акустический эхолокатор

Формула изобретения

Акустический эхолокатор, содержащий синхронизатор, соединенный с индикатором и первым входом генератора радиоимпульсов, делитель частоты и коммутатор, соединенный первым выходом с электроакустическим преобразователем, первый усилитель-ограничитель, подключенный к первому входу фазового детектора, последовательно соединенные умножитель частоты и второй усилитель-ограничитель, фазовый детектор, включенный между выходом второго усилителя-ограничителя и первым сигнальным входом индикатора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные генератор и амплитудный модулятор, нагруженные на второй вход генератора радиоимпульсов, амплитудный детектор, включенный между вторым выходом коммутатора и входом умножителя частоты, выход генератора соединен со входом делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом амплитудного модулятора, а через второй выход коммутатора эхосигнал, преобразованный в электроакустическом преобразователе в электрический сигнал, поступает на второй сигнальный вход индикатора и вход первого усилителя-ограничителя, выход генератора радиоимпульсов соединен со входом коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустическим эхолокационным системам, предназначенным для обнаружения и первичной классификации объектов по их акустической жесткости, и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, гидроакустике, геоакустике, диагностической медицине, рыболокации.

Известна «Система для обнаружения и классификации, использующая униполярные импульсы» (патент США №3686669, G 01 S 9/02, НКИ 343/5 PC, ИЗР. №17, 1972), содержащая синхронизатор, соединенный через генератор униполярных импульсов и коммутатор с акустическим широкополосным преобразователем. Второй выход коммутатора через усилитель соединен с сигнальным входом индикатора, вход запуска которого соединен с выходом синхронизатора. Такие блоки, как синхронизатор, коммутатор, усилитель и индикатор, имеются в заявляемом устройстве.

Устройство работает следующим образом. Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие генератор униполярных импульсов, а также запускающие соответствующие блоки индикатора. Например, для осциллографического индикатора это генератор развертки и блок импульсов подсвета прямого хода луча. Униполярные импульсы проходят через коммутатор на широкополосный акустический преобразователь, излучающий импульсы в среду лоцирования. Излученные униполярные импульсы распространяются в среде, отражаются от объектов с акустическим сопротивлением Z₁, отличным от акустического сопротивления среды распространения Z₀, и принимаются акустическим широкополосным преобразователем. Принятые эхоимпульсы после усилителя подаются на сигнальный ход индикатора, генератор развертки которого запускается видеоимпульсом от синхронизатора. В зависимости от соотношений акустических сопротивлений среды Z₀ и лоцируемых объектов Z₁, соотношений длительности импульсов с размерами объектов и расстояния между объектами на экране индикатора наблюдается серия разнополярных, различных по длительности и амплитуде импульсов. Анализируя полученный сигнал, можно судить о расстоянии до объектов, их акустической жесткости, протяженности в пространстве.

Технический результат изобретения не может быть обеспечен в аналоге из-за наличия недостатков:

1) малая дальность действия, ограничиваемая малой чувствительностью акустического преобразователя в режимах приема и излучения, которая обусловлена необходимостью его механического или электрического демпфирования для обеспечения требования широкополосности;

2) неоднозначность определения полярности эхоимпульсов, обусловленная искажениями формы униполярных импульсов из-за частотной зависимости коэффициента затухания звука в среде распространения;

3) низкая достоверность получаемых результатов из-за угловой зависимости формы излучаемого и принимаемого униполярных импульсных сигналов, что обусловлено частотной зависимостью ширины характеристики направленности акустического преобразователя и широким частотным спектром униполярных импульсов;

4) низкая достоверность получаемых результатов из-за частотной зависимости модуля и фазы коэффициента отражения, что приводит к искажению формы униполярных эхоимпульсов вплоть до утраты униполярности.

В патенте ФРГ №2006152 (G 01 S 9/66, ИЗР. 1977, №7) описан локатор, содержащий излучающий тракт, состоящий из передатчика и соединенной с ним излучающей антенны, которая излучает сигнал, содержащий два связанных между собой по фазе колебания с частотами f₁ и f ₂, приемную антенну, соединенную с приемным трактом, выход которого соединен с последовательно включенными схемой выделения постоянной составляющей, первым пороговым устройством, решающей ступенью для формирования сигнала об акустической жесткости и первым сигнальным входом индикатора. Синхронизирующий вход индикатора соединен с синхронизирующим выходом излучающего тракта. Приемный тракт содержит два полосовых фильтра, пропускающих частоты f ₁ и f₂, входы которых соединены с приемной антенной, выход первого фильтра через первый ограничитель амплитуды подключен к первому сигнальному входу схемы сравнения (фазового детектора), выход второго фильтра через последовательно соединенные второй ограничитель амплитуды и умножитель (удвоитель) частоты подключен к второму сигнальному входу схемы сравнения, выход которой соединен со схемой выделения среднего уровня. Между выходом второго фильтра и управляющим входом схемы сравнения последовательно включены детектор и второе пороговое устройство, выход которого соединен с вторым сигнальным входом индикатора.

Излучающий тракт вырабатывает двухчастотный сигнал, частоты которого связаны соотношением f₁=(n·f₂), где n - целые числа и предпочтительно выбирается равным n=2.

Такие блоки, как индикатор, антенна, умножитель частоты, два ограничителя амплитуды, амплитудный детектор и фазовый детектор, имеются в заявляемом устройстве.

Излучающий тракт вырабатывает периодически повторяющиеся импульсы, запускающие индикатор, и радиоимпульсы с частотами f₁ и f ₂=f₁/2, которые поступают на антенну, излучающую сигналы с частотами f₁ и f₂ в среду с акустическим сопротивлением Z₀. Эти сигналы распространяются в среде, достигают поверхности объекта, имеющего акустическое сопротивление Z₁ Z₂, отражаются от него и принимаются приемной антенной, с выхода которой напряжение поступает на входы двух фильтров: первого - настроенного на частоту f₁ и второго - настроенного на частоту f₂. С выхода первого фильтра сигнал с частотой f₁ через последовательно соединенные детектор и второе пороговое устройство подается на второй сигнальный вход индикатора, а также через первый ограничитель амплитуды - на первый сигнальный вход фазового детектора. С выхода второго фильтра сигнал с частотой f₂ через последовательно соединенные ограничитель амплитуды и умножитель частоты сигнала на два поступает на второй сигнальный вход фазового детектора. Сигналы, поступающие на входы детектора, могут находиться в фазе относительно друг друга, если Z₁>Z₀, и в противофазе, если Z₁<Z₀, т.е. для акустически жесткого и акустически мягкого отражающего объекта. Сигнал, снимаемый с выхода схемы выделения постоянной составляющей, включенной на выходе фазового детектора, в этих случаях будет иметь разную амплитуду (или полярность), что позволяет судить об акустическом сопротивлении Z₁ объекта.

Технический результат изобретения не может быть обеспечен в аналоге из-за наличия недостатков:

1) малая дальность действия, ограничиваемая малой чувствительностью акустического преобразователя в режимах приема и излучения, которая обусловлена необходимостью его механического или электрического демпфирования для обеспечения требования широкополосности при излучении сигнала с двумя частотами, различающимися на октаву;

2) низкая достоверность получаемых результатов из-за частотной зависимости ширины характеристики направленности акустического преобразователя в режимах излучения и приема, приводящая к «озвучиванию» и контролю различных по размерам участков среды распространения сигналов с частотами f₁ и f₂. Поскольку разница в линейных размерах контролируемых участков пропорциональна отношению частот n=f₁/f₂=2, 3, 4,..., то возможны ситуации, когда на частоте f₁ «озвучивается» один объект с определенной акустической жесткостью, а на частоте f₂ «озвучиваются» уже несколько объектов с различной жесткостью. Используемый в данном аналоге метод определения акустической жесткости, построенный на одномерном приближении, в рассматриваемой ситуации не дает однозначного результата и делает невозможной классификацию обнаруженных объектов;

3) низкая достоверность получаемых результатов из-за частотной зависимости фазы коэффициента отражения, которая в рамках используемого в аналоге алгоритма обработки эхосигнала при различных фазовых набегах на частотах f₁ и f₂ делает невозможным классификацию объектов. Источниками частотной зависимости фазы коэффициента отражения могут быть наличие слоистой структуры, особенности формы, волновые размеры и др.

Наибольшее сходство с заявляемым устройством имеет акустический эхоимпульсный локатор (патент РФ №2158007, G 01 S 13/32, ИЗР. 2000, №29), содержащий синхронизатор, соединенный с индикатором и генератором радиоимпульсов, выход которого через два делителя частоты соединен с двумя входами сумматора, выход которого через коммутатор соединен с акустическим преобразователем. Выход коммутатора соединен с входами двух фильтров, выход первого фильтра через последовательно соединенные умножитель частоты и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, а выход второго фильтра соединен с сигнальным входом индикатора, а также через последовательно соединенные второй умножитель частоты и второй усилитель-ограничитель с вторым входом фазового детектора, выход которого соединен с вторым сигнальным входом индикатора.

Такие блоки, как синхронизатор, индикатор, генератор радиоимпульсов, делитель частоты, антенна, коммутатор, умножитель частоты, два ограничителя амплитуды и фазовый детектор, имеются в заявляемом устройстве.

Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, запускающие индикатор и генератор радиоимпульсов с частотой заполнения f₁ , сигнал с которого поступает на два делителя частоты. На выходе первого делителя частоты формируется радиоимпульс с частотой заполнения f₂=f₁/n, а на выходе второго делителя частоты радиоимпульс с частотой заполнения f₃ =f₁/m, где n и m - простые числа, в частности, в прототипе предлагается m=n+1. Сигналы с частотами f₂ и f ₃ поступают на сумматор, а с его выхода через коммутатор - на акустический преобразователь, излучающий в среду акустический сигнал, содержащий две спектральные составляющие. Эти сигналы распространяются в среде, достигают поверхности объекта, имеющего акустическое сопротивление Z₁ Z₂, отражаются от него и принимаются тем же акустическим преобразователем. Напряжение с него поступает через коммутатор на входы двух фильтров: первого - настроенного на частоту f₂ и второго - настроенного на частоту f ₂. С выхода первого фильтра сигнал с частотой f₃ через последовательно соединенные умножитель частоты с коэффициентом умножения m и первый усилитель-ограничитель поступает на первый вход фазового детектора, а с выхода второго фильтра сигнал с частотой f₂ подается на первый сигнальный вход индикатора, а также через умножитель частоты с коэффициентом умножения n и второй усилитель-ограничитель - на второй вход фазового детектора.

По сигналу с выхода второго фильтра судят о наличии, величине и удалении объекта от преобразователя. Сигнал с выхода фазового детектора поступает на второй сигнальный вход индикатора, по нему судят об акустической жесткости объекта.

Технический результат изобретения не может быть обеспечен в прототипе из-за наличия недостатков:

1) большая мертвая зона и низкая разрешающая способность, обусловленные необходимостью излучения радиоимпульсов с большой длительностью. Последнее требование очевидным образом следует из решаемой в прототипе задачи обеспечения узкой полосы частот, занимаемой двухчастотным радиоимпульсом, для увеличения дальности локации и снижения погрешностей из-за частотной зависимости условий распространения и отражения от объекта двух волн с разными частотами;

2) низкая достоверность классификации, возникающая при фазовом детектировании из-за взаимного наложения и невозможности полного разделения в приемном тракте локатора спектров двух моночастотных радиоимпульсов с частотами заполнения f₂ и f₃ . Это приводит к погрешностям в работе фазового детектора, обусловленным:

- присутствием в спектрах эхосигналов на выходах первого и второго фильтров компонент, отсутствовавших в исходных спектрах этих сигналов и появившихся из-за наложения спектров;

- отсутствием части первоначального спектра у обоих радиоимпульсов из-за ее попадания в полосу задерживания фильтров.

Первый недостаток обусловлен следующим. Излучаемый и распространяющийся в среде двухчастотный радиоимпульс представляет собой сумму двух совмещенных во времени моночастотных радиоимпульсов с частотами заполнения f₂ и f₃, которые в приемном тракте должны быть разделены двумя частотными фильтрами для последующей обработки и фазового детектирования. Разделение радиоимпульсов фильтрами возможно при условии, что их спектры разнесены по частоте и не перекрываются (не накладываются). Эти условия, являющиеся обязательными для обеспечения работоспособности прототипа, будут строго выполняться лишь в случае использования непрерывных сигналов с частотами f₂ и f₃, спектр которых содержит две компоненты на частотах f₂ и f₃. Поскольку прототип заявлен как эхоимпульсный локатор, то предполагается его работа в импульсном режиме.

Спектр радиоимпульса конечной длительности бесконечен, в частности огибающая спектра прямоугольного радиоимпульса* имеет вид бесконечно убывающей синусоиды с максимумом на частоте заполнения (пунктирные линии на фиг.1) (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Радио и связь, 1986, с.81). Полоса частот, занимаемая основной частью энергии радиоимпульса обратно пропорциональна длительности импульса.

где _И - длительность импульса. Для сужения ширины спектра моночастотных радиоимпульсов требуется увеличивать их длительность. В прототипе частоты соотносятся как

f ₃/f₂=n/m=n/(n+1),

что позволяет при n>1 сузить полосу, занимаемую излучаемым двухчастотным сигналом, т.е. выполнить условие:

При этом спектры моночастотных радиоимпульсов не будут накладываться только в случае, если f> F, т.е.

Следовательно, сужение полосы частот, занимаемой излучаемым двухчастотным радиоимпульсом, это происходит при увеличении n, должно сопровождаться увеличением длительности импульсов, что противоречит условиям увеличения разрешающей способности и уменьшения мертвой зоны эхолокатора.

Например, протяженность радиоимпульса (l=с _И], являющаяся мерой лучевой разрешающей способности и мертвой зоны эхометода, с типичными для дефектоскопии частотами заполнения (1,25 МГц; 2,5 МГц; 5 МГц) в изделии из стали (скорость продольной звуковой волны с=6100 м/с) имеет следующие значения:

Эти величины соизмеримы или превышают толщины реальных изделий, подвергаемых ультразвуковому контролю, делая сам контроль невозможным либо крайне неэффективным.

Второй недостаток прототипа принципиально неустраним при импульсном режиме работы эхолокатора, поскольку невозможно разделить фильтрами совмещенные во времени моночастотные радиоимпульсы с различными частотами заполнения и конечной длительностью импульсов без искажения их спектра. Это объясняется неизбежным наложением (перекрытием) смежных участков спектра радиоимпульсов при их совместном прохождении электрического излучающего и акустического трактов. Использование в приемном тракте фильтров для разделения эхосигналов с разными частотами не обеспечивает восстановления исходных спектров этих радиоимпульсов, а приводит лишь к разделению на две части их общего спектра, сплошные линии на фиг.1. Примечательно, что от качества фильтров это не зависит, оставаясь справедливым и для случая идеальных фильтров.

На фиг.1 показана динамика изменений общего спектра двух моночастотных радиоимпульсов (непрерывная линия), т.е. спектра двухчастотного радиоимпульса, относительно спектров отдельных радиоимпульсов (пунктирная линия) для описанного в прототипе случая f₂/f₃=10/11 при различных значениях длительности радиоимпульса. Наложение спектров сопровождается (фиг.1):

- смещением основных максимумов спектра относительно частот f₂ и f₃;

- нарушением симметрии спектров относительно основных максимумов после прохождения фильтров.

Перечисленные изменения приводят к погрешностям при фазовом детектировании. Видно, что даже при излучении длинных радиоимпульсов (например, _И·f₀=40, где _И и f₀=(f₂+f₃ )/2 - длительность и средняя частота заполнения радиоимпульса) на основной максимум спектра одного радиоимпульса накладываются боковые спектральные компоненты другого радиоимпульса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение достоверности классификации объектов по акустической жесткости, увеличение разрешающей способности и уменьшение мертвой зоны.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, соединенный с индикатором и первым входом генератора радиоимпульсов, делитель частоты и коммутатор, соединенный первым выходом с электроакустическим преобразователем, первый усилитель-ограничитель, подключенный к первому входу фазового детектора, последовательно соединенные умножитель частоты и второй усилитель-ограничитель, фазовый детектор, включенный между выходом второго усилителя-ограничителя и первым сигнальным входом индикатора, введены последовательно соединенные генератор и амплитудный модулятор, нагруженные на второй вход генератора радиоимпульсов, амплитудный детектор, включенный между вторым выходом коммутатора и входом умножителя частоты, выход генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом амплитудного модулятора, а второй выход коммутатора соединен с вторым сигнальным входом индикатора и входом первого усилителя-ограничителя, выход генератора радиоимпульсов соединен с входом коммутатора.

Заявляемое устройство соответствует критериям "изобретательский уровень", "новизна" и "промышленная применимость", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа и аналогов.

Возможность достижения технического результата изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами.

В заявляемом устройстве предлагается для получения информации о фазе коэффициента отражения объекта локации использовать фазовые соотношения между сигналом несущей частоты и огибающей амплитудно-модулированного (AM) сигнала, который излучается в виде радиоимпульса.

Использование в предлагаемом устройстве сигналов с частотами огибающей и несущей AM волны позволяет отказаться от линейной обработки эхосигналов в виде фильтрации и исключить взаимное влияние спектров моночастотных радиоимпульсов на величину фазы коэффициента отражения.

Для получения информативных сигналов используются нелинейные операции: сигнала огибающей - линейное детектирование отразившегося от объекта AM сигнала, сигнала несущей частоты - ограничение его амплитуды.

Частоты модулирующего ( ) и несущего ( ₀) колебаний связаны между собой соотношением ₀/ =N. Для минимизации погрешностей, обусловленных различными условиями распространения спектральных компонент AM сигнала (из-за частотных зависимостей затухания, дифракции, коэффициента отражения от объекта), необходимо выполнить условие N>1. Условие ₀/ =N достигается делением несущей частоты в N раз.

В основу работы устройства положена инвариантность фазы огибающей узкополосной AM волны к фазе коэффициента отражения объекта локации.

Выражение для бегущей вдоль оси Х AM волны имеет вид:

где t'=t+r/c; U₀ - амплитуда несущей частоты; m - коэффициент амплитудной модуляции; - модулирующая частота; ₀ - несущая частота; ₀= ₀/N - начальная фаза модулирующего напряжения; ₀ - начальная фаза несущего напряжения; t - время; r - расстояние вдоль оси X; с - скорость распространения акустических волн.

Выражение (1) можно представить в виде суммы трех частотных компонент:

где напряжение несущей частоты;

напряжение верхней боковой частоты;

напряжение нижней боковой частоты.

При отражении AM волны от объекта изменяется амплитуда и фаза каждой спектральной компоненты:

где

В случае N>1 зависимостью коэффициента отражения от частоты в пределах занимаемой AM сигналом полосы частот можно пренебречь, т.к. при _{0 0}+ справедливы соотношения

Конечное выражение для принятого эхосигнала примет вид:

Согласно выражению (2) фаза коэффициента отражения _отр вошла только в фазу высокочастотного заполнения AM эхосигнала, не изменив фазу огибающей (модулирующей функции).

Получение информации о фазе коэффициента отражения осуществляется по алгоритму, включающему: детектирование принятого AM сигнала; приведение сигнала с частотой огибающей к частоте несущего колебания ₀ умножением его частоты на N; ограничение по амплитуде принятого AM сигнала и сравнение его по фазе с полученным после умножения частоты сигналом огибающей.

Таким образом, предлагаемый эхолокатор не имеет ограничений, связанных с наложением спектров, что позволяет увеличить достоверность классификации объектов по акустической жесткости, улучшить разрешающую способность и уменьшить мертвую зону.

На фиг.1 представлены спектры моночастотного и двухчастотного прямоугольных радиоимпульсов с частотами заполнения f_l и f₂ при различных длительностях импульса, на фиг.2 приведена структурная схема устройства, на фиг.3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Акустический эхолокатор содержит синхронизатор 1, соединенный с входом запуска индикатора 13 и первым входом генератора радиоимпульсов 2, выход которого соединен через коммутатор 6 с электроакустическим преобразователем 7; второй вход генератора радиоимпульсов 2 соединен с амплитудным модулятором 4, первый вход которого соединен непосредственно с выходом генератора 3, а второй вход амплитудного модулятора 4 соединен с генератором 3 через делитель частоты 5. Второй выход коммутатора 6 соединен через первый усилитель-ограничитель 8 с первым входом фазового детектора 12 и через последовательно соединенные амплитудный детектор 9, умножитель частоты 10 и второй усилитель-ограничитель 11 - с вторым входом фазового детектора 12. К первому сигнальному входу индикатора 13 подключен выход фазового детектора 12, с вторым сигнальным входом индикатора 13 соединен второй выход коммутатора 6.

Работает устройство следующим образом. Синхронизатор 1 через интервалы времени Т>2·r_max/c (r _max-максимальная дальность локации; c - скорость звука в среде) вырабатывает видеоимпульсы U₁, поступающие на вход запуска индикатора 13 (в осциллографическом индикаторе, например, это вход запуска генератора развертки) и на первый вход генератора радиоимпульсов 2, на второй вход которого с выхода амплитудного модулятора 4 поступает непрерывный амплитудно-модулированный сигнал U₄. Напряжение U₄ формируется из двух связанных по частоте напряжений U₂ и U₃ . Генератор 3 вырабатывает гармонический сигнал несущей частоты U₂, поступающий на первый вход амплитудного модулятора 4. С выхода делителя частоты 5 на второй вход амплитудного модулятора 4 подается сигнал модуляции U₃. На выходе генератора радиоимпульсов 2 формируется амплитудно-модулированный радиоимпульс U₅ с частотой заполнения ₀ и частотой огибающей = ₀/N где N>1.

В момент излучения (Х=0) сигнал U₆ имеет вид

где m<1, _{= 0}/N. Пройдя расстояние X=r, акустический сигнал U₆ достигает поверхности объекта, отражается от него, претерпевая изменение фазы заполнения AM сигнала на _отр, проходит еще раз расстояние Х=r и, достигнув преобразователя 7, преобразуется в электрический сигнал U ₈:

Через коммутатор 6 эхосигнал U₈ поступает на вход первого усилителя ограничителя 8 и вход амплитудного детектора 9. На выходе первого усилителя-ограничителя 8 формируется сигнал U₁₂, поступающий на первый вход фазового детектора 12. Сигнал U₉ с выхода амплитудного детектора 9 через умножитель частоты 10 поступает на вход второго усилителя-ограничителя 11, с выхода которого сигнал U₁₁ поступает на второй вход фазового детектора 12. Сигнал U₈ подается на второй сигнальный вход индикатора 13 для получения информации о наличии объекта, его размерах и удалении от преобразователя. Сигнал U₁₃ с выхода фазового детектора 12 поступает на первый сигнальный вход индикатора 13 для получения информации о фазе коэффициента отражения и акустической жесткости материала обнаруженного объекта.

На входах фазового детектора формируются сигналы U₁₁, U₁₂ с одинаковой частотой ₀:

Разность фаз между ними равна _отр. Сигнал на выходе фазового детектора 12 равен:

где М - коэффициент передачи фазового детектора.

В случае акустически мягкого объекта ( _отр=180°) выходное напряжение фазового детектора равно U₁₃=-M, в случае акустически жесткого объекта ( _отр=0°) напряжение равно U₁₃ =+M. Для объектов с промежуточными значениями фазы коэффициента отражения (0°< _отр<180°) сигнал U₁₃ находится в пределах -M<U₁₃<+M, что однозначно характеризует величину _отр и акустическую жесткость обнаруженного объекта.