МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к гидроакустическим антенным устройствам, которые стационарно размещены на движущемся носителе и позволяют оператору гидролокатора бокового обзора (ГБО) в процессе обследования пространства осуществлять просмотр широкой полосы, расположенной на пути судна, причем излучение посылок и прием эхосигналов осуществляется в направлениях, перпендикулярных направлению движения, вправо и влево от этого направления в сторону дна.
В гидроакустике при локации и пеленговании широкое распространение получили различные способы обзора пространства, техническая реализация которых требует соответствующих конструкций многоэлементных приемоизлучающих интерференционных антенн с различной формой излучающей поверхности - плоской, цилиндрической, сферической и т.д., представляющих собой устройства, содержащие необходимое количество дискретных электроакустических преобразователей с элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции, несущую конструкцию необходимой конфигурации, а также линии коммуникаций с вводами/выводами электрической энергии. В многоэлементных приемоизлучающих интерференционных антеннах за счет сложения когерентных ультразвуковых колебаний зондирующего сигнала в водной среде, вызванных в точке наблюдения различными участками колеблющейся поверхности антенны, и/или эхосигнала на ее поверхности, обеспечивается пространственно-избирательное излучение и прием.
Электроакустические преобразователи представляют собой электромеханические системы и предназначены для преобразования электрической энергии колебаний в ультразвуковую, излучения их в водную среду, приема ультразвуковой энергии колебаний, отраженных расположенными в водной среде объектами, и последующего преобразования их в электрические сигналы. Для этого широко используются обратимые пьезоэлектрический и магнитострикционный эффекты. Процесс излучения ультразвука в воду электромеханической колебательной системой под воздействием приложенных сил возбуждающего электрического (магнитного) поля происходит в результате возникновения переменного движущего усилия, которое сообщается излучающей поверхности. Под воздействием поля отраженных ультразвуковых волн принимающая поверхность и соединенная с ней колебательная система приходят в состояние колебаний. В результате этого на выходе приемного преобразователя появляется переменное электрическое напряжение, которое в конечном итоге воспринимается индикатором устройства. Электроакустические преобразователи распределяются и устанавливаются на несущей конструкции определенной пространственной конфигурации, снабжаются элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции и соединяются линиями коммуникаций в определенной последовательности между собой и с выводами/вводами электрической энергии. Интерференционные антенны гидроакустических средств используются не только для преобразования акустических сигналов в электрические и обратно, но и для выполнения функций пространственной обработки акустических сигналов, в частности, формирования характеристики направленности и управления ее положением в пространстве.
Для исследования стратификации и физико-механических свойств донного грунта используются специальные эхолоты - грунтографы или профилографы, включающие в себя стандартные для эхолотов блоки: излучатель, блок его возбуждения, приемную гидроакустическую антенну, блок обработки и отображения информации, причем частоты рабочих сигналов находятся в диапазоне (3-10) кГц. Технические возможности данных эхолотовых систем зависят от чувствительности и направленных свойств приемной антенны, что делает перспективным применение гибкой протяженной буксируемой гидроакустической антенны, состоящей из групп резонансных электроакустических преобразователей либо широкополосных гидрофонов.
Известна гибкая протяженная буксируемая антенна (линейная пьезокоса) (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Под ред. В.В. Богородского - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. с. 82-84), конструкция которой содержит электроакустические преобразователи, распределенные в секции в линейном направлении, линии коммуникаций (провода), соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами, аккумуляторы, предварительный усилитель, элементы экранировки, гидро-, электро-, шумоизоляции и пространственной стабилизации в горизонтальном рабочем положении.
Гибкая протяженная антенна (линейная пьезокоса) буксируется позади судна, поскольку судно имеет высокий уровень шумов в области частот используемого сигнала пневмопушки. Под воздействием поля отраженных от донных слоистых отложений акустических волн принимающая поверхность антенны и соединенные с ней электроакустические преобразователи приходят в состояние колебаний, В результате этого после предварительного усиления на выходе линейной приемной антенны появляется переменное электрическое напряжение, которое воспринимается индикатором устройства и регистрируются в виде записей эхолота и сейсмопрофилографа, выполненных при движении по трассе на разных частотах, позволяя визуализировать рельеф как дна, так и донных слоев.
Известная гибкая протяженная буксируемая антенна имеет недостатки и ограничения в применении, обусловленные следующими факторами:
при работе гидроакустических средств с гибкими протяженными буксируемыми антеннами возникают различные помехи -гидродинамические, вибрационные, гидростатические, механическо-деформационные и трибоэлектрические, что снижает отношение сигнал-шум на входе приемного тракта, причем при движении со скоростью менее 6 узлов преобладают вибрационная и механически-деформационная помехи, а на больших скоростях - гидродинамическая;
- за счет сложения когерентных колебаний на поверхности протяженной приемной линейной антенны в окружающем пространстве формируется характеристика направленности в виде объемного тела вращения, ось которого совпадает с самой антенной, причем основной лепесток характеристики направленности находится в ее средней части в перпендикулярной к ней плоскости. В результате в рабочем положении буксируемая антенна может принимать эхосигналы из всего окружающего пространства в вертикальной плоскости, а не только из необходимого донного сектора, в пределах которого невозможно различить эхосигналы как от левой, так и от правой участков донной поверхности относительно направления движения носителя;
- имеющаяся лево-правосторонняя неоднозначность определения пеленга донной цели требует осуществления специального маневра корабля-буксировщика - циркуляции, т.е. поворота от необходимого курса, что искажает масштабы записи донной поверхности при осуществлении бокового обзора; при выполнении циркуляции вправо - курсовой угол цели, находящейся по левому борту, увеличивается, а курсовой угол другой цели по правому борту - уменьшается;
- устранение лево-правосторонней неоднозначности отсчета пеленга с помощью гибкой протяженной буксируемой антенны требует усложнения ее конструкции - установку кардиоидных приемников на конце линейной антенны, использование широкополосных трехэлементных гидрофонов -«триплетов» или выполнение самой антенны в виде нескольких линейных «параллельных» линейных антенн, т.е. в виде многолинейной антенной решетки;
для облучения дна необходим низкочастотный излучатель электроискрового, электродинамического или пневматического типа, который в рабочей полосе частот является ненаправленным - дно облучается только частью акустической энергии с недостаточной угловой разрешающей способностью, в результате чего затруднено получение достоверных трехмерных изображений звукорассеивающих поверхностей и объектов на дне подводной акватории; в режиме излучения линейная буксируемая антенна (пьезокоса) для решения рассматриваемой задачи неприменима;
как следует из технических характеристик линейных буксируемых антенн данные устройства имеют значительные продольные размеры, например, модель антенны 264 фирмы "EG and G International" (США) при диаметре 0,05 м имеет активную длину 45 м при длине буксировочного кабель-троса до (240-300)м.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, экранировки, элементы гидро-, электро-, шумоизоляции.
Известна многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, снабженная трехплоскостным экраном-отражателем (К.Клей, Г.Медвин Акустическая океанография: основы и применения - М.: изд-во «Мир», 1980. - с. 171-176, Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин СЕ. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. -с. 87). Антенна обеспечивает прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью и содержит электроакустические преобразователи, распределенные в секции в линейном направлении, образующие цилиндрическую боковую поверхность - рабочую апертуру, линии коммуникаций (провода), соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции и экран - отражатель.
Недостатком известной многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, снабженной трехплоскостным экраном-отражателем являются низкие тактико- технические характеристики, ограничивающие применение ее для детального обследования донной поверхности. Это обусловлено следующими факторами:
увеличение числа электроакустических преобразователей и сопутствующих дополнительных устройств для электроизоляции, экранировки, герметизации и т.д. приводит к значительному снижению надежности антенны;
- неремонтопригодность многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности при выходе из строя части электроакустических преобразователей;
- возможно искажение результирующей характеристики направленности антенны за счет возбуждения собственных резонансных колебаний металлических элементов акустического экрана-отражателя сложной конструкции;
- энергетический потенциал гидролокатора бокового обзора снижает акустический экран-отражатель, являющийся составной частью многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экраны.
2
Известна принятая за прототип многоэлементная антенна с плоской прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) излучающей поверхностью (20000 мм), входящая в комплект гидролокатора бокового обзора подводного буксируемого аппарата НГА-1 (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - с. 215-218). Интерференционная многоэлементная гидроакустическая антенна с прямоугольной плоской апертурой, обеспечивающая прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержит электроакустические преобразователи, поверхности которых образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии коммуникаций, соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, корпус, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Изготовление отдельных элементов и их сборка, а также монтаж многоэлементной антенны с плоской приемоизлучающей апертурой обычно сложны и трудоемки.
К недостаткам известной многоэлементной антенны с плоской прямоугольной излучающей поверхностью следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности и ее применимость для детального обследования донной поверхности. Это обусловлено следующими факторами:
- неремонтопригодность антенны при выходе из строя части электроакустических преобразователей вследствие располяризации в мощных электрических возбуждающих полях из-за недостаточного отвода тепла корпусом, нарушения электрического контакта, термического разрушения акустически мягких резиновых экранов и т.д.;
- энергетический потенциал антенны, характеризуемый удельной акустической мощностью ее излучения, ограничен величиной площади ее плоской апертуры. Для увеличения энергетической дальности действия ГБО за счет увеличения излучаемой энергии необходимо увеличение площади антенны, т.е. увеличение ее геометрических размеров, что приведет к уменьшению угловой ширины основного лепестка как в угломестной, так и в азимутальной плоскостях и, в конечном счете, к уменьшению ширины просматриваемой полосы донной поверхности.
MIN
MAX
MAX
MIN
- оптимальная для бокового обзора донной поверхности форма и наклон акустической оси основного лепестка характеристики направленности антенны в угломестной плоскости определяют геометрические минимальную r, и максимальную r дальности действия, и, соответственно, ширину (r-r) полосы обзора гидролокатора. Для увеличения ширины просматриваемой полосы и уменьшения «мертвой зоны» следует расширять основной лепесток характеристики направленности антенны в угломестной плоскости, что в прототипе не осуществимо.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: корпус, электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экраны, основание и герметизирующий звукопрозрачный полимер.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание многоэлементной интерференционной гидроакустической антенны с расширенными эксплуатационными возможностями уменьшенной мертвой зоной и увеличенной шириной обследуемой полосы донной поверхности.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении узкой мертвой зоны и увеличении ширины обследуемой полосы донной поверхности за счет расширения угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в угломестной плоскости.
a
a
a
a
a
a
a
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной интерференционной гидроакустической антенне, содержащей корпус и установленные в нем узел крепления и экранирования, узел экранирования внутренней боковой поверхности, узел электроизоляции и герметизации и электроакустические преобразователи, эквидистантно распределенные на поверхности узла крепления и экранирования, апертура многоэлементной интерференционной антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая  находится в азимутальной плоскости и по длине на порядок больше, чем размер хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L, а стрела прогиба h, рабочий сектор,  длина дуги L, хорда , связаны между собой соотношениями h=×tg(/4)/2=R[1-cos(/2)]; L=0,01745R;
Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена зависимость ширины полосы обзора от высоты Н расположения антенны над дном и угловой ширины по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности; на фиг. 2 изображены две проекции многоэлементной интерференционной гидроакустической антенны.
a
a
a
a
a
a
Многоэлементная интерференционная антенна 6, помещенная в водную среду 7 (фиг. 2) содержит корпус 4, в котором установлены узел крепления и экранирования 2, узел экранирования внутренней боковой поверхности 3, узел электроизоляции и герметизации 5, электроакустические преобразователи 1, эквидистантно распределенные на поверхности узла крепления и экранирования 2. Апертура многоэлементной интерференционной антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей 1, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R. Образующая цилиндрической поверхности  находится в азимутальной плоскости и выполнена таким образом, что длина ее на порядок больше размера хорды а, стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L. Стрела прогиба h, рабочий сектор , длина дуги L, хорда  антенны связаны между собой соотношениями h=×tg(/4)/2=R[1-cos(/2)]; L=0,01745R
Выбор необходимых значений величин указанных параметров апертуры антенны позволяет установить величину угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в угломестной плоскости при неизменной его величине в азимутальной плоскости, что обеспечивает как уменьшение мертвой зоны, так и увеличение ширины обследуемой полосы донной поверхности для метода бокового обзора.
CT
CT
BX
ВЫХ
а
а
a
a
a
a
a
a
а
Функционирование многоэлементной интерференционной антенны 6 для бокового обзора происходит следующим образом. Отметим, что узлы, обеспечивающие преобразование энергии - электрической в механическую (и наоборот) антенны 6 собраны из необходимого количества обратимых электроакустических преобразователей (ЭАП) 1, состоящих из пьезокерамики, каждый имеет форму стержня резонансного размера =c/2ƒ, где c - скорость звука в стержне, ƒ - резонансная частота его колебаний. Электроакустические преобразователи 1 эквидистантно распределены на искривленной заданным образом поверхности узла крепления и экранирования 2, электрически скоммутированы проводниками для поступления (съема) электрических сигналов. Геометрические параметры узла крепления и экранирования 2 электроакустических преобразователей 1 - стрела прогиба h (сегмента), м; радиус кривизны R, м; рабочий сектор  (центральный угол), град; длина дуги L, м; хорда , м, связаны между собой следующим образом: h=×tg(/4)/2=R[1-cos(/2)]; L=0,01745R; =2Rsin(/2) (фиг. 2). Наиболее чувствительна форма характеристики направленности к волновой величине стрелы прогиба: угловая ширина основного лепестка с увеличением h/λ до 0,4 уменьшается, а затем основной лепесток начинает расширяться. При значениях h/λ больших единицы наблюдается стабилизация расширения основного лепестка характеристики направленности дуговой антенны, величина которого с увеличением h/λ остается постоянной и несколько меньшей, чем рабочий сектор . Таким образом, подбор последних позволяет выбрать необходимую величину угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в угломестной плоскости при неизменной его величине в азимутальной плоскости, что может обеспечить как уменьшение мертвой зоны, так и увеличение ширины обследуемой полосы донной поверхности для метода бокового обзора (фиг. 1). Узел крепления и экранирования 2, на котором эквидистантно распределены электроакустические преобразователи 1, установлен в корпус 4, снабженный узлом экранирования внутренней боковой поверхности 3, а также узлом электроизоляции и герметизации 5 многоэлементной интерференционной антенны 6 (звукопрозрачный герметизирующий полимер). При поступлении на вход антенны 6 переменного электрического напряжения U, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой ЭАП, в силу пьезоэлектрических свойств стержень будет изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будет совершать механические колебания. Эти колебания за счет наличия узла экранирования внутренней боковой поверхности 3 через узел электроизоляции и герметизации 5 (звукопрозрачный герметизирующий полимер) преимущественно передаются в водную среду 7 и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн одинаковой интенсивности во всех направлениях, что создает в окружающем пространстве на равных расстояниях от источника равномерное ультразвуковое поле. При синфазном электрическом возбуждении всех электроакустических преобразователей 1 (активного элемента) многоэлементной интерференционной антенны 6 с приемоизлучающей апертурой в виде отсека цилиндрической поверхности, ее характеристика направленности в водной среде 7 будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой ее точке, 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. Импульс ультразвуковой энергии распространяется в водной среде 7 и при наличии на его пути объекта, например, донной поверхности, (фиг. 1) волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления среды распространения, происходит отражение акустических колебаний от него, причем некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает, пройдя через узел электроизоляции и герметизации 5 (звукопрозрачный герметизирующий полимер), электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей 1, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволновых стержневых электроакустических преобразователей 1, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение U, поступающее на выход антенны 6.
2
а
0,7(ƒ)
Анализ характеристик заявляемой многоэлементной интерференционной антенны с приемоизлучающей апертурой в виде отсека цилиндрической поверхности, которую можно спроектировать на основе прототипа - многоэлементной антенны с плоской прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) излучающей поверхностью (20000 мм), входящей в комплект гидролокатора бокового обзора подводного буксируемого аппарата НГА-1, показал как возможность, так и преимущества внесенных отличий. Так, при частоте накачки 150 кГц длина волны в воде составит 1 см, длина дуги L равна 2,8 см и если задать рабочий сектор =30°, то радиус кривизны дуги R составит 5,35 см, а стрела прогиба h - 3,916 см. Таким образом, значение h/λ равно 3,916 и имеет место стабилизация расширения основного лепестка характеристики направленности антенны, величина которого равна θ ≈32°. В данном случае удается сократить минимальную дальность действия в 1,26 раз, а ширина полосы обзора в 3,2 раза больше, что достаточно неплохо при прочих неизменных условиях (Н=50 м - высота расположения антенны ГБО над дном, γ=70° - угол наклона относительно вертикали акустической оси широкого в угломестной плоскости основного лепестка характеристики направленности антенны, максимальная разрешающая способность по дальности сτ/2≈ 3,75 м). Боковой обзор обладает энергетическими преимуществами при обнаружении удаленных объектов по сравнению с другими видами обзора, что в сочетании с эффектом синхронного накопления на индикаторе может быть использовано для существенного снижения соотношения сигнал/помеха, особенно при обнаружении крупных объектов.