УСТРОЙСТВО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ КОРПУСА СУДНА

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к измерению вибрации корпуса морского или воздушного судна, а также любого другого радиолокационно-контрастного объекта с помощью когерентно-импульсного радиолокационного обнаружителя.
Известна диагностическая измерительная система, содержащая излучатель, блок приема сигналов с детектором, обеспечивающим гетеродирование отраженного излучения и преобразование оптического излучения в измеренные информационные электрические сигналы, а также аналого-цифровой преобразователь и устройство записи и цифровой обработки измеренных сигналов. Кроме того, светоотражающая пленка, выполненная с внедренными элементами сферической формы для обеспечения адаптивной диаграммы отражения, нанесена на вибрирующую поверхность объекта, состояние которого диагностируется, при этом лазерный излучатель, блок призм и светоотражающая пленка размещены на одной прямой линии. (Патент №2228518 RU; МПК 7 G 01 H 9/00, G 01 M 7/02; дата подачи заявки 2002.10.14; дата публикации 2004.05.10).
Недостатками известной конструкции являются: трудности обеспечения регистрации интегральных характеристик общей вибрации судна, необходимость проведения подготовительных работ на измеряемом объекте, таких как нанесение светоотражающей пленки с внедренными элементами сферической формы на поверхности крупногабаритных объектов. Имеет место существенная зависимость качества измерений в открытом пространстве от метеоусловий.
Известен другой измеритель вибрации, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, детектор с подключенным к нему индикатором и антенну. Расположение антенны относительно объекта измерения принимаются исходя из установки формирования режима стоячей волны (Патент №2025669 RU; МПК 5 G 01 H 9/00; дата подачи заявки 1991.07.17; дата публикации 1994.12.30).
Недостатком второго известного устройства является использование слабонаправленной антенны, что не обеспечивает измерение вибрации на расстояниях до объекта в интервале от 100 м до 5000 м, а также низкая производительность из-за отсутствия частотного преобразования, вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения для регистрации вибрации в инфразвуковом диапазоне частот.
Наиболее близким к заявленному, и выбранным в качестве прототипа, является другой известный измеритель вибрации, содержащий генератор СВЧ, детектор с подключенным к нему индикатором и антенну, в виде круглого волновода (Патент №2082114 RU; МПК 6 G 01 H 9/00; дата подачи заявки 1994.07.20; дата публикации 1997.06.20).
Несмотря на увеличение чувствительности на порядок, по сравнению со вторым аналогом, в прототипе используется слабонаправленная антенна, что позволяет проводить измерения объектов только в лабораторных условиях, а также не используется преобразование сигнала на промежуточной частоте и отсутствуют средства автоматизации вычислительных процессов в инфразвуковом диапазоне частот для регистрации вибрации объекта.
Недостатки, присущие аналогам и прототипу устранены предлагаемой полезной моделью: «Устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна», технической задачей которой
является создание нового устройства для дистанционного измерения вибрации корпуса судна в инфразвуковом диапазоне частот.
Реализация указанной технической задачи предлагаемой полезной моделью позволяет добиться следующего технического результата:
- создание радиолокационного когерентно-импульсного обнаружителя СВЧ-диапазона с остронаправленной антенной для интегрированного измерения вибрации поверхностно-распределенных объектов;
- уменьшение мощности потерь сигнала достигается путем конструктивного объединения антенны и приемопередатчика, что привело к сокращению электрической длины пути сигнала;
- система измерения дальности, расположенная в индикаторном устройстве, обеспечивает возможность контроля расстояния между устройством и объектом измерения;
- использование приемника супергетеродинного типа с низкочастотной фильтрацией входных цепей основных структурных элементов снизило начальную частоту регистрации вибрации до 1 Гц;
- повышение чувствительности измерения вибрации достигнуто за счет применения фазового детектора;
- повышение качества статистической обработки и объема измерений достигнуто за счет использования вычислительной техники и программного обеспечения.
Для достижения указанного технического результата предложено «Устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна», содержащее антенное устройство, подключенное к приемопередатчику, в состав которого входят модулятор, генератор СВЧ и детектор; выход генератора СВЧ через когерентный гетеродин подключен ко второму входу детектора. С приемопередатчиком соединены параллельной
электрической связью индикаторное устройство и электронное вычислительное устройство цифровой обработки сигналов, выполненное в виде персональной электронно-вычислительной машины и снабженное пакетом прикладных программ.
Отличием предлагаемого «Устройства радиолокационного измерения вибрации корпуса судна» от аналогов является то, что в качестве устройства радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, использован радиолокационный импульсный обнаружитель, в котором конструктивно совмещены в одном корпусе антенное устройство и приемопередатчик, а система измерения дальности радиолокационного импульсного обнаружителя размещена в индикаторном устройстве, с возможностью измерения расстояния до исследуемого объекта. Кроме того, в приемопередатчик включены смеситель, местный гетеродин, усилитель промежуточной частоты, видеоусилитель и усилитель низкой частоты, причем в усилителе промежуточной частоты, видеоусилителе и усилителе низкой частоты реализована низкочастотная фильтрация, при помощи фильтров низких частот, с возможностью измерения инфразвукового диапазона вибрации, а детектор использован в режиме фазового детектирования.
Дополнительным отличием является то, что в генераторе СВЧ использован двухсантиметровый диапазон длин волн. Приемопередатчик и индикаторное устройство выполнены с возможностью интегрированного измерения вибрации поверхностно-распределенных объектов. Остронаправленное антенное устройство выполнено в виде рупорного облучателя и отражателя в форме усеченного параболоида вращения и установлено на корпусе приемопередатчика. Кроме того, электронное вычислительное устройство цифровой обработки сигналов, снабженное пакетом прикладных программ, использовано для спектрального анализа сигналов.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для интегрированного измерения вибрации поверхностно-распределенных объектов посредством создания радиолокационного когерентно-импульсного обнаружителя СВЧ диапазона.
Конструктивное объединение антенного устройства и приемопередатчика в одном корпусе привело к улучшению эксплуатационных показателей и удобства в обслуживании устройства в целом, вследствие сокращения электрической длины пути сигнала, а следовательно и уменьшению потерь мощности сигнала.
Контроль расстояния между устройством и объектом измерения возможен благодаря системе измерения дальности в индикаторном устройстве. Реализация заявленной полезной модели позволила перейти от лабораторных измерений объектов, используемых в прототипе, к проведению натурных измерений.
Приемник супергетеродинного типа с низкочастотной фильтрацией входных цепей основных структурных элементов снизило начальную частоту регистрации вибрации до 1 Гц. Это привело к возможности измерения инфразвукового диапазона вибрации.
Применение фазового детектора позволило повысить чувствительности измерения вибрации корпуса судна, а использование вычислительной техники и программного обеспечения для спектрального анализа сигнала привело к повышению качества статистической обработки и объемов измерений.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, функциональная схема; фиг.2 - схема проведения измерений; фиг.3 - геометрическая интерпретация измерений характеристик вибрации морского судна; фиг.4 - амплитудный спектр радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности в
районе измерений; фиг.5 - амплитудный спектр радиолокационного сигнала, отраженного от корпуса морского судна типа «сухогруз».
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, включающая:
1. Антенное устройство;
2. Приемопередатчик;
2.1. Передатчик;
2.1.1. Модулятор;
2.1.2. Генератор СВЧ;
2.2. Приемник;
2.2.1. Смеситель;
2.2.2. Местный гетеродин;
2.2.3. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
2.2.4. Когерентный гетеродин;
2.2.5. Фазовый детектор;
2.2.6 Видеоусилитель;
2.2.7. Усилитель низкой частоты (УНЧ);
2.3. Волноводный тракт;
3. Индикаторное устройство;
3.1. Система измерения дальности;
3.2. Каналы яркостной модуляции с видеоусилителем «А»;
3.3. Каналы яркостной модуляции с видеоусилителем «В»;
3.4. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ);
4. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5. Персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ).
Все устройства радиолокационного импульсного обнаружителя электрически взаимосвязаны и обеспечивают генерацию импульсов СВЧ энергии, излучение их в качестве зондирующего сигнала в пространстве, прием отраженных от цели сигналов, определение полярных координат
(дальность, азимут) и распознавание морских судов при обработке отраженных сигналов.
Приемопередатчик 2 фиг.1 и антенное устройство 1 фиг.1 объединены в одном корпусе и соединены между собой посредством волноводного тракта 2.3 фиг.1. Передатчик 2.1 фиг.1, входящий в состав приемопередатчика 2 фиг.1, включает в себя модулятор 2.1.1 фиг.1 и генератор СВЧ 2.1.2 фиг.1. Генератор СВЧ 2.1.2 фиг.1 соединен своими выходами с антенным устройством 1 фиг.1 и с входом когерентного гетеродина 2.2.4 фиг.1 с помощью волноводного тракта 2.3 фиг.1. Кроме того, генератор СВЧ 2.1.2 фиг.1 последовательной электрической связью соединен входом и выходом с модулятором 2.1.1 фиг.1.
Высокочастотный вход смесителя 2.2.1 фиг.1, входящего в состав приемопередатчика 2 фиг.1, последовательно соединен с выходом антенного устройства 1 фиг.1 через волноводный тракт 2.3 фиг.1 а другой вход смесителя 2.2.1 фиг.1 соединен с выходом местного гетеродина 2.2.2 фиг.1. В свою очередь, усилитель промежуточной частоты 2.2.3 фиг.1. соединен последовательной электрической связью своим входом со смесителем 2.2.1 фиг.1, а выходом - с фазовым детектором 2.2.5 фиг.1.
Фазовый детектор 2.2.5 фиг.1 соединен последовательной электрической связью своим входом с когерентным гетеродином 2.2.4 фиг.1 а выходом параллельно - с усилителем низкой частоты 2.2.6 фиг.1 и каналами яркостной модуляции с видеоусилителями «А» 3.2 фиг.1 и «В» 3.3 фиг.1.
Выход усилителя низкой частоты 2.2.6 фиг.1 соединяется с электронным вычислительным устройством цифровой обработки сигналов, в виде ПЭВМ 5 фиг.1, через АЦП 4 фиг.1 последовательной электрической связью.
Первый выход системы измерения дальности 3.1 фиг.1 индикаторного устройства 3 фиг.1 соединен последовательной электрической связью с
усилителем низкой частоты 2.2.6 фиг.1, а второй ее выход - с каналами яркостной модуляции с видеоусилителями «А» 3.2 фиг.1 и «В» 3.3 фиг.1.
Выходы каналов яркостной модуляции с видеоусилителями «А» 3.2 фиг.1 и «В» 3.3 фиг.1 соединены параллельной электрической связью с электронно-лучевой трубкой 3.4 фиг.1 индикаторного устройства 3 фиг.1.
На устройство подается электропитание постоянного и переменного тока промышленной сети.
На фиг.2 представлено устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, схема проведения измерений. Для проведения измерений вибрации корпуса морского судна и сигналов отраженных от морской поверхности антенное устройство 1 фиг.2 и приемопередатчик 2 фиг.2 размещены на ровной площадке вблизи уреза воды. Приемопередатчик 2 фиг.2 параллельно соединен с индикаторным устройством 3 фиг.2 и через АЦП 4 фиг.1 (в схеме на фиг.2 не показано) с ПЭВМ 5 фиг.2 двадцатиметровым электрическим кабелем. Индикаторное устройство 3 фиг.2 и ПЭВМ 5 фиг.2 размещены в лабораторном помещении. Объектами измерений являются морские суда различных классов и водоизмещения.
На фиг.3 представлена геометрическая интерпретация измерения характеристик вибрации корпуса морского судна устройством радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, где антенное устройство 1, объединенное в одном корпусе с приемопередатчиком 2 соединены параллельной электрической связью с индикаторным устройством 3 и ПЭВМ 5. Остальные функциональные узлы устройства на фиг.3 не показаны.
1
2
n
1
2
n
Кроме того, на фиг.3 представлено n вариантов диаграммы направленности в зависимости от положения антенного устройства при различных углах лоцирования β, β и β на расстояниях Д, Д и Д от приемопередатчика 2 фиг.3 до объекта измерения, в качестве которого
1
2
n
1
2
n
представлено морское судно, причем судно может двигаться, изменяя курсовой угол q, q и q и скорость V, V и V.
На фиг.4 в виде графика представлен амплитудный спектр морской поверхности в районе измерений, полученного с помощью заявленного устройства радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, а в частности, зависимость амплитуды спектра отраженного от морской поверхности радиолокационного сигнала (ось S(t) в дБ) от частоты (ось ƒ в Гц), где ДС - дискретные составляющие.
Фиг.5 устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна, амплитудный спектр радиолокационного сигнала, отраженного от корпуса морского судна типа «сухогруз» представляет собой график зависимости амплитуды спектра отраженного от объекта измерения радиолокационного сигнала (ось S(t) в дБ) от частоты (ось ƒ в Гц).
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства модулятор 2.1.1 фиг.1 однокаскадного передатчика 2.1 фиг.1 формирует импульсы синхронизации работы для всех систем изделия и вырабатывает модулирующие импульсы в магнетронный генератор СВЧ 2.1.2 фиг.1. Генератор СВЧ 2.1.2 фиг.1 формирует зондирующие радиоимпульсы, которые поступают в антенное устройство 1 фиг.1 и излучаются в пространство. Часть энергии зондирующего импульса из антенного устройства 1 фиг.1 по волноводному тракту 2.3 фиг.1 ответвляется в когерентный гетеродин 2.2.4 фиг.1 приемопередатчика 2 фиг.1. В промежутках между посылками зондирующих импульсов антенное устройство 1 фиг.1 улавливает в пределах диаграммы направленности сигналы, отраженные от морского судна, которые по волноводному тракту 2.3 фиг.1 поступают в смеситель 2.2.1 фиг.1. На смеситель 2.2.1 фиг.1 также подается сигнал от местного гетеродина 2.2.2 фиг.1. Смеситель 2.2.1 фиг.1 осуществляет преобразование СВЧ радиоимпульсов в электрические импульсы с частотой заполнения, равной промежуточной, которые усиливаются в многокаскадном УПЧ 2.2.3 фиг.1.
Таким образом, на фазовый детектор 2.2.5 фиг.1 поступают импульсы промежуточной частоты сигналов, отраженных от морского судна и сигналы с когерентного гетеродина 2.2.4 фиг.1, фаза которого жестко связана с фазой зондирующего радиоимпульса. Закон модуляции фазы отраженного радиоимпульса соответствует амплитудному спектру вибрации корпуса морского судна.
С фазового детектора 2.2.5 фиг.1 импульсы промежуточной частоты поступают на видеоусилитель 2.2.6 фиг.1, и далее на усилитель низкой частоты 2.2.7 фиг.1, который стробируется подвижным строб-импульсом системы измерения дальности 3.1 фиг.1, а также в индикаторное устройство 3 фиг.1 через каналы яркостной модуляции с видеоусилителем «А» 3.2 фиг.1 и «В» 3.3 фиг.1 на электронно-лучевую трубку 3.4 фиг.1 для отображения с помощью разверток типа «А» и «В». В момент совпадения импульса от подвижного объекта и строб-импульса дальности с системы 3.1 в усилителе низкой частоты 2.2.7 фиг.1 выделяется напряжение огибающей видеоимпульсов, закон амплитудной модуляции которых соответствует изменению фазы отраженных радиоимпульсов.
С выхода фильтра низких частот усилителя низкой частоты 2.2.7 фиг.1, усиленный по напряжению сигнал, через аналого-цифровой преобразователь 4 фиг.1 подается на линейный вход звуковой карты Creative Sound Blaster Live 5.1 ПЭВМ 5 фиг.1.
В качестве ПЭВМ 5 фиг.1 используется персональный компьютер на базе процессора Pentium IV с тактовой частотой 2600 МГц и оперативной память 512 Мб. Для ввода сигналов малой длительности в ПЭВМ 5 применена звуковая карта CREATIVE SB LIVE 5.1 с последующей записью данных на жесткий диск и их обработка с помощью специализированных программ «SPECTRALAB» и «COOLEDIT».
При проведении измерений вибрации морского судна антенное устройство 1 фиг.2 с приемопередатчиком 2 фиг.2 устанавливались поочередно и неподвижно на высотах несколько десятков метров над
уровнем моря. Индикаторное устройство 3 фиг.2 и ПЭВМ 5 фиг.2 размещались в лабораторном помещении. Производилось горизонтирование относительно линии горизонта и ориентирование относительно направления «север» антенного устройства. После проверки и настройки антенное устройство радиолокационного обнаружителя ориентируется по азимуту и дальности в направлении измерения амплитудно-частотных характеристик поверхностных морских и корабельных волн по углу места с наклоном оси антенны до получения на индикаторе максимального уровня отраженных от морской поверхности сигналов, на дальности от нескольких сотен до пяти тысяч метров.
Строб дальности устанавливается по развертке типа «А» электронно-лучевой трубки 3.4. фиг.1 индикаторного устройства 3 фиг.1 в зоне интенсивного отражения зондирующих радиоимпульсов от морской поверхности и производится регистрация фоновых сигналов.
Гидрометеорологическая обстановка в месте проведения измерений контролируется известными в радиолокации методами с пятнадцатиминутным интервалом и отображается в протоколе наблюдений по следующим основным параметрам:
- направление и скорость ветра - определялись по анемометру;
- состояние поверхности моря - оценивалось по Океанологической таблице «Т-128»;
- облачность - характеризовалась по визуальным параметрам.
Принимая во внимание, что время записи радиолокационных сигналов больше времени облучения цели, с учетом вращения антенны радиолокационного обнаружителя, регистрация сигналов производится при положении луча диаграммы направленности антенного устройства, фиксируемом в направлении на объект измерения фиг.3.
Угол места луча ДНА антенного устройства радиолокационного обнаружителя устанавливается в зависимости от удаленности морского судна
и положения локальной области корпуса судна, в которой исследуется отраженный сигнал.
Длительность строба дальности системы измерения дальности выбирается равной или превышающей на несколько микросекунд длительность зондирующего сигнала из соображений разрешающей способности радиолокационного обнаружителя, на котором проводится измерение вибрации корпуса морского судна. По окончании измерений оформляется протокол.
ПРИМЕР.
Измерения вибрации корпусов судов проводились в северо-западной части Японского моря. В качестве объектов измерений использовались морские суда различных классов и водоизмещения фиг.2. Характеристиками движения судов являлись курс и скорость относительно неподвижного радиолокационного импульсного обнаружителя фиг.3.
Сравнительный анализ амплитудных спектров радиолокационных сигналов, отраженных от морской поверхности фиг.4 и морского судна типа «сухогруз» фиг.5 позволяет утверждать, что интенсивность дискретных составляющих (ДС) сигналов отраженных от морских судов в полосе от 2,5 до 15 Гц на порядок больше помех от морской поверхности.
Так, к примеру, дискретные составляющие отраженных сигналов от морской поверхности наблюдаются на частотах с размерностью в Гц и по оси абсцисс ƒ на ДС 1=3,2; ДС 2=7; ДС 3=9; ДС 4=11 и ДС 5=15; фиг.4. Величина амплитуды данных дискретных составляющих определена осью ординат S(ƒ) с размерностью в дБ и равна соответственно -92; -88; -88; -87; -86 фиг.4. Энергетика составляющих в спектре полезного сигнала в анализируемой полосе частот обеспечивает отношение сигнал/помеха не менее 8÷10 дБ.
Таким образом, выявлено различие спектров морских судов, особенно в полосе от 2 до 15 Гц, которое постепенно уменьшается на частотах спектра более 20 Гц. Так движущееся со скоростью 8 уз морское судно, типа
«сухогруз» водоизмещением более 10 тыс.тонн, на расстоянии 1490 м имеет ярко выраженные дискретные составляющие на частотах с размерностью в Гц и по оси абсцисс ƒ на ДС 1=2,8; ДС 2=5; ДС 3=6,4; ДС 4=8 и ДС 5=8,8 фиг.5, величина амплитуды данных дискретных составляющих определена осью ординат S(ƒ) с размерностью в дБ и равна соответственно -81; -76; -78; -79 и -79.
В целом характер спектра индивидуален для каждого морского судна и не позволяет утверждать о некотором их подобии.
Таким образом, заявленная полезная модель «Устройство радиолокационного измерения вибрации корпуса судна» является новым устройством для дистанционного измерения вибрации корпуса судна в инфразвуковом диапазоне частот и обладает следующими достоинствами:
- широкий диапазон эксплуатации в различных метеоусловиях;
- возможность проведения натурных измерений без проведения подготовительных работ на объекте;
- способность антенного устройства производить измерения в пределах диаграммы направленности по заданному направлению и дистанции;
- применение ПЭВМ и программного обеспечения.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия промышленности.