ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ ТРАКТ
HYDROACOUSTIC RADIATING PATH

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических комплексах и станциях (ГАК и ГАС) для активных режимов гидролокации и гидроакустической связи.
Известны многоканальные гидроакустические излучающие тракты [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб: «Наука», 2004. - 410 с. 177 ил.; патент РФ №2195687 Гидроакустический передающий тракт. Опубл. 2002 БИ N36], содержащие многоэлементные антенны из гидроакустических преобразователей, образующих каналы излучения, составляющие фазированную антенную решетку (ФАР), а также многоканальное генераторное устройство (МГУ) для их возбуждения низкочастотными, либо среднечастотными сигналами звукового диапазона. Формирование диаграммы направленности в циклах излучения и ее сканирование в заданном секторе пространства обеспечивается требуемым амплитудно-фазовым распределением выходных сигналов МГУ, поступающих на входы каналов возбуждения активной части каналов ФАР. Преимуществом излучающего тракта [патент РФ №2195687 Гидроакустический передающий тракт. Опубл. 2002 БИ N36] является использование в качестве сигналов каналов МГУ - генераторных устройств транзисторных ключевых усилителей мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), генерирующих импульсное напряжение, что обеспечивает возможность излучения широкополосных сигналов как в режиме гидролокации, так и в режиме гидроакустической связи. Недостатком известных технических решений является неоптимальная структура подключения выходов МГУ к входам каналов излучения многоэлементной антенны без учета распределения передающей аппаратуры по отдельным приборам и выделения активной зоны действующих каналов излучающей антенны.
Выделенный недостаток связан с неравномерной энергонапряженностью приборов МГУ, реализованных в составе приборных стоек в циклах излучения при обзоре заданного сектора пространства. Каналы МГУ, действующие в активном режиме, могут находиться длительное время под максимальной загрузкой, в то время как неактивированные каналы находятся в разгруженном состоянии. Принимая во внимание, что для обзора сектора пространства по горизонту 90°-120° задействованы в цикле излучения, как правило, не более трети общего числа каналов излучения многоэлементной антенны, часть постоянно действующих каналов должна обеспечивать всю необходимую мощность возбуждения каналов излучающей антенны.
п
Для низкочастотных и среднечастотных гидролокаторов общее число каналов излучения многоэлементной антенны может превышать 100-200 каналов при номинальной мощности, необходимой для возбуждения каждого канала от 1 до 10 кВА. При этом суммарная выходная мощность МГУ в цикле излучения достигает сотни кВА. Даже с учетом весьма высокой энергетической эффективности ключевых усилителей мощности в составе каналов МГУ с относительными потерями энергии р не более р=10-15% и существенной минимальной скважности q=6 циклов излучения, мощность тепловыделения Р в передающей аппаратуре составляет значительную величину:
где  - суммарная мощность возбуждения N активных каналов излучения М-канальной многоэлементной антенны (M≈3N).
Суммарная мощность тепловыделения может составлять 15-20 кВт. С учетом базовых несущих конструктивов приборных стоек, принятых к использованию в составе ГАК и ГАС с воздушным, жидкостным и комбинированным теплоотводом, допустимое тепловыделение не должно превышать 1,5-2,0 кВт. Соответственно число каналов МГУ, обеспечивающих активный цикл излучения должно составлять не менее десяти. Принимая во внимание, что при смене сектора обзора пространства будут задействованы другие каналы МГУ, то общий объем передающей аппаратуры составляет тридцать приборных стоек. Приведенный пример подтверждает недостатки технических аналогов, связанные с увеличением объема приборов бортовой аппаратуры излучающих трактов, что существенно сказывается на тактико-технических характеристиках ГАК и ГАС.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является передающий тракт гидроакустической станции [Авторское свидетельство СССР №1840777 Передающий тракт гидроакустической станции. Опубл. 27.07.2009. БИ N21], в котором МГУ с заданным фазовым распределением отдельных каналов обеспечивает возбуждение только активной зоны каналов излучающей антенны, изменение положения которой в составе многоэлементной антенны достигается управляемым многопозиционным коммутатором направлений. При этом число необходимых каналов МГУ может быть значительно (практически в три раза) меньше числа каналов излучения многоэлементной антенны при их равномерной загрузке во всех циклах излучения. С учетом тепловой нагрузки на отдельные приборные стойки их число может быть установлено из минимально достаточного количества, что выгодно отличает указанный излучающий тракт, принятый за прототип заявляемого технического решения, от известных аналогов.
Структурная схема гидроакустического излучающего тракта по а.с. №1840777, представленная на фиг. 1, содержит многоканальное генераторное устройство 1, содержащее N каналов МГУ, объединенных в n-групп по k-каналов МГУ в каждой, многоканальный коммутатор 2 с управляемой коммутацией N-направлений на mk-положений и многоэлементную антенну 3 из гидроакустических преобразователей.
В устройстве-прототипе управляемый многоканальный коммутатор 2 выполняется на основе сложной многоступенчатой релейной схемы, обеспечивающей подключение N выходов МГУ 1 к любой группе из М каналов излучения многоэлементной антенны 3 в заданной последовательности.
Особенностью реализации известного технического решения является выполнение групп каналов МГУ 1 в виде ряда независимых генераторов с фазовым распределением сигналов возбуждения группы каналов излучения многоэлементной антенны 3, что еще более усложняет реализацию управляемого многоканального коммутатора 2.
Недостатком устройства-прототипа является пониженная надежность при увеличении габаритов и потерь энергии, вследствие наличия сложного релейного многоканального коммутатора, что увеличивает количество последовательных звеньев в цепи прохождения сигналов для возбуждения группы каналов излучения многоэлементной антенны.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности при сокращении габаритов передающей аппаратуры.
Технический результат изобретения заключается в равномерном распределении загрузки приборных стоек излучающего тракта при возбуждении фазированных антенных решеток в условиях упрощения структуры построения передающей аппаратуры.
Для решения поставленной задачи, в известный гидроакустический излучающий тракт, содержащий многоэлементную антенну из гидроакустических преобразователей, образующих М каналов излучения, выполненных с возможностью последовательного излучения в заданный сектор пространства, и многоканальное генераторное устройство, содержащее N каналов, объединенных в n-групп по k каналов в каждой, подключенных выходами к N входам многоканального коммутатора, М выходов которого подключены к М-входам многоэлементной антенны при условии, что М кратно больше N, введены новые признаки, а именно: в его состав введены цифровой прибор управления, m цифровых устройств формирования сигналов и (m-1) дополнительных многоканальных генераторных устройств, многоканальный коммутатор выполнен неуправляемым, а многоэлементная антенна имеет к групп каналов излучения, причем вход каждого i-го (i=1…m) цифрового устройства формирования сигналов соединен с соответствующим выходом цифрового прибора управления, а его выходы соединены со входами каналов i-го многоканального генераторного устройства, в свою очередь выходы (m-1) дополнительных многоканальных генераторных устройств подключены к M-N входам многоканального коммутатора, причем каждое i-oe цифровое устройство формирования сигналов и i-oe многоканальное генераторное устройство входят в состав отдельной i-ой приборной стойки, при этом в многоканальном коммутаторе входы и выходы многоканального коммутатора соединены таким образом, что выход каждого j-го (j=1…k) канала u-ой группы (u=1…n) i-го многоканального генераторного устройства подключен через многоканальный коммутатор к соответствующим i.u.j входам j-ой группы каналов излучения многоэлементной антенны, а цифровой прибор управления и цифровые устройства формирования сигналов выполнены с возможностью установления требуемого фазового и амплитудного распределения сигналов для формирования заданной характеристики диаграммы направленности в последовательных циклах излучения.
Технический результат использования новой совокупности блоков и связей достигается в заявляемом решении за счет использования в каждом цикле излучения только одной группы каналов в каждом многоканальном генераторном устройстве, что обеспечивает равномерную загрузку приборных стоек во всех циклах излучения в условиях использования неуправляемого коммутатора, не требующего использования сложной схемы релейного переключения. Тем самым исключаются дополнительные последовательные звенья переключения направлений прохождения сигналов возбуждения действующих каналов излучающей антенны, что обеспечивает повышение надежности и энергетической эффективности бортовой аппаратуры гидроакустического излучающего тракта, а также использование дополнительных многоканальных генераторных устройств позволяет распределить тепловую нагрузку на отдельные приборные стойки. Следует отметить, что введение дополнительного цифрового прибора управления и отдельных цифровых устройств формирования сигналов практически не сказывается на габаритах и энергопотреблении гидроакустического излучающего тракта и позволяет реализовать дополнительные функциональные преимущества. Кроме обеспечения цифрового синтеза сигналов возбуждения с заданным амплитудным и фазовым распределением для групп каналов, задействованных в каждом МГУ в заданном цикле излучения, цифровые средства позволяют обеспечить повышенную точность сканирования диаграммы направленности в заданном секторе пространства, улучшить контроль и устранить возникновение возможных аварийных ситуаций.
Описанная структура подключения МГУ к каналам излучения многоканальной антенны является оптимальной для равномерного фазового и амплитудного распределения при излучении сигналов ФАР.
Наиболее простым образом предлагаемое изобретение реализуется в случае использования многоэлементной антенны, разделенной на ряд плоских антенных решеток, каждая из которых обеспечивает обзор заданного сектора пространства. Например, для обеспечения обзора в горизонтальной плоскости достаточно ограничиться тремя вертикальными плоскими фазированными антенными решетками, плоскости которых развернуты на 120 градусов. При этом в гидроакустическом излучающем тракте многоэлементная антенна может содержать три плоских антенных решетки, каждая из которых обеспечивает обзор своего сектора пространства во время отдельных циклов излучения и состоит из m групп по k каналов излучения в каждой, а каждое из m многоканальных генераторных устройств содержит три группы каналов n=3, причем в через коммутатор k выходов каналов первой, второй и третьей группы каждого из m многоканальных генераторных устройств соединены с соответствующими k входами каналов излучения первой, второй и третьей антенной решетки причем цифровой прибор управления и каждое из m цифровое устройство формирования сигналов выполнены с возможностью установления амплитудно-фазового распределения для соответствующей группы каналов в составе каждого из m многоканальных генераторных устройств для обеспечения сканирования диаграммы направленности соответствующей антенной решетки в заданном секторе пространства в заданной последовательности циклов излучения.
Здесь конкретизация технического результата обеспечивается разделением групп каналов МГУ по соответствующим трем антенным решеткам многоэлементной антенны таким образом, что в каждом МГУ одновременно в цикле излучения действует только одна из трех групп.
В случае многоэлементной антенны, выполненной в виде вертикальной квазицилиндрической поверхности, содержащей ряд соосных столбов, каждый из которых имеет к каналов излучения, конкретизация изобретения учитывает возможное пошаговое изменение зоны действующих каналов при поочередных циклах излучения для сканирования установленного сектора пространства. Для этого в гидроакустическом излучающем тракте многоэлементная антенна может быть выполнена цилиндрической и содержать m⋅n столбов, каждый из которых имеет k каналов излучения, причем коммутатор обеспечивает соединение каналов излучения отдельных столбов с соответствующим каналом одной группы каждого i-го многоканального генераторного устройства с последующим повторением соединения через m столбов к соответствующим каналам последующей группы, а прибор цифрового управления и каждое i-oe цифровое устройство формирования сигналов выполнены с возможностью установления амплитудно-фазового распределения сигналов возбуждения каналов излучения ряда столбов многоэлементной антенны для формирования диаграммы направленности для сканирования заданного сектора пространства при пошаговом изменении подключения столбов, задействованных в цикле излучения.
Здесь конкретизация технического результата заключается в сохранении равномерной загрузки приборных стоек при поочередном подключении отдельных групп каналов излучения каждого i-го многоканального генераторного устройства при пошаговом изменении столбов в составе активной части многоэлементной антенны.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа, на фиг. 2 - структурная схема заявленного гидроакустического излучающего тракта, на фиг. 3 - пример его выполнения для случая использования многоэлементной антенны в виде трех отдельных антенных решеток и на фиг. 4 - для случая выполнения антенны в виде цилиндрической поверхности из ряда столбов.
Обобщенная структурная схема заявляемого гидроакустического излучающего тракта (фиг. 2) содержит ряд многоканальных генераторных устройств (МГУ) 1.1-1.m, каждое из которых имеет n групп по k каналов в каждой, многоканальный коммутатор 2, многоэлементную антенну 3, содержащую M=m⋅N каналов излучения, а также цифровой прибор 5 управления (ЦПУ) и ряд цифровых устройств 4.1-4.m формирования сигналов (ЦФС), причем соответствующие многоканальные генераторные устройства 1.i и цифровые устройства 4.i формирования сигналов размещаются в составе отдельных приборных стоек 6.i.
Основные узлы, блоки и приборы, входящие в состав предлагаемого устройства выполняются по известным правилам и обеспечивают реализацию требуемых функций.
Многоэлементная антенна реализуется в виде одной, либо нескольких антенных решеток, обеспечивающих обзор секторов пространства в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенные решетки выполняются по известным правилам [Корякин Ю.А.. Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб: «Наука», 2004. - 410 с. 177 ил.] и определяют необходимое амплитудно-фазовое распределение сигналов возбуждения каналов излучения.
Неуправляемый многоканальный коммутатор 2 представляет собой соединительный ящик, обеспечивающий связи между М-входами каналов излучения многоэлементной антенны 3 и соответствующими выходами m приборов многоканальных генераторных устройств 1, каждое из которых имеет N=n⋅k каналов.
Многоканальное генераторное устройство 1 должно обеспечивать генерацию мощных сигналов с заданным амплитудным и фазовым распределением, определенным входными управляемыми сигналами. Для обеспечения генерации широкополосных сигналов каналы МГУ могут быть выполнены по известным правилам [Патент РФ №2195687 Гидроакустический передающий тракт. Опубл. 2002 БИ N36] на основе ключевых усилителей с ШИМ, чем достигается высокая стабильность выходного напряжения в полосе рабочих частот. Управление такими каналами МГУ реализуется непосредственно аналоговыми входными сигналами и командами на излучение, поступающими на группу каналов МГУ.
Цифровые устройства 4 формирования сигналов выполняются в виде модулей в составе приборных стоек 6, которые формируют входные сигналы и команды управления для каналов МГУ, используемых в циклах излучения. Также цифровые устройства могут использовать цифроаналоговый интерфейс связи с централизованным прибором 5 цифрового управления по сигналам и командам которого устанавливается активная группа каналов МГУ в составе МГУ и задаются входные сигналы каналов, соответствующие заданному амплитудно-фазовому распределению. Аппаратно-программные средства для реализации модулей цифровых устройств 4 формирования сигналов используют известную схемотехнику на основе логических аналоговых схем и применением микроконтроллеров и элементов программируемой логики, широко применяемых в гидроакустической технике.
Прибор 5 цифрового управления представляет собой специализированную ЭВМ, обеспечивающую расчет необходимой диаграммы направленности и ее сканирования для исследования заданного сектора пространства при известной геометрии и канальности многоэлементной антенны.
Работает предлагаемое устройство (фиг. 2) следующим образом. Исходя из поставленной задачи обзора пространства прибор 5 цифрового управления, с учетом геометрии реализации многоэлементной антенны 3, рассчитывает данные для формирования диаграммы направленности каждого цикла излучения и передает информационные сигналы на входы цифровых устройств 4 (4.1…4.m) в составе каждой из m приборных стоек 6. Передаваемая информация содержит данные по группе действующих каналов и амплитудно-фазовому распределению выходных сигналов, исходя из схемы подключения (Фиг. 2) выходов каналов каждого i-го многоканального генераторного устройства 1 через многоканальный коммутатор 2 с соответствующими каналами многоэлементной антенны 3. Информация может быть передана в виде цифровых данных перед циклом излучения для синтеза сигналов установленной сложности с заданным амплитудно-фазовым распределением по команде «Излучение», либо в виде аналоговых сигналов в режиме реального времени для каждого цикла. Второй вариант более предпочтителен, так как обеспечивает возможность направленного излучения сложных сигналов не только гидролокации, но и гидроакустической связи.
Принятая структура подключения выходов МГУ 1.1-1.m к входам М-каналов многоэлементной антенны позволяет выполнить равномерное распределение действующих каналов МГУ в цикле излучения между МГУ, входящими в отдельные приборные стойки. Указанное обстоятельство может обеспечиваться выделением активных зон каналов многоэлементной антенны в виде отдельных антенных решеток для обзора выделенных секторов пространства. Такой случай построения гидроакустического излучающего тракта поясняется структурной схемой, представленной на фиг. 3. Здесь каждая из трех групп каждого i-го МГУ 1 используется для возбуждения одной из трех антенных решеток 3.1, 3.2, 3.3, входящих в состав многоэлементной антенны 3, что иллюстрируется на примере k=8, n=3, m=4 при М=3×32. Для более сложной конфигурации многоэлементной антенны 3, зона активных каналов излучения может дискретно изменяться с изменением направления диаграммы направленности, например, пошаговым переключением столбов квазицилиндрической антенной решетки. Такой случай реализации гидроакустического излучающего тракта представлен на фиг. 4, где показана схема выполнения соединения входов и выходов многоканального коммутатора 2, реализующая равномерное подключение групп каналов каждого i-го МГУ 1 к соответствующим столбам многоэлементной антенны на примере k=10, n=4, m=5 при М=20×10.
Приведенные примеры реализации предлагаемого гидроакустического излучающего тракта показывают возможность равномерного распределения действующих каналов ГУ по отдельным МГУ 1.1-1.m для случая целочисленных соотношений M=k⋅n⋅m. При этом тепловыделения в каждом i-ом приборе ГУ с учетом отношения (1) находится из выражения:
В результате максимальное тепловыделение в каждой отдельной приборной стойке может быть уменьшено в M/N раз по сравнению с известными аналогами.
Следует отметить, что преимущества предлагаемого технического решения сохраняются и при нарушении целочисленного отношения k, n, m и М. При этом требуется, несмотря на избыточность суммарного числа каналов МГУ, выполнение условия:
По сравнению с устройством-прототипом, заявляемое техническое решение характеризуется отсутствием сложного релейного многоканального коммутатора. Здесь его функцию выполняет неуправляемый многоканальный коммутатор 2, выполненный в виде соединительного ящика с заданной конфигурацией соединений М выходов МГУ 1.1-1.m с М выходами многоэлементной антенны 3. Следует отметить что выполнение релейного коммутатора направлений мощных, и, как правило, высоковольтных сигналов возбуждения каналов излучения (напряжение до 1000 В, ток до 10 А) является сложной технической задачей. В частности, в устройстве-прототипе коммутационные блоки такого типа по габариту и тепловыделению соизмеримы с блоками каналов МГУ. Соответственно исключение таких коммутационных блоков и в целом отдельных приборов релейной коммутации позволяет не менее чем на 50% уменьшить потери энергии и в два раза повысить ресурс изделия по времени безотказной работы.
Таким образом подтверждается решение технической задачи настоящего изобретения, направленной на повышение надежности и энергетической эффективности при сокращении габаритов передающей аппаратуры гидроакустического излучающего тракта.
На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы приборов гидроакустических излучающих трактов, соответствующие примерам реализации заявляемого технического решения для случаев разнотипных многоэлементных антенн. Результаты испытаний передающей аппаратуры подтвердили высокую энергетическую эффективность и надежность излучающих трактов.