專利名稱:反射信號的處理的制作方法
本項發(fā)明論述對信號發(fā)射-接收設(shè)備所獲取的反射(或回波)信號的處理，它在水聲發(fā)射-接收器(如聲納裝置、回聲探測器)方面以及雷達(dá)(特別是船用雷達(dá))方面有著獨特的應(yīng)用。
這里所采用的術(shù)語“發(fā)射-接收器”和“發(fā)射-接收機(jī)”，指的是能發(fā)射脈沖並能接收發(fā)射脈沖的相應(yīng)回波的設(shè)備。除非另加說明，此術(shù)語不受回波類型的限制(例如，可以是聲波、超聲波或電磁波)，也不僅僅限于發(fā)射部分和接收部分組裝在一起的設(shè)備。
在聲波和超聲波領(lǐng)域中，諸如聲納和回聲探測器均是有效的探測設(shè)備，它們可用聲音或圖形來指明回波的存在。例如，回聲探測器是在記錄紙上給出探測結(jié)果。
為了改進(jìn)這些設(shè)備，人們設(shè)計了專門的電路來對回波信號進(jìn)行處理，以便從中提取比目前采用這些設(shè)備所能獲得的更多的信息。這樣的電路可見英國第8221670號書，文中給出了從回波信號中提取第二海底回波分量的方法，從而提供了關(guān)于海底性質(zhì)的信息。此文還指出，不論第二海底回波分量的幅度是否大于預(yù)置的閾值電平，均可通過探測來揭示海底的性質(zhì)。
如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，更加有用的信息存在于回聲探測器這類設(shè)備的回波中，並且這一信息也存在于聲納、雷達(dá)、醫(yī)用超聲波及一般的發(fā)射接收裝置的回波中。
特別值得提出的是，信息不僅存在于回波脈沖的延續(xù)時間和強(qiáng)度的信息中，而且存在于其形狀中。由于飽和效應(yīng)，這類信息通常不能從大功率設(shè)備的回波中獲得。但是當(dāng)采用較小的發(fā)射功率時就會發(fā)現(xiàn)，回波形狀依賴于反射表面的性質(zhì)。例如與勘測和海底層結(jié)廓線有關(guān)的海底層。
所以，作為其中的一個方面，本發(fā)明給出了處理由接收器響應(yīng)發(fā)射脈沖所獲得的回波信號的設(shè)施，此設(shè)施包括對接收到的回波信號的響應(yīng)裝置，以便定義一個與上述回波中的某一脈沖同步的時隙;和利用這一時隙來提取上述回波信號里的那個脈沖中的某一部分的裝置。上述的時隙，就是用來提供一個僅表征上述那個脈沖的前沿特性的信號的。
更理想的設(shè)施還包括積分裝置，這樣，上述的信號卽可表征上述脈沖前沿下的面積。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，回波脈沖沿下的面積載有表征反射發(fā)射脈沖的反射物體的特性的信息，並且，這一面積可由模擬式或數(shù)字式儀表顯示出來，從而使觀測者得知隨反射物體性質(zhì)而顯著改變的觀測量值。例如在回波探測中，本人已發(fā)現(xiàn)海底脈沖的前沿(第一脈沖、第二脈沖等等，特別是第一脈沖)，其變化依賴于海底或接近海底的材料的性質(zhì)，特別是海底的最上一層的性質(zhì)。于是，一個非常陡的上升沿給出一個相對較小的表征信號值，說明是沒有大量淤泥的堅硬海底。但另一方面，如果脈沖前沿下的面積是一個相對較大的觀測值，則說明在海底有一淤泥層(對于對蝦捕撈、挖泥作業(yè)和水下測量，這是一個有用的信息)或者在接近海底處有魚群。同時，觀測值的變化也是有意義的。據(jù)認(rèn)為，這樣的分析也應(yīng)用于醫(yī)療超聲學(xué)中來確定不同性質(zhì)的腫瘤間的差異，以及人體和動物體(特別是眼睛)間的特性的差異。
從理論上來說，一個反射脈沖的形狀幾乎完全取決于接收裝置的性質(zhì)，因為人們可以想象，接收脈沖的上升時間主要依賴于接收設(shè)備的響應(yīng)時間(暫態(tài)響應(yīng))。所以，采用積分或其它方法分析脈沖前沿，僅能給出接收裝置本身的信息。但我們發(fā)現(xiàn)並非如此。用一個標(biāo)準(zhǔn)的回聲探測器發(fā)出一個寬度為三百微秒量級的脈沖，其接收到的海底脈沖的形狀依賴于海底的上層性質(zhì)，它的前沿甚至可達(dá)一至二毫秒?；芈曁綔y器中的回波形狀，還可能是由不同深度的海底層結(jié)的幾次反射和散射的綜合作用形成的。從而可解釋脈沖前沿給出這些層結(jié)的信息這一事實。一個僅具有暫態(tài)響應(yīng)的脈沖前沿只可能延續(xù)一百微秒左右，而不會達(dá)到一二個毫秒。由下面的解釋可知，與回波信號同步的時隙並不是固定的，而是隨著脈沖前沿的形狀和長度的變化而變化的。所以，如果隨著海底的性質(zhì)的不同，脈沖前沿在長度和形狀上有所變化，則時隙的長度和起點也將變化。采用一個固定的短的時隙往往會只獲取暫態(tài)響應(yīng)，這不是本項發(fā)明所要申請的具體內(nèi)容。
如果在一臺具有充分短的發(fā)射脈沖和暫態(tài)響應(yīng)的設(shè)備上使用本項發(fā)明，那么在我們所提及的時隙內(nèi)或許不能很好地看到一個平滑的前沿。而可能看到在這個時隙內(nèi)由海底連續(xù)層結(jié)及散射的波前所造成的一系列尖峰。為了獲得與傳統(tǒng)的回聲探測器同樣形狀的脈沖前沿，可將獲得的信號平滑或積分。然后，用平滑了的信號來限定獲取“前沿”的時隙，盡管在這種情況下，實際上獲取的是一系列脈沖前沿。
本發(fā)明的另一特點是它的具體方法的簡單易行性。它不打算使用高分辨率來從回波信號中提取許多數(shù)據(jù)，因為那將需要昂貴的設(shè)備，而且觀測結(jié)果也由于大量細(xì)節(jié)的作用而變得混淆不清，從而需要相當(dāng)多的經(jīng)驗來解釋它。恰恰相反，本發(fā)明給出一個相當(dāng)簡單的方法(例如用于傳統(tǒng)的回聲探測器)來獲得表征反射表面特性的觀測值並將其顯示在一塊量表或類似儀器上。所以，這類設(shè)備的一般使用者(如漁民或挖泥船司機(jī))可觀察儀表的指針來獲得觀測值，而不需要在紙上或陰極射線管上觀察多種因素復(fù)合而成的混亂圖象。
時隙可用各種方法來限定。例如，為了觀察一個回波脈沖的前沿，時隙的后沿可以利用電平檢測法來確定，卽根據(jù)回波信號電平通過一個給定的電平的情況來限定這個后沿。如果有人選擇了上升電平來限定時隙，那么，在某種具體裝置中，可能產(chǎn)生一段延遲(比典型的回波脈沖要小)，從而使得時隙的末端更近似于所述回波脈沖的峰值。采用此種辦法，時隙就會自動地調(diào)整到接收脈沖的狀態(tài)。
有時需要采用平滑方法來將脈沖前沿中的尖峰平滑掉，以防止電平檢測裝置對這些尖峰產(chǎn)生響應(yīng)。
時隙的前沿可以利用對表征發(fā)射脈沖的一個信號產(chǎn)生響應(yīng)的方法來加以限定，因而上述的端點將在發(fā)射脈沖發(fā)出后的某一給定時刻產(chǎn)生。這個給定時刻可以是可調(diào)的，所以，例如使用者可根據(jù)需要延長或縮短時隙，以便增強(qiáng)或減弱在海底附近流動著的魚群所產(chǎn)生的效應(yīng)。但這並不總是令人滿意的。舉例來說，使用深度探測器時，所涉及的回波可能是海底的回波，但它隨著海底的起伏而相對于發(fā)射脈沖移動。于是時隙也隨著這一起伏而改變，從而產(chǎn)生了虛假的讀數(shù)。所以，在提及的一種具體裝置中，每個時隙的起始點被固定在一個回波脈沖發(fā)生后的某一可調(diào)的給定時刻，而這一回波脈沖則是屬于目前的回波信號的上一周期的，也就是說，是在海底的某一可調(diào)“高度”上。
上面所概述的原則可一般地應(yīng)用于回波系統(tǒng)，而不管它是聲波或電磁波(如船用雷達(dá)中)，是垂直探測(如回聲探測器)還是通常的水平探測(如聲納和船用雷達(dá)中)。在所有這些情況中，均可設(shè)置一個時隙，使之與一個特別的回波脈沖同步並鎖定于其上，而回波脈沖可以表征海底、魚群，也可以表征水中或飄浮在水面的其它物體。于是，用戶可以從儀表中得到描述回波脈沖前沿或后沿特性的觀測結(jié)果，進(jìn)而得到比目前通用的雷達(dá)、聲納或回聲探測器這些傳統(tǒng)設(shè)備更多的關(guān)于回波波源的信息。
在典型的應(yīng)用中，發(fā)射裝置重復(fù)地發(fā)射脈沖，所以接收到的是周期性的回波信號。在這種情況下，當(dāng)一系列周期由于不良性號的重復(fù)而不能限定其時隙時，有更好的方法來保持其特征信號的顯示值。此時給用戶的顯示結(jié)果中將看不到任何由不良信號造成的無規(guī)則的變化，因為用戶看到的是上一個正確的和確定的值。這一特點可以排除由于壞天氣干擾脈沖的發(fā)射和回波的接收而可能帶來的問題。另外，保持信號值的方法本身也造成了平均作用，例如提供前面幾個信號(如四個中的前三個)的平均值作為信號的顯示。在顯示值由于振盪而不可接受的情況下，平均方法就將起作用。
所以，作為本發(fā)明的第二個方面，它給出了對于一系列發(fā)射脈沖所產(chǎn)生的回波信號的處理裝置。它包括對回波的每一周期的信號中給定性質(zhì)的一個脈沖進(jìn)行響應(yīng)的定時裝置，用以定義一個相對于上述回波脈沖同步的時限;儲存回波信號中某一特征的裝置;顯示現(xiàn)存的特征信號的裝置;對提供給存儲裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的取樣方法，其中存儲方法依賴于上述的時限，以便對回波周期在某一給定的時隙中的回波信號的具有某種特征的部分進(jìn)行儲存;以及對回波信號的某一周期的上述回波脈沖缺位的響應(yīng)裝置，從而防止取樣裝置進(jìn)行取樣，進(jìn)而防止存儲裝置的刷新。
以上描述中所涉及的一個一般性概念，是利用時隙對回波信號所需部分的提取，以及處理此提取部分以得到表征在此時隙中這個部分的平均值的信號。這一概念的另一應(yīng)用是在深海捕撈中，通過人為選擇時隙的定時，可以確定其深度和區(qū)域，由此產(chǎn)生的信號給定了此區(qū)域內(nèi)的回波電平，而當(dāng)有魚群時，這個電平就將升高。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一概念可進(jìn)一步應(yīng)用于改進(jìn)前向發(fā)射-接收器的信息提取方面，卽應(yīng)用于傳統(tǒng)的聲納和船用雷達(dá)的方向、距離測定設(shè)備上。這類設(shè)備通常將具有足夠幅度的所有回波顯示在陰極射線管上，其中包括了噪聲信號。為了改進(jìn)這類設(shè)備的操作，已經(jīng)采取加入濾波器的措施來濾去其信號中的噪聲含量。然而，由于噪聲電平和環(huán)境中固有的海洋噪聲，使諸如探測小船等方面存在著困難。
所以，作為本發(fā)明的另一方面，它給出了包括有發(fā)射裝置和接收裝置的設(shè)備。發(fā)射裝置可在具有水平分量的某一方向上(甚至可有一個小的向上分量)以超聲頻率發(fā)射一串聲脈沖。接收裝置則對由發(fā)射脈沖的反射而產(chǎn)生的回波信號進(jìn)行處理，接收器的電路網(wǎng)絡(luò)包括有對在所選定的距離上返回的回波信號的提取時隙的限定裝置，和對每一周期中所提取的信號的平均裝置。于是，人們可用肉眼觀察或自動操作的方式對此時的平均值和前面的某個(或某些)平均值加以比較，從中得到平均值的變化，帶有噪聲的數(shù)據(jù)的變化情況以及在給定范圍內(nèi)的可能有用的信息。當(dāng)電平有相當(dāng)?shù)淖兓瘯r，卽可觸發(fā)警報裝置。
本發(fā)明在這一方面涉及到了上面已經(jīng)描述過的一些特性的應(yīng)用，如時隙以及平均法和積分法。但在這種情況下，時隙不必鎖定在任何特定的回波脈沖上，而是根據(jù)所觀察的特定區(qū)域帶的距離和“觀察”持續(xù)時間而人為地確定，被觀察的區(qū)域帶距離觀測器有一定的水平距離，也就是說，發(fā)射的波束(或主瓣)的軸並不是垂直的。通過觀察噪聲的變化，而不是去濾掉噪聲，就可檢測到感興趣的數(shù)據(jù)，旣使在通常的示波器或圖象記錄儀上可能觀察不到這些數(shù)據(jù)。這樣，一個魚群可能就會造成“噪聲”電平的增加。另外，這一設(shè)備也用于檢測接近海面並可能損壞船只的目標(biāo)。一旦在一定距離內(nèi)收到的回波信號大于用戶事先給定的某一確定值(如振幅值或積分值)，音響警報器就發(fā)出信號。
作為本發(fā)明的一個方面，本文將進(jìn)而敘述在使用水聲發(fā)射接收器獲得回波來探測海底性質(zhì)時所采用的電路。此電路包括為提取某一海底回波分量而設(shè)置的限時隙的裝置，和所提取的分量所產(chǎn)生的信號其寬度大于某一可調(diào)值時的處理裝置。
本發(fā)明的這一方面在第二海底回波分量的處理上特別有用，因為人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一分量的寬度直接與海底硬度有關(guān)。于是，當(dāng)?shù)竭_(dá)海底特別是堅硬以致?lián)p壞魚網(wǎng)的海域時，所產(chǎn)生的信號就被輸入警報器而發(fā)出警報。第2102573號書曾經(jīng)指出，報警信號的產(chǎn)生取決于第二海底回波分量的大小，而本發(fā)明對這方面的看法則是，當(dāng)?shù)诙５谆夭ù笥谀硞€定值時，報警信號僅是其寬度的響應(yīng)。人們可以增加一個保險措施，卽僅當(dāng)閾值和寬度判據(jù)同時在兩個(或以上)的連續(xù)信號中滿足時，才發(fā)出報警信號，從而
除許多偽響應(yīng)。本發(fā)明的這一方面也可用于第三或其后的海底脈沖。
由這一方面並聯(lián)系到第一方面中對脈沖前沿的分析，則可發(fā)現(xiàn)第一海底回波分量可能帶有噪聲並可能產(chǎn)生畸變，特別是在天氣情況不好時更是如此，然而第二及隨后的海底回波分量則相對地說不受干擾，因而更有利于前沿的分析以及本發(fā)明所描述的對海底的進(jìn)一步分析。
根據(jù)對第二及隨后的海底脈沖的積分也可建立一個海底報警系統(tǒng)。
作為本發(fā)明的這個方面，它提供一個電路網(wǎng)絡(luò)，用來根據(jù)水聲發(fā)射-接收裝置獲得的回波信號探測海底的性質(zhì)。這個電路網(wǎng)絡(luò)包括為提取第二或隨后的海底回波分量而限定時隙的裝置，和積分所提取的分量並輸出其能量的裝置。
當(dāng)用于漁業(yè)時，一個申請的具體裝置的另一方面與探測靠近海底的魚類探測器有關(guān)，對于探測靠近海底的魚群所提供的方法是向海底重復(fù)地發(fā)射一個信號，通過探測海底回波而在每一周期中限定一個被海底的回聲所終止的時隙，用這個時隙在每一周期中提取回波的一部分;而后在相對于該時隙的回波中引入一段延遲;調(diào)節(jié)這一延遲直至使被提取的部分實質(zhì)上為零，由于時隙在海底這一點上終止，所以可提供這個提取部分的數(shù)值來作為魚群的表示。
關(guān)于指明海底狀況這一方面的進(jìn)一步應(yīng)用，是指出適合龍蝦捕撈的海底，這是非常有益的。
作為本發(fā)明的這個方面，它提供一個電路網(wǎng)絡(luò)，從而可利用水聲發(fā)射接收裝置來提供海底情況的說明。這個電路網(wǎng)絡(luò)包括在定義包含一個以上海底回波信號的時隙時，對回波信號的響應(yīng)的定時裝置，對在該時隙中所接收到的回波信號積分的積分裝置，以及給出這一積分值的指示裝置。
為了更好地理解本項發(fā)明以及它的具體實施，在此將作一些參考說明，例如對附圖的說明。其中，圖1是回波脈沖處理電路的總方框圖;
圖2給出了一系列的波形來說明圖1中的網(wǎng)絡(luò)的運行情況;
圖3在一個較長的時間標(biāo)度上給出更為詳細(xì)的波形;
圖4給出了圖1中部分電路的執(zhí)行情況;
圖5a至e給出了回波波形;
圖6是聯(lián)合計量及報警的電路圖;
圖7是海底計量電路圖;
圖8給出了一系列的波形來描述圖7電路的運行情況;
圖9是海底報警電路圖;
圖10給出了海底報警電路的波形;
圖11給出了第二海底回波定時電路圖;
圖12給出了海底計量電路的改進(jìn)型電路;
圖13是魚群探測電路網(wǎng)，以及圖14到圖17是描繪圖13電路的運行情況的。
對于圖1來說，這個電路是專門用于處理來自通用的回聲探測器S上的發(fā)射-接收裝置T上的回波信號A的。模擬回波信號經(jīng)過時間變化增益(TVG)后，被加到輸入1，這個信號的一般波形如圖2中A行所示。這是一個重復(fù)信號，在每一個周期中，它包括一個大的發(fā)射分量TC，一個第一海底回波分量E1和第二海底回波分量E2，所有的幅度都依次減小。在發(fā)射分量和第一海底回波分量之間，可能有一個魚群回波EF。各種噪聲和其它的回波信號也可能會出現(xiàn)，但它們的幅度在目前的情況下是不重要的，故圖2中沒有繪出。如果當(dāng)此電路用于前向聲納或船用雷達(dá)時，脈沖的周期性圖式將同樣會發(fā)生，但信號的波形將不同。而且，當(dāng)周圍有任何反射“物體”，如船只或魚群，將出現(xiàn)象E1那樣的一些脈沖。
甚至在采用通用回聲探測器的TVG時，在某些條件下也會產(chǎn)生一些畸變和飽和，因此，提供另外一種時變增益電路來克服飽和並產(chǎn)生更有用的信息，將是有益的。例如，一個具有數(shù)字算法的微處理器就可提供時變增益處理。
回聲探測器S還在圖1的輸入端2上給出了一個脈沖TX，這個脈沖限定了發(fā)射接收器T發(fā)射脈沖的時刻。由輸入端2，脈沖TX通過發(fā)射觸發(fā)電路3整形，而后至單穩(wěn)電路4給出一擴(kuò)展脈沖B(圖2B行)，這一脈沖在網(wǎng)絡(luò)中起屏蔽作用，用它來濾去回波信號中的TX分量以及靠近發(fā)射裝置的噪聲。
現(xiàn)在回過頭來看輸入端1，它所給出的模擬信號被加到三個模擬放大器5、6、7上，其增益可由用戶通過可變電阻8、9、10來調(diào)節(jié)。這些放大器的輸出端上並聯(lián)著三個電容11、12、13，而輸出端則接至施密特觸發(fā)器14a、14b和14c上。為了避免超前測定過程，電容器的平滑作用平緩了回波的前沿，因此可見，這也就避免了對畸變的前沿產(chǎn)生錯判。電路14a接入一個魚群報警電路15(此電路以后再詳細(xì)說明)其間經(jīng)過了一個饋入了信號B的或非門16，從而封鎖了發(fā)射脈沖。電路14b接入一個第二回波海底報警裝置17，同樣經(jīng)過了一個饋入了信號B的或非門18。第二回波海底報警裝置的說明可見英國專利申請書第8221670(2102573)號。放大器6也把它的模擬信號(與圖2和圖3中的A相對應(yīng))未經(jīng)平滑而直接饋入魚群測定線路19和海底計測電路20，這兩個電路以后將予以說明。
電路14C給出了一個海底脈沖探測電路，這一電路將參照圖3給以說明，因為圖3中更詳細(xì)的繪出了回波信號A以及圖2中的信號B、C、D、E在幾個周期中的波形。施密特觸發(fā)電路14C的輸出端給出了信號A的數(shù)字化了的形式，卽將其脈沖轉(zhuǎn)化為一串統(tǒng)一幅度的方波。這些脈沖經(jīng)過一連串的或非門21、22、23以及倒相器24和25到達(dá)饋存器26，其Q輸出端的信號F參見圖3中的F行。這個信號F是個脈沖，它從第一回波上升沿的一個給定幅度點開始出現(xiàn)，而在信號B開始出現(xiàn)時終止，因為信號B被送入了饋存器26的復(fù)值輸入端。通過調(diào)節(jié)電阻10，可選擇回波信號E1的上升沿的值。重復(fù)信號F被送到了發(fā)光二極管(LED)27上，這個二極管在機(jī)器正常使用的情況下可看到其閃光。在調(diào)節(jié)時，閾值將上升到閃光停止，而后又下降到閃光剛剛開始，這樣做的目的是為這個通道設(shè)置一個合適的閾值，使其能對處于有關(guān)脈沖的上升沿之上的點進(jìn)行檢測。為了避免這一通道對其它脈沖產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)射脈沖本身被接到或非門23的信號B所屏蔽，而其它信號則可被通過或非門21和22進(jìn)一步迭加的信號所屏蔽。信號F被接到單穩(wěn)態(tài)電路28，從而提供了一個40微秒的脈沖G(圖3中的G行)。在圖中標(biāo)出的B點處有一開關(guān)29，脈沖G被作為輸入信號輸入單穩(wěn)電路30，這個電路在其Q輸出端就產(chǎn)生一個標(biāo)識脈沖，這一標(biāo)識脈沖的延續(xù)時間，則由使用者通過調(diào)節(jié)可變電阻31來決定。含有電路30的電路，可以通過開關(guān)29的其中一路與電容器接通或斷開，其作用是改變電阻31所能進(jìn)行調(diào)節(jié)的定時范圍。由單穩(wěn)電路Q端輸出的這一脈沖是圖3中的信號H，由圖可見，它在脈沖G的下降沿開始出現(xiàn)，經(jīng)過一段時間后終止，且可由使用者調(diào)節(jié)，以便使比下一個第一海底回波脈沖E1超前一段所需的時間。
由以上的說明可知，對于幾個選通信號去限定回聲探測器信號所能得到處理的距離是有所考慮的。其包括的限定作用有二個一個是信號G限定海底，卽海底信號。一個是信號H在海底之上的一個可調(diào)高度上限定一個點。
開關(guān)29在另一位置P時，給出另一些選通信號。在這種情況下，單穩(wěn)態(tài)電路30被送入了經(jīng)過電路3整形的信號TX，這樣就給出了限定傳感器下方某一可調(diào)深度的信號H的另一型式。同樣，第二個單穩(wěn)電路32給出了第二個信號來限定傳感器下的另一可調(diào)深度。這些信號一起就給出了可調(diào)距離，舉例來說，如魚群報警電路15。
在詳細(xì)討論剩余的電路網(wǎng)絡(luò)之前，將說明魚群測定和海底測量電路的概念。這些電路包括積分或平均裝置，以便對每一脈沖重復(fù)期間(卽周期)的特定時隙中回波信號下的面積進(jìn)行平均。對于魚群測定電路，可利用如圖2中C所示的時隙去限定海中一個較小的面積，這一面積在海底脈沖的前沿頂端處或靠近其頂端處終止。當(dāng)探測船進(jìn)入一個具有軟海底或者海底附近有魚群(當(dāng)然兩者均有也可以)的海域時，其輸出將由儀表38讀出一個上升的值。
與上面形成對照的是，海底計測儀表20將對實質(zhì)上包括了整個海底回波(第一、第二和第三等等，或其中幾個)的時隙進(jìn)行平均或積分。所以，當(dāng)進(jìn)入具有堅硬海底的海面時，儀表38′的讀數(shù)將上升。
因此，如果儀表38讀數(shù)上升而儀表38′讀數(shù)下降，那么這一般表示是軟海底，如果儀表38讀數(shù)上升而儀表38′讀數(shù)不變，一般表示有魚群。所以，這些儀表互相補(bǔ)充，它們不僅對于漁民而且對于水文測量工作都是有用處的。
現(xiàn)在來看看魚群測定電路19，這一電路在圖4中已詳細(xì)繪出。模擬信號A由放大器6通過開關(guān)33而后至積分器34，繼而經(jīng)過另一開關(guān)35到達(dá)一個取樣-保持電路36，這個電路的輸出接到了指示器驅(qū)動電路37上來使一塊電流表動作。在本裝置中，電流表指針偏轉(zhuǎn)至270℃時對應(yīng)滿度電流，其值為一毫安。
開關(guān)33被信號C(圖2C行)所控制，而開關(guān)35被信號E(圖2E行)所控制。
積分器34的輸出被由信號D(圖2D行)所控制的開關(guān)39耦合至地，而信號D則是用脈沖擴(kuò)展器40把信號C擴(kuò)展並反相后得出的。
信號C在此例中是一個屏蔽信號，它是從信號A中提取的，僅含有第一海底回波信號E1的前沿部分，以后將對此詳細(xì)說明。屏蔽信號E1定義了一個時隙T，其起點由使用者設(shè)定，在上一脈沖E1后經(jīng)一段所需時間后出現(xiàn)，而其末點則由信號E1上升至一個事先設(shè)定的值來決定。
所以，積分器34對時隙T發(fā)生期間的信號A的部分進(jìn)行積分，因為信號C的反相擴(kuò)展信號D斷開了開關(guān)39，使時隙得以維持。
在信號C中止時開始並被單穩(wěn)態(tài)電路41所限定的短暫時間間隔中，產(chǎn)生了一個信號E去閉合開關(guān)35，從而使積分器34的輸出通過了取樣-保持電路36而顯示在儀表38上。
當(dāng)惡劣的發(fā)射條件或接收條件造成了脈沖E1的低電平值時，為防止脈沖E的流出設(shè)置了一個裝置，所以儀表38仍舊顯示有足夠幅度的前一個脈沖E1的積分值。因此，儀表讀數(shù)不會由于脈沖E1的丟失而顯著地改變。在脈沖E1丟失后，新的積分值仍不被顯示，直至二分頻電路42探明在連續(xù)的兩個發(fā)射周期里(由信號B定義)產(chǎn)生了兩個脈沖E時為止。
信號H的反相信號被送入單穩(wěn)態(tài)電路43，並在那里被用來將時隙的起始點限定在信號H的下降沿上(這是加在單穩(wěn)態(tài)電路上的反相信號的上升沿)。由單穩(wěn)態(tài)電路43而來的信號控制著一個鎖存器44，其輸出是已經(jīng)說明過的信號C。信號C的下降沿由單穩(wěn)態(tài)電路45提供的復(fù)位信號所產(chǎn)生，而這個單穩(wěn)態(tài)電路由信號F的前沿來起動，信號F發(fā)生于回波脈沖E1上升沿上的予置閾值處。在圖3的第三周期可見這樣一種情況，此時第一海底脈沖分量E1的幅度不足以產(chǎn)生脈沖F。在這樣情況下，鎖存器44將無法復(fù)位，因而脈沖C在海底脈沖處不再有下降沿，單穩(wěn)態(tài)電路41不再被觸發(fā)，因此造成脈沖E的缺位而沒有新的值加到取樣-保持電路36上，于是在儀表38上仍舊是上次的值。
現(xiàn)在對圖4中的電路做更詳細(xì)的說明。積分器34包含一個晶體管級5來實現(xiàn)放大作用以及利用這一級的電阻R1和電容C1來實現(xiàn)積分作用。由圖可見開關(guān)39並接在電容C1上。通過選擇這一級的時間常數(shù)來保證電容C1產(chǎn)生一個實質(zhì)上正比于時間-電壓面積的電壓值，這里的時間-電壓面積是適當(dāng)?shù)臅r隙中的輸入信號產(chǎn)生的。開關(guān)39和電容C1的作用，是使儀表的讀數(shù)實質(zhì)上與發(fā)射脈沖在工作范圍內(nèi)的重復(fù)頻率的改變無關(guān)。
電容器C1上的電壓通過開關(guān)35並經(jīng)過可變電阻R2到達(dá)另一個存儲電容器C2，當(dāng)短脈沖E存在時，積分電壓被輸送到C2上。C2上的電壓與儀表38被一個含有驅(qū)動級37的運算放大器所隔絕?？赏ㄟ^改變R2來改變電路的時間常數(shù)，從而減弱輸出信號可能發(fā)生的變化(尤其當(dāng)天氣條件不好時)。大的R2電阻值將有效地使輸出38記錄連續(xù)幾個周期的平均值，例如可按照需要取4個、8個或更多。
在這個網(wǎng)絡(luò)中所使用的脈沖擴(kuò)展器40，單穩(wěn)態(tài)電路41和二分頻電路42的詳細(xì)的電路補(bǔ)充說明也可見圖4。二分頻電路42具有兩個雙D型上升沿觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器47和48。它們都被信號G的負(fù)脈沖沿清零。信號B對雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器47輸出的前值有反相作用。當(dāng)海底脈沖(G)被丟失時，47的輸出不被清除。信號B將把47的輸出反變?yōu)楦唠娖?，從而造?8的輸出電平變高，使脈沖E不能到達(dá)開關(guān)35。
已經(jīng)打算利用取樣-保持裝置對圖4的電路作一個可能的改進(jìn)，以避免船只在惡劣天氣條件下移動和在極深的海域中操作時帶來的不良影響。在這些情況下，諸如水銀開關(guān)等裝置將被用于當(dāng)船只實際上不垂直時的探測。這些裝置將組合成線路42，以防止雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器47的輸出被清除，從而防止脈沖E到達(dá)開關(guān)35。所以，當(dāng)船只實際上垂直時，將僅使用對前沿的采樣。這在海底水文學(xué)中有特別的應(yīng)用。
圖4中的電路，不僅用作魚群測量，而且對海底狀況給出了有效的鑒別，“軟”海底使儀表38具有高讀數(shù)而“硬”海底給出低讀數(shù)。為了降低魚群的效應(yīng)，可調(diào)節(jié)電阻31使脈沖C延遲。圖5a至c給出了在軟性、中性、硬性海底的各自的海底回波圖。很明顯，經(jīng)過積分達(dá)到某一給定閾值時(例如接近圖5a至c中的極大值)，圖5a將給出比圖5b和c較高的值。波形有它們的形狀，其原因還不完全清楚。在任何分析中應(yīng)牢記的一個概念是，反射來自海底某一點是一種過分簡化的近似，因為實用的超聲波束有一個角度(比如說30°)所以探測信號包含了各個深度的垂直入射產(chǎn)生的反射和非垂直入射產(chǎn)生的散射的共同作用。圖5a中信號將由波前進(jìn)入“軟”海底時的正入射形成一個低電平的反射。在隨后的一般時間里，由于海底下層物質(zhì)隨深度增大而堅實起來，因而有可能增強(qiáng)反射信號。同時，這些較深的反射信號還由于相鄰區(qū)域的散射作用的到達(dá)而疊加，因而回波的建立是緩慢的，如圖5a所示。另一方面，對于“硬”海底，由于來自海底表面的反射波實質(zhì)上淹沒了其二次效應(yīng)，因而圖5C給出了很銳的上升時間。
由于散射可能是一個重要因素並且它依賴于頻率，所以應(yīng)注意在這種狀況下所采用的頻率。建議使用30KHZ至100KHZ范圍內(nèi)的頻率，例如50至60KHZ。如采用象20KHZ這樣低的頻率，“軟”海底可能“看”不到，但如果采用象200HZ這樣高的頻率，“軟”海底看上去可能象硬海底了。
可以相信，除了上面已經(jīng)提到在船用雷達(dá)，特別是在漁業(yè)和水文方面的應(yīng)用之外，前沿分析法將應(yīng)用于其它的方面。人們不難想象在醫(yī)療方面的用途，如測定和分辨人體內(nèi)部的物質(zhì)。其中一個特別的應(yīng)用是檢驗視網(wǎng)膜，只要想到眼睛中有大量液體，這些液體和視網(wǎng)膜之間會形成一個邊界，而這個邊界就類似于海底。
以上的說明已經(jīng)涉及到了對第一海底回波分量的前沿進(jìn)行分析的電路的應(yīng)用，同樣這些電路也可應(yīng)用于第二(或隨后的)海底回波分量的前沿分析。
現(xiàn)在再來看圖四，當(dāng)它用于檢驗相對于探測設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，但與任何回波脈沖無關(guān)的周圍的區(qū)域時，有一個交替操作的方式。開關(guān)29(圖1)和46(圖4)被撥到P位置時，就引起線路30在脈沖TX后的某一第一可調(diào)時刻鎖定鎖存器44，而在脈沖TX后某一第二可調(diào)時刻將其復(fù)位。復(fù)位是通過線路45，開關(guān)46和可調(diào)單穩(wěn)態(tài)線路32進(jìn)行的。一個相對于脈沖TX的可調(diào)時隙卽可用這種方式產(chǎn)生，從而對一個與回波脈沖無關(guān)的時隙給出積分讀數(shù)，于是，對于在可能的噪聲變化很大的海域，就可能通過分析給出諸如魚群或其它“物體”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)指示。在這一方式中，線路用來處理聲納或船用雷達(dá)信號。
一個專門的應(yīng)用是避免對海上的游艇或小船的損害，這類事件經(jīng)常被大的漂浮物所造成。一般將其稱之為船只殘骸或飛機(jī)殘骸。這些物體的范圍幾乎是無限的，而這些物體的產(chǎn)生則是日益增長的污染的結(jié)果，例如，容器、油桶、電桿等。
諸如鯨和冰山等天然的物體也同樣危險。卽使非常小心，在能見度差或惡劣的海洋狀況下也不可能辨認(rèn)出危險的漂浮物體。在夜間則沒有報警的可能。
目前避免碰撞的技術(shù)是使用船用雷達(dá)的接近報警系統(tǒng)。它只能在具有較好的海洋條件時，物體能很好地進(jìn)行反射的情況下有效。當(dāng)開關(guān)撥到P位置時，設(shè)想用上述圖1和圖4中的電路通過一個相對不昂貴的回聲探測器來增強(qiáng)接收信號。這個回聲探測器S裝有發(fā)射接收裝置T，它安裝在水面下二三英尺，其波束角大約30°，向前傾斜指向海面。由單穩(wěn)態(tài)30和32定出了一個選通區(qū)相當(dāng)于離船本身50碼至200碼。距離更大些就更理想，但不采用更高級和更昂貴的設(shè)備似乎是不可能的。采樣-保持技術(shù)將用來積分選通區(qū)中的總信號並且濾去一些噪聲。同時，一個由操作員設(shè)定的音響報警的門限裝置將用來代替儀表38。如果某個威脅船只安全的大物體進(jìn)入選通區(qū)，其積分值將增長至剛剛夠起動警報的閾值，從而向船長告警。由于波浪相對說來具有重復(fù)的性質(zhì)，所以有可能用合適的濾波方法將所需的障礙物信號分離出來。
在圖1和圖4(以及后面將要說明的圖7)中的魚群和海底測定電路中，用一塊儀表對其狀況進(jìn)行可見顯示。音響報警電路也可根據(jù)需要接入這兩個電路，如圖6所示。在任何一種情況下，都在開關(guān)35(此開關(guān)在圖4的魚群測定和圖7的海底測定中都將用到)的輸出端接入一個R2、C2的交替組合電路，它們以R2″和C2″組成的電路為基準(zhǔn)。這一附加電路不是通往儀表，而是通往一個負(fù)載電阻R3，在R3上並接著一個音響報警電路(同時在圖6中繪出了魚群測定儀表19)。重要的是對于被給定的R2來說，電阻R2″可經(jīng)調(diào)節(jié)而給出不同的時間常數(shù)。因此，儀表可給出八個或更多周期的平均讀數(shù)，但這對于報警來說，其響應(yīng)太慢。解決辦法是調(diào)節(jié)R2″使能使對二個周期的平均值產(chǎn)生響應(yīng)而發(fā)出警報。
R2″可根據(jù)R2的需要進(jìn)行緩沖處理。為了相對于一個選定的電平發(fā)出警報，下面的元件將與負(fù)載電阻R3並聯(lián)，它們包括兩個運算放大器49和50，五只電阻(包括兩個電位計51和52)和一個單穩(wěn)態(tài)電路63。電位計52有微調(diào)旋鈕，在比較型運算放大器的負(fù)端設(shè)定一個閾值電平。如果由R3來的放大了的電壓稍微超過負(fù)端輸入電壓時，就發(fā)出報警音響。音響警報一直到上述的放大電壓稍低于運算放大器50上的負(fù)端電壓時才予以解除。這種滯后作用是圖中的電路固有的。運算放大器49是一個不反相的直流放大器，其增益由電位器51給定，大約為42。所以當(dāng)儀表上的滿度電流為一毫安時，運算放大器的輸出等于10伏。當(dāng)儀表兩端的電壓在穩(wěn)定前有輕微變化時，就要求比較器具有滯后作用。
圖7給出了海底測定電路20的一種形式。由圖可知這一電路與圖4的電路一樣采用了取樣-保持技術(shù)。所以，在圖7上半部分的相應(yīng)元件均給出了相同的標(biāo)記，例如33。下半部分的相應(yīng)元件則在相同的標(biāo)記下加上一撇來分辨，例如33′。
由放大器6來的模擬信號被饋入晶體管54的基極，並由此處送往第一和第二海底回波分量處理電路55和56。
第一海底回波處理電路55包括半導(dǎo)體開關(guān)33、55和39(型號4016)，積分電容C1，漏電積分器及存儲裝置(由可變電阻R2和電容C2構(gòu)成)，電阻57和放大器37。開關(guān)33由信號G(見圖1和圖3)控制。信號G在第一海底回波分量達(dá)到某一給定幅度時開始出現(xiàn)並延續(xù)20到40微秒。當(dāng)信號G不出現(xiàn)時，開關(guān)33斷開而開關(guān)39閉合，所以電容C1上的電荷量趨向于零。在信號G的上升沿，開關(guān)33閉合而開關(guān)39斷開，因而電容C1以正比于第一回波分量信號的強(qiáng)度量的方式充電(強(qiáng)度是信號積分的一種近似)。
在信號G處于負(fù)沿時，開關(guān)33斷開使積分過程停止。而一個單沖多諧振盪器被起動並產(chǎn)生一個短信號M(圖8)。這一信號閉合了開關(guān)35使第一回波的積分信號經(jīng)電阻R2對電容C2充電。
延遲電路40由二極管、電阻、電容組成，反相器將信號G變?yōu)樾盘朜，信號N斷開開關(guān)39並且只有當(dāng)開關(guān)35斷開后才閉合它。
元件R3和C2給出一個可調(diào)的取樣-保持電路。如果電阻R2定為0歐姆，電容C2則保持前一個回波的電荷，所以電容C2兩端的電壓可能就要突然變化，例如，當(dāng)在系統(tǒng)的某一周期，回波信號不再被接收時，這個電壓幾乎降到零。隨著R2阻值的增加，電容上將儲存越來越多周期的平均值(R2為100千歐時，可達(dá)85個周期)。電阻一般被定在一個中間值，使電容儲存前10到前15個周期的值。
第二海底回波電路及相應(yīng)元件與電路55相類似。不同之處在于增加了一些元件，卽或非門58，含有或非門59和60的鎖存器，以及持續(xù)時間為25毫秒的單沖多諧振盪器。
或非門58的輸入是信號G和圖9中反相器的輸出信號。其輸出是圖8中的標(biāo)示信號O，它是識別具有足夠幅度的回波(特別是海底回波)的一個脈沖列。或非門58使信號O在第一回波期間出現(xiàn)的那一部分消失，而保留在第二回波時出現(xiàn)的后繼部分，參見圖10中的信號P。于是，信號P將在第二海底回波達(dá)到足夠幅度時出現(xiàn)，用它來觸發(fā)圖9中的電路35。
信號P鎖定了鎖存器59，鎖存器60由信號復(fù)位(圖2中的發(fā)射脈沖)。鎖存器的輸出信號Q起動多諧振盪器61而產(chǎn)生信號R，所以信號R在第二海底回波達(dá)到一個給定幅度時出現(xiàn)而在25毫秒后結(jié)束。信號R起第二電路56中信號G的作用，以提取第二海底回波。
這兩個電路55和56被開關(guān)62和63聯(lián)接起開送入放大器64和儀表65，儀表的作用參見圖1、4、6的說明。
當(dāng)開關(guān)55和56均處于向上的位置時，儀表65顯示第一海底回波的處理信號。而當(dāng)它們處于向下的位置時，則顯示第二海底回波的處理信號。當(dāng)一個開關(guān)向上而另一個開關(guān)向下時，顯示的信號是二者之和。
由圖8所示的四個周期可見，在第二周期中，第二海底回波非常之小，以致無法被捕獲。在第三周期中，兩個海底回波均已消失。由圖中的其它波形還可見，各個開關(guān)是根據(jù)取樣-保持電路的特性，用來防止這些較小或消失了的信號顯著地減少儀表讀數(shù)的。
圖9給出了海底報警電路17的一種形式，它是用來測量回波信號的寬度的。這一電路在回聲探測器中起著特別但不唯一的作用，以下就對此電路在這一范圍內(nèi)(卽第一和第二海底回波分量)的作用加以說明。此時，第二海底分量由于其特性而具有特殊意義，例如，已發(fā)現(xiàn)它在某一特定電平時的寬度對海底的硬度特別敏感，其原因可能是含有雙重反射。
放大器6具有一個由電阻9設(shè)定的閾值，因而只有當(dāng)回波分量的幅度大于這一閾值時，此分量才能通往圖9的電路，放大器的輸出被施密特觸發(fā)器(14b)整形。反相器65、66和或非門67、68、69對此信號做進(jìn)一步處理，用前面描述過的信號B和F去控制它，使其能在每個周期的第一、第二脈沖之前，屏蔽或消除所有的分量。為了消除魚群信號，信號F在70被延遲，而后在71整形，72反相，最后在66成為圖8的信號O。
根據(jù)開關(guān)73所擲的位置，或非門69使用來自單穩(wěn)態(tài)電路30的信號G來控制反相器66的輸出，或者做相反的操作。信號G的作用是，要么消除第一回波信號，要么消除第一回波信號之外的所有其它信號，這要由開關(guān)73所擲的位置來決定。
提取出的回波信號如圖10中的I所示，它鎖定鎖存器74，而由圖2中的信號B在下一個發(fā)射脈沖出現(xiàn)時予以復(fù)位。鎖存器74的輸出觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路75，此單穩(wěn)態(tài)電路的持續(xù)時間可人為地調(diào)節(jié)可變電阻76，使其由1毫秒變至50毫秒。電路75的輸出見圖6的J行。
或非門69的輸出也到達(dá)R-C組合電路77，以便延遲脈沖I，而后它繼續(xù)至與門78，反相器79，或非門80。K行給出了所有支路中的脈沖I，也就是被延遲了的和出現(xiàn)在或非門80輸入端的信號。它的后沿在脈沖J的后沿之后出現(xiàn)，造成了或非門80的輸出L變高。這種情況表示，有關(guān)回波的幅度大于圖1中的電路9、6和14b所設(shè)定的閾值，其寬度也超過了電阻76設(shè)定的值。假使此脈沖象K行中虛線所繪出的那樣窄，則或非門80的輸出就依舊是低電值。
信號L通往二分頻電路81，當(dāng)電路81在連續(xù)兩個由信號B限定的周期中檢測到脈沖L時，就發(fā)出報警信號。報警信號通往音響報警電路82，也可以送往顯示儀，例如，由取樣-保持電路把警報保留一段給定時間。通過積分信號L，顯示儀可給出表示脈沖L長度的一個值。
圖9給出了另一個屏蔽性質(zhì)，無論是處理第二、第三或隨后的海底脈沖，無論是用這種還是任何一種其它方法(如波前分析法)，它都有用處。這一屏蔽性質(zhì)能使脈沖J經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)R、D和C，延遲其后沿，送入與門78。它的作用在于它能將所有跟隨在要分析的海底回波分量之后的其它海底回波分量統(tǒng)統(tǒng)加以屏蔽。
對于第二海底回波強(qiáng)度的寬度分析在測定海底狀況及性質(zhì)方面證明是有用的，隨著海底硬度的增大回波也增大。例如，漁民可用它來尋找?guī)r石海底與沙狀海底的分界區(qū)。由圖9的電路可知，當(dāng)船只由沙狀海底駛向巖石海底時，一種有區(qū)別的報警信號將產(chǎn)生，指明所需的巖沙混合狀況之所在。當(dāng)這種過程正在進(jìn)行時或進(jìn)行之后，在海底儀表上可讀出增長著的讀數(shù)。
另一方面也可發(fā)現(xiàn)，由于電路中的時間常數(shù)造成了回波信號看上去比它的實際長度長，從而使第二海底脈沖后沿的尖峰引起了警報。對于這種情況，上述的英國專利申請書中對海底報警有更加詳盡的說明。然而，圖6中所示的一種警報裝置可接到圖7的海底測量儀表上，從而根據(jù)所選定的測量讀數(shù)，給出海底報警信號。另外，適宜捕魚的海底也可由一串有區(qū)別的報警信號指明。
圖11給出了一種改進(jìn)，它采用數(shù)字方法鑒別第二或第三海底脈沖，所給出的信號相當(dāng)于圖8的信號P，因而取代了圖9中產(chǎn)生信號O的網(wǎng)絡(luò)以及圖7中的門電路58至60。這一改進(jìn)是采用圖1中輸入端2收到的發(fā)射脈沖和圖1中單穩(wěn)態(tài)電路26產(chǎn)生的第一海底回波脈沖信號F來進(jìn)行的。它包括一個上行/下行計數(shù)器83，時鐘84，比較器85，與門86和或非門87。
當(dāng)信號F為低電位時(當(dāng)TX出現(xiàn))，計數(shù)器上行計數(shù)，而當(dāng)F變?yōu)楦唠娢粫r(當(dāng)?shù)玫胶５仔盘枙r)，計數(shù)器下行計數(shù)。並且，計數(shù)器由單穩(wěn)態(tài)電路3復(fù)位(卽每當(dāng)有發(fā)射時)，以免第一回波丟失。計數(shù)器的並行輸出在比較上用零信號加以比較，測到零信號時，比較器輸出為“1”。
在發(fā)射時計數(shù)器被復(fù)位，于是比較器輸出“1”信號，但它被信號F阻攔在門電路86處，使Q在此階段保持低電位。
計數(shù)器的計數(shù)不斷增長，直至F變?yōu)楦唠娢?，?dāng)計數(shù)器的計數(shù)下降到零時，造成了與門86的兩個輸入均為高電位，從而導(dǎo)致Q的電位變高，因此開始對第二回波進(jìn)行選通。如果F不變?yōu)楦唠娢?第一回波丟失)，計數(shù)器將繼續(xù)使計數(shù)增長直至下一次發(fā)射。當(dāng)Q確實變?yōu)楦唠娢粫r，計數(shù)過程由門電路87終止。
由于第二回波的深度比第一回波深度的二倍還要稍大一些(這是由于船艙中發(fā)射-接收器的深度)，對第二脈沖的選通要稍早于它到達(dá)的時間，盡管從發(fā)射到海底脈沖之間的時間間隔，其最大誤差有一個時鐘脈沖周期?？赏ㄟ^設(shè)計深度的最大誤差不超過半米。因此，在一個具有半米以上吃水深度的船只上，開始處理第二回波的時間應(yīng)稍早于它的到達(dá)時間。
計數(shù)器的最小有效位(LSB)應(yīng)該代表不大于半米的水深，這就決定了最低時鐘頻率，更為理想的頻率應(yīng)大于或等于1.5KHZ。最大測量深度可由時鐘頻率和計數(shù)器的位數(shù)算出。計數(shù)器的最大測量深度最好應(yīng)該等于或大于最長的脈沖重復(fù)周期所對應(yīng)的深度，例如，對于一個最長為3秒的周期，將有2250米的最大深度。在此例中，計數(shù)器應(yīng)需要12個二進(jìn)位。為了提取第三海底回波分量，可將圖11的電路加以改進(jìn)，讓所描述的計數(shù)程序再次運行，以此來確定第三海底回波到達(dá)的期望時間。把達(dá)到的最大計數(shù)值儲存起來，而后，或者計數(shù)器重新復(fù)位接著從這個值開始下行計數(shù)，或者上行計數(shù)到這個值。
信號Q有兩種用途。首先，它可以代替上述的產(chǎn)生Q的電路網(wǎng)絡(luò)，它將成為另一個海底測量電路(如圖12所示)的基礎(chǔ)。單穩(wěn)態(tài)電路88將信號Q變換成一個具有足夠長度的選通信號，它可以包括第二回波但排除了隨后的回波，而當(dāng)Q信號本身被使用時，將引入環(huán)境噪聲。接在計量儀表兩端的電容89僅當(dāng)單穩(wěn)態(tài)88動作時才充電。所以計量儀表將顯示所收到的回波信號的積分值。線路中電容89的充電電阻所提供的時間常數(shù)，要比使積分進(jìn)行的時隙的時間長。適于漁民在淺水中捕龍蝦時所用的設(shè)備，就是采用圖12的線路作為基礎(chǔ)的一個例子。在這種情況下，它積分所有的海底回波，包括第三、第四等等。這些回波的存在在淺水條件下是可以理解的。這時的信號F可以加到旁路線路88上(如虛線所示)。信號Q本身則適合應(yīng)用于傳遞第二、第三等等回波，由于所有這些回波是在多次反射后被接收的，因而它們可將海底的狀況更好地表現(xiàn)出來。另外一個對第三或隨后的回波的選通信號也可作為一種可能性來加以考慮。一個為此用途而專門設(shè)計的簡單電路可包括圖12的電路以及產(chǎn)生必要的定時信號的線路網(wǎng)絡(luò)，一個深度測量電路。這兩者接入一個數(shù)字式顯示器以代替圖12中的模擬式儀表。
現(xiàn)在討論圖1的魚群報警電路15，其詳細(xì)的電路圖見圖13。這個電路也采用時隙分析法。模擬信號A通過可變放大器8、5和施密特觸發(fā)電路14A(見圖1)，以便使其數(shù)字化。換句話說，把信號A的各個分量中的所有超過由電阻8設(shè)定的閾值的那些分量，全部變換為脈沖。發(fā)射分量被輸入或非門16的信號8消除(見圖1)。或非門90和91根據(jù)信號F和H確定了一個時隙，這一時隙在標(biāo)識信號H(來自于圖1的單穩(wěn)態(tài)電路30)確定的時刻開始出現(xiàn)，而在海底脈沖信號F確定的時刻結(jié)束。所以，這個時隙與第一海底回波脈沖同步，其寬度由可變電阻31(見圖1)確定。
由于這個電路的閾值比較低，從或非門16出現(xiàn)的第一海底脈沖差不多總是處于上述的時隙中，因而嚴(yán)重影響著魚群的探測。
按照圖13，它的電路所包括的延遲裝置由R3至R5，電容C3到C5，施密特觸發(fā)電路92至94組成。電阻R4和R5是聯(lián)動的，用以使延遲變化。將R4和R5定在最小延遲處，第一海底脈沖將在或非門91處產(chǎn)生輸出。繼而延遲可被操作員減小，直至輸出為零，于是可知，時隙在海底或剛剛高于海底處終止。于是，通過延遲回波，電阻R4、R5有效地將時隙在空間中向上移動，直至其后沿處于海底回波的前沿為止。延時裝置的作用類似于一個濾波器，它將回波信號數(shù)字化以降低信號中噪聲尖脈沖的影響。
這個線路彌補(bǔ)了魚群檢測電路19和海底測量電路20的不否。魚群檢測電路也可被一個在海底脈沖前沿終止的時間門控制。儀表的讀數(shù)(代表回波在時間門中的積分)于是就由于靠近海底的魚群的作用而增長。圖13的報警電路是非常有用的，因為船長不可能一刻不停地望著儀表，但卻能對報警裝置發(fā)出的音響有所反應(yīng)。海上試驗表明，連續(xù)五六次或更多的報警是說明非常接近海底的地方有大量密集的魚群。而這一跡象在最現(xiàn)代化的尺度擴(kuò)展或彩色回聲探測器上卻不是顯而易見的。
現(xiàn)在就接近海底的魚群探測方面的各種理論和實際的考慮加以討論?？紤]的一個要點如圖14所示，它代表海底97和發(fā)射的超聲脈沖的前后沿上的部分球面波前。由于波束的擴(kuò)散，返回的信號占據(jù)一個相對較寬的面積，因而一條接近于海底而卻不在發(fā)射-接收器正下方的魚A產(chǎn)生的回波在某一時刻被收到后，卻似乎象是B點的回波。假如這條魚距海底足夠高，它的回波EF在圖15中可見是和海底回波E1分開的。然而，在圖14所示的情形下，魚A出現(xiàn)在前沿上，從而EF有較大的幅度。這些信號象在示波器上看到的那樣，描出了一半未被檢測的波形。這波形可在放大器8中的輸入晶體管的輸出端(集電極)上看到。回波E1的總長度一般為8到10毫秒，在它的峰值處呈現(xiàn)一個富有特征的折曲。
盡管這類魚群有回波是個事實，但魚群的探測對漁民說來仍是個長期的實際問題。傳統(tǒng)的回聲探測器可給出相對于航行距離的深度顯示以及回波揭示的中層水域的魚群顯示。但是如果魚群靠近海底時仍有問題。如果設(shè)備足夠靈敏，這些魚產(chǎn)生了回波，但這些回波的鑒別仍是個疑難問題。
R.B.密特遜(漁業(yè)聲納，1983，§5.1.2)指出，當(dāng)魚群離海底的垂直距離小于半個脈沖長度時，要想把它們的回波與海底回波分開是幾乎不可能的。然而，如圖15和圖16所示，靠近海底的魚群確實影響著回波，所以它們在原則上是可測量的。不能確定的是究竟這個回波EF是魚還是海底廓線的一個小曲折。在圖15中，清水的情況下一般能夠分清EF和E1，從而清了這個模糊之處。密特遜的分析中還假定魚的回波的形狀和持續(xù)時間與“方波”發(fā)射脈沖相一致，但在實際上，我們認(rèn)為這個回波具有高斯型輪廓而且長度可能較短。因此，在沒有引入魚群和海底的模糊性之前，其作用就使半長度判據(jù)的效應(yīng)有所降低。
測定這些魚群回波的一種方法是采用魚群測定電路19來在一個鎖定在海底的時間門中積分信號，而后以一個適中的響應(yīng)時間將其結(jié)果顯示在儀表上。這樣的魚群測定線路事實上可類似于圖12中的電路，但需要輸入適當(dāng)?shù)倪x通信號。時間門在一個海底脈沖消失時被觸發(fā)(例如被信號H觸發(fā))使其打開，而被下一個海底脈沖關(guān)閉，門限電平選定在魚回波電平之上。當(dāng)接近海底的魚出現(xiàn)時，儀表讀數(shù)就要上升。然而這並不能使其本身與海底硬度的變化區(qū)別開來，因為后者對海底脈沖的前沿有影響。再用海底測量電路20來監(jiān)測其硬度，就能夠在大多數(shù)情況下將上述的兩者區(qū)別開。圖13中的音響報警系統(tǒng)已被證明對魚群探測更為靈敏，因而彌補(bǔ)了測量的不足。任何大于魚群閾值的信號若在時間門中出現(xiàn)，就發(fā)出音響警報。時間門在一個離海底適當(dāng)?shù)目烧{(diào)距離處由前一海底脈沖的消失來觸發(fā)而開啟，而當(dāng)海底脈沖到達(dá)一個適當(dāng)?shù)闹禃r開啟。為避免偽裝報，時間門可被R3、R5移動而在海底脈沖到達(dá)它的閾值(由信號F決定)前關(guān)閉幾個微秒到幾個毫秒，所以，在海底脈沖達(dá)到魚群閾值之前，時間門實際被部分地斷開。值得注意的是用來產(chǎn)生時間門的前沿已被電容13所平滑。由圖13中處理的信號也被略加平滑以降低噪聲，如電容11所示，但它比起電容13來，所起的作用非常小。電容11甚至可以被拆除。
現(xiàn)在可知，接近海底的魚群增加前沿的幅度(圖16)，因而突破了閾值。換句話說，卽使魚群回波本身非常之小，不能觸發(fā)報警裝置，但如果疊加到海底回波的前沿(假使相位關(guān)系能使疊加效應(yīng)產(chǎn)生)上的話，也可以觸發(fā)報警裝置。魚群回波使前沿上升得越多，警報器也越靈敏。在實驗室模擬實驗中，“魚”距離海底僅75毫米就發(fā)出了警報。實際操作時，設(shè)備的良好運行或許依賴于天氣情況，但卽使存在偽警報，此設(shè)備也是可行的，因為人耳能將偽警報的音響與魚群回波產(chǎn)生的報警音響區(qū)別開來。
這一探測魚群方法的成功之理論依據(jù)，參見圖17。在海上的實際探測中，當(dāng)采用靠近海底的魚群回波作為觀察記錄時，可清楚地看到，一旦魚群靠近海底但實際上不是貼在海底就有警報發(fā)出。然而，在沒有任何回波明顯存在的情況下也有一些警報發(fā)出。在這些警報發(fā)生的瞬間，可觀察到海底脈沖的特征“曲折”變圓(如Z處所示)，這就使在施密特觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生的海底脈沖發(fā)生反跳變，卽被延遲大約100-200微秒。這一效應(yīng)又釋放了一個“魚”脈沖並在圖13的或非門90處通過了系統(tǒng)。(當(dāng)然在魚群電路網(wǎng)絡(luò)里造成假象的實質(zhì)上是海底脈沖信號)。
關(guān)于這一現(xiàn)象的理論說明是，一群有足夠體積和密度的魚貼在海底，處于探測“死區(qū)”之中，由于它們的回波與主要海底回波脈沖的前沿相迭合。由于魚群回波EF與海底回波位相不同，這可能是一個費理耳效應(yīng)。這種畸變卽使在示波器上都是極難看到的，但使用現(xiàn)在的系統(tǒng)卻是容易探測的。
上面給出的具體裝置采用硬件型的邏輯元件並在必要之處設(shè)置開關(guān)來改變工作模式，以期達(dá)到理想效果。也可采用另外的電路網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到相同或類似的效果。微處理器網(wǎng)絡(luò)加上軟件也可以用來執(zhí)行至少是某些上述功能。例如，波形可被數(shù)字化，存在存儲器中由軟件來分析，如探測和鑒別各種回波，特別是海底回波分量和它們的前沿，其中對時隙相互關(guān)聯(lián)，在某些情況下，特別是對于海底回波分量的前沿，應(yīng)該考慮存儲地址的范圍。這些范圍相當(dāng)于時序，它們能夠通過分析或改變存儲單元地址的數(shù)值而鑒別出來，而不是靠對海底脈沖和發(fā)射脈沖的實時處理來鑒別。
權(quán)利要求
1.對被接收設(shè)備所接收的響應(yīng)發(fā)射脈沖的回波信號進(jìn)行處理的設(shè)備，本設(shè)備包括對接收設(shè)備所接收的回波信號的響應(yīng)裝置，以限定一個與所述的回波信號的某一脈沖同步的時隙；利用該時隙對回波信號該脈沖的某一部分進(jìn)行提取的裝置，時隙的作用就是使這個提取裝置提供一個僅表征該脈沖前沿特性的信號。
2.根據(jù)權(quán)項1，本設(shè)備中的提取裝置有一積分裝置，所以上述的表征信號代表該脈沖前沿之下的面積。
3.根據(jù)權(quán)項1或2，在本設(shè)備中的響應(yīng)裝置包括為限定上述時隙一個端點而設(shè)置的電平檢測裝置。時隙的端點確定取決于回波信號的電平通過一個預(yù)置電平的時刻。
4.根據(jù)權(quán)項3，本設(shè)備中的那個時隙端點，它被上述的通過那個預(yù)置電平的上升電平所限定。
5.根據(jù)權(quán)項3或4，本設(shè)備中時隙的另一端點，它被表征發(fā)射脈沖的一個信號的響應(yīng)裝置所限定，因此上述的另一端點在發(fā)射脈沖產(chǎn)生后的一個給定時間產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)項3或4，為了采用一個重復(fù)發(fā)射的脈沖和由此產(chǎn)生的一個重復(fù)回波信號，本設(shè)備中的時隙的另一端點，它被一個對上述回波信號的該脈沖進(jìn)行響應(yīng)的裝置所限定，卽代表某回波脈沖的時隙的另一端點在前一周期的回波脈沖產(chǎn)生后的一個給定時間產(chǎn)生。
7.根據(jù)前面任一權(quán)項，為了采用重復(fù)發(fā)射脈沖的設(shè)備，以便使回波信號的周期均被收到，本設(shè)備中為保存在某周期中產(chǎn)生的上述表征信號或在下一周期顯示這個表征信號的裝置，它保證在下個周期中，由于信號接收不良而造成與回波脈沖有關(guān)的上述時隙無法被限定時，仍有表征信號的儲存和顯示。
8.根據(jù)權(quán)項7，本設(shè)備中的取樣-保持裝置，它保存上述的表征信號，並且含有對幅度低于給定電平的該脈沖進(jìn)行響應(yīng)的開關(guān)裝置，以防止取樣-保持裝置的刷新。
9.根據(jù)前面任一權(quán)項，為了進(jìn)行海底分類的回波探測，本設(shè)備中上述的響應(yīng)裝置，其作用是限定一個提取第二海底回波分量之前沿的時隙。
10.處理回波信號的方法，其中包括接收回波信號的步驟和回波信號的分析，在分析信號過程中，包括著回波信號里某一脈沖的識別，這個脈沖前沿的識別，該前沿下的面積的積分這幾個獨特的方法。
11.根據(jù)權(quán)項10的一種方法，此方法內(nèi)容有回波信號通過向海底發(fā)射脈沖而得出。上述要識別的脈沖就是海底回波脈沖。
12.根據(jù)權(quán)項11的一種方法，此方法內(nèi)容有向海底發(fā)射一列脈沖，在回波每一周期中的任一時刻發(fā)生的海底回波的識別，多個海底脈沖中連續(xù)的幾個海底脈沖之前沿下的面積積分和平均。
13.以處理由發(fā)射一系列脈沖所得的回波信號為目的的幾個裝置，它們包括對每一周期的回波信號中具有給定性質(zhì)的一個回波信號進(jìn)行響應(yīng)的定時裝置，其作用是限定一個相對于上述回波脈沖同步的時隙;回波信號特性的儲存裝置;對現(xiàn)存特性的顯示裝置;根據(jù)上述時限對輸入存儲裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的取樣裝置，被存儲的特性代表著在某些周期的給定時隙中提取的回波信號部分;對于在控制取樣裝置中的回波信號的某個周期里，上述回波脈沖一經(jīng)缺位就響應(yīng)的裝置，它的作用是防止取樣，從而防止存儲裝置的刷新。
14.根據(jù)權(quán)項13，本設(shè)備中的積分裝置，它的作用是通過對回波信號的積分來得到上述特征。
15.根據(jù)權(quán)項14，本設(shè)備中的存儲裝置，它包括容量和上述取樣裝置，而取樣裝置又包括與積分和儲存裝置相連的可控耦合開關(guān)。
16.配備有權(quán)項1至9和13至15中的任一項裝置的聲納和雷達(dá)設(shè)備。
17.配備有權(quán)項1至8和13至15中的任一項裝置的醫(yī)用超聲波診斷儀。
18.裝有發(fā)射裝置和接收裝置的設(shè)備。其中發(fā)射裝置能在具有水平分量的某一方向上，以超聲頻率發(fā)射一串聲脈沖。接收裝置能處理由于發(fā)射脈沖而得到的回波脈沖，它又包括限定時隙的裝置，它的作用是在一定的距離之內(nèi)提取由反射造成的回波中的信號;在每一周期中對所提取的信號進(jìn)行平均的裝置。
19.根據(jù)權(quán)項18，裝配有對上述的時隙的至少一個端點的定時調(diào)節(jié)裝置的設(shè)備。
20.根據(jù)權(quán)項19，裝配有調(diào)節(jié)脈沖的發(fā)射時間這一裝置的設(shè)備。
21.以由水聲發(fā)射接收器的回波信號來檢測海底性質(zhì)為目的而給出的一種電路，它包括限定回波信號提取時隙的一個裝置，所提取的回波信號是第一海底回波分量，或者至少是其它某一個海底回波分量;一個處理被提取分量的裝置，它的作用是，當(dāng)此分量的寬度超過一個可調(diào)值時，產(chǎn)生一個寬度信號。
22.根據(jù)權(quán)項21，一個具有限定裝置的電路，這一裝置對回波信號的響應(yīng)是，提取第二或隨后的海底回波分量。
23.根據(jù)權(quán)項21或22，一個具有限定裝置的電路，其作用是，在回波信號里，將某一個給定的海底回波分量其前方和后方的所有海底回波分量進(jìn)行屏蔽。
24.根據(jù)權(quán)項21、22或23，包含有門限裝置的電路，用它來限定一個信號電平，而這個信號電平又限定了上述寬度。
25.根據(jù)權(quán)項21至24中的任一項，包含有處理裝置的電路，它含有對由被提取的分量產(chǎn)生的屏蔽信號進(jìn)行限定的裝置;將屏蔽信號與被提取分量的延遲信號進(jìn)行比較的裝置，其目的是當(dāng)上述延遲信號的后延在屏蔽信號的后沿之后發(fā)生時，提供上述的寬度信號。
26.根據(jù)權(quán)項25，具有能在寬度信號發(fā)生時，對屏蔽信號的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置的電路，而這一裝置是用來改變上述寬度的。
27.用于水聲發(fā)射-接收設(shè)備的一個電路。電路的作用是當(dāng)魚群存在時提供一個指示。其電路包括對這類設(shè)備的回波信號進(jìn)行響應(yīng)的裝置，其作用是限定一個因響應(yīng)第一海底回波分量而終止的時隙;利用上述時隙來提取回波信號某一部分的裝置;一個提供可調(diào)延遲的裝置，這一延遲是為了使回波信號在相對于上述時隙的時間內(nèi)能夠移動，因此相對于時隙的深度可以改變，更重要的是這樣一來，第一海底回波分量不再被包括在上述的提取部分之內(nèi)。
28.根據(jù)權(quán)項27，一個有下述功能的電路，它能限定時隙的起始點，使其處于響應(yīng)上一個第一海底回波分量的時刻。
29.一種對接近海底的魚類的探測方法，它包括向海底重復(fù)地發(fā)射一個信號;檢測海底回波，以便在每一周期中限定一個由海底回波終止的時隙;用這一時隙提取每一周期中回波信號的一部分;相對于上述時隙在回波中引入一個延遲;調(diào)節(jié)這一延遲直至被提取的部分實質(zhì)上為零，從而使時隙實質(zhì)上在海底終止;進(jìn)而給出被提取部分的值作為一種魚群的顯示。
30.一種用于水聲發(fā)射-接收設(shè)備的電路，其作用是提供海底狀況的說明。它包括對回波信號進(jìn)行響應(yīng)的定時電路，從而限定一個包括至少二個海底回波信號的時隙;對上述時隙中所接收的回波信號進(jìn)行積分的裝置;提供這個積分值的顯示裝置。
31.根據(jù)權(quán)項30，一種定時裝置的電路，它能提供一個包含所有海底回波分量的時隙。
32.根據(jù)權(quán)項31，一種定時裝置的電路，它能提供一個包含第二海底回波分量而不包含其第一分量的時隙。
33.根據(jù)權(quán)項32，一種定時裝置的電路，它能提供一個包含所有海底分量但不包含其第一分量的時隙。
34.一種用于由水聲發(fā)射-接收裝置設(shè)備的回波信號來測定海底性質(zhì)的電路。它包括一個限定時隙的裝置，其作用是從回波信號中提取第二或者隨后某個海底回波分量;一個對被提取分量積分從而給出其能量指示的裝置。
35.根據(jù)權(quán)項9和13至16中的任意一項，或者根據(jù)權(quán)項21至26和30至34中的任意一項，為了限定一個提取海底第二或第三分量的時隙，一個數(shù)字式計數(shù)器，其作用是，從開始發(fā)射脈沖到收到第一回波分量，此期間計數(shù)器沿一個計數(shù)方向計數(shù)，而后則沿另一個計數(shù)方向計數(shù)，這樣就在實質(zhì)上給出了第二海底回波分量發(fā)生時的期望時間。
專利摘要
本文揭示了一種信號處理專用電路，用它來處理回聲探測器的回波信號，從而提取了回波信號中海底回波分量的前沿，給出了幾個相繼的前沿下的平均面積的讀數(shù)。號外，本文還揭示了對第二及隨后的海底回波的處理。處理過程由包含下列元件的取樣一保持電路來完成，這些元件及其功能為積分器(34)；第一開關(guān)(33)，將所需要的回波信號部分接到積分器；儲存裝置(C2)，儲存積分值以備顯示；第二開關(guān)(35)，使其有選擇地把積分器中的數(shù)值送往儲存裝置。
文檔編號G01S7/52GK85101658SQ85101658
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者大衛(wèi)柏恩斯 申請人:塞柏投資有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan