ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ МНОГОЧАСТОТНЫЙ ЭХОЛОКАТОР

Полезная модель относится к гидроакустике, к системам акустического зондирования морской среды и предназначена для дистанционного определения функции распределения газовых пузырьков по размерам в морской воде.
Известно устройство, параметрический эхолокатор, позволяющее проводить оценку функции распределения газовых пузырьков по размерам в газонасыщенных областях. П. №1762636 РФ принят за прототип. Известное устройство состоит из трех узлов: тракта излучения параметрического сигнала, тракта приема сигнала и системы регистрации и обработки данных. Тракт излучения состоит из генератора импульсов, набора делителей частоты и фильтров нижних частот, которые суммируются сумматором, амплитудного и импульсного модуляторов, усилителя мощности и акустического преобразователя накачки. Тракт приема состоит из приемного преобразователя, после которого сигналы усиливаются и обрабатываются в приемнике эхо-сигналов разностной частоты. Эхо-сигналы разностных частот с выхода приемника эхо-сигналов поступают на входы регистрирующего прибора и десятиканального селективного усилителя, где усиливаются и фильтруются на соответствующие разностным сигналам частоты. На выходах десятиканального селективного усилителя образуются сигналы, уровни которых несут информацию о концентрации газовых пузырьков, резонансных каждой из частотных компонент, а все вместе они несут информацию о функции распределения газовых пузырьков по их размерам в газожидкостной области. Окончательное представление о функции распределения происходит в системе регистрации и обработки данных, где десятиканальное нормирующее устройство производит сравнение принятого сигнала рассеяния с исходным сигналом излучения, который поступает из тракта излучения через десятиканальный селективный усилитель, и выводит результат в систему регистрации и обработки данных.
Одним из недостатков известного параметрического эхолокатора является фиксированный спектр излучаемых частот, определяемый делителями частоты и набором фильтров для получения синусоидального сигнала из импульсных сигналов делителей. В эхолокаторе отсутствует техническая возможность изменить параметры излучаемого сигнала, такие как частоты модуляции и их количество из-за жестко заданной структуры эхолота. Любое изменение параметров сигнала излучения, необходимость в котором может возникнуть в ходе исследования, требует замены делителей и перенастройки фильтров, то есть переделки аппаратуры. Кроме того, устройство обладает громоздкой структурой тракта приема, поскольку обработка сигналов идет параллельно по всем частотам.
В реальных условиях морских исследований часто требуется внести изменения в ход эксперимента, изменить некоторые параметры сигналов, при этом практически всегда исследователь ограничен во времени не только графиком работ, но и погодными условиями.
Задачей заявляемого устройства является разработка нового устройства для дистанционного определения функции распределения газовых пузырьков по размерам в морской воде. Технический результат - упрощения схемы и расширение функциональных возможностей параметрического эхолокатора, а именно расширение возможности выбора частот зондирования и разрешающей способности по частоте, используя для этого один перестраиваемый канал излучения и приема для всех частот.
Поставленная задача решается параметрическим многочастотным эхолокатором, состоящим из тракта излучения, тракта приема и системы регистрации и обработки полученных результатов, при этом тракт излучения включает два генератора частот накачки, первый из которых соединен по входу частотной модуляции с выходом делителя напряжения, а второй по входу частотной модуляции с выходом инвертора напряжения, инвертор напряжения соединен с выходом делителя напряжения, вход которого соединен с выходом регулятора напряжения, а вход регулятора напряжения соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, вход генератора ступенчатого напряжения соединен с выходом генератора импульсов, при этом выходы генераторов частот накачки соединены с входом сумматора, выход которого соединен последовательно с импульсным модулятором, усилителем мощности, коммутатором сигналов, первый выход которого соединен с акустическим преобразователем накачки, а второй со входом фильтра тракта приема, который включает входной фильтр, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с гетеродином, вход которого соединен с выходом регулятора напряжения, выход смесителя соединен с входом фильтра промежуточной частоты, выход которого соединен через детектор с системой обработки и регистрации данных.
Функциональная схема параметрического многочастотного эхолокатора для дистанционного определения функции распределения газовых пузырьков по размерам в морской воде представлена на фиг.
1
2
Устройство состоит из тракта излучения (I), тракта приема (II) и системы регистрации и обработки данных (III). Тракт излучения (I) включает в себя два генератора (1 и 2) частот накачки ω и ω, сумматора (3), импульсного модулятора (4), усилителя мощности (5), коммутатора сигналов (6), параметрического излучателя (7), генератора импульсов (8), генератора ступенчатого напряжения (ГСН) (9), регулятора напряжения (10) и делителя напряжения на два (11), инвертора напряжения (12). Тракт приема (II) состоит из фильтра (13), широкополосного усилителя (14), смесителя (15), гетеродина (16), узкополосного фильтра сигналов промежуточной частоты (17) и амплитудного детектора (18). Система регистрации и обработки данных (III) включает двухканальный АЦП (19) и процессор (20).
1
2
1
2
Параметрический многочастотный эхолокатор работает следующим образом: Сигналы генераторов (1 и 2) частот накачки смешиваются в сумматоре (3), образуя бигармонический сигнал. Бигармонический сигнал в импульсном модуляторе (4) преобразуется в бигармонический импульс, который усиливается усилителем мощности (5) и через электронный коммутатор (6) поступают на параметрический излучатель (7). Генераторы частот накачки выполнены по схеме генераторов, управляемых напряжением (ГУН). Частоты этих генераторов управляются по входу частотной модуляции (ЧМ) постоянным напряжением, которое поступает с выхода генератора ступенчатого напряжения (ГСН) (9) через регулятор напряжения (10) и делитель напряжения на два (11). Для сохранения амплитудного равенства частот накачки параметрического излучателя используют режим, при котором две частоты накачки при сканировании по частоте расходятся симметрично относительно центральной частоты пропускания излучателя на величину Δω, а вместе они дают девиацию разностной частоты на 2Δω. Первый генератор частот накачки управляется непосредственно от делителя напряжения, а второй - через инвертор напряжения (12), который меняет полярность управляющего напряжения на противоположную. Частоты генераторов сигналов в начале цикла излучения отличаются на заданную величину Ω=ω-ω для того, чтобы сформировать в нелинейной морской среде разностный сигнал Ω. Изменение выходного напряжения ГСН на один уровень пропорционально изменению частоты генераторов накачки на величину Δω, причем, первый и второй генераторы накачки изменяют свою частоту в противоположные стороны на равную величину. Такой способ перестройки частот позволяет сохранять неизменной центральную частоту параметрического излучателя. Общее изменение разности частот накачки в бигармоническом сигнале составляет 2Δω. Регулятор напряжения (10) регулирует выходное напряжение генератора ГСН, задает величину управляющего напряжения на входах ЧМ генераторов (1, 2) и, соответственно, величину «ступеньки» ГСН, а значит и значения ω и ω и Δω. Переключение ГСН (9) на одно значение происходит каждый раз после излучения акустического импульса в воду по сигналу генератора импульсов (8). Тракт излучения переводится на излучение следующих частот накачки. Число уровней (ступеней) n определяется счетчиком ГСН и может задаваться путем изменения коэффициента пересчета. После излучения коммутатор (6) сигналов отключает параметрический излучатель (7) от выхода усилителя мощности и подключает к входному фильтру (13) тракта приема. Принятые сигналы выделяются фильтром (13) и усиливаются широкополосным усилителем (14). Далее сигналы рассеяния поступают на первый вход смесителя (15), на второй вход которого поступают сигналы генератора синусоидальных сигналов (16), выполняющего функцию гетеродина (16). Гетеродин (16) управляется полным напряжением ГСН (9), ГУН (1 и 2) управляются через делитель напряжения на два (11) с коэффициентом деления по напряжению два), поэтому переключение ГСН (9) на одно значение приводит к изменению частоты гетеродина(16) на 2Δω. На выходе смесителя (15) появляется сигнал промежуточной частоты как разность частот между сигналами на первом и втором его входами. Реализуется схема преобразования несущей частоты сигнала в сигнал промежуточной частоты с использованием вспомогательного генератора гармонических колебаний - гетеродина (16). С выхода смесителя (15) сигналы поступают на узкополосный фильтр (17), где выделяются сигналы промежуточной частоты. Сигналы промежуточной частоты детектируются амплитудным детектором (18), поступают в систему регистрации и обработки данных (III) на вход первого канала двухканального АЦП (19), оцифровываются и поступают в процессор обработки (20). Второй канал АЦП используется для записи напряжения ГСН (9) в момент записи сигналов рассеяния для определения частоты, на которой получены данные. В процессоре (20) происходит определение амплитуды сигнала на каждой частоте и вычисляется функция распределения пузырьков по размерам.
Таким образом, в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом в тракте излучения вместо 5-ти делителей частоты и 6-ти фильтров низкой частоты используются два генератора частот накачки, а спектр частот формируется путем управления частотами генераторов накачки с помощью генератора ступенчатого напряжения, регулятора и делителя напряжения на два, причем, регулятор напряжения позволяет устанавливать и менять начальные частоты накачки, шаг сканирования по частотам накачки в широких пределах, что позволяет изучать спектр сигналов рассеяния с различной разрешающей способностью. Число ступеней (n) управляющего напряжения генератора ступенчатого напряжения (9) задается счетчиком ГСН и может быть при необходимости изменено. В прототипе полученный ряд частот излучения суммируется и модулирует частоту накачки, в заявляемом устройстве суммируются два сигнала накачки, частоты которых изменяются после каждого цикла излучения. Тракт приема в прототипе состоит из 10-ти канальных приемников сигналов рассеяния, 10-ти канальных селективных усилителей сигналов рассеяния и 10-ти канальных селективных усилителях контрольных сигналов излучения, 10-ти канального нормирующего устройства и 10-ти канального регистрирующего устройства. В заявляемом устройстве в тракте приема используется один перестраиваемый тракт приема на все возможные частоты, причем для перестройки частоты тракта приема применен перестраиваемый генератор - гетеродин (16), сигнал которого перемножается в смесителе (15) с сигналами рассеяния и выделяется промежуточная частота, несущая информацию об амплитудах сигналов рассеяния всех частот. Перестройка частоты этого генератора (16) синхронизирована с перестройкой частоты сигналов накачки, поэтому независимо от установленного шага по частоте и количества частот промежуточная частота, которую выделяет узкополосный фильтр ПЧ, всегда постоянна. Таким образом, в предложенном устройстве тракт приема всегда согласован с трактом излучения и отслеживает все изменения режимов излучения, то есть используется один перестраиваемый канал излучения и приема для всех частот.
Макет заявляемого устройства был реализован в процессе исследования пузырьковой пелены, созданной искусственно в лабораторных условиях. Пузырьки генерировались электролитическим генератором. Ток генератора определял концентрацию пузырьков в воде. В качестве генераторов частот накачки использовались генераторы Г6-34, управлялись по входу ЧМ напряжением, поступающим от генератора ступенчатого напряжения через регулятор, функции которого выполнял переменный резистор, и инвертор, функции которого выполнял усилитель У5-10 в режиме единичного усиления. Генератор ступенчатого напряжения был выполнен на базе двоичного 4-х разрядного счетчика, построенном на микросхеме 155ИЕ7, выходы которого были соединены с шиной внешнего управления источника напряжения Б5-47. Импульсы для переключения счетчика поступали от генератора импульсов Г5-56, который синхронизировал излучение бигармонических импульсов, переключение генератора ступенчатого напряжения и запуск АЦП. Использовался параметрический излучатель с центральной частотой 715 кГц. Начальные частоты накачки первого генератора 730 кГц, второго - 700 кГц, разность 30 кГц. Регулятор напряжения устанавливался так, чтобы при каждом переключении ступенчатого напряжения частота каждого генератора Г6-34 изменялась на 5 кГц, а разность частот на 10 кГц. Первый генератор увеличивал частоту, а второй - уменьшал. Был включен режим счетчика для счета до 8 ступеней, диапазон разностных частот в бигармоническом сигнале составил 30-100 кГц с шагом 10 кГц. Дальнейшее увеличение диапазона перестройки частот ограничивалось полосой пропускания излучателя. Сумматор был собран на резисторах, усилитель мощности - У7-5, диодный коммутатор собран по типовой схеме коммутаторов эхолотов, в качестве входного фильтра и широкополосного усилителя использовался нановольтметр польской фирмы UNIPAN, гетеродином и смесителем был генератор Г6-34 в режиме ЧМ и АМ. На вход амплитудной модуляции подавался усиленный сигнал усилителя SN-232. Гетеродин был настроен на частоту 150 кГц в отсутствии управляющего сигнала от делителя напряжения. Селективный фильтр промежуточной частоты также настроен на частоту 150 кГц. В качестве фильтра использовался селективный микровольтметр SN-233. Подача начального управляющего напряжения на вход гетеродина приводит к смещению частоты на 30 кГц вниз, разностная частота с сигналом рассеяния сохранится как 150 кГц. Дальнейший рост разности частот накачки компенсируется равным уменьшением частоты гетеродина.
Таким образом, заявляемое устройства позволяет по сравнению с прототипом упростить схему и расширить функциональные возможности параметрического эхолокатора, а именно расширить возможности выбора частот зондирования, а также разрешающую способность по частоте, используя для этого один перестраиваемый канал излучения и приема для всех частот.