RU2081434C1 - Receiver of sonar ranging system - Google Patents

Abstract

FIELD: sonar systems measuring range between underwater objects. SUBSTANCE: procedure of threshold-free ranging with provision of optimal discrimination of legitimate signal within whole ranging of action of system is realized in proposed receiver of sonar ranging system by insertion of storage cell with input AND circuit placed between output of matched filter with detector and comparator, by insertion of buffer register and second group of AND circuits between outputs of first group of AND circuits and range indicator and by implementation of coupling between output of comparator and controlling input of inserted AND circuit. EFFECT: enhanced functional reliability and precision of receiver. 2 dwg

Description

Изобретение предназначено для использования в гидроакустических системах измерения дистанции между подводными объектами, которые широко применяются в гидроакустических средствах навигации, позиционирования и т.д. The invention is intended for use in sonar systems for measuring the distance between underwater objects, which are widely used in sonar navigation, positioning, etc.

Принцип действия гидроакустических систем измерения дистанции между двумя объектами основан на измерении времени распространения (задержки) сигнала от одного объекта до другого. При этом существует два основных варианта систем измерения дистанции. В одном из них акустический сигнал излучается с одного объекта и принимается на другом объекте, причем на приемном объекте должен быть точно известен момент излучения сигнала, что достигается за счет предварительной синхронизации времязадающих устройств излучающего и приемного объектов. В другом варианте один объект сначала излучает сигнал, а затем принимает сигнал, либо отраженный от другого объекта, либо переизлученный им. The principle of operation of hydroacoustic systems for measuring the distance between two objects is based on measuring the propagation (delay) time of a signal from one object to another. There are two main options for distance measurement systems. In one of them, an acoustic signal is emitted from one object and received at another object, moreover, the moment of signal emission must be exactly known at the receiving object, which is achieved due to the preliminary synchronization of timing devices of the emitting and receiving objects. In another embodiment, one object first emits a signal, and then receives a signal, either reflected from another object or reradiated by it.

При работе подобных систем часто возможны ситуации, когда в приемном устройстве наряду с полезным сигналом, пришедшим по прямому лучу, выделяются также мешающие (ложные) сигналы, обусловленные отражениями излученного сигнала от поверхности и/или дна моря, а также от подводных несущих конструкций, на которых смонтированы элементы системы. Эти мешающие сигналы могут прийти как раньше, так и позже полезного сигнала, в зависимости от типа вертикального разреза скорости звука по глубине, определяемого районом моря, сезоном и т. д. Эти мешающие сигналы к тому же весьма похожи на полезный сигнал и могут быть соизмеримы с ним по уровню, в связи с чем в приемнике вместо полезного сигнала может быть зафиксирован один из мешающих сигналов, что приведет к ошибке измерения дистанции. Таким образом, мешающий сигнал может снижать точность измерения дистанции в гораздо большей степени, чем шумовая помеха того же уровня, так что задача различения полезного сигнала от мешающих является весьма важной. During the operation of such systems, situations are often possible when, in addition to the useful signal arriving in a direct beam, interfering (false) signals due to reflections of the radiated signal from the surface and / or the bottom of the sea, as well as from underwater load-bearing structures, are also distinguished in the receiving device which mounted system elements. These interfering signals can arrive either earlier or later than the useful signal, depending on the type of vertical section of the speed of sound in depth, determined by the sea area, season, etc. These interfering signals are also very similar to the useful signal and can be comparable with it in level, and therefore, instead of the useful signal, one of the interfering signals can be recorded in the receiver, which will lead to an error in measuring the distance. Thus, an interfering signal can reduce the accuracy of distance measurement to a much greater extent than noise interference at the same level, so the task of distinguishing a useful signal from interfering is very important.

Основными узлами приемного устройства системы измерения дистанции, определяющими точность измерения, являются фильтр, согласованный с сигналом оптимальным или квазиоптимальным образом, и решающее устройство, принимающее решение о наличии или отсутствии полезного сигнала при различных значениях задержки сигнала. В качестве такого устройства во многих системах измерения дистанции используется наиболее простая в реализации пороговая схема (В.И. Бородин и др. Гидроакустические навигационные средства. Судостроение, 1983, с. 65). При этом пороговый уровень должен устанавливаться таким образом, чтобы полезный сигнал на выходе фильтра превышал этот уровень, а мешающие сигналы и шумовой процесс не превышали. Следует, однако, отметить, что в связи с затуханием сигнала при его распространении в воде уровень полезного и мешающих сигналов на входе приемного устройства зависит от фактической дистанции между объектами, и с увеличением дистанции естественно уменьшается. Поэтому при выборе порогового уровня одинаковым для всех дистанций окажется, что на малых дистанциях этот уровень будет превышаться не только полезным, но и мешающими сигналами, что приведет к снижению точности измерений. The main nodes of the receiving device of the distance measuring system, which determine the measurement accuracy, are a filter that is matched to the signal in an optimal or quasi-optimal way, and a deciding device that decides on the presence or absence of a useful signal for various signal delay values. As such a device, many distance measuring systems use the most simple threshold scheme in implementation (V.I. Borodin et al. Hydroacoustic navigation aids. Shipbuilding, 1983, p. 65). In this case, the threshold level should be set so that the useful signal at the filter output exceeds this level, and the interfering signals and the noise process do not exceed. However, it should be noted that due to the attenuation of the signal during its propagation in water, the level of useful and interfering signals at the input of the receiving device depends on the actual distance between the objects, and naturally decreases with increasing distance. Therefore, when choosing a threshold level that is the same for all distances, it turns out that at small distances this level will be exceeded not only by useful, but also by interfering signals, which will lead to a decrease in measurement accuracy.

Для устранения этого недостатка в ряде устройств, в частности Пат. США N 4451909, осуществляется увеличение коэффициента усиления входного усилителя в функции от времени (дистанции) с тем, чтобы скомпенсировать снижение уровня входного сигнала в зависимости от пройденного сигналом расстояния. To eliminate this drawback in a number of devices, in particular Pat. US N 4451909, increasing the gain of the input amplifier as a function of time (distance) in order to compensate for the decrease in the level of the input signal depending on the distance traveled by the signal.

Такое решение имеет, однако, целый ряд недостатков. Во-первых, реализация усилителя с изменяющимся по сложному закону коэффициентом усиления представляет собой достаточно сложную задачу. Во-вторых, реальное изменение величины затухания сигнала в функции от дистанции может отличаться от той теоретической зависимости, которая закладывается в закон изменения коэффициента усиления, что вызовет дополнительные ошибки измерения дистанции. Наиболее существенный недостаток, однако, заключается в том, что пороговый уровень надо устанавливать в зависимости от соотношения уровней полезного сигнала, мешающих сигналов и шума, что практически осуществимо лишь вручную, эмпирическим путем. Это крайне затрудняет эксплуатацию системы. Such a solution, however, has a number of disadvantages. Firstly, the implementation of an amplifier with a gain that varies according to a complex law is a rather complicated task. Secondly, the actual change in the magnitude of the signal attenuation as a function of distance may differ from the theoretical dependence that is laid down in the law of variation of the gain, which will cause additional errors in measuring the distance. The most significant drawback, however, is that the threshold level must be set depending on the ratio of the levels of the useful signal, interfering signals and noise, which is practically feasible only manually, empirically. This makes the operation of the system extremely difficult.

Наиболее близким к изобретению является приемное устройство в составе системы измерения дистанции, описанной в Пат. США N 14975889. В этом устройстве с целью лучшего различения полезного сигнала от мешающих осуществляется изменение во времени не коэффициента усиления входного усилителя, как в упомянутом аналоге, а порогового уровня. Для этого в приемное устройство включен специальный формирователь порогового уровня, обеспечивающий спадание порогового уровня во времени по экспоненциальному закону от некоторого начального значения до некоторого конечного значения. Такое устройство проще в реализации, чем предыдущее, однако, сохраняет два его основных недостатка, а именно: во-первых, реальная зависимость затухания уровня сигнала от дистанции может отличаться и существенно от теоретической (в данном случае экспоненциальной), и, во-вторых, необходима ручная установка начального значения порогового уровня в зависимости от ожидаемого соотношения между уровнями полезного сигнала, мешающих сигналов и шума. Closest to the invention is a receiving device as part of a distance measurement system described in US Pat. USA N 14975889. In this device, in order to better distinguish the useful signal from the interfering, a time change is made not in the gain of the input amplifier, as in the aforementioned analogue, but in the threshold level. To this end, a special threshold level driver is included in the receiver, which ensures that the threshold level falls in time according to the exponential law from a certain initial value to a certain final value. Such a device is easier to implement than the previous one, however, it retains two of its main drawbacks, namely: firstly, the real dependence of the attenuation of the signal level on the distance can differ significantly from the theoretical (in this case, exponential), and, secondly, it is necessary to manually set the initial value of the threshold level depending on the expected ratio between the levels of the useful signal, interfering signals and noise.

Задачей изобретения является повышение точности измерения дистанции за счет реализации беспорогового решающего устройства, осуществляющего отбор максимального значения сигнала на выходе фильтра и обеспечивающего благодаря этому наилучшее различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума при всех просматриваемых значениях дистанции. The objective of the invention is to increase the accuracy of distance measurement due to the implementation of a non-threshold solver that selects the maximum signal value at the filter output and thereby ensures the best discrimination of the useful signal from interfering signals and noise at all viewing distance values.

Для решения поставленной задачи в приемное устройство измерения дистанции, содержащее акустический преобразователь, согласованный фильтр с детектором, компаратор, счетчик и индикатор дистанции, а также первую группу схем И, введены:
ячейка памяти с входной схемой И, выход ее соединен с 2-м входом компаратора, а сигнальный и управляющий входы ее входной схемы И соединены соответственно с выходом согласованного фильтра и выходом компаратора;
буферный регистр, входы его соединены с выходами первой группы схем И;
вторая группа схем И, выходы которых соединены с входами индикатора дистанции, сигнальные входы этих схем И соединены с выходами буферного регистра, а их управляющие выходы с выходом переполнения счетчика дистанции.To solve this problem, a distance measuring receiver containing an acoustic transducer, a matched filter with a detector, a comparator, a counter and a distance indicator, as well as the first group of AND circuits, are introduced:
a memory cell with an input circuit And, its output is connected to the 2nd input of the comparator, and the signal and control inputs of its input circuit And are connected respectively to the output of the matched filter and the output of the comparator;
buffer register, its inputs are connected to the outputs of the first group of AND circuits;
the second group of AND circuits, the outputs of which are connected to the inputs of the distance indicator, the signal inputs of these circuits And are connected to the outputs of the buffer register, and their control outputs with the overflow output of the distance counter.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения в приемное устройство перечисленных выше элементов и соединения их определенным образом реализована процедура определения такого значения дистанции, при котором сигнал на выходе фильтра имеет максимальное значение. Такой беспороговый алгоритм обеспечивает оптимальное различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума во всем диапазоне измеряемых дистанций, и следовательно, и наилучшую точность измерения дистанции. The essence of the invention lies in the fact that by introducing the above elements into the receiving device and connecting them in a certain way, the procedure for determining a distance value at which the signal at the filter output has a maximum value is implemented. Such a thresholdless algorithm provides an optimal discrimination of the useful signal from interfering signals and noise over the entire range of measured distances, and therefore, the best accuracy of distance measurement.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого приемного устройства системы измерения дистанции. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed receiving device of a distance measurement system.

Она содержит акустический преобразователь 1 и согласованный фильтр с детектором 2, выходной сигнал которого через схему И, поступает на ячейку памяти 4, а также на один из входов компаратора 5, другой вход которого соединен с выходом упомянутой ячейки памяти 4. Выходной сигнал компаратора 5 поступает на управляющие входы первой группы схем И 3, при открывании которых содержимое счетчика дистанции 6 переписывается в буферный регистр 7. Выходы упомянутого буферного регистра 7 соединены с входами индикатора дистанции 8 через вторую группу схем И 3, на управляющие входы которых поступает сигнал переполнения счетчика дистанции 6. It contains an acoustic transducer 1 and a matched filter with a detector 2, the output signal of which goes through memory circuit I to memory cell 4, as well as to one of the inputs of comparator 5, the other input of which is connected to the output of said memory cell 4. The output signal of comparator 5 is received to the control inputs of the first group of And 3 circuits, when opened, the contents of the distance counter 6 is written to the buffer register 7. The outputs of the mentioned buffer register 7 are connected to the inputs of the distance indicator 8 through the second group of And 3 circuits the control inputs of which receive a signal overflow counter distance 6.

Работа предлагаемого приемного устройства поясняется фиг. 2, на верхнем рисунке которой условно показано выходное напряжение согласованного фильтра с детектором 2, а на нижнем напряжение, хранимое в ячейке памяти 4. The operation of the proposed receiving device is illustrated in FIG. 2, in the upper figure of which the output voltage of the matched filter with detector 2 is conditionally shown, and in the lower voltage, stored in memory cell 4.

При этом полезный сигнал соответствует моменту времени t₃, мешающие сигналы моментам времени t₂ и t₄, а выброс шума - моменту времени t₁.In this case, the useful signal corresponds to time t ₃ , interfering signals to time t ₂ and t ₄ , and the noise emission to the time t ₁ .

По сигналу "Запуск", формируемому синхронно с моментом излучения сигнала, обнуляется содержимое ячейки памяти 4 и запускается счетчик дистанции 6, отсчитывающий текущую дистанцию. При этом в начальный момент на первом входе компаратора 5 оказывается нулевое напряжение с выхода ячейки памяти 4, а на втором начальное значение выходного напряжения согласованного фильтра 2. Поскольку напряжение на втором входе компаратора 5 больше, чем на первом, то на его выходе появляется сигнал, открывающий схему И 3 на входе ячейки памяти 4, в которую заносится начальное значение выходного напряжения согласованного фильтра 2. Этим же выходным сигналом компаратора 5 открывается первая группа схем И 3, через которые содержимое счетчика дистанции 6 (в начальный момент равное нулю) переписывается в буферный регистр 7, т.е. в данном случае производится его обнуление. According to the “Start” signal, which is formed synchronously with the moment of signal emission, the contents of the memory cell 4 are reset and the distance counter 6 starts, counting the current distance. In this case, at the initial moment, at the first input of the comparator 5 there is a zero voltage from the output of the memory cell 4, and at the second, the initial value of the output voltage of the matched filter 2. Since the voltage at the second input of the comparator 5 is greater than at the first, a signal appears on its output, opening the And 3 circuit at the input of the memory cell 4, into which the initial value of the output voltage of the matched filter 2 is entered. The same output signal of the comparator 5 opens the first group of And 3 circuits, through which the contents of the counter station 6 (at the initial time of zero) is overwritten in the buffer register 7, i.e. in this case, it is reset to zero.

До тех пор, пока последующие значения сигнала на выходе фильтра 2 не превышают хранимого в ячейке памяти 4 начального значения, содержимое ячейки памяти 4 и буферного регистра 7 сохраняется неизменным. Как только текущее значение выходного сигнала фильтра 2 превысит хранимое в ячейке памяти 4 значение сигнала, как например в момент t₁ на фиг. 2, срабатывает компаратор 5, и под действием его выходного сигнала в ячейку памяти 4 заносится новое значение сигнала, соответствующее моменту времени t₁, а в буферный регистр записывается соответствующий моменту t₁ отсчет дистанции t₁. Аналогичным образом происходит обновление содержимого ячейки памяти 4 и буферного регистра 7 в моменты времени t₂и t₃, соответствующие появлению первого мешающего сигнала и полезного сигнала. Последующие значения сигнала на выходе фильтра 2 вплоть до момента окончания данного цикла измерения дистанции оказываются меньше уровня полезного сигнала, так что срабатывание компаратора 5 не происходит, и в буферном регистре сохраняется отсчет дистанции Д₃, соответствующий моменту выделения в приемнике полезного сигнала. По окончании данного цикла сканирования дистанции (момент времени t_k) под действием импульса переполнения счетчика дистанции 6 открывается вторая группа схем И 3, и хранимый в буферном регистре отсчет дистанции Д₃, соответствующий моменту появления полезного сигнала, переписывается в индикатор дистанции 8. Таким образом, в предлагаемом приемном устройстве отсчет измеряемой дистанции осуществляется не по превышению некоторого порогового уровня (который, кроме полезного, может превысить и близкие к нему по уровню мешающие сигналы), а более надежно по максимальному значению сигнала.Until subsequent values of the signal at the output of filter 2 do not exceed the initial value stored in memory cell 4, the contents of memory cell 4 and buffer register 7 remain unchanged. As soon as the current value of the output signal of the filter 2 exceeds the signal value stored in the memory cell 4, as for example at time t ₁ in FIG. 2, the comparator 5 is triggered, and under the action of its output signal, a new signal value corresponding to time t _{1 is} entered into memory cell 4, and a distance count t ₁ corresponding to time t _{1 is} recorded in the buffer register. Similarly, the contents of the memory cell 4 and the buffer register 7 are updated at time t ₂ and t ₃ corresponding to the appearance of the first interfering signal and the useful signal. Subsequent values of the signal at the output of filter 2 until the end of this cycle of distance measurement turn out to be less than the level of the useful signal, so that the comparator 5 does not work, and the distance count D ₃ corresponding to the moment of selection of the useful signal in the receiver is stored in the buffer register. At the end of this cycle of scanning the distance (time t _k ), under the action of the overflow pulse of the distance counter 6, the second group of circuits And 3 opens, and the distance count D ₃ , corresponding to the moment of the appearance of the useful signal, stored in the buffer register is written to the distance indicator 8. Thus , in the proposed receiving device, the measurement distance is measured not by exceeding a certain threshold level (which, in addition to the useful one, can exceed interfering signals close to it in level), but rather not reliable at maximum signal value.

При этом не требуется никаких регулировок и обеспечивается наилучшее различение полезного сигнала от мешающих сигналов и шума во всем диапазоне измеряемых дистанций, а следовательно, наиболее высокая точность измерения дистанции. In this case, no adjustments are required and the best distinction is made between the useful signal and the interfering signals and noise in the entire range of measured distances, and therefore the highest accuracy of distance measurement.

Техническая реализация предлагаемого приемного устройства системы измерения дистанции особых трудностей не вызывает, так как оно включает в себя такие широкоприменяемые узлы, как счетчик импульсов, регистр, индикатор, схемы И, акустический преобразователь. Структура согласованного фильтра зависит от вида сигнала, применяемого для измерения дистанции. В случае использования простого тонального сигнала, как в пат. США 4975889, согласованный фильтр представляет собой обычный полосовой фильтр. При использовании сложного широкополосного сигнала с внутриимпульсной модуляцией, позволяющего получить более высокие точность и разрешаемую способность измерения дистанции, согласованный фильтр обычно реализуется в виде коррелятора. При этом в случае построения согласованного фильтра в аналоговом виде в качестве схемы запоминания максимального значения (ячейка памяти 4 с входной схемой И 3 и компаратор 5) можно использовать широкоизвестный пиковый детектор, состоящий в простейшем случае из диода и конденсатора. В случае, когда согласованный фильтр реализуется в виде цифрового процессора, то в качестве ячейки памяти 4 можно использовать обычный цифровой регистр, а в качестве компаратора - обычное устройство сравнения двоичных чисел. The technical implementation of the proposed receiving device of the distance measuring system does not cause particular difficulties, since it includes such widely used units as a pulse counter, register, indicator, I circuit, and acoustic transducer. The structure of the matched filter depends on the type of signal used to measure the distance. In the case of using a simple tone, as in US Pat. No. 4,975,889, matched filter is a conventional bandpass filter. When using a complex broadband signal with intrapulse modulation, which allows to obtain higher accuracy and resolving ability of distance measurement, a matched filter is usually implemented as a correlator. Moreover, in the case of constructing a matched filter in analog form, a well-known peak detector consisting of a diode and a capacitor can be used as a memory circuit of the maximum value (memory cell 4 with input circuit I 3 and comparator 5). In the case when the matched filter is implemented as a digital processor, then as a memory cell 4 you can use a conventional digital register, and as a comparator - a conventional device for comparing binary numbers.

Claims (1)

Приемное устройство гидроакустической системы измерения дистанции, содержащее последовательно соединенные акустический преобразователь и согласованный фильтр с детектором, компаратор, один из входов которого соединен с выходом согласованного фильтра, счетчик дистанции, выходы которого соединены с сигнальными входами первой группы схем И, управляющие входы которых соединены с выходом компаратора, и индикатор дистанции, отличающееся тем, что в него введены ячейка памяти с входной схемой И, буферный регистр и вторая группа схем И, причем выход ячейки памяти соединен с другим входом компаратора, а сигнальный и управляющий входы ее входной схемы И соединены с выходом согласованного фильтра и выходом компаратора, входы буферного регистра соединены с выходами первой группы схем И, а его выходы с сигнальными входами второй группы схем И, выходы которых соединены с входами индикатора дистанции, а управляющие входы с выходом переполнения счетчика дистанции. A receiver of a hydroacoustic distance measuring system, comprising a series-connected acoustic transducer and a matched filter with a detector, a comparator, one of the inputs of which is connected to the output of a matched filter, a distance meter, the outputs of which are connected to the signal inputs of the first group of circuits AND, the control inputs of which are connected to the output a comparator, and a distance indicator, characterized in that a memory cell with an input circuit And, a buffer register and a second group of circuits And, are introduced into it m the output of the memory cell is connected to another input of the comparator, and the signal and control inputs of its input circuit And are connected to the output of the matched filter and the output of the comparator, the inputs of the buffer register are connected to the outputs of the first group of circuits And, and its outputs to the signal inputs of the second group of circuits And, the outputs of which are connected to the inputs of the distance indicator, and the control inputs with the output of the overflow of the distance meter.

Images