Оптимальный приемник гидроакустических сигналов
HYDROACOUSTIC SIGNALS OPTIMUM RECEIVER

Изобретение относится к радиотехнике и гидролокации и может быть использовано в гидроакустической аппаратуре для приема слабых гидроакустических сигналов следующих видов [1]:
- простых полосовых, для которых F⋅T≈1, где F - полоса сигнала, Т - длительность сигнала;
- сложных фазоманипулированных (ФМ), у которых фаза (0 или π) изменяется по заданному закону;
- сложных, представляющих собой радиоимпульсы с широким спектром частот (в частности, к таким сигналам относятся сигналы, частота которых изменяется по линейному закону (ЛЧМ) и дискретные частотные сигналы (ДЧ)).
Известно устройство для оптимальной фильтрации фазоманипулированных сигналов [2], содержащее N фазовращателей, 2N амплитудных ограничителя, 2N сжимающих фильтров ФМ сигналов, N амплитудных детекторов и N - входовую схему отбора МАХ.
Сущность данного технического решения заключается в том, что входной ФМ сигнал распределяется между N квадратурными каналами. С помощью схемы отбора выбирается сигнал с максимальной амплитудой, этот сигнал принимается за достоверный.
Недостатками предложенного технического решения являются следующие:
- выделение полезного сигнала носит не достоверный, а вероятностный характер;
- не происходит накапливания полезного сигнала на фоне шумов;
- трудность технической реализуемости сжимающих фильтров для ФМ сигналов звуковой и ультразвуковой частоты.
Известно еще одно устройство, реализующее оптимальную фильтрацию ФМ сигналов [3]. Устройство реализует предложенный автором способ обработки M - позиционного сигнала Баркера при его обнаружении.
Сигнал Баркера представляет собой последовательность сомкнутых радиоимпульсов, имеющих одинаковую частоту и длительность, фазы которых (0 или π) изменяются по заданному закону [4].
Устройство содержит входной вспомогательный фильтр, многоотводную линию задержки, с числом отводов равным М-2, задержка во времени между отводами равна длительности Т каждой позиции сигнала, М сумматоров, реализующих операцию суммирования по модулю 2, М элементов эталонного сигнала, М инверторов и сумматор выходных сигналов инверторов.
Сущность данного технического решения заключается в том, что радиоимпульсы подаются на линию задержки с отводами, задержка между отводами равна длительности Т каждой позиции сигнала. Выделенные сигналы суммируются по модулю два с эталонными сигналами и преобразуются в амплитудно-манипулированные (0 или 1) сигналы, которые накапливаются в сумматоре выходных сигналов инверторов.
Недостатками предложенного технического решения являются следующие:
- необходимость наличия в приемнике генератора эталонных сигналов, для гидроакустической аппаратуры, как правило, передатчик и приемник разнесены в пространстве;
- трудность реализуемости линии задержки на несколько микросекунд для сигналов звуковой и ультразвуковой частоты.
Для гидроакустических сигналов необходима линия задержки на время до нескольких сотен микросекунд, работающая в диапазоне частот от нескольких кГц до нескольких сотен кГц [1]. Задержать на время в несколько сотен микросекунд электрические сигналы позволяют акустоэлектрические линии задержки, имеющие следующие параметры [5, 6]:
- на объемных волнах (в том числе гиперзвуковые): частотный диапазон от единиц до сотен МГц, задержка до 4 мс, потери до 70 дБ, уровень ложных сигналов до минус 26 дБ;
- на поверхностных акустических волнах: частотный диапазон от единиц до сотен МГц, задержка до 200 мкс, потери до 50 дБ;
- волноводные: частотный диапазон от 10 до 15 МГц, потери до 40 дБ.
То есть такие линии работают на частотах не менее 10 МГц. Для гидроакустической аппаратуры нужен более низкий диапазон частот. Кроме того потери в таких линиях задержки составляют до 40-70 дБ.
Другими линиями задержки электрических сигналов на время несколько сотен мкс являются линии задержки, выполненные на интегральных микросхемах [7].
Аналоговые линии задержки выполняют на основе LC-линий или дискретно-аналоговых устройств, в том числе приборов типа: «пожарных цепочек», с зарядовой связью и на основе переключаемых конденсаторов.
К недостаткам таких линий задержки можно отнести:
- высокая сложность, поэтому низкая надежность, так микросхема, используемая для построения линий задержки на основе коммутируемых конденсаторов, типа КР1016БР1 содержит свыше 10 тысяч интегральных элементов, средняя наработка на отказ составляет 25000 ч.;
- нелинейность фазовой характеристики.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является устройство (оптимальный приемник - накопитель) представленное в [8].
Структурная схема приемника - накопителя изображена на фигуре 1.
1
Приемник - накопитель содержит четырехполюсник 1 с коэффициентом передачи К(ω) (предварительный усилитель), выход которого подключен к многоотводной линии задержки 2, n - выводов которой подключены к n безынерционным четырехполюсникам 3, выходы которых соединены с сумматором 4.
Приемник - накопитель работает следующим образом. На вход четырехполюсника 1 поступает n - позиционная последовательность радиоимпульсов.
Полоса пропускания четырехполюсника 1 соответствует спектру этой последовательности радиоимпульсов. Все радиоимпульсы имеют одинаковую частоту и длительность, начальные фазы радиоимпульсов (0 или π) изменяются по заданному закону.
С выхода четырехполюсника 1 последовательность радиоимпульсов направляется на вход линии задержки 2, имеющей n - выводов. Задержка сигнала, распространяющегося по линии задержки, между ее выводами равна периоду следования радиоимпульсов.
Выводы линии задержки соединены с входами n безынерционных четырехполюсников 3, которые выполняют следующую функцию: пропускают импульс без изменения, если его начальная фаза равна 0, или изменяют его фазу на π, если его начальная фаза равна 180°.
Выводы n безынерционных четырехполюсников, соединены с входом сумматора 4, который накапливает полезный сигнал. Чем длиннее последовательность радиоимпульсов, тем эффективнее работа приемника - накопителя, представляющего собой оптимальный фильтр для описанного входного сигнала.
Оптимальный приемник - накопитель, описанный в [8] имеет следующие недостатки:
- сложность реализации линии задержки для сигналов гидроакустики в диапазоне частот от нескольких кГц до нескольких сотен кГц;
- с увеличением количества позиций последовательности радиоимпульсов эффективность оптимального фильтра снижается из-за увеличения потерь, вносимых линией задержки, которые могу составлять 70 и более дБ [5];
- невысокую надежность.
При частоте радиоимпульсов от нескольких кГц до нескольких сотен кГц, характерной для сигналов гидроакустической аппаратуры [1], время задержки между отводами линии задержки должно составлять не менее нескольких мкс.
Например, при сомкнутой последовательности пяти радиоимпульсов частотой 100 кГц, минимальное время задержки между отводами линии задержки должно быть равно 30 мкс, полное время задержки 150 мкс.
При использовании современной компонентной базы реализуемость такой линии задержки затруднительна. Известные акустические линии задержки обеспечивающие задержку сигналов до нескольких сотен мкс работают на частотах не ниже 10 МГц и имеют значительные вносимые потери [5], известные электронные аналоговые линии задержки [7] не обеспечивают линейности фазовой характеристики, кроме того сложность построения, наличие большого количества составных частей, снижает их надежность.
Предложенная конструкция оптимального приемника гидроакустических сигналов решает задачи упрощения конструкции, повышения надежности, повышения эффективности фильтрации, расширения диапазона рабочих частот до звуковых частот.
Сущность изобретения заключается в том, что в оптимальный приемник гидроакустических сигналов, содержащий полосовой усилитель, вход которого является входом оптимального фильтра, n - линий задержки, выходы которых соединены с n входами сумматора, введены передающий оптоэлектронный модуль, оптический разветвитель с конфигурацией оптических полюсов 1×n, n дополнительных линий задержки, приемный оптоэлектронный модуль, причем выход полосового усилителя соединен с входом оптического разветвителя 1×n через передающий оптоэлектронный модуль, n выходов разветвителя 1×n соединены с входами n - линий задержки, выходы которых соединены с n входами сумматора через n - дополнительных линий задержки, выход сумматора соединен с входом приемного оптоэлектронного модуля, выход которого является выходом оптимального фильтра, все линии задержки выполнены в виде отрезков оптического волокна определенной длины, а сумматор выполнен в виде оптического объединителя с конфигурацией оптических полюсов n×1.
Структурная схема предлагаемого оптимального приемника гидроакустических сигналов представлена на фигуре 2.
Оптимальный приемник гидроакустических сигналов состоит из следующих составных частей:
- полосового предварительного усилителя 1, полоса пропускания которого соответствует спектру n - позиционной последовательности радиоимпульсов звуковой или ультразвуковой частоты, поступающих на его вход;
- передающего оптоэлектронного модуля 3, преобразующего n - позиционную последовательность радиоимпульсов с выхода полосового усилителя 3 в оптическое излучение, интенсивность которого изменяется с частотой радиоимпульсов;
- оптического разветвителя 5, распределяющего выходной оптический сигнал передающего оптоэлектронного модуля между n - каналами;
- n волоконно-оптических линий задержки (ВОЛЗ) 2, представляющих собой регулярную ВОЛЗ (в соответствии с ГОСТ Р 54417 - 2011 «Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Термины и определения» регулярной ВОЛЗ называется многополюсная ВОЛЗ, времена задержки оптических сигналов которой, составляют ряд арифметической прогрессии, многополюсная ВОЛЗ представляет собой совокупность однополюсных ВОЛЗ объединенных конструктивно);
- n дополнительных ВОЛЗ 6;
- оптического объединителя 4, объединяющего выходные оптические сигналы с линий задержки в единый оптический сигнал
- приемного оптоэлектронного модуля 7, преобразующего единый оптический сигнал в электрический выходной сигнал, представляющий собой суммарный сигнал входной последовательности радиоимпульсов.
Причем:
- коэффициент передачи оптических сигналов n - параллельных каналов передачи остается постоянным, так как потери вносимые n волоконно-оптическими линиями задержки (ВОЛЗ) 2 и 6 компенсируются за счет настраиваемых коэффициентов передачи разветвителя 5 и объединителя 4;
- шаг арифметической прогрессии времени задержки регулярной ВОЛЗ 2 равен периоду следования Т радиоимпульсов n - позиционной последовательности радиоимпульсов;
- величина задержки i-ой ВОЛЗ из n дополнительных ВОЛЗ 6 (i∈{1, 2, n}) зависит от начальной фазы ФМ i-ого радиоимпульса, поступающего в i-ый канал передачи, при начальной фазе радиоимпульса равной 0, величина задержки τ много меньше периода колебаний радиоимпульса t (τ<<t), при начальной фазе радиоимпульса равной 180°, величина задержки τ равна половине периода колебаний радиоимпульса (τ=t/2);
- если на вход фильтра поступают не ФМ радиоимпульсы, то величины задержки всех дополнительных линий задержки 6 минимальны и одинаковы.
Предлагаемое устройство (оптимальный приемник гидроакустических сигналов) может работать со следующими входными сигналами, используемыми в гидролокации [1]:
- простыми сигналами, представляющими собой n - позиционную последовательность радиоимпульсов одной частоты;
- сложными сигналами, представляющими собой ФМ n - позиционную последовательность радиоимпульсов одной частоты;
- сложными сигналами, представляющими собой радиоимпульсы с широким спектром частот (в частности, к таким сигналам относятся сигналы, частота которых изменяется по линейному закону (ЛЧМ) и дискретные частотные сигналы (ДЧ)).
При наличии на входе простого сигнала, представляющего собой n - позиционную последовательность радиоимпульсов одной частоты, полосовой предварительный усилитель 1 должен иметь узкую полосу пропускания с центральной частотой, равной частоте радиоимпульсов.
i
i-1
Шаг арифметической прогрессии времени задержки регулярной ВОЛЗ 2 должен быть равен периоду следования Т радиоимпульсов. Задержка сигнала i-ой ВОЛЗ τ относительно задержки сигнала (i-1)-ой ВОЛЗ τ должна быть больше на Т, где Т - период следования радиоимпульсов
Дополнительные ВОЛЗ 6 должны быть закорочены или задерживать сигналы на одно и то же время.
При наличии на входе сложного сигнала, представляющего собой ФМ n - позиционную последовательность радиоимпульсов одной частоты, полосовой предварительный усилитель 1 должен иметь узкую полосу пропускания с центральной частотой, равной частоте радиоимпульсов.
Шаг арифметической прогрессии времени задержки регулярной ВОЛЗ 2 должен быть равен периоду следования Т радиоимпульсов, как и в случае простого сигнала.
Время задержки дополнительных ВОЛЗ 6 зависит от выбранного кода изменения фазы радиоимпульсов.
Величина задержки i-ой ВОЛЗ (i - изменяется от 1 до n) при начальной фазе i-ого радиоимпульса равной 0, должна быть много меньше периода колебаний радиоимпульса, при начальной фазе i-ого радиоимпульса равной 180°, должна быть равна половине периода колебаний радиоимпульса.
При наличии на входе сложного сигнала, представляющего собой радиоимпульсы с широким спектром частот или с дискретным набором частот, ширина полосы пропускания полосового предварительного усилителя должна соответствовать спектру сигнала.
Шаг арифметической прогрессии времени задержки регулярной ВОЛЗ 2 должен быть равен периоду следования Т радиоимпульсов, как и в случае простого сигнала.
Дополнительные ВОЛЗ должны быть закорочены или задерживать сигналы на одно и то же время.
Рассмотрим конструкцию отдельных узлов предлагаемого оптимального приемника гидроакустических сигналов.
Входной предварительный усилитель может быть собран на компонентной базе общего применения.
Оптоэлектронные приемные и передающие модули являются компонентами общего применения, широкая номенклатура таких модулей выпускается отечественной промышленностью.
Производство оптических разветвителей/объединителй освоено отечественными промышленными предприятиями. Для их изготовления используется либо сварная технология (РСВ - Fused Biconical Taper) либо планарная технология (PLC - Planar Lightwave Circuit) [10]. И та и другая технологии позволяют изготавливать разветвители/объединители с заданными (настраиваемыми) коэффициентами передачи на дальнем конце.
Линии задержки 2 и 6 выполнены в виде отрезков оптического волокна определенной длины.
Рассмотрим параметры таких линий задержки для типового сигнала.
Пусть на вход фильтра приходит последовательность ФМ радиоимпульсов со следующими характеристиками:
- число импульсов n равно 6, n=6;
- частота заполнения радиоимпульсов - 200 кГц;
- длительность радиоимпульсов - 15 мкс (три периода);
- период следования радиоимпульсов - 20 мкс.
Максимальное время задержки (для n-ой линии задержки) составит τ=20⋅(n-1)=100 мкс.
Примечание - Время задержки 1-й линии задержки может составлять несколько наносекунд, то есть первая линия задержки квази закорочена, время задержки 2-й линии задержки должен быть 20 мкс, второй - 40 мкс и так далее.
Длина отрезка волокна для задержки сигнала на 100 мкс составит
8
где с - скорость света в вакууме, 3⋅10 м/с;
τ - величина задержки;
с
с
n - показатель преломления сердцевины волокна (для стандартного волокна n=1,48).
ЛЗ
Потери α, вносимые такой линией задержки, в тракт передачи составят
где β - коэффициент затухания стандартного волокна на длине волны оптического излучения 1,55 мкм (β=0,18 дБ/км);
L - длина волокна, L=20,27 км.
ЛЗ
Потери α составят 3,6 дБ, что намного меньше бюджета мощности современных оптоэлектронных приемо-передающих модулей, который на частоте 200 кГц составляет не менее 40 дБ.
Для задержки сигнала на полупериод радиоимпульса (τ=t/2=2,5 мкс), длина отрезка волокна дополнительной линии задержки должна быть равна 506 м.
Для обеспечения равномерности оптических мощностей в n параллельных каналах передачи, целесообразно, задать требования к коэффициентам передачи оптических разветвителей и объединителей такими, чтобы произведение коэффициента передачи разветвителя на коэффициент передачи линии задержки и на коэффициент передачи объединителя оставалось постоянным для всех каналов передачи.
Для возможности оперативной перестройки фильтра при изменении кода ФМ, целесообразно все волоконно-оптические компоненты соединить при помощи разъемных оптических соединителей.
Как было показано выше, предлагаемое изобретение решает следующие задачи:
- упрощение конструкции;
- повышение надежности;
- повышение эффективности фильтрации;
- расширение диапазона рабочих частот до звуковых частот.
Доказательства решения поставленных задач заключаются в следующем.
Упрощение конструкции достигается за счет упрощения конструкции линий задержки. Линия задержки в предложенной конструкции - это катушка с намотанным на нее оптическим волокном, внешний диаметр волокна с буферным покрытием 245 мкм. В устройстве прототипе линия задержки - это сложное устройство на поверхностных акустических волнах, либо многокаскадное электронное устройство.
Упрощается конструкция сумматора, в предлагаемом устройстве - это волоконно-оптический компонент (оптический объединитель), изготавливаемый по отработанной технологии, в устройстве прототипе сложное многовходовое электронное устройство, обеспечивающее взаимную изоляцию входных цепей.
Повышение надежности достигается тем, что в устройство введены компоненты с повышенной надежностью: оптоэлектронные приемный и передающий модули, волоконно-оптические линии задержки, оптический разветвитель и объединитель Их показатели надежности превосходят надежность используемых в прототипе многоотводной линии задержки и сумматора.
Проведем оценку надежности составных частей предложенного устройства и устройства прототипа для конкретных комплектующих изделий.
Рассмотрим комплект приемо-передающих оптоэлектронных модулей ПОМ-27 и ПрОМ-15, выпускаемых по ЖГДК.433769.048 ТУ.
γ
сл
γ
Гамма-процентная наработка до отказа (T) комплекта в режимах эксплуатации, установленных в ТУ на комплект, при значении γ=90% в пределах срока службы T=25 лет должна быть не менее T=100000 ч.
-15
Интенсивность отказов оптических волокон по данным [11], составляет λ=2,33⋅10 (1/ч)⋅м.
γ
сл
γ
Гамма-процентная наработка до отказа (T) оптических разветвителей типа ОР-БЕ010, выпускаемых по ТУ 6665-018-41085936-2006, в режимах эксплуатации, установленных в ТУ, при значении γ=90% в пределах срока службы Т=25 лет должна быть не менее T=100000 ч.
γ
γ
Предположим, что в устройстве прототипе применена ультразвуковая линия задержки типа ЛЗРП, выпускаемая по ОЮ0.206.020 ТУ, по данным [11], гамма-процентная наработка до отказа (T) линии задержки в режимах эксплуатации, установленных в ТУ, при значении λ=95% должна быть не менее T=7500 ч.
Для сравнения, проведем пересчет представленных показателей надежности рассматриваемых составных частей предложенного устройства и устройства прототипа в интенсивности отказов. Результаты расчетов сведем в таблицу.
Даже без учета надежности сумматора, надежность составных частей предложенного устройства более чем в три раза превышает надежность составных частей устройства прототипа.
Повышение эффективности фильтрации достигается за счет уменьшения потерь сигнала в линии задержки (потери в волоконно-оптической линии задержке на время 100 мкс составляют 3,6 дБ, потери в аналогичной по времени задержки ультразвуковой линии задержки составят около 60 дБ). Кроме того в предлагаемом устройстве возможно выравнивание амплитуд компонентных составляющих сигнала (в параллельных каналах передачи), что также повышает эффективность фильтрации.
Расширение диапазона рабочих частот обеспечивается принципом действия волоконно-оптической линии задержки. Оптическое волокно практически не имеет ограничений по полосе пропускания.
Диапазона рабочих частот определяется только диапазоном рабочих частот комплекта приемо-передающих модулей, который на современном этапе развития техники составляет от 0 до 20 ГГц.
Использованная литература:
1. Алгоритмы обработки гидроакустических сигналов: монография / И.В. Карабанов, А.С. Миронов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного университета, 2018. - 140 с.
2. Патент РФ 2249831 «Устройство для оптимальной фильтрации фазоманипулированных сигналов». С.Ф. Лукьянов.
3. Патент РФ 2332707 «Способ обработки сигнала Баркера при его обнаружении». А.В. Смирнов.
4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 2000. - 462 с.
5. Линии задержки акустические, информация с сайта http://bourabai.ru/physics/1963.html
6. Дмитриев В.Ф. Устройства интегральной электроники: Акусто-электроника. Основы теории, расчета и проектирования: учебное пособие / ГУАП. - СПб., 2006. - 169 с.
7. Шустов М.А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. - 352 с.
8. И.С. Гоноровский Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов, 3-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Советское радио, 1977. - 608 с.
9. Теория электросвязи: учебник для СПО / В.И. Нефедов, А.С. Сигов; под ред. В.И. Нефедова. - М.: Издательство Юрайт, 2016. - 495 с.
10. Цуканов В.Н., Яковлев М.Я. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 304 с.
11. Надежность электрорадиоизделий. Справочник МО РФ, 2006 г. - 641 с.