либо уменьшится, либо останется прежней в зависимости от режима работы счетчика 3, и так до тех пор, пока не произойдет перебор всех состояний кода на выходе счетчика 3 импульсов. Сформированная таким образом последовательность эхосигналов на выходе имитатора является периодической функцией времени с периодом Т, которой определяется так
n
Т=tзи∗2,
где tзи - период излучения эхолота,
n - число разрядов первого счетчика импульсов 3.
Отметим то, что если реверсивный счетчик импульсов 3 включить в режим суммирования, то задержка эхосигналов от зондирования к зондированию будет пошагово увеличиваться с шагом Δt
пока не достигнет величины tзи, что соответствует имитации отрицательного угла наклона дна, причем, чем больше разрядность (m) счетчика 4 по сравнению с разрядностью (n) счетчика 3, тем больше шаг задержки Δt и тем больше имитируемая крутизна наклона дна.
Если реверсивный счетчик импульсов 3 включить в режим вычитания, то задержка эхосигналов от зондирования к зондированию будет пошагово уменьшаться с шагом Δt от максимума tзи, пока не достигнет нуля, что соответствует положительному углу наклона дна.
имит
Управление режимом счета реверсивного счетчика 3 импульсов : суммирование - вычитание осуществляется по входу "выбор : суммирование - вычитание". Счет реверсивного счетчика 3 импульсов можно остановить в любой момент времени, тогда формируемая имитатором задержка эхосигналов от зондирования к зондированию будет постоянной и равна задержке t на момент подачи команды "запрет счета"
имит
t=Δt∗y,
зи
где y - десятичное число, соответствующее коду на выходах реверсивного счетчика импульсов 3 в момент подачи сигнала на вход "запрет счета" счетчика импульсов 3. Отметим, что если на выходе генератора 8 одиночных импульсов установить длительность импульса τ<τ, то имитатор будет формировать на выходе ложные эхосигналы.
зи
Режим имитации переизлученных импульсов в течение tзи представлен на фиг. 3. На фиг. 3. 1 показан цифровой импульс, сформированный из огибающей ЗИ длительностью τ и периодом tзи. На фиг. 3.2 показано напряжение с выхода ЦАП1, а на фиг. 3.3 показано напряжение с выхода ЦАП2. На фиг. 3.4 показана последовательность импульсов с выхода генератора одиночных импульсов на интервале времени tзи. На фиг. 3.5 показаны сформированные переизлученные эхосигналы на выходе имитатора.
Для практического выполнения имитатора в качестве эквивалента антенны эхолота применяется параллельно соединенные резистор, равный величине активного сопротивления антенны эхолота и конденсатора, емкостью, равной емкости антенны эхолота. В качестве формирователя огибающей ЗИ может быть применен известный однополупериодный выпрямитель с фильтрующей емкостью с параллельно соединенным стабилитроном для ограничения напряжения огибающей ЗИ на выходе формирователя огибающей ЗИ.
ИОН может быть выполнен на микросхеме типа AD584 по типовой схеме включения, приведенной в (www.analog.com).
Счетчик импульсов 3 может быть выполнен на микросхемах реверсивного двоичного счетчика типа 1533ИЕ13 по типовой схеме включения (Электроника для профессионалов. Интегральные микросхемы КР1533. Техническое описание. Москва. 1992 г., стр. 323..330), счетчики импульсов 4 и 16 могут быть выполнены на микросхемах двоичного счетчика типа 1533ИЕ10 по типовой схеме включения (Электроника для профессионалов. Интегральные микросхемы КР 1533. Техническое описание. Москва. 1992 г., стр. 237..243. www.integral.by). ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3 - 5, 6, 18 могут быть выполнены на микросхеме перемножающего четырехквадрантного цифроаналогового преобразователя типа AD7945 по типовой схеме включения, приведенной в (www.analog.com), и микросхеме операционного усилителя ОР467 по типовой схеме включения, приведенной в (www.analog.com). В качестве компаратора напряжения может быть применена микросхема типа LM311 по типовой схеме включения, приведенной в (www.ti.com).
Сумматор 12 может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя типа ОР467 по типовой схеме включения, приведенной в (www.analog.com). Аналоговый ключ может быть выполнен на микросхеме типа ADG601 по типовой схеме включения, приведенной в (www.analog.com). Преобразователь кода 17 может быть выполнен на микросхеме постоянного запоминающего устройства типа М27С256 по типовой схеме включения, приведенной в (www.st.com). Генератор 8 одиночных импульсов с регулируемой длительностью выходного импульса может быть выполнен на микросхеме мультивибратора типа SN74LS123 по типовой схеме включения, приведенной в (www.ti.com). Генератор 9 синусоидального напряжения с регулировкой выходного напряжения и частоты может быть выполнен на микросхемах операционного усилителя типа ОР467 по схеме, приведенной в книге Алексенко А.Г. и др. "Применение прецизионных аналоговых микросхем", Москва, Радио и связь, 1985 г., стр. 131, рис. 4.2.а. с последующим включением регулируемого усилителя на основе операционного усилителя ОР467 по схеме стр. 74, рис 2.1. Генератор шумового напряжения может быть изготовлен на основе биполярного транзистора (источник шумового напряжения) и операционного усилителя по схеме, представленной в книге Р. Граф "Электронные схемы, 1300 примеров", Москва, МИР, 1989 г., стр. 404, рис. 59.3. Генератор импульсов может быть изготовлен на основе полевых транзисторов и логических микросхем по схеме генератора управляемого напряжением представленной в книге А.Л. Ланцов и др."Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах", Москва, РАДИО И СВЯЗЬ, 1983 г., стр. 255, рис. 9.15.
Альтернативный вариант реализации генератора 9 - это промышленный генератор Г3-122, для генератора 11 шумового напряжения - это промышленный генератор Г2-57, для генераторов 14 и 15 импульсов и генератора 8 одиночных импульсов - это промышленный генератор Г5-102.
Предложенный имитатор не требует разработки программного обеспечения. Независимые регулировки параметров имитируемых эхосигналов обеспечивают простоту его использования и совместимость с большинством известных эхолотов. Возможность имитатора автоматически формировать эхосигналы, имитирующие движение носителя над наклонным дном, позволяют в динамике, в реальном масштабе времени проверять работу эхолотов.
Исходя из вышеизложенного следует, что имитатор эхосигналов эхолота обеспечивает имитацию пространственного затухания эхосигналов в зависимости от времени (отстояния от дна), имитацию переотраженных и ложных эхосигналов, имитацию шумовой помехи, имитацию эхосигналов от дна при отрицательных и положительных наклонах дна и для различной крутизны наклона дна.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения достигнут.