АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ ПРЕЦИЗИОННОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА
ANTENNA MODULE OF PRECISION DOPPLER LOG FOR DEEP UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к области подводной техники и может быть использовано при проектировании и разработке доплеровских измерителей абсолютной скорости движения подводных объектов относительно дна. В составе бортовых навигационных систем подводных аппаратов измеритель абсолютной скорости используется как датчик скорости и корректирующее устройство в системах инерциальной навигации, что делает его основным устройством в системе счисления координат. К измерителям скорости предъявляются самые высокие требования по точности, для достижения которой при разработке прецизионного лага необходим учет всех факторов, определяющих точность измерения доплеровской частоты, что в свою очередь устанавливает жесткие требования ко всем компонентам лага, включая антенны, электронные и программные средства формирования, приема и обработки сигналов.
Основная ошибка доплеровских измерителей скорости, решающих задачу прецизионного измерения сдвига частот между зондирующим и отраженным сигналом, состоит в неопределенности частоты отраженного сигнала за счет образования широкого спектра отраженных сигналов.
f
0
Известно, что одной из причин расширения спектра отраженных сигналов для доплеровского лага, устанавливаемого на борту автономного подводного аппарата является то, что по условиям применения лаг работает в импульсном режиме, используя при зондировании импульсные (обычно тональные) сигналы с минимальной скважностью и длительностью, которая определяется двойным временем пробега акустического сигнала от объекта до дна [1]. В режиме обзора/обследования высота движущегося объекта над дном составляет единицы метров, а длительность зондирующих сигналов, соответственно, единицы миллисекунд. Частотное разрешение Δf и дисперсия частотной оценки сигнала σ при обработке одиночного короткого отраженного сигнала определяется через его длительность τ и существенно зависит от отношения сигнал/шум q в принятом сигнале [2]:
о
f
0
-1
-1
Δf=(τ); σ=(qτ).
Для получения необходимого частотного разрешения, обеспечивающего требуемую точность лага, применяется процедура усреднения полученных значений для большого числа N отраженных коротких импульсов с текущей обработкой данных на интервале времени, эффективная длительность которого удовлетворяет требованиям необходимого частотного разрешения:
N
о
-1
Δf=(Nτ).
Соответственно дисперсия частотных оценок при усреднении по N некогерентным отражениям будет иметь вид:
.
Увеличение быстродействия приемного тракта и увеличения точности доплеровского лага при обработке коротких импульсных сигналов может быть обеспечено за счет формирования и ускоренной обработки длинных квазикогерентных записей эхосигналов [3], что позволяет сократить объем обрабатываемой выборки сигнала. Из последнего выражения следует также необходимость значительного увеличения энергетической эффективности антенны для формирования высокого отношения сигнал/шум в принятом сигнале, что может быть достигнуто увеличением уровня зондирующего сигнала и повышением помехоустойчивости антенны за счет увеличения ее направленности.
Другой важнейшей причиной расширения спектра отраженного доплеровского сигнала и его искажений является недостаточная пространственная избирательность антенны лага. Если антенна лага имеет бесконечно узкую характеристику направленности (ХН), то отражение происходит от одного точечного отражателя, при этом отраженный сигнал отличается от излученного только уровнем и искомым доплеровским сдвигом частоты. В действительности антенная система имеет диаграмму направленности конечной ширины, поэтому отраженный сигнал формируется от большого участка дна, включающего множество элементарных отражателей. В приемное устройство лага поступает сумма сигналов, усредненная по множеству отражателей, называемая доплеровским спектром отраженного сигнала [4]. Ширина доплеровского спектра на уровне половинной мощности задается выражением
d0.5
d
Δf=ftgαΔα,
d
где f доплеровский сдвиг частоты, α - угол наклона оси ХН антенны относительно вертикали, Δα - ширина ХН антенны на уровне 0,7 по давлению. Доплеровская частота также имеет дополнительное смещение (ошибку), обусловленное деформацией спектра в результате различного затухания сигналов в пределах раствора характеристики направленности антенны и угловой зависимости коэффициента обратного рассеяния [5] (с.34-39) и [1] (с.202-205). Кроме того, необходимо обеспечить малый уровень боковых лепестков ХН в направлениях, близких к вертикальному. Поступающие с этих направлений сигналы имеют наименьшее пространственное затухание, могут быть соизмеримыми с полезными сигналами и существенно влиять на точность доплеровского измерителя. Таким образом, для минимизации погрешностей и увеличения быстродействия лага, при разработке антенны необходимо обеспечить ее высокую эффективность для увеличения отношения сигнал/шум q и сформировать узкую ХН Δα с минимальным уровнем боковых лепестков. Как правило, в доплеровских измерителях скорости используются антенны типа Януса, составленные из четырех идентичных антенных модулей, выполненных в виде плоских поршневых мембран. В антенных модулях активный (пьезокерамический) элемент, выполняющий электроакустическое преобразование сигналов в режимах излучения и приема выполнен в корпусе, обеспечивающем необходимую конструктивную защиту для работы на предельных рабочих глубинах, в том числе с использованием жидкости внутри модуля, компенсирующей внешнее гидростатическое давление. Геометрические размеры поршневой мембраны определяются длиной волны λ и требуемой шириной Δα. Для увеличения направленности (сужения ХН) необходимо увеличивать размеры. Однако значительное увеличение диаметра обычно ограничено конструктивными требованиями подводного аппарата, на котором устанавливается доплеровский лаг.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является антенный модуль доплеровского лага, описанный в [1] (с.219), состоящий из активного полуволнового дискового пьезоэлемента, нагруженного на рабочую среду через согласующий четвертьволновый слой из эпоксидной смолы, и опертый с тыльной стороны на полуволновую металлическую накладку. Указанные конструктивные элементы установлены в корпусе модуля, который заполнен жидкостью для компенсации внешнего гидростатического давления.
Недостатком такого антенного модуля является то, что для значительного уменьшения ширины ХН необходимо применять модули большого диаметра, которые по конструктивным соображениям не могут быть установлены на малогабаритных подводных аппаратах. Так, например, для Δα=1 град необходимый диаметр модуля d находится из оценки d≈60λ (для частоты 750 кГц, это приводит к диаметру антенны лага, состоящей из 4 антенных модулей, около 0,5 м). Кроме того, наличие в составе антенного модуля четвертьволнового согласующего слоя из материала, волновое сопротивление которого выбрано из условий расширения рабочего диапазона частот (эпоксидной смолы, например), приводит к уменьшению энергетической эффективности пьезопреобразователя [6] (с.86) антенного модуля и соответственно к уменьшению отношения сигнал/шум для эхо-сигналов при прочих равных условиях.
В основу настоящего изобретения поставлена задача увеличения точности импульсного доплеровского лага и уменьшения габаритов антенного модуля путем формирования узконаправленной ХН с минимальным уровнем боковых лепестков и высоким коэффициентом энергетического преобразования.
Для решения поставленной задачи в антенном модуле прецизионного доплеровского лага для глубоководного подводного аппарата, содержащем установленные в корпус активный полуволновый пьезокерамический диск, тыльную металлическую экранирующую накладку и фронтальный согласующий слой, причем корпус модуля для компенсации внешнего гидростатического давления заполнен жидкостью, акустические характеристики которой близки к акустическим характеристикам рабочей среды, а фронтальный согласующий слой выполнен полуволновым из металла с высокой скоростью звука, при этом активный полуволновый пьезокерамический диск нагружен на рабочую среду этим фронтальным полуволновым металлическим слоем через полуволновый слой жидкости и оперт тыльной поверхностью на четвертьволновую тыльную металлическую экранирующую накладку через четвертьволновый отражающий слой жидкости.
В заявленном антенном модуле доплеровского лага существенными признаками общими с прототипом являются:
- корпус модуля;
- установленные в корпусе активный полуволновый пьезокерамический диск, тыльная металлическая экранирующая накладка и фронтальный согласующий слой;
- корпус модуля заполнен жидкостью для компенсации внешнего гидростатического давления.
Отличительными существенными признаками в заявленном антенном модуле доплеровского лага являются:
- корпус модуля заполнен жидкостью, акустические характеристики которой близки к акустическим характеристикам рабочей среды;
- фронтальный согласующий слой выполнен полуволновым из металла с высокой скоростью звука (скорости продольной волны в материале);
- активный полуволновый пьезокерамический диск нагружен на рабочую среду этим фронтальным полуволновым металлическим слоем через полуволновый слой жидкости;
- активный полуволновый пьезокерамический диск оперт тыльной поверхностью на четвертьволновую тыльную металлическую экранирующую накладку через четвертьволновый отражающий слой жидкости.
В заявленном антенном модуле наличие полуволнового слоя из материала с высокой скоростью звука между фронтальной стороной активного элемента и рабочей средой и слоев из наполняющей жидкости, охватывающих фронтальную и тыльную поверхности активного элемента, позволяет увеличить энергетическую эффективность модуля за счет использования полуволновых слоев, которые обеспечивают просветление границы раздела между активным пьезоэлементом и рабочей средой, и отражающих свойств четвертьволновых слоев, размещенных с тыльной стороны. Кроме того, прием и излучение сигналов из рабочей среды выполняется через материал с высокой скоростью звука, выполняющего роль пространственного фильтра путем подавления принимаемых или излучаемых сигналов с угловых направлений, отличных от нормального направления к плоскости активного элемента.
На основании изложенного следует, что заявленная совокупность существенных признаков антенного модуля имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков создан высокоэффективный антенный модуль импульсного доплеровского лага с высокой направленностью, обеспечивающий высокую точность импульсного доплеровского лага при минимальных габаритах модуля.
Следовательно, заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.к. явным образом не следует из уровня техники и пригодно к использованию.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструктивная схема антенного модуля прецизионного доплеровского лага для глубоководного подводного аппарата.
2
2
4
4
3
2
5
4
2
4
Антенный модуль прецизионного доплеровского лага для глубоководного подводного аппарата выполнен в виде гидроакустического преобразователя, содержащего активный полуволновый пьезокерамический диск 1, фронтальный полуволновый согласующий слой 2, выполненный из металла с высокой скоростью звука и четвертьволновую тыльную металлическую накладку 3. Активный полуволновый пьезокерамический диск 1 нагружен на рабочую среду фронтальным полуволновым согласующим слоем 2 через полуволновый слой 4 жидкости и оперт тыльной поверхностью на четвертьволновую тыльную металлическую экранирующую накладку 3 через четвертьволновый отражающий слой 5 жидкости. Указанные выше конструктивные элементы установлены в корпусе 6 модуля, причем корпус 6 заполнен жидкостью, акустические характеристики которой близки акустическим характеристикам рабочей среды. Дополнительно на чертеже показаны: l=λ/2, l=λ/2, l=λ/4, l=λ/4, где λ - длина волны в металле, λ - длина волны в жидкости.
Антенный модуль прецизионного доплеровского лага для глубоководного подводного аппарата работает следующим образом. Рассматривается, например, режим приема. Режим излучения аналогичен в силу принципа взаимности. Акустический сигнал, отраженный от дна, поступает на внешнюю поверхность антенного модуля, которая является обращенной к рабочей среде поверхностью фронтального полуволнового согласующего слоя 2 из металла, далее проходит через тот слой и слой 4 из жидкости с акустическим характеристиками, близкими к характеристикам рабочей среды, поступает на поверхность активного полуволнового пьезокерамического диска 1 (далее активный элемент 1) преобразует акустический сигнал в электрический в соответствии со структурой амплитудного и фазового распределения акустического сигнала, формируемого по поверхности активного элемента 1. Принятое распределение сигнала по апертуре антенны формирует характеристику направленности - т.е. зависимость выходного электрического сигнала антенного модуля от направления прихода акустического сигнала. Максимальное значение получается при синфазном сложении акустических сигналов и реализуется при приеме сигналов, нормальных к поверхности антенного модуля. Характеристика направленности определяется диаметром антенного модуля. В представленной конструкции фронтальный полуволновый согласующий слой 2 из металла с высокой скоростью звука является аналогом полуволновой упругой пластины, помещенной в жидкость. Коэффициент прохождения звуковой волны через такую пластину исследован в работе [7] (с.50-54), а в работе [8] (с.213-216) выполнены расчеты, подтверждающие частотно-пространственную фильтрацию сигналов за счет существования полосы частот и сектора углов, при которых коэффициент прохождения звуковой волны максимален и достигает единицы. Важнейшим свойством такого пространственного фильтра является то, что угловая направленность возрастает не за счет увеличения диаметра приемной антенны, а за счет выбора материала и толщины фронтального слоя. За счет применения полуволнового слоя из материала с высокой скоростью звука, результирующая характеристика направленности антенного модуля формируется в виде произведения характеристики направленности активного элемента 1 и угловой зависимости коэффициента прохождения через фронтальный полуволновый согласующий слой 2. В целом это открывает хорошие возможности для рационального выбора диаметра антенного модуля. Так, например, при использовании алюминия для изготовления слоев, на рабочей частоте 750 кГц, длина волны в алюминии составляет 8 мм, а толщина полуволнового слоя - 4 мм, а ХН шириной Δα=1 град в предложенной конструкции достигается уже при применении активного пьезокерамического диска диаметром 66 мм. Увеличение суммарного продольного размера антенного модуля на частотах работы доплеровского лага для подводных аппаратов оказывается незначительным, а диаметр может быть выбран из конструктивных соображений, связанных с размещением антенны лага в подводном аппарате.
Антенные модули, разработанные в ИПМТ ДВО РАН, составляют основу доплеровских лагов из состава бортовых навигационных систем, создаваемых глубоководных подводных аппаратов. При суммарном учете всех факторов, влияющих на точностные характеристики, включая технологии построения аппаратуры и обработки сигналов, в созданных лагах достигнута точность, не уступающая аналогичным характеристикам известных зарубежных разработок, при существенно меньших габаритах антенн.
Источники информации
1. Гидроакустические навигационные средства. - Л., Судостроение, 1983, 264 с. (с.219 - прототип).
2. B.C.Бурдик. Анализ гидроакустических систем. - Л., Судостроение, 1988, 358 с.
3. Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И., Кузьмин А.В. Приемный тракт импульсного высокоточного доплеровского лага. - Патент Российской Федерации №2120131, 1998.
4. А.Г.Флеров. В.Т.Тимофеев. Доплеровские устройства и системы навигации. - М., Транспорт, 1987, 194 с.
5. Абсолютные и относительные лаги. Справочник. - Л., Судостроение, 1990, 265 с.
6. В.И.Домаркас, Р.Ю.Кажис. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс, Минтае, 1975, 256 с.
7. Л.М.Бреховских. Волны в слоистых средах. - М., Наука, 1973, 344 с.
8. Е.Л.Шендеров. Волновые задачи гидроакустики. - Л., Судостроение, 1972, 348 с.