Устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (u>934410 л. Ф

1 ./ "—— т

Л (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 291280 (21) 3226451/18-25

1343 М. Кл.з

G 01 V 1/38 с присоединением заявки Мо

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 0706.82. Бюллетень N2 21

t (533 УДК 550.83 (088.8) Дата опубликования описания 070682

) ( с

Научно-производственное объединение Гео ныл

Н.M. Шагиев, Е.С. Иванов, К.Н. Пантюшов и В.М. Разбитной (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ОТРАЖЕНИЯ ОТ ДНА ВОДОЕМА

Изобретение относится к поисковоразведочной геофизике и может быть использовано при инженерно-геологических исследованиях структуры пород, слагающих дно водоемов акустическими методами разведки.

Известна аппаратура, измеряющая мгновенные амплитуды падающей и отраженной продольных волн и выделяйщая иэ них реальную и мнимую часть комплексного коэффициента отражения от донного грунта на выбранной.частоте (1).

Применяемые для зондирования дна импульсные сигналы имеют широкую полосу частот, и обеспечить постоянство мгновенных значений амплитуд иэлученного сигнала в узкой полосе частот от зондирования к.зондированию практически невозможно. А это, в свою очередь, порождает большой разброс текущих значений коэффициентов отражения от грунта дна, вычисленных по мгновенным значениям амплитуд излученного и отраженного сигналов на выбранной частоте.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, позволяющее определять коэффициент отражения от морского дна, предназначено для совместного использования с акустической аппаратурой и определяет по временным индикациям ослабление звуковых сигналов при их отражении от морского дна. Устройство содержит усилители, подключенные ко входу устройства, измеритель временных интервалов, схему управления, схему

1() задержки импульсов, элементы хранения кодов и аналого-цифровой преобразователь. Сигналы обрабатываются в аналоговом виде и полученная величина потерь преобразуется в цифровую форму для вывода на дисплей (2).

Недостатками данного устройства являются большой разброс величины потерь по профилю и нестабильность пиковых значений амплитуд от зондирования к зондированию.

Цель изобретения --увеличение точности определения коэффициента отражения от дна водоема и уменьшение раэбросов текущих значений коэффициентов отражения от грунта с одним и тем же литологическим составом и сглаживание указанных величин по профилю.:

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения коэффициента отражения от дна

934410 водоема, содержащее первый и второй масштабные усилители, аналого-цифровой преобразователь, измеритель временных интервалов, схему управления,. схему задержки импульсов и первый и второй регистры, при этом пер- 5 вый и второй масштабные усилители подключены параллельно к первому нходу устройства, первые выходы масштабных усилителей подключены к первому и второму входам аналого- 10 цифрового преобразователя, первый вход схемы управления подключен ко второму входу устройства, а выход схемы управления соединен со входом схемы задержки импульсов, нходом 15 измерителя временных интервалов и третьим входом аналого-цифрового преобразователя, выход схемы задержки импульсов подключен ко второму входу схемы управления, выходы первого и второго регистров являются выходами устройства, дополнительно введены амплитудно-временной селек тор, схема отношений, схема задержки кодов, схема выбора длительности и арифметический блок, при этом первый вход схемы отношений подключен к третьему входу устройства, второй и третий входы — ко вторым выходам масштабных усилителей, а последний, четвертый, вход схемы отношений соединен с выходом измерителя временных интервалов, входы арифметического блока соединены с выходами первого регистра, схемы задержки кодов,схемы отношений и измерителя временных интервалов, с первым выходом амплитудно-временного селектора и выходом схемы управления, выход которой подключен также к входу схемы выбора длительности и первым входам схемы 40 задержки кодов и амплитудно-временного селектора, вторые входы которых подсоединены к выходу аналого-цифрового преобразователя, второй выход амплитудно-временного селектора 45 соединен с третьим входом схемы управления, а четвертый вход схемы управления подключен к выходу схемы выбора длительности, выход арифметического блока соединен со входами 50 первого и второго регистров.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема.

Устройство для определения коэффициента отражения ат дна водоема содержит первый и второй масштабные усилители 1 и 2, аналого-цифровой преобразователь 3, амплитудно-временной селектор 4, схему 5 отношений, измеритель б временных интервалов, схему 7 управления, схему 8 задержки импульсов, арифметический блок 9, первый регистр 10, второй 65 регистр 11, схему 12 задержки кодов и схему 13 выбора длительности.

Входы масштабных усилителей 1 и 2 подключены к первому входу устройства. Первый вход схемы 7 управления подключен ко второму входу устройства, а первый вход схемы

5 отношений соединен с третьим входом устройства. Входы арифметического блока 9 соединены с выходом первого регистра 10, с первым выходом амплитудно-временного селектора 4, с выходом схемы 5 отношений, с выходом измерителя б временных интервалов и с выходом схемы 7 управления, выход которой подклюЧен также ко входам схемы 8 задержки импульсов и измерителя б временных интервалов,к третьему входу аналого-цифрового преобразователя 3 и первому входу амплитудно-временного селектора 4.

Второй выход последнего соединен с третьим входом схемы 7 управления, второй вход которой подключен к выходу схемы 8 задержки импульсов,первые выходы масштабных усилителей 1 и 2 подключены ко входам аналогоцифрового преобразователя 3, а вторые выходы - ко второму и третьему входам схемы 5 отношений, последний, четвертый, вход которой соединен с выходом измерителя б временных интервалов. Выход аналого;цифрового преобразователя 3 соединен параллельно со вторыми входами амплитудновременного селектора 4 и схемы 12 задержки кодов. Выход схемы 13 выбора длительности соединен с четвертым входом схемы 7 управления, выход которой подключен ко входу схемы 13 выбора длительности и к первому входу схемы 12 задержки кодов, выход последней соединен с шестым входом арифметического блока 9 ° Выход арифметического блока 9 соединен с входами первого и нторого регистров 10 и 11, выходы которых являются выходами устройства.

В процессе исследования грунта дна водоемов акустическими методами разведки одним из наиболее нажных параметров, характеризующих снойства донного грунта, является коэффициент отражения звуковых колебаний от границы раздела вода-дно . Величина его определяется по формуле в» t Ф(о)

1 где Ви и ВО- коэффициенты передачи амплитуд излученного и отраженного сигналов соответственноу и - время распространения звуковых колебаний по пути излучатель-дноприемник и от излучателя до приемника;

934410

R(0)p — автокорреляционная функция отраженного сигнала при нулевой задержке1

В(0)„ - автокорреляционная функция иэлученного сигнала при нулевой задержке. 5

Значения R (О) р и R (0)И равны соответственно энергиям отраженного и излученного сигналов, с точностью до постоянного множителя, и находятся путем накопления квадратов мгновен- 10 ных значений амплитуд, т.е.

NИ 80 R(o) (,(, A„b) и К(0)о- Q At(;), И i=1 о(м

15 где Би и N — число выборок, участвующих в накоплении квадратов амплитуд излученного и отраженного сигналов;;

Аи(1) и Ap (i) — цифровые коды мгновенных значений амплитуд излученного и отраженного сигналов соответственно.

Алгоритм, реализующий приведенную формулу, заложен в основу данного устройства для определения коэффициента отражения от дна водоема.

Устройство предназначено для совместной работы с акустической аппаратурой, с которой на первый вход устройства подаются аналоговые сигналы с предварительного усилителя приемной системы, на третий вход— сигналы о коэффициентах передачи иэ- З5 лученного и отраженного сигналов

{K4Ä n K ), а на второй вход - комайдный ймпульс, совпадающий но времени с созданием звуковой волны излучающим устройством. 40

С первого входа устройства сигналы с приемной системы акустической аппаратуры подаются одновременно на входы масштабных усилителей 1 и .

2. Масштабный усилитель 1 служит 45 для приведения максимальной величины амплитуды иэлученного сигнала к. верхнему пределу диапазона аналогоцифрового преобразователя 3 путем установки соответствующего коэффициента передачи. В масштабном усилителе 1 производится также формирование цифрового кода величины установ- ленного коэффициента передачи излученного сигнала (K„). Масштабный усилитель 2 используется.для тех же. целей, только в нем приводится максимальная амплитуда отраженного от дна сигнала и формируется код коэффициента передачи отраженного сигнала (Ко). Приведенные аналоговые сигналы с выходов масштабных усилителей 1 и 2 подаются на аналого- цифровой преобразователь 3, на входе которого установлен сдвоенный компаратор напряжения, управляемый стро- 65 бирующими импульсами со схемы 7 управления.

Через второй вход устройства командный импульс с акустической аппаратуры поступает на схему 7 управления, где по переднему фронту этого импульса формируются команда начальной установки схем устройства и импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 3, измерителя б временных интервалов, и схемы 8 задержки импульсов. Команда начальной установки подготавливает устройство к работе. Импульсы запуска, поступающие на аналого-цифровой преобразователь 3, разрешают преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды. Причем по командному импульсу производится преобразование сигналов, поступающих с масштабного усилителя

1, так как стробирующие импульсы со схемы 7 управления подаются на ту половину сдвоенного компаратора, вход которой соединен с выходом масштабного усилителя 1. Цифровые коды с аналого-цифрового преобразователя 3 подаются на амплитудно-временный селектор .4 и схему 12 задержки кодов.

По импульсу запуска схема 8 задержки импульсов обеспечивает задержку переднего фронта командного импульса на два регулируемых раздельно временных интервала (t3< и t3<) °

В конце каждого интервала формируются импульсы, которые через схему 7 управления поступают на амплитудновременной селектор 4,. разрешая его работу. Так как при исследованиях грунта дна водоема акустическими методами .расстановка приемно-излучающей системы известна и известна примерно глубина водоема, то соответствующей установкой задержки переднего фронта командного иь.пульса исключается воэможность ложного срабатывания устройства. от помех, возникающих в приемной системе акустической аппаратуры на интервалах времени от командного импульса до момента приема излученного сигнала и между иэлученным и отраженным сигналами. Другими словами,амплитудно-временной селектор 4 начинает работу с приходом импульсов со схемы

8 задержки импульсов, осуществляя тем самым селекцию сигналов по времени. По этим же импульсам в амплитудно-временном селекторе 4 производится сравнение кодов текущих значений амплитуд преобразуемых сигналов с кодом заданного порога, при превышении которого амплитудно-временной селектор 4 переходит в режим выделения кода максимального значения амплитуды сигнала. Выбор максимального кода производится путем анализа предыдущего и поступившего в данный момент кодов текущих зна934410 чений амплитуд сигнала. При превышении предыдущего кода над поступившим в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается первый импульс максимума, который поступает на схему 7 управления. В последней по первому импульсу максимума формируется команда, разрешающая считывание кодов текущих значений амплитуд излученного сигнала со схемы

12 задержки кодов на арифметический блок 9, и последовательность импульсов с частотой запуска аналого-цифрового преобразователя 3, которая поступает на схему 13 выбора длительности.

Схема 12 задержки кодов выполнена по принципу сдвиговых регистров,причем в ней предусмотрена регулировка времени задержки кодов путем выбора необходимого числа элементов хране ния кодов. Время задержки кодов задается равным длительности фронта излученного сигнала. По сигналу со схемы 7 управления схема 12 задержки кодов подает на арифметический блок

9 не код максимума иэлученного сигнала, а код амплитуды первого вступления фронта иэлученного сигнала и, таким образом, в вычислении автокорреляционной функции излученного сигнала участвуют и коды амплитуд его переднего фронта. Арифметический блок 9 в процессе поступления кодов накапливает квадраты текущих значений амплитуд излученного сигнала, т.е. вычисляет Я A„(i). Иэ последовательности импульсов, поступающих со схемы 7 управления на схему

13 выбора длительности, В последней формируется код текущего числа импульсов, который сравнивается с за- 40 ранее заданным кодом числа выборок текущих значений амплитуд излученного сигнала, необходимых для вычисления R(0)„ . При равенстве указанных кодов схема 13 выбора длительности 45 вырабатывает импульс конца обработки иэлученного сигнала, который поступает на схему 7 управления.

По импульсу конца обработки излу- 5О ченного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы

12 задержки кодов, запрещает подачу ,импульсов на схему 13 выбора длительности переключает стробирующие 55 импульсы на вторую половину сдвоенного компаратора аналого-цифрового преобразователя 3, вход которого соединен с выходом масштабного усилите,пя 2, и формирует команду Корень для арифметического блока 9. По команде Корень арифметический блок 9 вычисляет значение квадратного корня автокорреляционной функции излученного сигнала при нулевой задержке, т.е. (к(0)и . 65

По командному импульсу на измеритель б временных интервалов подается последовательность импульсов со схемы 7 управления, а по первому импульсу максимума в измерителе б временных интервалов формируется код временного интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплитуды излученного сигнала (tz).

По второму задержанному импульсу 3)амплитудно-временной селектор 4 переходит снова в режим выделения кода максимального значения амплитуды, но теперь уже отраженного сигнала. При выделении максимального кода в амплитудно-временном селекторе 4 вырабатывается второй импульс максимума, который поступает на схему

7 управления, Далее устройство работает аналогично, как и после первого импульса максимума. Но теперь схема 13 выбора длительности при равенстве кода текущего числа импуль- сов с заранее заданным кодом числа выборок текущих значений амплитуд отраженного сигнала, необходимых для вычисления R(0)д, вырабатывает импульс конца обработки отраженного сигнала, который также поступает на схему 7 управления.

По импульсу конца обработки отраженного сигнала схема 7 управления запрещает считывание кодов со схемы

l2 задержки кодов, запрещает подачу импуЛьсов на схему 13 выбора длительности, запрещает прохождение стробирующих импульсов на сдвоенный компаратор аналого-цифрового преобразователя 3 и формирует команду Вычисление для арифметического блока 9;

Кроме того, по второму импульсу максимума схема 7 управления запрещает подачу последовательности импульсов -на измеритель б временных интервалов, а в последнем формируется код временного интервала от командного импульса до момента выбора максимальной амплитуды отраженного сигнала (t+ ).

При натурных исследованиях глубина водоема в районе работ может меняться в широких прецелах, что обуславливает широкий диапазон изменения величины времени распространения звуковых колебаний to. При сохранении одинаковой точности измерения величин t> и t в результате измерений получается многоразрядный двоичный ксд t0 и для выполнения вычислительных операций с указанным кодом требуются, соответственно, многоразрядные вычислительные устройства. Чтобы уменьшить разрядность кода величины о, схема отношений

934410 производит вычисление промежуточной величины = р ° где Ви=К р . К> а Bo=K„> Кр. и и р

Вр

Так как В и Вр изменяются ступенчато по закону 2 (i — целое положительное или отрицательное число) то при укаэанном законе изменения коэффициентов передачи для нахождения отношения Ь„!Ьр достаточно алгебраического сложения показателей степени.

За счет затухания энергии звуковых колебаний при распространении в воде и поглощения части энергии данным грунтом амплитуда отраженного сигнала всегда меньше амплитуды излученного сигнала, à Вр больше Вц .соответственно. В связи с этим seличина отношения Вя/Вр всегда меньше единицы в процессе умножения этого отношения на to уменьшается разрядность кода целой части произведения, т.е. Е . Величина Я находится сдвигом вправо всех разрядов кода при этом число сдвигов равно алгебраической сумме показателей степени

2 коэффициентов передачи Вр и В„.

По команде Вычисление в арифметическом блоке вначале производится вычисление значения квадратного корня автокорреляционной функции отраженного сигнала при нулевой задержке, т.е. 1а(0), а затем ао зафиксированному значению величины tz и найденному значению промежуточной величины Е производится вычисление коэффициента отражения от грунта дна водоема по ормуле

Я R (O)o = t i o>

Вычисленйое значение коэффициента отражения V записывается в регистр 11.

Арифметический блок 9 вычисляет также среднее значение коэффициентов отражения за n,ýoíäèðoâàíèé.ïðè движении плавсредства, на котором установлено устройство с акустической аппаратурой, т.е. находится величина

15 го

Формула изобретения

65» указанных величин по .профилю, в устСреднее значение коэффициента отражения Ч и промежуточные результаты вычисления хранятся.в регистре 10.

Приведение раздельно максимальных амплитуд излученного и отраженного сигналов к верхнему пределу диапазона преобразования аналогоцифрового преобразователя, где, как известно, погрешность преобразования меньше, позволяет расширить диапазон принимаемых сигналов и увеличить точность преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.

Временная селекция излученного и отраженного сигналов исключает возможность ложного срабатывания устройства от помех, возникающих в приемной системе, в зонах отсутствия полезных сигналов, а амплитудная селекция позволяет производить уверенное выделение максимальных значений амплитуд, что в конечном итоге увеличивает точность определения коэффициента отражения от грунта дна ° Представление величин коэффициентов передачи излученного и отраженного сигналов в цифровой форме и выполнение арифметических операций с кодами также увеличивает точность определения коэффициента отражения. Вычисление промежуточной величины 6 в схеме отношений уменьшает объем оборудования арифметического блока. Определение коэффициента отражения по отношению средних суьм квадратов амплитуд излученного и отраженного сигналов уменьшает разброс текущих значений коэффициентов отражения от грунта с одним и тем же литологическим составом. Усреднение по и зондированиям величин коэффициентов отражения, найденных при каждом зондировании, уменьшает .Разброс указанных величин.по профилю.

35 устройство для определения коэффициента отражения от дна водоема, содержащее первый и второй масштабные усилители,.аналого-цифровой преобразователь, измеритель временных

40.интервалов, схему управления, схему задержки импульсов и первый и второй регистры, при этом первый и второй масштабные усилители подключены параллельно к первому входуустройства, 45 первые выходы масштабных усилителей подключены к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя, первый вход схемы управления подключен ко второму входу устройства, а выход схемы управления соеди« нен с входом схемы задержки импульсов, входом измерителя временных интервалов и третьим входом аналогоцифрового преобразователя, выход схемы задержки импульсов подключен ко второму входу схемы управления, выходы первого и второго регистров являются выходами устройства, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности определе60 ния коэффициента отражения от дна водоема и уменьшения разбросов текущих значений коэффициентов отражений от грунта с одним и тем же лито-. лбгическим составом и сглаживания

934410

Составитель Н. Журавлева

Редактор М. Ткач ТехредЛ.Пекарь Корректор И. Муска

Эакаэ 3930/42 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ройство дополнительно введены амплитудно-временной селектор, схема отношений, схема задержки кодов, схема выбора длительности и арифметический блок, при этом первый вход схемы отношений подключен к третьему входу устройства, второй и третий входы " ко вторым выходам масштабных усилителей, а последний, четвертый, вход схемы отношений соединен с выходом измерителя временных интерва- 1О лов, входы арифметического блока соединены с выходами первого регистра, схемы задержки кодов, схемы отношений и измерителя временных интервалов,с первым выходом ампли- 5 тудно-временного селектора и выходом схемы управления, выход которой подключен также к входу схемы выбора длительности и первым входам схемы задержки кодов и амплитудновременного селектора, вторые входы которых подсоединены к выходу аналого-цифрового преобразователя, второй выход амплитудно-временного селектора соединен с третьим входом схемы управления, а четвертый вход схемы управления подключен к выходу схемы выбора длительности, выход арифметического блока соединен с входами первого и второго регистров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CQIA Р 3346067,кл.73-555, опублик. 1967.

2. Патент США В 3555499,кл.340-3, опублик. 1971 (прототип).