АКУСТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к области акустики, а именно к акустическим локационным системам и может быть использована для получения дополнительной информации о характеристиках движения объектов, что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширить эксплуатационные возможности устройства.
Полезная модель может быть применена для решения разнообразных задач, связанных с повышением безопасности судоходства на реках и озерах, проведением изыскательных работ на шельфе, имеющих целью обнаружение и уточнение как координат отражающих ультразвук объектов, так и
характеристик их движения. Преимущественная область использования -гидроакустика, а также рыболокация, атмосферная акустика, ультразвуковая диагностика.
Известен гидролокатор для обнаружения подводных препятствий (эхотрал) и определения их координат в условиях мелководья на дистанциях до 50 метров, используемый для траления с целью проверки чистоты судовых ходов и выявления на них опасных для судоходства подводных объектов (см. «Гидролокаторы ближнего действия». А.Н.Яковлев, Г.П.Каблов. Л.: Судостроение, 1983. с.174-178), содержащий высокочастотный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, коммутатор, акустическую антенну, усилитель, детектор, индикатор, блок управления. Возникновение опасных для судоходства подводных объектов связано с естественным процессом изменения русла, а также обусловлено возможностью текущей замусоренности водных путей случайными объектами, например, затонувшими бревнами и т.п.Различают сплошное траление (проводится в установленные сроки навигации в границах всей судоходной полосы) и местное (осуществляется на наиболее опасных участках - порогах, перекатах, подходах к причалам и т.п.с целью оперативного поиска притопленных объектов).
Работа эхотрала происходит следующим образом. Высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора, на управляющий вход которого поступают с блока управления, периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с гармоническим заполнением с частотой 525 кГц, после усиления в усилителе мощности поступают через коммутатор на акустическую антенну, которая вырабатывает импульсы ультразвуковых колебаний, распространяющиеся в виде узкого горизонтального пучка в направлении возможного обнаружения подводного препятствия на глубине установки антенны (от 0,5 до 2,4 м). При
расположении подводного объекта на пути ультразвуковых сигналов он частично рассеивает их в обратном направлении к акустической антенне. Электрические сигналы, соответствующие полезным эхосигналам и маскирующим помехам, обрабатываются в усилителе, детектируются и поступают на вход индикатора, где на экране электроннолучевой трубки с длительным послесвечением положение отметки на развертке электронного луча определяет расстояние до препятствия. Для обеспечения просмотра всей протраливаемой полосы, а также в целях  определения курсового угла препятствия антенна вращается вокруг вертикальной оси в заданном секторе обзора.
В процессе испытаний и эксплуатации данного устройства применялись различные конструкции акустической антенны:
0,9B
пьезоэлектрическая перископическая, рупорная и так называемая "косекансная", причем, последняя конструкция приемно-излучающей антенны, по мнению авторов, обеспечивала формирование характеристики направленности (ХН) излучения с малым уровнем бокового поля в вертикальной плоскости вниз по направлению ко дну. Активный элемент "косекансной" акустической антенны состоял из четырех преобразователей, имеющих различные пространственные характеристики излучения, акустические поля которых в результате суперпозиции колебательных процессов в среде лоцирования и создавали желаемую форму характеристики направленности (ХН) (фиг.1). Следует отметить, что формирование ХН антенны с малым уровнем бокового поля в вертикальной плоскости вниз по направлению ко дну, к сожалению, привело к недопустимому увеличению уровня излучения бокового поля в той же плоскости вверх по направлению к водной поверхности. Так, при использовании рабочей частоты излучения 525 кГц «косекансный» преобразователь формировал акустическое поле со следующими характеристиками в вертикальной плоскости - ширина основного лепестка характеристики направленности по уровню 0,9 θ~4°, первый боковой лепесток в направлении (5°) от горизонта с уровнем (- 1,4дБ),
возд
вод
2
6
2
второй боковой лепесток в направлении (7°) от горизонта с уровнем (-3,7 дБ), третий боковой лепесток в направлении (10°) от горизонта с уровнем (- 9 дБ); четвертый боковой лепесток в направлении (30°) от горизонта с уровнем (- 20 дБ). Водная поверхность является границей раздела, для которой акустические сопротивления воздушной и водной сред (воздух - Z=442 кг/м×с; вода-Z=1,5×10 кг/м×с) настолько сильно различаются, что вся энергия акустической волны, падающей снизу на поверхность, возвращается в воду, что вызывало появление интенсивной маскирующей реверберационной помехи на всех дистанциях.
9
Конструкция пьезоэлектрической интерференционной антенны эхотрала выполнена следующим образом - на плоскую прямоугольную металлическую диафрагму размером (70×20) мм наклеены два одинаковых пьезоэлемента, сигнальные электроды которых загерметизированы, а режим одностороннего излучения обеспечен тем, что диафрагма является крышкой для воздухозаполненного корпуса антенной системы. Расчетная длина ближней прожекторной зоны 1 («мертвой» зоны) составляла около 1,4 м. При использовании рабочей частоты излучения 525 кГц и указанных геометрических размерах антенна формировала акустическое поле со следующими характеристиками:
0,7в
- в вертикальной плоскости - ширина основного лепестка характеристики направленности по уровню 0,7 θ,=2°, первый боковой лепесток в направлениях (±3,5°) от горизонта с уровнем (-13,3 дБ), второй боковой лепесток в направлениях (±5,8°) от горизонта с уровнем (-17,8 дБ), третий боковой лепесток в направлениях (±8,2°) от горизонта с уровнем (-21 дБ);
0,7Г
- в горизонтальной плоскости - ширина основного лепестка характеристики направленности по уровню 0,7 θ=7,2°, первый боковой лепесток в направлениях (±12°) от вертикали с уровнем (-13,3 дБ), второй боковой лепесток в направлениях (±20°) от вертикали с уровнем (-17,8 дБ),
третий боковой лепесток в направлениях (±30°) от вертикали с уровнем (-21 ДБ).
При данных параметрах приемно-излучающей антенны закономерны выводы, которые делают сами авторы: «В условиях ограниченной глубины в русле реки (~4 м) импульс звука не мог пройти расстояния более 30 м, не испытав отражений от поверхности воды или дна; в некоторых случаях эти отражения вызывали интенсивную помеху на индикаторе.
Незначительная часть звуковых импульсов распространялась с отражением от водной поверхности и от дна на всем протяжении, начиная от самого излучателя.
Для устранения реверберационной помехи на индикаторе начало развертки искусственно задерживалось, хотя при этом исключалась возможность обнаружения подводных препятствий в радиусе вокруг вибратора около 3 м.
Изображение на экране индикатора препятствия с малыми размерами (эхо от буя) вызывало утроение отметки, обусловленное боковыми лепестками характеристики направленности вибратора».
К недостаткам устройства следует также отнести невозможность определения параметров движения обнаруженных притопленных объектов относительно как водной среды, так и относительно судна-носителя эхотрала, а также отсутствие канала обработки эхосигналов для классификации объектов по эффекту Доплера.
Для повышения точности обнаружения притопленных объектов и уточненного обследования водного объема в используемой в данном устройстве схеме одновибраторного (моностатического) эхопеленгования принято уменьшать длительность зондирующего импульса и сужать основной лепесток характеристики направленности (ХН) антенны. Однако при уменьшении угловых размеров акустического луча на точность измерения пространственных координат цели, значительное влияние начинает оказывать качка судна-носителя, что диктует необходимость
расширения основного лепестка ХН. Возникающее противоречие может быть разрешено при использовании нескольких стабилизированных в пространстве разновеликих основных лепестков ХН, формируемых либо одной той и той же антенной, либо набором антенн.
Боковое излучение в ХН антенны гидролокационной станции также оказывает существенное влияние на точность и достоверность данных о подводной обстановке. При наличии уклонов дна, сильно расчлененном рельефе грунта (фарватер русла реки, судоходный канал для захода в гавань и т.д.) амплитуда эхосигнала, принятого боковыми лепестками, может превышать амплитуду эхосигнала, принятого основным лепестком, что приведет к фиксации недостоверной информации. Таким образом, для повышения точности измерений требуется уменьшение уровня бокового поля излучения антенны.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности гидролокатора для обнаружения подводных препятствий (эхотрала) и определения их координат в условиях мелководья, так как использование интерференционных традиционных приемо-излучающих антенн в специфических условиях эксплуатации - мелководье, «свалы» глубин, наличие протяженных границ раздела и т.д. не позволяет в соответствии с изменяющимися условиями лоцирования регулировать остроту направленного действия и величину дополнительных максимумов ХН приемо-излучающей антенны, что снижает точность пеленгования целей, уменьшает помехозащищенность устройства, увеличивает «мертвую» зону, а также не предусматривает возможности различения обнаруженных целей по такому классификационному признаку, как скорость движения. В результате затруднено получение достоверной информации о подводной протраливаемой акватории за счет наличия маскирующих отражений от границ раздела в сочетании с объемной реверберацией, что приводит к регистрации недостоверных данных.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности коммутатор, акустическая антенна, усилитель, детектор, индикатор, блок управления.
Известен гидролокатор «Сарган-Г» (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. «Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры». - Л.: Судостроение, 1986, с.40-45), содержащий два высокочастотных генератора (НЧ и ВЧ тракты), импульсный модулятор, усилитель мощности, коммутатор, акустическую антенну, два усилителя, два детектора, индикатор, блок управления.
Работа гидролокатора происходит следующим образом. При необходимости дальнего обнаружения целей (максимальный диапазон 1500 м) генераторный тракт вырабатывает радиоимпульсы с гармоническим заполнением 19,7 кГц, которые через коммутатор поступают на двухчастотную акустическую антенну с двумя резонансными частотами 19,7 кГц и 135 кГц, которые и производят излучение акустического импульса на выбранной ультразвуковой частоте. В случае необходимости уточнения картины ближней подводной обстановки (максимальный диапазон 500 м) оператор использует тракт с частотой 135 кГц. При встрече с подводными объектами акустические импульсы с той или иной частотой отражаются, эхосигналы принимаются антенной и поступают в усилитель соответствующего приемного тракта. Для обнаружения цели гидролокатор производит обследование водного пространства: акустическая антенна поворачивается вокруг вертикальной оси на заданные углы, оставаясь в каждом фиксированном положении в течение времени, необходимом для прохождения акустической волной двойного расстояния (до цели и обратно), соответствующего дальности действия гидролокатора. Местонахождение цели дают определяемые при локации пеленг (курсовой угол), дистанция (расстояние до цели) и угол места цели (угол наклона оси характеристики направленности акустической антенны в вертикальной плоскости), причем, осуществляя переключение НЧ и ВЧ трактов гидролокатора оператор имеет
0,7
возможность выбирать оптимальную разрешающую способность по направлению (на НЧ 19,7 кГц ширина основного лепестка θ=14°; на ВЧ 135 кГц в режиме «Широкая ДН» - 4°, в режиме «Узкая ДН» - 2,5°). Усиленные и продетектированные сигналы поступают на электроннолучевую трубку, на экране которой визуально регистрируют эхосигналы, определяют дистанцию до цели, пеленг, отражательную способность цели. Наличие тракта с частотой 135 кГц позволяет уточнить пеленг объекта и дальность до него.
Используемая в гидролокаторе двухчастотная акустическая антенна, формирующая характеристику направленности в результате интерференции когерентных колебаний, приходящих в каждую точку среды от отдельных синфазно излучающих участков ее поверхности, имеет простую конструкцию, высокий коэффициент осевой концентрации, минимальную излучающую поверхность при наименьшем числе дискретных активных элементов, однако уровень бокового излучения антенны достаточно велик и составляет примерно 20% от величины основного максимума, что может привести к грубой ошибке в определении угловых координат объекта, индикации и регистрации точечной цели как системы целей и т.д., что огранивает работоспособность гидролокатора в мелком море и при повышенном волнении.
Обнаружение подводных целей в специфических условиях эксплуатации акустической локационной системы ближнего действия -мелководье, «свалы» глубин, наличие протяженных границ раздела и т.д. должно быть дополнено режимом различения неподвижных и движущихся объектов, который основан на использовании эффекта Доплера. Действительно, наличие в протраливаемой зоне биологических объектов (движущихся стай рыб или отдельных особей) не будет представлять опасность для движения судов, в то время как обнаружение объектов неживой природы (неподвижных относительно воды макротел) должно быть отнесено к разряду потенциально опасных для навигации.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, коммутатор, акустическая антенна, усилитель, детектор, индикатор, блок управления.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности гидролокатора, так как использование интерференционной двухчастотной акустической антенны в специфических условиях эксплуатации -мелководье, «свалы» глубин, наличие протяженных границ раздела и т.д.- не позволяет устранить боковое излучение в направлениях дополнительных максимумов и устранить отражения от границ раздела, что уменьшает помехозащищенность устройства, приводит к появлению «ложных» целей, увеличивает «мертвую» зону, что может привести к регистрации недостоверных данных. В гидролокаторе не предусмотрен режим различения неподвижных и движущихся объектов, который основан на использовании эффекта Доплера.
От ряда перечисленных недостатков свободны локационные системы, использующие нелинейные эффекты, возникающие при распространении ультразвуковой волны конечной амплитуды в водной среде (см. «Гидроакустическая энциклопедия», - Таганрог, Издательство ТРТУ. 2000. с.438 - 441). Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды при распространении в ней мощного зондирующего сигнала с частотой f, что приводит к искажению формы волны конечной амплитуды, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f,...nf. Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: - на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи, с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники делается уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте изменение
свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Известны результаты экспериментальных исследований пространственных характеристик акустических полей для антенн существующей РПА на вторичных акустических сигналах - высших гармониках 2f, 3f,.... излученного сигнала основной частоты f, которые сформировались в гидроакустическом канале (см. Волощенко В.Ю. Вопросы исследования акустических сигналов высших гармоник для модернизации рыбопоисковой аппаратуры (части 1,2,3). Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естеств. науки. 2007. №2, с.38-42; №3, с.28-33, №4, с.29-34). В работах подробно представлены результаты экспериментальных измерений уровней звукового давления акустических сигналов основной частоты f и формирующихся в водной среде высших гармоник nf при работе в штатных НЧ и ВЧ режимах излучения для двухчастотного навигационно-рыбопоискового эхолота «Сарган-ЭМ», на основе которых с помощью уравнений гидролокации оценена энергетическая дальность действия РПА на различных сигналах, а также предложен вариант модернизации РПА «Сарган-ЭМ», который позволяет без переделок НЧ и В Ч трактов излучения и с небольшими изменениями в приемных трактах перевести изделие в пятичастотный навигационно-рыбопоисковый эхолот и перекрыть частотный диапазон сигналов промысловой гидроакустики (20 кГц - 300 кГц) при возможности изменения практически в 10 раз ширины главного максимума излучения и обнаружении одиночной рыбы/рыбного скопления на глубинах до 500 м/1700 м.
В качестве прототипа выбран акустический эхо-импульсный локатор по авт.св. SU №1228659 МКИ G01S 7/52, опубл. 20.12.1999, Бюл.№35, содержащий индикатор, блок управления, n входовый сумматор, последовательно соединенные генератор высокочастотных сигналов, импульсный модулятор, усилитель мощности, коммутатор, акустическую
антенну, n цепочек из последовательно соединенных фильтра, усилителя, детектора и аттенюатора, параллельно включенных таким образом, что входы фильтров объединены и подключены к коммутатору, а выходы аттенюаторов, управляющие входа которых подключены к блоку управления, соединены с n входами сумматора, выход которого подключен к сигнальному входу индикатора.
Работа акустического эхо-импульсного локатора происходит следующим образом. Высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой f, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора, на управляющий вход которого поступают с блока управления, периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с частотой f, после усиления в усилителе мощности поступают через коммутатор на акустическую антенну, которая излучает ультразвуковые колебания, распространяющиеся в водной среде, обладающей нелинейностью упругих характеристик. При распространении в среде акустический сигнал конечной амплитуды испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2f, 3f,...nf излученного сигнала с частотой f. Полигармонический локационный сигнал достигает объекта, отражается от него и, распространяясь обратно, достигает акустической антенны, преобразующей отраженные акустические колебания в соответствующие им электрические, поступающие на входы n цепочек с частотами f, 2f, 3f,.... nf, состоящие из последовательно соединенных фильтра, усилителя, детектора и аттенюатора. На выходах данных цепочек после фильтрации, усиления, детектирования и приведения в аттенюаторах амплитуд электрических сигналов к требуемым величинам выделяются электрические сигналы различной амплитуды, которые поступают на n входовый сумматор, с выхода которого результирующее напряжение поступает на сигнальный вход индикатора. Таким образом, результирующая
характеристика направленности в режиме приема приемо-излучающей антенны акустического эхо-импульсного локатора будет определяться суммой характеристик направленностей в режиме приема данной антенны для акустических сигналов с частотами f, 2f, 3f,....nf. Это позволит посредством изменения коэффициентов передачи аттенюаторов с помощью блока управления регулировать остроту направленного действия и величину дополнительных максимумов ХН антенны, что повысит точность пеленгования целей, увеличит помехозащищенность устройства, уменьшит «мертвую» зону.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: индикатор, блок управления, n входовый сумматор, высокочастотный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, коммутатор, акустическая антенна, n цепочек из последовательно соединенных фильтра, усилителя, детектора и аттенюатора.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности акустического эхо-импульсного локатора вследствие того, что с его помощью оператор может лишь обнаружить цель, оценить ее отражательную способность на нескольких рабочих частотах и измерить с требуемой точностью параметры, несущие информацию о ее координатах (дальность, азимутальный и курсовой углы), в то время как измерение характеристик движения цели (направление и скорость перемещения) не выполняется.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей акустического эхо-импульсного локатора, путем определения характеристик движения обнаруженных объектов.
Технический результат полезной модели заключается в возможности получения дополнительной информации о характеристиках движения объектов, что позволит получить новый объем первичных данных о подводной обстановке и расширит эксплуатационные возможности устройства.
Технический результат достигается тем, что в акустический эхо-импульсный локатор, содержащий высокочастотный генератор, соединенный через последовательно соединенные импульсный модулятор, усилитель мощности и коммутатор с акустической антенной, n цепочек из последовательно соединенных фильтра, усилителя, детектора и аттенюатора, выходы которых соединены с входами n входового сумматора, выход которого соединен с индикатором; управляющие входа импульсного модулятора, индикатора и аттенюаторов соединены с выходами блока управления, входы фильтров соединены с выходом коммутатора, дополнительно введены (n-1) умножителей частоты, их входы соединены с выходом высокочастотного генератора, два n - входовых аналоговых ключа, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами блока управления; выхода аналоговых ключей соединены с входами частотного дискриминатора, выход которого соединен с входом блока обработки доплеровской информации; входы первого аналогового ключа соединены с выходами высокочастотного генератора и умножителей частоты, входы второго аналогового ключа соединены с выходами усилителей.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительный тракт для измерения характеристик движения цели.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на фиг.1 показана характеристика направленности в вертикальной плоскости "косекансной" акустической антенны гидролокатора для обнаружения подводных препятствий (эхотрала) и определения их координат в условиях мелководья;
-на фиг.2 показана характеристика направленности антенны комплекса «Сарган-К» («Широкая ДН») для сигнала основной частоты f=135 кГц и формирующихся гармоник 2f=270 кГц, 3f=405 кГц, 4f=540 кГц, 5f=675 кГц;
-на фиг.3 показана характеристика направленности антенны комплекса «Сарган-К» («Узкая ДН») для сигнала основной частоты f=135
кГц и формирующихся гармоник 2f=270 кГц, 3f=405 кГц, 4f=540 кГц, 5f=675 кГц,6f=810кГц;
- на фиг.4 - показана структурная схема заявляемого устройства.
Акустическая локационная система ближнего действия содержит высокочастотный генератор 1, который соединен через последовательно соединенные импульсный модулятор 2, усилитель мощности 3 и коммутатор 4 с акустической антенной 5, а также с одним из входов первого аналогового ключа бис входами (n-1) умножителей частоты 7, выходы которых соединены с остальными входами первого аналогового ключа 6, выход которого соединен с входом частотного дискриминатора 8. Выход коммутатора 4 соединен с входами n цепочек, состоящих, каждая, из последовательно соединенных фильтра 9, усилителя 10, детектора 11 и аттенюатора 12, причем, фильтры настроены на частоты f, 2f, 3f,....nf. Выходы аттенюаторов 12 соединены с входами n входового сумматора 13, а его выход соединен с сигнальным входом индикатора 14. Выходы усилителей 10 соединены также с входами аналогового ключа 15, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора 8, выход которого соединен с блоком обработки доплеровской информации 16. Управляющие входы импульсного модулятора 2, аналоговых ключей 6 и 15, аттенюаторов 12, индикатора 14 и блока обработки доплеровской информации 16 соединены с выходами блока управления 17.
Работа локатора происходит следующим образом.
Высокочастотный генератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал частотой f, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого импульсного модулятора 2, на управляющий вход которого поступают с блока управления 17 периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотного сигнала. Радиоимпульсы с частотой f, после усиления в усилителе мощности 3 поступают через коммутатор 4 на акустическую антенну 5, которая излучает ультразвуковые колебания, распространяющиеся в водной среде, обладающей
p
D(f)
D(2f)
D(nf)
fD(f)
fD(2f)
D(nf)
D(f)
D(2f)
D(nf)
нелинейностью упругих характеристик. При распространении в среде акустический сигнал конечной амплитуды испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонентов 2f, 3f,...nf излученного сигнала с частотой f. При распространении в среде полигармонический локационный акустический сигнал с частотами f, 2f, 3f,...nf достигает движущегося с радиальной скоростью υ объекта, отражается от него, претерпевает для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты (±f), (±f), ... (±f), где (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта, и, распространяясь обратно, достигает антенны 5, преобразующей отраженные акустические колебания в соответствующие электрические, поступающие на входы n цепочек (для сигналов с частотами (f±),, (2f±), ... (nf±f) состоящих из последовательно соединенных фильтров 9 {частота (f±f)}, {частота (2f±f)} ...{частота (nf±f)}; усилителей 10, детекторов 11 и аттенюаторов 12, управляющие входы которых соединены с блоком управления 17. После приведения в аттенюаторах 12 амплитуд электрических сигналов к требуемым величинам они поступают на n входовый сумматор 13, с выхода которого результирующее напряжение поступает на сигнальный вход индикатора 14. Таким образом, результирующая характеристика направленности акустической антенны 5 локационной системы будет определяться суммой характеристик направленностей в режиме приема данной антенны 5 для акустических сигналов с частотами f, 2f, 3f, ... nf. Это позволит посредством изменения коэффициентов передачи аттенюаторов 12 в соответствии с изменяющимися условиями лоцирования регулировать остроту направленного действия и величину дополнительных максимумов ХН антенны, что повысит точность пеленгования целей, увеличит помехозащищенность устройства, уменьшит «мертвую» зону.
D(f)
D(2f)
D(nf)
Для измерения характеристик движения цели один из электрических сигналов с частотой (f±f), (2f±f), ... (nf±f) с выходов усилителей
D(f)
D(2f)
D(nf)
10 через аналоговый ключ 15 поступает на вход частотного дискриминатора 16, на второй вход которого с выхода первого аналогового ключа 6 подается соответственно один из сигналов с частотами f, 2f, 3f, ... nf без доплеровского смещения. Для этого входа аналогового ключа 6 соединены с выходом высокочастотного генератора 1 с частотой f, а также с выходами (n - 1) умножителей частоты 7 с коэффициентами умножения в 2, 3,...n раз. Выбор того или иного сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 17 управляющих сигналов на управляющие входа аналоговых ключей 6 и 15. На выходе частотного дискриминатора 16 выделяется электрический сигнал с частотой соответствующей доплеровскому смещению (f), (f), ... или (f), что позволяет в блоке обработки доплеровской информации 16 рассчитать n значений радиальной составляющей скорости цели на основе эффекта Доплера по соотношению
V(nf)
P(nf)
где: К=2×(nf)/с - скоростная чувствительность доплеровского измерителя для акустического сигнала на частоте nf, представляющая собой приращение доплеровской частоты при изменении скорости на 1 узел; υ - радиальная составляющая скорости относительного сближения (+) или удаления (-) объекта и судна - носителя акустической локационной системы, измеренная на соответствующем акустическом сигнале; nf - частота, используемого для измерения параметров движения цели, акустического сигнала; n=1, 2, 3,... - номер используемой гармоники; с - скорость звука в водной среде.
Основными задачами блока вторичной обработки информации 16 являются следующие:
1) измерение доплеровских частот;
2) переход от значений частот к значениям скорости объекта;
3) введение поправок в измеренные значения радиальной скорости объекта;
4) преобразование информации в код индикаторных элементов и индикация значений радиальной скорости объекта. Для выполнения указанных операций по вторичной обработке сигналов в акустической локационной системе ближнего действия могут быть успешно   использованы аналогичные устройства  из радиодоплеровских систем (см. Цифровые навигационные устройства. Под ред. В.Б.Смолова. М., Сов. радио, 1980).
Ограниченность приповерхностного водного объема, перемешивающее воздействие ветрового волнения и течений, разнонаправленное влияние силы Архимеда и гравитационного поля и т.д. обусловят накопление в обследуемом слое опасных для судоходства предметов, вследствие чего акустические локационные системы ближнего действия должны иметь достаточную разрешающую способность, т.е. способность системы к раздельному анализу эхосигналов, имеющих близкие параметры. В нашем случае анализ гидролокационных сигналов включает их обнаружение и измерение параметров, несущих информацию о координатах (дальность и соответствующие углы) и радиальной скорости обнаруженных объектов, отражающих зондирующие сигналы. Для раздельного измерения координат объектов информативные эхосигналы должны быть разрешены соответственно по времени, направлению прихода и по доплеровскому смещению частоты. Таким образом, акустические локационные системы ближнего действия следует характеризовать разрешающей способностью по времени (дальности), направлению прихода сигналов (угловым координатам) и частоте (радиальная скорость движения объектов), причем, практический интерес представляет разрешающая способность не по какому-либо параметру эхосигнала, а по соответствующей ему координате: дальности, углу, скорости. В соответствии с вышесказанным запишем формулировки (см. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Под ред. Б.X.Кривицкого. В 2-х томах. Т.2. - М.: Энергия, 1977. с.166-180):
Разрешающая способность по дальности количественно оценивается минимальным расстоянием δ(z) между двумя точечными объектами,
находящимися на одном направлении и имеющими одинаковые радиальные скорости, при котором возможно раздельное обнаружение этих целей и измерение их дальностей.
Разрешающая способность по угловым координатам оценивается минимальным углом δ(φ) между направлениями на объекты, имеющие одинаковую дальность и радиальные скорости, при котором возможно раздельное обнаружение и измерение угловых координат.
p
Разрешающая способность по скорости оценивается минимальной разностью радиальных скоростей δ(υ) двух объектов, не разрешаемых по дальности и угловым координатам, допускающей раздельное обнаружение и измерение их радиальных скоростей.
пот
пот
р
пот
Энергетическое отношение сигнал/шум, форма сигналов при прочих идеальных условиях обусловливают предельное значение разрешающей способности, которое называется потенциальной разрешающей способностью - δ(φ), δ(z), δ(υ), причем, в реальных условиях приема и индикации сигналов всегда происходит дополнительное их расширение по параметру разрешения, приводящее к ухудшению разрешения, вследствие чего реальная разрешающая способность всегда хуже потенциальной.
Известны расчетные соотношения для потенциальной разрешающей способности в случае импульсного входного сигнала с прямоугольной огибающей:
по дальности -
по радиальной скорости -
по угловой координате -
и
0
0,7
где с - скорость звука в воде, τ- длительность прямоугольного импульса, ω - циклическая частота гармонического сигнала, θ - ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности.
Рассмотрим в качестве примера иллюстрирующего достижение требуемого результата при использовании акустической локационной системы ближнего действия с антеннами - идентичными использовавшимися в навигационно-рыбопоисковом комплексе «Сарган К», особенностью которых является возможность изменения ширины диаграмм направленности за счет подключения большего или меньшего числа активных элементов (см. Волощенко В.Ю. Вопросы исследования акустических сигналов высших гармоник для модернизации рыбопоисковой аппаратуры, (части 1, 2, 3). Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естеств. науки. 2007. №2, с.38-42).
Итак, в режиме излучения антенна комплекса «Сарган-К» имеет:
в режиме «Широкая ДН» (рис.2):
0,7(f)
БП(f)
1) на частоте f=135 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=4,7° и уровень бокового излучения Р=(-15,5дБ);
0,7(2f)
БП(2f)
2) на частоте 2f=270 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=3,2° и уровень бокового излучения P=(-20 дБ);
0,7(3f)
БП(3f)
3) на частоте 3f=405 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=2,8° и уровень бокового излучения Р=(-50 дБ);
0,7(4f)
БП(4f)
4) на частоте 4f=540 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=2,4° и уровень бокового излучения Р=(-50 дБ);
0,7(5f)
БП(5f)
5) на частоте 5f=675 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=2° и уровень бокового излучения Р(-50 дБ);
в режиме «Узкая ДН» (рис.3):
0,7(f)
БП(f)
0
1)на частоте f=135 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=2,1 и уровень бокового излучения Р=(-9 дБ);
0,7(2f)
БП(2f)
2)на частоте 2f=270 кГц ширину диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=1,7° и уровень бокового излучения Р=(-16 дБ);
0,7(3f)
БП(3f)
3)на частоте 3f=405 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=1,3° и уровень бокового излучения Р=(-33дБ);
0,7(4f)
БП(4f)
4)на частоте 4f=540 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=1° и ровень бокового излучения Р=(-25 дБ);
0,7(5f)
БП(5f)
5)на частоте 5f=675 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=1° и уровень бокового излучения P=(-31 дБ);
0,7(6f)
БП(6f)
6)на частоте 6f=810 кГц ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 θ=0,8° и уровень бокового излучения Р=(-28 дБ).
Анализ представленных выше экспериментальных данных и соотношений (2) - (4) позволяет сделать следующие выводы. Из (2) следует, что повышение разрешающей способности по дальности достигается уменьшением длительности импульса, причем, для рассматриваемой акустической локационной системы ближнего действия на всех используемых сигналах она одинакова. Из (3) следует, что при немодулированных сигналах потенциальная разрешающая способность по скорости при известном времени прихода эхосигнала обратно пропорциональна длительности сигнала и циклической частоте локационного сигнала и может быть улучшена при их увеличении, т.е. для рассматриваемой акустической локационной системы ближнего действия при одинаковой длительности зондирующего сигнала для каждой последующей гармоники она выше. Из (4) следует, что потенциальная разрешающая способность по угловой координате для каждой последующей гармоники также выше.
Решение разнообразных задач, связанных с повышением безопасности судоходства на реках и озерах, проведением изыскательных работ на шельфе и т.д., осуществляемых с помощью акустических локационных систем ближнего действия, связано с подробным обследованием приповерхностного слоя различных водных акваторий, в котором обнаруженные цели необходимо классифицировать по скорости движения:
- 1) опасные предметы (объекты неживой природы), перемещающиеся со скоростью течения реки или неподвижные относительно стоячей воды, вследствие чего имеющие возможность оказаться на выбранном курсе судна;
2) потенциально безопасные предметы (объекты живой природы), перемещающиеся в различных направлениях со своей собственной скоростью и имеющие возможность уклониться от курса надводного судна.
Использование предлагаемой акустической локационной системы ближнего действия перспективно и для навигации судов - при облучении неподвижных объектов (например, дна водоема, причальной стенки и т.д.) можно определять скорость движения судна - носителя устройства.
Таким образом, предлагаемая акустическая локационная система ближнего действия может быть применена для решения разнообразных задач, связанных с повышением безопасности судоходства на реках и озерах, проведением изыскательных работ на шельфе, имеющих целью обнаружение и уточнение как координат отражающих ультразвук объектов, так и характеристик их движения на нескольких рабочих сигналах кратных частот с необходимой разрешающей способностью.
Практическая реализация заявляемого устройства не представляет сложностей. Частотный дискриминатор, например, может состоять из последовательно соединенных перемножителя, фильтра низких частот, преобразователя частота - напряжение. Если в качестве блока обработки доплеровской информации используют осциллографический индикатор, то на его экране получим последовательность видеоимпульсов с амплитудой, пропорциональной скорости перемещения обнаруженных объектов.