ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМ ЗОНДИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ

Полезная модель относится к гидроакустической технике, в частности к активным гидролокаторам и может быть использована в системах подводного поиска для обнаружения донных объектов и измерения их координат.
Известен гидролокатор бокового обзора (ГБО) фирмы Klein Associates - «Klein System 3000» (www.L-3 Klein.com), работающий на частотах 100 кГц и 500 кГц. Однако в данном гидролокаторе из-за применения в качестве зондирующего сигнала короткой тональной посылки для увеличения дальности действия необходимо увеличивать длительность этой посылки, что ведет к ухудшению разрешения по дальности, что, в свою очередь, ведет к ухудшению вероятности обнаружения донных малоразмерных объектов.
Известен гидролокатор бокового обзора фирмы EdgeTech - «EdgeTech-2200-S» (www.edgetech.com), который, в зависимости от варианта исполнения, может работать на следующих частотах: 100/400 кГц; 300/600 кГц или 850 кГц. В данном гидролокаторе для увеличения его дальности действия при сохранении высокого разрешения по дальности в качестве зондирующего сигнала используется другой тип зондирующего сигнала - линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал. Однако в данном гидролокаторе при увеличении разрешения по дальности существенно уменьшается дальность его действия. Так, например, при переходе на работу с рабочей частоты 100 кГц на рабочую частоту 850 кГц разрешение по дальности улучшается примерно в 7 раз, но при этом примерно во столько же раз уменьшается и дальность действия гидролокатора.
Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому гидролокатору является «Гидролокатор бокового обзора» (SU 1131331 опубл. 23.11.1992 г. МПК G01S 15/00), содержащий приемо-передающую антенну, антенный переключатель, предварительный усилитель, усилитель мощности, блок отображения, перемножитель, кварцевый генератор, синтезатор сигналов с ЛЧМ, делитель частоты, переключатель кодов, два блока постоянной памяти, блок умножения,, сумматор, переключатель установки глубины, переключатель установки разрешения, переключатель установки полосы обзора, переключатель установки рабочей частоты, формирователь стробов, коммутатор и блок обработки. Приемопередающая антенна соединена с первым плечом антенного переключателя, второе и третье плечо которого соединены соответственно с входом предварительного усилителя и выходом усилителя мощности, первый вход которого соединен с выходом перемножителя, а N последующих входов соединены с соответствующими выходами формирователя стробов, N выходов блока обработки соединены с соответствующими входами коммутатора, выход которого соединен с входом блока отображения.
Первый вход перемножителя соединен с выходом предварительного усилителя, а его второй вход - с входом усилителя мощности и выходом синтезатора сигналов с ЛЧМ, первый сигнальный вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, входом формирователя стробов и первым сигнальным входом делителя частоты, второй сигнальный вход которого является входом установки в нулевое состояние. Второй сигнальный вход синтезатора сигналов с ЛЧМ соединен с управляющим входом переключателя кодов и выходом делителя частоты, первый информационный вход которого соединен с выходом переключателя установки глубины и первыми входами обоих блоков постоянной памяти. Второй информационный вход делителя частоты соединен с первым входом блока умножения и выходом первого блока постоянной памяти, второй вход которого соединен с выходом переключателя установки полосы обзора, выход блока умножения соединен с первым входом сумматора. Выход переключателя установки разрешения соединен с вторым входом второго блока памяти, выход которого соединен с вторым входом блока умножения и первым информационным входом синтезатора сигналов с ЛЧМ, второй информационный вход которого соединен с выходом переключателя кодов, первый информационный вход которого соединен с выходом переключателя установки рабочей частоты и вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя кодов.
Недостатком известных устройств является использование узкополосных зондирующих сигналов, что обусловлено использованием узкополосной приемо-передающей антенны, полоса пропускания которой составляет (10-15)% от несущей частоты. В этом случае для достижения более высокого разрешения по дальности необходимо использовать и более высокие несущие (рабочие) частоты, что, с другой стороны, ведет, из-за увеличения затухания, к уменьшению дальности действия гидролокатора (Инженерные расчеты в гидроакустике. А.П.Евтютов и др. Л,: Судостроение, 1988, стр.145-148).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение дальности действия гидролокатора при сохранении высокой разрешающей способности по дальности, соответствующей высокочастотным гидролокаторам, повышение помехозащищенности и точности определения координат объектов.
Гидролокатор бокового обзора со сверхширокополосным зондирующим сигналом состоит из приемо-передающей антенны, переключателя, синхронизатора, кварцевого генератора и устройства отображения информации, вход-выход приемо-передающей антенны соединен со входом-выходом переключателя прием-передача, выход кварцевого генератора соединен с первым входом синхронизатора.
Новым в предлагаемом гидролокаторе бокового обзора со сверхширокополосным зондирующим сигналом является введение в схему блока обработки сигнала, блока обнаружения сигнала, генераторного устройства, пульта управления, блока измерения дальностей, блока формирования изображения, датчика скорости звука, датчика курса, навигационного датчика. Выход переключателя прием-передача соединен с первым входом блока обработки сигнала, выход которого подключен ко входу блока обнаружения сигнала, ко второму входу блока обработки сигнала подключен второй выход синхронизатора, первый выход синхронизатора соединен со входом генераторного устройства, выход которого подключен ко входу переключателя прием-передача, выход блока обнаружения сигнала подключен к первому входу измерения дальностей, ко второму входу которого подключен третий выход синхронизатора, который в свою очередь соединен и с первым входом блока формирования изображения, ко второму входу блока формирования подключен выход блока измерения дальностей, выход блока формирования изображений подключен ко входу устройства отображения, к третьему входу блока формирования изображений подключен выход датчика курса, а к четвертому входу - навигационный датчик, выход датчика скорости звука соединен с третьим входом блока измерения дальностей, а выход пульта управления подключен ко второму входу синхронизатора.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого гидролокатора бокового обзора с сверхширокополосным зондирующим сигналом.
На фиг 2 представлен пример выполнения блока обработки
Гидролокатор бокового обзора со сверхширокополосным зондирующим сигналом состоит из приемо-передающей антенны 1, переключателя 2, блока обработки сигнала 3, блока обнаружения сигнала 4, генераторного устройства 5, синхронизатора 6, кварцевого генератора 7, пульта управления 8, датчика скорости звука 9, блока измерения дальностей 10, устройства отображения информации 11, датчика курса 12, навигационного датчика 13, блока формирования изображения 14.
Вход-выход приемо-передающей антенны 1 соединен со входом-выходом переключателя прием-передача 2, выход кварцевого генератора 7 соединен с первым входом синхронизатора 6. Выход переключателя прием-передача 2 соединен с первым входом блока обработки сигнала 3, выход которого подключен ко входу блока обнаружения сигнала 4, ко второму входу блока обработки сигнала 3 подключен второй выход синхронизатора 6, первый выход синхронизатора 6 соединен со входом генераторного устройства 5, выход которого подключен ко входу переключателя прием-передача 2. Выход блока обнаружения сигнала 4 подключен к первому входу блока измерения дальностей 10, ко второму входу которого подключен третий выход синхронизатора 6, который в свою очередь соединен и с первым входом блока формирования изображения 14, ко второму входу блока формирования изображения 14 подключен выход блока измерения дальностей 10. Выход блока формирования изображений 14 подключен ко входу устройства отображения информации 11, к третьему входу блока формирования изображений 14 подключен выход датчика курса 12, а к четвертому входу блока формирования изображений 14 подключен выход навигационного датчика 13, выход датчика скорости звука 9 соединен с третьим входом блока измерения дальностей 10, а выход пульта управления 8 подключен ко второму входу синхронизатора 6.
Блок обработки сигнала 3 может быть выполнен, например, по схеме, приведенной на фиг.2. Он состоит из приемного тракта эхо-сигнала 15, соединенного с первым входом АЦП 16, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора 6, выход АЦП подключен к устройству согласованной фильтрации 17.
Гидролокатор бокового обзора со сверхширокополосным зондирующим сигналом работает следующим образом.
На пульте управления 8 производится установка начальных параметров сверхширокополосного зондирующего сигнала (тип сигнала, его длительность, ширина спектра, нижняя частота, полоса обзора), которая поступает на второй вход синхронизатора 6. В синхронизаторе 6 в соответствии с заданными параметрами зондирующего сигнала формируется из высокостабильного кварцевого генератора 7 несколько импульсных последовательностей, предназначенных для управления работой гидролокатора, в том числе и импульсная последовательность, которая поступает с выхода 1 синхронизатора 6 на вход генераторного устройства 3, где формируется сверхширокополосный зондирующий сигнал с заданными параметрами. Сформированный сверхширокополосный зондирующий сигнал поступает через переключатель прием-передача 2 на приемо-излучающую антенну 1. Приемо-излучающая антенна 1 для возможности эффективного излучения сверхширокополосного сигнала представляет собой набор узкополосных антенн, каждая из которых излучает свою часть спектра сверхширокополосного зондирующего сигнала. При этом число узкополосных антенн в составе приемо-передающей антенны 1 определяется соотношением между шириной спектра зондирующего сигнала и полосой пропускания каждой узкополосной антенны. Излученный таким образом приемо-излучающей антенной 1 сверхширокополосный сигнал распространяется в водной среде и, отразившись от неоднородностей, в том числе и от поверхности дна, возвращается на приемо-передающую антенну 1, с выхода которой через переключатель прием-передача 2, поступает на первый вход блока обработки 3. Одновременно с этим на второй вход блока обработки поступает импульсная последовательность со второго выхода синхронизатора, которая управляет работой АЦП. Данная последовательность частоту дискретизации, которая формируется в синхронизаторе 6 сразу после окончания зондирующего сигнала и длится вплоть до следующего начала зондирования. В блоке обработки сигнала 3 производится усиление сигнала, его фильтрация и преобразование в цифровой вид с последующей оптимальной обработкой с помощью согласованной фильтрации, реализованной в цифровом виде. Далее с выхода блока обработки сигнала 3 эхосигнал поступает на вход блока обнаружения сигнала 4, где производится его сравнение с заданным порогом обнаружения. После этого сигнал поступает на первый вход блока измерения дальностей 10, на второй вход которого поступает импульсная последовательность с третьего выхода синхронизатора 6. Данная последовательность представляет собой импульс начала зондирования, относительно которого в блоке измерения дальностей 10 производится вычисление временной задержки до всех выделенных целей. Для коррекции данный вычислений (для учета изменчивости скорости звука в воде) на третий вход блока измерения дальностей 10 поступают данные с выхода датчика скорости звука 9. Таким образом сформированная строка зондирования с выхода блока измерения дальностей 10 поступает на второй вход блока формирования изображения 14, где производится накапливание заданного числа строк зондирования с последующим их выводом на устройстве отображения информации 11, в качестве которого может быть использован монитор от компьютера. В блоке формирования изображения для его последующего корректного отображения производится также привязка каждой строки зондирования к положению в это время приемо-передающей антенны 1 в пространстве с помощью данных, поступающих с выхода навигационного датчика 13 и датчика курса 12, соответственно, на четвертый и третий входы блока формирования изображения 14. Для этого используется импульсная последовательность, поступающая на первый вход блока формирования изображения 14 с третьего выхода синхронизатора 6.
Использование в гидролокаторе в качестве зондирующего сигнала сверхширокополосного сигнала, имеющего ширину спектра, соответствующую высокочастотным гидролокаторам и одновременно с этим формирование этого сигнала в низкочастотной части рабочих частот позволяет добиться увеличения дальности работы гидролокатора бокового обзора при сохранении указанного выше высокого разрешения по дальности. Вместе с тем, использование сверхширокополосного сигнала также позволяет улучшить и помехозащищенность гидролокатора, а использование датчиков скорости звука, навигационного датчика и датчика курса вместе с точной привязкой их данных к данным, получаемым с помощью ГБО, позволяет повысить точность определения координат объектов.
Таким образом, поставленная задача успешно решается.