ЭХОЛОТ

Полезная модель относится к гидроакустическим системам и может быть использована в эхолотах с обнаружением эхо-сигналов и измерением глубины или расстояния до объектов водной среды.
Известна акустическая система измерения расстояния (см. патент ЕР №0340953, G01S 7/295, G01S 15/88, опубликован 08.11.1989), которая содержит микропроцессор, память, ряд интерфейсов, цифроаналоговый преобразователь, дисплей, передатчик, приемник, аналого-цифровой преобразователь, электроакустический преобразователь.
В известной акустической системе защита от шумов обеспечивается за счет использования приемника с усилением по логарифмическому закону и адаптивного порога обнаружения, уровень которого зависит как от амплитуды сигнала, так и от уровня шумов. Однако излучение с постоянной энергетикой и логарифмическая зависимость коэффициента усиления не позволяют полностью скомпенсировать уменьшение амплитуды эхо-сигналов с увеличением глубины, то есть не позволяют добиться оптимального, с точки зрения погрешности измерения, соотношения сигнал/помеха для каждой конкретной глубины и коэффициента обратного рассеяния от границы раздела двух сред, а это не позволяет минимизировать погрешность измерения глубины, обусловленную изменяющимся уровнем гидроакустических шумов. При этом, мощность излучаемого сигнала устанавливается, исходя из максимальной измеряемой глубины, что вызывает неоправданно излишние энергетические затраты и завышенный уровень излучаемых шумов при измерениях глубин меньше максимальной.
Известен эхолот (см. патент RU №2241242, МПК G01S 15/08, G01S 7/52, опубликован 27.11.2004), содержащий последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь, подключенный к передатчику и приемнику, и дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а передатчик выполнен со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой
подключен к микроконтроллеру, приемник выполнен с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления.
В известном эхолоте повышение точности измерения осуществляется за счет временной автоматической регулировки усиления и ступенчатой регулировки усиления усилителя, а также ступенчатой регулировкой мощности передатчика. Однако повышение энергетики импульсного сигнала для повышения отношения сигнал/шум за счет повышения мощности передатчика приводит к снижению показателя скрытности. Мощность передатчика и устройства его электропитания должны быть рассчитаны на измерения максимальной глубины; регулировка мощности передатчика требует более сложного, а, следовательно, более дорогого и менее надежного передатчика, чем без регулировки. Кроме того, эхо-локация импульсными сигналами не позволяет получить достаточно высокую помехоустойчивость, особенно в условиях воздействия импульсных помех, как, например, при использовании шумоподобных сигналов.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является эхолот (см. патент RU №2042153, МПК G01S 15/00, опубликован 20.08.2995), принятый за прототип. Эхолот-прототип содержит: генератор гармонического сигнала, соединенный с излучателем в виде акустической антенны, подключенной к усилителю мощности, приемник, соединенный через детектор с усилителем, коррелятор, в который входит вычислитель глубины, и два блока вычисления квадрата огибающей (первый и второй квадраторы), при этом, вход первого блока вычисления квадрата огибающей гармонического сигнала соединен с выходом генератора гармонического сигнала, а выход с первым входом коррелятора, а второй блок вычисления квадрата огибающей гармонического сигнала включен между детектором и вторым входом коррелятора.
В известном эхолоте-прототипе решается задача повышения точности измерения за счет введения квадраторов, позволяющих увеличить остроту максимума взаимной корреляционной функции (ВКФ) квадратов огибающих сигнала и его копии (излучаемого сигнала) по сравнению с ВКФ сигнала и его копии и тем самым повысить точность определения корреляционной временной задержки, соответствующей этому максимуму.
Однако вычисление в эхолоте-прототипе корреляционной функции квадратов принимаемого и излучаемого сигналов не обеспечивает оптимальный корреляционный прием сигнала с неизвестной начальной фазой. Это не позволяет обеспечить достаточную помехоустойчивость приема. Кроме того, при этом не достигается достаточной остроты корреляционной функции, что не позволяет обеспечить достаточную точность измерения глубины. Применение в эхолоте-прототипе гармонических сигналов не позволяет обеспечить скрытность работы устройства и защиту от гармонических помех, которые особенно опасны при наличии перед коррелятором элементов (квадраторов) с нелинейной характеристикой.
Задачей заявляемого технического решения являлась создание такого эхолота, который бы обладал повышенной помехоустойчивостью, точностью измерения и скрытностью работы.
Поставленная задача достигается тем, что эхолот содержит генератор гармонического сигнала в виде тактового генератора с подключенным к его выходу первым фильтром, акустическую антенну, усилитель мощности, приемный усилитель, первый и второй квадраторы, индикатор и вычислитель глубины. В эхолот также введены: первый, второй и третий перемножители, второй и третий фильтры, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый и второй согласованные фильтры, сумматор, формирователь псевдослучайных последовательностей (ПСП), блок управления длиной ПСП, синтезатор частоты (СЧ) и переключатель диапазона измерения. Первый выход тактового генератора соединен с входом первого фильтра, а второй выход тактового генератора подключен к входу синтезатора частоты, выход первого фильтра подключен к первым входам первого и второго перемножителей, выход первого перемножителя соединен с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу/выходу антенны, которая также соединена с первым входом приемного усилителя, выход которого подключен ко вторым входам второго и третьего перемножителей, выходы которых через соответствующие второй и третий фильтры и первый и второй АЦП подключены к первым входам первого и второго согласованных фильтров, выходы которых через соответствующие первый и второй квадраторы подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого соединен с первым входом вычислителя глубины, выход которого подключен к индикатору, первый выход синтезатора частоты подключен ко второму входу третьего
перемножителя. Второй выход синтезатора частоты соединен с первым входом формирователя ПСП, третий выход синтезатора частоты соединен со вторым входом формирователя ПСП и со вторым входом вычислителя глубины, первый выход формирователя ПСП подключен ко второму входу первого перемножителя, второй и третий выходы - ко вторым входам соответственно первого и второго согласованных фильтров, а четвертый выход формирователя ПСП соединен с третьим входом вычислителя глубины. Первый выход переключателя диапазона измерения подключен к управляемому входу приемного усилителя, а второй выход - к управляемым входам блока управления длиной ПСП, выход которого соединен с третьим входом формирователя ПСП.
Синтезатор частоты содержит последовательно включенную цепочку из двух делителей частоты на n и r, а также элемент задержки, к выходу которого подключен четвертый фильтр. Вход синтезатора частоты является входом элемента задержки и делителя частоты на n, а выход четвертого фильтра первый выход делителя частоты на n и выход делителя частоты на r являются соответственно первым, вторым и третьим выходами синтезатора частоты.
Введение формирователя ПСП, согласованных фильтров, сумматора, перемножителей, фильтров, АЦП и синтезатора частот позволяет применить для эхолокации шумоподобные сигналы и их согласованную фильтрацию, что обеспечивает существенное повышение помехоустойчивости, особенно при воздействии импульсных и гармонических помех, позволяет повысить точность измерений за счет узкого пика корреляционной функции шумоподобного сигнала, а также повысить скрытность функционирования эхолота. Причем, предварительная корреляционная обработка принимаемого сигнала с копией его несущей частоты (в первом канале обработки) и смещенной на четверть периода копией несущей (во втором канале) позволяет снять несущую частоту и достаточно просто реализовать дальнейшую согласованную фильтрацию в микроконтроллере на пониженной частоте в оцифрованном с помощью АЦП виде. Два канала согласованной фильтрации с суммированием в сумматоре возведенных в квадрат в квадраторах значений корреляционных функций, вычисляемых в согласованных фильтрах, позволяют произвести оптимальный прием эхо-сигналов при неизвестной начальной фазе.
Введение переключателя диапазона измерения, блока управления длиной ПСП и регулировки усиления приемного усилителя позволяет регулировать
энергию излучаемого сигнала в зависимости от измеряемой глубины не за счет регулировки его мощности, а за счет его длительности, что обеспечивает простоту усилителя мощности и отсутствие необходимости обеспечения избыточной мощности.
Синтезатор частоты обеспечивает с помощью элемента задержки и фильтра формирование копии несущей частоты сигнала, смещенной на четверть периода, а также, с помощью делителей частоты обеспечивает тактирование работы формирователя ПСП.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема эхолота;
на фиг.2 изображена схема синтезатора частот.
Эхолот (см. фиг.1) включает тактовый генератор (ТГ) 1, первый фильтр (Ф1) 2, акустическую антенну (А) 3, усилитель 4 мощности (УМ), приемный усилитель (ПУ) 5, первый и второй квадраторы (КВ1, КВ2) 6, 7, индикатор (ИН) 8, вычислитель 9 глубины (ВГ), первый, второй и третий перемножители (П1, П2, П3) 10, 11, 12, второй и третий фильтры (Ф2, Ф3) 13, 14, первый и второй (АЦП1, АЦП2) 15, 16, первый и второй согласованные фильтры (СФ1, СФ2) 17, 18, сумматор (CM) 19, формирователь 20 ПСП (ФПСП), блок 21 управления длиной ПСП (БУД), синтезатор 22 частоты (СЧ), и переключатель 23 диапазона измерения (ПДИ). Первый выход ТГ 1 соединен с входом Ф1 2, а второй выход ТГ 1 подключен к входу СЧ 22, выход Ф1 2 подключен к первым входам П1 10, П2 11. Выход П1 10 соединен с входом УМ 4, выход которого подключен к входу/выходу А 3, которая также соединена с первым входом ПУ 5. Выход ПУ 5 подключен ко вторым входам П2 11, ПЗ 12, выходы которых через соответствующие Ф2 13 и ФЗ 14, АЦП 15 и второй АЦП 16 подключены к первым входам СФ1 17 и СФ2 18, выходы которых через соответствующие КВ1 6 и КВ2 7 подключены соответственно к первому и второму входам СМ 19, выход которого соединен с первым входом ВГ 9, выход которого подключен к ИН 8. Первый выход СЧ 22 подключен ко второму входу ПЗ 12. Второй выход СЧ 22 соединен с первым входом ФПСП 20, третий выход СЧ 22 соединен со вторым входом ФПСП 20 и со вторым входом ВГ 9, первый выход ФПСП 20 подключен ко второму входу П1 10, второй и третий выходы ФПСП 20 - ко вторым входам соответственно СФ1 17 и СФ2 18, а четвертый выход ФПСП 20 соединен с третьим входом ВГ 9. Первый выход ПДИ 23 подключен к управляемому входу ПУ 5, а второй выход ПДИ 23 - к управляемым входам БУД 21, выход
которого соединен с третьим входом ФПСП 20. СЧ 22 содержит последовательно включенную цепочку из двух делителей частоты (ДЧ1, ДЧ2) на n и r соответственно 24, 25, а также элемент 26 задержки (ЭЗ), к выходу которого подключен Ф4 27. ТГ 1 и Ф1 2 составляют генератор 28 гармонического сигнала (ГГС), а блоки АЦП1 15, АЦП2 16, СФ1 17, СФ2 18, КВ1 6, КВ2 7, CM 19, ФПСП 20, БУД 21 и ВГ 9 входят в состав микроконтроллера 29.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Работает эхолот (см. фиг.1) следующим образом. ТГ 1 совместно с Ф1 2 вырабатывает гармоническое напряжение Sin ft, использующееся в качестве несущей частоты излучаемого А 3 шумоподобного фазоманипулированного сигнала, а также в качестве копии несущей частоты для первого канала предварительной корреляционной обработки в П2 11 и Ф2 13. Э3 26 СЧ 22 (см. фиг.2), сдвигающий сигнал тактовой частоты f на четверть периода, совместно с Ф4 27 вырабатывает гармоническое напряжение cos ft, использующееся в качестве задержанной копии несущей частоты для второго канала предварительной корреляционной обработки в П3 12 и Ф3 14. Кроме того, в СЧ 22 формируются напряжения тактовых частот f/n с помощью ДЧ1 24 и f/nк с помощью ДЧ2 25. Эти частоты поступают в формирователь 20 ПСП, где формируются ПСП, например, m-последовательности (последовательности максимальной длины Хаффмена) с тактовой частотой f/nк. Число nк определяет количество периодов несущей частоты на длительности элемента ПСП. Число к определяет количество отсчетов корреляционной функции на длительности элемента ПСП. Эти ПСП используются в П1 10 для фазовой манипуляции напряжения несущей частоты sin ft, в результате чего на выходе П1 10 формируется фазоманипулированный шумоподобный сигнал (ШПС). Этот сигнал усиливается в УМ 4 и поступает в А 3. Излучаемый антенной сигнал, отражается от дна или других объектов водной среды, задерживается по времени в соответствии с двойным расстоянием от А 3 до объекта и поступает в ПУ 5 с регулируемым усилением. Усиленный сигнал перемножается в П2 11 и ПЗ 12 с напряжениями sin ft и cos ft, фильтруется соответствующими Ф2 13 и Ф3 14, преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП1 15 и ФЦП2 16 соответственно, и поступает в цифровые СФ1 17 и СФ2 18 соответственно. СФ1 иСФ2 в данном случае представляют сумматоры, в которых в зависимости от значения элемента ПСП (1 или 0) складываются, или вычитаются приращения значений АЦП1 15 и ФЦП2 16 в течение длительности ПСП, сдвинутых между собой на период частоты f/n. Результаты суммирования, соответствующие каждой ПСП, возводятся в
0
0
квадрат в КВ1 6 и КВ2 7 и попарно суммируются в СМ 19. В результате этого осуществляется квадратурная корреляционная обработка принимаемого отраженного псевдослучайного сигнала с дискретностью получения значений корреляционной функции (КФ) n/f. Значения КФ проходят в ВГ 9, где определяются локальные максимумы значений КФ, превысивших шумовой порог, и вычисляются задержки этих максимумов относительно окончания излучаемого ШПС. Эти задержки пропорциональны двойному расстоянию от антенны до дна или объекта водной среды. Задержки преобразуются в ВГ 9 в цифровую форму заполнением их тактовыми импульсами частоты f/n, поступающей с ТГ 1, и отображаются на индикаторе 8. В зависимости от глубины или расстояния до объекта осуществляется переключение диапазона измерений с помощью ПДИ 23. С увеличением измеряемой глубины ПДИ 23 переключается в положение, при котором ФПСП 20 устанавливается на формирование более длинной ПСП, а ПУ 5 устанавливается на самое большое усиление.