АКУСТИЧЕСКИЙ ТРАКТ ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована при разработке гидролокаторов бокового обзора (ГБО), используемых для просмотра дна и водных акваторий.
Акустический тракт современных гидролокаторов бокового обзора состоит, из акустической антенны, содержащей корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем акустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом. В большинстве антенн ГБО используют призматические пьзоэлементы, работающие, как правило, на одной из своих резонансных частот. Размеры пьзоэлементов определяются их резонансной частотой, а также параметрами диаграмм направленности антенны в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. В низкочастотных ГБО могут использоваться акустические преобразователи сложной конструкции (стержневые, грибовидные и другие).
Такой акустический тракт использован, например, в гидролокаторе типа Sport Scan, описание которого приведено на сайте http://www.fort21.ru. При работе гидролокатора с выхода генераторного тракта зондирующий сигнал через коммутатор поступает на акустическую антенну, излучающую в среду лоцирования - воду акустический сигнал. Антенна имеет ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 1.8°-0.7°, а в вертикальной - 60°-30°. Акустический сигнал распространяется в водной среде, отражается от объектов, находящихся в воде, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий эхо-сигналам, поступает на вход приемного тракта, где выполняется его обработка по заданному алгоритму (усиление, частотная фильтрация, регулировка в блоках временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и «Отсечка», детектирование и другие виды обработки).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что акустическая антенна локатора имеет малую полосу пропускания не позволяющую использовать сложные широкополосные акустические зондирующие сигналы, например, частотно - модулированные (ЛЧМ), фазомодулированные (ФМ) и другие виды широкополосных сигналов. Использование в ГБО простых радиоимпульсных зондирующих сигналов, имеющих малую ширину спектра, ограничивает дальность лоцирования, разрешающую способность по дальности, не позволяет улучшить отношение уровней сигнал/шум.
В ГБО «ГИДРА», содержащем те же блоки и связи, реализуется режим лоцирования с использованием ЛЧМ сигналов. Для этого в генераторном тракте формируют зондирующий ЛЧМ сигнал, а в приемном тракте выполняют цифровую обработку эхо-сигналов. Использование ЛЧМ зондирующего сигнала по сравнению с гидролокаторами, использующими только тональный зондирующий сигнал позволило:
- увеличить дальность лоцирования и разрешающую способность по дальности примерно в два раза;
- повысить помехозащищенность гидролокатора.
Описание гидролокатора приведено на сайте ООО «Экран» -http://www.screen-co.ru, а также в руководстве по эксплуатации ГБО «Гидра» (http://www.screen-co.ru/doc/gidra/md_Gidra4.pdf).
Д
Д
Однако узкая полоса пропускания акустической антенны не позволяет получить все преимущества использования ЛЧМ сигналов. Так, в работе «Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: - М. Советское радио, 1971, с.601-604» показано, что увеличение уровня ЛЧМ сигнала после его оптимальной обработки в приемном тракте будет равно корню квадратному из его коэффициента сжатия m, который определяется выражением m=fТ, где Т - длительность ЛЧМ сигнала, а f - величина девиации частоты сигнала. В ГБО «Гидра» при выигрыше по дальности лоцирования в два раза m равно примерно четырем. Использование сигналов с большим коэффициентом сжатия, а соответственно и большим выигрышем по дальности лоцирования ограничивается величиной ширины полосы пропускания имеющихся гидроакустических антенн. Это сказывается и при использовании более эффективных сигналов по сравнению с ЛЧМ, например таких, как сигналы с гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ), которые нечувствительны к изменению частоты эхо-сигналов за счет эффекта Доплера (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1981, с.83-85) и других сигналов.
Увеличение полосы пропускания гидроакустических антенн, путем их дополнительного механического демпфирования (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с.18-28) не дает существенного выигрыша в улучшении параметров лоцирования, так как при этом одновременно ухудшается эффективность антенны в режиме излучения и чувствительность в режиме приема.
Все это ограничивает эксплуатационные характеристики имеющихся гидролокаторов бокового обзора.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом - акустическая антенна, содержащая корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; основание с укрепленными на нем акустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту соединенными с коммутатором; внутренний объем корпуса заполнен герметизирующим компаундом.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей гидролокатора бокового обзора.
Технический результат заключается в том, что путем введения в имеющиеся акустические тракты ГБО дополнительных блоков и связей, а также изменения конструкции антенны расширяется полоса частот пропускания антенны и становится возможным осуществлять лоцирование с широкополосными сигналами.
Технический результат достигается тем, что в акустический тракт ГБО, содержащий акустическую антенну, состоящую из корпуса, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; основания с укрепленными на нем акустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту соединенными с коммутатором; внутренний объем корпуса заполнен звукопроводным герметизирующим компаундом, дополнительно введены акустические преобразователи с другими резонансными частотами, укрепленными также на основании таким образом, что излучающие поверхности всех преобразователей находятся в одной плоскости, количество и размеры преобразователей каждой частоты выбраны такими, чтобы диаграммы направленности антенн разных частот, образованных этими преобразователями имели одинаковые параметры, и расположены преобразователи на основании таким образом, что диаграммы направленности антенн разных частот совпадают в пространстве лоцирования; преобразователи каждой резонансной частоты соединены со своим отдельным коммутатором, а каждый коммутатор через согласующие элементы соединен с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема заявляемого акустического тракта гидролокатора бокового обзора, на фиг.2 - устройство акустической антенны, на фиг.3 - собранные акустические преобразователи трех резонансных частот, на фиг.4 - акустические преобразователи для трех резонансных частот, укрепленные на основании, на фиг.5 - общий вид готовой широкополосной антенны ГБО.
Акустический тракт гидролокатора бокового обзора (фиг.1) содержит акустическую антенну 1, в которой установлены группы акустических преобразователей 2, 3, 4 с разными резонансными частотами. Количество групп может быть равным 2, 3, 4 и более. Группы акустических преобразователей 2, 3, 4 (фиг.2) укреплены на общем основании 5, которое установлено в корпусе 6; внутренний периметр корпуса покрыт звукоизолирующими экранами 7. Излучающие поверхности всех преобразователей находятся в одной плоскости, количество и размеры преобразователей каждой группы выбраны такими, чтобы диаграммы направленности антенн разных частот, образованных этими преобразователями имели одинаковые параметры. На фиг.2 показаны акустические пьезоэлектрические преобразователи, работающие на поперечной моде колебаний. Размер В группы определяет ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости, размер С - ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с.36-41). Размер D обычно выбирают равным половине длины продольной волны в материале пьзоэлементов. Расположены преобразователи на основании таким образом, что диаграммы направленности антенн разных частот совпадают в пространстве лоцирования. Как видно из фиг.2 расположены группы преобразователей в непосредственной близости друг от друга, при таком расположении в области проведения активного лоцирования диаграммы направленности всех групп преобразователей будут совпадать в пространстве. Количество групп акустических преобразователей выбирают исходя из значений их механической добротности и требуемой величины полосы пропускания антенны. Внутренние полости корпуса заполнены звукопрозрачным герметизирующим компаундом 8, в качестве которого может служить, например, эластомер полиуретановый двухкомпонентный СПБ-ХП-80 (ТУ224-001-20507988-2003), либо форполимер СКУ-ПФЛ-100 с отвердителем, либо вулканизированная резина. Акустические преобразователи 2, 3, 4 с помощью элементов коммутации и герметичного ввода (на фиг.2 не показаны) соединены с коммутаторами 9, 10, 11, в качестве которых могут служить, как обычные диодные коммутаторы, так и коммутаторы более сложных схемных реализаций - трансформаторные и другие (см. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции: Л.: Судостроение, 1982, с.69-73). Входы коммутаторов 9, 10, 11 через согласующие элементы 12, 13, 14 соединены с выходом генераторного тракта ГБО 15, а дополнительные выходы коммутаторов - через согласующие элементы 16, 17, 18 соединены с входом приемного тракта ГБО.
Генераторный тракт 15 периодически через заданные временные интервалы вырабатывает зондирующие электрические сигналы, поступающие через элементы согласования 12, 13, 14 и коммутаторы 9, 10, 11 на преобразователи 2, 3, 4 акустической антенны 1, излучающей в среду лоцирования - воду акустический сигнал, распространяющийся в ней и отражающийся от находящихся в среде лоцирования объектов. Эхо-сигналы принимаются преобразователями акустической антенны 1 и электрические сигналы, соответствующие эхо-сигналам через коммутаторы 9, 10, 11 и элементы согласования 16, 17, 18 поступают на вход приемного тракта 19, где осуществляется их обработка по стандартному алгоритму (усиление, фильтрация, регулировка ВАРУ, отсечка, детектирование и др.), (см., например, Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. «Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры». Л.: Судостроение, 1986, с.129-147). Каждая группа акустических преобразователей, 2, 3 или 4 эффективно излучает и принимает акустические сигналы, значения спектральных компонент которых определяются резонансными частотами групп преобразователей и их механической добротностью. Суммирование спектральных компонент преобразователей с разными резонансными частотами в пространстве лоцирования и на входе приемного тракта позволяет выполнять лоцирование широкополосными зондирующими сигналами.
В качестве элементов согласования могут служить обычные пассивные R, С, L или трансформаторные цепи, выравнивающие характеристики отдельных групп акустических преобразователей (эффективность в режиме излучения, чувствительность в режиме приема, фазовые параметры и другие).
Для экспериментальной проверки работоспособности предложенного акустического тракта была изготовлена антенна ГБО, содержащая три группы акустических преобразователей с разными резонансными частотами, как показано на фиг.3. На фиг.4 показаны эти же преобразователи, установленные на основании, а на фиг.5 показана готовая широкополосная антенна ГБО. Измерение характеристик данной антенны показали, что она имеет практически равномерную частотную характеристику в диапазоне более трех октав. Согласование групп элементов антенны с генераторным и приемным блоками выполнялось при этом с помощью пассивных R, С, L цепей и не вызывало каких-либо затруднений. Для формирования сложных ЛЧМ сигналов с большой базой был также разработан цифровой синтезатор, а для сжатия эхо-сигналов в приемном тракте - необходимое программное обеспечение.
Натурные испытания предложенного акустического тракта ГБО показали его существенные преимущества по сравнению с имеющимися.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: акустических преобразователей с другими резонансными частотами, укрепленными на основании таким образом, что излучающие поверхности всех преобразователей находятся в одной плоскости, количество и размеры преобразователей каждой частоты выбраны такими, что диаграммы направленности антенн разных частот, образованных этими преобразователями имеют одинаковые параметры, и расположены преобразователи на основании таким образом, что диаграммы направленности антенн разных частот совпадают в пространстве лоцирования; преобразователи каждой резонансной частоты соединены со своим отдельным коммутатором, а каждый коммутатор через согласующие элементы соединен с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО значительно расширяется полоса частот лоцирования, что позволило использовать сложные широкополосные зондирующие сигналы, увеличить дальность лоцирования, разрешающую способность, отношение уровней сигнал/шум. Это расширило эксплуатационные возможности гидролокатора бокового обзора.