[go: up one dir, main page]

RU2523104C1 - Ice-protected echo sounder - Google Patents

Ice-protected echo sounder Download PDF

Info

Publication number
RU2523104C1
RU2523104C1 RU2013105848/28A RU2013105848A RU2523104C1 RU 2523104 C1 RU2523104 C1 RU 2523104C1 RU 2013105848/28 A RU2013105848/28 A RU 2013105848/28A RU 2013105848 A RU2013105848 A RU 2013105848A RU 2523104 C1 RU2523104 C1 RU 2523104C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microcontroller
input
echo sounder
protective plate
transmitter
Prior art date
Application number
RU2013105848/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Михайлович Бородин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" filed Critical Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор"
Priority to RU2013105848/28A priority Critical patent/RU2523104C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2523104C1 publication Critical patent/RU2523104C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: echo sounder includes a forward digital frequency synthesiser unit whose output is connected to the input of a transmitter, and the control input is connected to a microcontroller. By controlling radiation frequency, the forward digital frequency synthesiser unit enables to avoid the effect of varying parameters of the protective plate on the highest possible depth measured by the echo sounder.
EFFECT: avoiding the effect of varying parameters of the protective plate of the radiating surface of an electroacoustic transducer on the highest possible depth measured by the echo sounder by varying radiation frequency of the echo sounder.
2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к гидроакустическим системам определения глубины и может быть использовано в эхолотах с автоматическим адаптивным обнаружением эхо-сигналов от дна и измерением глубины и с ледовой защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя.The present invention relates to hydroacoustic systems for determining the depth and can be used in echo sounders with automatic adaptive detection of echo signals from the bottom and depth measurement and with ice protection of the emitting surface of the electro-acoustic transducer.

Для защиты излучающей поверхности электроакустического преобразователя эхолота в условия ледового плавания от механического повреждения колотым льдом применяются защитные звукопрозрачные пластины, способные выдержать необходимое удельное давление. Для судов классов Ice1(ЛУ1) используются защитные пластины из полимерных материалов, а для судов классов Icebreaker 6 (ЛЛ6).... Icebreaker 9 (ЛЛ9) ЛУ9 - из металлов (алюминий, титан, сталь), которые должны выдерживать удельное давление до 100 кг/см2 [1].To protect the radiating surface of the sonar transducer in the conditions of ice navigation from mechanical damage by crushed ice, protective soundproof plates are used that can withstand the required specific pressure. For ships of classes Ice1 (LU1) protective plates are used from polymer materials, and for ships of classes Icebreaker 6 (LL6) .... Icebreaker 9 (LL9) LU9 - from metals (aluminum, titanium, steel), which must withstand specific pressure up to 100 kg / cm 2 [1].

Защитная пластина представляет собой перегородку, сопротивление которой отличается от акустических сопротивлений двух сред, разделяемых ею, причем ее акустическое сопротивление больше акустического сопротивления среды, в которой она находиться.The protective plate is a partition whose resistance is different from the acoustic impedances of two media shared by it, and its acoustic impedance is greater than the acoustic impedance of the medium in which it resides.

Наилучшее прохождение звука через перегородку возможно, т.е. коэффициент пропускания акустических волн равен 1, в том случае, если в ее толщине h укладывается целое число полуволн λ/2, т.е. при условии, что h=n·λ/2 (n=1, 2, 3,…) [2], [3]. Коэффициент пропускания акустических волн τ(f) определяется [2]The best passage of sound through the partition is possible, i.e. the transmittance of acoustic waves is 1, in the case when an integer number of half-waves λ / 2 fits into its thickness h, i.e. provided that h = n · λ / 2 (n = 1, 2, 3, ...) [2], [3]. The transmittance of acoustic waves τ (f) is determined [2]

τ ( f ) = 1 ( K p ( f ) ) 2 ,                             ( 1 )

Figure 00000001
τ ( f ) = one - ( K p ( f ) ) 2 , ( one )
Figure 00000001

гдеWhere

K p ( f ) = ( R 1 / R 2 ) ( R 2 / R 1 ) [ ( R 1 R 2 + R 2 R 1 ) 2 + 4 [ c t g ( 2 π h λ ) ] 2 ]

Figure 00000002
, K p ( f ) = ( R one / R 2 ) - ( R 2 / R one ) [ ( R one R 2 + R 2 R one ) 2 + four [ c t g ( 2 π h λ ) ] 2 ]
Figure 00000002
,

λ=c2/fu,λ = c 2 / f u ,

fu - частота излучения,f u - radiation frequency,

R11c1 - акустическое сопротивление среды (воды), ρ1, c1, удельная плотность и скорость звука в воде, соответственно.R 1 = ρ 1 c 1 - acoustic resistance of the medium (water), ρ 1 , c 1 , specific gravity and speed of sound in water, respectively.

R22c2 - акустическое сопротивление материала перегородки (защитной пластины), ρ2, c2 удельная плотность и скорость звука в материале защитной пластины, соответственно.R 2 = ρ 2 c 2 - acoustic resistance of the material of the partition (protective plate), ρ 2 , c 2 specific gravity and speed of sound in the material of the protective plate, respectively.

Защитная пластина оказывается звуконепроницаемой, т.е. коэффициент пропускания акустических волн близок к нулю, если в ее толщине укладывается нечетное число четвертей длин волн.The protective plate is soundproof, i.e. the transmittance of acoustic waves is close to zero if an odd number of quarters of wavelengths fit into its thickness.

Если защитная пластина имеет толщину меньше полуволны, то прохождение звука через нее улучшается с уменьшением ее толщины. Следует учитывать, что с увеличением удельной плотности материала, из которого изготовлена защитная пластина, уменьшается ширина полосы частот, в которой коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину близок к 1. При фиксированной толщине защитной пластины с изменением скорости звука в материале (например, из-за изменения температуры окружающей среды), из которого изготовлена защитная пластина, изменяется центральная частота, на которой коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину равен единице. Таким образом защитная пластина является узкополосным фильтром для акустических волн, и чем выше акустическое сопротивление (произведение удельной плотности на скорость звука) материала, из которого изготовлена защитная пластина в сравнении с акустическим сопротивлением воды, тем уже полоса пропускания акустических волн и тем сильнее зависимость положения центральной частоты от скорость звука с материале пластины и ее толщины. В процессе эксплуатации скорость звука в материале пластины изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, также толщина пластины может изменяться. Эти изменения приводят к уменьшению коэффициента пропускания акустических волн через защитную пластину, а следовательно и уменьшению максимально измеряемой глубины эхолотом. Отметим, что защитные пластины выполнены из поликарбоната, имеют меньшее акустическое сопротивление, произведение (ρ·c), чем металлы, поэтому их полоса пропускания акустических волн шире, чем у любого из металлов, однако металлы обладают большей механической прочностью.If the protective plate has a thickness less than half a wave, then the transmission of sound through it improves with a decrease in its thickness. It should be noted that with an increase in the specific density of the material of which the protective plate is made, the frequency bandwidth decreases in which the transmittance of acoustic waves through the protective plate is close to 1. For a fixed thickness of the protective plate with a change in the speed of sound in the material (for example, due to changes in the ambient temperature) of which the protective plate is made, the central frequency changes at which the transmittance of acoustic waves through the protective plate is equal to units . Thus, the protective plate is a narrow-band filter for acoustic waves, and the higher the acoustic resistance (product of specific gravity and sound velocity) of the material of which the protective plate is made in comparison with the acoustic resistance of water, the narrower the transmission band of acoustic waves and the stronger the dependence of the central position frequencies of the speed of sound with the material of the plate and its thickness. During operation, the speed of sound in the material of the plate changes depending on the ambient temperature, and the thickness of the plate can also change. These changes lead to a decrease in the transmittance of acoustic waves through the protective plate, and therefore to a decrease in the maximum measured depth with an echo sounder. Note that the protective plates are made of polycarbonate, have a lower acoustic impedance, the product (ρ · c), than metals, so their acoustic wavelength bandwidth is wider than that of any of the metals, but the metals have greater mechanical strength.

Классическим примером эхолота с ледовой защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя является навигационный эхолот EN 250 Navigation Echo Sounder норвежского производства (SIMRAD, Kongsberg Maritime AS) [4]. Излучающая поверхности электроакустического преобразователя защищена в этой конструкции пластиной из поликарбоната.A classic example of an echo sounder with ice protection for the emitting surface of an electro-acoustic transducer is the Norwegian-made navigation sounder EN 250 Navigation Echo Sounder (SIMRAD, Kongsberg Maritime AS) [4]. The radiating surface of the electro-acoustic transducer is protected in this design by a polycarbonate plate.

Норвежская фирма SKIPPER производит навигационный эхолот GDS 101 [5]. Он имеет те же характеристики, что и EN250. Для защиты излучающей поверхности электроакустического преобразователя возможна установка его в специальный танк ледового исполнения (ice protection Tank). К танку дополнительно монтируется защитная пластина. Сам танк при этом устанавливается путем врезки в корпус днища. В эхолотах EN 250, GDS 101 частота излучения постоянна и не зависит от изменяющихся в процессе эксплуатации эхолота свойств защитной пластины излучающей поверхности электроакустического преобразователя.The Norwegian company SKIPPER produces a navigation sonar GDS 101 [5]. It has the same specifications as EN250. To protect the radiating surface of the electro-acoustic transducer, it can be installed in a special tank of ice execution (ice protection Tank). A protective plate is additionally mounted to the tank. The tank itself is installed by inserting into the bottom of the tank. In the echo sounders EN 250, GDS 101, the radiation frequency is constant and does not depend on the properties of the protective plate of the emitting surface of the electro-acoustic transducer changing during operation of the echo sounder.

В известном эхолоте [6], содержащем синхронизатор, генератор импульсов, пьезовибратор, усилитель, детектор, пороговое устройство, блок индикации, устройство измерения временных интервалов, блок автоматической регулировки усиления (ВАРУ), блок ВАРУ позволяет стационаризировать амплитуду эхо-сигналов, изменяющуюся с глубиной. Однако частота излучения является постоянной, поэтому при использовании его с защитной пластиной излучающей поверхности электроакустического преобразователя, максимальная измеряемая глубина, определяемая частотой излучения, будет зависеть от физических параметров защитной пластины - толщины, удельной плотности, скорости звука в защитной пластине.In the known echo sounder [6], which contains a synchronizer, a pulse generator, a piezoelectric vibrator, an amplifier, a detector, a threshold device, an indication unit, a time interval measuring device, an automatic gain control unit (VARU), a VARU unit allows stationary the amplitude of the echo signals, which varies with depth . However, the radiation frequency is constant, therefore, when used with a protective plate of the radiating surface of the electro-acoustic transducer, the maximum measured depth, determined by the radiation frequency, will depend on the physical parameters of the protective plate - thickness, specific gravity, sound velocity in the protective plate.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому эхолоту является "Эхолот", описанный в патенте [7], который содержит микроконтроллер, дисплей, передатчик, аналого-цифровой преобразователь, приемник, электроакустический преобразователь, блок ВАРУ.The closest set of features to the proposed echo sounder is the "Echo sounder" described in the patent [7], which contains a microcontroller, a display, a transmitter, an analog-to-digital converter, a receiver, an electro-acoustic transducer, a VARU unit.

Этот "Эхолот" периодически излучает зондирующие импульсы и поддерживает амплитуду эхо-сигнала в диапазоне, обеспечивающее максимальное соотношение сигнал/помеха для конкретной глубины путем ступенчатого излучения мощности и выбора минимально необходимого коэффициента усиления приемника, а также автоматически определяет начала эхо-сигнала от дна.This "Fishfinder" periodically emits sounding pulses and maintains the amplitude of the echo signal in the range, providing the maximum signal to noise ratio for a specific depth by stepwise radiation of power and selecting the minimum necessary gain of the receiver, and also automatically determines the beginning of the echo signal from the bottom.

Однако в процессе эксплуатации при работе эхолота через защитную пластину этого не достаточно для обеспечения измерения максимально возможной глубины.However, during operation during operation of the echo sounder through the protective plate, this is not enough to ensure measurement of the maximum possible depth.

В этом случае максимальная измеряемая глубина эхолотом будет зависеть от физических свойств материала защитной пластины - толщины и скорости звука в материале защитной пластины, т.к. в (1) ρ1, ρ2 являются постоянными величинами; h, c1, c2 - переменными, управлять которыми невозможно. Таким образом недостатком эхолота [7] является невозможность обеспечить измерение максимально возможной глубину из-за изменения физических параметров защитной пластины в процессе его работы, влияющих на значение частоты излучения, на которой коэффициент пропускания акустических волн τ(f) близок к единице.In this case, the maximum measured depth with an echo sounder will depend on the physical properties of the material of the protective plate - the thickness and speed of sound in the material of the protective plate, because in (1), ρ1, ρ2 are constant values; h, c1, c2 - variables that cannot be controlled. Thus, the disadvantage of the echo sounder [7] is the inability to measure the maximum possible depth due to changes in the physical parameters of the protective plate during its operation, which affect the value of the radiation frequency at which the transmittance of acoustic waves τ (f) is close to unity.

Задачей изобретения является исключение влияния изменяющихся параметров на максимально возможную глубину, измеряемую эхолотом.The objective of the invention is to eliminate the influence of changing parameters on the maximum possible depth, measured by an echo sounder.

Техническим результатом изобретения является компенсация изменения эксплуатационных параметров эхолота настройкой частоты излучения fu в автоматическом режиме.The technical result of the invention is the compensation of changes in operating parameters of the echo sounder by adjusting the radiation frequency f u in the automatic mode.

Для обеспечения указанного технического результата эхолот с ледовой защитой выполнен содержащим последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь, подключенный к передатчику и приемнику, также содержащим дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а передатчик выполнен со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, приемник выполнен с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, также содержащим блок прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру, при этом электроакустический преобразователь установлен внутри корпуса судна в защитном танке, заполненном водой, скрепленном с днищем судна, и отделенным от внешней среды защитной пластиной.To ensure the specified technical result, the echo sounder with ice protection is made up of a microcontroller, a transmitter, a receiver, and an analog-to-digital converter, the output of which is connected to a microcontroller, as well as an electro-acoustic transducer connected to a transmitter and a receiver, also containing a display, the input of which is connected to the microcontroller , and a block of temporary automatic gain control, the input of which is connected to the microcontroller, and the transmitter is made with a step p by adjusting the power, the adjustment input of which is connected to the microcontroller, the receiver is made with two gain control inputs, the first adjustment input, which provides step-by-step gain control, is connected to the microcontroller, and the second adjustment input is connected to the output of the temporary automatic gain control block, also containing a direct digital synthesizer block frequency, the output of which is connected to the input of the transmitter, and the control input is connected to the microcontroller, while the electro-acoustic transducer installed inside the ship's hull in the protective tank filled with water, secured to the bottom of the vessel and separated from the environment protection plate.

Новыми признаками в предложенном эхолоте является введение в эхолот блока прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру. Это позволяет осуществлять прямое управление частотой излучения, компенсирующее ее уход, обусловленный изменением физических параметров защитной пластины в процессе эксплуатации эхолота. Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг.1 и фиг.2, где на фиг 1 приведена блок-схема заявленного эхолота, а на фиг 2 - пример установки электроакустического преобразователя относительно днища судна.New features in the proposed echo sounder is the introduction of a direct digital frequency synthesizer into the echo sounder, the output of which is connected to the transmitter input, and the control input is connected to the microcontroller. This allows direct control of the radiation frequency to compensate for its departure due to changes in the physical parameters of the protective plate during operation of the echo sounder. The essence of the invention is shown in FIG. 1 and FIG. 2, where FIG. 1 is a block diagram of a declared echo sounder, and FIG. 2 is an example of installing an electro-acoustic transducer relative to the bottom of a vessel.

Микроконтроллер 1 имеет пять выходов и один вход. К первому выходу микроконтроллера подключен вход дисплея 6, ко второму - вход блока временной автоматической регулировки усиления 7, к третьему - вход ступенчатой регулировки усиления приемника 3, к четвертому - вход управления мощность излучения передатчика 2, к пятому - вход управления выбора частоты прямого цифрового синтезатора частоты 8, выход которого соединен с входом передатчика 2. К входу микроконтроллера 1 подключен выход аналого-цифрового преобразователя 4. Выход блока временной автоматической регулировки усиления 7 подключен к входу регулировки усиления приемника 3, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя 4. Выход передатчика 2 подключен к входам приемника 3 и электроакустического преобразователя 5.Microcontroller 1 has five outputs and one input. The display input 6 is connected to the first output of the microcontroller, the input of the temporary automatic gain control unit 7 is connected to the second, the gain of the receiver 3 is adjusted stepwise to the third, the transmitter radiation power control input is 2, and the direct digital synthesizer frequency control input is fifth frequency 8, the output of which is connected to the input of the transmitter 2. To the input of the microcontroller 1 is connected the output of an analog-to-digital converter 4. The output of the temporary automatic gain control unit 7 is connected to Ode to control the gain of the receiver 3, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter unit 4. The output of the transmitter 2 is connected to the inputs of the receiver 3 and the electro-acoustic transducer 5.

Электроакустический преобразователь 5 установлен в танк 9, который заполнен жидкой средой - водой 10. Танк 9 закреплен в днище судна 12 и закрыт защитной пластиной 11, которая контактирует с забортной водой 10.The electro-acoustic transducer 5 is installed in a tank 9, which is filled with a liquid medium - water 10. Tank 9 is fixed in the bottom of the vessel 12 and is closed by a protective plate 11, which is in contact with sea water 10.

Известно, что при скорости продольных волн в стали в зависимости от ее марки изменяется от 5680 м/с до 6100 м/с и линейно зависит от температуры [8]. Также известно, что коэффициент пропускания акустических волн пластины равен 1, в том случае, если в ее толщине h укладывается целое число полуволн λ/2, т.е. при условии, что h=n·λ/2, (n=1, 2, 3,…) [2].It is known that at the speed of longitudinal waves in steel, depending on its grade, it varies from 5680 m / s to 6100 m / s and linearly depends on temperature [8]. It is also known that the transmittance of acoustic waves of a plate is equal to 1, if an integer number of half-waves λ / 2 fits into its thickness h, i.e. provided that h = n · λ / 2, (n = 1, 2, 3, ...) [2].

Исключить влияние изменения скорости звука в материале защитной пластины из-за изменения температуры окружающей среды и ее толщины на коэффициент пропускания акустических волн пластины можно путем изменения частоты излучения, которое автоматически компенсирует изменения скорости звука в материале защитной пластины из-за изменения температуры окружающей среды и ее толщины. Изменения скорости звука в воде из-за изменения температуры очень незначительно влияют на коэффициент пропускания акустических волн пластины, поэтому оно не рассматривается. Также изменения удельной плотности воды и материала пластины из-за изменения температуры очень незначительно влияют на коэффициент пропускания акустических волн пластины, поэтому они тоже не рассматривается.The influence of changes in the speed of sound in the material of the protective plate due to changes in ambient temperature and its thickness on the transmittance of acoustic waves of the plate can be eliminated by changing the frequency of radiation, which automatically compensates for changes in the speed of sound in the material of the protective plate due to changes in the ambient temperature and its thickness. Changes in the speed of sound in water due to changes in temperature have very little effect on the transmittance of the acoustic waves of the plate, so it is not considered. Also, changes in the specific gravity of water and plate material due to temperature changes have very little effect on the transmittance of the acoustic waves of the plate, therefore they are also not considered.

И так согласно (1) для компенсации уменьшения скорости звука в материале защитной пластины частота излучения должна уменьшаться, а с уменьшением толщины защитной пластины частота излучения должна увеличиваться.And so, according to (1), to compensate for the decrease in the speed of sound in the material of the protective plate, the radiation frequency should decrease, and with a decrease in the thickness of the protective plate, the radiation frequency should increase.

Предлагаемый эхолот работает следующим образом.The proposed echo sounder works as follows.

Изначальная частота излучения эхолота fu является константой, устанавливается микроконтроллером МК 1, исходя из априорно известных скорости звука Спл в материале защитной пластины и ее толщины hThe initial radiation frequency of the echo sounder f u is constant, set by the microcontroller MK 1, based on the a priori known speed of sound C PL in the material of the protective plate and its thickness h

f u = С п л 2 · h

Figure 00000003
, f u = FROM P l 2 · h
Figure 00000003
,

при этом fu должна быть приблизительно равна центральной частоте полосы пропускания в излучении электроакустического преобразователя эхолота.wherein f u should be approximately equal to the center frequency of the passband in the radiation of the sonar transducer.

В начальный момент времени, то есть в момент запуска работы эхолота, микроконтроллер МК 1 устанавливает путем программирования блока 8 прямого цифрового синтезатора частоты DDS частоту излучения, равную fu, которая поступает на вход передатчика 2, среднее значение коэффициента усиления в приемнике 3 по первому входу регулировки усиления и среднее значение излучаемой мощности в передатчике 2 по входу регулировки мощности, также минимальное значение коэффициента усиления по второму входу регулировки, определяемое блоком временной автоматической регулировки усиления ВАРУ 7. Затем блок МК 1 запускает блок ВАРУ 7 синхронно с излучением зондирующего импульса передатчиком через электроакустический преобразователь ЭАП 5 в среду. Блок ВАРУ 7 пропорционально уменьшению амплитуды эхо-сигнала, вследствие пространственного затухания, увеличивает коэффициент усиления приемника 3 по второму входу регулировки усиления приемника 3, тем самым стационаризируется уровень эхо-сигнала в пределах действия динамического диапазона ВАРУ 7 [9].At the initial moment of time, that is, at the time the echo sounder starts, the microcontroller MK 1 sets, by programming block 8 of the direct digital frequency synthesizer DDS, the radiation frequency equal to f u , which is fed to the input of transmitter 2, the average value of the gain in receiver 3 at the first input gain control and the average value of the radiated power in the transmitter 2 at the input of the power control, also the minimum value of the gain at the second control input, determined by the time control unit eskoy STC gain control unit 7. Then, the MC 1 starts TVG unit 7 in synchronization with emission of the probe pulse through a transmitter electroacoustic transducer EMAT 5 Wednesday. The VARU 7 unit is proportional to the decrease in the amplitude of the echo signal, due to spatial attenuation, increases the gain of the receiver 3 at the second input of the gain control of the receiver 3, thereby the echo level is stationary within the dynamic range of the VARU 7 [9].

Принятый эхо-сигнал со сжатым под действием ВАРУ 7 динамическим диапазоном с выхода приемника 3 оцифровывается аналого-цифровым преобразователем АЦП 4 и вводится в блок МК 1 в виде массива последовательных отсчетов. В блоке МК 1 из него выделяется ряд отсчетов, составляющих эхо-сигнал от дна. Затем блок МК 1 определяет из этого ряда отсчет, соответствующий максимальной амплитуде эхо-сигнала Am, и сравнивает его с двумя величинами Ан - нижний порог и Ав - верхний порог [7].The received echo signal with the dynamic range compressed by the action of the Varu 7 from the output of the receiver 3 is digitized by an analog-to-digital converter ADC 4 and is entered into the MK 1 unit as an array of sequential samples. In block MK 1, a number of samples are distinguished from it, making up an echo signal from the bottom. Then block MK 1 determines from this series a reference corresponding to the maximum amplitude of the echo signal Am, and compares it with two values of А n - the lower threshold and А в - the upper threshold [7].

Далее, если Amн, то блок МК 1 в последующих циклах излучение-прием вначале увеличивает мощность излучения до максимальной, а только затем коэффициент усиления приемника 3 (чтобы не увеличивать уровень шума на выходе приемника), до тех пор, пока не будет выполняться условие Ан<Am≤Ав.Further, if A m <A n , then the MK 1 block in subsequent radiation-reception cycles first increases the radiation power to maximum, and only then the gain of receiver 3 (so as not to increase the noise level at the output of the receiver), until the condition And n <A m ≤A in .

Если же мощность излучения и коэффициент усиления максимальны, а Amн, то в последующих циклах излучение-прием МК производит регулировку частоты излучения - вначале увеличивает частоту излучения, а затем уменьшает ее до выполнения условия Ан<Am.If the radiation power and gain are maximum, and A m <A n , then in subsequent cycles the radiation-reception of the MC adjusts the radiation frequency - first, it increases the radiation frequency, and then reduces it to the condition A n <A m .

Диапазон изменения частоты излучения δf в блоке DDS 8 определяется какThe range of variation of the radiation frequency δf in block DDS 8 is defined as

f u ± δ f = ( С п л ± δ С п л ) / ( h ± δ h ) ,                               ( 2 )

Figure 00000004
f u ± δ f = ( FROM P l ± δ FROM P l ) / ( h ± δ h ) , ( 2 )
Figure 00000004

где δСпл - максимальное отклонение скорости звука в материале пластины с учетом изменения температуры и старения материала пластины от начального значения Спл where δС PL - the maximum deviation of the speed of sound in the plate material, taking into account changes in temperature and aging of the plate material from the initial value С PL

δh - допуск изготовления на толщину защитной пластины.δh - manufacturing tolerance on the thickness of the protective plate.

В (2) знаки следует выбирать разнонаправленно для вычисления максимального значения δf, при этом следует учитывать, что полоса пропускания антенны эхолота в приеме и излучении должна быть больше δf.In (2), the signs should be chosen in different directions to calculate the maximum value of δf, while it should be borne in mind that the passband of the echo sounder antenna in reception and radiation should be greater than δf.

Шаг изменения при регулировании частоты излучения в блоке DDS 8 не следует выбирать малым, т.к. это приведет к увеличению времени регулирования частоты излучения, и не следует выбирать большим, т.к. это может привести к пропуску значения частоты излучения, соответствующей максимальному значению коэффициент пропускания акустических волн защитной пластины и также к уменьшению максимально возможной измеряемой глубины.The change step when controlling the radiation frequency in the DDS 8 unit should not be chosen small, because this will lead to an increase in the regulation time of the radiation frequency, and should not be chosen large, because this can lead to the omission of the radiation frequency value corresponding to the maximum value of the transmittance of the acoustic waves of the protective plate and also to a decrease in the maximum possible measured depth.

Шаг изменения при регулировании частоты излучения в блоке DDS 8 следует выбирать из условия, чтобы графики частотной зависимости коэффициента пропускания акустических волн пластины, построенные по (1) для двух соседних значений частоты, перекрывались по уровню 0,975 или же графики коэффициента пропускания акустических волн строились для двух толщин пластины или значений скорости звука в ней, которые отличаются на значение погрешности их измерения.The step of change when adjusting the radiation frequency in the DDS 8 unit should be chosen from the condition that the frequency dependence of the acoustic wave transmittance graphs of the plate, constructed according to (1) for two adjacent frequency values, overlap at the level of 0.975 or the acoustic wave transmittance graphs are built for two thickness of the plate or values of the speed of sound in it, which differ by the value of the error of their measurement.

Отметим, что в каждом цикле излучение-прием блок МК 1 производит обнаружение эхо-сигнала от дна по алгоритму, описанному в патенте [7] и вычисление глубины и вывод числового значение глубины на дисплей 6. Выбор ступеней излучаемой мощности и значений коэффициента усиления для уменьшения времени выполнения условия Ан<Am≤Ав, например, можно вычислять методом наискорейшего спуска.Note that in each radiation-receive cycle, MK 1 detects the echo from the bottom according to the algorithm described in the patent [7] and calculates the depth and displays the numerical value of the depth on the display 6. The choice of the steps of the radiated power and gain values to reduce run time condition A n <A m ≤ A in , for example, can be calculated by the method of steepest descent.

Затем начинается новый цикл излучение-прием, в котором описанные процедуры обнаружения эхо-сигнала от дна, установления его амплитуды, вычисления глубины и вывод ее на дисплей 6 повторяются, при этом используется установленная выше частота излучения, если Ан<Am.Then a new radiation-reception cycle begins, in which the described procedures for detecting an echo from the bottom, establishing its amplitude, calculating the depth and displaying it on display 6 are repeated, using the radiation frequency set above if A n <A m .

Таким образом, изменяя частоту излучения в блоке DDS 8, блок МК 1 поддерживает коэффициент пропускания акустических волн через защитную пластину, близким к 1, и тем самым обеспечивает измерение максимально возможной глубины эхолотом.Thus, by changing the frequency of radiation in the DDS 8 unit, the MK 1 unit maintains the transmittance of acoustic waves through the protective plate close to 1, and thereby provides the measurement of the maximum possible depth with an echo sounder.

Для практического выполнения эхолота в качестве микроконтроллера может быть применен микроконтроллер EPI-QM57 фирмы "Avalue" - одноплатный компьютер формата EPIC промышленного исполнения на основе процессоре i7-620LE фирмы Intel с набором интерфейсов и встроенным электронным Flash-диском для хранения программного обеспечения эхолота.For practical implementation of the echo sounder, the Avalue EPI-QM57 microcontroller can be used as a microcontroller - a single-board EPIC computer of industrial design based on the Intel i7-620LE processor with a set of interfaces and an integrated electronic Flash disk for storing the echo sounder software.

В качестве передатчика может быть использован импульсный усилитель, собранный по мостовой схеме, причем путем изменения напряжения питания мостового выходного каскада можно изменять излучаемую мощность передатчика от 1 Вт до 200 Вт ступенями через 6 дБ; изменением напряжения питания выходного каскада должен управлять МК 4-разрядным параллельным кодом.As a transmitter, a pulse amplifier assembled according to a bridge circuit can be used, and by changing the supply voltage of the bridge output stage, the emitted transmitter power can be changed from 1 W to 200 W in steps of 6 dB; by changing the supply voltage of the output stage, the MK must control the 4-bit parallel code.

В качестве приемника может применяться усилитель на основе ИМС AD600 - усилителя с коэффициентом усиления, изменяемым напряжением, в диапазоне от 0 до 80 дБ, что должен обеспечивать блок ВАРУ 7, и ИМС AD7945 - перемножающем цифроаналоговом преобразователе, который может изменять ступенчато коэффициент усиления приемника от 0 до 48 дБ через 3 дБ под действием 8-разрядного кода поступающего от МК.As a receiver, an amplifier can be used based on the AD600 IC - an amplifier with a voltage-varying gain in the range from 0 to 80 dB, which should be provided by the VARU 7 unit, and the AD7945 IC - a digital-to-analog converter that can stepwise change the receiver gain from 0 to 48 dB after 3 dB under the influence of an 8-bit code coming from the MK.

В качестве дисплея может использоваться ЖКИ-монитор с VGA интерфейсом.An LCD monitor with a VGA interface can be used as a display.

В качестве АЦП 4 может использоваться ИМС AD7892-2-12-разрядное АЦП с параллельным интерфейсом и быстродействием 1,6 мкс.As an ADC 4, an AD7892-2-12-bit ADC with a parallel interface and a speed of 1.6 μs can be used.

ВАРУ 7 может быть реализована на основе счетчика, синхронизацию которого должен осуществлять МК, перебирающего последовательно адреса ПЗУ, в котором записан закон ВАРУ; выходы ПЗУ должны быть соединены с цифроаналоговым преобразователем, который, собственно, и формирует изменяющееся во времени напряжение ВАРУ от 0 до 2,5 В, управляющее коэффициентом усиления приемника.VARU 7 can be implemented on the basis of a counter, the synchronization of which should be carried out by MK, sorting through the addresses of ROM in which the law of VARU is written; the ROM outputs must be connected to a digital-to-analog converter, which, in fact, generates a voltage-varying VARU from 0 to 2.5 V, which controls the gain of the receiver.

Блок 8 прямого цифрового синтезатора частоты DDS [10] может быть реализована на основе микросхемы [11] фирмы ANALOG DEVICES AD9951 - с 32 разрядным фазовым аккумулятором, с выходным 14 разрядным ЦАП и 400 Мгц тактовой частотой и разрешением по частоте 0.093 Гц. Значение выходной частоты fu вычисляется по формулеBlock 8 of the DDS direct digital frequency synthesizer [10] can be implemented on the basis of ANALOG DEVICES AD9951 chip [11] - with a 32-bit phase battery, an output 14-bit DAC and 400 MHz clock frequency and a frequency resolution of 0.093 Hz. The value of the output frequency f u is calculated by the formula

f u = N · f c 2 32

Figure 00000005
, f u = N · f c 2 32
Figure 00000005
,

где N - двоичный код частоты;where N is the binary frequency code;

fc - тактовая частота, 400 мГц или менее.f c is a clock frequency of 400 MHz or less.

Блок МК 1 на управляющем входе DDS 8 устанавливает код выбора частоты - N и в течение длительности зондирующего импульса разрешает блоку DDS 8 генерировать синусоидальное напряжение частоты fu. Block MK 1 at the control input of DDS 8 sets the frequency selection code - N and during the duration of the probe pulse allows the block DDS 8 to generate a sinusoidal voltage of frequency f u.

Микросхема прямого цифрового синтезатора частоты (DDS) AD9951 формирует на выходе синусоидальное напряжение с возможностью программного управления его амплитуды и максимальным разрешением 0,093 Гц.The AD9951 direct digital frequency synthesizer (DDS) microcircuit generates a sinusoidal voltage at the output with the possibility of programmed control of its amplitude and a maximum resolution of 0.093 Hz.

Применение настройки частоты излучения в процессе работы эхолота с защитой излучающей поверхности электроакустического преобразователя позволяет максимально полно использовать его энергетический потенциал и тем самым обеспечивает измерение максимально возможной глубины эхолотом.The use of the radiation frequency setting during the operation of the echo sounder with the protection of the emitting surface of the electro-acoustic transducer allows its energy potential to be used to the fullest extent and thereby ensures the measurement of the maximum possible depth by the echo sounder.

Предлагаемый эхолот полностью автоматический и не требует участия оператора в работе. Достоинством описанного эхолота является также возможность записи в электронном виде информации об измеренных глубинах в координатах глубина-пройденный путь для последующего точного воспроизведения на дисплее для анализа.The proposed echo sounder is fully automatic and does not require operator intervention. The advantage of the described echo sounder is also the ability to record in electronic form information about the measured depths in the coordinates of the depth-distance traveled for subsequent accurate reproduction on the display for analysis.

Повышенная точность измерения глубины и автоматический режим работы в сочетании с возможностью привязки измеренных глубин к географическим координатам и времени, получаемым от приемника системы GPS, позволяют использовать его в качестве навигационного эхолота на судах ледового класса и там, где необходима механическая защита электроакустического преобразователя эхолота.The increased accuracy of depth measurement and the automatic mode of operation, combined with the possibility of linking the measured depths to the geographical coordinates and time received from the GPS receiver, make it possible to use it as a navigation echo sounder on ice class vessels and where mechanical protection of the sonar transducer is necessary.

Список использованных источников информации.List of used information sources.

1. Апполонов Е.М. и др. Расчет ледовой нагрузки на днище ледокола на предельном мелководье. Труды ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, 2011 г. номер 63, стр.5…10.1. Appolonov E.M. et al. Calculation of ice load on the icebreaker bottom in extreme shallow water. Proceedings of the Central Research Institute. Academician A.N. Krylova, 2011, number 63, p. 5 ... 10.

2. Федоров И.И. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения. Книга 4, Л.: 1960 г., стр.67…71.2. Fedorov I.I. Echo sounders and other sonar products. Shipbuilding Course. Book 4, L .: 1960, p. 67 ... 71.

3. Шендоров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. Л. 1972 г., стр.213…216.3. Shendorov E.L. Wave tasks of hydroacoustics. L. 1972, pp. 213 ... 216.

4. www.simrad.com / 164241ac_EN250_product_specific_lr.pdf.4. www.simrad.com / 164241ac_EN250_product_specific_lr.pdf.

5. www.skipper.no / GDS101_brochure.pdf.5. www.skipper.no / GDS101_brochure.pdf.

6. Эхолот. Патент РФ №2123191 от 1998.12.10, м. кл. GO1S 15/00.6. Depth sounder. RF patent No. 2123191 of 1998.12.10, m. Cl. GO1S 15/00.

7. Эхолот. Патент РФ №2241242, от 31.03.2003, м. кл. GO1S 15/00.7. Depth sounder. RF patent No. 2241242, dated March 31, 2003, m. GO1S 15/00.

8. Физические величины. Справочник под редакцией И.С. Григорьева и др. М, Энергоатомиздат, 1991 г., стр148.8. Physical quantities. Handbook edited by I.S. Grigoryeva et al. M, Energoatomizdat, 1991, p. 148.

9. Кобяков Ю.С и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л., Судостроение, 1986 г., стр.141.9. Kobyakov, Yu.S. et al. Design of sonar fishing equipment. L., Shipbuilding, 1986, p. 141.

10. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям. М, РАДИО И СВЯЗЬ, 1982 г., стр.255…259.10. Gnatek Yu.R. Handbook of digital-to-analog and analog-to-digital converters. M, RADIO AND COMMUNICATION, 1982, pp. 255 ... 259.

11. www.analog.com, AD9951.pdf, стр.12.11. www.analog.com, AD9951.pdf, p. 12.

Claims (1)

Эхолот с ледовой защитой, содержащий последовательно соединенные микроконтроллер, передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микроконтроллером, а также электроакустический преобразователь подключенный к передатчику и приемнику, также содержащий дисплей, вход которого подключен к микроконтроллеру, и блок временной автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с микроконтроллером, а передатчик выполнен со ступенчатой регулировкой мощности, вход регулировки которой подключен к микроконтроллеру, приемник выполнен с двумя входами регулировки усиления, первый вход регулировки, обеспечивающий ступенчатую регулировку усиления, подключен к микроконтроллеру, а второй вход регулировки подключен к выходу блока временной автоматической регулировки усиления, также содержащий блок прямого цифрового синтезатора частоты, выход которого подключен к входу передатчика, а управляющий вход подключен к микроконтроллеру, при этом электроакустический преобразователь установлен внутри корпуса судна в защитном танке, заполненном водой, скрепленном с днищем судна и отделенным от внешней среды защитной пластиной. An ice protection sounder containing a microcontroller, a transmitter, a receiver, and an analog-to-digital converter in series, the output of which is connected to a microcontroller, as well as an electro-acoustic transducer connected to a transmitter and a receiver, also containing a display, the input of which is connected to a microcontroller, and a temporary automatic adjustment unit gain, the input of which is connected to the microcontroller, and the transmitter is made with step-by-step power control, the adjustment input of which is connected to to the microcontroller, the receiver is made with two gain control inputs, the first control input providing step-by-step gain control is connected to the microcontroller, and the second control input is connected to the output of the temporary automatic gain control unit, also containing a direct digital frequency synthesizer unit, the output of which is connected to the transmitter input and the control input is connected to the microcontroller, while the electro-acoustic transducer is installed inside the hull in a protective tank, filled m of water bonded to the bottom of the vessel and separated from the external environment by a protective plate.
RU2013105848/28A 2013-02-12 2013-02-12 Ice-protected echo sounder RU2523104C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013105848/28A RU2523104C1 (en) 2013-02-12 2013-02-12 Ice-protected echo sounder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013105848/28A RU2523104C1 (en) 2013-02-12 2013-02-12 Ice-protected echo sounder

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2523104C1 true RU2523104C1 (en) 2014-07-20

Family

ID=51217603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013105848/28A RU2523104C1 (en) 2013-02-12 2013-02-12 Ice-protected echo sounder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2523104C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1054809A1 (en) * 1981-07-06 1983-11-15 Новосибирский электротехнический институт Echo sounder
EP0340953A2 (en) * 1988-05-05 1989-11-08 Milltronics Ltd. Acoustic range finding system
RU2123191C1 (en) * 1997-07-02 1998-12-10 Акционерное общество закрытого типа "Инжиниринговое предприятие "РУБЕЖ" Echo sounder
RU2241242C1 (en) * 2003-03-31 2004-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Echo sounder
RU2267439C1 (en) * 2004-05-11 2006-01-10 Открытое акционерное общество "Мурманское морское пароходство" Ice ship
RU104328U1 (en) * 2010-11-30 2011-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) HYDROACOUSTIC DEVICE

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1054809A1 (en) * 1981-07-06 1983-11-15 Новосибирский электротехнический институт Echo sounder
EP0340953A2 (en) * 1988-05-05 1989-11-08 Milltronics Ltd. Acoustic range finding system
RU2123191C1 (en) * 1997-07-02 1998-12-10 Акционерное общество закрытого типа "Инжиниринговое предприятие "РУБЕЖ" Echo sounder
RU2241242C1 (en) * 2003-03-31 2004-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Echo sounder
RU2267439C1 (en) * 2004-05-11 2006-01-10 Открытое акционерное общество "Мурманское морское пароходство" Ice ship
RU104328U1 (en) * 2010-11-30 2011-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) HYDROACOUSTIC DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPS5855477B2 (en) sonar device
CN109029602B (en) Ultrasonic-based flow measurement method and flowmeter
US9746366B2 (en) Radar level gauging
JPS585387B2 (en) Sokdo Sokutei Souchi
RU2346295C1 (en) Active sonar
US3766518A (en) Apparatus for determining distance
RU2352909C1 (en) Method for radiolocating measurement of vessel hull vibration and device for its realisation
RU75062U1 (en) DOPPLER LOCATION SYSTEM
RU83140U1 (en) PARAMETRIC ECHO-PULSE LOCATOR
RU2523104C1 (en) Ice-protected echo sounder
RU2410650C2 (en) Method to measure level of material in reservoir
RU2599916C1 (en) Hydroacoustic probe for measuring sound speed at sea
RU2390796C1 (en) Echo sounder
RU75060U1 (en) ACOUSTIC LOCATION SYSTEM OF NEAR ACTION
RU2510608C1 (en) Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle
RU166051U1 (en) CORRELATION LAG
RU171822U1 (en) On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir
RU2545065C2 (en) Method to measure acoustic speed in water
RU2721307C1 (en) Acoustic method and apparatus for measuring sea-wave parameters
Karaki et al. Dual channel stream monitor
JP7242243B2 (en) Distance/speed measuring device and distance/speed measuring program
RU168083U1 (en) ACOUSTIC WAVE GRAPH
RU2452977C1 (en) Method of measuring distance to monitored facility
RU2801053C1 (en) Acoustic method for measuring motion parameters of the layered marine environment
RU2376612C1 (en) Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner