УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И СКАНИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННЫ
DEVICE FOR GENERATION AND SCANNING OF DIRECTIONAL CHARACTERISTIC OF MULTIPLE ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке устройств для формирования характеристик направленности многоэлементных акустических антенн.
Обычно при формировании характеристик направленности многоэлементных антенн синфазность сигналов при суммировании достигается с помощью линий задержки с отводами. Для обеспечения приема узким лучом в широком секторе либо формируют статический веер характеристик направленности, либо применяют вращающуюся характеристику направленности. В первом случае устройство формирования характеристики направленности представляет собой набор линий задержки с отводами. Большие размеры линий делают аппаратуру громоздкой, а разброс и нестабильность их параметров приводит к потерям по помехоустойчивости и точности пеленгования. Во втором случае применяется вращающийся компенсатор с электрической линией задержки. Для обеспечения приема сигналов без потерь по помехоустойчивости период вращения характеристики направленности не должен превышать величины.
,
где Δf - полоса входного процесса.
Получение высокой (порядка нескольких тысяч об/мин) скорости вращения компенсатора связано с техническими трудностями, а кроме того, влечет за собой искажения формы характеристики направленности. Наличие линий задержки делает параметры компенсатора зависимыми от окружающих условий.
Известно устройство, в котором обеспечивается формирование быстро вращающейся характеристики направленности путем последовательного подключения с помощью электронного коммутатора элементарных приемников ко входу фильтра согласованного с последовательностью выборочных значений сигнала. При этом согласованный фильтр, обеспечивающий синфазность суммирования сигналов, принятых элементарными приемниками, выполнен на линии задержки с отводами. Недостатком такого устройства является необходимость использования широкополосной линии задержки с жесткими требованиями по стабильности параметров. Такая линия получается большой по размерам, а ее изготовление связано с рядом серьезных технологических трудностей.
Кроме этого область применения рассматриваемых устройств формирования характеристик направленности как с согласованным фильтром, так и с вращающимся компенсатором, ограничивается антеннами с цилиндрической базой.
Общим недостатком рассмотренных выше устройств является отсутствие возможности оперативно управлять положением характеристики направленности. Решение этой задачи необходимо для стабилизации положения характеристик направленности в пространстве при качке и рыскании носителя, для обеспечения режима сопровождения цели, для работы в режиме последовательного обнаружения.
Известен способ формирования и управления характеристикой направленности, при котором сигналы, принимаемые элементарными приемниками, преобразуются в цифровой вид и формирование характеристики направленности, производится в цифровом виде. Этот способ позволяет оперативно управлять положением характеристики направленности. Однако он обладает рядом недостатков, присущих цифровым многоканальным устройствам обработки сигнала, а именно:
- более низкой помехоустойчивостью за счет появления шумов квантования, сложностью и сравнительно низким быстродействием, ограниченным быстродействием преобразователей аналог-код.
Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости, точности пеленгования, сокращения объема аппаратуры формирования характеристики направленности, обеспечение быстрого произвольного изменения положения характеристики направленности в пространство.
Поставленная цель достигается применением для формирования характеристики направленности электронного коммутатора, работающего по программе, определяемой фазовым распределением сигнала на входе элементарных приемников для сигнала, принимаемого с заданного направления, на входы которого сигналы поступают с выходов элементарных приемников, а выходы подключены к запоминающим сумматорам двух квадратурных каналов.
Описание устройства
Сущность предлагаемого устройства может быть пояснена на примере антенны с плоской базой. Известно, что сигнал без потерь помехоустойчивости можно передавать в виде выборок, взятых с периодом
,
где Δf - ширина полосы пропускания приемника (Клюев Н.И. Информационные основы передачи сообщений. "Советское радио", Москва, 1966). Для оптимального приема узкополосных сигналов с неизвестной фазой может быть использован квадратурный метод (Никитенко Ю.И., Устинов Ю.М. Применение квадратурного метода приема для регистрации периодической последовательности радиоимпульсов с когерентным по фазе высокочастотным заполнением. "Вопросы радиоэлектроники". Серия ХП. Общетехническая, 1961), при котором принятый сигнал обрабатывается в двух каналах, сигналы в которых сдвинуты по фазе на . Так как при квадратурном методе приема оба канала ("синусный" и "косинусный") идентичны, то для простоты можно рассматривать 1 из каналов. Такой канал предлагаемого устройства приведен на фиг.1.
Здесь 1 - элементарные приемники,
2 - N - канальный коммутатор,
3 - накопительная RC-цепь,
4 - разрядный ключ
5 - считывающий ключ,
6 - управляющее устройство.
Для формирования характеристики направленности необходимо обеспечить синфазное суммирование сигналов, принятых элементарными приемниками с заданного направления. В предлагаемом устройстве непрерывное суммирование сигналов с N элементарных приемников заменяется суммированием выборок. При этом синфазность взятых выборок достигается определенной последовательностью и взаимным временным сдвигом моментов взятия выборок (программой работы коммутатора - 2). Для суммирования выборок используется схема, обеспечивающая последовательное суммирование (накопительная RC-цепь 3). Так, например, чтобы сформировать характеристику в направлении θ (фиг.1), необходимо последовательно замкнуть ключи от 1 до N с временным сдвигом между соседними каналами τ, где τ - сдвиг сигнала во времени в двух соседних каналах за счет конечного времени распространения фронта волны в среде.
В этом случае выборки, взятые по всем каналам, будут соответствовать одной и той же фазе для сигнала, принимаемого с направления θ. Эти выборки суммируются с помощью RC-цепи 3. В конце цикла работы ключей коммутатора 2 результат суммирования выборок, взятых по N каналам, считывают с помощью ключа 5, а затем конденсатор разряжают через ключ 4.
Считанный с конденсатора сигнал поступает на схему возведения в квадрат и с ее выхода на сумматор квадратурных каналов.
в
Весь цикл работы схемы (фиг.1) повторяется в периодом T.
1
0
Такой режим работы обеспечивает формирование характеристики направленности в направлении θ. Очевидно, что если изменить интервал τ, то будет обеспечено формирование характеристики направленности в некотором другом направлении θ. Для обеспечения фазовой компенсации при больших углах θ, когда запаздывание сигнала по каналам превышает время, равное периоду несущей частоты f, ключи коммутатора 1 можно замыкать в течение одного периода несущей, при этом моменты их замыкания выбираются без учета целого числа периодов.
В связи с этим полное время, затрачиваемое на фазовую компенсацию для одного направления, можно считать равным.
в
в
0
Тогда за время Т может быть осуществлена фазовая компенсация для n=T/Δt=f/Δf направлений.
Это эквивалентно формированию веера из n - характеристик направленности.
Причем путем изменения программы коммутатора возможно независимое оперативное изменение положения характеристик направленности. На фиг.1 изображен один квадратурный канал формирования характеристики направленности.
Второй канал отличается только тем, что его коммутатор работает со сдвигом относительно первого на время, соответствующее фазовому сдвигу сигнала на . При этом для обоих каналов используется одно управляющее устройство.
Приведенный пример относится к формированию характеристики направленности антенны с линейной базой. Предлагаемое устройство может быть использовано для формирования характеристики направленности многоэлементной антенны с базой любой конфигурации (плоской, цилиндрической, сферической и т.д.).
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2.
Здесь 1 - элементарные приемники,
2 - коммутаторы,
3 - запоминающие сумматоры со стиранием,
4 - квадраторы,
5 - сумматор,
6 - устройство переключения программ,
7 - управляющее устройство,
8 - устройство выработки программ.
Принятый элементарными приемниками 1 сигнал поступает на коммутаторы 2, работающие со сдвигом во времени, соответствующим фазовому сдвигу на π/2. Порядок переключения каналов к запоминающему сумматору определен фазовым распределением сигнала по каналам для заданного направления и обеспечивается управляющим устройством 7 и переключателем программ 6.
Выборки, взятые коммутаторами 2, суммируются в запоминающих сумматорах 3. Результаты суммирования подаются на схемы возведения в квадрат (квадраторы) 4 и затем на сумматор 5. После этого накопленный в сумматоре 3 сигнал стирается по команде из управляющего устройства 7.
С выхода сумматора 5 снимаются выборки из входного сигнала, поступающего с заданного направления. Дальнейшая обработка сигнала происходит обычным способом (например, с помощью емкостных синхронных фильтров).
в
Для формирования n характеристик направленности описанный цикл работы должен повториться за время T n раз. При этом, в общем случае, каждый раз должна изменяться последовательность замыкания ключей коммутаторов 2 в соответствии с фазовым распределением по каналам для сигналов, поступающих с заданных направлений.
Это достигается переключением программ с помощью переключателя 6, которым управляет устройство выработки программ 8.
Устройство выработки программ может обеспечивать переключение программ либо в заранее заданной последовательности, либо по программе, определяемой внешними устройствами (например, устройствами выработки поправки при качке и рыскании корабля).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемое устройство сочетает в себе достоинства аналоговых (простота схемы, быстродействие) и цифровых (возможность простого оперативного управления схемой) устройств.
Оно может быть использовано применительно к многоэлементным антеннам с базой любой конфигурации. Оно позволяет обеспечивать формирование веера характеристик направленности и при этом оперативно, независимо изменять положения характеристик направленности в пространстве. Поворот характеристики направленности в заданное направление может обеспечиваться с любой наперед заданной точностью. Отсутствие линий задержки позволяет сделать аппаратуру компактной, стабильной по своим параметрам и с высокой идентичностью параметров по каналам.
Приведенные расчеты и экспериментальные исследования показали возможность использования такого устройства в гидроакустических станциях.