УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК ЗВУКА
DEVICE FOR DETERMINING SOUND SOURCE DIRECTION

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам определения направления на источник звука.
Известны устройства определения направления на источник звука (К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография. - М.: Мир, 1980, с.170) с помощью линейки из n электроакустических преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрические сигналы с выходов преобразователей подают на n линий задержки. Меняя Δt (разницу в задержках сигнала между соседними линиями задержки), меняют задержку сигнала τ=(n-1)Δt на выходах линий задержки.
Направление на источник звука определяют по максимуму суммарного сигнала с выходов линий задержки при изменении Δt или по максимуму взаимно корреляционной функции. Угол направления на источник звука
max
где Δt - Δt, соответствующее максимуму сигнала;
Δl - расстояние между преобразователями;
c - скорость звука.
Это устройство имеет тот недостаток, что при движении антенны в среде возникает добавочный шум (по отношению к шуму прибора и среды), вызванный обтеканием средой защитного колпака антенны.
Перспективным для регистрации звуковой волны является использование теневых приборов (Т.П.), регистрирующих наличие в среде градиента показателя преломления (плотности), так как пучок света не вносит изменений в среду. Угол отклонения светового пучка
где z - направление, перпендикулярное направлению светового пучка;
n - показатель преломления среды;
L - длина светового пучка в среде.
где  - градиент показателя преломления по давлению.
Обычно угол θ измеряют с помощью теневого прибора, использующего параллельный пучок света в объеме измерения, по изменению мощности светового сигнала за ножом, который располагают в фокусе объектива, фокусирующего пучок света, с помощью фотоприемника, на выходе которого меняется электрический сигнал (М.А.Брамсон, Э.И.Красовский, Б.В.Наумов. Морская рефрактометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с.183).
В общем случае при расходящемся пучке света в измерительном объеме нож распологают после фокусирующего объектива в фокусе сходящегося светового пучка, т.е. в плоскости изображения светозадающей диафрагмы, или для лазерного пучка в плоскости минимальной перетяжки лазерного пучка.
Известен теневой фотоэлектрический прибор для регистрации изменения давления (Л.А.Васильев. Теневые методы. - М.: Наука, 1969, с.60). С помощью этого устройства, не внося изменений в среду, можно определить наличие акустической волны, но нельзя определить направление на источник звука.
В качестве прототипа выбрано устройство определения направления на источник звука (патент МПК G01S 3/80, №2276795, опубликованный 20.05.2006, Бюл. №14). В этом устройстве определения направления на источник звука, состоящем из двух фотоэлектрических теневых приборов и системы обработки информации, лазерные пучки направлены под углом 90° друг к другу. В каждом фотоэлектрическом теневом приборе после фокусирующего объектива лазерный пучок делится на два лазерных пучка, и эти два лазерных пучка поступают на два ножа с взаимно перпендикулярными кромками. Информация, полученная с двух фотоприемников, стоящих за этими ножами, используется для поддержания одинаковой чувствительности обоих фотоэлектрических теневых приборов. Выходные сигналы с одного из этих фотоприемников и двух других фотоприемников фотоэлектрических теневых приборов квадрируют, усиливают и суммируют. Сигнал на выходе сумматора поддерживают постоянным за счет петли отрицательной обратной связи с выхода сумматора на выходы усилителей. По величинам сигналов на выходах усилителей с учетом взаимных фаз сигналов на выходах фотоприемников с помощью фазовых детекторов и электронной вычислительной машины определяют направление на источник звука.
Устройство, реализованное в прототипе, позволяет определить направление на источник звука, но:
a) шумы лазерного источника с периодически возникающим возбуждением, которые существенно превышают дробовые шумы фотоприемника, снижают пороговую чувствительность всего устройства;
b) в прототипе используются мгновенные значения сигналов, что приводит к ошибкам в определении направления на источник звука.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков: увеличение чувствительности устройства и минимизация ошибок в определении направления на источник звука.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве (фиг.1), состоящем из двух фотоэлектрических теневых приборов, лазерные пучки которых направлены в среду под углом 90° друг к другу (см. прототип), в каждом из излучающих узлов после лазера установлены под углом 45° к оси плоскопараллельные пластинки, отражающие часть света на свой фотоприемник для создания двух опорных каналов в каждом из указанных теневых приборов. Далее лазерные пучки проходят через оптические элементы и анализируемый объем среды аналогично устройству, описанному в прототипе, и попадают соответственно на 3 фотоприемника, регистрирующих градиент показателя преломления в среде вдоль осей X, Y, Z. Далее электрические сигналы с двух фотоприемников (Z, Y) одного из теневых приборов и сигнал от своего опорного канала поступают на два вычитающих каскада, а сигнал со второго теневого прибора и его опорного канала - на третий вычитающий каскад (X). После вычитания с опорными каналами сигналы поступают на соответствующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), выходы которых подключены к двум умножителям сигналов X, Y и Y, Z, выходы которых подключены к соответствующим устройствам, измеряющим математическое ожидание, а их выходы подключены к пороговым устройствам, выходы которых подключены к программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Кроме того, выходы с трех АЦП (X, Y, Z) подключены соответственно ко входам устройств, определяющих среднеквадратические значения сигналов (СКОх, СКОу, CKOz) на выходах АЦП (X, Y, Z), после чего выходы с трех СКО подключены к ПЛИС, которая на основании полученных данных с пороговых устройств и с устройств СКО определяет углы (направление) на источник звука.
На фиг.1 изображены оптическая и структурная схемы предлагаемого устройства определения направления на источник звука, которое содержит: лазеры 1, 12; плоскопараллельные пластинки 2, 13; коллимирующие объективы 3, 14; защитные стекла 4, 5, 15, 16; фокусирующие объективы 6, 17; светоделитель 7; ножи 8, 10, 18; согласующие объективы 9, 11, 19; фотоприемники Фх, Фу, Фz; усилители Ух, Уу, Уz; фотоприемники опорных каналов Фок(х, у) и Фок(z); вычитающие каскады ВКх, ВКу, BKz; аналого-цифровые преобразователи АЦПх, АЦПу, АЦПz; умножитель сигналов YМ1(Х,У), умножитель сигналов УМ2(Y,Z), устройства определения математического ожидания МO1, MO2 на выходе умножителей; пороговые устройства П1, П2; устройства, определяющие среднеквадратическое значение сигналов СКОх, СКОу, CKOz; программированная логическая интегральная схема ПЛИС (XL9500, фирма Xilinx, USA).
Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из двух фотоэлектрических теневых приборов (I т.п., II т.п.), сделанных по коллимационной схеме, т.е. два параллельных лазерных пучка проходят анализируемый объем (АО) под углом 90° друг к другу. Каждый из указанных приборов имеет излучающую и приемную части.
Оси координат выбраны следующим образом: ось Х совпадает с оптической осью первого теневого прибора (I т.п.), ось Z совпадает с оптической осью второго теневого прибора (II т.п.), а ось Y направлена перпендикулярно плоскости X0Z и определена как положительная (+) для удобства дальнейшей обработки информации.
В излучающих частях между лазерами 1, 12 установлены плоскопараллельные отражающие часть света пластинки 2, 13 под углом 45° к оптическим осям и совместно с фотоприемниками Фок1 и Фок2 и усилителями Уок1, Уок2, формируют два опорных канала. Излучающие части устройства одинаковы. Здесь световой пучок от лазеров 1 и 12 проходит плоскопараллельные пластинки 2, 13, коллимирующие объективы 3, 14, защитные стекла 4, 15, анализируемый объем (А.О.), попадает в приемные части, при этом в приемной части первого теневого прибора (I т.п.) лазерный пучок, пройдя защитное стекло 5, фокусирующий объектив 6, попадает на светоделитель 7  и фокусируется в плоскостях ножей 8, 10, кромки которых перпендикулярны друг другу.
Ножи 8, 10 частично перекрывают изображения тел излучения лазеров 1, 12 и, таким образом, определяют величину электрического сигнала с фотоприемников Ф1, Ф2, возникающего при прохождении звуковой (ультразвуковой) волны через анализируемый объем. При этом фотоприемник Ф1 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения изображения тела излучения лазера 1 на ось Z (фиг.2), а фотоприемник Ф2 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения изображения тела излучения лазера 1 на ось (фиг.3).
Приемная часть второго теневого прибора с помощью ножа 18 и фотоприемника Ф3 чувствует изменение света, пропорциональное проекции перемещения изображения тела излучения лазера 12, на ось Х (фиг.4).
Сигналы с выходов фотоприемников Ф1(Z) и Ф2(Y) после усиления поступают на вычитающие каскады BKZ и BKY, где вычитаются с сигналом с опорного канала Фок1, а сигнал с фотоприемника Ф3(Х) после усиления поступает на вычитающий каскад ВКХ, где вычитается с сигналом с опорного канала Фок2. После этого сигналы с BKZ, BKY и ВКХ поступают каждый на свой аналого-цифровой преобразователь (АЦПz, АЦПу, АЦПх).
После оцифровки сигнал с АЦПх поступает на умножитель сигналов Х и Y (УМ1), сигнал с АЦПz поступает на умножитель сигналов Y и Z (УМ2), а сигнал с АЦПу поступает на оба умножителя УМ1 и УМ2. С помощью умножителей (УМ1 и УМ2) мгновенных значений и устройств (МO1 и МO2) измеряют математическое ожидание с последующим порогом П1 и П2. Пороговые устройства П1 и П2 с нулевым порогом определяют знаки координат Х и Z, вычисляются с помощью устройств СКОх, СКОу и CKOz, измеряющих среднеквадратическое отклонение на выходе АЦПх, АЦПу и АЦПz. Модуль R равен корню квадратному от суммы квадратов СКОх, СКОу, CKOz и соответственно углы относительно координат X,Y,Z определяются как arcos(X/R), arcos(Y/R), arcos(Z/R) соответственно. По этой информации с помощью программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) XL 9500 фирмы Xilinx, USA, определяются углы, определяющие направление на источник звука относительно координат X, Y, Z.
Предлагаемое устройство позволяет с помощью двух теневых фотоэлектрических приборов определить направление на источник звука. По сравнению с прототипом здесь введены два опорных канала, использование которых с последующим вычитанием сигналов трех информационных каналов приблизительно в 10 раз уменьшает влияние шумов лазера, что в соответствующее количество раз увеличивает чувствительность устройства. Кроме того, в прототипе подлежат обработке мгновенные значения сигналов, а в предлагаемом устройстве используются усредненные значения, что минимизирует ошибки и увеличивает точность определения направления на источник звука.