ГЕНЕРАТОРНЫЙ ТРАКТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГИДРОЛОКАТОРА
GENERATING CHANNEL OF PARAMETRIC SONAR

Изобретение относится к акустическим локационным системам, использующим параметрические излучающие системы, формирующие узконаправленные пучки низкочастотных акустических сигналов. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация, геолокация.
В настоящее время для формирования узконаправленных пучков низкочастотных акустических сигналов широко используют так называемые параметрические излучатели, использующие эффект взаимодействия двух или более высокочастотных акустических сигналов в средах, обладающих нелинейностью своих упругих параметров [1]. При этом формирование низкочастотного акустического сигнала происходит в самой среде на всем пути распространения исходных высокочастотных акустических сигналов. Практически все реальные среды характеризуются нелинейностью упругих характеристик и в них можно реализовать параметрические излучатели. Параметрические излучатели являются составными частями различных гидроакустических локационных систем, медицинских приборов, ультразвуковых дефектоскопов и других акустических систем. Наибольшее использование параметрические системы нашли в гидроакустике.
Известны параметрические гидролокаторы [2, 3], генераторные тракты которых содержат два генератора высокочастотных сигналов, выходы которых подключены к двум входам сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом нормально закрытого импульсного модулятора. Управляющий вход импульсного модулятора соединен с выходом импульсного генератора, а выход через усилитель мощности подключен к акустической антенне.
1
2
Первый высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f, а второй - сигнал с частотой f. В сумматоре происходит суммирование этих сигналов, и их сумма поступает на сигнальный вход импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на управляющий вход модулятора и разрешающие прохождение через них суммы высокочастотных сигналов, которые затем поступают на вход усилителя мощности, а с его выхода на акустическую антенну.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора высокочастотных сигналов, импульсный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, акустическая антенна.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность измерения дальности до обнаруженных объектов и уровней сигналов, отраженных от них, отсутствие опорного напряжения с частотой низкочастотного зондирующего сигнала. Это обусловлено тем, что усилитель мощности усиливает сумму двух аналоговых гармонических сигналов с разными частотами. Амплитуда такого сигнала изменяется в пределах от нуля до двойной величины амплитуд исходных гармонических сигналов. Усилитель мощности для неискаженного усиления такого сигнала должен работать в режиме «А» или в режиме «В» с неполным использованием напряжения питания. Эти режимы характеризуются малым коэффициентом полезного действия и большой мощностью, рассеиваемой на активных элементах усилителя. Кроме того, в этих гидролокаторах высокочастотные сигналы, поступающие на акустическую антенну, имеют случайную начальную фазу. Это объясняется тем, что генераторы высокочастотных сигналов и импульсный генератор работают независимо друг от друга, вследствие чего передний фронт видеоимпульса, открывающего импульсный модулятор, может совпадать с любой частью высокочастотных сигналов, в результате радиоимпульсы на их выходах могут начинаться с любой начальной фазы. При подаче на акустическую антенну высокочастотных компонент зондирующего сигнала с разными начальными фазами будет изменяться форма огибающей и фазовая структура излучаемых высокочастотных акустических сигналов. Это приводит к тому, что формируемые в среде лоцирования низкочастотные акустические сигналы, а также низкочастотные эхо-сигналы для разных циклов лоцирования будут иметь случайную начальную фазу. При прохождении напряжений низкочастотных эхо-сигналов с разной начальной фазах в разных циклах лоцирования через избирательные системы приемного тракта также будет изменяться форма огибающей и фазовая структура [4], что приводит к дополнительным погрешностям при определении времени прихода и амплитуды эхо-сигналов для разных циклов лоцирования. После детектирования таких радиоимпульсов получаются видеоимпульсы с различной крутизной фронтов, что дает дополнительную погрешность при определении временных интервалов между началом цикла лоцирования и временем прихода эхо-импульса. Кроме того, в паузе между посылками в генераторном тракте отсутствует опорный сигнал с частотой низкочастотного зондирующего сигнала, использование которого в приемном тракте может обеспечить определение допплеровского смещения частоты эхо-сигналов [5]. Аналогичные генераторные тракты и параметрические акустические локаторы, предложенные в патентах [6-8].
1
2
1
2
1
2
<mrow><mtext>F</mtext><mo>=</mo><mtext>|f1-f2|</mtext></mrow>
В параметрическом акустическом локаторе [1, с.209], имеющем наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым устройством и взятом за прототип, излучающий тракт содержит два генератора высокочастотных сигналов, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго импульсных модуляторов, управляющие входы модуляторов соединены с выходом импульсного генератора. Каждый из выходов импульсного модулятора через усилитель мощности соединен с элементами акустической антенны, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования. Акустическая антенна представляет собой мозаику из пьезоэлементов с резонансными частотами f и f, установленными в общем корпусе [9, с.189-190]. Первый высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f, поступающий на вход первого импульсного нормально закрытого модулятора, второй высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f, поступающий на вход второго импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на управляющие входы модуляторов и разрешающие прохождение через них высокочастотных сигналов, которые затем поступают на входы двух усилителей мощности, а с их выходов на элементы акустической антенны, излучающей в среду лоцирования акустические сигналы с частотами f и f. При распространении в среде лоцирования, в результате нелинейности ее упругих характеристик, происходит взаимодействие этих сигналов и формирование низкочастотного сигнала с разностной частотой
. В данном локаторе каждый из усилителей мощности усиливает гармонический сигнал только одной частоты, имеющий постоянную амплитуду. Поэтому они могут работать в режиме «В» или «D» с малыми мощностями рассеивания на активных элементах усилителей и с высоким коэффициентом полезного действия.
Однако в данном локаторе радиоимпульсы, формируемые на выходе импульсных модуляторов, также имеют произвольную начальную фазу, находящуюся в диапазоне 0-2π. Это обусловлено тем, что генераторы высокочастотных сигналов и импульсный генератор работают независимо друг от друга, поэтому передний фронт видеоимпульса, открывающего импульсные модуляторы, может совпадать с любой частью высокочастотных сигналов. Это приводит к тому, что при подаче высокочастотных компонент зондирующего сигнала с произвольной начальной фазой на акустическую антенну для разных циклов зондирования будет изменяться огибающая и фазовая структура излучаемых акустических сигналов. Формируемый в среде лоцирования низкочастотный акустический сигнал и эхо-сигналы также будут иметь случайную начальную фазу.
При прохождении низкочастотных эхо-сигналов через избирательные системы резонансных усилителей приемного тракта локатора также изменяются огибающая и фазовая структура эхо-сигналов [4], что приводит к дополнительным погрешностям при определении времени прихода и амплитуды эхо-сигналов для разных циклов лоцирования. В паузе между посылками зондирующих сигналов в генераторном тракте отсутствует выработка опорного сигнала с частотой низкочастотного зондирующего сигнала, необходимого, например, для определения допплеровского смещения частоты эхо-сигналов [5].
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотные генераторы, импульсный генератор, импульсные модуляторы, усилители мощности, акустическая антенна.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность измерения дальности до обнаруженных объектов и уровней сигналов, отраженных от них, отсутствие опорного напряжения с частотой низкочастотного зондирующего сигнала. Это обусловленно тем, что радиоимпульсы, формируемые на выходе импульсных модуляторов, имеют произвольную начальную фазу, находящуюся в интервале 0-2π. Формируемый в среде лоцирования низкочастотный акустический сигнал, а также эхо-сигналы будут иметь случайную начальную фазу. После детектирования эхо-сигналов получаются видеоимпульсы с разной крутизной фронтов, что будет давать дополнительную погрешность при определении временных интервалов между началом цикла лоцирования и временем прихода эхо-импульса. При прохождении низкочастотных эхо-сигналов через избирательные системы резонансных усилителей приемного тракта локатора также будет изменяться огибающая и фазовая структура эхо-сигналов [4], что приводит к дополнительным погрешностям при определении времени прихода и амплитуды эхо-сигналов для разных циклов лоцирования. В паузе между посылками зондирующих сигналов в генераторном тракте отсутствует выработка опорного сигнала с частотой низкочастотного зондирующего сигнала, необходимого, например, для определения допплеровского смещения частоты эхо-сигналов [5].
Задачей изобретения является создание генераторного тракта параметрического локатора, обладающего повышенной точностью измерения дальности до обнаруженных объектов и уровней сигналов, отраженных от них, и обеспечивающего формирование опорного напряжения с частотой низкочастотного зондирующего сигнала.
Технический результат изобретения заключается в устранении погрешностей, возникающих при измерении дальности до обнаруженных объектов и уровней сигналов, отраженных от них, обусловленных неидентичностью формируемых зондирующих сигналов для разных циклов лоцирования.
Дополнительный технический результат заключается в формировании опорного напряжения с частотой низкочастотного зондирующего сигнала.
Технический результат достигается тем, что в генераторный тракт параметрического локатора, содержащий импульсный генератор, два генератора высокочастотных сигналов, выход каждого из которых соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора, выходы модуляторов через усилители мощности соединены с элементами акустической антенны, дополнительно введен перемножитель, два входа которого соединены с выходами генераторов высокочастотных сигналов, а выход перемножителя через последовательно соединенные фильтр низких частот и компаратор соединен с управляющим входом D-триггера, вход данных которого соединен с выходом импульсного генератора, а выход D-триггера соединен с управляющими входами импульсных модуляторов.
Устранение погрешностей, возникающих при измерении дальности до обнаруженных объектов, уровней сигналов, отраженных от них, и формирование зондирующих сигналов для разных циклов лоцирования обеспечивается путем генерирования высокочастотных компонент зондирующего сигнала, одинаковых для разных циклов лоцирования, путем формирования в результате их взаимодействии в среде лоцирования низкочастотных акустических сигналов с одинаковыми параметрами.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показана структурная схема генераторного тракта параметрического локатора;
на фиг. 2 приведены эпюры напряжений в различных точках.
Генераторный тракт параметрического гидролокатора содержит: генератор высокочастотных сигналов 1, выход которого соединен с сигнальным входом импульсного модулятора 2 и одним из входов перемножителя 3. Выход второго высокочастотного генератора 4 соединен с сигнальным входом второго импульсного модулятора 5 и со вторым входом перемножителя 3. Выход перемножителя 3 через последовательно соединенные фильтр низких частот 6 и компаратор 7 соединен с управляющим входом D-триггера 8, вход данных которого соединен с выходом импульсного генератора 9. Выход D-триггера 8 соединен с управляющими входами импульсных модуляторов 2 и 5, а выходы модуляторов 2 и 5 через усилители мощности 10 и 11 соединены с элементами 12 и 13 акустической антенны 14.
Работает генераторный тракт параметрического гидролокатора следующим образом.
Генераторы высокочастотных сигналов 1 и 4 вырабатывают синусоидальные сигналы U1 и U2 с частотами соответственно f1 и f2, которые поступают на сигнальные входы нормально закрытых импульсных модуляторов 2 и 5 и на два входа перемножителя 3. На выходе перемножителя 3 получим напряжение U3, которое будет равно
1
2
1
2
1
2
U3=U1cos(ωt)*U2cos(ωt)=½U1*U2[cos(ω-ω)t+cos(ω+ω)t].
Напряжение U3 подается на фильтр низких частот 6, отфильтровывающий высокочастотную компоненту сигнала. Напряжение U4 на выходе фильтра 6 будет равно
1
2
U4=½U1*U2cos(ω-ω)t.
Далее напряжение U4 поступает на вход компаратора 7, на выходе которого формируются видеоимпульсы U5, соответствующие какой-либо части гармонического сигнала U4, например его полуволнам положительной полярности, как это показано на фиг. 2, поступающие затем на динамический вход управления D-триггера 8. На вход данных D-триггера 8 с импульсного генератора 9 поступают видеоимпульсы U6, определяющие длительность и период повторения формируемого зондирующего сигнала, которые зависят от условий лоцирования [10, с.108-110].
На выходе D-триггера формируются видеоимпульсы U7, начало и конец которых будут соответствовать передним фронтам видеоимпульсов U5, формируемых в компараторе 7, то есть в одной и той же фазе сигнала U4. Эти видеоимпульсы поступают на управляющие входы нормально закрытых импульсных модуляторов 2 и 5, открывают их, в результате чего на выходе модуляторов формируются радиоимпульсы U8 и U9, поступающие затем на входы усилителей мощности 10 и 11, а с их выходов - на элементы 12, 13 акустической антенны 14. Радиоимпульсы U8 и U9 для разных циклов лоцирования будут иметь одинаковую начальную фазу.
1
2
1
2
<mrow><mtext>F</mtext><mo>=</mo><mtext>|f1-f2|</mtext></mrow>
Элементы 12 и 13 акустической антенны 14 излучают в среду лоцирования высокочастотные акустические сигналы с частотами f и f. Так как реальные среды (жидкости, газы, твердые тела) обладают нелинейностью своих упругих характеристик, то при распространении в них высокочастотных сигналов с разными частотами f и f будет происходить их взаимодействие и образование низкочастотного зондирующего сигнала с частотой
. Причем при постоянных параметрах исходных высокочастотных сигналов (форма огибающей и фазовая структура) для разных циклов лоцирования этот сигнал будет иметь также постоянные параметры, а именно форму огибающей, значения начальной и конечной фаз для разных циклов лоцирования.
На фиг. 1 и фиг. 2 напряжение U10 эквивалентно зондирующему сигналу, сформированному в среде лоцирования.
1
2
Напряжение U4, формируемое из электрических сигналов U1, U2, имеет такую же частоту, что и акустический зондирующий сигнал, формируемый в среде лоцирования из высокочастотных акустических сигналов с частотами f и f. Таким образом, напряжение U4 может быть использовано в качестве опорного, например, для определения частоты допплеровского смещения эхо-сигналов [5]. Низкочастотный зондирующий сигнал формируется из акустических высокочастотных сигналов излучаемых акустической антенной 14 в среду лоцированияи, идентичных высокочастотным радиоимпульсам U8 и U9. Поэтому получив напряжение U10 с постоянной для разных циклов лоцирования начальной и конечной фазой, получим низкочастотные зондирующие сигналы, формируемые в среде лоцирования, также с постоянными параметрами - формой огибающей, начальной и конечной фазами.
Таким образом, в результате введения в известное устройство новых блоков и связей получена возможность формирования в параметрических локаторах зондирующих низкочастотных сигналов с постоянными значениями начальной и конечной фазы, а также опорного сигнала, равного по частоте акустическому зондирующему сигналу, что позволило повысить точность определения расстояния до обнаруженных объектов и определять частоту допплеровского смещения эхо-сигналов.
Аппаратурная реализация предложенного устройства не представляет сложностей. При схемотехническом проектировании всех его блоков могут быть использованы стандартные аналоговые и цифровые элементы. Например, генераторы 1 и 4 могут быть построены на операционных усилителях или транзисторах по известным схемам [11], импульсный генератор 9 может быть реализован на любых цифровых инверторах - К561ЛН2, К1533ЛН1, перемножитель 3 - на микросхемах К140МА1, К525ПС1, импульсные модуляторы 2 и 5 - на микросхемах аналоговых ключей К561КТ3, К561КП1, К190КТ2, компаратор 7 - на микросхемах К554СА3, К554СА4, триггер 8 - на микросхемах К561ТМ2, К555ТМ2, фильтр низкой частоты 6 - на любых пассивных или активных ФНЧ.
Предлагаемое техническое решение способствует созданию генераторного тракта параметрического локатора, обладающего повышенной точностью измерения дальности до обнаруженных объектов и уровней сигналов, отраженных от них и обеспечивающего формирование опорного напряжения с частотой низкочастотного зондирующего сигнала.
Источники информации
1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.
2. Патент RU 2133047. «Параметрический эхо-импульный локатор». МПК G01S 15/60, опубл. 10.07.1999.
3. Патент UA 74833. «Параметрический профилограф». МПК G01S 15/00, опубл. 15.02.2006.
4. Золотарев И.Д. «Нестационарные процессы в резонансных усилителях фазово-импульсных измерительных систем». Новосибирск: Наука, 1969. - 176 с.
5. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 176 с.
6. Патент RU 2390797. «Способ формирования коротких акустических импульсов при параметрическом излучении и варианты устройства его реализации». МПК G01S 15/00, G01S 7/524, опубл. 27.05.2010.
7. Патент US 4308599. «Параметрический двухчастотный гидролокатор». МПК G01S 15/02, G01S 15/10, G01S 15/87, опубл. 19.05.1980.
8. Патент DE 3113261. «Эхолот». МПК G01S 15/60, опубл. 21.10.1982.
9. Воронин В.А., Кузнецов В.П., Мордвинов Б.Г., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. - Ростиздат. Ростов-на-Дону, 2007. - 448 с.
10. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение. 1986. - 272 с.
11. Голуб B.C. Генераторы гармонических колебаний. - М.: Энергия, 1980. - 80 с. - (Б-ка по радиоэлектронике; Вып. 69).