Устройство для измерения характеристики направленности гидроакустической антенны
DEVICE FOR MEASURING OF THE HYDROACOUSTIC ANTENNA DIRECTION CHARACTERISTICS

Предлагаемое устройство относится к области измерений характеристик гидроакустических антенн.
Одним из важнейших параметров антенны является характеристика направленности (ХН), которая определяет угловое распределение чувствительности в пространстве. В большинстве задач, стоящих перед режимами гидроакустических систем, требуется минимизировать уровень ХН вне главного максимума. Особое влияние повышенный уровень бокового поля в режиме излучения оказывает на скрытность работы гидроакустических систем, а в режиме приема могут фиксироваться ложные цели и невозможно отстроиться от направленной помехи вне основного лепестка ХН. Поэтому необходима достаточно достоверная информация об уровнях ХН, лежащих ниже -30…-50 дБ (от 3% до 1%) от уровня главного максимума.
Известны устройства для измерения ХН гидроакустических антенн, описанные в [1, 2, 3]. Измерительное устройство состоит из излучающего и приемного измерительных трактов, в состав которых входят излучающая и приемная антенны, соответственно, каждая из которых закрепляется на поворотном устройстве. Характеристика направленности акустической антенны фиксируется в виде нормированной зависимости уровня (величины) напряжения, снимаемого с электрических выводов, измерительного гидрофона (при работе в режиме излучения) или с электрических выводов измеряемой антенны (при работе в режиме приема) от угла поворота поворотного устройства с закрепленной на нем испытуемой антенной.
При измерении характеристики направленности акустической антенны в условиях пониженного отношения сигнал/помеха, что характерно для бокового поля, не удается прописать малые уровни ХН, которые «тонут» в шумах. В способах [1-3], принципиально не отличающихся, предлагается лишь увеличивать уровень полезного сигнала, что не всегда возможно, а в случае малых уровней бокового поля может приводить дополнительно к нелинейным искажениям приемного тракта.
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам является устройство по способу измерения ХН, описанному в книге [1], которое принят за прототип. Устройство-прототип состоит из излучающего и приемного трактов, гидроакустические антенны которых размещены в водной среде, на поворотных устройствах и находятся на расстоянии L одна от другой, удовлетворяющем условию дальнего поля. Одна из антенн является измеряемой, а другая - измерительной. Поворотное устройство, на котором находится измеряемая антенна, при измерении вращается вокруг своей оси. В излучающем тракте имеется задающий генератор и усилитель мощности, нагрузкой которого является излучающая антенна. В приемном тракте, состоящем из последовательно соединенных приемной гидроакустической антенны, предварительного усилителя и схемы обработки и регистрации, производят преобразование акустического сигнала в электрический, а также процедуры усиления, фильтрации, стробирования и регистрации. Измерение ХН, как правило, производится в импульсном режиме и имеется синхронизация между приемным и излучающим трактом, в качестве регистрирующего прибора используется самописец, на ленте которого по одной оси откладываются углы поворота поворотного устройства, а по другой соответствующие им нормированные уровни напряжения с приемной антенны, что и интерпретируется как характеристика направленности.
При проведении измерений испытуемых антенн с низкими значениями чувствительности и/или в условиях сложной помеховой обстановки с использованием устройства-прототипа не удается обеспечить качественную запись характеристики направленности испытуемой гидроакустической антенны во всем диапазоне углов. При малом соотношении сигнал-помеха, на графике характеристики направленности невозможно определить низкие уровни бокового поля измеряемой антенны, а в случае фиксированных сравнительно высоких значений ХН наблюдается зашумленность уровней.
Основной задачей предлагаемого способа является повышение качества получаемых результатов измерения характеристик направленности гидроакустических антенн в одних и тех же условиях по сравнению с устройством-прототипом.
Техническими результатами использования предлагаемого устройства являются:
- достоверное измерение характеристики направленности с большим динамическим диапазоном;
- возможность работать с меньшими уровнями излучаемых сигналов с сохранением качества получаемых результатов.
1
Для повышения качества результатов измерения характеристики направленности гидроакустической антенны в устройство, содержащее излучающий и приемный тракты, при этом излучающий тракт содержит последовательно соединенные задающий генератор (ЗГ), усилитель мощности и излучающую гидроакустическую антенну (АИ), а приемный тракт содержит последовательно соединенные приемную гидроакустическую антенну (АП) и первый предварительный усилителя (ПУ), а также схему обработки и регистрации (СхОР), включающую регистратор, причем антенны АИ и АП укреплены на первом и втором подъемно-поворотных устройствах, соответственно, и размещены на расстоянии L, а ЗГ и регистратор соединены кабелем для синхронизации,
дополнительно введены следующие признаки, а именно:
- в СхОР дополнительно введены последовательно соединенные первое запоминающее устройство, коррелятор, второе запоминающее устройство и блок нормализации, а также третье запоминающее устройство, выход которого подсоединен ко второму входу коррелятора,
1
- вход первого запоминающего устройства соединен с выходом ПУ, а выход блока нормализации соединен с входом регистратора,
2
2
- дополнительно в приемный тракт введен второй предварительный усилитель ПУ, а в излучающий тракт - блок задержки, выполненный с возможностью сдвига сигнала на время Δt=L/c, где с - скорость звука в воде, причем выход блока задержки соединен с входом ПУ, выход которого соединен с входом третьего запоминающего устройства.
Заявленный выигрыш в предлагаемом устройстве получается за счет увеличения отношения сигнал/помеха, т.к. наибольшее значение корреляционной функции находится в области прихода прямого акустического сигнала, а другие сигналы, присутствующие в приемном измерительном тракте (в т.ч. помехи), не коррелированы с излучаемым сигналом, и их уровень после корреляционной обработки оказывается существенно меньше полезного сигнала. Совокупность введенных блоков и новых связей обеспечивает возможность произвести корреляционную обработку принятых сигналов и тем самым обеспечить измерение и фиксацию более низких уровней ХН
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена функциональная схема заявленного устройства и фиг 2, которая иллюстрирует возможности данного способа, где график 19 - идеализированная (расчетная) ХН при отсутствии помех, 20 - ХН, измеренная с помощью устройств-аналогов [1-3], 21 - ХН, измеренная с помощью предлагаемого устройства
1
1
2
2
1
2
3
Устройство состоит из двух трактов - излучающего тракта 1 и приемного тракта 2. В состав излучающего тракта 1 входят задающий генератор ЗГ 3, усилитель мощности УМ 4 и излучающая гидроакустическая антенна АИ 5. В состав приемного тракта 2 входят приемная гидроакустическая антенна АП 6, первый предварительный усилитель ПУ 7 и схема обработки и регистрации СхОР 8. Антенны АИ 5 и АП 6 размещены на подъемно-поворотных устройства ППУ 9 и ППУ 10, соответственно, размещенные в водной среде. Такое устройство для измерения ХН гидроакустических антенн является типовым и описано в [1-3]. В типовую схему для реализации предлагаемого способа дополнительно введен в приемный тракт 2 второй предварительный усилитель ПУ 11, а СхОР 8 состоит из первого запоминающего устройства 3У 12, коррелятора К 13, второго запоминающего устройства ЗУ 14, третьего запоминающего устройства ЗУ 15, блока нормировки N 16 и регистратора Р 17. В излучающий тракт 1 дополнительно введен блок задержки Δ 18.
Функционирование устройства рассмотрим на примере измерения ХН излучающей антенны АИ 5, являющейся в этом эксперименте измеряемой. Приемная антенна АП 6 является в этом случае измерительной.
1
1,3
2
3
В задающем генераторе ЗГ 3 формируют радиоимпульсный сигнал заданной структуры и заданной скважности, который усиливают в усилителе мощности УМ 4 и излучают излучающей антенной АИ 5 в воду. Одновременно запускается вращение ППУ 9. С ЗГ 3 подают сигнал синхронизации на приемный тракт 2, запуская первое и третье запоминающие устройства ЗУ и блок регистрации Р 17. С выхода УМ 4 излучаемый импульс дополнительно поступает в блок задержки Δ 18, где задерживается на время Δt=L/c, поступает на усилитель ПУ 11 и запоминается в ЗУ 15.
1
1
1
3
Излученный в воду АИ 5 сигнал принимается приемной антенной АП 6, усиливается первым предварительным усилителем ПУ 7 и запоминается в первом запоминающем устройстве ЗУ 12. Таким образом, в ЗУ будет находиться массив сигналов, излученных АИ, прошедших водную среду и принятых приемной антенной с добавлением сигналов помех. В ЗУ будет находиться массив сигналов, переданных в АИ, но не прошедших водную среду и свободный от помех. Сдвиг сигналов, реализуемый с помощью блока задержки Δ 18, необходим для выравнивания во времени сигналов, поступивших в СхОР через воду, и сигналов непосредственно от УМ 4.
1
3
1,3
1
2
2
2
1
Сигнал прямого излучения с ЗУ 12 и сдвинутый на время Δt сигнал с ЗУ 15 поступают на входы коррелятора К 13, в котором производится свертка сигналов от ЗУ. Свертка производится в пределах длительности импульса для каждого из соответствующих элементов массивов. Продукты этой свертки, по мере вращения ППУ 9 образуют третий массив, который запоминается в ЗУ 14. Сформированный в ЗУ массив передается в блок нормировки N 16. В переданном из ЗУ массиве выбирается максимальное значение, на которое делятся все элементы массива. Нормированный таким образом массив поступает в регистратор Р 17. Полученный нормированный массив интерпретируется как ХН излучающей антенны АИ (в данном случае измеряемой излучающей антенны АИИ). В регистраторе Р 17, в зависимости от его реализации, выполняется визуализация и запись массива на самописец, вывод на экран монитора или другие операции, которые необходимо выполнить с ХН. При этом массив значений ХН синхронизован с вращением ППУ, что обеспечивает построение зависимости ХН от угла [1-3].
При измерении ХН измеряемой приемной антенны АП 6 действия по функционированию предлагаемого устройства такие же, как в случае измерения ХН излучающей антенны, т.е. измерительное устройство, отличительной особенностью которого является использование корреляционного способа обработки информации, остается одним и тем же при измерении ХН как излучающих, так и приемных антенн.
Достоинства данного способа демонстрирует фиг. 2. Видно, что на расчетной ХН 19 имеется ряд боковых, постепенно уменьшающихся лепестков. На ХН 20 боковые лепестки практически неразличимы, а на ХН 21 появляется возможность уверенно измерить уровень нескольких боковых лепестков. Кроме того, из сопоставления графиков 20 и 21 следует, что помехи искажают форму главного максимума ХН, причем при измерении с помощью известных устройств [1-3] будут большие ошибки в определении ширины ХН, которая является важным параметром ХН
Предлагаемое устройство отличается от известных устройств измерения ХН [1-3] только СхОР 8, которая реализуется программно-ориентированными средствами. Принципы и устройства для реализации корреляционной обработки описаны в [4]. В качестве регистратора ХН можно использовать монитор компьютера с принтером или самописец [1-3].
Применение предложенного устройства обеспечивает:
- снижение регистрируемого уровня шумов в боковом и тыльном пространствах;
- фиксацию и возможность измерения низкого уровня бокового поля;
- измерение без искажений основного лепестка характеристики направленности.
Источники информации
1. Таранов Э.С. Гидроакустические измерения в океанологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с. 169-173.
2. Быховский Г.Е., Покровский В.А. Гидроакустические измерения. Л.: Судостроение, 1971, с. 120-121.
3. Колесников А.Е. Акустические измерения. Л.: Судостроение, 1983, с. 129-133.
4. Ланге Ф. Корреляционная электроника. Л.: Судпромгиз, 1963.