Эхолот

 

Изобретение относится к гидроакустическим приборам, предназначенным для измерения глубины, и может быть использовано при создании портативных устройств. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости и точности портативного эхолота в различных условиях применения. Для решения данной задачи в эхолот, содержащий последовательно соединенные синхронизирующее устройство, генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, пороговое устройство, устройство измерения временных интервалов и блок индикации, а также пьезовибратор, подключенный к генератору радиоимпульсов и усилителю, введен блок временной автоматической регулировки усиления, первым входом подключенный к второму выходу синхронизирующего устройства, вторым - к второму выходу устройства измерения временных интервалов, а выходом - к второму входу усилителя. 2 з. п. ф- лы, 7 ил.

Изобретение относится к гидроакустическим приборам, предназначенным для измерения глубины, и может использоваться при создании портативных эхолотов, например, для любительского лова рыбы, водного туризма и т.п.

Известны различные конструкции эхолотов, содержащие передатчик с вибратором-излучателем зондирующих ультразвуковых импульсов, тракт приема отраженных эхосигналов с вибратором-приемником и тракт обработки, а также индикации результатов измерения глубины. Индикация может осуществляться с помощью самопишущих приборов, визуальных или цифровых указателей или с помощью ЭВМ (см. , например, а.с. СССР N 284869, G 01 S 15/00, БИ N 9 1990 г., пат. РФ N 1838801, G 01 S 15/00, БИ N 32, 1993 г., пат. США N3500302, кл. 340-3, опубл. 1970 г.).

Известные двухвибраторные эхолоты, где тракты приема и излучения разделены, обеспечивают достаточно высокую точность измерения и помехоустойчивость. Однако, их реализация требует, как правило, стационарного размещения на судне и затрудняет создание портативных конструкций. Для создания портативных эхолотов используют одновибраторную конструкцию, в которой излучатель зондирующих импульсов осуществляет также и прием отраженного эхосигнала.

Известен одновибраторный эхолот, содержащий последовательно соединенные синхронизирующее устройство, генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, пороговое устройство, устройство измерения временных интервалов и блок индикации, а также пьезовибратор, подключенный к генератору радиоимпульсов и входу усилителя. Второй выход синхронизирующего устройства подключен к второму входу устройства измерения временных интервалов, которое в данном эхолоте включает последовательно соединенные формирователь импульсов длительностью 2H/C, выполненный на RS-триггере (H - измеряемая глубина, C - скорость распространения ультразвука в воде), устройство совпадения, выполненное в виде электронного ключа, и цифровой счетчик, а также генератор тактовых импульсов, подключенный к второму входу устройства совпадения. Работа такого прибора управляется синхронизирующим устройством, роль которого в известном эхолоте играет тактовый генератор и одновибратор, формирующий тактовый импульс, по длительности равный зондирующему. Импульсы синхронизирующего устройства устанавливают счетчик в исходное (нулевое) состояние и закрывают приемник, делая его нечувствительным к сигналам на время передачи зондирующих импульсов. Тактовый импульс запускает генератор радиоимпульсов (передатчик) который, управляя пьезовибратором, формирует зондирующий импульс. Одновременно устройство совпадения, выполненное в виде электронного ключа, начинает пропускать на счетчик импульсы образцовой частоты от генератора импульсов, входящего в состав устройства измерения временных интервалов. По окончании работы передатчика приемник открывается и приобретает нормальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна, принимается пьезовибратором и после усиления в приемнике закрывает электронный ключ. Информация с цифрового счетчика поступает на индикатор, на котором высвечивается значение измеряемой глубины.

Описанный прибор выполнен в виде портативной конструкции и работает от автономного источника питания - батарейки (см. журнал "Радио", 1988 г., N 10, с. 32-36). Данный эхолот, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.

Основной недостаток такого эхолота - низкая помехоустойчивость. При измерении малых глубин реверберационная помеха (паразитные переотражения ультразвукового импульса на всем пути его прохождения в водной среде) в данном эхолоте может привести к существенной ошибке измерения глубины. Кроме того, отраженный от дна сигнал может быть ослаблен из-за физических характеристик дна (наличие ила и т.п.), качки плавсредства или из-за отклонения диаграммы направленности при волнах, что может привести к его пропуску и, как следствие, к значительной ошибке измерения глубины. Другим источником помех для точного измерения глубины являются различные плавающие объекты (пузырьки воздуха, рыбы и т.п.). Отраженный от них сигнал может быть принят как сигнал от дна и привести к сбою показаний прибора. Кроме того, необходимо отметить, что в описанном эхолоте интервал времени между измерениями достаточно велик (составляет 10 с), что существенно снижает точность измерения, особенно при измерениях с движущейся лодки.

Настоящее изобретение решает задачу повышения помехоустойчивости и соответственно точности портативного эхолота в различных условиях эксплуатации.

Для решения этой задачи в известный эхолот, содержащий последовательно соединенные синхронизирующее устройство, генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, пороговое устройство, устройство измерения временных интервалов и блок индикации, а также пьезовибратор, подключенный к генератору радиоимпульсов и первому входу усилителя, причем второй выход синхронизирующего устройства подключен к второму входу устройства измерения временных интервалов, введен блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), первый вход которого соединен со вторым выходом синхронизирующего устройства, второй вход - со вторым выходом устройства измерения временных интервалов, а выход - со вторым входом усилителя.

Для дальнейшего повышения помехоустойчивости за счет устранения помехи, связанной с возможным пропуском эхосигнала, в устройство измерения временных интервалов, содержащее последовательно соединенные формирователь импульсов длительностью 2H/C, устройство совпадения и счетчик, а также генератор тактовых импульсов, подключенный к второму входу устройства совпадения, дополнительно введен блок устранения ошибки из-за пропуска эхо-сигнала (БУО), включенный между формирователем импульсов длительностью 2H/C и устройством совпадения, так, что первый вход БУО соединен с выходом формирователя импульсов длительностью 2H/C, второй вход - со вторым входом формирователя импульса длительностью 2H/C, а выход - с первым входом устройства совпадения.

Для обеспечения возможности автономной эксплуатации пьезовибратор выполнен в виде поплавка со смещенным по вертикали центром тяжести так, что поплавок, попав в воду произвольным образом, всегда установится так, чтобы зондирующий сигнал был направлен ко дну водоема.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого эхолота, на фиг.2 - временная диаграммы его работы, на фиг.3 - блок-схема устройства измерения временных интервалов, на фиг.4 - функциональная схема ВАРУ, на фиг.5 - временная диаграмма его работы, на фиг.6 - функциональная схема блока устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала, на фиг.7 - временная диаграмма его работы.

Предлагаемый эхолот содержит последовательно соединенные синхронизирующее устройство 1, генератор радиоимпульсов 2, усилитель 3, детектор 4, пороговое устройство 5, устройство измерения временных интервалов 6 и блок индикации 7, а также пьезовибратор 8, подключенный к выходу генератора радиоимпульсов 2 и к первому входу усилителя 3, и блок ВАРУ 9, первый вход которого соединен с вторым выходом синхронизирующего устройства 1, второй вход - с вторым выходом устройства измерения временных интервалов 6, а выход - с вторым входом усилителя 3. Второй вход устройства измерения временных интервалов 6 подключен ко второму входу синхронизирующего устройства 1.

Для обеспечения повышенной помехоустойчивости эхолота устройство измерения временных интервалов 6 (фиг.3.) содержит последовательно соединенные формирователь импульсов длительностью 2H/C 10, блок устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала 11, устройство совпадения 12 и счетчик 13, а также генератор тактовых импульсов 14, выход которого подключен к второму входу устройства совпадения 12, причем второй вход формирователя импульсов длительностью 2H/C 10 соединен с вторым входом блока устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала 11.

Предлагаемый эхолот работает следующим образом.

Электрические импульсы синхронизирующего устройства 1 периодически, начиная с момента t₁ (фиг.2.), возбуждают генератор радиоимпульсов 2, который вырабатывает электрические сигналы, возбуждающие в пьезовибраторе 8 механические колебания, которые передаются в виде зондирующих импульсов с постоянной скоростью в направлении дна водоема. Период повторения зондирующих импульсов равен 2H_max/C, где H_max - максимальная измеряемая глубина. Часть энергии зондирующего импульса, отраженного от дна, возвращается обратно к пьезовибратору с задержкой t₅-t₁, равной отношению двойной глубины к скорости распространения ультразвука в воде. Отраженный от дна ультразвуковой импульс преобразуется пьезовибратором 8 в электрический радиоимпульс (эхосигнал), который после усиления усилителем 3, детектирования детектором 4 и формирования пороговым устройством 5 поступает на первый вход формирователя импульсов 10 устройства измерения временных интервалов 6. Передним фронтом стробирующего импульса, поступающего с второго выхода синхронизирующего устройства 1, формирователь 10 предварительно установлен в исходное положение.

При поступлении эхосигнала формирователь 10 переходит в другое состояние, в результате чего на его выходе образуется импульсный сигнал, длительность t_и которого равна времени прохождения зондирующего сигнала от поверхности до дна водоема, т.е. t_и (диаграмма "д", фиг.2.).

Их схемы блока ВАРУ 9 (фиг.4) и временной диаграммы его работы (фиг.5) видно, что во время действия стробирующего импульса (t₁-t₄), поступающего со второго выхода синхронизирующего устройства 1, ключ К₁, К₂, К₃ замкнуты. При этом вход усилителя 3 шунтирован и сигнал на его выходе отсутствует. На конденсаторе C₂ установлено начальное напряжение, определяемое соотношением резисторов R₂, R₃, R₄. С окончанием стробирующего импульса, начиная с t₄, ключи К₁, К₂ выключаются. С этого момента конденсатор C₁ заряжается через резистор R₁. Выходное напряжение ВАРУ 9 с R₁, C₁ поступает на второй вход усилителя 3, управляя его коэффициентом усиления так, что коэффициент усиления возрастает с возрастанием измеряемой глубины, компенсируя ослабление эхосигнала. Поступающий эхосигнал через формирователь импульсов 10 устройства измерения временных интервалов 6 выключает ключ К₃. Постоянная времени цепи R₄, C₂ выбрана таким образом, чтобы напряжение на C₂ и тем самым начальный уровень ВАРУ 9 U_нy изменялось обратно пропорционально отношению длительности импульса на выходе формирователя 10 к периоду его повторения и тем самым измеряемой глубине. При этом характеристика ВАРУ 9 смещается, причем большей глубине (H₂) соответствует меньший начальный уровень U_нy (фиг.5). В результате коэффициент усиления усилителя 3 для эхосигнала, соответствующего глубинам, меньшим измеряемой, заметно падает и эхосигналы от различных плавающих объектов ослабляются и не проходят через пороговое устройство 5, что существенно повышает помехоустойчивость эхолота.

Выходной сигнал порогового устройства 5 поступает на первый вход устройства измерения временных интервалов 6, где с помощью формирователя 10 вырабатывается импульс длительностью 2H/C, который вместе с импульсным сигналом генератора тактовых импульсов 14 поступает на вход устройства совпадения 12. Генератор тактовых импульсов 14 вырабатывает импульсную последовательность, частота которой равна отношению скорости распространения звука в воде к двойной минимальной разрешаемой глубине. Так, при минимальной разрешаемой глубине 1 см и скорости распространения ультразвука в воде 1500 м/с частоты генератора 14 равна 75 кГц, а промежуток времени t₁-t₂ (фиг.2) равен 13,3 мкм.

На выходе электрического устройства совпадения 12 формируются пачки импульсов с частотой заполнения, равной частоте тактового генератора (диаграмма "е", фиг. 2) и длительностью пачки, равной длительности импульса на выходе формирователя 10. Количество импульсов в пачке равно глубине водоема в сантиметрах. Счетчик 13 осуществляет накопление этих импульсов сигналов за определенное время, получая в результате число, равное значению измеряемой глубины.

Период повторения зондирующих импульсов в предлагаемом эхолоте (40 мс) существенно меньше, чем в прототипе (10 с). Это позволяет для повышения точности измерений глубины осуществить в счетчике вычисление значения глубины по "n" замерам, которое в виде двоично-десятичного кода поступает на вход блока индикации 7. Это позволяет существенно уменьшить влияние случайных ошибочных замеров, в том числе реверберационной помехи, на результат измерения и тем самым повысить точность эхолота.

Блок цифровой индикации 7, на который поступает код со счетчика 13, отображает значения глубины в десятичной системе исчисления.

Таким образом, введение ВАРУ и его соединение с синхронизирующим устройством, усилителем и формирователем импульсов длительностью 2H/C позволяет обеспечить значительное повышение помехоустойчивости эхолота за счет: - надежного обнаружения эхосигналов на всех измеряемых глубинах выбором характеристики ВАРУ и зависимости пороговой чувствительности от глубины; - возможности уменьшения периода повторения зондирующих импульсов и перехода от измерений мгновенных значений глубины к ее среднему значению за определенное время; - надежность подавления эхосигналов от посторонних плавающих объектов, расположенных на глубинах, меньших измеряемой.

Необходимо отметить, что использование ВАРУ в эхолотах известно (см., например, а. с. СССР N 441537, G 01 S 11/14, БИ N 32, 1974 г.; а.с. СССР N 284869, G 01 S 15/00, БИ N9, 1990 г.).

Однако в первом из упомянутых устройств сигнал на вход блока ВАРУ поступает от генератора тактовых импульсов и непосредственно от пьезовибратора-приемника. ВАРУ принимает отраженный эхосигнал и снижает коэффициент усиления усилителя в начале периода повторения зондирующих импульсов, в результате чего уменьшается протяженность "мертвой" зоны, но помехи, связанные с отражением от случайных плавающих объектов не устраняются. В эхолоте по а.с. N 284869 коэффициент усиления усилителя возрастает с увеличением глубины, но не обеспечивается помехоустойчивость, связанная с наличием на глубинах, меньших измеряемой посторонних плавающих объектов.

Помехоустойчивость предлагаемого эхолота существенно повышается при введении в устройство измерения временных интервалов 6 блока устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала 11, который теперь управляет счетом тактовых импульсов, пропуская импульсы тактового генератора в течение длительности импульса, пропорциональной измеряемой глубине.

Как видно из фиг.6 и 7 сигнал с выхода формирователя импульсов 2H/C 10, изображенного на схеме в виде R - S - триггера, поступает на формирователь F₁ копии основного сигнала с выхода порогового устройства 5. Сигналы с выхода формирователя F₁ (диаграмма "г", фиг.7) и с выхода схемы задержки C3 (диаграмма "к", фиг. 7) управляет работой R-S-триггера Т₁ (диаграмма "л", фиг. 7), который, в свою очередь, управляет работой D-триггера Т₂ таким образом, что на его выходе образуется сигнал, изображенный на диаграмме "и" фиг. 7. При отсутствии пропусков эхосигнала этот сигнал повторяет выходной сигнал формирователя импульсов длительностью 2H/C 10, задержанный на период зондирующих импульсов. В случае пропуска эхосигналов (моменты, отмеченные знаком (*) на фиг. 7) с выхода D-триггера Т₂ на устройство совпадения 12 поступает сигнал, уровень которого запрещает передачу на выход устройства 12 и на счетчик 13 импульсов генератора тактовых импульсов 14. При этом в случае пропуска эхосигнала тактовые импульсы в счетчик не поступают и счетным устройством не регистрируются. Это исключает погрешность, связанную с пропуском эхосигнала, которая может быть весьма значительной даже при усреднении результатов замеров. Например, при измерении глубины 2 м в случае пропуска эхосигнала будет получен результат замера, равный максимальной измеряемой глубине (например, 40 м), а при усреднении результатов измерений даже по 16-ти замерам будет получен результат 4,37 м, что соответствует ошибке 118%.

Такой блок устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала впервые применен в устройстве измерения временных интервалов эхолота с цифровой системой отсчета.

Были изготовлены опытные образцы предлагаемого эхолота, которые успешно прошли натурные испытания как в летних условиях, так и зимой при измерении глубин через лунку при толщине льда до 60 см и при измеряемых глубинах от 20 см до 22 м.

Конструктивно эхолот состоит из двух частей: электронного блока с размерами 60х135х25 мм и пьезовибратора из керамики ЦТС-19 в герметичном корпусе ⊘ 60 мм и высотой 25 мм с кабелем длиной около 1 м.

Блоки 1, частично 2 и 6 выполнены в виде одной программируемой микросхемы типа Р1С 16С 54А. Усилитель мощности генератора радиоимпульсов выполнялся по схеме на составном транзисторном ключе (КТ 315Г и КТ 805А) и согласующем трансформаторе. Усилитель 3 и детектор 4 выполнялись на микросхеме типа К157ХА2. В схеме блока ВАРУ ( в качестве ключей К₁, К₂, К₃ использовались транзисторы КТ315. Пороговое устройство 5 выполнялось по схеме компаратора с регулируемым порогом срабатывания на основе микромощного операционного усилителя типа К140УД12, обеспечивающего высокую стабильность и точность установки порога срабатывания, который может быть выбран оптимальным для получения заданной помехоустойчивости. Блок индикации 7 выполнялся на четырехразрядном жидкокристаллическом табло типа ИЖЦ-21-417. Табло показывает значения глубины в метрах с разрешением 1 см.

Эхолот питается от батареи типа "Крона" или такой же по размерам аккумуляторной батареи, которая обеспечивает непрерывную работу эхолота без подзаряда в течение 6-ти часов.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет создать портативный эхолот, простой и удобный в эксплуатации, обладающий высокой помехоустойчивостью и точностью измерений.

Формула изобретения

1. Эхолот, содержащий последовательно соединенные синхронизирующее устройство, генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, пороговое устройство, устройство измерения временных интервалов и блок индикации, а также пьезовибратор, подключенный к выходу генератора радиоимпульсов и первому входу усилителя, причем второй выход синхронизирующего устройства подключен к второму входу устройства измерения временных интервалов, отличающийся тем, что в него введен блок временной автоматической регулировки усиления, первый вход которого соединен с формирующим стробирующий импульс вторым выходом синхронизирующего устройства, второй вход, обеспечивающий установку начального уровня, - с вторым выходом устройства измерения временных интервалов, а выход - с вторым входом усилителя.

2. Эхолот по п.1, отличающийся тем, что устройство измерения временных интервалов содержит последовательно соединенные формирователь импульсов длительностью 2 Н/С, где Н - измеряемая глубина, С - скорость распространения ультразвука в воде, блок устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала, устройство совпадения и счетчик, а также генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму входу устройства совпадения, причем второй вход формирователя импульсов длительностью 2Н/С соединен с вторым входом блока устранения ошибки из-за пропуска эхосигнала.

3. Эхолот по п.1 или 2, отличающийся тем, что пьезовибратор выполнен в виде поплавка со смещенным по вертикальной оси центром тяжести.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7