Приемный тракт гидролокатора
RECEIVING SONAR CHANNEL

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в активных гидроакустических системах (гидролокаторах) при поиске и распознавании подводных объектов, слежения за рельефом дна, для навигационного обеспечения плавания подводных аппаратов в сложных условиях.
Для обеспечения безопасности плавания подводных аппаратов необходим гидролокатор, обеспечивающий обнаружение препятствий впереди по курсу в толще воды и на дне по курсу, как с разрешением по дистанции, так и по курсовому углу (в горизонтальной плоскости) и углу места (в вертикальной плоскости), имеющий небольшие габариты, вес и потребление электроэнергии, что особенно важно для небольших подводных аппаратов. В таких гидролокаторах обычно используются антенные системы - прямоугольные из N*M элементов, крестообразные или Т-образные, состоящие из двух линейных решеток расположенных взаимно перпендикулярно, одна из которых передающая, а другая приемная, которые имеют свои положительные и отрицательные свойства, однако при использовании в антенных системах прореженных антенных решеток или состоящих из подрешеток, при неплотно заполненной поверхности элементами существенно возрастают боковые лепестки характеристики направленности, появляются дифракционные максимумы высших порядков, искажается форма характеристики направленности, возрастает уровень бокового поля (Л.К. Самойлов «Электронное управление характеристиками направленности антенн», Л, Судостроение, 1987 г., стр. 125, 621.391.861.883; У.С. Найт, Р.Г. Придем, С.М. Кей Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах. ТИИЭР, том 69, №11, ноябрь1981 г. стр. 106).
Основное назначение многолучевого эхолота (МЛЭ) - получение данных о глубине в некоторой полосе обзора, которую охватывает веер узких акустических лучей, расположенных в поперечной плоскости судна. Ширина раствора акустического луча может составлять единицы градусов, количество лучей может достигать сотен. Как правило, МЛЭ имеет Т-образные антенные системы, состоящие из двух антенн, одна из которых приемная, а вторая передающая. Передающая антенная решетка озвучивает узкую полосу дна перпендикулярно проекции курса судна. Приемная антенна представляет собой плоскую линейную антенную решетку расположенную перпендикулярно проекции курса судна, которая позволяет формировать в этом направлении статический веер характеристик направленности. Общее число преобразователей в решетке может быть более 100 (А.В. Богородский, Д.Б. Островский Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. С-Пб, изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009 г., стр. 116…118).
Известен многолучевой эхолот (К.В. Авилов и др. Глубоководный многолучевой эхолот, Океанология, т. 32, вып. 5, 1992 г., УДК 534.6.08.551.463.26.). Его приемный тракт содержит приемную антенну, входящую в состав антенной системы, состоящей из приемной и передающей линейных решеток, с шагом каналов в них равным половине длинны волны, при чем ширина канала равна 1.5 длинны волны, расположенных Т-образно на днище носителя. Приемный тракт МЛЭ включает в себя усилители с полосовыми фильтрами, аналого-цифровые преобразователи, а также вычислительный комплекс обработки и отображения информации выполняющий функцию формирования характеристик направленности.
Недостатками описанного МЛЭ являются большие габариты антенной решетки, при этом обзор пространства, то есть получение данных под антенной в направлении диаметральной плоскости носителя, возможен только при его движении, так же фазовые центры излучающей и приемной антенных решеток не совпадают, что приводит к появлению дополнительной погрешности в определении дистанции обнаруженных объектов.
Известен приемный тракт устройства гидроакустической визуализации, описанное в патенте RU 2568338, G01S 15/00, В63С 11/48 опубл. 20.11.2015 г. содержащее размещенные в герметичном корпусе антенный блок, включающий установленные в одной плоскости перпендикулярно продольной оси герметичного корпуса излучающую и приемную многоэлементные решетки в виде взаимно перпендикулярных линеек. Приемный тракт этого устройства содержит так же блок обработки принятого сигнала, включающий последовательно соединенные с выходом приемной антенной решетки приемный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, формирователь характеристик направленности. При этом одна из линейных антенных решеток состоит из двух подрешеток, разнесенных на ширину второй линейной решетки.
Недостатками указанного приемного тракта устройства гидроакустической визуализации являются недостаточная достоверности обнаружения целей по угловым координатам в следствии появления дифракционных максимумов высших порядков (Л.В. Орлов, А.А. Шабров Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота, Л, Судостроение, 1987 г., стр. 101) и недостаточная дальность обнаружения целей в следствии возрастания уровня бокового поля то есть уменьшения соотношения сигнал-помеха, вследствие того, что одна из линейных антенных решеток состоит из двух подрешеток.
Наиболее близким аналогом, заявленного изобретению по структуре является приемный тракт гидролокатора (навигационной гидроакустической станции освещения ближней обстановки (НГАС ОБО)) содержащий двумерную приемную антенную систему, тракт предварительной обработки, первую цифровую вычислительного систему (ЦВС 1 (Патент РФ №2225991, МПК G01S 15/00, G01S 15/52, опубл. 20.03.2004). Антенная система представляет собой двумерную фазированную антенную решетку из N*M акустических преобразователей (элементов). Тракт предварительной обработки содержит последовательно соединенные усилительное устройство, при этом усилительное устройство является многоканальным с числом входов N*M, равным числу акустических преобразователей в антенной системе, квадратурный демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, уплотнитель данных. ЦВС 1 представляют собой структуру многопроцессорной ЭВМ цифровой обработки сигналов и в совокупности с трактом предварительной обработки является формирователем характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то есть формирует статистический веер характеристик направленности в вертикальной плоскости (ВП) и горизонтальной плоскости (ГП).
Недостатками приемного тракта НГАС ОБО являются большое количество каналов в двумерной антенной решетке равное произведению числа элементов по горизонтали (N) и вертикали (М) и как следствие большие размеры и вес двумерной антенной решетки, так же требуется быстродействующий процессор обработки сигналов от большого количества каналов двумерной антенной решетки (N*M) и как следствие требуется большая мощность электроэнергии для обеспечения его работы. Устранение этих недостатков особенно актуально для небольших подводных аппаратов.
Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности обнаружения целей по угловым координатам и увеличение дальности их обнаружения при меньшем количестве каналов.
Технический результат заключается в уменьшении количества каналов в двумерной антенной решетке с сохранением разрешающей способности приемного тракта гидролокатора по угловым координатам и с исключением дифракционных максимумов высших порядков, неоднозначности по направлению в приеме и искажении формы ее диаграммы направленности.
Для обеспечения указанного технического результата в приемный тракт гидролокатора, содержащий двумерную фазированную антенную систему, многоканальное усилительное устройство, формирователь характеристик направленности, введены новые признаки, а именно: двумерная фазированная антенная система выполнена в виде двух установленных в одной плоскости крестообразно взаимно перпендикулярных эквидистантных линейных фазированных антенных решеток, горизонтальной N - канальной, при чем каждый канал состоит из m электрически соединенных между собой элементов, равномерно размещенных в линию по ее ширине, и вертикальной М - канальной, при чем каждый канал состоит из n электрически соединенных между собой элементов, равномерно размещенных в линию по ее ширине, в месте их пересечения образуя массив из n*m идентичных элементов, многоканальное усилительное устройство выполнено в виде четырех массивов усилителей, при чем первый массив состоит их N-n усилителей, второй массив из М-m усилителей, третий и четвертый массив из n*m усилителей, формирователь горизонтальных характеристик направленности имеет N-входов для горизонтальной линейной фазированной антенной решетки, а формирователь вертикальных характеристик направленности имеет М-входов для вертикальной линейной фазированной антенной решетки, при чем усилители массива из N-n усилителей и массива М-m усилителей выполнены с коэффициентом усиления А, входы усилителей массива из N-n усилителей подключены к соответствующим выходам N-n каналов горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, а выходы подключены к соответствующим входам формирователя характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, входы усилителей массива из усилителей М-m подключены к соответствующим М-m выходам каналов вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, а выходы подключены к соответствующим входам формирователя характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, а выходы формирователей характеристик направленности являются выходами приемного тракта гидролокатора, в приемный тракт введены первый массив из n сумматоров с m-входами и второй массив из m сумматоров n-входами, усилители третьего и четвертого массива из n*m усилителей выполненных с коэффициентом усиления А/m и А/n соответственно, входы усилителей третьего и четвертого массивов усилителей подключены к соответствующим выходам n*m элементов, являющимися общими для горизонтальной и вертикальной эквидистантных линейных фазированных антенных решеток, при этом выходы усилителей третьего массива соединены с соответствующими входами первого массива из n сумматоров с m-входами, выходы n сумматоров первого массива сумматоров подключены к соответствующим n входам формирователя характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, а выходы усилителей четвертого массива соединены с соответствующими входами второго массива из m сумматоров с n входами, выходы m сумматоров второго массива сумматоров подключены к соответствующим m входам формирователя характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки.
Введение новых блоков и связей позволяет обеспечить заявленный технический результат путем уменьшение количества каналов в двумерной антенной решетке с N*M до N+M и с исключением дифракционных максимумов высших порядков в двумерной многоканальной фазированной антенной решетке гидролокатора, неоднозначности по направлению в приеме и излучению и искажение формы ее диаграммы направленности.
Сущность изобретения поясняется схемой на фигуре, при этом на фигуре приведена блок-схема заявляемого приемного тракта гидролокатора.
Заявленный приемный тракт гидролокатора (фигура) содержит:
двумерную фазированную антенную систему 1, включающую установленные крестообразно в одной плоскости взаимно перпендикулярно эквидистантные линейные фазированные антенные решетки, горизонтальную N-канальную, при чем каждый канал состоит из m - элементов, выходы которых соединены, размещенных в линию по ее ширине и вертикальную М-канальную, при чем каждый канал состоит из n-элементов, выходы которых соединены, размещенных в линию по ее ширине, а в месте их пересечения образуется массив из n*m идентичных элементов;
- первый массив 2 из N-n усилителей с коэффициентом усиления А;
- второй массив 3 из М-m усилителей с коэффициентом усиления А;
- третий массив 4 из n*m усилителей с коэффициентом усиления А/m;
- усилитель 5 с коэффициентом усиления А/m
- четвертый массив 6 из n*m усилителей с коэффициентом усиления А/n;
- усилитель 7 с коэффициентом усиления А/n;
- первый массив 8 из n сумматоров с m-входами;
- сумматор 9 с m-входами;
- второй массив 10 из m сумматоров n-входами;
- сумматор 11 n-входами;
- формирователь 12 характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки с N входами;
- формирователь 13 характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки с М входами.
Приемный тракт гидролокатора работает следующим образом.
После облучения сектора обзора зондирующим импульсом отраженные эхо-сигналы от подводных объектов, находящихся в секторе обзора, принимаются всеми элементами каналов горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решеткой антенной системы 1, и далее поступают на соответствующие входы первого массива 2 из N-n усилителей с коэффициентом усиления А и входы третьего массива 4 из n*m усилителей 5 с коэффициентом усиления А/m, а так же принимаются всеми элементами каналов вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решеткой антенной системы 1, и далее поступают на соответствующие входы второго массива 3 из М-m усилителей с коэффициентом усиления А и входы четвертого массива 6 из n*m усилителей 7 с коэффициентом усиления А/n. Выходы n*m усилителей 5 массива 4 образуют n - групп по m усилителей, m выходов каждой из n групп усилителей 5 подключаются к соответствующим входам сумматоров 9, имеющим m входов, из n сумматоров массива 8. Каждый из сумматоров 9 из массива сумматоров 8 суммирует сигналы m усилителей 5, усиленных ими в А/m раз, в результате суммарный сигнал на выходе каждого из сумматоров 9 будет усилен в А раз, ровно во столько же как и любым из усилителей массива усилителей 2. При этом выходные сигналы массива усилителей 2 поступают на N-n входы формирователя характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 12, а n сигналов с выходов сумматоров 9 массива сумматоров 8 поступают на оставшиеся n входов формирователя характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 12. В результате на N входы формирователя характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 12 поступают сигналы с N каналов горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, при этом из них n каналов, приходящихся на область пересечения с вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решеткой, формируются путем суммирования соответствующих сигналов массива n*m элементов приходящихся на область их пересечения. Далее формирователь характеристик направленности горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки формирует статический веер характеристик направленности в горизонтальной плоскости в секторе обзора.
Выходы n*m усилителей 7 массива 6 образуют m - групп по n усилителей, n выходов каждой из m групп усилителей 7 подключаются к соответствующим входам сумматоров 11, имеющим n входов, из m сумматоров массива 10. Каждый из сумматоров 11 из массива сумматоров 10 суммирует сигналы n усилителей 7 усиленных ими в А/n раз, в результате суммарный сигнал на выходе каждого из сумматоров 11 будет усилен в А раз, ровно во столько же как и любым из усилителей массива усилителей 3. При этом выходные сигналы массива усилителей 3 поступают на М-m входы формирователя характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 13, a m сигналов с выходов сумматоров 11 массива сумматоров 10 поступают на оставшиеся m входов формирователя характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 13. В результате на М входы формирователя характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки 13 поступают сигналы с М каналов вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки, при этом из них m каналов, приходящихся на область пересечения с горизонтальной эквидистантной линейной фазированной антенной решеткой, формируются путем суммирования соответствующих сигналов массива n*m элементов приходящихся на область их пересечения. Далее формирователь характеристик направленности вертикальной эквидистантной линейной фазированной антенной решетки формирует статический веер характеристик направленности в вертикальной плоскости в секторе обзора. Далее сигналы с выходов обоих формирователей характеристик направленности могу подвергаться вторичной обработке и индикации.
Аппаратная реализация предлагаемого приемного тракта гидролокатора не вызывает сомнения. Двумерная антенная фазированная система может быть выполнена на основе эквидистантных линейных фазированных решеток размещенных на общем плоском основании взаимно перпендикулярно и изготовленных из одинаковых элементов - гидрофонов, шаг установки которых одинаков (Л.В. Орлов, А.А. Шабров Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота, Л, Судостроение, 1987 г., стр. 104-112). Массивы 2, 3, 4, 6 усилителей 2, 3, 5, 7 могут быть выполнены на основе микросхем AD600 - интегральных усилителей с коэффициентом усиления управляемым напряжением для организации временной автоматической регулировки усиления (www.analog.com, ad600.pdf). Сумматоры 9, 11 массивов 8, 10 могут быть выполнены на основе стандартных интегральных операционных усилителей включенных по стандартной схеме сумматора (В.Л. Шило, Линейные интегральные схемы, Советское радио,1979 г., стр. 158). Формирователи характеристик направленности 12, 13 могут быть выполнены по схеме с фазовой компенсацией (Ю.Ф. Корякин и др., Корабельная гидроакустическая техника., Санкт-Петербург, Наука, 2004 г., стр. 251.).
Исходя из вышеизложенного следует, что приемный тракт гидролокатора обладает достоинствами, именно:
- количество каналов в двумерной антенной фазированной системе составляет N+M против N*M в прототипе, вследствие использования двумерной фазированной антенной системы, выполненной в виде двух установленных в одной плоскости крестообразно взаимно перпендикулярных эквидистантных линейных фазированных антенных решеток;
- нет дополнительных дифракционных максимумов высших порядков в диаграмме направленности - исключается неоднозначности по направлению в приеме вследствие равного шага установки каналов по всей длине линейных фазированных антенных решеток, так как в месте пересечения горизонтальной и вертикальной эквидистантных фазированных антенных решеток из их элементов образованы каналы и выполняется условие отсутствия дифракционных максимумов высших порядков в диаграмме направленности - стопроцентных боковых лепестков (Л.В. Орлов, А.А. Шабров Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота, Л, Судостроение, 1987 г., стр. 101);
- дальность обнаружения целей увеличивается за счет улучшения соотношения сигнал-помеха вследствие уменьшения уровня бокового поля эквидистантных линейных фазированных антенных решеток из за равного шага установки каналов по всей длине линейных фазированных антенных решеток путем образования каналов из элементов в месте их пересечения;
- приемный тракт и антенная система состоят из минимально возможного количества каналов - не требуется высокопроизводительных вычислительных средств для обработки их сигналов;
- поскольку фазовые центры эквидистантных линейных фазированных антенных решеток совпадают, так как они размешаются крестообразно и взаимно перпендикулярно, то исключается дополнительная ошибка определения дистанции.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения достигнут.