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 и приемного тракта, а также с входом генераторного тракта, выход которого соединен с акустической антенной, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования, и соединенной также с входом приемного тракта, выход которого соединен с входом блока индикации. Описание такого гидролокатора типа Sport Scan приведено на сайте http://www.fort21.ru. Его работа происходит следующим образом: 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 канале лоцирования - водной среде, отражается от объектов, находящихся в нем, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий отраженным акустическим эхо-сигналам, поступает на вход приемного тракта, а с его выхода на блок индикации, выдающего информацию об объектах, находящихся как в канале лоцирования, так и на дне.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что прием отраженных эхо-сигналов происходит через временной интервал , где r - расстояние от антенны ГБО до отражателей, с - 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) для данного ГБО. Результаты расчетов приведены в таблице 1, где M1 - чувствительность для частоты f и М2 - для частоты f.
Таблица 1
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/с 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/с чувствительность лоцирования снижается на 6 дБ.
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, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования, соединенной также с входом приемного тракта, выход которого соединен с входом блока индикации.
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, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования, 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, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования, соединенной также с входом приемного тракта, выход которого 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 акустической антенной всегда при ее 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 и приемного тракта, а также с входом генераторного тракта, выход которого соединен с акустической антенной, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования, соединенной также с входом приемного тракта, выход которого соединен с входом блока индикации дополнительно введены датчик скорости носителя, выход которого соединен с входом блока изменения направленности акустической антенны, выходы которого соединены с дополнительными входами генераторного и приемного трактов, и изменяющий направленность акустической антенны таким образом, чтобы между максимумами направленности в режиме излучения и в режиме приема формируется угол  (V - скорость носителя, с - скорость звука в среде лоцирования - воде), причем максимум направленности акустической антенны в режиме излучения ориентирован в сторону движения носителя, а максимум направленности в режиме приема - против движения.
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 изменении диаграммы направленности акустической антенны в режиме приема, на фиг.4 - при изменении диаграммы направленности в режиме излучения.
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 и вход приемного тракта 3 соединены с акустической антенной 5, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования 6, выход приемного тракта 3 соединен с входом блока индикации 4, дополнительные входы генераторного 2 и приемного 3 трактов соединены с выходами блока изменения направленности антенны 7, вход которого соединен с выходом датчика скорости носителя 8.
Блок управления 1 периодически через заданные временные интервалы Т вырабатывает синхроимпульсы, поступающие на вход генераторного тракта 2 и разрешающего его работу. Зондирующий электрический сигнал, формируемый на выходе генераторного тракта 2, поступает на элементы акустической антенны 5, излучающей в среду лоцирования 6 - воду акустический сигнал, распространяющийся в ней и отражающийся от находящихся в среде лоцирования объектов. Электрические сигналы, соответствующие отраженным от объектов акустическим эхо-сигналам поступают на вход приемного тракта, 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.
Так как в процессе лоцирования носитель ГБО перемещается со скоростью V, то прием эхо-сигналов будет осуществляться акустической антенной не по направлению, соответствующему ее максимуму чувствительности, а под некоторым углом α
,
как это видно 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 с - скорость звука в среде лоцирования (для воды с≈1500 м/с). За это время носитель переместится на расстояние Н=V*Δt (V - скорость носителя). Откуда получим, что tgα=2V/c, 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 установлены: блок изменения направленности антенны 7, выхода которого соединены с дополнительными входами генераторного 2 и приемного 3 трактов, а также датчик скорости носителя 8, выход которого соединен с входом блока 7.
Датчик скорости носителя 8 вырабатывает сигнал, зависящий от величины и направления скорости перемещения носителя, поступающий на вход блока 7, который вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на дополнительные входы генераторного 2 и приемного 3 трактов и изменяющие характеристики направленности антенны в режиме излучения и в режиме приема так, что угол между направлениями их максимумов будет равен углу  (V - скорость перемещения носителя, с - скорость звука в среде лоцирования), причем максимум направленности акустической антенны в режиме излучения ориентирован в сторону движения носителя, а максимум направленности в режиме приема - против направления движения носителя.
Возможны следующие варианты изменения положений характеристик направленности антенны. Излучение акустического сигнала происходит перпендикулярно траектории движения носителя (направление 1 на фиг.3), а при приеме диаграмма направленности антенны смещается на угол α в направлении противоположном направлению движения носителя (направление 2 на фиг.3). Прием эхо-сигналов происходит при этом по максимуму направленности антенны.
Излучают акустический сигнал по направлению движения носителя под углом α по отношению к перпендикуляру к траектории движения носителя (направление 1 на фиг.4), а прием эхо-сигналов выполняют по направлению 2 (фиг.4), перпендикулярному к направлению движения носителя. Прием эхо-сигналов при этом также происходит по максимуму направленности антенны.
Диаграммы направленности акустической антенны смещают как в режиме излучения, так и в режиме приема, так чтобы между их максимумами устанавливался угол а, при этом диаграмма направленности в режиме излучения по отношению к диаграмме направленности в режиме приема должна быть ориентирована по направлению движения носителя.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: датчика скорости носителя и блока изменения направленности антенны, выходы которого соединена с дополнительными входами генераторного и приемного трактов, а выход датчика скорости носителя соединен с входом блока изменения направленности антенны, прием эхо-сигналов от объектов, находящихся в канале лоцирования всегда происходит по максимальной направленности акустической антенны, независимо от скорости движения носителя, что расширяет эксплуатационные возможности гидролокатора бокового обзора.
Реализация предложенного ГБО не представляет сложностей. В качестве датчика скорости носителя может использоваться любой стандартный лаг, установленный на носителе (см., например, В.М.Букатый, В.И.Дмитриев «Гидроакустические лаги. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 176 с.),
а изменение направлений характеристик направленности акустической антенны можно осуществлять с помощью способов и устройств, широко используемых для сканирования диаграмм направленностей антенны и описанных, например, в работах: Л.К.Самойлов «Электронное управление характеристик направленности антенн», Л. Судостроение, 1987. - 280 с., М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский «Гидроакустические антенны», Л. Судостроение, 1984. - 300 с.