Измеритель частоты гидроакустического доплеровского лага

 

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано для определения частоты заполнения импульсно-модулированных колебаний. Цель изобретения - повышение точности измерений . Измеритель частоты гидроакустического до плеровского лага содержит входную шину 1, блок 2 управления, детектор 3, опорный генератор 4, счетчик 5 периодов опорной частоты, счетчик 6 периодов измеряемой частоты и элемент И 11. Введение ограничителя 7, инвертора 8, триггеров 9 и 10, элемента И 12 и управляющего блока 13 деления позволило повысить точность за счет измерения частоты заполнения только в пределах строба, составляющего свободную от частотных искажений часть радиоимпульса. 1 з.п.ф-лы. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 R 23/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО (306PETEKMRM И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4699484/21 (22) 31,05.89 (46) 23.12.91. бюл. М 47 (72) С.Т. Барась, В,А. Мельник, А.П. Мартынюк и А.П. Кушнир (53) 621.317.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 773513, кл. G 01 R 23/10, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 940079, кл, G 01 R 23/00, 1982, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА (57) Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано для определения частоты заполнения им„„SU „„1700492 А1 пульсно-модулированных колебаний. Цель изобретения — повышение точности измерений. Измеритель частоты гидроакустического доплеровского лага содержит входную шину 1, блок 2 управления, детектор 3, опорный генератор 4, счетчик 5 периодов опорной частоты, счетчик 6 периодов измеряемой частоты и элемент И

11. Введение ограничителя 7, инвертора 8, триггеров 9 и 10, элемента И 12 и управляющего блока 13 деления позволило повысить точность за счет измерения частоты заполнения только в пределах строба, составляющего свободную от частотных искажений часть радиоимпульса. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1700492 дом БУ 2.

Изобретение относится к области радиоизмерений и может бь ть использовано для определения частоты заполнения им° пульсно-модулированных колебаний.

Целью изобретения является повышение точности измерения частоты, Нэ фиг. 1 представлена структурная схема измерителя; на фиг, 2 — структурная схема блока управления; на фиг,3 — 6- принцип работы измерителя; на фиг, 7 — укрупненная блок-схема алгоритма функционирования управляющего блока деления.

Измеритель частоты гидроэкустического доплеровского лага (фиг, 1) содержит первую входную шину 1, блок 2 управления, детектор 3, опорный генератор 4, счетчик 5 периодов опорной частоты, счетчик 6 периодов измеряемой частоты, ограничитель 7, инвертор 8, триггеры 9 и 10, элементы И 11 и 12, управляющий блок t3 деления, вторую входную шину 14, третью входную шину,5 и выходную шину 16, Вход ограничителя 7 объединен с входной шиной 1 измерителя и входом детектора 3, а выход через элемент

И t2 подключен к счетному входу счетчика

G периодов измеряемой частоты, а также через инвертор 8 подключен к счетному входу триггера 10, выход которого соединен с вторым входом элемента И 12. Выход опорного генератора 4 соединен с вторым входом блока 2 управления и через элемент И

11 подключен к входу счетчика 5, Счетный вход триггера 9 подключен к выходу ограничителя 7, информационный вход объединен с выходом блока 2 управления и первым входом управляющего блока 13 деления, а выход обьединен с вторым входом элемента

И 11 и информационным входом триггера

10. Первый выход управляющего блока 13 деления объединен с входами обнуления счетчиков 5 и 6, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам управляющего блока 13 деления, его первый информационный выход является выходной шиной измерителя, а второй и третий информационные выходы соединены соответственно с первым и вторым информационным входами блока управления. Третий и четвертый информационные входы управляющего блока 13 деления являются соответственно второй и третьей входными шинами измерителя.

Блок 2 уп равления (фиг, 2) содержит последовательно соединенные Ilopof.GB08 устройство 17, программируемые таймеры 18 и

19, инвертор 20, причем вход 21 порогового устройства 17 и объединенные счетные входы 22 программируемых таймеров 18 и 19

55 являются соответственно первым и вторым входами блока 2 управления. Обьединенные шины 23 данных и шины 24 управления программируемых таймеров 18 и 19 являются соответственно первым и вторым информационными входами блока 2 управления, а выход 25 инвертора — выхоПринцип работы измерителя заключа-. ется в следующем.

Эхосигнал от дна моря можно представить как сумму элементарных сигналов, рассеянных отдельными участками элементами дна, облученными гидролокатором. Результирующий сигнал в каждый момент времени представляет собой сумму большого числа имеющих случайную фазу элементарных сигналов, амплитуда и доплеровские частоты которых зависят от положения каждого из рассеивателей относительно характеристики направленности (ХН) антенны и вектора скорости судна.

Предположим, что произведено излучение радиоимпульса длительностью to с частотой заполнения f/3+ под углом а в сторону морского дна, Так как ХН антенны лага имеет конечную ширину, распространение сигнала в морской среде происходит в секторе, ограниченном углами а1 и аг (фиг. 3). Озвучивание площадки морского дна начинается с точки А, так как расстояние от нее до антенны наименьшее (угол а1 < Q2), С момента to начинается формирование рассеянного эхо-сигнала (фиг, 4). По мере продвижения фронта падающего излученного сигнала от точки А до точки B суммарный эхосигнал будет определяться все возрастающим числом элементарных отражателей. Одновременно с увеличением амплитуды эхосигнала будет увеличиваться и его частота fg (для направления вектора скорости V, фиг. 3), так как растет вклад элементарных рассеянных сигналов с большими доплеровскими сдвигами

fg — = — .3л sin а, 2н (1) с

К моменту времени t< вся площадка озвучена и суммарный сигнал принимает вид сигнала с некоторой установившейся средней частотой, величина которой при данной скорости определяется углом а, Начиная с момента времени tz, совпадающего с окончанием импульса излучения, количество элементарных отражателей начинает уменьшаться, амплитуда эхосигнала падает, а частота снова растет, так как последними в формировании эхосигнала участвуют участки, озвученные под большим углом. Та1700492 (3) 25

Но

Г2, имеем

СОЗ Пг

Н о ( с 1 соз сгг соз Q1 )

Так как

Н, =гнсоза, (7) и с учетом выражения (2) окончательно

45 получим

Л t = (t — t1 ) = т, cos а

1 1 соз à2 соз а1 50 (8) При качке носителя величина интервала времени tp t1 и (t2 t3) меняется по зако- 55 ну качки, достигая наибольшей величины при положительных углах качки (нос корабля поднят для случая, представленного на фиг, 3), ким образом, на вход приемного тракта по,ступают радиоимпульсы, частота заполнения которых в начале и в конце не связана однозначно со скоростью носителя лага.

Длительности интервалов tp — t1и t2 с3связа- 5 ны с шириной ХН антенны, с углом наклона луча а, а также с качкой носителя.

Для гидроакустического лага, работающего в импульсном режиме, эффективное подавление реверберационной .помехи 10 обеспечивается при условии

Гн

1 тр =Ти + с (2) где tp — время распространения сигнала до дна; 15 à — длительность излучения;

r — наклонная дальность до дна; с — скорость звука в воде, С учетом ширины ХН антенны время распространения сигнала до точки А (tp1) и 20 до точки В (tp2) (фиг. 3) равно

Г1

tp1 = с

Г2 (4) где Q — ширина Xk антенны; г1 и ã2 — наклонные дальности до дна вдоль трассы с углами наклона соответственно а1 а1 =а — — и аг аг=а — 2). 30

Q Qi

Тогда время от начала озвучивания дна в точке А до полного заполнения в точке В определяется из разности

Г2 — Г1

> t = 1ргл — tp1 — . (5) 35 с

Интервал времени Л t соответствует интеРвалУ вРемени то-t1 (фиг. 4). ПРиkî нимая во внимание, что r1 = с оз с1 40

П ри практической реализации задачу выбора длительности интервала времени

tp t1 (t2 t3) можно упростить без потери в точности, если принять величину

cos а

1 1

= К 9

COS а COS а1 за константу. рассчитанную для наибольших углов качки, при которых требуется обеспечить измерение лагом скорости.

Тогда

Лт= (10)

Помимо описанных искажений радиосигнал до подачи на вход измерителя частоты претерпевает частотные искажения, связанные с переходными процессами в избирательных цепях приемного тракта, которые накладываются также на начальный и конечный участки эхосигнала. Остальная часть эхосигнала (за вычетом участков в начале и конце радиоимпульса) характеризуется вынужденными колебаниями, т,е. имеет частоту входного воздействия. ДлитЕЛЬНОСтЬ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ Гпп МОжЕт быть определена из выражения

1 аппп — Д Р (11) где Л F — ширина полосы пропускания приемного тракта по уровню минус 3 дБ.

Кроме этого, на отмеченных участках эхосигнала ввиду малого соотношения сигнал — помеха возможны заметные искажения частоты за счет флуктуации фазы (производной которой является частота). При малых амплитудах небольшое изменение мгновенного процесса может сопровождаться значительными кратковременными изменениями фазы и ее производной без наличия соответствующих составляющих в спектре помехи.

Таким образом, повышение точности измерения частоты заполнения радиоимпульса гидроакустического доплеровского лага может быть достигнуто эа счет измерения частоты сигнала внутри временного интервала t1 — i2 (фиг. 4), свободного от описанных частотных искажений.

Измеритель частоты гидроакустического лага работает следующим образом, Радиосигнал, частота заполнения которого подлежит измерению, по первой входной шине 1 поступает на входы ограничителя 7 сигналов и детектора 3. Детектор 3 выделяет огибающую радиосигнала, которая поступает на первый вход блока 2 управления (фиг, 2, 5а), а ограничитель 7 сигналов формирует последовательность прямоугольных импульсов заполнения радиосигнала (фиг, ба), На выходе блока 2 управления формируется положительный тельность поступает на его счетный вход через инвертор 8 (фиг, 6д), Элемент 2И 12, выполняющий также функцию электронно го ключа, открывается и счетчик 6 периодов измеряемой частоты начинает подсчет последних с задержкой на один период относительно счетчика 5 периодов опорной частотьь По окончании строб-импульса тяз элементы 2И 11 и 12 выключаются B такой

>, же последовательности и работа счетчиков

5 и 6 прекращается.

Благодаря организованной синхронизации время счетчика 5 периодов опорной частоты равно целому числу периодов измеряемой частоты.

Результаты подсчета импульсов поступают из счетчиков 5 и 6 в управляющий блок

13 деления, который определяет частоту заполнения радиоимпульса f> из выражения пн х = — Роъ (12) пь где пв — количество импульсов, подсчитанных счетчиком 6 периодов измеряемой частоты;

nb — количество импульсов, подсчитанных счетчиком 5 периодов опорной частоты;

Го> — частота опорного генератора 4.

Рассмотрим теперь работу блока 2 yr>paanevvs и формирование строб-импульса ги, Для этого обратимся к-блок-схеме алгоритма функционирования управляющего блока 13 деления (фиг. 7).

Вначале управляющий блок 13 деления формирует сигнал сброса счетчиков 5 и 6, который подается на их входы обнуления.

Затем производится чтение признака произведенного лагом излучения, который поступает по. входной шине 15. После фиксации признака производится чтение

30 строб-импульс гиЗм длительность которого меньше длительности радиосигнала на величину 2 т,, при этом его положительный перепад отстает от начала радиоимпульса на величину tg, а отрицательный перепад 5 опережает на ту же величину окончание радиоимпульса (фиг, 5г).

С первым положительным перепадом, поступающим на счетный вход триггера 9 с выхода ограничителя 7 сигналов, строб: импульс ти и переписывается на выход, триггера 9 (фиг. 6г). Элемент 2И 11, выполl няющий функцию электронного ключа, от., крывается и импульсы с выхода опорного генератора 4 поступают на счетный вход счетчика 5 периодов опорной частоты, кото рый начинает их подсчет. Триггер 10 пере, брасывается в единичное состояние на половину периода измеряемой частоты поз>ке триггера 9, так как входная последова- 2О информации о длительности излучения т а, также об установленной полосе пропускания приемного тракта Ь F с входной шины

14. Если в лаге применен приемный тракт с фиксированной полосой пропускания, то информация с ее величине может храниться в памяти управляющего блока 13 деления в виде константы.

Далее производится расчет коэффициентов К1 и Kz. Коэффициент К1 пропорционален величине тп (фиг. 5г), которая совпадает по величине с интервалом времени to-t< (фиг. 4J и характеризует начальную и конечную части радиоимпульса, подверженные частотным искажениям, Коэффициент К пропорционален величине гизм (фиг, 5г), которая совпадает по величине с временным интервалом ti — tz (фиг. 4) и характеризует ту часть радиоимпульса, частота заполнения которого свободна от описан н ых частотн ых искажений.

Частотные искажения в начале и конце рэдиоимпульса вызваны в основном двумя факторами — временем озвучивания всей облучэемой площадки h.t и длительностью переходных процессов в избирательных це1 пях приемного тракта - - — -. В связи с этим необходимо определить, который из них больше по величине для данной длительности излучения, Для этого сравнивается произведение К1/То, где То — период опорного генератора 4, с величиной - — „-. Если про1 изведение меньше, величина коэффициента

К1 принимается равной 1/h,F То, в противном случае остается без изменений, Затем производится расчет коэффициента Kz па формуле

T n 2K) То (13)

Tî

Полученные коэффициенты К1 и К загружаются в программируемые таймеры 18 и 19 соответственно блока 2 управления по шине 23 данных. Разделение загрузки по времени производится с помощью шины 24 управления, Рассмотрим работу блока 2 управления.

Огибающая радиосигнала. поступающая по входу 21 с выхода детектора 3, подается на вход порогового устройства 17. На выходе порогового устройства 17 формируется положительный строб-импульс, соответствующий превышению огибающей радиосигнала установленному пороговому напряжению

Uncs (фиг. 5а и б), Величина порогового напряжения выбирается заранее с учетом принятого в лаге соотношения сигнал-шум нэ выходе избирательных цепей приемного

1700492 тракта. Сформированный таким образом .строб-импульс подается на управляющий вход программируемого таймера 18, По положительному перепаду строб-импульса на выходе программируемого таймера 18 ус- 5 танавливается напряжение низкого уровня и начинается подсчет импульсов опорной частоты, поступающей на счетный входы таймеров на входу 22 блока 2 управления (фиг, 5в). Так как в программи- 10 руемый таймер 18 предварительно был загружен коэффициент К1, через Ьремя

t> = K> Т, на его выходе вновь установится напряжение высокого уровня, Импульс с выхода программируемого таймера 18 по- 15 дается на управляющий вход программируемого таймера 19, который начинает подсчет импульсов опорной частоты rio положительному перепаду импульса. На его выходе сформируется импульс длительно- 20 стью газ = Кг То, который через инвертор

20 подается на выход 25 блока 2 управления (фиг. 5г). Таким образом, получен импульс ти3м совпадающий с временным интервалом t1 — тг (фиг. 4), в пределах кото- 25 рого измеряется частота заполнения радиоимпульса, Управляющий блок 13 деления после загрузки коэффициентов К1, Кг и временной задержки z> читает с первого входа признак окончания измерения, После его фиксации производится чтение результатов подсчета импульсов счетчиками 5 и 6. Далее рассчитывается измеренная частота заполнения радиосигнала fx по формуле (12) и результат выдается на выходную шину 16 измерителя.

Далее управляющий блок 13 деления возвращается в начальную точку и процесс повторяется.

Таким образом, повышение точности измерения частоты заполнения радиоимпульса достигается за счет измерения частоты заполнения в пределах строба, составляющего свободную от частотных ис-,45 кажений часть радиоимпульса.

Формула изобретения

1. Измеритель частоты гидроакустического доплеровского.лага, содержащий детектор, вход которого является входом 50 измерителя, блок управления, счетчик периодов измеряемой частоты, а также последовательно соединенные опорный генератор, первый элемент И и счетчик периодов опорной частоты, при этом выход детектора подключен к первому входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в него дополнительно введены последовательно соединенные ограничитель и второй элемент И, выход которого подключен к счетному входу счетчика периодов измеряемой частоты, а также инвертор, первый и второй триггеры и управляющий блок деления, причем вход ограничителя соединен с входом детектора. а выход объединен со счетным входом пер- вого триггера и входом инвертора, выход которого подключен к счетному входу второго триггера, информационный вход первого триггера объединен с выходом блока управления и первым входом управляющего Gnoка деления, а выход подключен к второму входу первого элемента И и информацион-. ному входу второго триггера, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, первый выход управляющего блока деления объединен с входами обнуления счетчика периодов опорной частоты и счетчика периодов измеряемой частоты, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам управляющего блока делений, первый. второй и третий информационные выходы управляющего блока деления соединены соответственно с выходной шиной измерителя, первым, и вторым информационными входами блока управления, второй вход которого подключен к первому входу первого элемента И, третий и четвертый информационные входы управляющего блока деления соединены соответственно с второй и третьей входными шинами измерителя, 2. Измеритель по и. 1. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что блок управления содержит последовател ьно соединен н ые пороговое устройство, первый и второй программируемые таймеры и инвертор, выход которого является выходом блока управления, причем вход порогового устройства и объединенные счетные входы первого и второго программируемых таймеров являются соответственно первым и вторым входами блока управления, а объединенные шины данных и шины управления первого и второго программируемых таймеров являются соответственно первым и вторым информационными входами блока управления.

4 700492

1700492

D 7

Искажеегый сигнал 2 3

ПОАРЗНЫЙ СОЗНАЛ

1700492

1700492

Cocraвитель Н.Федоров

Техред М,Моргентал Корректор М,Максимишинец

Редактор Л.Гратилло

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина. 101

Заказ 4465 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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