ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к гидроакустическим системам освещения подводной обстановки.
Параметрическая приемная антенна (ППА), принцип работы которой основан на нелинейном взаимодействии сигналов различных частот, была предложена в авторском свидетельстве [1]. ППА предназначена для направленного приема низкочастотных сигналов от шумящих объектов. ППА состоит из высокочастотной излучающей антенны и приемной высокочастотной антенны, разделенных водной средой, которую называют «зона нелинейного взаимодействия». ППА была названа «бестелесной», т.к. формируется в водной среде. Излученный высокочастотный сигнал принимается приемной антенной и обрабатывается системой обработки. При отсутствии низкочастотного сигнала от шумящего объекта в зоне нелинейного взаимодействия в системе обработки фиксируется только высокочастотный сигнал, излученный высокочастотной антенной. При наличии низкочастотного сигнала от шумящего объекта в зоне нелинейного взаимодействия в системе обработки фиксируется высокочастотный сигнал, модулированный сигналом низкой частоты. Низкочастотная модуляция выделяется системой обработки, появление модуляции является свидетельством наличия источника низкочастотного сигнала. При этом на низкой частоте формируется однолучевая диаграмма направленности (ДН), ось которой совпадает с линией, соединяющей фазовые центры антенн, а максимум ДН обращен в направлении, противоположном направлению излучения высокочастотного сигнала. Таким образом, ППА позволяет обнаруживать низкочастотные акустические источники, расположенные в секторе действия ДН ППА.
Известные ППА [2-4] состоят из следующих блоков: две высокочастотные акустические антенны (одна из которых излучающая, а другая - приемная), разделенные водной средой, генераторное устройство, система обработки. Различаются ППА конструктивно-схемным построением и физико-математическими моделями формирования. Все известные устройства формируют однолучевую ДН.
Наиболее близкой по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемой полезной модели является параметрическая приемная антенна, описание которой, принцип работы, а также основные технические характеристики приведены в [2].
Устройство-прототип является параметрической приемной антенной и предназначено для обнаружения в водной среде шумящих объектов; ППА формирует однолучевую ДН. ППА состоит из двух малогабаритных высокочастотных акустических антенн (излучающей и приемной), разделенных водной средой и обращенных активными поверхностями друг к другу. Излучающая антенна возбуждается генераторным устройством, сигнал принимается приемной антенной и обрабатывается системой обработки. Излучающая и приемная антенны располагаются на расстоянии L. Устройство-прототип реализует основную функцию - обнаружение шумящего низкочастотного объекта, расположенного в зоне луча ДН.
Сектор обзора ППА [2] ограничен шириной ДН, что связано с принципом формирования виртуальной приемной антенны (ППА) и обосновано в литературе [2, 3]. Однако, шумящий объект может располагаться и в ином направлении, вне зоны обзора луча ДН.
Задачей представляемой полезной модели является расширение функциональных характеристик ППА, а именно: увеличение сектора обзора ППА, в том числе до сектора кругового обзора, т.е. 360°.
Техническим результатом использования предлагаемого устройства является обеспечение обзора пространства в заданном секторе обзора вплоть до кругового обзора.
Предлагаемое устройство имеет три варианта исполнения, связанные единым изобретательским замыслом и реализующим одинаковый технический результат.
По первому варианту для достижения заявляемого технического результата в параметрической приемной антенне, содержащей высокочастотные излучающую и приемную акустические антенны, расположенные в водной среде и обращенные активными поверхностями друг к другу, генераторное устройство, соединенное с излучающей антенной, и систему обработки, соединенную с приемной антенной, введены новые признаки, а именно:
- приемная антенна состоит из N независимых элементов, расположенных на дуге окружности, имеющей угловой размер α с центром в месте расположения фазового центра излучающей антенны, при этом угловое расстояние между фазовыми центрами элементов приемной антенны выбрано из условия пересечения ДН соседних пространственных каналов на заданном уровне;
- излучающая антенна имеет секторную диаграмму направленности (ДН) в угловом секторе, не меньшем, чем α;
- система обработки состоит из N независимых каналов, каждый их которых соединен с соответствующим независимым элементом приемной антенны.
По второму варианту исполнения устройства для достижения заявляемого технического результата в параметрической приемной антенне, содержащей высокочастотные излучающую и приемную акустические антенны, расположенные в водной среде, генераторное устройство, соединенное с излучающей антенной, и систему обработки, введены новые признаки, а именно:
- излучающая антенна имеет узкую ДН и выполнена с возможностью поворота максимума формируемой ДН в секторе α;
- приемная антенна состоит из N независимых элементов, расположенных на дуге окружности, имеющей угловой размер α с центром в месте расположения фазового центра излучающей антенны, при этом угловое расстояние между фазовыми центрами независимых элементов приемной антенны выбрано из условия пересечения ДН соседних пространственных каналов на заданном уровне;
- дополнительно введен переключатель, выход которого соединен с системой обработки, а вход выполнен с возможностью подключения к выходу каждого независимого элемента приемной антенны.
По третьему варианту исполнения устройства для достижения заявляемого технического результата в параметрической приемной антенне, содержащей высокочастотные излучающую и приемную акустические антенны, расположенные в водной среде и обращенные активными поверхностями друг к другу, генераторное устройство, соединенное с излучающей антенной, и систему обработки, введены новые признаки, а именно:
- приемная антенна состоит из N независимых элементов, расположенных на дуге окружности, имеющей угловой размер α с центром в месте расположения фазового центра излучающей антенны, при этом угловое расстояние между фазовыми центрами независимых элементов приемной антенны выбрано из условия пересечения ДН соседних пространственных каналов на заданном уровне;
- излучающая антенна имеет секторную диаграмму направленности в угловом секторе, не меньшем, чем α;
- дополнительно введен переключатель, выход которого соединен с системой обработки, а вход выполнен с возможностью подключения к выходу каждого независимого элемента приемной антенны.
Введенные в устройство новые признаки делают возможным осуществлять прием в заданном секторе углов, в том числе и осуществлять круговой прием (сектор 360°), при этом избирательность ППА, реализуемая в устройстве-прототипе [1, 2], сохраняется во всем секторе углов α.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-6. На фиг.1 представлена блок-схема устройства, предлагаемого по первому варианту. На фиг.2, 3 показаны принципиальные возможности формирования приемных ДН в заданном секторе обзора α. На фиг.4 представлен фрагмент блок-схемы устройства по второму варианту; фрагмент включает только приемную часть устройства, т.к. излучающая часть аналогична представленной на фиг.1. Фиг.5 и 6 поясняют принцип приема в секторе обзора α по второму и третьему вариантам реализации устройства.
По первому варианту предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из излучающей антенны 1 и приемной антенны 2, разделенных водной средой. С излучающей антенной соединено генераторное устройство 3. Приемная антенна 2 состоит из N независимых элементов 4. Выходы каждого из N элементов 4 соединены с входами соответствующих каналов системы обработки 5.
Излучающая антенна 1 формирует секторную ДН (сектор α, фиг.2), причем сектор облучения может превышать сектор α, вплоть до ненаправленного излучения (360°). Элементы 4 приемной антенны 2 расположены на дуге окружности радиуса L (фиг.2); в рабочем секторе α количество элементов 4 приемной антенны составляет N. «Рабочие» элементы 4 показаны на фиг.2 сплошными линиями. Сектор α может быть расширен до 360° за счет заполнения всей окружности элементами 4 приемной антенны 2, эти элементы представлены пунктирными линиями.
В секторе α формируется набор диаграмм направленности 6 отдельных пространственных каналов ППА (фиг.2), которые для большей наглядности представлены в полярной системе координат непересекающимися. Для того, чтобы не было пропуска цели при приеме сигналов, ДН ППА должны пересекаться, что показано на фиг.3, выполненной в декартовой системе координат. По оси ординат отложен уровень ДН R(φ), выраженный в децибелах, а по оси абсцисс - текущий угол φ, в градусах. Из фиг.3 видно, что ДН отдельных каналов пересекаются на уровне -3 дБ, а угловое расстояние между крайними максимумами составляет угол α. Исходя из заданных уровня пересечения ДН и размера требуемого сектора обзора α, выбирают минимальное количество элементов приемной антенны N (по этим же критериям выбирают количество элементов N приемной антенны по второму и третьему вариантам заявляемого устройства).
По второму варианту излучающая часть состоит, как и в первом варианте, из излучающей антенны 1, соединенной с генераторным устройством 3. Эта часть устройства не показана на фиг.4, где представлена только приемная часть ППА, отличающаяся от исполнения первого варианта. Система обработки 5 (фиг.4) выполнена одноканальной, а выходы элементов 4 приемной антенны 2 через переключатель 7 подключаются к входу системы обработки 5.
Излучающая антенна 1 (фиг.5) формирует узкую ДН и выполнена с возможностью поворота ДН. На фиг.5 показаны два положения излучающей антенны 1: сплошной (зачерненный) прямоугольник - исходное положение и очерченный пунктиром прямоугольник - раскрыв антенны повернут. Соответственно, в исходном положении антенна 1 облучает элемент приемной антенны №3 (густая штриховка), а переключатель 7 подключает выход этого элемента приемной антенны 2 ко входу системы обработки 5 (остальные элементы приемной антенны 2 не подключены к входу системы обработки). При этом ППА формирует ДН 6, показанную на фиг.5 сплошными линиями.
При повороте излучающей антенны 1 (положение пунктиром на фиг.5) облучается элемент приемной антенны, заштрихованный редкой штриховкой, ППА формирует ДН 6, показанную штриховыми линиями и сдвинутую относительно ДН 6, показанной сплошными линиями.
При изменении положения оси ДН излучающей антенны 1 последовательно (или в произвольном порядке) облучаются расположенные по окружности элементы 4 приемной антенны 2, подключаются с помощью переключателя 7 к системе обработки 5 и формируются ДН ППА 6, оси которых совмещены с линией, проходящей через фазовые центры излучающей антенны 1 и подключенного текущего элемента 4 приемной антенны 2.
Третий вариант устройства сочетает излучающую часть ППА по варианту 1 и приемную часть ППА по варианту 2. Излучающая антенна 1 формирует секторную ДН (сектор α, фиг.6), причем сектор облучения может превышать сектор α, вплоть до ненаправленного излучения (360°). Приемная антенна 2 такая же, как в вариантах устройства 1 и 2. Система обработки 5 выполнена одноканальной, а выходы элементов 4 приемной антенны 2 через переключатель 7 подключаются к входу системы обработки 5.
Излучающая антенна одновременно облучает все N элементов приемной антенны 2. Переключатель 7 подключает выход одного из элементов (любого) приемной антенны 2 к входу системы обработки 5 (остальные элементы приемной антенны 2 не подключены к входу системы обработки). При этом ППА формирует ДН 6, показанную на фиг.6 сплошными линиями.
Акустические антенны и их элементы (акустические преобразователи), входящие в заявляемое устройство, описаны, в частности, в [5, главы 6-8]; способы и устройства для поворота формируемой антенной ДН - [5, стр.18-30]. Генераторное устройство описано в [2, 4], система обработки ППА - в [4].
Из приведенного описания видно, что во всех вариантах устройства достигается заявленный технический эффект, состоящий в расширении сектора направленного приема сигнала вплоть до кругового (360°). В первом варианте формируется многолепестковая ДН, получившая название «статический веер диаграмм направленности». Во втором и третьем вариантах формируется однолепестковая ДН, положением максимума которой в пространстве можно управлять; такую систему принято называть «система с динамическим веером ДН».
Варианты предлагаемого устройства для обзора пространства с помощью ППА имеют достоинства и недостатки.
По первому варианту осуществляется одновременный обзор пространства в секторе α, но требуются значительные аппаратные затраты на многоканальную систему обработки. Кроме того, имеются сложности, связанные с формированием секторной ДН в излучении и требуется довольно большая акустическая мощность, т.к. одновременно облучается сектор пространства α. Ненаправленная антенна проще в исполнении, но требует еще большей акустической мощности.
По второму варианту требуется обеспечивать поворот ДН излучающей антенны 1, что может быть реализовано при механическом повороте антенны (требуется устройство вращения) или электронном сканировании ДН (в этом случае излучающая антенна и генераторное устройство становятся многоканальными). Обзор пространства осуществляется последовательно, что увеличивает время обзора сектора α. К достоинствам следует отнести одноканальную систему обработки и пониженную (в сравнении с первым вариантом) мощность излучения.
К достоинствам третьего варианта следует отнести сравнительно простую излучающую акустическую антенну (только при ненаправленном излучении) и одноканальность системы обработки, а также возможность «мгновенной» переброски луча в крайние положения сектора α. Недостатки: повышенная акустическая мощность излучения и увеличенное (по сравнению с вариантом 1) время обзора пространства при поиске шумящего объекта.
Полезная модель может быть использована в подвижных и стационарных системах наблюдения за подводной обстановкой, в частности, в качестве «барьерной» линии для защиты акватории от несанкционированных вторжений.
Список источников информации
1. Авт. свид. СССР №422197. Устройство для приема инфразвуковых колебаний. МПК В06В 1/00. Приор. 31.03.1961. Публ. 28.02.1982, бюлл. 8. Авторы Зверев В.А., Калачев А.И.
2. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн // Акустич. журнал. 1970. Т.16, №2. С.245-251 (ПРОТОТИП)
3. Truchard J.J. Parametric acoustic receiving array // JASA. 1975. V.58, N 6. P.1141-1150
4. Мюир Т.Г., Голдсберри Т.Д. Вопросы обработки сигналов в нелинейной акустике // Подводная акустика и обработка сигналов / Под ред. Л.Бьерно. М.: Мир, 1985. С.172-199
5. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988