ИМИТАТОР ОТРАЖЕННЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА

Заявляемое устройство относится к области гидроакустики и может быть использовано для контроля оценки параметров, определения инструментальной погрешности, а также для настройки аппаратной части доплеровских лагов, работающих с частотно независимыми антеннами [5, стр.214].
Известны имитаторы отраженных сигналов [1, 2, 4], создающие модели отраженных сигналов, близкие к реальным, позволяющие проверить работоспособность гидро или радиолокаторов в рабочем диапазоне расстояний до отражающих поверхностей при реальных отношениях сигнал/шум. Основными элементами типового имитатора являются:
- имитатор расстояния, формирующий импульс, задержанный относительно зондирующего импульса гидролокатора, и сигнал для регулировки коэффициента передачи делителя напряжения. Задержка формирующего импульса и сигнал регулировки устанавливаются пропорциональными имитируемому расстоянию;
- управляемый по частоте гетеродин (далее гетеродин), формирующий частоту отраженного сигнала, зависящую от эффекта Доплера, т.е. от скорости движения носителя гидролокатора;
- формирователь импульсов, вырабатывающий длительность отраженного сигнала, изменяемую в зависимости от расстояния до отражающей поверхности;
- модулятор, формирующий отраженный радиоимпульс;
- делитель напряжения, предназначенный для имитации ослабления сигнала с расстоянием;
- формирователь помех, создающий напряжение помех, близкое по спектру и характеру реальным помехам;
- сумматор, предназначенный для сложения напряжений помехи и имитируемого отраженного сигнала, выход которого соединен со входом приемного тракта гидролокатора.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемой полезной модели является "Имитатор отраженных гидроакустических сигналов доплеровского лага", патент на полезную модель [4]. В состав устройства-прототипа входят: первый, второй, третий и четвертый сумматоры, схема формирования помех, имитатор расстояния, первый, второй, третий и четвертый делители напряжения, первый и второй модуляторы, формирователь импульсов, первый и второй гетеродины, первый и второй формирователи сдвига фаз.
В имитаторе-прототипе оператор вручную устанавливает:
- задержку между моментом формирования испытуемым лагом зондирующего импульса и моментом формирования имитируемого отраженного сигнала, пропорциональную имитируемому расстоянию от судна до отражающей поверхности дна;
- длительность и частоту заполнения имитируемого отраженного импульса;
- амплитуду имитируемого отраженного импульса;
- уровень шумовой помехи.
Недостатком устройства прототипа является отсутствие возможностей автоматических имитаций неровностей дна и введения пропусков в формирование имитируемых сигналов, характерных для реальных условий эксплуатации лагов, что влияет на точность и надежность слежения лагом за глубиной под килем судна, а также за амплитудой принимаемого сигнала, что влияет на достоверность информации, вырабатываемой лагом.
Задачей заявляемого устройства является расширение функциональных возможностей имитатора отраженных сигналов доплеровского лага, использующего в своем составе частотно-независимые в доплеровском смысле антенны [5, стр.214] с целью более полной имитации сигнала, позволяющей расширить возможности испытаний и настройки лагов в заводских условиях до установке их на суда.
Отличие заявляемого устройства от прототипа [4] состоит в том, что введенные в него элементы позволяют автоматически изменять задержку между моментом излучения лагом зондирующего сигнала и моментом формирования имитируемого отраженного сигнала, т.е. с определенными периодичностью и продолжительностью изменять имитируемое расстояние до отражающей поверхности, а также вводить пропуски сигнала, имитирующие пропадание отраженных сигналов из-за глубоких флюктуации сигналов и их интерференции.
Сущность заявляемого устройства состоит в том, что в устройство, содержащее имитатор расстояния, первый и второй гетеродины, первый и второй модуляторы, первый формирователь импульсов, формирователь помех, первый и второй формирователи сдвига фаз, первый, второй, третий и четвертый сумматоры, первый, второй, третий и четвертый делители напряжений, причем выходы гетеродинов подключены к первым входам одноименных модуляторов, вторые входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов, выход первого модулятора соединен со входом второго формирователя сдвига фаз, а выход второго модулятора соединен со входом первого формирователя сдвига фаз, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первым входам первого, второго, третьего и четвертого сумматоров, первый, второй, третий и четвертый выходы второго формирователя сдвига фаз подключены ко вторым входам соответственно четвертого, третьего, второго и первого сумматоров, третьи входы которых объединены и подключены к выходу формирователя помех, выходы сумматоров подключены ко входам одноименных делителей напряжений,
введены формирователь периода следования импульсов, делитель частоты следования импульсов, второй и третий формирователи импульсов, интегратор и схема "И", причем формирователь периода следования, второй формирователь импульсов, интегратор и имитатор расстояния соединены последовательно, выход последнего подключен к одному из входов схемы "И", а вход соединен со входом делителя частоты следования импульсов, выход которого соединен через третий формирователь импульсов с другим входом схемы "И", выход которой подключен ко входу первого формирователя импульсов.
Структура заявляемого устройства показана на чертеже (фиг.1), где введены следующие обозначения:
- имитатор расстояния -1;
- первый и второй модуляторы - 2, 3;
- первый и второй гетеродины - 4, 5;
- первый, второй и третий формирователи импульсов - 6, 21, 22;
- первый и второй формирователи сдвига фаз - 7, 8;
- формирователь помех - 9;
- первый, второй, третий, четвертый сумматоры - 10, 11, 12, 13;
- первый, второй, третий, четвертый делители напряжения - 14, 15, 16, 17;
- формирователь периода следования импульсов - 19;
- делитель частоты следования импульсов - 20;
- схема "И" - 18;
- интегратор - 23.
Выход блока 1 соединен со входом блока 18, выход блока 19 соединен со входом блока 21, выход которого соединен с интегратором 23, подключенным к регулирующему задержку входу блока 1, вход блока 20 соединен со входом блока 1, а выход через блок 22 соединен со вторым входом блока 18, выход которого соединен со входом блока 6, выход которого соединен с первыми входами блоков 2 и 3, выход блока 4 соединен со вторым входом блока 2, выход блока 5 соединен со вторым входом блока 3, выход блока 2 соединен со входом блока 8, выход блока 3 соединен со входом блока 7, первый выход которого соединен с первым входом блока 10, второй выход - с первым входом блока 11, третий выход - с первым входом блока 12, четвертый выход - с первым входом блока 13, первый выход блока 8 соединен со вторым входом блока 13, второй выход блока 8 соединен со вторым входом блока 12, третий выход блока 8 соединен со вторым входом блока 11, четвертый выход блока 8 соединен со вторым входом блока 10, выход блока 9 соединен с третьими входами блоков 10, 11, 12, 13. Выходы блоков 10, 11, 12, 13 соединены соответственно со входами блоков 14, 15, 16, 17, выходы которых являются выходами имитатора.
При проверке лага выходы блоков 14, 15, 16, 17 соединяют соответственно со входами приемного тракта лага, а сигнал на вход блока 1 подают с выхода излучающего тракта лага.
В качестве имитатора расстояния и формирователей импульсов могут быть применены ждущие мультивибраторы [6, стр.139, 354]. Длительность импульса, формируемого такими мультивибраторами, зависит от напряжения питания одного из входящих в их состав транзисторов.
В качестве схемы "И" устройство [7, стр.177], интегратор [7, стр.226, 227].
Формирователь периода следования импульсов - мультивибратор автоколебательный [6, стр.126].
Делитель частоты, например, на триггерах [8, стр.63-66].
В качестве формирователя помех может быть использован стандартный измерительный генератор шумовых сигналов типа Г2-59, Г2-57 и т.п. [3, стр.162].
В качестве гетеродинов могут быть использованы стандартные измерительные генераторы типа Г3-11 [3, стр.163], частота напряжения которых может изменяться в широких пределах, либо генератор с первым (вторым) модулятором, приведенный в [1, стр.89].
Формирователи сдвига фаз (блоки 7, 8) могут быть выполнены по схеме [4, фиг.2].
Приходящий на вход формирователя сигнал ограничивается на элементах R1, D1, D2 и запускает триггеры, например, на микросхеме VT1, которой может быть 564ТМ2, либо другая аналогичная, на выходах которых напряжения имеют частоту в 4 раза меньшую, чем на входе формирователя и сдвинуты одно относительно другого на 90°.
Каждый из сумматоров (блоки 10-13) содержит 3 резистора, одни выводы которых соединены вместе и соединены с выходом сумматора, а остальные выводы резисторов подключены к 1, 2, 3 входам сумматора.
Каждый из делителей напряжений (блоки 7, 24-17) представляет собой потенциометр, движок которого соединен с выходом, один из неподвижных концов соединен со входом, а второй - с общим проводом делителя.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Выход тракта излучения испытуемого лага подключают к эквиваленту нагрузки и соединяют со входом блока 1 имитатора. Перед включением лага в блоках имитатора устанавливают соответствующие одной из глубин и одной из скоростей (из рабочего диапазона лага) следующие параметры:
- задержку формирования имитируемых отраженных сигналов в блоке 1;
частоты имитируемых отраженных сигналов по "переднему" и "заднему" лучам в блоках 4, 5
4
0
g
5
0
g
f=4(f+f) и f=4(f-f)
где
0
f - частота излучаемых лагом сигналов;
V - скорость хода судна;
С - скорость звука в воде;
- напряжение помех в блоке 9;
- напряжение смеси сигнала с помехой в блоках 14-17.
4
5
4
5
Поступающий от испытуемого лага импульс излучения запускает блок 1, вырабатывающий задержку пуска блока 6, пропорциональную имитируемой глубине под килем судна. Сигнал запуска блока 6 поступает на него от блока 1 через схему "И" (блок 18) при наличии на выходе блока 22 разрешающего потенциала. Формирователь импульсов (блок 6) вырабатывает длительность имитируемого отраженного от грунта сигнала и открывает на это время модуляторы (блоки 2, 3), через которые напряжения с гетеродинов (блоки 4, 5) с частотами f и f поступают соответственно на формирователи сдвига фаз (блоки 7, 8), в которых происходит деление частот, поступающих на их вход напряжений f, f на четыре и формирование на выходе каждого из блоков четырех напряжений частот  соответственно, имеющих сдвиги фаз 0°, 90°, 180° и 270°, поступающих далее через сумматоры (блоки 10-13) и делители напряжения (блоки 14-17) на соответствующие четыре входа приемного тракта испытуемого лага.
4
5
В сумматорах происходит смешение частот f', f' с помехами, формируемыми блоком 9.
С помощью делителей напряжения (блоки 14-17) устанавливают уровни имитируемых сигналов, соответствующие имитируемой глубине.
Для имитации неровностей дна в блоке 19 формируется период следования импульсов (см. фиг.2, на котором приведены эпюры напряжений на выходах блоков, номера которых соответствуют фиг.1 и индексам, употребленным вместе с индексом "U"), пропорциональный протяженности участка дна, не имеющего неровностей. Так, например, при скорости хода 3 узла (1,5 м/с) и протяженности участка 22,5 м этот период Т=15 с.
При неровностях поверхности дна 2,25 м формирователь импульсов 21 должен вырабатывать импульсы длительностью 1,5 с.
Интегратор 23 предназначен для сглаживания переходных процессов при поступлении импульсов от блока 21 на регулирующий вход блока 1. Поступающие от блока 23 на вход блока 1 перепады напряжения будут изменять задержку формирования "отраженных" импульсов Δt пропорционально изменению напряжения на выходе интегратора.
вх
На фиг.2 показаны импульсы, поступающие на вход лага U, импульсы, формируемые имитатором расстояния U, и задержка Δt, возникающая в блоке 1 при поступлении на его регулирующий вход перепадов напряжения от интегратора 23.
Для установки периода повторения пропусков имитируемых импульсов в блоке 20 делят частоту следования поступающих от лага на вход имитатора импульсов (фиг.3). Интервал времени, на которое пропадают импульсы, устанавливают
путем выбора длительности импульса, формируемого блоком 22, который управляет прохождением через блок 18 импульсов от блока 1, поступающих на запуск блока 6, формирующего имитируемые импульсы.
g
4
5
Погрешность лага определяют при сопоставлении отображаемой на индикаторе лага скорости со скоростью, принятой при расчетах частоты Доплера f, частот гетеродинов f, f блоков 4, 5 и соответственно установленных в этих блоках частотах.
Соединив параллельно входы усилительных трактов лага, принимающих сигналы от антенн, работающих по "продольной" и "поперечной" составляющим скорости, и подключив их к имитатору, можно одновременно исследовать погрешности лага при измерении обеих составляющих скорости.
Из приведенного описания следует, что заявленное устройство решает поставленную задачу имитации отраженных гидроакустических сигналов доплеровского лага.
Источники информации
1 А.С.Колчеданцев "Гидроакустические станции, Л., "Судостроение", 1982 г. (стр.175-180).
2 "Радиолокационная станция с встроенным имитатором" - заявка 9810370/09 от 19.02.98 7 6015 7/40.
3 Каталог изделий промышленности средств связи, "89 Радиоизмерительные приборы", серия 1, Центральный отраслевой орган НТИ "Экое", М., 1988 г.
4 "Имитатор отраженных гидроакустических сигналов доплеровского лага" патент №32890.
5 В.И.Бородин и др. "Гидроакустические навигационные средства", Л., Судостроение, 1983 г.
6 А.М. Тищенко и др. "Расчет и проектирование импульсных устройств на транзисторах", Советское радио, М, 1964.
7 М. Мэндл "200 избранных схем электроники", "Мир", М, 1980.
8 А.С.Кузнецов "Цифровая техника для радиолюбителей", Энергия, М, 1972.