параметрический эхоледомер

Формула изобретения

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛЕДОМЕР, содержащий синхронизатор, низкочастотную приемную антенну, соединенную с первым селективным усилителем, второй селективный усилитель, высокочастотную обратимую антенну и регистратор, отличающийся тем, что в него введены генератор радиоимпульсов с двухчастотным заполнением и коммутатор прием/излучение, включенные последовательно между синхронизатором и высокочастотной обратимой антенной, последовательно соединенные квадратичный детектор, фильтр нижних частот, фазовый детектор, схема усреднения и первый формирователь импульсов, включенные между выходом второго селективного усилителя, подключенного ко второму выходу коммутатора прием/излучение, и регистратором, второй формирователь импульсов и ключ, включенные последовательно между выходом первого селективного усилителя, подключенного к второму входу фазового детектора, и регистратором, последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель, первый детектор и схема совпадения, включенные между выходом первого селективного усилителя и ключом, последовательно соединенные между выходом второго селективного усилителя и схемой совпадения второй усилитель-ограничитель и второй детектор, синхронизатор соединен с регистратором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустическим локационным системам, предназначенным для обнаружения льда на поверхности воды, измерения толщины льда и регистрации профиля нижней кромки льда с подводного аппарата. Возможно использование локаторов в геолокации при определении толщины слоев донных отложений, в медицине, в устройствах неразрушающего контроля. Преимущественное использование - гидроакустика.

Известно устройство для измерения толщины льда, устанавливаемое на подводных лодках. В верхней части подводной лодки установлен эхолот, ориентированный акустической осью вверх и излучающий в воду два акустических сигнала, первый из которых имеет первую высокую частоту и промодулирован по амплитуде, второй сигнал непрерывен во времени, немодулирован и имеет вторую высокую частоту. В результате нелинейного взаимодействия амплитудно-модулированного сигнала с массой воды в среде создается акустическая энергия с частотой модуляции, которая распространяется через слой льда над водой и отражается от поверхности раздела лед/воздух. Сигнал с первой высокой частотой после отражения от поверхности раздела вода/лед принимается эхолотом. Сигнал с второй высокой частотой после отражения от граница вода/лед нелинейно взаимодействует в воде с отраженным сигналом модуляционной частоты. В результате по обе стороны от второй высокой частоты образуются боковые полосы частот и формируется частотно-модулированный сигнал второй высокой частоты, который используется для выделения сигнала модуляционной частоты, отразившегося от поверхности раздела лед/воздух. Временной интервал между моментами приема сигналов первой высокой частоты и второй высокой частоты с частотной модуляцией, измеряется и на основании измеренного временного интервала определяется толщина льда [1].

Наиболее близким по технической сущности техническим решением к заявляемому устройству является двухчастотный эхоледомер. Для измерения толщины льда в нем используются две частоты излучения - низкая и высокая. Эхоледомер содержит синхронизатор, соединенный с генератором низкочастотных радиоимпульсов и генератором высокочастотных радиоимпульсов, которые нагружены соответственно на низкочастотную (НЧ) обратимую акустическую антенну и высокочастотную (ВЧ) обратимую акустическую антенну, последовательно соединенные первый резонансный усилитель, подключенный к НЧ-антенне, первый усилитель, первый блок измерения дальности и двухканальный регистратор, последовательно соединенные второй резонансный усилитель, подключенный к ВЧ-антенне, второй усилитель и второй блок измерения дальности, нагруженный на второй вход двухканального регистратора, вторые входы блоков измерения дальности соединены с синхронизатором [2].

Недостатком известного технического решения является низкая надежность обнаружения льда на поверхности воды. Это обусловлено невозможностью однозначного определения характера отражающей поверхности.

Целью изобретения является повышение надежности обнаружения льда на поверхности воды и увеличение достоверности результатов измерения толщины льда.

Цель достигается тем, что в эхоледомер, содержащий синхронизатор, низкочастотную приемную антенну, соединенную с первым селективным усилителем, второй селективный усилитель, высокочастотную обратимую антенну и регистратор, дополнительно введены генератор радиоимпульсов с двухчастотным заполнением и коммутатор прием/излучение, включенные последовательно между синхронизатором и высокочастотной обратимой антенной, последовательно соединенные квадратичный детектор, фильтр нижних частот, фазовый детектор, схему усреднения и первый формирователь импульсов, включенные между выходом второго селективного усилителя, подключенного к второму выходу коммутатора прием/излучение, и регистратором, второй формирователь импульсов и ключ, включенные последовательно между выходом первого селективного усилителя, подключенного к второму входу фазового детектора и регистратором, последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель, первый детектор и схема совпадения, включенные между выходом первого селективного усилителя и ключом, последовательно соединенные между выходом второго селективного усилителя и схемой совпадения, второй усилитель-ограничитель и второй детектор, синхронизатор соединен с регистратором.

На фи г. 1 приведена структурная схема предлагаемого эхоледомера; на фиг. 2 - примерная запись подводного рельефа льда и свободной поверхности воды; на фиг. 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу эхоледомера.

Параметрический эхоледомер состоит из включенных последовательно синхронизатора 1, генератора 2 радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, коммутатора 3 прием/излучение и высокочастотной обратимой антенны 4, включенных последовательно низкочастотной приемной антенны 5, первого селективного усилителя 6, и фазового детектора 7, включенных последовательно между коммутатором 3 и фазовым детектором 7 второго селективного усилителя 8 квадратичного детектора 9 и фильтра 10 нижних частот, соединенных последовательно схемы 11 усреднения, подключенной к фазовому детектору 7, первого фоpмирователя 12 импульсов и регистратора 13, последовательно соединенных первого усилителя-ограничителя 14, подключенного к выходу селективного усилителя 6 и первого детектора 15, последовательно соединенных второго усилителя-ограничителя 16, подключенного к выходу селективного усилителя 8, второго детектора 17 и схемы 18 совпадения, второй вход которой соединен с детектором 15, и нагруженных на регистратор 13, последовательно соединенных между выходами селективного усилителя 6 и регистратором 13 второго формирователя 19 и ключа 20. Синхронизатор 1 соединен с ключом 20.

На фиг. 2 показаны следующие обозначения: 21 - излучаемый импульс и начало развертки регистратора; 22 - короткими отметками показана свободная от льда поверхность воды; 23 - протяженными отметками показана граница вода/лед; 24 - промежуточными по протяженности отметками показана граница лед/воздух. В случае использования цветного индикатора отметки 22 - 24 имеют различный цвет, протяженность отметок может быть одинаковой. Осью ОН обозначено направление вертикально вверх, в сторону льда.

Работает схема следующим образом.

Синхронизатор 1 посредством коротких однополярных импульсов V₁ запускает развертку регистратора 13 и генератор 2 радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, на выходе которого вырабатываются радиоимпульсы V₂. Напряжение V₂ проходит коммутатор 3 прием/излучение, подается на высокочастотную обратимую антенну 4, резонансная частота которой равна f_o=(f₁+f₂)/2 и в виде двухчастотной акустической волны излучается в воду. Из-за квадративного характера нелинейности среды нелинейное взаимодействие между спектральными составляющими с частотами f₁ и f₂ приводит к генерации волны с разностной частотой F= f₂-f₁. Исходная двухчастотная волна и волна разностной частоты (ВРЧ), распространяясь коллинеарно, отражаются от подводного препятствия с акустическим импедансом Z₂. Если в качестве препятствия оказывается лед, импеданс которого Z₂ больше импеданса воды Z₁ (Z₂ > Z₁), то отражение обеих волн происходит без изменения фазы. Если в качестве препятствия оказывается граница с воздухом, импеданс которого Z₂ меньше импеданса воды Z₁ (Z₂<), то фазы обеих волн изменяются на 180^о, причем фаза огибающей не изменяется при любых соотношениях Z₁ и Z₂. Эхо-сигналы ВРЧ принимаются низкочастотной приемной антенной 5, проходят селективный усилитель 6, настроенный на частоту F, и в виде напряжения V₃ поступают на первый вход фазового детектора 7. Высокочастотные эхо-сигналы принимаются высокочастотной обратимой антенной 4, проходят через коммутатор 3 на вход селективного усилителя 8, настроенного на частоту f_o=(f₁+f₂)/2 и после усиления появляются на выходе усилителя в виде напряжения V₄. Напряжение V₄ поступает на квадратичный детектор 9, на выходе которого формируется опорный сигнал, частота которого вдвое больше частоты модулирующей функции исходного сигнала, т.е. с частотой 2 (F/2)= F. Сигнал V₅ частотой F поступает на второй вход фазового детектора 7. На выходе фазового детектора 7 вырабатывается однополярный сигнал V₆, полярность которого определяется значением фазы коэффициента отражения границы раздела сред: при =0 V₆ > 0, при = 180^о V₆ < 0. После устранения в схеме 11 усреднения флуктуаций амплитуды V₆, которые вызваны интерференцией эхо-сигналов от различных зеркальных точек отражающей поверхности, сигнал V₇ поступает на первый формирователь 12 импульсов. На его выходе формируются импульсы V₈, длительность которых определяется полярностью напряжения V₇, длительность импульса ₁ соответствует случаю V₇ > 0, а ₂ соответствует случаю V₇ < 0, где ₁> > ₂. Напряжение V₈ поступает на регистратор эхо-сигналов 13, где отображается рельеф нижней поверхности льда (в случае его наличия), и посредством меток различной протяженности отмечаются участки, покрытые льдом (23 на фиг. 2), либо свободные от него (22 на фиг. 2). С выходов селективных усилителей 6 и 8 напряжения V₃ и V₄ поступают на усилители-ограничители 14 и 16, с выходов которых сигналы поступают на детекторы 15 и 17. С выходов детекторов 15 и 17 однополярные импульсы V₁₀ и V₁₁ поступают на входы схемы 18 совпадения, на выходе которой вырабатывается импульс V₁₂, длительность которого соответствует длительности эхо-сигнала от нижней поверхности льда. Сигнал V₁₂ запирает ключ 20, через который на регистратор 13 поступают эхо-сигналы V₁₃ от верхней поверхности льда, на время приема и отображения в регистраторе эхо-сигнала V₈ от нижней поверхности льда. Эхо-сигналы от верхней поверхности льда с выхода усилителя 6 поступают на второй формирователь 19 импульсов, вырабатывающий на выходе сигналы V₉ с длительностью ₃, отличной от ₁ и ₂, для отображения верхней поверхности льда (фиг. 2 - отметки 24). Толщина льда определяется по расстоянию между отметками 23 длительностью ₁ и отметками 24 длительностью ₃. Промежуток между отметками с равными длительностями, 24 и 25 - на фиг. 2, во внимание не принимается, так как отметки 25 характеризуют внутреннюю структуру льда (трещины).

Использование различения эхо-сигналов от границ раздела вода/лед и вода/воздух позволяет с высокой надежностью обнаруживать лед на поверхности воды и повышать достоверность результатов измерения толщины льда, так как при этом однозначно определяется местонахождение нижней границы льда, служащей началом отсчета при измерении его толщины.