PL164088B1 - Sposób pomiaru częstotliwości fali odbieranej, zwłaszcza w logu dopplerowskim - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru częstotliwości fali odbieranej, y zwłaszcza w logii dopplerowsklm, zawierającym układ 57) echosondy, decydujący o długości emitowanego impulsu, układ pomiaru temperatury, wprowadzający współczynnik korekcji danych do procesora, a także nadajnik połączony przez komutator z przetwornikami nadawczymi logu oraz przetworniki odbiorcze logu połączone z odbiorSkiem, na wyjściu którego występuje mierzony sygnał, który jest impulsem o znanej długości zależnej od wyniku pomiaru głębokości w układzie echosondy, znamienny tym, że sygnał mierzony (WOD). po kontroli parametrów czasowo-amplitudowych w układzie sterownika bloku pomiarowego (POS), podawany jest na wejścia dwóch komparatorów (Kl) i (K2), z których pierwszy (Kl) pracuje w układzie progowym z histerezą i na jego wyjściu powstają impulsy (FP). zaś drugi komparator (K2) pracuje w układzie detektora przejść przez zero, wytwarzając impulsy (FZ), przy czym zbocze narastające pierwszego impulsu (FP) wyznacza początek bramki czasowej (TP) na wyjściu dyskryminatora częstotliwości (DYS), pod warunkiem, że sygnał steru- jący(8TB) zezwala na kontynuację pomiaru, zaś impulsy (FP) zliczane są w liczniku okresów (LO) zliczającym wstecz, którego wyzerowanie powoduje zakończenie sygnału bramki (TP), przy czym ilośc zliczanych impulsów zależy od aktualnej głębokości zmierzonej w układzie echosondy (ECH), zaś pomiar czasu bramki odbywa się w dwóch licznikach długości bramki (ŁD1 1 LD2), które zliczają Impulsy zegarowe generowane w układzie oscylatora częstotliwości wzorcowej (OCS), zaś stany tych liczników (TZ1, TZ2) dodawane są w sumatorze (SUM), tworząc liczbę wyjściową (PO-P1 1), będącą wynikiem pomiaru

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru częstotliwości odbieranej, zwłaszcza w logu dopplerowskim.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 4, 396 274 system pracujący impulsowo z modulacją sygnałem pseudoprzypadkowym lub typu czirp. Wykrywanie i określanie odchyłki dopplerowskiej odbywa się przez korelowanie sygnału echa z sygnałem nadanym. Kształt sygnału nadanego i echa zapamiętuje się w dwóch oddzielnych pamięciach. W pamięci nadawczej sygnał przesuwa się w przód i w tył, przy każdorazowym zapełnianiu komórek pamięci odbiorczej. Korelowanie sygnałów z obu pamięci odbywa się na układach mnożących.

Przedstawiony w patencie USA nr 3 795 893 system pokazuje czteroprzetwornikowy układ nawigacji w wodach płytkich i głębokich. Pomiar częstotliwości sprowadza się do pomiaru czasu. Sygnał przychodzący z wody z każdego kierunku zostaje wybramkowany, wzmocniony, ograniczony i podany na komparator wykrywający przejście przez zero. Wyjście komparatora steruje licznikiem zliczającym liczbę impulsów. Zliczanie tej samej wartości przejść przez zero dla sygnału przód/tył daje informację o odchyłce dopplerowskiej. Odpowiednie dobranie częstotliwości zegara dla licznika pozwala na uzyskanie informacji o prędkości w odpowiednich jednostkach.

Znany jest również z opisu patentowego Wielkiej Brytanii nr 2 092 748 pracujący impulsowo system oceny prędkości własnej statku wzdłuż jednej osi. Odebrany impuls zostaje wzmocniony i ograniczony w pętli fazowej, działającej jako filtr, zostaje wybrana średnia częstotliwość sygnału odebranego z kierunku przód/tył. Oba te sygały podane są na różnicowy licznik częstotliwości, a następnie wynik pomiaru zostaje zobrazowany.

164 088

W opisie patentowym USA 4 069 468 przedstawiony został system, w którym określenie odchyłki Dopplera odbywa się w oparciu o modyfikację dopplerowskiego widma mocy. Określenie odchyłki częstotliwości przeprowadza się w oparciu o technikę filtracyjną lub pomiar czasu, w jakim określona ilość okresów sygnału odebranego zostanie zliczona w liczniku. Ponieważ dokładny pomiar odchyłki Dopplera w przypadku występowania rewerberacji, nieliniowego charakteru propagacji oraz odbić różnego typu jest trudny, sygnał odebrany zostaje spróbkowany w określonym przedziale czasu.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że mierzony sygnał będący impulsem o znanej długości zależnej od wyniku pomiaru głębokości w układzie echosondy, po kontroli parametrów czasowo-amplitudowych w układzie sterowania, podawany jest na wejścia dwóch komparatorów, z których pierwszy pracuje w układzie progowym z histerezą i na jego wyjściu powstają impulsy początku pomiaru, zaś drugi pracuje w układzie detektora przejść przez zero, wytwarzając impulsy podlegające zliczaniu. Zbocze narastające pierwszego impulsu wyznacza początek bramki czasowej na wyjściu dyskryminatora częstotliwości, pod warunkiem, że generowany w sterowniku bloku pomiarowego sygnał sterujący zezwala na kontynuację pomiaru, zaś impulsy zliczane są w liczniku okresów zliczającym wstecz, którego wyzerowanie powoduje zakończenie sygnału bramki. Dość zliczanych impulsów zależy od aktualnej głębokości zmierzonej w układzie echosondy, zaś pomiar czasu bramki odbywa się w dwóch licznikach długości bramki, które zliczają impulsy zegarowe w układzie oscylatora, zaś stany tych liczników dodawane są w sumatorze, tworząc liczbę wyjściową będącą wynikiem pomiaru.

Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się automatyczny wybór długości impulsu nadawanego w zależności od głębokości zwiększając czas pomiaru dla głębokości umożliwiającej generację długiego impulsu, automatyczny wybór fragmentu echa o minimalnych zniekształceniach amplitudowych i fazowych oraz wzrost dokładności pomiaru.

Sposób pomiaru częstotliwości według wynalazku umożliwia dokładny pomiar częstotliwości nośnej odbieranych impulsów echa także w innych impulsowych systemach nadawczoodbiorczych.

Sposób według wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy logu, zaś fig. 2 - schemat blokowy układu pomiarowego.

Jak pokazano na fig. 1, log dopplerowski składa się z części elektronicznej zawierającej sterownik logu STL, nadajnik logu NAL, odbiornik logu ODL, sterownik echosondy STE, nadajnik echosondy NAE, odbiornik echosondy ODE, blok pomiarowy POM, sterownik bloku pomiarowego POS, bufor bloku pomiarowego BPM, procesor PRC, komutator NAK, bufor czujnika temperatury BCT i blok wskaźników PCZ. Część elektroniczna współdziała z głowicą ultradźwiękową GU, zawierającą przetwornik nadawczo-odbiorczy echosondy PE, cztery przetworniki odbiorcze PN,cztery przetworniki odbiorcze PO oraz czujnik temperatury CT.

Sterownik echosondy STE, nadajnik echosondy NAE, odbiornik echosondy ODE i przetwornik echosondy PE stanowią układ echosondy ECH, zaś czujnik temperatury i bufor czujnika temperatury stanowią układ pomiaru temperatury UT.

Sterownik logu STL steruje sterownikiem echosondy STE, który uruchamia nadajnik echosondy NAE zasilający przetwornik nadawczo- odbiorczy echosondy PE, który po generacji impulsu nadawczego echosondy odbiera odbity od dna sygnał echa, który wzmocniony przez odbiornik echosondy ODE trafia do sterownika echosondy STE, gdzie podjęta zostaje decyzja o długości impulsu generowanego przez log. W ytworzony w procesorze PRC impuls wyzwalania IW, po przejściu przez sterownik logu STL powoduje wyzwolenie nadajnika logu NAL, generującego impuls o zadanej długości, który poprzez układ komutacyjny NAK zasila odpowiedni przetwornik nadawczy PN. W cyklu pracy logu zasilane są kolejno przetworniki nadawcze odpowiednie dla kierunków w przód, w tył, w lewo i prawo.

Sygnał ultradźwiękowy odbity od dna, zawierajacy odchyłkę dopplerowską wynikającą z ruchu względnego obiektu pływającego względem dna, odbierany jest przez odpowiedni do kierunku nadawania przetwornik odbiorczy logu PO i po wzmocnieniu w odbiorniku logu ODL podawany jest na wejście bloku pomiarowego POM, który sterowanyjest przez sterownik bloku pomiarowego POS. Wyjście bloku pomiarowego POM, poprzez bufor bloku pomiarowego BPM, połączone jest z procesorem PRC. Do procesora PRC dołączony jest również bufor

164 088 czujnika temperatury BCT współpracujący z czujnikiem temperatury CT umieszczonym w głowicy ultradźwiękowej GU w pobliżu przetworników nadawczych PN i odbiorczych PO logu.

Procesor PRC współpracuje ze sterownikiem logu STL oraz blokiem wskaźników PCZ.

Jak pokazano na fig. 2 układ pomiarowy składa się z przetwornika odbiorczego PO połączonego z blokiem odbiornika logu ODL, na wyjściu którego występuje sygnał mierzony WOD podlegający kontroli ampiltudowo-czasowej w bloku sterowania POS oraz pomiarowi częstotliwości nośnej w bloku pomiarowym POM. W bloku pomiarowym POM wykorzystywany jest sygnał sterujący ZP generowany w układzie echosondy ECH ustalający, w zależności od aktualnej głębokości, czas pomiaru oraz sygnał sterujący STB generowany w sterowniku bloku pomiarowego POS zezwalający na kontynuację pomiaru, gdy sygnał WOD spełnia zakładane wymagania amplitudowo- czasowe. Sygnał wyjściowy z bloku pomiarowego PO*P11 jest liczbą odwrotnie proporcjonalną do częstotliwości fali nośnej echa. Blok pomiarowy POM realizuje funkcję pomiaru częstotliwości sygnału echa z dokładnością umożliwiającą wykrywanie minimalnej odchyłki dopplerowskiej.

Istota pomiaru polega na wytworzeniu bramki czasowej o czasie trwania równym określonej wielokrotności okresu częstotliwości nośnej sygnału nośnej echa, a następnie na pomiarze czasu trwania tej bramki sygnałem zegarowym o znanej częstotliwości.

Aby zapewnić pomiar minimalnej odchyłki dopplerowskiej (występującej dla minimalnej prędkości obiektu pływającego) dokonuje się pomiaru czasu N okresów fali odbieranej. W chwili gdy możliwe jest wydłużenie czasu pomiaru i przez to zwiększenie dokładności (dla większych głębokości i dłuższych impulsów) układ przełącza się, wykorzystując sygnał sterujący ZP, na pomiar czasu trwania 2N okresów fali odbieranej.

Sygnał WOD, którego częstotliwość ma być mierzona, podawany jest przez wejściowy wtórnik napięciowy WN na wejścia dwóch komparatorów napięcia K1 i K2. Komparator K1 pracuje w układzie progowym z histerezą. Pętla histerezy uniemożliwia występowanie wielokrotnych przerzutów komparatora wynikających z zakłóceń szumowych sygnału mierzonego. Na wyjściu układu progowego powstaje ciąg impulsów prostokątnych FP. Komparator K2 pracuje w układzie detektora przejść przez zero, wytwarzając ciąg impulsów prostokątnych FZ. Zbocze narastające pierwszego impulsu FP wyznacza początek bramki czasowej Tp oraz powoduje odblokowanie licznika okresów LO i liczników długości bramki LD1, LD2. Impulsy FP są zliczane w liczniku okresów LO, powodując zmniejszanie stanu tego licznika od wartości N (lub 2N) do 0. Stan 0 licznika okresów LO sygnalizowany jest zboczem · opadającym sygnału P- w momencie wystąpienia zbocza narastającego kolejnego impulsu FP. Stan niski sygnału Ppowoduje zablokowanie dopływu impulsów FP do licznika okresów oraz zakończenie bramki TP.

Układ precyzera bramki PRE jest układem realizującym funkcje przerzutnika D wyzwalanego zboczem opadajacym impulsów FZ. Bramka czasowa TP ustala stan wejścia informacyjnego przerzutnika zawsze przed kolejnym zboczem wyzwalającym. W efekcie układ precyzera bramki pomiarowej PRE wytwarza bramkę pomiarową TZ wyznaczoną momentami przejść przez zero pierwszego i N (lub 2N) zbocza sygnału WOD. Układ dyskryminatora częstotliwości DYS zawiera dwa układy czasowe działające w taki sposób, że bramka czasowa TP jest podtrzymywana tylko wtedy, gdy odstęp czasowy pomiędzy kolejnymi zboczami narastającymi impulsów FP zawiera się w zadanych granicach. W pozostałych przypadkach bramka TP jest zerowana, proces pomiaru jest przerywany i układy liczników powracają do stanu podstawowego.

Pomiar czasu trwania bramki pomiarowej TZ odbywa się w dwóch licznikach długości bramki LD1 i LD2. Liczniki te zliczają impulsy zegarowe generowane w osycylatorze częstotliwości wzorcowej OSC o częstotliwości fz i przeciwnych fazach. Stany obu liczników dodawane są w sumatorze SUM tworząc liczbę wyjściową PO*PO11. Liczba PO+P11 utrzymywana jest na wyjściu sumatora SUM od zakończenia poprawnego pomiaru do wystąpienia kolejnego generowanego w bloku procesora PRC impulsu wyzwalającego IW.

Zastosowanie takiej metody pomiaru sprawia, że rozdzielczość pomiaru bramki TZ jest równa połowie okresu sygnału zegarowego fz.

Zasada działania układu pomiarowego jest następująca: po wygenerowaniu impulsu sondującego przez przetwornik nadawczy, przetwornik odbiorczy przetwarza odbite od dna echo na sygnał napięciowy podlegający dalszej obróbce w bloku odbiornika ODL. Wzmocnienie odbiornika zmieniając się zgodnie z ustaloną funkcją zasięgowej regulacji wzmocnienia ZRW jest proporcjonalne do tłumienia sygnału echa w wodzie. Gdy amplituda sygnału WOD jest wystarczająca do poprawnego pomiaru narastanie sygnału ZRW jest zablokowane. Dzięki takiemu rozwiązaniu generacji funkcji ZRW sygnały echa o poziomie istotnym dla procesu pomiarowego nie są zniekształcane przebiegiem funkcji zasięgowej regulacji wzmocnienia, a przez to dokładność pomiaru wzrasta.

Sygnał echa po wzmocnieniu i filtracji podawany jest do bloku pomiarowego POM realizującego pomiar częstotliwości nośnej w odebranym sygnale echa, stopniem wejściowym bloku liczników jest układ dyskryminatora poziomu (ustalającego próg zadziałania układu pomiarowego) oraz układ detektora przejść przez zero. Do układu POM doprowadzone są dwa sygnały sterujące ZP i STB, przy czym ZP ustala ilość zliczanych okresów częstotliwości nośnej sygnału WOD, zaś STB blokuje pomiar, gdy parametry sygnału WOD nie spełniają warunków zapewniających zakładaną dokładność pomiaru. Liczniki okresów dokonują zliczenia N (lub 2N) okresów odbieranej częstotliwości fali nośnej echa z zawartą w nim odchyłką dopplerowską, generując bramkę czasową TP. Długość bramki Tp określona jest równolegle przez dwa liczniki zliczające impulsy zegarowe o przeciwnych fazach; uzyskane w procesie zliczenia liczby TZ1 i TZ2 są sumowane, dając w efekcie liczbę PO^P11 odwrotnie proporcjonalną do częstotliwości nośnej echa.

PO*P11

Fig 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz Cena 10 000 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób pomiaru częstotliwości fali odbieranej, zwłaszcza w logu dopplerowskim, zawierającym układ echosondy, decydujący o długości emitowanego impulsu, układ pomiaru temperatury, wprowadzający współczynnik korekcji danych do procesora, a także nadajnik połączony przez komutator z przetwornikami nadawczymi logu oraz przetworniki odbiorcze logu połączone z odbiornikiem, na wyjściu którego występuje mierzony sygnał, który jest impulsem o znanej długości zależnej od wyniku pomiaru głębokości w układzie echosondy, znamienny tym, że sygnał mierzony (WOD), po kontroli parametrów czasowo-amplitudowych w układzie sterownika bloku pomiarowego (POS), podawany jest na wejścia dwóch komparatorów (K1) i (K2), z których pierwszy (K1) pracuje w układzie progowym z histerezą i na jego wyjściu powstają impulsy (FP), zaś drugi komparator (K2) pracuje w układzie detektora przejść przez zero, wytwarzając impulsy (FZ), przy czym zbocze narastające pierwszego impulsu (FP) wyznacza początek bramki czasowej (TP) na wyjściu dyskryminatora częstotliwości (DYS), pod warunkiem, że sygnał sterujący (STB) zezwala na kontynuację pomiaru, zaś impulsy (FP) zliczane są w liczniku okresów (LO) zliczającym wstecz, którego wyzerowanie powoduje zakończenie sygnału bramki (TP), przy czym ilość zliczanych impulsów zależy od aktualnej głębokości zmierzonej w układzie echosondy (ECH), zaś pomiar czasu bramki odbywa się w dwóch licznikach długości bramki (LD1 i LD2), które zliczają impulsy zegarowe generowane w układzie oscylatora częstotliwości wzorcowej (OSC), zaś stany tych liczników (TZ1, TZ2) dodawane są w sumatorze (SUM), tworząc liczbę wyjściową (PO-P11), będącą wynikiem pomiaru.