ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛОКАТОР

Заявляемое устройство относится к акустическим приборам и устройствам гидролокации и эхоскопии, и может быть использовано для дистанционного зондирования с высоким пространственным разрешением объектов, находящихся в звукопрозрачных средах.
Известен «Акустический импульсный локатор» (пат. РФ на изобретение №2050558, Опубл.: 20.12.1995) состоящий из синхронизатора, формирователя радиоимпульов с AM заполнением, излучающего преобразователя, включенных последовательно. К выходу низкочастотного широкополосного приемного преобразователя подключены последовательно, во-первых, первый фильтр, первый усилитель-ограничитель, удвоитель частоты, во-вторых, второй фильтр, второй усилитель-ограничитель. Выход усилителя-ограничителя и выход удвоителя частоты соединены с входами фазового детектора. К выходу фазового детектора подключен индикатор, синхронизируемый синхронизатором.
Существенными признаками аналога, общими с заявляемым устройством, являются синхронизатор, формирователь радиоимпульсов с амплитудно-модулированным заполнением (в заявляемом устройстве блок управления и формирования зондирующих сигналов), широкополосный приемный преобразователь, первый фильтр, первый усилитель -ограничитель, удвоитель частоты, фазовый детектор, индикатор, представляющие собой приемный тракт.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая дальность действия параметрического эхолокатора.
Известен параметрический гидролокатор ПГЛ-2 (Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1989., с.208-209), состоящий из параметрического излучающего и приемно-регистрирующего трактов. Формирование исходных сигналов накачки осуществляется по двухканальной схеме. Сигналы с генераторов, поступают на импульсные модуляторы, которые управляются импульсным генератором. Затем радиоимпульсы усиливаются усилителями мощности и излучаются в воду многоэлементными пьезоэлектрическими преобразователями накачки. В качестве приемно-регистрирующего тракта используется тракт серийной рыбопоисковой станции, состоящий из приемной антенны, приемного усилителя и регистрирующего устройства-самописца.
Существенными признаками аналога, общими с заявляемым устройством, являются генераторы, импульсные модуляторы, импульсный генератор, усилители мощности, многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь накачки, в аналоге параметрический излучающий тракт (в заявляемом устройстве тракт излучения); приемная антенна, приемный усилитель, самописец (в заявляемом устройстве - приемный тракт).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая дальность действия параметрического эхолокатора.
Наиболее близким из аналогов к заявляемому устройству является «Многоцелевой параметрический гидролокатор ПГЛ-3» (Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1989, с.209-210). Структурная схема ПГЛ-3 показана на фиг.1.
Гидролокатор ПГЛ-3 состоит из блока управления и формирования зондирующих сигналов 1, излучающего тракта 2, содержащего усилитель мощности 3 и пьезоэлектрическую антенну накачки 4, приемного тракта 5, состоящего из приемной антенны 6, блока временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) 7, предварительного усилителя 8, а также из первого гетеродинного приемника 9, усилителя промежуточной частоты 10, второго гетеродинного приемника 11, самописца 12.
Импульсы синхронизации с частотой повторения зондирующих импульсов поступают с самописца 12 в блок управления и формирования зондирующих импульсов 1. Сформированный сигнал из блока управления и формирования зондирующих сигналов 1 поступает на вход усилителя мощности 3 излучающего тракта 2, затем поступает на пьезоэлектрическую антенну накачки 4 и излучается в водную среду. В водной среде за счет нелинейного взаимодействия волн накачки происходит генерация волн разностной частоты (ВРЧ). Отраженный от цели сигнал ВРЧ принимается приемной антенной 6, через блок ВАРУ 7, работа которого управляется сигналом со второго выхода блока управления и формирования зондирующих сигналов 1, поступает на вход предварительного усилителя 8, затем через первый гетеродинный приемник 9, усилитель промежуточной частоты 10 и второй гетеродинный приемник 11 поступает на перо самописца 12.
Существенными признаками прототипа, общими с заявляемым устройством, являются:
- блок управления и формирования зондирующих сигналов;
- излучающий тракт, содержащий усилитель мощности и пьезоэлектрическую антенну накачки;
- приемный тракт, содержащий приемную антенну, предварительный усилитель (в заявляемом устройстве блок предварительной обработки), первый гетеродинный приемник, усилитель промежуточной частоты и второй гетеродинный приемник (в заявляемом устройстве объединены в блок вторичной обработки эхосигнальной информации);
- самописец (в заявляемом устройстве блок представления и отображения информации).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая дальность действия параметрического эхолокатора.
0
1
2
1
2
1
2
2
1
0
2
1
2
1
Невысокая дальность действия эхолокатора связана с несоответствием формы частотной характеристики эффективности антенны накачки k(f) в режиме излучения и структуры спектра возбуждающего электрического напряжения с выхода усилителя мощности. Частотная характеристика эффективности антенны накачки в режиме излучения имеет явно выраженный резонансный характер с единственным максимумом на средней частоте накачки f=(f+f)/2, где f и f - частоты нижней и верхней компонент спектра бигармонического сигнала накачки (биений), поступающего на вход усилителя мощности в каждом из описанных выше аналогов. Нормированная частотная характеристика эффективности антенны накачки k(f) в режиме излучения показана на фиг.5 сплошной линией. Спектр сигнала накачки представляет собой две спектральные линии на частотах f и f, как показано на фиг.5. Таким образом, эффективность излучения каждой спектральной компоненты сигнала накачки k(f) и k(f) значительно меньше максимально возможного значения k(f) и уменьшается с ростом разностной частоты F=f-f. Вместе с тем, как известно, амплитуда ВРЧ пропорциональна произведению амплитуд волн накачки (Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981). Поэтому несоответствие формы частотной характеристики эффективности излучающей антенны накачки k(f) и структуры спектра сигнала накачки приводит к неэффективному излучению волн накачки и неэффективной генерации ВРЧ, вследствие чего уменьшается дальность действия параметрического эхолокатора. Как следует из фиг.5, эффективность излучения волн накачки будет падать с увеличением частоты разностной волны F=f-f.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение дальности действия параметрического эхолокатора.
Технический результат достигается тем, что в излучающий тракт введен блок согласования, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, а выход подключен к пьезоэлектрической антенне накачки, причем блок согласования выполнен в виде Г-образного четырехполюсника, представляющего собой последовательное соединение первой катушки индуктивности, конденсатора, второй катушки индуктивности, входом блока согласования является свободный контакт первой катушки индуктивности, а выходом блока согласования является точка соединения первой катушки индуктивности и конденсатора, общей точкой блока согласования является свободный контакт второй катушки индуктивности.
Для достижения технического результата в параметрический эхолокатор, содержащий блок управления и формирования зондирующих сигналов, излучающий тракт, содержащий усилитель мощности и пьезоэлектрическую антенну накачки, приемный тракт, содержащий приемную антенну, блок предварительной обработки, блок вторичной обработки эхосигнальной информации, блок представления и отображения информации, введен в излучающий тракт блок согласования, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, а выход подключен к пьезоэлектрической антенне накачки, причем блок согласования выполнен в виде Г-образного четырехполюсника, представляющего собой последовательное соединение первой катушки индуктивности, конденсатора, второй катушки индуктивности, входом блока согласования является свободный контакт первой катушки индуктивности, а выходом блока согласования является точка соединения первой катушки индуктивности и конденсатора, общей точкой блока согласования является свободный контакт второй катушки индуктивности.
На фиг.1 изображена структурная схема многоцелевого параметрического гидролокатора ПГЛ-3. На фиг.2 изображена структурная схема заявляемого параметрического эхолокатора. На фиг.3 изображена схема блока согласования. На фиг.4 изображена частотная характеристика эффективности пьезоэлектрической антенны накачки с применением блока согласования (сплошная линия) в сравнении с прототипом (пунктирная линия). На фиг.5 изображена частотная характеристика эффективности пьезоэлектрической антенны накачки без блока согласования (прототип).
Заявляемое устройство состоит из блока управления и формирования зондирующих сигналов 1, тракта излучения 2 и приемного тракта 6. В состав тракта излучения 2 входят последовательно включенные усилитель мощности 3, блок согласования 14, излучающая антенна накачки 4. В состав приемного тракта 5 входят последовательно включенные пьезоэлектрическая приемная антенна 6, блок предварительной обработки эхосигналов разностной частоты 8, блок вторичной обработки эхосигнальной информации 13, блок представления и отображения информации 12 (фиг.2).
1
2
2
1
1
2
Блок управления и формирования зондирующих сигналов 1 формирует зондирующие сигналы, представляющие собой радиоимпульсы с заполнением в виде биений двух сигналов накачки близких частот f и f (f-f=F, F - разностная частота), которые подаются на вход усилителя мощности 3. С выхода усилителя мощности 3 сигналы поступают на последовательно соединенные блок согласования 14 и пьезоэлектрическую антенну накачки 4, где преобразуются в акустические волны и излучаются в среду распространения. Нелинейность среды распространения приводит к взаимодействию волн накачки с частотами f и f, в результате чего, происходит генерация зондирующих сигналов ВРЧ. Зондирующие импульсы ВРЧ отражаются от объекта зондирования О и попадают на приемную антенну 6, где преобразуются в электрические сигналы, затем усиливаются и детектируются в блоке предварительной обработки эхосигналов 8 и блоке вторичной обработки эхосигнальной информации 13, после чего эхосигнальная информация отображается в блоке представления и отображения информации 12.
Введение блока согласования 14 в структурную схему параметрического эхолокатора между усилителем мощности 3 и пьезоэлектрической антенной накачки 4 в отличие от прототипа позволяет сформировать частотную характеристику излучающего тракта, согласованную со спектром излучаемого сигнала накачки.
Блок согласования 14 выполнен таким образом, чтобы его элементы вместе с элементами эквивалентной электрической схемы антенны накачки образовывали систему двух связанных контуров, и может быть реализован в соответствии со схемой, изображенной на фиг.3.
Электрическая схема замещения пьезоэлектрической антенны накачки вблизи механического резонанса представляет собой последовательный колебательный контур L2, С2, активное сопротивление R, параллельно включенную емкость C3 (Клещев А.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. Л.; Судостроение, 1987. - 224 с.). В него входит последовательный колебательный контур L1, C1 и индуктивность L3 (фиг.3). В этом случае получаем систему двух связанных контуров L1, C1 и L2, С2 с индуктивной связью L3. Связь между контурами L1, C1 и L2, С2 является индуктивной, т.к. значение индуктивности L3 выбирается таким образом, что индуктивная компонента тока, протекающего через элементы связи преобладает над емкостной (ωL3<<1/ωC3).
1
2
Амплитудно-частотная характеристика излучающего тракта параметрического эхолокатора будет иметь вид, изображенный на фиг.4. Пунктирной линией на фиг.4 показана частотная характеристика излучающего тракта без блока согласования 14, как в прототипе. Видно, что происходит значительное расширение полосы пропускания амплитудно-частотной характеристики тракта излучения параметрического эхолокатора. Ее форма становится двугорбой, что характерно для системы связанных колебательных контуров (см. например Баскаков С.И. Лекции по теории цепей. М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 224 с.). Подбирая параметры элементов блока согласования 4, всегда можно добиться совпадения частот бигармонического сигнала накачки f и f с максимумами частотной характеристики передающего тракта параметрического эхолокатора и обеспечить более эффективное их излучение в среду, чем у прототипа. Повышение амплитуды и мощности волны накачки обеспечит достижение технического результата - увеличения дальности действия эхолокатора.