ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГИДРОЛОКАТОР БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к гидролокаторам, которые работают вблизи отражающего объекта и используют режим параметрического излучения.
1
2
f
1
2
F
f1, 2
Известно [1], что в режиме параметрического излучения уровень сигнала низкой (разностной) частоты F значительно ниже уровней сигналов первичных (высоких) частот накачки f и f. При этом , а акустические давления Р на частотах F, f, f подчиняются соотношению Р≪P. Отношение  составляет доли и единицы процентов [1], в децибелах - -30 ÷ -80 дБ и менее. Указанное относится к уровню сигнала в максимуме диаграммы направленности (ДН).
Одним из достоинств параметрического излучателя является более низкий (по сравнению с излучателем традиционного типа) уровень боковых лепестков ДН, что обеспечивает преимущество гидролокаторов с параметрическим излучением по устойчивости к реверберационной помехе. Уровень боковых лепестков гидролокаторов с параметрическим излучением, выраженный в децибелах, приблизительно в 2 раза ниже, чем у антенн традиционного типа. Таким образом, отношение ξ (в дБ) в области боковых лепестков будет в два раза меньше, чем в области главного максимума ДН, т.е. -60 ÷ -160 дБ.
Если длина трассы излучатель - отражающий объект - приемник невелика, соотношение уровней низкочастотного (НЧ) сигнала разностной частоты и высокочастотных (ВЧ) сигналов накачки будет также практически равной ξ.
1
2
1, 2
F
f1, 2
При параметрическом излучении полезным является только сигнал разностной частоты F. Таким образом, именно сигнал этой частоты (или этого частотного диапазона) необходимо выделить в приемном тракте на фоне сигналов частот f, f при условии, что F≪f и Р≪Р.
1
2
n
Известны гидролокаторы, в которых используется приемная антенна с резонансом на НЧ. Если предположить, что отношение f/F=10, a f=(f+f)/2, то чувствительность такой антенны в области ВЧ будет приблизительно в 5-10 раз ниже, чем на НЧ. Из теории параметрических излучающих антенн (ПИА) известно [1], что эффективность генерации НЧ сигнала разностной частоты пропорциональна отношению (F/f), n=1-2. Поэтому при излучении широкополосного сигнала отношение F/f должно быть выше (для повышения эффективности). Но при повышении
отношения F/f ухудшается эффективность подавления ВЧ составляющих в принимаемом сигнале за счет резонансных свойств приемной антенны.
В гидролокаторах с параметрическим режимом излучения известна установка фильтра низких частот (ФНЧ) после приемной антенны [1, стр.208, рис.8.4; 4]. Но при таком построении схемы при работе с широкополосным сигналом невозможно обеспечить постоянство передаточной функции фильтра, согласовать антенну с фильтром, т.к. акустическая приемная антенна представляет собой нагрузку комплексного характера.
1
2
Чтобы исключить влияние переменного в частотной области импеданса антенны, на ее выходе включают широкополосный предварительный усилитель со сравнительно небольшим коэффициентом усиления, а затем последовательно соединяют усилитель с ФНЧ и далее усиливают отфильтрованный сигнал необходимой полосы. Такая схема используется в измерительных усилителях и предложена в ряде патентов по ПИА [2, 3]. При приеме сигнала параметрического излучения, содержащего компоненты частот F, f, f, широкополосный усилитель должен обеспечивать неискаженный прием сигналов, включающем слабые НЧ сигналы разностной частоты и сильные ВЧ сигналы частот накачки. Отличить НЧ сигналы, возникающие вследствие нелинейности предварительного усилителя приемного тракта, от НЧ сигналов разностной частоты, образующихся в воде вследствие нелинейного взаимодействия волн накачки, невозможно. Построение усилителя с динамическим диапазоном более 100 дБ представляет дорогостоящую техническую проблему (гарантированный динамический диапазон даже измерительных усилителей не превышает 60-80 дБ).
1
2
Наиболее близким по функциональным и техническим признакам к предлагаемому техническому решению является параметрический гидролокатор, описанный в книге [1, стр.208, 214]. В гидролокаторе-прототипе излучающий тракт формирует сигнал параметрического излучения, содержащий в каждый момент времени две высокочастотные компоненты частот f и f, а приемный тракт состоит из последовательно соединенных приемной антенны, широкополосного предварительного усилителя и ФНЧ. После ФНЧ сигнал усиливается, подвергается вторичной обработке и регистрируется (представляется оператору или передается на внешние устройства).
Приемный тракт устройства-прототипа обладает рядом недостатков:
- широкополосный предварительный усилитель, соединенный с выходом приемной антенны, при малых трассах сигнала от точки излучения до точки приема
должен иметь большой динамический диапазон, обеспечивающий неискаженное усиление смеси первичных ВЧ сигналов накачки с НЧ сигналом разностной частоты;
- приемный тракт обладает невысокой помехоустойчивостью, практически полностью определяемой только направленностью антенны и полосой пропускания фильтра.
Техническими результатами от реализации предлагаемых технических решений являются:
- обеспечение возможности понижения динамического диапазона широкополосного предварительного усилителя, стоящего на выходе приемной антенны, на 20-40 дБ, что делает осуществимой практическую реализацию усилителя;
- повышение помехоустойчивости (или соотношения сигнал/помеха) в приемном тракте, что особенно существенно при работе с широкополосным сигналом.
1
2
1
2
Технические результаты достигаются тем, что в параметрическом гидролокаторе ближнего действия, содержащем излучающий тракт, состоящий из формирователя сигнала, первый выход которого соединен с последовательно соединенными усилителем мощности и излучающей антенной (источником сигнала накачки), причем излучающий тракт выполнен одно- или двухканальным с возможностью формирования сигнала, содержащего в каждый момент времени две высокочастотные компоненты fи f, приемный тракт, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, остронаправленной на частоте f=(f+f)/2, широкополосного предварительного усилителя, фильтра низких частот, а также содержащем блок вторичной обработки, управления, контроля и регистрации, введены новые существенные признаки, а именно:
минимум диаграммы направленности приемной антенны на частоте f обращен в сторону направления прихода эхосигнала;
дополнительно введены блок формирования опорного сигнала разностной частоты  и коррелятор, при этом первый вход коррелятора соединен с выходом фильтра низких частот, вход блока формирования опорного сигнала соединен со вторым выходом формирователя, а его выход - со вторым входом коррелятора и выход коррелятора соединен с входом системы вторичной обработки, управления, контроля и регистрации.
1
2
При приеме сигнала параметрического излучения, содержащего компоненты частот f, f и F, величина каждого сигнала пропорциональна ДН на соответствующей частоте и амплитудно-частотной характеристике чувствительности. В предлагаемом техническом решении приемная антенна обращена минимумом ДН на частоте f в
направлении прихода сигнала, а уровень сигнала на выходе антенны пропорционален уровню минимума ДН. Поскольку приемная антенна воспринимает одновременно приходящие ВЧ сигналы накачки, результирующий сигнал пропорционален ДН на средней частоте накачки f. Следовательно, сигнал после приемной антенны ослабляется на такую же величину, на какую уровень минимума ДН меньше уровня максимума ДН (в децибелах максимуму ДН присваивают значение 0 дБ, уровень минимума ДН в децибелах является отрицательным). На такую же величину, т.е. на величину отношения максимума ДН к минимуму ДН по частоте f может быть уменьшен динамический диапазон предварительного широкополосного усилителя, последовательно соединенного с приемной антенной.
Введение коррелятора (и необходимого для его работы блока формирования опорного сигнала) дает возможность осуществить корреляционной обработку принятого сигнала и повысить соотношение сигнал/помеха, что хорошо известно из теории оптимальной обработки сигнала при наличии помех [6, стр.397-401]. Особенно актуальным является повышение отношения сигнал/помеха путем корреляционной обработки при работе с широкополосным сигналом, что является одной из особенностей использования гидролокаторов с параметрическим режимом излучения [1, стр.82-99,181-194,208-215].
Сущность и работа заявляемого устройства поясняются фиг.1, 2. На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 поясняется принцип использования приемной антенны, формирующей минимум ДН по частоте f в направлении на приходящий сигнал.
Излучающий тракт гидролокатора состоит из последовательно соединенных формирователя 1, усилителя мощности 2 и излучающей антенны - источника сигнала накачки 3. Приемный тракт состоит из приемной антенны 4, ДН которой ориентирована минимумом по средней частоте накачки в направлении прихода эхосигнала. С приемной антенной 4 последовательно соединены широкополосный предварительный усилитель 5 и фильтр 6 низкой частоты (ФНЧ). Выход ФНЧ соединен с первым входом коррелятора 7, а его второй вход соединен с выходом блока 8 формирования опорного сигнала, вход которого соединен со вторым выходом формирователя 1. Выход коррелятора 7 соединен с блоком 9 вторичной обработки, управления, контроля и регистрации.
Конструктивное исполнение и установка приемной антенны 4, исполнение широкополосного предварительного усилителя 5 в зависимости от применения гидролокатора могут отличаться.
а) Принятый сигнал приходит с одного и того же направления, а средняя частота сигнала накачки f=const (например, эхоледомер, эхолот). В этом случае приемная антенна 4 устанавливается на судне с разворотом приемной поверхности на угол, соответствующий минимуму ДН по частоте f (этот случай условно представлен на фиг.2, где развернутая антенна 4 изображена сплошными линиями). Усилитель 5 выполняется для усиления в широкой полосе частот, включающей диапазон сигналов накачки и разностной частоты.
б) Принятый сигнал может приходить с более чем одного направления и/или средняя частота сигнала накачки f≠const (например, необходимо учитывать качку, «наводить» ДН на отражающий объект, выбирать оптимальную частоту сигнала накачки). Во всех перечисленных случаях угловое положение минимума ДН по частоте f меняется. Антенна 4 устанавливается на судне в положение, показанное на фиг.1 сплошными линиями (если основная работа ведется при f=const или предпочтительно в одном направлении прихода сигнала) или в положение, показанное пунктиром (в иных случаях). Для возможности «наведения» на принимаемый сигнал минимума ДН по частоте f антенна 4 и усилитель 5 выполняются многоканальными. Кроме функций, указанных в п.а), в усилитель 5 включается дополнительный модуль линий задержки, с помощью которого, по командам из блока 9 осуществляется поворот ДН по частоте f на необходимый угол, т.е. минимумом ДН по частоте f в сторону прихода сигнала. В связи с тем, что схемы построения устройств поворота ДН общеизвестны (см., например, книгу [6, стр.23] или патент США [2]), на фиг.1 данный вариант построения усилителя специально не расшифровывается.
Работа предлагаемого параметрического гидролокатора ближнего действия осуществляется следующим образом.
1
2
i
1
01
0
01
0
01
1
0
По сигналам управления из блока 9 в блоке 1 формируется ВЧ сигнал параметрического излучения (сигнал накачки), в спектре которого присутствуют по крайней мере 2 частоты сигнала накачки f и f, причем . Одна из частот f(i=1, 2) при реализации широкополосного излучения может быть модулирована. В этом случае модулируемая частота f∈ [f-F-ΔF, f+F+ΔF], где f - среднее значение частоты f, f - среднее значение разностной частоты, 2ΔF - полоса изменения разностной частоты. Способы формирования сигнала параметрического излучения изложены в книге [5, стр.138-143].
1
2
Блок 2 усиливает сигнал по мощности, а излучающая антенна (ВЧ источник сигнала накачки) 3 излучает сформированный и усиленный сигнал параметрического излучения. В водную среду излучаются сигналы накачки частот f, f, одна из частот
0
может быть модулирована. При распространении в результате нелинейного взаимодействия сигналов частот накачки формируется сигнал разностной частоты F (или F±ΔF).
1
2
1
2
Отраженный от объекта сигнал принимается приемной антенной 4 (описание конструкций приемных и излучающих антенн, расчет их характеристик приведены в книге [7[). В отраженном сигнале присутствуют составляющие частот f, f и F. Чувствительность приемной антенны 4 пропорциональна ее ДН на соответствующей частоте. Приемная антенна 4 заявляемого гидролокатора выполняется таким образом, что ее ДН обращена минимумом ДН на частоте f=(f+f)/2 в сторону прихода эхосигнала, и уровень сигнала, поступающего на вход широкополосного предварительного усилителя 5 пропорционален уровню ДН на частотах, принятых антенной 4.
1
2
На фиг.2 представлен принцип приема 3-х частотного сигнал, содержащего компоненты сигналов накачки f, f и разностной частоты F. Кривые 10 и 12 обозначают ДН на средней частоте сигнала накачки f, кривые 11 и 12 - ДН на разностной частоте. Стрелкой показано направление прихода эхосигнала. На фиг.1а представлены ДН по устройству-прототипу, а на фиг.1б - по заявляемому устройству. Из сопоставления уровней принимаемого сигнала в диапазоне частот накачки видно, что в направлении прихода сигнала уровень принятого сигнала на фиг.1б (предлагаемое техническое решение) составляет -26 дБ (или уменьшение в 19,95 раз), а на фиг.1а аналогичный уровень составляет 0 дБ. Пример на фиг.1 построен для соотношения f/F=10, что является наиболее характерным для режима параметрического излучения [1]. Можно показать, что при увеличении отношения f/F глубина «провала» по сигналам частот накачки будет увеличиваться (по абсолютной величине). Это особенно важно для приема широкополосного сигнала и низкочастотных сигналов разностной частоты, т.к. эффективность нелинейного взаимодействия при увеличении отношения f/F падает и требуется увеличение динамического диапазона, чтобы без искажений одновременно принимать сильные сигналы накачки и слабые сигналы разностной частоты.
1
2
Таким образом, на вход широкополосного предварительного усилителя 5 поступают одновременно сигналы частот f, f и F, при этом сигналы накачки ослабляются в соответствии с уровнем минимума ДН (на 26 дБ, или в 19,95 раз - по примеру, приведенному на фиг.2б). Уровень сигнала на разностной частоте также ослабляется, но незначительно (на 0,2 дБ, или в 0,977 раз - по примеру фиг.2б), т.к. ДН на частоте F значительно шире ДН на частоте f. Следовательно, динамический
диапазон широкополосного предварительного усилителя 5 может быть на 26 дБ (для рассчитанного на фиг.2 примера) меньше, чем у устройства-прототипа.
0
После усилителя 5 фильтр 6 низких частот вырезает сигнал рабочей полосы F=F±ΔF и сигнал диапазона разностной частоты поступает на сигнальный (первый) вход коррелятора 7.
1
2
В блоке 7 осуществляется корреляционная обработка (свертка) НЧ сигнала. Описание работы и структура коррелятора изложено в книге [6, стр.397-401]. На сигнальный (первый) вход коррелятора 7 поступает сигнал после ФНЧ (блок 6), на опорный (второй) вход блока 7 подается опорный сигнал с блока формирования опорного сигнала 8. На вход блока 8 поступает сигнал со второго выхода формирователя 1. Если в блоке 1 непосредственно формируется сигнал разностной частоты F, включая заданную длительность и скважность, то в блоке 8 выполняется лишь его усиление (ослабление) до необходимой для работы коррелятора 7 величины. Если в соответствии с представленными в книге [5] способами формирования в блоке 1 формируются лишь ВЧ составляющие сигнала параметрического излучения, в блоке 8 выполняется выделение из совокупности ВЧ сигналов накачки НЧ сигналов разностной частоты, в частности, путем перемножения сигналов частот f, f с последующей НЧ фильтрацией. Корреляционная обработка, как указано в [6], обеспечивает повышение соотношения сигнал/помеха.
В блоке 9 выполняются функции вторичной обработки сигнала, регистрации и управления, включая контроль работы остальных блоков устройства.
Таким образом, следует считать достигнутым заявляемый технический результат, заключающийся в обеспечении возможности понижения динамического диапазона широкополосного предварительного усилителя, стоящего на выходе приемной антенны, что делает осуществимой практическую реализацию усилителя, а также повышение помехоустойчивости (или соотношения сигнал/помеха) в приемном тракте, что является существенным при работе с широкополосным сигналом.
Заявляемое устройство может быть использовано в параметрических гидролокационных системах для обнаружения целей, находящихся на близких расстояниях от источника излучения. К таким системам относятся эхоледомеры, профилографы, эхолоты подводных аппаратов, гидроакустическая аппаратура исследования Мирового океана.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л., Судостроение, 1990 (прототип)
2. Пат. США №4697254. System and method for measuring ice thickness. Приор. 29.09.1987
3. Пат. РФ №2133047. Параметрический эхо-импульсный локатор. Приор. 05.07.1996
4.Пат. РФ №2149424. Эхолокатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна. Приор. 20.01.1999
5. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л., Судостроение, 1981
6. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988
7. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л., Судостроение, 1984
8. Колесников А.Е. Акустические измерения. Л., Судостроение, 1983