Гидроакустических поисковых приборов

Принцип построения усилителей

Назначение

Основной задачей приемо-усилительного тракта любой рыбопоисковой станции является усиление электрических сигналов, снимаемых с выхода акустической антенны, до уровня, обеспечивающего нормальную работу регистрирующих устройств.

Основные характеристики и режимы работы усилителей

Коэффициент усиления

Уровень напряжения на выходе акустической антенны обычно изменяется в больших пределах (от нескольких микровольт до нескольких милливольт), в зависимости от расстояния до обнаруживаемого объекта, излучаемой мощности, характеристики направленности акустической антенны, условий распространения акустических колебаний и т. п. Поэтому в аппаратуре применяется ручная регулировка усиления. Для облегчения анализа, оценки и сравнения полученных эхограмм, в современной аппаратуре применяется ступенчатая регулировка коэффициента усиления.

Уровень напряжения, необходимого для обеспечения нормальной работы регистрирующих устройств, составляет от единиц вольт до 150 – 200 в, в зависимости от типа и назначения устройства.

Таким образом, приемо-усилительный тракт должен быть способным обеспечивать усиление напряжения в 10⁴ – 10⁸ раз (80 – 160 дб). Для получения такого большого коэффициента усиления в большинстве рыбопоисковых приборов применяются усилители с преобразованием частоты. Особенностью схемы этого усилителя является то, что усилитель состоит из двух частей, каждая из которых работает на своей рабочей частоте. Такая схема обеспечивает устойчивое усиление эхосигналов, несмотря на большой коэффициент усиления.

Полоса пропускания

Применяя усилитель с преобразованием частоты, можно добиться еще большего усиления приемного тракта, однако, максимальное усиление ограничивается уровнем помех, действующих на входе усилителя. Вместе с полезным сигналом усиливаются помехи и шумы, действующие на входе приемника, поэтому дальнейшее повышение коэффициента усиления имеет смысл только в том случае, если соотношение “сигнал/шум” на входе приемника превышает определенный минимум, необходимый для различения сигналов на фоне помех.

Полезный сигнал имеет ограниченный частотный спектр, расположенный вблизи частоты, излучаемой передающим трактом. Шумовые помехи обычно распределяются в широком диапазоне частот.

Это дает возможность уменьшить уровень шумов путем применения акустических антенн и усилителей с узкой полосой пропускания, соответствующей частотному спектру полезного сигнала. При этом ширина полосы пропускания приемного тракта Δ f должна выбираться в зависимости от длительности излучаемого импульса τ_и :

Δ f = ;

Учитывая, что в рыбопоисковых гидроакустических станциях длительность излучаемых импульсов, как правило, выбирается оператором и может изменяться в широких пределах, то ширина полосы пропускания приемного тракта тоже должна изменяться в соответствии с выбранной длительностью импульса. В большинстве случаев ширина полосы пропускания изменяется автоматически при переключении длительности излучаемого импульса.

Временнáя автоматическая регулировка усиления (ВАРУ)

Все современные гидроакустические станции имеют в своем составе электронное устройство, позволяющее автоматически изменять коэффициент усиления приемного тракта в зависимости от расстояния до регистрируемого объекта. Это устройство получило название устройства временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).

При отсутствии устройства ВАРУ обнаружение промысловых объектов, расположенных вблизи судна, затруднено из-за маскирующего действия реверберационных помех. Непосредственно после излучения каждого зондирующего импульса интенсивность реверберации очень велика, затем быстро убывает. При этом может оказаться, что эхосигналы даже от крупных скоплений рыбы, расположенных вблизи судна, не будут зарегистрированы на самописце. Например, при интенсивности реверберации, превышающей предел насыщения бумаги самописца, более сильный сигнал от крупной цели выделить невозможно. Кроме того, при отсутствии устройства ВАРУ сигналы, отраженные от одинаковых целей, но расположенных на разных расстояниях от судна, на выходе приемного тракта имеют неодинаковую амплитуду: чем больше расстояние до цели, тем меньше амплитуда сигнала на выходе приемного тракта.

При наличии устройства ВАРУ коэффициент усиления приемного тракта скачком уменьшается в момент излучения зондирующего импульса, а затем плавно увеличивается по определенному закону. Требуемый закон изменения коэффициента усиления во времени зависит от характера отражающего объекта.

При локации точечных объектов (отдельных рыб или очень разреженных рыбных скоплений) одинаковые цели, расположенные на разных расстояниях от судна, будут создавать одинаковые отметки на самописце в том случае, если коэффициент усиления приемного тракта будет изменяться по следующему закону:

К = 40 lg R + 2 δ R,

где R – расстояние до отражающего объекта,

δ – коэффициент затухания звука в воде.

Действие схемы ВАРУ, обеспечивающей данный закон изменения коэффициента усиления, компенсирует потери акустической энергии на расширение фронта волны и затухание звука при его распространении до цели и обратно.

Однако, при локации дна или плотных скоплений рыбы указанный закон изменения ВАРУ уже не будет обеспечивать одинаковую регистрацию равнозначных, но разноудаленных объектов. В этом случае требуется изменение коэффициента усиления приемного тракта по следующему закону:

К = 20 lg R + 2 δ R.

Этот закон обеспечивает линейную пропорциональность между интенсивностью эхосигналов и плотностью рыбных скоплений независимо от расстояния.

В современных гидроакустических станциях имеется возможность выбирать требуемый закон ВАРУ по желанию оператора.

Устройства отсечки грунта

Для повышения эффективности поиска придонной рыбы применяются устройства отсечки грунта типа "Белая линия", ”Динамическая линия”, "Серая линия" и “Контурная линия”.

Работа этих устройств основана на использовании различия между интенсивностью сигналов, отраженных от грунта и от рыбы. Это различие обусловлено тем, что у грунта коэффициент отражения значительно выше, чем у одиночных рыб и разреженных рыбных скоплений. Схемы устройств отсечки грунта имеют регулируемую избирательность по амплитуде эхосигналов и работают по следующему принципу: Если амплитуда эхосигнала не превышает заданного уровня, то это означает, что принимаемый сигнал получен путем отражения от рыбы. Эта рыба регистрируется на самописце без ослабления. В случае, если амплитуда эхо-сигнала превышает заданный уровень, то это означает, что принимаемый сигнал получен путем отражения от грунта. В этот момент коэффициент усиления приемного тракта резко уменьшается на некоторый промежуток времени, и в течение указанного промежутка времени на эхограмме наблюдается нерегистрируемый участок дистанции в виде белой или серой линии.

Устройство “Белая линия”

Если принимается эхосигнала от грунта, то его амплитуда превышает заданный уровень, и приемный тракт полностью запирается. При этом на эхограмме регистрируется только передняя часть эхосигнала от грунта в виде узкой черной линии. Затем следует более широкая белая полоса, соответствующая запертому состоянию приемного тракта. После отпирания приемного тракта запись грунта продолжается. Таким образом, пропуски между началом и продолжением записи грунта создают область белой линии на бумаге самописца. Регулированием порога запирания приемного тракта можно менять ширину белой полосы. Существенным недостатком устройства "Белая линия" является снижение эффективности его применения при значительном волнении моря, когда судно имеет большие вертикальные перемещения. В этом случае расстояние от излучающей поверхности до дна моря все время меняется, и на эхограмме появляются разрывы в записи контура дна, т. е. тонкая черная линия начала записи дна превращается в совокупность точек, размытую по глубине.

Устройство “Динамическая линия”

Устройство "Динамическая линия" используется для получения дополни­тельной информации о характере грунта. Принцип работы этого устройства заключается в том, что после приема эхосигнала от грунта усилитель изменяет режим работы. По ширине записи белой полосы после записи сигнала от кромки дна (дина­мической линии) можно судить о плотности грунта: чем больше плотность грунта, тем шире динамическая линия.

Устройство “Серая линия”

Устройство "Серая линия" отличается от устройства "Белая линия" тем, что при приеме переднего фронта донного эхосигнала приемный тракт полностью не запирается, а лишь уменьшается его коэффициент усиления. В связи с этим на ленте самописца уже не регистрируется черной линией профиль морского дна, за которым следует белое пространство, а непосредственно от верхней кромки дна отображается затененная серая полоса. За серой полосой (когда приемный тракт полностью открывается) регистрируется черным цветом оставшаяся часть грунта. При этом любые потемнения над серой полосой расценивается как отметки эхосигналов от рыбы, и их значительно легче обнаружить, чем при работе устройства "Белая линия".

Устройство “Контурная линия”

Принцип работы этого режима также основан на разнице амплитуд сигналов, отраженных от рыбы и грунта. В этом случае эхосигнал от грунта регистрируется в виде тонкой контурной линии без продолжения записи дна. Затем приемный тракт запирается и находится в таком состоянии до начала следующего цикла зондирования. Использование этого режима не позволяет получать информацию о характере грунта, но уменьшает выделение угольной пыли, загрязняющей узлы самописца.

Автоматическое изменение контрастности (Режим “АИК”)

При обычном режиме записи на электрочувствительной бумаге очень трудно определить различие между скоплениями рыбы средней и большой плотности, т. к. после определенного уровня интенсивности сигнала степень потемнения бумаги больше не увеличивается. В таком случае как средние, так и плотные косяки регистрируются на бумаге одинаково. Устройство автоматического изменения контрастности позволяет искусственно уменьшать степень потемнения бумаги, если амплитуда эхосигнала превышает установленный уровень. При этом эхосигналы, интенсивность которых больше порога насыщения бумаги, отображаются с уменьшением потемнения, т. е. сильные эхосигналы регистрируются более светлыми, чем средние. Таким образом можно легко выделить ядро рыбного скопления, которое регистрируется в виде светлого пятна на темном фоне.