ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована при разработке гидролокаторов бокового обзора (ГБО), используемых для просмотра дна и водных акваторий.
Известен ГБО, содержащий блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блока индикации, приемного тракта и с входом генераторного тракта, выход которого соединен с акустической антенной, соединенной также с входом приемного тракта, выход которого соединен с входом блока индикации. Описание такого гидролокатора типа Sport Scan приведено на сайте . При работе блок управления вырабатывает синхросигнал, запускающий генераторный тракт, с выхода которого зондирующий сигнал поступает на акустическую антенну, излучающую в среду лоцирования - воду акустический сигнал. Антенна имеет ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 1.8°-0.7°, а в вертикальной - 60°-30°. Акустический сигнал распространяется в водной среде, отражается от объектов, находящихся в ней, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий эхо-сигналам, поступает на вход приемного тракта, а с его выхода на блок индикации, выдающего информацию об объектах.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что прием эхо-сигналов происходит через временной интервал , где r - расстояние от антенны ГБО до отражателей, c - скорость звука в воде. За это время носитель ГБО, перемещающийся со скоростью V, пройдет расстояние . В результате этого прием эхо-сигналов осуществляется не по оси антенны, а под углом α, равным
то есть при меньшей чувствительности антенны.
Это вызывает уменьшение отношения сигнал/шум на входе приемного тракта, уменьшение дальности и достоверности лоцирования. Приняв антенну ГБО как непрерывную линейную антенну длиной l, имеем, что ее диаграмма направленности в зависимости от угла α будет определяться следующим выражением (А.П.Евтютов, В.Г.Митько «Примеры инженерных расчетов в гидроакустике», Л. - Судостроение, 1981, с.20, выражение 1.62):
где λ - длина волны акустического сигнала лоцирования.
Откуда получим зависимость чувствительности в режиме приема от скорости V носителя ГБО.
1
2
В рассматриваемом аналоге ГБО может работать на двух частотах f=330 кГц при ширине диаграммы направленности Ψ=1.8° и f=800 кГц при Ψ=0.7°. В соответствии с формулой (2) получаем, что для данных случаев антенна должна иметь длину l≈14 см.
1
2
Рассчитаем, как зависит чувствительность лоцирования M(V) от скорости носителя для данного ГБО. Результаты расчетов приведены в таблице 1, где M1 - чувствительность для частоты f и M2 - для частоты f.
Таблица 1
Зависимость чувствительность лоцирования M(V) от скорости носителя V.
V, м/c
2
5
10
15
20
25
M1
0.989
0.934
0.751
0.493
0.22
0.012
М2
0.938
0.648
0.018
-0.21
-0.02
0.128
Как видно из таблицы, уже при V=10 м/c лоцирование на частоте 800 кГц становится невозможным, а при V>10 м/с прием эхо-сигналов осуществляется на боковых лепестках диаграммы направленности антенны. При частоте 330 кГц уже при V=15 м/c чувствительность лоцирования снижается на 6 дБ.
Имеется также ГБО ГИДРОСКАН фирмы Klein associates INC, технические характеристики которого приведены в проспекте фирмы, содержащий блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блока индикации и приемного тракта, а также с входом генераторного тракта, его выход соединен с акустической антенной, соединенной также с входом приемного тракта, выход которого соединен с входом блока индикации. Акустическая антенна, способна работать на частотах 50, 100 и 500 кГц и имеет ширину диаграммы направленности для частоты 50 кГц - 1.5°, для 100 кГц - 1.5°, 1° или 0.75° и для 500 кГц - 0.2°. Наличие антенны с разными значениями ширины диаграммы направленности позволяет производит лоцирование при разных скоростях хода носителя, но не устраняет перечисленных выше недостатков, а именно - прием эхо-сигналов при пониженной чувствительности антенны, что ограничивает эксплуатационные возможности локатора.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом - блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блока индикации и приемного тракта, а также с входом генераторного тракта, его выход соединен с акустической антенной, выход приемного тракта соединен с входом блока индикации.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей гидролокатора бокового обзора.
Технический результат заключается в том, что прием эхо-сигналов производится всегда при максимальной чувствительности и не зависит от скорости V движения носителя ГБО.
Технический результат достигается тем, что в ГБО, содержащем блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блока индикации, приемного тракта и с входом генераторного тракта, выход которого соединен с первой акустической антенной; выход приемного тракта соединен с входом блока индикации, дополнительно введена вторая акустическая антенна акустически связанная через среду лоцирования (воду) с первой акустической антенной и соединенная с входом приемного тракта; одна из антенн, или обе акустические антенны расположены в механически сбалансированных несимметричных обтекателях, укрепленных таким образом, что они за счет гидродинамического давления воды способны поворачиваться относительно друг друга на угол  где V - скорость носителя, с - скорость звука в среде лоцирования - воде.
Поворот одной из антенн, или обеих антенн происходит таким образом, что между максимумами их диаграмм направленности формируется угол , зависящий от скорости V носителя, причем максимум направленности первой (излучающей) акустической антенны ориентирован в сторону движения носителя, а максимум направленности второй (приемной) акустической антенны - против движения. Это позволяет вести лоцирование на максимальной чувствительности, не зависящей от скорости V носителя.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема заявляемого гидролокатора бокового обзора, на фиг.2 - схема лоцирования имеющихся ГБО с неизменяемыми диаграммами направленности, на фиг.3 - схема лоцирования при повороте приемной акустической антенны, на фиг.4 схема лоцирования - при повороте излучающей акустической антенны, на фиг.5 - вариант крепления антенны и обтекателя.
Гидролокатор бокового обзора содержит блок управления 1, соединенный с генераторным трактом 2 и управляющими входами приемного тракта 3 и блока индикации 4, выход генераторного тракта 2 соединен с первой акустической антенной 5, находящейся в акустическом контакте через среду лоцирования (воду) со второй акустической антенной 6 соединенной с входом приемного тракта 3, выход которого соединен с входом блока индикации 4; одна из антенн или обе акустические антенны установлены в механически сбалансированных несимметричных обтекателях 7 и 8, укрепленных таким образом, что они способны поворачиваться относительно друг друга на угол  где V - скорость носителя, c - скорость звука в среде лоцирования - воде.
Блок управления 1 периодически через заданные временные интервалы вырабатывает синхроимпульсы, поступающие на вход генераторного тракта 2 и разрешающего его работу. Зондирующий электрический сигнал, формируемый на выходе генераторного тракта 2, поступает на элементы первой акустической антенны 5, излучающей в среду лоцирования - воду акустический сигнал, распространяющийся в ней и отражающийся от находящихся в среде лоцирования объектов. Отраженные акустические сигналы принимаются второй акустической антенной 6, и соответствующие им электрические сигналы поступают на вход приемного тракта 3, где осуществляется их обработка по стандартному алгоритму (усиление, фильтрация, регулировка ВАРУ (временная автоматическая регулировка усиления), отсечка, детектирование и др.). См., например, Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. «Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры». Л. - Судостроение, 1986, с.129-147. С выхода приемного тракта 3 сигналы поступают на вход блока индикации 4, с которого осуществляется съем информации об обнаруженных объектах. Одновременно с генераторным трактом 2 синхросигналы поступают также на управляющие входы блока индикации 4 и приемного тракта 3, где осуществляют временную привязку рабочих циклов блоков 2, 3 и 4.
Акустические антенны 5 и 6 (или одна из них) установлены в механически сбалансированных несимметричных обтекателях 7 и 8, укрепленных таким образом, что они способны поворачиваться относительно друг друга на угол  где V - скорость носителя, c - скорость звука в среде лоцирования - воде. Если имеется только один обтекатель, то он поворачивается на угол α относительно неподвижной антенны. Обе акустические антенны установлены таким образом, что при неподвижном носителе (V=0) их диаграммы направленности совпадают. При движении носителя со скоростью V за счет гидродинамического давления набегающей воды один, или оба обтекателя поворачиваются таким образом, что между максимами диаграмм направленности акустических антенн образуется угол , причем максимум направленности первой (излучающей) акустической антенны ориентирован в сторону движения носителя, а максимум направленности второй (приемной) акустической антенны - против движения. Это позволяет вести лоцирование на максимальной чувствительности, не зависящей от скорости V носителя.
Если в ГБО имеется одна акустическая антенна с постоянной во времени диаграммой направленности, то в результате перемещения носителя ГБО со скоростью V, прием эхо-сигналов будет осуществляться акустической антенной не по направлению, соответствующему ее максимуму чувствительности, а под некоторым углом α
,
как это показано на фиг.2, где 1 - положение носителя в момент излучения зондирующего сигнала, 2 - положение носителя в момент приема эхо-сигналов, 3 - антенна ГБО. Если r - расстояние до объекта, то время распространения акустического сигнала до объекта и обратно будет равно , где c - скорость звука в среде лоцирования (для воды c≈1500 м/с c≈150 м/c). За это время носитель переместится на расстояние Н=V*Δt h=V*Δt (V - скорость носителя). Откуда получим, что , или .
Проведенные ранее расчеты показывают, что для имеющихся ГБО уже для V>10-15 м/с наблюдается значительное ухудшение характеристики ГБО или прием эхо-сигналов вообще становится невозможным.
Для устранения этого недостатка в предлагаемом устройстве дополнительно установлена вторая акустическая антенна акустически связанная через среду лоцирования (воду) с первой акустической антенной и соединенная с входом приемного тракта; одна из антенн, или обе акустические антенны расположены в механически сбалансированных несимметричных обтекателях, укрепленных таким образом, что они способны поворачиваться относительно друг друга на угол  где V - скорость носителя, c - скорость звука в среде лоцирования - воде.
Поворот одной из антенн, или обеих антенн происходит таким образом, что между максимумами их диаграмм направленности формируется угол , зависящий от скорости V носителя, причем максимум направленности первой (излучающей) акустической антенны ориентирован в сторону движения носителя, а максимум направленности второй (приемной) акустической антенны - против движения.
Возможны следующие варианты поворота акустических антенн. Излучение акустического сигнала происходит перпендикулярно траектории движения носителя (фиг.3), а вторая (приемная) акустическая антенна поворачивается на угол α в направлении противоположном движению носителя. Прием эхо-сигналов происходит при этом по максимуму направленности второй антенны.
Во втором варианте (фиг.4) поворачивают первую акустическую антенну и излучают акустический сигнал по направлению движения носителя под углом α по отношению к перпендикуляру к траектории движения носителя. Прием эхо-сигналов выполняют по направлению, перпендикулярному к направлению движения носителя то-есть также по максимуму направленности второй антенны.
В третьем варианте поворачивают обе акустические антенны, так чтобы между их максимумами их диаграмм направленности устанавливался угол α, при этом диаграмма направленности в режиме излучения по отношению к диаграмме направленности в режиме приема должна быть ориентирована по направлению движения носителя.
Обтекатели 7, 8 и расположенные в них акустические антенны механически сбалансированы, так чтобы при качке носителя не происходило дополнительных поворотов обтекателей. На фиг.5 показан один из возможных вариантов конструкции обтекателя и его крепления. На оси 10 может свободно поворачиваться несимметричный обтекатель 11, в котором укреплена акустическая антенна 12. Также на оси жестко укреплены планки 13, между ними и обтекателем 11 установлены упругие элементы 14. При движении носителя со скоростью V в результате гидродинамического давления на обтекатель создается крутящий момент поворачивающий обтекатель по часовой стрелке. Выбирают такую конфигурацию обтекателя и характеристики упругих элементов, чтобы угол поворота α зависел от скорости V по необходимой функциональной зависимости. Теоретический материал необходимый для расчета обтекателя изложен, например, в работах: Панченков А.Н. «Гидродинамика подводного крыла», Киев. Наукова думка, 1965; Белоцерковский С.М., Ништ М.И. «Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью», М. Наука, 1978, 352 с. Собственную резонансную частоту системы состоящей из обтекателя и упругих элементов выбирают как минимум на порядок меньше, чем частоты турбулентных пульсаций, возникающих при перемещении обтекателя в воде. Это позволяет устранить вибрации обтекателя (см. Халфман Р.Л. «Динамика», М. Наука, 1972, 568 с.), кроме того конфигурацию обтекателя выбирают такой, чтобы имело место его ламинарное обтекание водой.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: второй акустической антенны акустически связанной через среду лоцирования (воду) с первой акустической антенной и соединенной с входом приемного тракта; одна из антенн, или обе акустические антенны расположены в механически сбалансированных несимметричных обтекателях, укрепленных таким образом, что они способны поворачиваться относительно друг друга на угол  где V - скорость носителя, c - скорость звука в среде лоцирования - воде, прием эхо-сигналов от объектов, находящихся в канале лоцирования всегда происходит по максимальной направленности акустических антенн, независимо от скорости движения носителя, что расширяет эксплуатационные возможности гидролокатора бокового обзора.