АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ
ANTENNA MODULE WITH DIGITAL OUTPUT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленогования при построении приемных антенн, разнесенных друг от друга вдоль борта корабля, для определения дистанции в пассивном режиме.
Известна конструкция гидроакустической антенны по патенту Японии №3635568, в которой гидроакустические преобразователи установлены на общем основании, укрепленном на корпусе судна, и имеют обтекатель, установленный с зазором, заполняемым водой. Такая конструкция технологична, широко распространена при изготовлении судовых антенн, однако она имеет ряд недостатков, особенно возникающих при проектировании бортовых антенн, корпуса носителей которых предварительно закрыты звукопоглощающим покрытием. Необходимость крепления гидроакустических преобразователей антенны к основному корпусу судна существенно нарушает целостность экранировки, ухудшая помехозащищенность. При этом увеличивается габаритный размер (глубина) антенны и увеличивается отражающая способность судна.
Известны конструкции акустических антенн (акустических модулей), расположенных в цилиндрических кожухах, содержащие внутри себя электронное оборудование и заполнитель (вещество из класса полиуретановых смол) («Акустическая антенна» по патенту РФ №43084 и «Буксируемый электронный стример» по патенту США №5400298), у которых электронная часть для предварительной обработки аналогового сигнала гидроакустических преобразователей расположена в непосредственной близости от них, что приводит к улучшению помехоустойчивости антенн в поле воздействия электромагнитных помех. Однако указанные конструкции предназначены для буксируемых антенн, а размещение антенны на корпусе судна требует существенной доработки с введением обтекателей и защиты от структурной помехи.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по совокупности общих признаков является конструкция «Антенного модуля с цифровым выходом» по патенту РФ №2366104.
Согласно описанию прототипа антенный модуль с цифровым выходом содержит герметичный блок гидроакустических преобразователей, герметизированных эластомером, закрепленных на несущем основании, крепящемся к корпусу судна, герметичный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов (блок ПОС), осуществляющий усиление, фильтрацию и преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды с уплотнением выходной цифровой информации, установленный на тыльной стороне блока акустических преобразователей.
Указанная конструкция прототипа имеет повышенную помехоустойчивость в поле воздействия электромагнитных помех из-за расположения блока предварительной обработки вблизи блока преобразователей и малое число выходных кабелей, идущих от акустического модуля в основной корпус благодаря наличию уплотнения цифрового сигнала в блоке ПОС
Недостатком антенного модуля прототипа является его слабая помехозащищенность в поле воздействия акустических помех, обусловленная креплением блока гидроакустических преобразователей к корпусу судна, что приводит к проникновению структурной помехи, распространяющейся по корпусу (через элементы крепления) на активную поверхность преобразователей.
Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости антенного модуля.
Технический результат от внедрения предложения заключается в существенном снижении уровней принимаемой корабельной структурной помехи и акустических помех, возникающих от изгибных волн, распространяющихся вдоль корпуса носителя, Кроме того, такая конструкция уменьшает демаскирующий фактор носителя, Улучшаются условия транспортировки модуля, его сборки и установки на носителе.
и
и
Для обеспечения указанных технических результатов в антенный модуль с цифровым выходом, установленный на облицованном заглушающим покрытием корпусе носителя, содержащий блок гидроакустических преобразователей, герметизированный эластомером, и герметичный аппаратурный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов, осуществляющий усиление и преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды с уплотнением выходной информации и имеющий герметичные разъемы для ввода аналогового сигнала от гидроакустических преобразователей, введены новые признаки, а именно: в него введен установленный на облицованном заглушающим покрытием корпусе носителя обтекатель, механически развязанный от него, внутри обтекателя установлен блок гидроакустических преобразователей, выполненный в виде антенной решетки, представляющей собой дискретную плоскую антенну из гидроакустических преобразователей, пространство между обтекателем, антенной решеткой и между гидроакустическими преобразователями антенной решетки заполнено эластомером, механически соединяющим антенную решетку и обтекатель в монолитный блок, между заглушающим покрытием и антенным модулем с цифровым выходом имеется водный зазор, при этом расстояние по нормали между активной поверхностью антенной решетки и обтекателем равно λ/4, где λ - длина изгибной волны в конструкции обтекателя на средней частоте рабочего диапазона, а герметичный аппаратурный контейнер встроен в обтекатель за пределами монолитного блока со стороны его боковой поверхности.
э
э
Наилучший результат достигается, если антенная решетка выполнена двухрядной, пространство между рядами заполнено эластомером, расстояние по нормали между рядами равно λ/4 (где λ - длина звуковой волны в эластомере на верхней частоте рабочего диапазона), причем каждые два гидроакустических преобразователя первого и второго ряда двухрядной антенной решетки, лежащие на одной нормали к ее активной поверхности, электрически соединены, формируя характеристику направленности в виде кардиоиды, минимум которой направлен в сторону корпуса судна.
и
В разработанной конструкции антенный модуль с цифровым выходом не крепится к корпусу носителя (судна), а размещается в массиве эластомера, заполняющего внутренний объем обтекателя, и адгезионно связан с его внутренней поверхностью. Отсутствие элементов крепления блока гидроакустических преобразователей непосредственно к основному корпусу судна обеспечивает существенное снижение уровня корабельной структурной помехи, попадающей на приемные элементы. При этом заполнение зазора между обтекателем и поверхностью приемных элементов эластомером с толщиной, равной λ/4, способствует дополнительному уменьшению акустических помех, возникающих от воздействия изгибных волн, распространяющихся вдоль корпуса корабля и обтекателя при движении.
Указанные факторы, а также использование двухрядного расположения приемных элементов в антенне (для формирования характеристик направленности типа «кардиоида») в сочетании с отсутствием многочисленных и протяженных электрических кабелей позволяют изготовить помехозащищенную конструкцию, устойчивую при работе в полях акустических и электромагнитных помех, имеющую относительно малую толщину, удобную в процессе настройки, транспортировки и установки на носитель. Такая конструкция позволяет уменьшить толщину обтекателя за счет заливки внутреннего объема обтекателя эластомером; не разрушать звукопоглощающее покрытие носителя, что улучшает его демаскирующий фактор, способствует созданию однокорпусных судов.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3, где на фиг.1 показан пример конструктивной компоновки предлагаемого антенного модуля с двухрядной антенной решеткой, на фиг.2 и 3 показаны характеристики направленности отдельных рядов (1, 2) в составе антенны, а также при их кардиоидном включении на частотах 1,5 и 2 кГц соответственно, при работе переднего ряда - пунктирная линия 21, тыльного ряда - штрихпунктирная линия 22 и двухрядной антенны, включенной по системе «кардиоида», - сплошная линия 23.
Представленный на фиг.1 антенный модуль с цифровым выходом выполнен в виде сборной конструкции, состоящей из трех основных частей: блока гидроакустических преобразователей, блока предварительной обработки аналогового сигнала ПОС и обтекателя антенного модуля.
Блок 19 гидроакустических преобразователей состоит из 192 преобразователей, расположенных двумя рядами ((12×8)×2), с номерами от 1 до 96 и от 97 до 192, соответственно, экранированных от воздействия электрической составляющей электромагнитного поля электростатическими экранами 16. Блок 19 гидроакустических преобразователей залит эластомером 6 (в этом примере в качестве эластомера выбран полиуретановый заливочный компаунд марки ПУ-ЗК). Расстояние между преобразователями 18 составляет по горизонтали - 100 мм и по вертикали - 120 мм. Расстояние между рядами 1 и 2 составляет 40 мм, что соответствует частоте 9,2 кГц. В качестве гидроакустических преобразователей использованы изгибные пластинчатые преобразователи биморфного типа (см. «Ультразвуковые преобразователи», Е. Кикучи, Москва, 1972, стр.258).
Блок 4 предварительной обработки аналогового сигнала (ПОС), расположен в герметичном контейнере 3, к входу которого герметичными электрическими разъемами 7 подключены выходы гидроакустических преобразователей 18. Электрическое напряжение 27 В для питания блока ПОС введено электрическим кабелем 10 типа СМПЭВГ 100-1000, 27×0,75. Акустический сигнал от блока ПОС в цифровом виде выведен оптическим кабелем 11 типа ОКНС-03-4/0-10 диаметром 8 мм через герметичный разъем 17.
Обтекатель 5 антенного модуля выполнен в данной конструкции из титанового сплава. Передняя часть обтекателя, находящаяся за пределами блока гидроакустических преобразователей, имеет съемную крышку 8 для установки электронных блоков ПОС 4 в контейнер 3. При этом корпус контейнера 3, являющийся силовой конструкцией, приварен к обтекателю 5 и является его частью. Внутренний объем обтекателя с установленными в нем блоком гидроакустических преобразователей и корпусом герметичного блока ПОС залит компаундом-эластомером 6. Между эластомером и обтекателем имеется слой 6а тонкой резины, привулканизованный к внутренней поверхности обтекателя.
Антенный модуль с цифровым выходом установлен на корпус 13 носителя с использованием резинометаллических двусторонних развязок 12. Между тыльной поверхностью монолитного блока 19 гидроакустических преобразователей и поверхностью звукопоглощающего покрытия 6 выполнен заполненный водой зазор 20 (толщиной 5 мм).
Работа заявленного антенного модуля происходит следующим образом. Гидроакустические сигналы, проходя через тонкостенную оболочку обтекателя 5 антенного модуля и звукопрозрачный слой эластомера 6 - заполнителя обтекателя, воздействуют на поверхности гидроакустических преобразователей 8, вызывая их вынужденные механические колебания и появление электрического напряжения (заряда) на их электрических выводах. Через электрические разъемы аналоговый электрический сигнал попадает на вход блока ПОС, осуществляющего предварительное усиление аналогового сигнала, его фильтрацию, преобразование в цифровой код, уплотнение информации, преобразование в световой сигнал и передачу по оптическому кабелю 11 в основной корпус судна.
э
В зависимости от заданных углов обзора и диапазона частот геометрическое расположение гидроакустических преобразователей двухрядной антенной решетки обеспечивает возможность формирования веера однолучевых характеристик направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом обеспечиваются возможности формирования характеристик направленности как отдельными рядами, так и двумя рядами, гидроакустические преобразователи которых, расположенные друг за другом на одной нормали к активной поверхности двухрядной решетки на расстоянии λ/4 друг от друга, включены по системе «кардиоида» (см. Гидроакустические антенны», М.Д. Смарышев, Ю.Ю. Добровольский, стр.167.)
Характеристика направленности в этом случае имеет малые уровни сигнала в тыльном полупространстве (и большие в переднем) и имеет вид
-1
[R(θ)=(sinkd)sin[0,5kd(1+cosθ)],
где θ - угол, отсчитываемый от нормали к антенне в горизонтальной (вертикальной) плоскости;
k - волновое число, k=2π/λ;
λ - длина звуковой волны в воде, м;
d - расстояние между центрами рядов по нормали к антенне, м.
В рассматриваемой конструкции гидроакустические преобразователи расположены внутри слоя полиуретанового компаунда, адгезионно связанного с внутренней поверхностью обтекателя. Крепление преобразователей к корпусу носителя и к поглощающему покрытию, которым он облицован, отсутствует. Обтекатель с размещенной внутри него антенной устанавливается на корпус носителя через механические развязки 12 с водяным зазором 20 между антенной и поглощающим покрытием.
Такая конструкция существенно уменьшает влияние структурной помехи, распространяющейся по корпусу носителя.
Кардиоидное включение преобразователей создает дополнительное уменьшение уровня сигнала в тыльном полупространстве.
Экспериментальная отработка предлагаемого антенного модуля была проведена в полном соответствии с вышеописанной конструкцией, представленной на фиг.1. Представленные на фиг.2-3 характеристики направленности образца, измеренные на частотах 1,5 кГц и 2 кГц, при работе переднего ряда (пунктирная линия 1), тыльного ряда (штрихпунктирная линия 2) и двухрядной антенны, включенной по системе «кардиоида» (сплошная линия 3), показывают, что уровень сигнала в тыльной части антенны в углах обзора ±(140-180)° уменьшается на 8-20 дБ.
Приведенные сведения позволяют считать, что заявленный технический результат достигнут.