Малогабаритный пеленгатор гидроакустических сигналов
SMALL-SIZED DIRECTION FINDER OF HYDROACOUSTIC SIGNALS

Изобретение относится к гидроакустическим средствам обнаружения сигналов и может быть использовано для малогабаритных носителей, включая подводные аппараты, буи и стационарные донные гидроакустические станции.
Гидроакустическую системы, предназначенные для обнаружения шумящих объектов и определения направления на них, называют пеленгаторами. Общие принципы построения пеленгаторов гидроакустических сигналов изложены в книге [Справочник по гидроакустике / под ред. А.Е. Колесникова. Л.: Судостроение, 1988. С. 18-30]. Пеленгатор формирует диаграмму направленности (ДН), от ширины которой зависит погрешность определения направления на источник сигнала. Для увеличения скорости обзора пространства в заданном секторе углов формируют несколько ДН, перекрывающих сектор обзора. Если приемная антенна пеленгатора находится в свободном пространстве, сектор обзора может достигать 360°. Антенна в этом случае представляет собой цилиндр, по окружности которого расположены гидроакустические приемники. Каждая ДН формируется рабочим сектором (рабочим пятном) антенны; направление максимума чувствительности такой ДН проходит через центр цилиндра и центр рабочего сектора. Изменяя положение центра рабочего сектора, т.е. переключая приемники, образующие рабочий сектор, формируют новое направление максимума ДН, или новый пространственный канал. Для цилиндра в свободной среде максимальное количество формируемых ДН (пространственных каналов) равняется количеству приемников, расположенных по окружности антенны.
В авторском свидетельстве на устройство всенаправленного приема сигналов связи и опознавания гидроакустической станции [а.с. СССР №1840778, МПК G01S7/52, публ. 27.07.2009] представлена схема формирования статического веера ДН, а в патенте на гидроакустическую станцию для обнаружения малоразмерных объектов [патент РФ №2680673, МПК G01S 15/04, публ. 04.12.2017] статический веер ДН формируется с помощью цилиндрической антенны. В патенте на способ обнаружения шумящих в море объектов [патент РФ №2694782, МПК G01S 3/80, публ. 16.07.2019] рассмотрены особенности частотно-временной обработки сигнала в каждом канале пеленгатора. Стационарный пеленгатор, формирующий статический веер ДН в заданном секторе и использующий в качестве формирователя пространственного канала параметрический приемник, представлен в патенте на полезную модель «Параметрическая приемная антенна (варианты)» [патент РФ №113850, МПК G01S7/52, публ. 27.02.2012].
O7
07
Общим недостатком представленных технических решений является значительный размер раскрыва цилиндрической приемной антенны. Обозначим ширину ДН на уровне - 3 дБ как Δθ. Если необходимо получить величину Δθ=5° на частоте 5 кГц, диаметр цилиндра должен быть 3.53 м.
Кроме того, требуется экранирование тыльной поверхности приемников, что создает дополнительные технические проблемы для формирования ДН с высокой направленностью. Хотя в случае параметрических приемников проблема экранирования не является актуальной, размер базы для формирования необходимой ширины ДН будет составлять от нескольких метров до десятков метров (при понижении частоты) [патент РФ №113850].
Для построения безэкранного приемника может быть использован приемник, формирующий кардиоидную ДН [Смарышев М.Д. Элементы теории направленности гидроакустических антенн. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003, с. 56-60].
Известно устройство и способ определения водолазом направления на источник звукового сигнала [патент РФ №2439602, МПК G01S 7/52, публ. 27.08.2011]. В этом устройстве ДН формируется двумя ненаправленными гидрофонами, центры которых размещены на расстоянии четверти длины волны несущей частоты принимаемого сигнала. Тракт формирования состоит из устройства задержки сигнала на время, равное четверти периода несущей частоты принимаемого сигнала, сумматора и усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Причем коэффициент усиления усилителя с АРУ обратно пропорционален уровню управляющего сигнала. Выход первого гидрофона соединен с сигнальным входом усилителя с АРУ, а также подключен к первому входу сумматора. Выход второго гидрофона подключен к входу устройства задержки, выход которого соединен со вторым входом сумматора. Выход сумматора подключен к управляющему входу усилителя с АРУ. В результате на выходе АРУ формируется ДН, обратная кардиоидной ДН, ось которой имеет направление от второго к первому гидрофону.
Приемник, заявленный в патенте РФ №2439602, преобразуя кардиоидную ДН, формирует узкую ДН, При этом сохраняются свойства кардиоидной ДН в части малого уровня бокового и тыльного поля. В то же время представленное в этом патенте техническое решение имеет ряд недостатков:
- невозможно сформировать веер ДН, что требуется для пеленгатора;
- для обнаружения шумящей цели и определения направления на нее водолаз, на шлеме которого укреплены акустические приемники, должен поворачиваться;
- поскольку акустические приемники, участвующие в формировании кардиоидной ДН, должны быть размещены на расстоянии λ/4 (λ - длина волны несущей частоты принимаемого сигнала, λ=c/f, где с - скорость звука, f - частота), частотный диапазон устройства невелик и определяется установочным размером, которым по патенту №2439602 является размер шлема водолаза;
- голова водолаза экранирует сигнал, что по существу не дает возможности в полной мере сформировать кардиоидную ДН, как это указано в книге [М.Д. Смарышев…].
Задачей изобретения является создание малогабаритного пеленгатора гидроакустических сигналов.
Технический результат изобретения заключается в существенном уменьшении габаритов цилиндрической антенны, обеспечении возможности формирования статического веера ДН с произвольным сектором обзора, вплоть до 360° без экранирования приемников, и адаптацию пеленгатора под частотный диапазон принимаемого сигнала.
Для решения поставленной задачи в пеленгаторе, формирующем в горизонтальной плоскости статический веер из 2N диаграмм направленности (ДН) в диапазоне углов 360°, выполненном N-канальным,
- содержащем цилиндрическую гидроакустическую антенну, все гидроакустические приемники (ГАП) которой размещены на окружности диаметром D=λ/4, где λ - длина волны на средней частоте принимаемого сигнала, а их центры находятся на одинаковом угловом расстоянии Δθ°=360°/(2N) друг от друга,
Аn
Бn
- каждый канал формирует кардиоидную ДН, минимум которой направлен к центру окружности, на которой размещены ГАП, а кардиоидная ДН каждого канала сформирована двумя ненаправленными гидроакустическими приемниками (ГАП и ГАП), размещенными на угловом расстоянии 180° (n=1, 2, 3, …, N);
Аn
Аn
Аn
Аn
- и трактом, включающим блок задержки сигнала ГАП(БЗ) на время, равное четверти периода средней частоты принимаемого сигнала, сумматор (Σ) и блок автоматической регулировки усиления (АРУ) с двумя входами, коэффициент усиления которого обратно пропорционален сигналу, поступающему на управляющий вход АРУ,
Аn
Аn
Аn
Аn
- причем ГАП через блок задержки БЗ соединен с первым входом сумматора Σ, а выход сумматора соединен с сигнальным входом блока АРУ,
при этом
- цилиндрическая антенна является звукопрозрачной;
- в каждом канале формируют вторую кардиоидную ДН, аналогичную первой, максимумы кардиоидных ДН каждого канала сдвинуты на 180°,
Аn
Бn
Бn
Бn
Бn
- в состав каждого канала дополнительно введены блоки ограничения (БО и БО), а также блок задержки БЗ, сумматор Σ, блок автоматической регулировки усиления АРУ.
Бn
Аn
Аn
Аn
Аn
Аn
Аn
Бn
Аn
Бn
Аn
- для формирования кардиоидной ДН каждого канала, максимум которой направлен в пространстве от центра ГАП к центру ГАП, выход ГАП через БЗ соединен с первым входом S, первый выход Σ, соединен с сигнальным входом АРУ, выход ГАП соединен со вторым входом Σ, а выход БОсоединен с управляющим входом АРУ;
Аn
Бn
Бn
Бn
Бn
Бn
Бn
Аn
Бn
Аn
Бn
- для формирования кардиоидной ДН каждого канала, максимум которой направлен в пространстве от центра ГАП к центру ГАП, выход ГАП через БЗ соединен с первым входом Σ, выход Σ соединен с сигнальным входом АРУ, выход ГАП соединен со вторым входом Σ, а выход БО соединен с управляющим входом АРУ;
Аn
Бn
- в пеленгатор дополнительно введен 2N-канальный блок определения пеленга, имеющий N пар входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего АРУ или АРУ (n=1, 2, …, N) каждого канала.
Введение новых признаков обеспечивает:
- значительное уменьшение диаметра цилиндрической антенны; так, для формирования ДН, ширина которой на уровне - 3 дБ составляет 10° на частоте 1 кГц, диаметр антенны традиционного типа должен быть 8.84 м, в случае предлагаемого технического решения диаметр цилиндрической антенны пеленгатора составит 37.5 см;
- при полном заполнении окружности формирующими антенну гидроакустическими приемниками сектор обзора составит 360°;
- каждая из формируемых ДН статического веера имеет «безлепестковую» ДН, уровень тыльного поля которой более чем на 80 дБ меньше уровня главного максимума;
- в связи с упрощением конструкции цилиндрической антенны, представляющей собой металлическую ферму, на которой расположены гидроакустические приемники, диаметр антенны может быть адаптирован для установки на конкретном носителе; при уменьшении диаметра цилиндра повышается средняя частота принимаемого сигнала, но кардиоидная ДН формируется [Смарышев М.Д. стр. 56-60, рис. 5.8], что расширяет частотный диапазон пеленгатора и дает возможность пеленгования широкополосных сигналов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен эскиз конструкции антенны с расположенными по окружности на равном расстоянии гидроакустическими приемниками (2N=8). На фиг. 2 представлена функциональная схема одного канала пеленгатора, формирующего две ДН, ориентированные в противоположных направлениях. Сформированные сигналы поступают в многоканальный блок определения пеленга.
Аn
Бn
Пеленгатор состоит из цилиндрической антенны, на которой расположены гидроакустические приемники ГАП и сдвинутые на 180° гидроакустические приемники ГАП (п=1, 2, …, N; N=4) (фиг. 1) радиотехнический части, состоящей из N идентичных каналов, соединенных с общим блоком определения пеленга.
Аn
А
Бn
Б
Аn
А
Бn
Б
Аn,Бn
А,Б
Аn,Бn
А,Б
Аn,Бn
А,Б
Каждый из N каналов (фиг. 2) включает два гидроакустических приемника ГАП 2 и ГАП 2, два блока задержки БЗ 3 и БЗ 3, два сумматора Σ 4 два блока ограничения БО 5 и два блока автоматической регулировки усиления АРУ 6, коэффициент усиления каждого из которых обратно пропорционален сигналу, поступающему на его управляющий вход.
Аn
А
Аn
А
Бn
Б
Аn
А
Аn
А
Аn
А
Бn
Б
Бn
Б
Бn
Б
Аn
А
Бn
Б
Бn
Б
Бn
б
Аn
А
В каждом канале выход гидроакустического приемника ГАП 2 соединен с входом блока задержки БЗ 3 и сумматором Σ 4, выход сумматора Σ 4 соединен с сигнальным входом блока АРУ 6 и через блок ограничения БО 5 с управляющим входом блока АРУ 6. Выход гидроакустического приемника ГАП 2 соединен с входом блока задержки БЗ 3 и сумматором Σ 4, выход сумматора Σ 4 соединен с сигнальным входом блока АРУ 6и через блок ограничения БО 5 с управляющим входом блока АРУ 6.
Аn,Бn
А,Б
Выходы всех N АРУ 6 соединены с 2N входами блока определения пеленга БОП 7.
Предложенный пеленгатор работает следующим образом.
Аn
Аn
Бn
Бn
Пусть пеленгуемый сигнал приходит с направления θ=0° (фиг. 1). Канал, в котором формируется ДН, максимум которой ориентирован в направлении θ=0°, содержит гидроакустические приемники, расположенные в антенне с угловыми координатами: ГАП ~ пусть координата θ=0°, ГАП ~ координата θ=180° (см. фиг. 1 и фиг. 2).
Аn
А
Аn
А
nА
Бn
Б
Аn
Аn
Бn
Аn
Бn
Аn
Аn
Аn
А
Сигнал с выхода гидроакустического приемника ГАП 2 передается на вход блока задержки БЗ 3, где осуществляется задержка на время τ=1/(4f), где f - средняя частота принимаемого сигнала. Одновременно сигнал с выхода ГАП передается на второй вход сумматора Σ 4. С выхода блока задержки БЗ сигнал подают на первый вход сумматора Σ, на второй вход которого передают сигнал с выхода гидроакустического приемника ГАП. В результате сложения сигналов с выходов БЗ и ГАП на выходе сумматора Σформируется сигнал, пропорциональный кардиоидной ДН [Смарышев М.Д. … стр. 56-60], максимум ДН ориентирован в направлении θ=0°. Сигнал с выхода Σ передают на сигнальный вход блока АРУ 6.
Бn
Бn
Бn
Аn
Бn
Бn
Аn
Бn
Аn
Бn
Бn
Бn
Сигнал с выхода гидроакустического приемника ГАП передается на вход блока задержки БЗ, где осуществляется задержка на время τ=1/(4f). Одновременно сигнал с выхода ГАП передается на второй вход сумматора Σ. С выхода БЗ сигнал подают на первый вход сумматора Σ, на второй вход которого передают сигнал с выхода гидроакустического приемника ГАП. В результате сложения сигналов с выходов БЗ и ГАП на выходе сумматора Σ формируется сигнал, пропорциональный кардиоидной ДН [Смарышев М.Д. … стр. 56-60], максимум ДН ориентирован в направлении θ=180°. Сигнал с выхода сумматора Σ передают на сигнальный вход блока АРУ.
Бn
Бn
Б
Бn
Аn
Аn
n
Дополнительно сигнал с выхода Σ, который пропорционален кардиоиде с максимумом в направлении 180°, передают на вход блока ограничения БО 5, где производят ограничение сигнала по минимальному значению, заранее введенному в блок БО. Ограниченный таким образом сигнал подают на управляющий вход АРУ. Операция усиления сигнала при коэффициенте усиления, обратно пропорциональному уровню сигнала, поступающего на управляющий вход, фактически является делением сигнала с сигнального входа на сигнал с управляющего входа. В результате на выходе АРУ формируется сигнал с максимумом, ориентированным в направлении θ=0°, который в патенте РФ №2439602 назван «обратной» кардиоидой. Сформированный таким образом сигнал передают на один из 2N входов блока БОП 7 (на фиг. 2 этот вход обозначен как А).
n
Аналогично производят действия по формированию «обратной» кардиоиды, ориентированной в направлении θ=180°, а сигнал подают на вход БОП с номером, обозначенном на фиг. 2 как Б.
Аналогичные действия выполняют в каждом из N каналов пеленгатора. В результате в каждом канале формируют две ДН типа «обратной» кардиоиды, максимумы которых разнесены в пространстве на 180°. Антенна в целом формирует статический веер ДН, каждая из которых имеет форму «обратной» кардиоиды.
Заявляемое устройство реализует основную функцию пеленгатора - формирование статического веера ДН, выделяющее 2N пространственных каналов, что позволяет одновременно вести наблюдение в заданном секторе обзора. Габарит цилиндрической антенны для формирования статического веера значительно меньше по сравнению с цилиндрической антенной традиционного типа. Так, для формирования ДН шириной 10° на частоте 2 кГц диаметр антенны предлагаемого пеленгатора будет 18,75 см.
Из теории построения кардиоидной ДН [Смарышев М.Д. …, стр. 56-60] известно, что для создания такой ДН необходимо иметь два гидроакустических приемника. В предложенном устройстве с помощью двух гидроакустических приемников, доработанной схемы формирования и обработки формируются две ДН типа «обратной» кардиоиды, развернутые максимумами на 180°. При этом для каждой формируемой ДН тыльное поле является минимальным, что позволяет исключить тыльное экранирование и упростить конструкцию антенны в целом. Учитывая малые габариты несущей конструкции антенны, носитель пеленгатора может одновременно выпускать несколько малогабаритных антенн, оптимизированных под различные частоты пеленгуемых сигналов.
Таким образом, достигается заявленный технический эффект, состоящий в формировании малогабаритного гидроакустического пеленгатора со статическим веером диаграмм направленности.
Заявленное устройство комплектуется из известных акустических и радиоэлектронных устройств. Так, гидроакустические приемники сферической и цилиндрической формы, имеющие диаметр 10-50 мм серийно выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью, в частности, ФГУП «ВНИИФТРИ», АО «Концерн «Океанприбор» (Россия), Brüel & Kjær A/S (Норвегия) и др. Электронные блоки, входящие в схемы обработки, описаны в патенте RU 2439602.
Малогабаритный гидроакустический пеленгатор может быть использован для наблюдения за подводной обстановкой при установке на таких носителях, как подводные аппараты, буи, донные гидрофизические станции, а также для опускаемых с вертолетов гидроакустических станций.