УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАЮЩИХ АНТЕНН

Полезная модель относится к гидроакустическим средствам различного назначения, использующих в тракте излучения параметрические излучающие антенны.
1
2
1
2
F
f1,2
Известно [1], что в режиме параметрического излучения уровень сигнала низкой (разностной) частоты F значительно ниже уровней сигналов первичных (высоких) частот накачки f и f. При этом , а акустические давления на частотах F, f, f подчиняются соотношению Р≪Р. Отношение  составляет доли и единицы процентов [1], в децибелах - -30 ÷ -80 дБ и менее. Указанное относится к уровню сигнала в максимуме диаграммы направленности (ДН).
Одним из достоинств параметрической излучающей антенны (ПИА) является более низкий (по сравнению с излучателем традиционного типа) уровень боковых лепестков ДН, уровень боковых лепестков ПИА, выраженный в децибелах, приблизительно в 2 раза ниже, чем у антенн традиционного типа. Таким образом, отношение ξ (в дБ) в области боковых лепестков будет в 2 раза меньше, чем в области главного максимума ДН, т.е. -60 ÷ -160 дБ.
При выполнении измерений характеристик ПИА, длина трассы от излучателя, который является источником сигнала параметрического излучения, до измерительного приемника невелика. Поэтому при измерениях основных характеристик излучающей антенны - диаграммы направленности или акустического давления на оси главного максимума ДН - соотношение уровней низкочастотного (НЧ) сигнала разностной частоты и высокочастотных (ВЧ) сигналов накачки будет также практически равным ξ.
1
2
1, 2
F
f1,2
Поскольку при измерениях необходимо определять характеристики параметрической антенны, ставится задача выделения в приемном тракте сигнала частоты F на фоне сигналов частот f, f при условии F≪f и Р≪Р.
Известным техническим решением, позволяющим выделить сигнал необходимой частоты из смеси сигналов, является установка фильтра низких частот (ФНЧ) после приемной антенны [1, стр.208, рис.8.4; 3]. Такое решение достаточно эффективно при работе с фиксированной разностной частотой F. Однако, ПИА обычно используется при работе с широкополосным сигналом. При необходимости проведения измерений в полосе частот практически невозможно обеспечить постоянство
передаточной функции фильтра, согласовать антенну с фильтром, т.к. акустическая антенна (источник сигнала параметрического излучения) представляет собой нагрузку комплексного характера.
1
2
Чтобы исключить влияние переменного в частотной области импеданса антенны, на ее выходе включают широкополосный предварительный усилитель со сравнительно небольшим коэффициентом усиления, затем последовательно соединяют усилитель с ФНЧ и далее усиливают отфильтрованный сигнал необходимой полосы. Такая схема используется в измерительных усилителях [4, 5] и в ряде патентов по ПИА [6, 7]. При приеме сигнала параметрического излучения, содержащего компоненты частот F, f, f, предварительный усилитель должен обеспечивать неискаженный прием сигналов, включающем относительно слабые НЧ сигналы разностной частоты и сильные ВЧ сигналы частот накачки. Отличить НЧ сигналы, возникающие вследствие нелинейности усилителя приемного тракта, от НЧ сигналов разностной частоты, образующихся в воде вследствие нелинейного взаимодействия волн накачки, невозможно. Построение усилителя с динамическим диапазоном более 100 дБ представляет дорогостоящую техническую проблему (гарантированный динамический диапазон даже измерительных усилителей не превышает 60-80 дБ).
Наиболее близким по функциональным и техническим признакам к предлагаемому техническому решению является устройство для проведения испытаний ПИА, схема и принцип работы которого представлены в книге [8, стр.157-159]. В устройстве-прототипе прием сигналов параметрического излучения осуществляется приемным трактом, который состоит из последовательно соединенных приемника (гидрофона), предварительного (широкополосного) усилителя и ФНЧ. После ФНЧ сигнал усиливается и регистрируется.
Устройство-прототип обладает рядом недостатков:
- включенный на входе приемного тракта измерительный гидрофон имеет широкую, практически равномерную амплитудно-частотную характеристику чувствительности, что не дает возможности эффективно подавить ВЧ составляющие принимаемого сигнала (сигнала накачки);
- гидрофон обладает практически круговой ДН, что снижает соотношение сигнал/помеха, требует повышенного уровня измеряемого сигнала в приеме;
- предварительный усилитель, соединенный с выходом приемного гидрофона, при малых трассах прохождения сигнала от точки излучения до точки приема должен иметь большой динамический диапазон (до 100 дБ и более), обеспечивающий неискаженное усиление смеси первичных ВЧ сигналов накачки с НЧ сигналом
разностной частоты; выполнение широкополосного (измерительного) усилителя с таким динамическим диапазоном представляет самостоятельную, весьма сложную техническую задачу, использование таких усилителей в устройстве-прототипе (а также в других способах и устройствах измерения характеристики ПИА) не известно;
- полосовой ФНЧ, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, должен иметь весьма большой динамический диапазон и одновременно высокий коэффициент прямоугольности (коэффициент внеполосного подавления).
Техническими результатами от реализации предлагаемого технического решения являются:
- обеспечение возможности понижения динамического диапазона широкополосного предварительного усилителя, стоящего на выходе приемной антенны, на 20-40 дБ, что делает осуществимой практическую реализацию предварительного усилителя;
- повышение чувствительности и помехоустойчивости приемного измерительного устройства в целом, что особенно существенно при измерении характеристик ПИА при работе с широкополосным сигналом низкой разностной частоты.
1
2
1
2
Технические результаты достигаются тем, что в устройстве для измерения характеристик параметрических излучающих антенн, содержащем последовательно соединенные акустический приемник, установленный на подъемно-поворотном устройстве с возможностью перемещения вверх-вниз по вертикали и вращения в горизонтальной плоскости, предварительный широкополосный усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала, в спектре которого одновременно присутствуют высокочастотные составляющие частот накачки f и f и низкочастотные составляющие разностной частоты , фильтр низких частот, низкочастотный усилитель и регистратор введены новые признаки, а именно: акустический приемник выполнен в виде направленной приемной антенны, минимум диаграммы направленности которой на частоте f=(f+f)/2 обращен в сторону направления прихода сигнала от измеряемой параметрической излучающей антенны.
1
2
При приеме сигнала параметрического излучения, содержащего компоненты частот f, f и F, величина каждого сигнала пропорциональна ДН на соответствующей частоте и амплитудно-частотной характеристике чувствительности. В предлагаемом техническом решении приемная антенна обращена минимумом ДН на частоте f в направлении прихода сигнала, а уровень сигнала на выходе антенны пропорционален уровню минимума ДН. Поскольку приемная антенна воспринимает одновременно
приходящие ВЧ сигналы накачки, результирующий сигнал пропорционален ДН на средней частое накачки f. Следовательно, сигнал после приемной антенны ослабляется на такую же величину, на какую уровень минимума ДН меньше уровня максимума ДН (в децибелах максимуму ДН присваивают значение 0 дБ, уровень минимума ДН в децибелах является отрицательным). На такую же величину, т.е. на величину отношения максимума ДН к минимуму ДН по частоте f может быть уменьшен динамический диапазон предварительного широкополосного усилителя, последовательно соединенного с приемной антенной.
Приемная антенна выполнена направленной, что повышает ее помехоустойчивость за счет пространственной фильтрации помех. В отличие от измерительного гидрофона, который выполняется с практически равномерной амплитудно-частотной характеристикой чувствительности [2], в направленной приемной антенне можно использовать элементы с более выраженными амплитудно-частотными характеристиками чувствительности. Такое исполнение приемной антенны обеспечивает лучшее подавление ВЧ составляющих принятого сигнала и дополнительно уменьшает требования к динамическому диапазону предварительного широкополосного усилителя.
Сущность и работа заявляемого технического решения поясняется фиг.1, 2. На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, а также показано расположение измерительного устройства относительно измеряемого объекта, оконечным элементом которого является источник излучения параметрической излучающей антенны (источник сигнала накачки ПИА). На фиг.2 поясняется возможность использования устройства для измерений характеристик ПИА.
Предложенное устройство (фиг.1) содержит приемную измерительную антенну 1. с которой последовательно соединены предварительный широкополосный усилитель 2. фильтр низких частот (ФНЧ) 3, низкочастотный (НЧ) усилитель 4 и регистратор 5. Антенна 1 установлена на подъемно-поворотном устройстве (ППУ) 6.
Объектом измерений является параметрическая излучающая антенна (ПИА). Источник сигнала накачки ПИА, представляющий собой излучающую антенну 7, установлен на подъемно-поворотном устройстве 8.
Антенна 1 с помощью ППУ 6 развернута на угол α, т.е. минимумом по ДН на частоте f в направлении на источник сигнала накачки 7.
Работа предлагаемого устройства измерения характеристик параметрической излучающей антенны осуществляется следующим образом.
Конструкции антенн 1 и 7 известны, методы их расчета, типы антенн описаны в книге [9]. Остальные блоки, входящие в устройство, также являются типовыми, входят в состав измерительных схем, описанных в книге [2]. В качестве регистратора может использоваться вольтметр, осциллограф, самописец и т.п.
Работа устройства измерений характеристик параметрической излучающей антенны осуществляется следующим образом.
До начала проведения измерений характеристик параметрической излучающей антенны должны быть выполнены подготовительные работы по измерению характеристик антенн 1 и 7 в традиционном (одночастотном) режиме работы, включая взаимную настройку расположения с помощью подъемно-поворотных устройств 6 и 8. Методика таких измерений изложена в книге [2]. К предварительным характеристикам относятся:
1
2
1
2
- ДН антенны 1 в диапазоне частот накачки f, f, в том числе на средней частоте сигнала накачки f=(f+f)/2 по измеренной ДН фиксируется угол α, соответствующий минимуму ДН на частоте f; величина α=const, если f=const, в противном случае для каждой конкретной величины f должен быть зафиксирован угол α(f);
1
2
1, 2
- ДН антенны в диапазоне разностных частот F ∈ [F, F], где F обозначает границы необходимого диапазона разностных частот;
- чувствительность измерительного тракта (блоки 1-5) в диапазоне разностных частот F.
Типовые ДН на частотах f и F представлены на фиг.1а (сплошные линии 9 и 10, соответственно). Там же показан угол α - направление минимума ДН на частоте f.
К основным измеряемым характеристикам излучающих антенн, в том числе параметрических, относятся развиваемое акустическое давление и ДН на рабочих частотах (на разностных частотах F).
1
2
Для измерения акустического давления источник сигнала накачки - антенна 7 с помощью ППУ 8 разворачивается максимумом ДН в направлении на антенну 1, по линии, соединяющей центры антенн. Приемная антенна 1 с помощью ППУ 6 разворачивается в сторону антенны 7 таким образом, чтобы максимум ДН антенны 1 был отвернут от линии, соединяющей антенны 1 и 7, на ранее зафиксированный угол α. Это положение антенны 1 остается неизменным при измерениях давления и ДН на конкретной частоте F ∈ [F, F], если в процессе измерений в полосе разностных частот величина средней частоты накачки f=const. Измерения давления выполняются в диапазоне частот F.
1
2
Оставляя положение антенны 1 неизменным, производят измерение ДН на разностных частотах F, подавая на антенну 7 сигнал от усилителя мощности и вращая антенну 7 в горизонтальной плоскости [2, стр.47-48].Измерения ДН выполняют для всех разностных частот частоте F ∈ [F, F]. Если в процессе измерений меняется средняя частота сигнала накачки f, антенна 1 с помощью ППУ 6 фиксируется в новом положении, соответствующем ранее зафиксированному углу α(f) и продолжается измерение ДН, как указано в [2].
1
2
В процессе измерений сигнал принимается антенной 1. Его уровень пропорционален ДН на частотах f и F, как показано на фиг.16 (пунктирные кривые 11 и 12, соответственно). На предварительный усилитель поступает ослабленный сигнал диапазона частот накачки (для выбранного примера на фиг.1 ослабление составляет 26 дБ, или в 19,95 раз) и сигнал разностной частоты. На частоте F ослабление составляет 0,2 дБ (0,977 от максимальной величины), т.к. главный максимум ДН по частоте f в f/F=10 раз уже, чем на частоте F. Таким образом, динамический диапазон усилителя 2 может быть на 26 дБ меньше, чем при измерении по устройству-прототипу [8]. ФНЧ 3 вырезает из принятого сигнала, представляющего собой смесь сигналов накачки f,fи F, сигналы разностной частоты. Далее сигналы частоты F усиливаются усилителем 3 и регистрируются регистратором 4. При фиксации результатов измерений акустического давления на разностной частоте полученное по регистратору значение должно быть разделено на величину уровня ДН по частоте F в направлении, соответствующем минимуму ДН на частоте f (см. фиг.1б), чтобы учесть небольшие изменения чувствительности, вызванные поворотом приемной антенны на угол а. ДН приемной антенны 1 на частоте F, как указано выше, снимаются предварительно, при делении уровень ДН должен быть переведен из децибел в абсолютные единицы (0 дБ соответствует абсолютному уровню ДН, равному 1,0).
Измерения акустических характеристик ПИА выполняются с помощью направленной приемной антенны, помехоустойчивость к шумам которой выше [9], чем у ненаправленного гидрофона (как в прототипе [8]). Из книг [2, 9] также известно, что и чувствительность антенны выше, чем у гидрофона.
Таким образом, следует считать достигнутым заявляемый технический результат: обеспечение возможности понижения динамического диапазона широкополосного предварительного усилителя, стоящего на выходе приемной антенны, что делает осуществимой практическую реализацию предварительного усилителя, а также повышение чувствительности и помехоустойчивости приемного измерительного устройства в целом.
Заявляемое устройство целесообразно применять при измерении акустического давления и ДН параметрических излучающих антенн в опытовых бассейнах и в полигонах, т.к. при этих измерениях расстояния между излучателем и приемником невелики и уровень прямого сигнала накачки значительно превосходит уровень сигнала разностной частоты. Использование устройства значительно снижает требования к предварительному усилителю по динамическому диапазону, позволяя измерять низкий уровень боковых лепестков ДН на разностных частотах и уровень давления на разностных частотах при снижении частоты в десятки и сотни раз. Вследствие использования в приеме направленной антенны повышается соотношение сигнал/помеха, что также дает возможность измерения низких уровней сигнала разностной частоты.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л., Судостроение, 1990
2. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. Л., Судостроение, 1982
3. Пат. РФ №2149424. Эхолокатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна. Приор. 20.01.1999
4. Усилитель измерительный низкочастотный У4-28. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1977
5. Электронная аппаратура (каталог 1985/1986). Фирма Брюль и Къер. Гетеродинный частотный анализатор, модель 2010. Узкополосный частотный анализатор, модель 2031.
6. Пат. США №4697254. System and method for measuring ice thickness. Приор. 29.09.1987
7. Пат. РФ №2133047. Параметрический эхо-импульсный локатор. Приор. 05.07.1996
8. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л., Судостроение, 1981 (прототип)
9. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л., Судостроение, 1984