Параметрический локатор

Полезная модель относится к акустическим локационным системам с режимом параметрического излучения (РПИ) и может быть использована преимущественно в гидроакустике при конструировании гидроакустических систем с режимом автоматического сопровождения целей.
Акустические локационные системы и устройства с РПИ широко применяются при выполнении картографирования дна водоемов, изучении его рельефа и структуры, для получения информации об инженерных характеристиках грунтов, которая необходима при проектировании гидротехнических сооружений и т.д. Преимущества данных устройств определены применением излучающей параметрической антенны (ПА) для получения информации об отражающих ультразвук границах раздела различных сред. Излучающая ПА позволяет в водной среде формировать остронаправленные низкочастотные пучки ультразвука при небольших габаритах и массе излучающих высокочастотных электроакустических преобразователей (ЭАП) мощной накачки, причем при отсутствии бокового поля излучения в широком диапазоне рабочих сигналов разностной частоты (СРЧ) угловая ширина основного лепестка остается неизменной. Последнее позволяет существенно уменьшить объемную и поверхностную реверберацию, увеличить точность и угловое разрешение производимых измерений. Широкополосность формирующегося излучения в сочетании с постоянной угловой шириной основного лепестка позволяет излучать короткие импульсы и сложные сигналы, что дает возможность увеличить разрешение по дальности, уменьшает «мертвую» зону и увеличивает объем информации об объектах локации (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.).
Однако основной проблемой применения эхолокационных устройств с РПИ при решении различных прикладных задач является недостаточная достоверность данных о подводной обстановке, в частности, малая точность определения угловых координат объектов поиска.
1
2
В уровне техники известен локатор с РПИ (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. 250-262), содержащий излучающий тракт, выполненный в виде двух генераторов, вырабатывающих электрические сигналы накачки с частотами ƒ, ƒ и соединенных через последовательно включенные хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор с обратимым ЭАП накачки ПА, который акустически связан через нелинейную водную среду с обнаруживаемыми объектами эхопоиска, а также приемный тракт - обратимый ЭАП накачки ПА, соединенный через последовательно включенные коммутатор, широкополосный предусилитель, фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель, детектор со входом блока управления, контроля и регистрации.
Основным недостатком указанного локатора с РПИ является недостаточная достоверность данных о подводной обстановке, в частности, малая точность определения угловых координат объекта поиска.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: усилитель мощности, обратимый ЭАП накачки, усилитель, детектор, блок управления, контроля и регистрации.
1
2
2
1
Известен также «Импульсный локатор» (патент US №3763463, МКИ G01S 9/66, опубл. 1973, БИ №43), содержащий излучающий тракт - два генератора, вырабатывающие электрические сигналы накачки с частотами ƒ, ƒ и соединенные через последовательно включенные хронизатор-модулятор, усилитель мощности и коммутатор с обратимым ЭАП накачки, последний через нелинейную среду и полимерную полусферическую собирающую линзу, размещенные в цилиндрическом корпусе, акустически связан с обнаруживаемыми объектами эхопоиска, материал линзы подобран таким образом, что при ее прохождении акустическая энергия волн накачки поглощается. Приемный тракт локатора используется для регистрации отраженных от объектов СРЧ F=ƒ-ƒ, интенсивность которых возрастает за счет фокусировки после «обратного» прохождения через полимерную полусферическую собирающую линзу. Обратимый ЭАП накачки в режиме приема через коммутатор соединен через последовательно включенные предусилитель, фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель, детектор со входом блока управления, контроля и регистрации.
Основным недостатком данного импульсного локатора является недостаточная достоверность данных о подводной обстановке, в частности, невысокая точность определения угловых координат объектов поиска.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: усилитель мощности, обратимый ЭАП накачки, усилитель, детектор, индикатор, блок управления, контроля и регистрации.
Наиболее близким по совокупности признаков и решаемой задаче к заявляемому техническому решению является параметрический гидролокатор ближнего действия (патент RU №67290 МКИ G01S 15/00, опубл. 10.10.2007, Бюл №28), принятый за прототип, который содержит излучающий тракт - формирователь, соединенный через усилитель мощности с излучающим ЭАП накачки ПА, акустически связанный через нелинейную среду лоцирования и обнаруживаемые объекты эхопоиска с приемным ЭАП, являющимся первым блоком приемного тракта, выход приемного ЭАП соединен через последовательно включенные широкополосный усилитель, полосовой фильтр на СРЧ, коррелятор со входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации, два выхода которого соединены с управляющими входами формирователя и широкополосного усилителя, а дополнительный выход формирователя через блок формирования опорного сигнала соединен со вторым входом коррелятора.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: формирователь, усилитель мощности, излучающий ЭАП накачки, приемный ЭАП, широкополосный усилитель, полосовой фильтр, коррелятор, блок вторичной обработки, управления, контроля и регистрации, блок формирования опорных сигналов.
Основным недостатком прототипа являются ограниченные эксплуатационные характеристики параметрического гидролокатора ближнего действия за счет малой точности определения угловых координат объекта поиска.
Основной задачей заявляемой полезной модели является расширение арсенала средств параметрической локации.
Техническим результатом полезной модели является реализация ее назначения с расширением эксплуатационных характеристик за счет возможности регулировки точности определения угловых координат объекта поиска.
1
1
Технический результат достигается тем, что в параметрический гидролокатор ближнего действия, содержащий формирователь, соединенный через усилитель мощности с излучающим электроакустическим преобразователем накачки параметрической антенны, приемный электроакустический преобразователь, соединенный через последовательно включенные широкополосный усилитель, полосовой фильтр на сигналы разностной частоты и коррелятор со входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации, два выхода которого соединены с управляющими входами формирователя и широкополосного усилителя, а дополнительный выход формирователя через блок формирования опорного сигнала соединен со вторым входом коррелятора, дополнительно введены второй приемный электроакустический преобразователь, компенсатор, второй широкополосный усилитель, три полосовых фильтра (два на частоту ƒ и один на частоту F) и четыре детектора, два аналоговых ключа, вычитающее устройство, причем, выходы первого и второго приемных электроакустических преобразователей через компенсатор, два широкополосных усилителя, четыре параллельно включенные цепочки из полосовых фильтров (по два на частоты ƒ и F) и детекторов, а также два двухвходовых аналоговых ключа соединены с двумя сигнальными входами вычитающего устройства, выход которого соединен с первым входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации, второй вход последнего соединен с выходом компенсатора, выход одного из аналоговых ключей также соединен со вторым входом коррелятора, а управляющие входы обоих аналоговых ключей соединены с третьим выходом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации; причем, акустические оси приемных электроакустических преобразователей в плоскости пеленгования развернуты одна относительно другой на угол  где:  - угловая ширина лепестка. Введенные блоки в совокупности с описанными связями образуют дополнительный двухчастотный тракт для определения направления на объект поиска методом равносигнальной зоны, что расширяет эксплуатационные возможности параметрического локатора за счет возможности регулировки точности определения угловых координат цели.
Список сокращений, использованных в описании:
ХН - характеристика направленности;
ЭАП - электроакустический преобразователь;
СРЧ - сигнал разностной частоты;
РПИ - режим параметрического излучения;
ПА - параметрическая антенна.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена структурная схема параметрического локатора;
1
на фиг. 2 показано пространственное положение основных лепестков ХН обоих приемных ЭАП на сигнале накачки ƒ и СРЧ F при пеленговании методом равносигнальной зоны;
1
на фиг. 3 показаны пеленгационные характеристики устройства для метода равносигнальной зоны на рабочих частотах ƒ и F.
1
1
Параметрический локатор (фиг. 1) содержит формирователь 1, соединенный через усилитель мощности 2 с излучающим ЭАП 3 накачки ПА; приемные ЭАП 4 и 5, которые соединены через компенсатор 6, соединенный с широкополосными усилителями 7 и 8; усилитель 7 соединен двумя параллельными цепочками из полосового фильтра 9 (на частоту ƒ), полосового фильтра 10 (на частоту F) и детекторов 13, 14 с аналоговым ключом 17; усилитель 8 соединен двумя параллельными цепочками из полосового фильтра 11 (на частоту F), полосового фильтра 12 (на частоту ƒ) и детекторов 15, 16 с аналоговым ключом 18; аналоговые ключи 17, 18 соединены с входами вычитающего устройства 19, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20, второй сигнальный вход которого соединен с выходом компенсатора 6; выход аналогового ключа 17 соединен со вторым входом коррелятора 21, а формирователь 1 через блок формирования опорных сигналов 22 и коррелятор 21 соединен с третьим сигнальным входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20; первый и второй выходы блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20 соединены с управляющими входами блока формирования опорных сигналов 22 и формирователя 1, управляющие входы обоих аналоговых ключей 17, 18 соединены с третьим управляющим выходом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20.
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
1
Функционирование параметрического локатора осуществляется следующим образом. С выхода формирователя 1, управляющий вход которого соединен с выходом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20, радиоимпульс через усилитель мощности 2 поступает на излучающий ЭАП накачки 3. В силу пьезоэлектрических свойств активный элемент ЭАП накачки 3 совершает колебания, которые передаются в водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн достаточной интенсивности во всех направлениях, что создает в водном пространстве ультразвуковое поле. Описание конструкций ЭАП, расчет их характеристик известны (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П., Митько В.Б. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - 344 с. Стр. 134-174). Свойства ультразвукового поля от ЭАП накачки 3, в частности, ХН, будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой точке водной среды, проявляющейся в перераспределении ультразвуковой энергии в виде чередующихся минимумов и максимумов амплитуды результирующего колебания при изменении угла отклонения лучей от нормали к линии, соединяющей источники колебаний (излучающая поверхность ЭАП накачки 3). При эхолокации ЭАП 3 накачки антенна преобразует подаваемые на нее импульсы электрической энергии и излучает мощные импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. В данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей среды - от «линейной» акустики, в рамках которой изменение плотности воды еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до «нелинейной» акустики, где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая взаимовоздействие распространяющихся волн конечной амплитуды (накачки) с частотами ƒ, ƒ, приводя к генерации новых спектральных компонент, в частности, и СРЧ (F=ƒ-ƒ) в режиме параметрического излучения. Акустическое поле СРЧ обладает важными для эхопоиска пространственными характеристиками. Так как на акустической оси ЭАП 3 изменение свойств водной среды под действием мощной волны накачки происходит в наибольшей степени, то основной максимум излучения ХН на СРЧ имеет такую же угловую ширину по уровню 0,7, как и основные максимумы излучения ХН на частотах ƒ, ƒ. B направлениях дополнительных максимумов излучения ЭАП 3 на частотах ƒ, ƒ изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации СРЧ в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для СРЧ незначителен. Таким образом, РПИ позволяет в водной среде формировать остронаправленные низкочастотные пучки ультразвука при небольших габаритах и массе излучающих высокочастотных ЭАП мощной накачки с частотами ƒ,ƒ, причем, при отсутствии бокового поля излучения в широком диапазоне рабочих сигналов разностной частоты (СРЧ) F=ƒ-ƒ угловая ширина основного лепестка остается неизменной. Однако недостатком РПИ является то, что для достаточно значительных дистанций эхопоиска в гидроакустическом канале рабочий СРЧ F=ƒ-ƒ обладает низкой эффективностью генерации. Итак, импульс ультразвуковых колебаний распространяется в водной среде и при наличии на его пути объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды происходит отражение колебаний от него, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает рабочих поверхностей идентичных приемных ЭАП 4, 5. Акустические оси приемных ЭАП в плоскости пеленгования развернуты одна относительно другой на угол . Это позволяет в устройстве сформировать тракт для определения направления на объект эхопоиска методом равносигнальной зоны, расширяя эксплуатационные возможности параметрического локатора за счет возможности регулировки точности определения угловых координат цели на рабочих сигналах ƒ, F. Применяемые в гидроакустике методы пеленгования в режиме приема, в частности, и метод равносигнальной зоны, известны и описаны в литературе (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с. Стр. 129-133; Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с. Стр. 27-35). Вторичное гидроакустическое «эхо-поле», образованное наложением колебаний, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу приемных ЭАП 4, 5, в результате
чего на них вырабатываются соответствующие им электрические, поступающие на два входа двухканального компенсатора 6.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
Wf
WF
На фиг. 2 схематично изображено пространственное расположение в плоскости пеленгования основных лепестков ХН на сигналах накачки ƒ и СРЧ F. Как следует из фиг. 2, амплитуды электрических сигналов пропорциональны направленности приемных ЭАП 4, 5 и для направлений, отличных от равносигнального, имеют различие величин, причем, для одного и того же направления на источник разница амплитуд отличается для сигналов накачки ƒ и СРЧ F. Например, для α - направления на источник эхосигнала - горизонтальными выносными линиями обозначены разности амплитуд на сигналах накачки ƒ (°1', °2') и СРЧ F (•1, •2). На основе этих данных построены пеленгационные характеристики параметрического локатора для метода равносигнальной зоны на рабочих частотах ƒ и F (фиг. 3). Видно, что крутизна пеленгационных характеристик и, следовательно, пеленгационная чувствительность различны, причем пеленгационная чувствительность на сигналах накачки ƒ больше, чем пеленгационная чувствительность на сигналах СРЧ F. Информативный признак для определения направления на источник эхосигнала - разность амплитуд ΔU как для сигналов накачки ƒ, так и для СРЧ F вырабатывает вычитающее устройство 19, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20, второй сигнальный вход которого соединен с дополнительным выходом компенсатора 6 для подачи информации о пеленге объекта. Для работоспособности двухчастотного тракта определения направления на объект поиска методом равносигнальной зоны два выхода компенсатора соединены через два широкополосных усилителя 7 и 8 со входами 4-х цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных полосовых фильтров 9, 12 и 10, 11 с частотами пропускания ƒ и F соответственно и детекторов 13, 14, 15, 16. На выходах цепочеквырабатываются две пары электрических сигналов, соответствующие указанным выше спектральным составляющим РПИ, причем, они через аналоговые ключи 17, 18 поступают на два входа вычитающего устройства 19. На управляющие входы аналоговых ключей 17, 18 для необходимой коммутации с блока вторичной обработки, управления, контроля и регистрации 20 может быть подан соответствующий сигнал. С выхода аналогового ключа 17 электрический сигнал, соответствующий указанным выше спектральным составляющим РПИ (ƒ или F) поступает на сигнальный (первый) вход коррелятора 21. В корреляторе 21 осуществляется корреляционная обработка (свертка) спектральных составляющих РПИ (ƒ или F). Описание работы и структура коррелятора изложены в научно-технической литературе (см. Справочник по гидроакустике - Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П., Митько В.Б. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - 344 с.). На сигнальный (первый) и на опорный (второй) входы коррелятора 21 поступают электрические сигналы выбранной и одинаковой частоты (ƒ или F): с выхода коммутируемого аналогового ключа 17 и блока формирования опорных сигналов 22. На вход блока формирования опорных сигналов 22 поступает сигнал со второго выхода формирователя 1. Если в блоке 1 непосредственно формируется электрические сигналы выбранной частоты (ƒ или F), включая заданную длительность и скважность, то в блоке формирования опорных сигналов 22 выполняется лишь его усиление (ослабление) до необходимой для работы коррелятора 21 величины. Если в соответствии с представленными в научно-технической литературе (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.) способами (блок 1) формируются лишь сигналы накачки с частотами ƒ, ƒ для режима параметрического излучения, то в корреляторе 21 выполняется выделение из совокупности бигармонического сигнала накачки опорного СРЧ, в частности, путем перемножения сигналов частот ƒ, ƒ с последующей НЧ фильтрацией. Корреляционная обработка спектральных составляющих РПИ (ƒ или F), как указано в источниках сведений из уровня техники (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Пищ. Пром-сть, 1978. - 312 с., Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П., Митько В.Б. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - 344 с.), обеспечивает повышение по мощности соотношений сигнал/помеха (C/П) и (C/П), что в свою очередь увеличивает дальность действия предлагаемого устройства.
см
Проиллюстрируем вышесказанное следующим численным примером. Общими блоками для приемного тракта являются приемные ЭАП 4, 5, имеющие идентичные основные лепестки ХН без дополнительных максимумов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2θ (фиг. 2), где:
0,7
0
θ - угловая ширина основного лепестка ХН приемного ЭАП для сигнала накачки с частотой ƒ.
Острота направленного действия приемного ЭАП существенно зависит от волновых размеров апертуры, т.е. от соотношения D/λ, где:
λ - длина волны принимаемого сигнала;
D - поперечный размер.
2
4
Так, например, угловая ширина основного лепестка ХН  (в радианах) плоского круглого ЭАП 4 или 5 с амплитудным распределением по поверхности, описываемом соотношением (1-r), где;
r - радиальная текущая координата, отсчитываемая от центра круговой апертуры,
F
ƒ1
0,7(F)
0,7(ƒ1)
1
рассчитывается как отношение 1,81⋅λ/D при уровне первого бокового максимума 0,9% от величины основного (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П., Митько В.Б. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - 344 с.) Тогда для диаметра ЭАП 10 см и длинах волн принимаемых сигналов - λ=75 мм (20 кГц) и λ=15 мм (100 кГц) величины угловой ширины основного лепестка ХН по уровню 0,7 θ и θ составят ~78° и 16° соответственно, что для двух приемных ЭАП 4, 5 обеспечит сектора обзора по уровню 0,7  и  соответственно. Точность осуществляемой многочастотной пеленгации можно численно оценить, используя следующее: угол Δα, при котором оператор или автоматическое устройство уверенно фиксирует наличие разности амплитуд ΔU как для сигналов накачки ƒ, так и для СРЧ F, вырабатываемых вычитающим устройством 19, определяется выражением (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.)
1
ƒ1
F
причем, при пеленговании оператором с использованием визуального или слухового индикатора величина μ составляет (0,05-0,15) или (≥0,2) соответственно. Для данного примера расчетные значения точности пеленгования на рабочих сигналах (ƒ и F) устройства составят Δα=0,4° и Δα=4° соответственно.
Wf
WF
Заявляемая полезная модель может быть широко использована при конструировании многочастотных гидроакустических систем с режимом схем автоматического сопровождения целей, обладающих возможностью регулировки как точности определения угловых координат цели, так и величин отношений сигнал/помеха (C/П) и (C/П) по мощности.