Гидроакустическое передающее устройство

Изобретение относится к области спецтехники и предназначено для использования в многоканальных гидроакустических системах локации, навигации и связи.
Известны высокоэффективные гидроакустические передающие тракты, основанные на ключевом режиме работы силовых каскадов (ключевых усилителей) и содержащие последовательно соединенные компаратор, ключевой усилитель, согласующее устройство и нагрузку - гидроакустический преобразователь, а также генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора.
В таких устройствах входной сигнал преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые усиливаются по мощности высокоэффективным ключевым усилителем, а согласующее устройство (представляющее собой либо фильтр нижних частот, либо полосовой фильтр) выделяет на нагрузке полезные спектральные составляющие, соответствующие входному сигналу. В таких устройствах фаза сигнала на выходе ключевого усилителя совпадает с фазой входного сигнала, а фаза сигнала на входе гидроакустического преобразователя определяется фазовой характеристикой согласующего устройства совместно с гидроакустическим преобразователем (пьезокерамическим преобразователем, имеющим сильно выраженную реактивную составляющую входного импеданса). Причем реактивная и активная составляющие входного импеданса гидроакустического преобразователя сильно зависят как от внешних условий (глубины погружения, температуры и солености воды), так и от технологии изготовления преобразователей. Вследствие этого фаза сигнала, прикладываемого к гидроакустическому преобразователю, а следовательно, и фаза излучаемого сигнала может существенно изменяться как в процессе эксплуатации устройства, так и при изменении частоты входного сигнала.
Данное обстоятельство снижает мощность излучения в заданном направлении в многоканальных передающих системах, основанных на работе нескольких передающих устройств на систему гидроакустических излучателей с заданным амплитудным и фазовым распределением излучаемых сигналов. Это приводит как к уменьшению дальности действия гидроакустических систем, так и снижению скрытности их работы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству как по технической сущности, так и составу блоков, является гидроакустический передающий тракт.
Известное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные компаратор 19, коммутатор 5, ключевой усилитель 16, согласующее устройство 17, гидроакустический преобразователь 18, причем выходы коммутатора 5 соединены со входами логического сумматора 12, выход которого подключен к первому входу управляемого делителя 4 частоты, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора 1, а выход - через детектор 2 временного сдвига с управляющим входом коммутатора 6, причем другой вход детектора 2 временного сдвига соединен с выходом компаратора 19, а второй вход компаратора 19 - с выходом согласующего устройства 17.
Работает известный гидроакустический передающий тракт следующим образом. На выходе компаратора 19 формируется импульсный сигнал, модулированный по длительности, как результат сравнения входного сигнала и сигнала на выходе согласующего устройства 17. Коммутатор 5 обеспечивает передачу импульсного сигнала с выхода компаратора 19 на соответствующий вход ключевого усилителя 16, в зависимости от длительности пауз в импульсном сигнале на выходе логического сумматора 6 (информация о длительности пауз выделяется с помощью управляемого делителя 4 частоты и детектора 2 временного сдвига), что снижает искажения выходного сигнала в полосе частот. Данное устройство позволяет обеспечить высокую стабильность фазы выходного сигнала в полосе частот существенно (в 3…5 раз и более) ниже резонансной частоты согласующего устройства совместно с гидроакустическим преобразователем (пока сдвиг фазы сигнала на выходе согласующего устройства в полосе, рабочих частот не превышает 20…40%). В гидроакустических передающих трактах большой мощности, работающих в достаточно узкой полосе частот, для обеспечения наибольшей энергетической эффективности используют гидроакустические преобразователи, имеющие собственный резонанс вблизи рабочей частоты, и согласующее устройство 8 обеспечивает близкий к активному характер сопротивления нагрузки на выходе ключевого усилителя 7 на рабочих частотах. На практике это достигается построением согласующего устройства 8 в виде колебательного контура, в состав которого входит и гидроакустический преобразователь, причем эффективная добротность такого колебательного контура на практике получается достаточно высокой (более 5) и поэтому даже относительно малая расстройка по частоте приводит к существенному (до 90°) повороту фазы напряжения на выходе согласующего устройства. В таких условиях известный гидроакустический передающий тракт не позволяет стабилизировать фазу выходного сигнала с точностью более чем 30…40° (см. статью "Особенности амплитудных и частотных характеристик усилителей с адаптивной широтно-импульсной модуляцией'' - Известия ЕУЗов СССР. Радиоэлектроника, 1980 г., т. XXIII, №8, с. 92-94), что является недопустимым для многоканальных гидроакустических систем локации и связи. Указанное обстоятельство ограничивает область использования известного устройства в многоканальных гидроакустических системах, где требуется обеспечить заданное фазовое распределение излучаемых сигналов с точностью до 2…3°.
Цель изобретения - повышение точности фазового распределения излучаемых сигналов.
Поставленная цель достигается в гидроакустическом передающем тракте, содержащем коммутатор, логический сумматор, и последовательно соединенные ключевой усилитель, согласующее устройство и гидроакустический преобразователь, причем выход согласующего устройства через компаратор соединен с первым входом детектора временного сдвига, а также тактовый генератор, выход которого соединен со входом управляемого делителя частоты, посредством введения в его состав реверсивного счетчика, схемы совпадения, формирователя импульсов, первого и второго управляемого ключа, фиксаторов уровня и управляемых схем задержки, входы синхронизации которых подключены к выходу тактового генератора, а также - фазового дискриминатора, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и первыми входами первого и второго фиксаторов уровня, выход каждого из которых соединен с управляющим входом, соответственно, первого и второго управляемого ключа, входы которых соединены с выходом детектора временного сдвига и входом управляемого делителя частоты, выход которого соединен со входом коммутатора, причем входы младших разрядов реверсивного счетчика соединены с выходами коммутатора, а старших разрядов - с выходами первого и второго управляемых ключей, выходы же реверсивного счетчика соединены со входами схемы совпадения, логического сумматора и первой и второй управляемых схем задержки, сигнальные входы которых соединены со вторыми входами детектора временного сдвига и фазового дискриминатора, а также входом устройства, а их выходы - со входами формирователя импульсов, выход которого соединен со входом ключевого усилителя, причем ко второму входу первого фиксатора уровня подключен выход схемы совпадения, а к выходу второго фиксатора уровня - выход логического сумматора.
Введение в известное устройство перечисленных выше блоков с соответствующими связями позволяет стабилизировать фазу выходного сигнала (по отношению к входному) с точностью до единиц (и даже долей) градуса, благодаря регулированию фазового положения импульсов на входе ключевого усилителя по результату сравнения временного положения входного сигнала и сигнала на выходе согласующего устройства.
Авторам и заявителю неизвестны устройства, в которых использование отличительных признаков заявляемого устройства (фазового дискриминатора, реверсивного счетчика, формирователя импульсов, схемы совпадения и двух фиксаторов уровня, управляемых ключей и управляемых схем задержки) приводит к достижению той же цели - повышению точности фазового распределения излучаемых сигналов. На этом основании данные отличия следует считать существенными и новыми.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 приведены структурная схема предлагаемого устройства, а на фиг. 3 и 4 - эпюры напряжений, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит тактовый генератор 1, детектор 2 временного сдвига и фазовый дискриминатор 3, вторые входы которых соединены со входом устройства, управляемый делитель 4 частоты, вход которого подключен к выходу тактового генератора 1, а выходом - ко входу коммутатора 5, управляемые ключи 6 и 7, входы которых соединены с выходом детектора 2 временного сдвига, фиксатор 8 уровня, выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 7, фиксатор 9 уровня, выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 6, реверсивный счетчик 10, входы младших разрядов которого подключены к выходу коммутатора 5, а входы старших разрядов - к выходам управляемых ключей 6 и 7, схему совпадения 11, выход которой соединен со входом первого фиксатора 8 уровня и логический сумматор 12, выход которого соединен со входом второго фиксатора 9 уровня, первая 13 и вторая 14 управляемые схемы задержки, управляющие входы которых соединены с выходом реверсивного счетчика 10 и входами схемы 11 совпадения и логического сумматора 12, а также последовательно соединенные формирователь 15 импульсов, ключевой усилитель 16, согласующее устройство 17 и гидроакустический преобразователь 18, вход которого через компаратор 19 соединен с первыми входами детектора 2 временного сдвига и фазового дискриминатора 3, причем входы формирователя импульсов 15 подключены к выходам управляемых схем 13 и 14 задержки.
На фиг. 3 и 4 напряжение с индексом 1 - напряжение на входе устройства, 2 - на выходе формирователя 15 импульсов, 3 - на выходе компаратора 19, 4 - на выходе детектора 2 временного интервала, 5 - на выходе управляемого делителя 4 частоты, 6 - на выходе схемы 11 совпадения, 7 - на выходе логического сумматора 12, 8 - на выходе второго управляемого ключа 7 (подключенного ко входу обратного счета по старшим разрядам реверсивного счетчика 10), 9 - на выходе управляемого ключа 6, 10 - на первом выходе коммутатора 5 (подключенного ко входу прямого счета счетчика 10), 11 - на втором выходе коммутатора 5 (подключенного ко входу обратного счета счетчика 10), 12 - на выходе первого фиксатора 8 уровня, 13 - на выходе фазового дискриминатора 3, 14 - на выходе второго фиксатора 9 уровня.
Тактовый генератор 1 - импульсный генератор (например, мультивибратор).
Детектор 2 временного сдвига может быть реализован на логических элементах совпадения. Его выходной сигнал имеет период, равный входному сигналу, и длительность импульсов (например, нулевого логического уровня), равную длительности временного сдвига между входным сигналом U1 и сигналом компаратора 19 (см. фиг. 3 и 4 - U4).
Фазовый дискриминатор 3 имеет положительный сигнал, если сигнал на выходе компаратора 19 опережает по фазе входной сигнал U1, и нулевой, если отстает (см. фиг. 3 и 4 - U13) с точностью до 2π. Он выполнен на Д-триггере. Управляемый делитель 4 частоты при нулевом сигнале на его управляющем входе делит частоту сигнала U1 в заданное число к раз (например, к≈10). При единичном управляющем сигнале он обнулен. Коэффициент деления делителя 4 определяет скорость отработки системы стабилизации фазы. При увеличении к скорость регулирования фазы выходного сигнала падает. В реальных устройствах к≈8…32, т.е. изменение фазы выходного сигнала за его период составляет от 1/8 до 1/32 разности фаз. входного U1 и выходного U3 сигналов (U4). Это снижает до необходимого уровня быстродействие системы и обеспечивает ее устойчивую работу, т.к. большие изменения фазы сигнала на входе согласующего устройства приводят к длительным переходным процессам (определяемым добротностью согласующего устройства 17 совместно с гидроакустическим преобразователем 18), которые могут привести к увеличению времени установления фазы выходного сигнала и даже к возбуждению устройства и выходу из строя ключевого усилителя. Для реальных сигналов в гидроакустических передающих трактах неизменной частоты линейной частотной и другой модуляцией достаточным является время установления фазы выходного сигнала до десятков периодов входного сигнала (что легко реализуется на практике при к≈8…32). Данный блок выполняется на стандартных счетчиках (делителях) серий 130, 133 и др.
Коммутатор 5 построен на микроэлектронных схемах совпадения и осуществляет при положительном управляющем сигнале U13 соединение входа с его первым выходом (U10), при этом U1 = "1", либо при нулевом управляющем сигнале U13 - соединение входа с его вторым выходом (U11), при этом U10 = "1" (см. фиг. 3 и 4).
Управляемые ключи 6 и 7 построены по одинаковым схемам и при единичном управляющем сигнале (U14 или U12) имеют единичный выходной сигнал (U9 и U8) - см. фиг. 3. При нулевом управляющем сигнале (U14 или U12) соответствующий управляющий ключ 6 или 7 обеспечивает прохождение на выход (U9 или U8) сигнала U4, который поступает далее на один из входов реверсивного счетчика 10 и изменяет коды на его выходе по старшим разрядам (фиг. 4).
Фиксаторы 8 и 9 уровня могут быть выполнены на R-S триггерах и нулевой сигнал на их вторых входах (U6 или U7) переводит фиксаторы уровня в нулевое состояние (U12 или U14), а нулевой сигнал U13 возвращает их в единичное состояние (см. фиг. 4).
Реверсивный счетчик 10 выполнен на соответствующих счетчиках в микроэлектронном исполнении (например, 133ИЕ7) и сигналы U10 и U11 обеспечивают, соответственно, счет в прямом и обратном направлении по младшим разрядам, а сигналы U9 и U8 аналогично по старшим разрядам (для более быстрого изменения выходного кода счетчика 10). На выходе его формируется сигнал в параллельном двоичном коде, число разрядов которого определяет точность стабилизации фазы в устройстве.
Схема 11 совпадения представляет собой элемент "И", и на ее выходе формируется нулевой сигнал U6 (фиг. 4) при заполнении всех разрядов реверсивного счетчика 10 единицами (полный счет), что показывает, что дальнейшая задержка выходного сигнала (U2) невозможна (диапазон счета исчерпан), т.е. задержка сигнала в тракте превысила π, и необходимо для стабилизации фазы выходного сигнала обеспечить временной сдвиг сигнала U2 в обратном направлении (см. фиг. 4).
Аналогично, при минимальном (нулевом) коде сигнала на выходе реверсивного счетчика 10 формируется нулевой управляющий сигнал на выходе логического элемента 12 - он выполнен на элементе ИЛИ-НЕ.
Управляемые схемы 13 и 14 задержки служат для задержки соответственно фронта и спада входных импульсов U1 на величину, определяемую кодом на выходе реверсивного счетчика 10. Они могут быть построены на основе счетчиков, либо регистров сдвига, в которые записывается код с выхода реверсивного счетчика 10, и сигнал на их выходе появляется после установленного времени от фронта и спада сигнала U1.
Формирователь 15 импульсов формирует импульсы, начинающиеся по сигналу с управляемой схемы 13 задержки и оканчивающиеся по сигналу с выхода управляемой схемы 14 задержки. Он может быть выполнен на Д-триггере.
Ключевой усилитель 16 может быть построен по мостовой или полумостовой схемам как на тиристорах, так и на транзисторах, и служит для усиления до требуемого уровня мощности сигнала U2 формирователя 16 импульсов.
Согласующее устройство 17 служит для согласования гидроакустического преобразователя с ключевым усилителем 16 и, как правило, содержит трансформатор и колебательный контур, настроенный совместно с гидроакустическим преобразователем в рабочем диапазоне примерно в резонанс (в заводских условиях). При эксплуатации тракта вследствие изменения параметров гидроакустического преобразователя 18 (под воздействием внешних условий - температуры, давления, воды и т.п.) эта настройка нарушается. При работе в полосе частот согласующее устройство настраивается на среднюю частоту, а эквивалентную добротность колебательной системы (для расширения полосы частот) стремятся сделать по возможности минимальной, однако она в основном определяется параметрами гидроакустического преобразователя и на практике не может быть ниже 4…5.
Гидроакустический преобразователь 18 представляет собой пьезокерамический преобразователь и служит для преобразования электрического сигнала в акустический.
Компаратор 19 из квазисинусоидального сигнала формирует импульсный сигнал U3, фронты и спады которого совпадают с моментами перехода через ноль сигнала на выходе согласующего устройства 17 (на гидроакустическом преобразователе 18). Он может быть построен на базе микроэлектронного компаратора с нулевым порогом.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
0
0
Пусть в начале рассматриваемого интервала времени управляемые схемы 13 и 14 создают некоторую задержку, определяемую кодом на выходе реверсивного счетчика 10. Входной сигнал U1 проходит через управляемые схемы 13 и 14 задержки и формирователь импульсов с некоторой задержкой U2. Сигнал U2, усиленный ключевым усилителем 16, прикладывается ко входу согласующего устройства 17. На выходе компаратора 19 формируется сигнал U3, совпадающий по фазе с сигналом на входе гидроакустического преобразователя, и отстающий от сигнала U2 на интервал τ (определяемый параметрами согласующего устройства 17 и гидроакустического преобразователя 18). Полное отставание сигнала U3 от входного сигнала U1 в данном случае (фиг. 3) превышает π и фазовый дискриминатор 3 формирует положительный сигнал U13, соответствующий опережению выходного сигнала U3 по отношению к сигналу U1. Детектор временного сдвига формирует сигнал U4 длительностью τ, равной опережению сигналом U3 сигнала U1. В течение этого интервала τ времени сигнал тактового генератора 1 через управляемый делитель 4 частоты передается на вход коммутатора 5 - U5 (частота заполнения импульсов τ в "к" раз ниже частоты тактового генератора 1). Сигнал U5 передается через коммутатор 5 на вход прямого счета реверсивного счетчика 10 - U10 (т.к. на управляющем входе коммутатора присутствует положительный сигнал U13). Вследствие этого код на выходе реверсивного счетчика 10 (задающий интервал задержки сигнала U2) увеличивается на величину, пропорциональную τ и обратно пропорциональную "к" (к = const). При этом сигнал U13 поддерживает фиксаторы 8 и 9 уровня в единичном состоянии и сигналы через управляемые ключи 6 и 7 не проходят. Вследствие увеличения кода на входах управляемых схем 13 и 14 задержки пропорционально возрастает вносимая ими задержка и рассогласование временного положения импульсов U3 относительно U1 уменьшается (примерно на величину τ/K на каждом периоде входного сигнала). Таким образом, устройство работает до тех пор, пока сигнал U13 на выходе фазового дискриминатора 3 не изменит величину - это произойдет на следующем периоде после полной компенсации задержки τ и перекомпенсации (т.е. уже отставанию U3) на минимальную величину (определяемую периодом Т тактового генератора) меньше Т. Переключение фазового дискриминатора 3 приводит к переключению сигналом U13 коммутатора 5 и, следовательно, уменьшению отставания U3 от U1, что приведет к опережению U3 по отношению к U1 на величину, меньшую Т. Следовательно, сигнал U3 с точностью до Т будет повторять сигнал U1, чем и обеспечивается стабильность фазы выходного сигнала U3 (см. фиг. 3), причем любые изменения параметров гидроакустического преобразователя (фазовой характеристики согласующего устройства 17 совместно с гидроакустическим преобразователем 18) не приведут к изменению фазы выходного сигнала U3 - это изменение будет скомпенсировано за несколько периодов входного сигнала с точностью до Т. На практике легко достигается точность поддержания фазы выходного сигнала U3 на уровне долей градуса.
1
В случае, если выходной сигнал U3 опережает входной U1 (либо отстает) на величину, превышающую возможность задержки (либо опережения) сигнала U2 управляемыми схемами 13 и 14 задержки (т.е. более π), то в момент времени t с выходов реверсивного счетчика 10 снимется сигнал о полном счете и с выхода схемы совпадения 11 (либо логического сумматора 12) поступает нулевой потенциал U6, переключающий фиксатор 8 уровня - U12 и включающий управляемый ключ 7, в результате чего сигнал U8, воздействуя на старшие разряды реверсивного счетчика 10, достаточно быстро уменьшает время задержки сигнала U2 до тех пор, пока не изменится сигнал U13 на выходе фазового дискриминатора (т.е. не произойдет отставание сигнала U3 по отношению к сигналу U1). С этого момента сигнал U5 передается через коммутатор 5 на вход обратного счета реверсивного счетчика 10 (U11) и в устройстве обеспечивается уменьшение времени задержки U2 (см. фиг. 4) до тех пор, пока U3 не совпадет с U1 с точностью до Т (т.е. устройство работает аналогичным образом, как проиллюстрировано на фиг. 3 и описано ранее).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет стабилизировать фазу выходного сигнала (по отношение к входному) с любой заданной точностью при любом фазовом сдвиге, вносимом выходной системой передающего тракта (согласующим устройством и гидроакустическим преобразователем). В реальных условиях точность стабилизации фазы может превышать доли градуса во всей полосе частот работы гидроакустического передающего тракта при процессе установления на превышающем 10…20 периодов сигнала. Известное же устройство не позволяет стабилизировать фазу выходного сигнала с точностью более 10…20°. Таким образом, предлагаемое устройство обладает в десятки раз большей точностью стабилизации фазы выходного сигнала, что и определяет его технико-экономическую эффективность при использовании в многоканальных гидроакустических системах локации и связи (за счет повышения дальности при снижении общей мощности излучения).
Испытания макета предлагаемого устройства в натурных условиях подтвердили его технические преимущества по отношению к известным гидроакустическим передающим трактам.