УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ГИДРОЛОКАЦИИ

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована при измерениях в гидроакустике.
При решении широкого круга исследовательских и практических задач освоения Мирового океана заметную роль играют гидроакустические системы, построенные на принципах подводного звуковидения. Данные устройства позволяют получать двумерные гидролокационные изображения звукорассеивающих поверхностей и объектов как в соответствии со звукофокусирующим методом при использовании звукового объектива, так и с методом пространственно-временной обработки сигналов с фазированной антенной решетки.
Из уровня техники известен акустический тракт системы получения ультразвукового изображения с переменным фокусным расстоянием [Фолдс Д.Л. Современное состояние проблемы ультразвуковых линз // Подводная акустика и обработка сигналов / Под ред. Л. Бьерне. - М.: Мир, 1985. - С. 236-250], состоящий из «подсвечивающего» электроакустического преобразователя и трех групп преломляющих элементов с диаметром 1 м. Система разработана для фокусировки лучей на расстояния от 10 м и до 150 м с помощью перемещения центрального двояковыпуклого элемента из полистирола диаметром 30 см вдоль акустической оси.
К недостаткам описанной системы следует отнести значительность весогабаритных параметров на частотах выше 500 кГц, ухудшение качества изображения объектов, находящихся вне акустической оси, применение непрерывного режима излучения вследствие невысокой чувствительности метода, возникновение бликовой структуры изображения за счет интерференции сигналов, рассеянных различными частями объекта и другими объектами, находящимися в зоне обзора, невысокая производительность поиска.
Известен акустический тракт системы подводного звуковидения с рабочей частотой 30 кГц, установленной на батискафе «Архимед» [К. Клей, Г. Медвин Акустическая океанография: основы и применения - М.: изд-во «Мир», 1980. - с. 171-176] и подводных аппаратах «Циана» (Франция), «Олвин» (США) [программа разработки и применения специальных приборов и методов, предназначенных для исследования центральной части Срединно-Атлантического хребта FAMOUS - French-American Mid-Ocean Underwater Study, 1971-1974 гг., Дж. P. Хейцлер, У.Б. Брайен. Дно океана в пределах срединно-атлантического рифта // Наука об океане / Пер. с англ.; Под ред. О.И. Мамаева. - М.: Прогресс, 1981. - с. 104-136], содержащий многоэлементную интерференционную антенну, которая снабжена отражателем и соединена через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта. Способ обзора пространства и необходимая при этом форма и положение характеристики направленности определяют форму и размеры интерференционной антенны, которая выполнена в виде вытянутого цилиндра (длина 91 см). Интерференционная многоэлементная антенна цилиндрической формы, обеспечивающая прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, собрана из необходимого количества коротких цилиндрических электроакустических преобразователей, которые состоят из пьезоактивных элементов в виде склеенных между собой трапецеидальных призм. Электроакустические преобразователи распределены в секции в линейном направлении, образуя цилиндрическую боковую поверхность - рабочую апертуру, линии коммуникаций (провода), соединяющие электроакустические преобразователи между собой, и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема. Интерференционная цилиндрическая антенна расположена горизонтально вдоль направления движения носителя внутри «желобообразного» экрана-отражателя на расстоянии 5 см (длина излучаемой ультразвуковой волны) от нижнего угла последнего. Уголковый отражатель был сконструирован для работы на глубине более 8000 м, состоит из трех плоских элементов-«зеркал»: горизонтального, вертикального и верхнего наклонного (30° от вертикали внутрь) с размерами 12×110 (см), 12×110 (см) и 8×110 (см) соответственно, что дополняет «реальную» цилиндрическую антенну тремя ее изображениями в отражающих плоскостях, причем, верхняя наклонная плоскость улучшает облучение дна на близких расстояниях. Акустическое зеркало отражает тем лучше, чем сильнее различаются импедансы материала отражателя и воды, в связи, с чем отражатель конструктивно состоит из слоя свинца на слое алюминия, скрепленных эпоксидной смолой, что обеспечивает заданный коэффициент отражения и прочность конструкции. Соотношение размеров антенны и длины волны λ, используемых в акустическом тракте системы ультразвуковых колебаний, выбирается из условия получения «ножевого» основного лепестка характеристики направленности - узкого (~ 1°) в азимутальной и широкого (~ 30°) в угломестной плоскостях соответственно, причем, максимум основного лепестка расположен примерно на 15° ниже азимутальной плоскости. При работе моночастотной системы подводного звуковидения с выхода генераторного тракта зондирующий сигнал через коммутатор поступает на интерференционную многоэлементную антенну, излучающую в среду лоцирования - воду акустический сигнал. Формирование основного лепестка характеристики направленности происходит в азимутальной плоскости естественным путем за счет интерференции ультразвуковых колебаний, в угломестной - за счет применения акустического экрана-отражателя, причем, он же обеспечивают и ориентацию основного лепестка в сторону дна. 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).
Недостатками данного устройства являются невозможность генерации в водной среде полигармонического зондирующего сигнала за счет нелинейных эффектов, потери при отражении акустических сигналов, а также вероятность искажения результирующей характеристики направленности за счет возбуждения собственных резонансных колебаний металлических элементов акустического экрана-отражателя сложной конструкции.
Акустический тракт современных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) состоит из расположенной в водной среде гидроакустической антенны, содержащей корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом. В большинстве антенн ГБО в качестве электроакустических преобразователей используют призматические пьезоэлементы, работающие, как правило, на одной из своих резонансных частот. Размеры пьезоэлементов определяются их резонансной частотой, а также параметрами характеристик направленности гидроакустической антенны в азимутальной и угломестной плоскостях. В низкочастотных ГБО могут использоваться электроакустические преобразователи сложной конструкции (стержневые, грибовидные и другие) (см. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука, с. 198-217). Например, рассмотрим акустический тракт гидролокатора типа SportScan, описание которого приведено на сайте http://www.fort21.ru. При работе гидролокатора с выхода генераторного тракта зондирующий сигнал через коммутатор поступает на двухчастотную интерференционную гидроакустическую антенну, излучающую в среду лоцирования - воду ультразвуковой сигнал с частотой 330 кГц или 800 кГц. Антенна имеет характерные для бокового обзора пространственные характеристики амплитуд звукового давления излучаемых ультразвуковых пучков, в частности, различную угловую ширину по уровню (- 3 дБ) основного лепестка характеристики направленности: - в азимутальной плоскости 1.8° (330 кГц), 0.7° (800 кГц), а в угломестной - 60° (330 кГц), 30° (800 кГц). Ультразвуковой сигнал той или иной частоты распространяется в водной среде, отражается от объектов, находящихся в воде, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий эхосигналам, 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). Следует отметить, что при увеличении глубины под судном (от 75 м до 140 м) при одинаковом заглублении антенны от поверхности (30 м) при одной и той же наклонной дальности (120 м) ширина полосы обзора уменьшается (от 111 м до 48 м), что снижает эксплуатационные возможности рассмотренного акустического тракта.
2
Известен акустический тракт гидролокатора бокового обзора подводного буксируемого аппарата НГА-1 [Новиков Б.К., Тимошенко В.И Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - c. 215-218], принятый за прототип, включающий в себя расположенную в водной среде лоцирования многоэлементную интерференционную антенну, содержащую корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом. Интерференционная многоэлементная антенна с прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) плоской апертурой (20000 мм), обеспечивающая прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, состоит из электроакустических преобразователей, поверхности которых образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии электрической коммутации, соединяющие преобразователи как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с 177). Электроакустические преобразователи выполнены в виде полу во л новых пьезокерамических стержней, которые эквидистантно распределены по ее плоской формируемой апертуре, но с зазорами, размер которых составляет около половины длины волны излучаемого сигнала. Электроды пьезоэлементов преобразователей электрически соединены проводами. Преобразователи крепятся с помощью клея к основе, являющейся их тыльным акустически мягким экраном, которая в свою очередь плотно входит в корпус. Снаружи на нижней части корпуса через фланец осуществлен герметичный и изолированный ввод (вывод) электрических коммуникаций с помощью кабеля, кабель соединен пайкой с проводами, и, соответственно, с электродами пьезоэлементов. Внутренний объем корпуса с установленной пенопластовой основой с приклеенными электроакустическими преобразователями полностью заполнен звукопрозрачным эластичным компаундом. Антенна в сборе через шумоизолирующую резину крепится болтами к корпусу подводного буксируемого аппарата таким образом, что она расположена горизонтально вдоль направления движения носителя, а ее акустическая ось наклонена вниз на 20° относительно горизонта при стабилизированном пространственном положении движущегося под водой аппарата.
Недостатками данного устройства являются ухудшение энергетических характеристик обзора за счет потери некоторой доли мощности эхосигнала в результате поступательного перемещения основного лепестка антенны за время от момента излучения зондирующего сигнала до момента приема эхосигнала; ограничение энергетического потенциала акустического тракта величиной площади плоской апертуры антенны; наличие протяженной минимальной дальности (мертвой зоны) гидролокатора бокового обзора, что снижает вероятность уверенного обнаружения малых объектов; отсутствие возможности выделения полезного эхосигнала донной реверберации.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: расположенная в водной среде гидроакустическая антенна, содержащая корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом.
Основной задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для акустической гидролокации, обеспечивающего получение гидролокационных изображений с различной степенью детализации при осуществлении обследования водного объема акватории за счет возможности осуществления выбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и частоты регистрируемого ультразвукового эхосигнала в каждом цикле «излучение-прием».
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности и точности регистрируемых данных за счет оптимизации пространственно-угловых характеристик зондирующего ультразвукового поля и высокой помехоустойчивости многоэлементной дуговой антенны в режиме приема.
а
а
a
a
Технический результат достигается тем, что в устройстве для акустической гидролокации, содержащем многоэлементную антенну, состоящую из корпуса, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами, и основания с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту, и соединенными с коммутатором, а внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом, апертура антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L, а стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L, хорда , связаны между собой соотношениями h=×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L=0,01745Rα; =2Rsin(α/2), при этом электроакустические преобразователи выполнены с возможностью соединения с генераторным и приемным трактами.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично изображено расположение устройства для акустической гидролокации.
на фиг. 2 схематично показана конструкция многоэлементной дуговой антенны;
на фиг. 3 схематически представлены особенности обзора морского дна с помощью устройства для акустической гидролокации.
a
Устройство для акустической гидролокации (фиг. 1) состоит из расположенной в водной среде 5 многоэлементной дуговой антенны 6, соединенной через коммутатор 7 с выходом генераторного тракта 8 и с входом приемного тракта 9 гидролокатора бокового обзора. Многоэлементная дуговая антенна 6 (фиг. 2) содержит корпус 4, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами 2; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями 1; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом 3, причем, апертура антенны 6, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей 1, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L.
Предложенное устройство функционирует следующим образом:
p.ƒ
p.2ƒ
p.3ƒ
p.rƒ
ƒ
2ƒ
3ƒ
iƒ
Из генераторного тракта 8 через коммутатор 7 поступает переменное электрическое напряжение, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой полуволновых электроакустических преобразователей 1, причем, в силу пьезоэффекта они будут изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будут совершать колебания. Эти колебания через герметизирующий звукопрозрачный компаунд 3 передаются в водную среду 5 и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн одинаковой интенсивности во всех направлениях, что создает в окружающем пространстве ультразвуковое поле. При синфазном электрическом возбуждении всех полуволновых электроакустических преобразователей 1, составляющих апертуру многоэлементной дуговой антенны 6, ее характеристика направленности в водной среде 5 будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой точке ее объема, проявляющейся в перераспределении звуковой энергии в виде чередующихся минимумов и максимумов амплитуды результирующего колебания. При эхолокации антенна 6 преобразует подаваемые на нее импульсы электрической энергии и излучает импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. Водная среда 5 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к появлению нелинейного эффекта самовоздействия при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны (см. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273). Самовоздействие можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой ƒ в области распространения, в результате чего формируются в водной среде 6 акустические сигналы кратных частот: - высшие гармонические составляющие с частотами 2ƒ, 3ƒ, … iƒ, … nƒ, где n=2, 3, …, i, … - порядковый номер гармоники. Нелинейный эффект в акустическом поле, формируемом многоэлементной дуговой антенной 6, позволяют разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустические преобразователи 1) и формирования направленного излучения (участок водной среды 5, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного импульса накачки, соответствующие его тональному заполнению). В объеме «бестелесной» антенны распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего при небольших поперечных размерах многоэлементной дуговой антенны 6 генерируются высокочастотные акустические сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полком отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, nƒ, где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники, после распространения в водной среде 5 достигает границы раздела и отражается от нее, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об облучаемой границе раздела, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об отражательной способности и удалении от антенны 6. Таким образом, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает, пройдя через герметизирующий звукопрозрачный компаунд 3, электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей 1, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволновых электроакустических преобразователей 1, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение, поступающее через герметичный ввод по кабелю в приемный тракт 9 локатора. Подчеркнем отличительные свойства устройства для акутической гидролокации. Так, отраженный полигармонический сигнал достигает многоэлементной дуговой антенны 6, находящейся в режиме приема, которая вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности R(ϕ,θ), R(ϕ,θ), R(ϕ,θ), …, R(ϕ,θ), а также чувствительностями Y, Y, Y, …, Y в режиме приема многоэлементной дуговой антенны 6 для каждой из рассеянных границей раздела акустических волн с указанными выше частотами колебаний, где ϕ, θ - углы прихода рассеянных волн в азимутальной и угломестной плоскостях, отсчитываемые от нормали к апертуре антенны.
Использование в устройстве для акустической гидролокации апертуры антенны 6 в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости (фиг. 3) дает возможность изменения угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости, т.е. разрешающей способности метода бокового обзора за счет приема эхосигналов на кратных частотах ƒ, 2ƒ, 3ƒ, … nƒ, где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники.
Эффективность направленного действия многоэлементной дуговой антенны 6 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих. Если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая характеристика направленности по интенсивности  представляет собой среднее арифметическое их характеристик направленности  для многоэлементной дуговой антенны 6 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.)
p⋅i
0,7(nƒ)
где R(ϕ,θ) - характеристика направленности по давлению на i-той частоте дискретной составляющей спектра, n - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. Физически это можно рассматривать как увеличение времени облучения цели , где ϕ - угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности антенны на частоте nƒ в азимутальной плоскости, r - наклонная дальность, υ - скорость прямолинейного, равномерного и поступательного движения носителя по линии курса без учета имеющихся в реальных условиях угловых колебаний приемоизлучающей антенны (рысканье, крен и дифферент).
c
n
c
n
0
0
Рассмотрим динамику изменения помехоустойчивости χ многоэлементной дуговой антенны 6 в режиме приема, характеризующей ее способность в силу пространственной избирательности выделять информативный сигнал с частотой ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ используемой спектральной компоненты полигармонического эхосигнала от взволнованной границы раздела «вода-воздух» на фоне помех. Помехоустойчивость χ определяется отношением как мощностей P, P сигнала и помех на выходе антенны 6, так и интенсивностей сигнала и помехи I, I, измеренных в месте нахождения антенны 6 при условии ее отсутствия, а также ее коэффициентом осевой концентрации K для направления ϕ,θ=0°, которое в нашем случае совпадает с акустической осью антенны 6 . Известно эмпирическое соотношение (см. В.А. Зарайский, А.М. Тюрин Теория гидролокации Л., 1975, 604 с.), позволяющее осуществить приближенный расчет коэффициента концентрации , где, как следует из приведенных выше данных величина знаменателя уменьшается с ростом частоты ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ используемой спектральной составляющей, т.е. увеличивается как коэффициент концентрации K, так и помехоустойчивость χ.
Таким образом, заявляемая полезная модель расширяет эксплуатационные возможности устройства для акустической гидролокации, обеспечивая получение достоверной информации о параметрах облучаемых объектов в значительном диапазоне изменения их величин за счет оптимизации пространственно-угловых характеристик зондирующего ультразвукового поля, в частности, регулировки как угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости, так и величины помехоустойчивости многоэлементной дуговой антенны в режиме приема, что увеличивает точность и достоверность регистрируемых данных.