ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ТРАКТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к гидроакустическим средствам с использованием режима параметрического излучения.
1
2
1
2
1,2
1,2
При работе в режиме параметрического излучения в водную среду одновременно, из одного и того же источника и в одном направлении излучаются два высокочастотных (ВЧ) сигнала, с частотами колебаний f и f, близкими по значениям. Вследствие нелинейного взаимодействия этих сигналов, называемых сигналами накачки, в воде образуется сигнал разностной частоты F=|f-f|<<f. Диаграмма направленности (ДН) на низкой частоте F в области главного максимума ДН практически совпадает с ДН на высоких частотах f, что позволяет сформировать узконаправленное излучение сигнала на низкой частоте малым по размеру раскрыва источником ВЧ излучения.
Излучение двухчастотного ВЧ-сигнала в водную среду осуществляется трактом возбуждения параметрического излучения, состоящим из высокочастотных формирователя сигнала возбуждения, усилителя мощности и гидроакустической антенны, которую называют источником сигналов накачки. Гидроакустическая антенна обычно является многоэлементной (по аналогии с радиотехническими антеннами многоэлементные гидроакустические антенны называют дискретными антеннами, или антенными решетками); элементами гидроакустической антенны являются гидроакустические преобразователи (в дальнейшем - преобразователи).
1,2
1
2
Различают одноканальную и двухканальную схемы трактов возбуждения. При одноканальной схеме в формирователе образуется сигнал возбуждения со спектром из двух частот f. После усиления по мощности сигнал поступает на гидроакустическую антенну. В двухканальную схему тракта входят два формирователя и усилителя мощности для сигналов возбуждения с частотами f и f, а гидроакустическая антенна разделена на две части, возбуждаемые разными каналами. Достоинства и недостатки разных схем тракта возбуждения изложены в книге [1].
Известны способы и устройства, в которых предлагается построение тракта возбуждения параметрического излучения. В патентах [2-4] предлагаются одноканальные схемы тракта возбуждения, которые не эффективны при излучении широкополосного сигнала и к которым предъявляются высокие требования по линейности усилителя мощности, но одноканальные схемы реализуются более простой по конструкции гидроакустической антенной. В патенте [5] антенна разделена на две части, что снижает эффективность нелинейного взаимодействия сигналов частот накачки. В патентах [6, 7] используется двухканальный тракт возбуждения, а гидроакустическая антенна представляет собой две вложенные друг в друга подрешетки преобразователей, что антенны повышает эффективность формирования сигнала разностной частоты F, как указано в [1].
1
2
Во избежание появления дополнительных лепестков ДН, равных основному, преобразователи гидроакустической антенны должны располагаться таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами соседних преобразователей d было менее λ/2 [8], где λ - длина волны сигнала, излучаемого антенной. В случае вложенных подрешеток преобразователей необходимо выдержать условие d≤λ/2 для подрешеток каждого канала в отдельности, что возможно только для «точечных» преобразователей, т.е. для преобразователей с размером излучающей поверхности менее λ/4. Преобразователи такого размера малоэффективны и не используются в гидроакустических антеннах [8]. При одноканальном возбуждении гидроакустической антенны такой проблемы не возникает, т.к. на каждый преобразователь антенны одновременно поступают сигналы частот накачки f и f.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением по техническим и функциональным характеристикам является двухканальный тракт возбуждения параметрической излучающей антенны, представленный в книге [1, стр.138-142], где указано, что имеется проблема построения антенны при двухканальном возбуждении, но не предлагаются конкретные технические решения, а в патентах [5-7] эта проблема даже не упоминается. Техническое решение по построению двухканальной схемы тракта возбуждения [1, стр.138-142] принято за прототип.
Устройство-прототип состоит из двухканального формирователя, каждый канал которого последовательно соединен с соответствующим каналом двухканального усилителя мощности, а после того - с одной из подрешеток гидроакустической антенны. Антенна состоит из М преобразователей и разделена на две вложенные друг в друга подрешетки, в каждую из которых входит по М/2 преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.
Устройство-прототип [1] имеет следующие недостатки:
- физически невозможно разместить преобразователи одной подрешетки на расстояниях, не превышающих λ/4; размещение соседних преобразователей на расстояниях более λ/4 приводит к появлению максимумов ДН, равных или практически равных основному;
- чтобы решетки были идентичными, в них должно содержаться одинаковое количество преобразователей, а общее количество преобразователей должно быть четным; такое требование не всегда удается выполнить по конструктивным соображениям, а при небольшом количестве преобразователей подрешетки будут значительно отличаться.
Общими задачами заявляемой полезной модели при построении тракта параметрического излучения являются:
- обеспечение положительных свойств одноканальной схемы возбуждения (конструктивные - равномерное размещение преобразователей антенны и отсутствие требования четного количества преобразователей в антенне, полевые - отсутствие дополнительных максимумов ДН, близких по уровню к основному) при исключении отрицательных качеств двухканальной схемы возбуждения, связанных с необходимостью размещения преобразователей на расстояниях d≤λ/4, а также четного количества преобразователей в антенне;
- сохранение всех положительных свойств двухканальной схемы возбуждения при одновременном обеспечении положительных свойств одноканальной схемы возбуждения.
Техническими результатами предлагаемого устройства являются:
1
2
- возможность равномерного размещения преобразователей гидроакустической антенны (источника двухчастотного сигнала накачки) при выполнении условия для расстояния d между фазовыми центрами соседних преобразователей антенны λ/4<d≤λ/2, где λ=c/f, f=(f+f)/2 - средняя частота сигнала накачки;
- исключение требования четного общего количества преобразователей в гидроакустической антенне.
Для достижения заявляемого технического результата в двухканальный тракт параметрического излучения, содержащий первый и второй формирователи сигналов, соединенные соответственно через первый и второй усилители мощности с двухканальной многоэлементной гидроакустической антенной, состоящей из М стержневых пьезокерамических преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, введены новые признаки: электрод каждого стержневого пьезокерамического преобразователя выполнен в виде двух равных по площади и изолированных электрически друг от друга частей, причем первая часть электрода каждого стержневого пьезокерамического преобразователя соединена с выходом первого усилителя мощности, а его вторая часть соединена с выходом второго усилителя мощности.
Введение новых блоков и связей в предлагаемое устройство обеспечивает заявленные технические результаты.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2. На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - варианты электродов стержневого пьезокерамического преобразователя гидроакустической антенны (возможны и другие способы формирования электрода).
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит электрически не связанные первый и второй формирователи 1, 2. Формирователи 1 и 2 соединены с первым и вторым усилителями мощности 3, 4, соответственно Многоэлементная гидроакустическая антенна 5 состоит из М стержневых пьезокерамических преобразователей 6. Электрод каждого преобразователя 6 разделен на две части, равные по площади и не соединенные электрически (расстояние между электродами Δ, как показано на фиг.2). В антенне 5 все первые части электродов преобразователей 6 соединены электрически, так же электрически соединены все вторые части электродов преобразователей 6. Первый усилитель мощности 3 соединен с первыми частями электродов, а второй усилитель мощности 4 соединен со вторыми частями электродов преобразователей 6.
Предлагаемое устройство состоит из известных по конструкции и принципу работы аналоговых и аппаратно-программных (цифровых) средств. К аналоговым относятся гидроакустическая антенна 5 с преобразователями 6, а также усилители мощности 3, 4; цифровыми (аналого-цифровыми) являются формирователи 1, 2 сигналов возбуждения. Конструктивно оба канала формирователя и усилителя мощности могут быть выполнены в виде единого блока (прибора).
Формирователи 1, 2 предназначены для формирования сигналов возбуждения заданного спектрального состава. Эти сигналы могут быть непрерывными или импульсными с необходимыми длительностями и скважностями. Заполнение импульса может быть гармоническим сигналом или сигналом сложной формы (широкополосное излучение), реализуемым программируемым синтезатором сигналов. При необходимости один из сигналов может быть простым (с гармоническим заполнением), а другой сигнал - с заполнением сигналом сложной формы.
Усилители мощности 3, 4 предназначены для линейного усиления поступающих из формирователей 1, 2 сигналов; в состав каждого усилителя мощности входит устройство согласования с нагрузкой (не показано на фиг.1).
Многоэлементная гидроакустическая антенна 5 состоит из М стержневых пьезокерамических преобразователей 6, предназначена для преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний (акустическую) и формирования заданной ДН.
Расстояние Δ выбирается из условия выполнения отсутствия электрического контакта, а также выполнения условий на электрический пробой.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
2
1,2
1
2
Каждый из формирователей 1 и 2 формирует сигнал возбуждения заданного спектрального состава, причем формирователь 1 формирует сигнал частоты f, а формирователь 2 - частоты f. Сформированные сигналы частот f поступают на вход усилителей мощности 3, 4, в которых усиливаются. После усилителей мощности сигнал с первого канала (формирователь 1 и усилитель мощности 3, частота f) подается на первые части электродов преобразователей 6, а сигнал со второго канала (формирователь 2 и усилитель мощности 4, частота f) - на вторые части электродов преобразователей 6.
Поскольку преобразователи 6 антенны 5 являются линейными устройствами, акустическое давление P(t), развиваемое антенной 5, связано с напряжением U(t), подаваемым от усилителя мощности, линейной зависимостью:
1
2
1
2
U(t)=kP(t), где k - константа. По принципу суперпозиции при подаче на каждый преобразователь 6 антенны 5 электрического напряжения, содержащего сигналы частот f и f в воду излучается сигнал накачки, спектр которого содержит частоты f и f.
Таким образом, достигается заявленный технический эффект, заключающийся, во-первых, в возможности равномерного размещения преобразователей в многоэлементной гидроакустической антенне без возникновения лепестков ДН, равных основному; во-вторых, исключается требование о необходимости четного общего количества преобразователей антенны.
Полезная модель может быть использована в различных гидроакустических системах, использующих режим параметрического излучения, в том числе при излучении широкополосного сигнала.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. С.138-142 ПРОТОТИП
2. Патент Германии №19931387. Parametric transmission for echo sounding and underwater communications involves maximizing electroacoustic efficiency of transmission using switched power amplifiers. Публ. 01.02.2001
3. Патент РФ №2149424. Эхолокатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна. Приор. 20.01.1998, публ. 02.05.2000
4. Патент РФ №2247409. Способ высоконаправленного излучения и приема широкополосных гидроакустических сигналов. Приор. 21.07.2003, публ. 27.02.2005
5. Патент Германии №4444942. Underwater telephone system for submarine communications. Публ. 27.06.1996
6. Патент США №5790474. Active sonar for under-ice conditions. Публ. 04.08.1998
7. Патент РФ №2205420. Параметрический акустический локатор. Приор. 20.02.2002, публ. 27.05.2003
8. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л.: Судостроение, 1987