Способ формирования кардиоидной характеристики направленности широкополосного гидроакустического приёмного канала для необитаемого подводного аппарата
METHOD FOR FORMATION OF CARDIOID RESPONSE OF A WIDE BAND GIDROACUSTICAL RECEIVER CHANNEL FOR AN UNINHABITED UNDERWATER APPARATUS

Предлагаемый способ относится к гидроакустике, в частности к способам решения задачи широкополосного приема гидроакустических сигналов с помощью малогабаритного приемника в широком диапазоне рабочих углов на фоне мешающей помехи, сосредоточенной по углу. Для решения этой задачи часто используются гидроакустические приемники с кардиоидной характеристикой направленности (ХН), у которых провал в ХН ориентируется в направлении на источник помехи.
Широко известен способ формирования кардиоидной характеристики направленности приемника, состоящего из пары активных элементов (см., например, Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник, изд. Судостроение, Л., 1986 г.). Известен "Способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны" (см. патент №2169439, опубликован 20.06.2001), в котором использование кардиоидных характеристик направленности группы элементов звукопрозрачной многоэлементной антенны обеспечивает хорошую направленность основного (узкого) лепестка диаграммы за счет подавления чувствительности антенны в тыльном направлении и позволяет отказаться от использования крупногабаритных акустических экранов, закрывающих тыльное направление приема.
Известна "Гидроакустическая антенна и способ обработки сигналов в ней" (см. патент №2466420, опубликован 10.11.2012 г.), в которой кардиоидные характеристики направленности элементов используются для подавления структурной помехи от носителя, на котором размещена антенна.
В приведенных патентах речь идет о характеристиках узконаправленных многоэлементных (крупногабаритных) антенн, предназначенных для работы в сравнительно узких диапазонах частот. В таких антеннах глубина провала в кардиоидной характеристике направленности практически не зависит от разброса характеристик отдельных активных элементов, поскольку разбросы чувствительности отдельных элементов даже в достаточно широкой полосе частот усредняются по множеству используемых в антенне активных элементов.
Наиболее близким прототипом по сути предлагаемого способа формирования кардиоидной характеристики направленности является классический способ, изложенный в книге Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. В самоходных необитаемых подводных аппаратах приемный канал часто выполняется в виде буксируемого двухэлементного приемника и двух каналов обработки выходных сигналов элементов приемника, обеспечивающих прием сигналов из задней полусферы. Провал в ХН ориентирован в направлении на подводный аппарат, буксирующий приемник. Реализованный способ иллюстрируется фиг. 1 и включает в себя выполнение следующих операций:
- усиления в двух каналах обработки выходных сигналов с двух активных элементов, образующих приемник и разнесенных в пространстве на расстояние, равное четверти длины волны акустического сигнала на выбранной частоте рабочего диапазона;
- сдвига фазы сигнала 2-го канала обработки путем его задержки на четверть периода частоты сигнала на выбранной частоте рабочего диапазона;
- выравнивания сигналов по амплитуде в каналах обработки в рабочей полосе частот;
- формирования разностного сигнала на вычитающем устройстве;
- амплитудно-частотной коррекции чувствительности всего приемного канала по выходу (по разностному сигналу), исключающей частотную зависимость чувствительности канала в рабочем диапазоне частот.
Источником помехи, мешающей приему, обычно является сам аппарат, буксирующий приемник и, очень часто, буксируемые прямо за ним излучатели. Провал в ХН, направленный на источник помехи, одновременно с разнесением по пространству приемника и источника помехи в данном случае обеспечивает возможность одновременного ненаправленного излучения и приема сигналов из задней полусферы во время движения подводного аппарата. Увеличение глубины провала в ХН дает возможность уменьшения необходимого расстояния между приемником и излучателями с сохранением необходимого запаса по устойчивости аппарата к самовозбуждению, т.е. уменьшения необходимой длины кабель-троса. В свою очередь, уменьшение длины кабель-троса улучшает массогабаритные характеристики аппарата, повышает его надежность и, самое главное, уменьшает необходимые усилия буксировки и дает возможности улучшения скоростных характеристик прибора в целом. Таким образом, глубина провала в ХН приемника прямо влияет на основные ТТХ прибора. Требуемая ширина рабочей полосы частот, в которой производятся прием и излучение, часто очень велика и доходит до 2 и более октав. В этой полосе частот к приемнику предъявляется требование реализации максимально достижимой глубины провала в ХН в направлении на источник помехи. Сказанное подтверждает актуальность задачи поиска способов синтеза кардиоидной ХН приемника с максимальной глубиной провала, обеспечиваемого в широком диапазоне рабочих частот.
При реализации известного способа синтеза кардиоидной ХН широкополосного приемника в рабочем диапазоне частот выбирается частота, для которой определяется значение необходимой задержки сигнала во 2-м канале обработки, соответствующее четверти периода этой частоты. На этой частоте после выполнения операции выравнивания чувствительности каналов путем регулировки усиления в каналах достигается максимальная глубина провала в ХН за счет полной компенсации выходного сигнала после вычитания.
Существенный недостаток традиционного способа синтеза кардиоидной ХН заключается в том, что при отклонениях частоты входного сигнала от выбранной частоты, на которой обеспечивается полная компенсация разностного выходного сигнала, достигаемая глубина провала уменьшается из-за неидентичности частотных характеристик электроники каналов обработки и, главным образом, из-за неидентичности в рабочей полосе частотных характеристик чувствительности активных элементов, образующих приемник. Различия чувствительности элементов приемника в широкой полосе частот носят случайный характер и изменяются от образца к образцу. В результате для получения приемлемых ХН кардиоидных широкополосных приемников приходится при изготовлении собственно приемника осуществлять тщательный подбор по чувствительности элементов, образующих приемник, и использовать сложные способы дополнительной коррекции чувствительности в рабочей полосе частот, выравнивающей при настройке чувствительность элементов. При серийном изготовлении приемников с использованием этих операций на краях рабочего диапазона шириной 2,4 октавы глубина провала ХН уменьшается на 8-10 дБ по сравнению с глубиной провала на выбранной частоте компенсации.
Предлагаемый способ синтеза кардиоидной ХН иллюстрируется фиг. 2.
Сигналы, подаваемые на входы 1-го и 2-го АЦП, являются сигналами с выходов кардиоидного приемника, образованного двумя приемными элементами, разнесенными на расстояние, равное 1/4 длины волны для выбранной частоты рабочего диапазона. После выполнения АЦП и комплексного БПФ сигналов с выходов элементов приемника для произвольной спектральной составляющей сигнала в первом и втором каналах обработки имеем:
(1) на вых. 1 кан. - ,
(2) на вых. 2 кан. - ,
где А - амплитуда, ω - круговая частота, r - расстояние между элементами приемника, α - угол прихода сигнала, С - скорость звука.
Для формирования провала в ХН в заданном направлении необходимо выровнять сигналы по амплитуде и довернуть фазу сигнала второго канала обработки на угол, обеспечивающий нулевой результат при вычитании сигналов 1-го и 2-го каналов в заданном направлении. Требуемое выравнивание и фазировка сигналов в каналах при выбранном направлении компенсации (при α=180°) достигается умножением комплексной спектральной составляющей сигнала второго канала обработки на комплексный коэффициент, равный отношению (1) к (2), т.е.
Выполнив умножение спектральной составляющей (2) на коэффициент (3) и вычитая произведение из (1), получим на выходе разностного канала сигнал:
Из (4) получаем для ХН:
1
На фиг. 3 приведен пример расчета идеализированных (когда чувствительность первого элемента приемника Α() не зависит от частоты) ХН в линейном масштабе для диапазона частот с шириной в 2,4 октавы. Расстояние между элементами приемника выбрано равным 8 мм, что соответствует  периода частоты, равной 46,875кГц. Коэффициенты вида (3) для заданного направления компенсации формируются в ПЗУ при настройке в виде таблицы для центральных частот каждого канала БПФ. Т.е. выполнение БПФ входного сигнала 2-го канала обработки необходимо производить сразу с домножением результата БПФ на набор коэффициентов типа (3).
Способ формирования таблицы комплексных коэффициентов вида (3) иллюстрируется фиг. 4. Для формирования таблицы комплексных коэффициентов, учитывающих все отклонения амплитудно-фазовых характеристик 2-го канала обработки относительно 1-го, выполняются следующие операции. С помощью настроечной аппаратуры генерируется последовательность импульсных тональных сигналов с устанавливаемым при настройке периодом повторения и с дискретным изменением частоты (последовательно от импульса к импульсу). Дискретность изменения частоты должна строго соответствовать дискретности по частоте БПФ, выполняемого в каналах обработки в процессе работы приемного канала (т.е. центральные частоты каналов БПФ должны соответствовать частотам генерируемых импульсов). Эта последовательность используется в качестве входного сигнала для акустической аппаратуры, облучающей настраиваемый кардиоидный приемник. Настраиваемый приемник ориентируется в пространстве в направлении, где должен быть провал в ХН. В процессе облучения приемника в режиме настройки для отстробированных во времени сигналов 1-го и 2-го каналов обработки (для каждого принятого импульса) выполняют БПФ такой же длины, как и в реальной работе, выполняют комплексное деление спектральных выборок 1-го канала обработки на спектральные выборки 2-го канала и запоминают в памяти таблицу комплексных коэффициентов вида (3). В режиме реальной работы эта таблица используется для корректировки результатов выполнения БПФ для сигнала 2-го канала обработки.
1
Из (5) видно, что, в отличие от прототипа, неравномерность чувствительности предлагаемого кардиоидного приемника в диапазоне частот зависит от неравномерности чувствительности только первого элемента A(). Кроме того, из фиг. 3 видно, что, как и в прототипе, чувствительность кардиоидного приемника в рабочем секторе углов зависит от частоты. При заданной геометрии приемника для частот ниже частоты, для которой выбрано расстояние между элементами приемника r, его чувствительность на максимуме ХН (в направлении 0°) с приближением к нижней границе частотного диапазона изменяется примерно на минус 6 дБ по закону:
2
Эта дополнительная неравномерность кардиоидного канала по выходу, в отличие от прототипа, компенсируется в частотной области умножением на вещественные коэффициенты таблицы коррекции (коэффициенты К).
2
Кардиоидная ХН формируется фактически в частотной области. В то же время выход кардиоидного канала чаще всего используется во временной области. Поэтому после выполнения коррекции спектра сигнала 2-го канала с помощью комплексных коэффициентов и вычитания значений спектральных выборок 2-го канала из значений выборок 1-го канала необходимым является выполнение для разностного сигнала операции ОБПФ с целью формирования выходного сигнала кардиоидного канала во временной области. БПФ входных сигналов и ОБПФ выходного разностного сигнала необходимо выполнять с перекрытием во времени на половину длины обрабатываемого в одном цикле БПФ массива временных выборок и с использованием взвешивания массива входных выборок временным окном в виде полупериода функции Sin(x). Эта процедура позволяет устранить периодические (с периодом, равным длине БПФ) искажения выходного сигнала в виде щелчков.
Использование предлагаемого способа позволяет получить следующие технические результаты:
- достигается автоматическая компенсация различий чувствительности активных элементов, образующих кардиоидный приемник, и электронных элементов первого и второго каналов обработки в широкой полосе частот; этот факт позволяет при изготовлении приемника исключить подбор по чувствительности активных элементов приемника с сохранением большой глубины провала ХН;
- достигается автоматическая компенсация погрешности установки требуемого расстояния между элементами приемника (равного  длины волны на выбранной частоте диапазона) при его изготовлении; это существенно с учетом того, что жесткое крепление элементов приемника перед вулканизацией недопустимо из-за необходимости обеспечения независимых друг от друга колебаний элементов приемника (акустической развязки), а при мягком креплении при вулканизации возможны смещения элементов, т.е. погрешность в величине расстояния между элементами, требующая подстройки величины задержки сигналов второго канала, обеспечивающей максимальную глубину провала ХН;
- из состава аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, исключается регулируемая линия задержки, обеспечивающая подстройку величины задержки сигнала 2 канала обработки на 1/4 периода;
- способ коррекции конечной чувствительности кардиоидного приемного канала позволяет учесть индивидуальные особенности изменений в широкой полосе частот чувствительности активных элементов, использованных в акустическом приемнике.
Настройка приемного канала, реализующего предлагаемый способ, выполняется в два этапа:
1
первый этап: приемник ориентируется в бассейне провалом в ХН в направлении на широкополосный излучатель; электронная аппаратура приемника включается в режим формирования таблицы комплексных коэффициентов; с помощью контрольной аппаратуры и излучателя приемник облучается последовательностью тональных импульсов с частотами, равными центральным частотам полос, на которые делится весь рабочий диапазон с помощью БПФ; в результате в ПЗУ приемника формируется требуемая таблица комплексных коэффициентов (таблица K);
2
2
второй этап: приемник ориентируется на излучатель максимумом ХН (направление 0°); в таблицу коррекции чувствительности приемника (таблица К) записываются равномерные значения чувствительности; приемник вновь облучается последовательностью импульсов на разных частотах (как на первом этапе) и по выходу приемника снимается таблица чувствительности приемника в рабочем диапазоне частот, на основе которой формируется таблица коррекции, которая заносится в таблицу К, с помощью которой конечная чувствительность приемника выравнивается в рабочем диапазоне частот.
Предлагаемая технология настройки исключает весьма трудоемкие процедуры настройки корректоров и линии задержки, используемые при настройке прототипа с существенно более высоким конечным результатом.
На фиг. 5 представлены типовые примеры ХН буксируемого кардиоидного приемника в широком диапазоне частот, полученные при использовании предлагаемого способа в реальной аппаратуре. Провал в ХН формировался на направлении 0°, масштабная сетка нанесена через 5 дБ, частоты указаны в правом углу диаграмм. Из диаграмм видно, что в широкой полосе частот достигаемая глубина провала в направлении источника помехи не превышает уровня минус 20 дБ. В аппаратуре, где реализован классический способ формирования ХН, выбранный в качестве прототипа, на краях частотного диапазона глубина провала уменьшается до значений минус 10÷12 дБ.
Перечень чертежей
Фиг. 1. Известный способ реализации кардиоидной ХН.
Фиг 2. Предлагаемый способ синтеза кардиоидной ХН.
Фиг 3. Результаты расчета идеализированных ХН в линейном масштабе.
Фиг 4. Способ формирования таблицы комплексных коэффициентов.
Фиг. 5. Характеристики направленности, полученные при реализации способа.