Трехкомпонентный векторно-скалярный приемник, линейная гидроакустическая антенна на его основе и способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов
THREE-COMPONENT VECTOR-SCALAR RECEIVER, LINEAR HYDROACOUSTIC ANTENNA BASED ON IT AND METHOD OF FORMING UNIDIRECTIONAL CHARACTERISTICS OF DIRECTION OF CHANNEL FOR DETECTING SOURCES OF UNDERWATER NOISE

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам и их применению для проведения гидроакустических исследований, в том числе для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах.
Известно, что векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД), в точечных и линейных гидроакустических антеннах позволяют обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области за счет реализуемой ПГД дипольной направленности (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2007. С. 23).
3
4
Известны 4 схемы построения ПГД: двухгидрофонные, разностного типа, силового типа и инерционного типа. Двухгидрофонная схема имеет ограничения по верхней и по нижней границам рабочего диапазона частот. Высокочастотное ограничение связано с тем, что во избежание нелинейности АЧХ ПГД расстояние d между двумя гидрофонами должно быть не более λ/4, где λ - длина продольной звуковой волны в среде, т.е., по крайней мере, в два раза меньше чем резонансная длина d=λ/2. Низкочастотное ограничение примерно до λ/40-λ/50 связано с развалом дипольной характеристики направленности вследствие неустранимого разброса параметров отдельных гидрофонов, которое не позволяет сформировать качественной дипольной характеристики направленности (с глубокими провалами - не менее 20-30 дБ). По последней причине при разработке линейных антенн небольшого поперечного диаметра (до 80 мм) ПГД двухгидрофонной схемы применимы не ниже, чем до частоты около 500 Гц (λ=3 м), а то и выше (Preston J.R. Using Triplet Arrays for Broadband Reverberation Analysis and Inversions // IEEE J. Ocean. Eng. 2007. V. 32(4). P. 879-896. Белова Н.И., Кузнецов Г.Н. Сравнение однонаправленного приема сигналов в волноводе с использованием линейных векторно-скалярных и комбинированных антенн // Акустический журн. 2013. т. 59, №2. С. 255-267). Именно поэтому для каналов ПГД, ориентированных ортогонально оси линейной антенны, в диапазоне частот ниже примерно 500 Гц применяются только ПГД инерционного и силового типов, которые реализуют качественную дипольную характеристику направленности при существенно меньших размерах d (до λ/10, λ/10). Таком образом при поперечном диаметре антенны около 80 мм нижняя частота рабочего диапазона ПГД инерционного и силового типов может быть сдвинута до единиц герц.
Известно устройство двухкомпонентного ПГД силового типа, который состоит из двух ортогонально установленных на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала круглых чувствительных элементов, снабженных патрубками, выполненными в теле корпуса в виде полых каналов, сечение которых плавно меняется от круглого у чувствительно элемента к прямоугольному на поверхности корпуса, причем оси соответствующих каналов чувствительных элементов направлены навстречу друг другу так, чтобы выходы каналов на поверхность корпуса лежали в ортогональных плоскостях относительно оси корпуса и точки на оси корпуса, лежащей посредине между центрами обоих чувствительных элементов (п. РФ №2568411 С1).
Недостатком известных решений является повышенная чувствительность ПГД к вибрационным помехам, возникающим при использовании векторно-скалярного приемника в составе линейных гидроакустических антенн на мобильных носителях (Коренбаум В.И. Методы виброзащиты векторных приемников // Ученые записки физического факультета московского университета. 2017. №5, 1750117). Кроме этого, реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, что не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.
Известен акустический приемник градиента давления, в котором для дополнительной виброзащиты ПГД силового типа применена компенсационная виброзащита. Данный приемник, как и предыдущий, включает два ортогонально ориентированных круглых чувствительных элемента, установленных ортогонально друг за другом на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала и снабженных полостями переменного сечения, соединенными с цилиндрической поверхностью корпуса в ортогональных относительно оси цилиндра направлениях. Дополнительно к предыдущему решению соосно чувствительным элементам на продольной оси корпуса установлены два ортогонально ориентированных акселерометра. Чувствительные элементы и соответствующие им акселерометры через усилители соединены с устройством для вычитания помехи, создаваемой вибрацией корпуса в направлении осей чувствительности изгибных пьезопреобразователей (п. РФ №2624791 С1).
Недостатком известного решения является реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, которая не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.
Наиболее близким к заявляемому является акустический приемник градиента давления малого поперечного сечения для линейных антенн, включающий двухкомпонентный приемник градиента давления. Корпус приемника выполнен в виде двух гантелей круглого сечения из материала с плотностью меньшей воды, в отверстиях торцевых поверхностей большего диаметра которых перпендикулярно друг другу установлены два акселерометра, а снаружи между торцевыми поверхностями установлен датчик звукового давления, выполненный цилиндрическим (п. РФ №2501043 С1).
Использование единого цилиндрического датчика звукового давления позволяет устранить асимметрию в поперечной плоскости и, следовательно, снизить паразитную чувствительность датчика звукового давления к осциллирующей компоненте помех обтекания, что обеспечивает более высокую помехозащищенность приемника от помех обтекания. Однако, в данном приемнике также реализуется только две ортогональных компоненты приема градиента давления, что не позволяет сформировать пространственную избирательность приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном двум ортогональным компонентам градиента давления и добиться снижения чувствительности приемников градиента давления к вибрационным помехам, возникающим при использовании приемника в составе линейных гидроакустических антенн.
Отсюда возникает техническая проблема, требующая решения, которая заключается в создании векторно-скалярного приемника, снабженного приемником звукового давления, с трехкомпонентным ПГД для линейной антенны малого поперечного размера с обеспечением возможности снижении воздействия вибраций антенны на достоверность регистрации полезного сигнала, а также возможностью осуществления пространственной избирательности при обнаружении источников подводных шумов.
Технический результат - трехкомпонентный векторно-скалярный приемник, обеспечивающий пространственную избирательность линейной гидроакустической антенны малого поперечного размера во всей контролируемой области пространства и повышенную помехоустойчивость регистрации полезного сигнала в условиях воздействия вибрационных помех.
Для решения названной проблемы предлагается векторно-скалярный приемник, включающий двухкомпонентный приемник градиента давления и два идентичных приемника звукового давления, симметрично расположенных вне корпуса приемника градиента давления на дистанции, соответствующей 1/8 длины продольной звуковой волны верхней частоты используемого рабочего диапазона частот, в направлении ортогональном ориентации максимумов чувствительности обеих компонент двухкомпонентного приемника градиента давления, выходы приемника градиента давления и приемников звукового давления соединены с регулируемыми усилителями, при этом приемники звукового давления через усилители включены на сумматор, на выходе которого сформирован отклик единого приемника звукового давления, и на вычитающее устройство, на выходе которого сформирован отклик двухгидрофонного приемника градиента давления, максимумы чувствительности которого ориентированы в направлении ортогональном ориентации максимумов чувствительности обеих компонент двухкомпонентного приемника градиента давления.
В качестве двухкомпонентного приемника градиента давления могут быть использованы малогабаритные приемники инерционного или силового типов, для повышения помехозащищенности которых от вибрации они могут быть выполнены с компенсационной виброзащитой.
Поставленная проблема решается также линейной гидроакустической антенной, состоящей из последовательно установленных вдоль оси антенны не менее 3-х заявляемых векторно-скалярных приемников, при этом на вычитающее устройство, на выходе которого сформирован отклик двухгидрофонного приемника градиента давления, подключены приемники звукового давления, расположенные симметрично не менее чем через один корпус двухкомпонентного приемника градиента давления.
Поставленная проблема решается также способом формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов вида произведения кардиоиды на косинусоиды для заявляемого векторно-скалярного приемника, в зависимости от направления: в направлении перпендикулярном оси антенны по горизонту отклик горизонтально ориентированного в направлении перпендикулярно оси антенны приемника градиента давления после интегрирования складывается или вычитается с откликом приемника звукового давления, делится на 2 и возводится в квадрат, причем из этого выражения вычитается одна четвертая суммы квадратов интегрированных откликов вертикально ориентированного в направлении перпендикулярно оси антенны приемника градиента давления и ориентированного вдоль оси антенны приемника градиента давления, в направлении перпендикулярном оси антенны по вертикали отклик вертикально ориентированного в направлении перпендикулярно оси антенны приемника градиента давления после интегрирования складывается или вычитается с откликом приемника звукового давления, делится на 2 и возводится в квадрат, причем из этого выражения вычитается одна четвертая суммы квадратов интегрированных откликов горизонтально ориентированного в направлении перпендикулярно оси антенны приемника градиента давления и ориентированного вдоль оси антенны приемника градиента давления, а в направлении вдоль оси антенны отклик горизонтально ориентированного в направлении оси антенны приемника градиента давления после интегрирования складывается или вычитается с откликом приемника звукового давления, делится на 2 и возводится в квадрат, причем из этого выражения вычитается одна четвертая суммы квадратов интегрированных откликов вертикально и горизонтально ориентированных в направлении перпендикулярно оси антенны приемников градиента давления.
На Фиг. 1 приведена схема векторно-скалярного приемника (вид сверху), где 1 - ось приемника, 2 - корпус двухкомпонентного приемника градиента давления, 3 - вертикальная компонента приемника градиента давления, 4 - горизонтальная компонента приемника градиента давления, 5 - приемник звукового давления, А - угол между осью направленности горизонтальной компоненты приемника градиента давления и углом направления на гипотетический источник сигнала в плоскости перпендикулярной оси линейной гидроакустической антенны, В - угол между осью приемника и направлением на гипотетический источник сигнала.
На Фиг. 2 приведена схема линейной гидроакустической антенны (вид сверху), представляющей из себя набор из установленных друг за другом 3-х векторно-скалярных приемников (секций I, II и III) описанных выше, где обозначения соответствуют Фиг. 1. При этом сдвоенные приемники звукового давления 5 могут быть объединены в единый приемник с двумя электрическими выходами.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
Для регистрации полезного сигнала векторно-скалярный приемник размещают в линейной конфигурации (Фиг. 1). При этом две компоненты градиента звукового давления в направлении ортогональном оси линии 1 регистрируются на выходах двух взаимно-ортогональных каналов ПГД 3 и 4, размещенных в одном корпусе 2. Два идентичных приемника звукового давления 5 размещаются вдоль оси 1, так чтобы между их центрами было расстояние λ/4 по отношению к верхней частоте рабочего диапазона устройства. В простейшем случае приемники звукового давления располагают симметрично вперед и назад от центра корпуса ПГД, так, что между центром корпуса ПГД и центрами приемников звукового давления расстояние соответствует λ/8.
Выходы ПГД и приемников звукового давления соединяются с регулируемыми усилителями (на Фиг. 1-2 не приведены). Причем с помощью усилителей подключенных к обоим приемникам звукового давления их сквозные чувствительности к звуковому давлению в плоской звуковой волне выравниваются насколько возможно ближе. Выходы усилителей приемников звукового давления подключают параллельно на сумматор, на выходе которого формируют отклик единого приемника звукового давления, и на вычитающее устройство, на выходе которого формируют отклик двухгидрофонного приемника градиента давления, максимумы чувствительности которого ориентированы в направлении ортогональном ориентации максимумов чувствительности обеих компонент двухкомпонентного приемника градиента давления. Затем сигналы с выходов усилителей ПГД и вычитающего устройства с помощью основных или дополнительных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления выравнивают, так чтобы их сквозные чувствительности к звуковому давлению в плоской звуковой волне были насколько возможно ближе. После этого отклики всех трех каналов ПГД подвергают интегрированию (деление на угловую частоту), а затем чувствительности всех ПГД и единого приемника звукового давления с выхода сумматора к звуковому давления к звуковому давлению в плоской звуковой волне выравнивают насколько возможно ближе. Эти операции могут быть выполнены с помощью аналоговых усилителей или введения дополнительных коэффициентов передачи для сигналов преобразованных в цифровую форму. В результате получают векторно-скалярный приемник с каналами ПГД и звукового давления, чувствительности которых к звуковому давлению в плоской звуковой волне одинаковы, что является одним из искомых технических результатов.
С помощью полученного векторно-скалярного приемника можно производить пеленгование источников шумов в трехмерном пространстве известными аддитивным или мультипликативным методами. Однако прежде, чем пеленговать источник шумов, необходимо его обнаружить. Для обнаружения источника шума, как правило, нужно сформировать наиболее узкую однонаправленную характеристику направленности векторно-скалярного приемника. Искомая характеристика направленности чаще все описывается шириной характеристики направленности по уровню -3 дБ и уровнем боковых и тыльных лепестков, относительно основного максимума характеристики направленности.
Обычно для векторно-скалярных приемников формируют, например, в направлении перпендикулярном оси антенны по горизонтали, так называемые кардиоидные характеристики направленности, ширина направленности которых по уровню -3 дБ составляет 131°. Уровень тыльного лепестка равен нулю, однако уровень боковых лепестков составляет 0,5 от основного максимума. Это означает, что кардиоидная характеристика направленности подвержена сильному влиянию помех, приходящих в направлениях вдоль оси антенны и направлениях перпендикулярных оси антенны по вертикали. Значительно более помехоустойчивой является характеристика направленности вида произведения косинусоиды на кардиоиду - при формировании в направлении перпендикулярном оси антенны по горизонтали (Фиг. 2) представимую математической формулой [(1±cosA)cosA]/2, для которой ширина характеристики направленности по уровню -3 дБ составляет 76°, а уровни тыльного (под углом А=180°) и бокового (под углами А=±90°) лепестков оба равны нулю (п. РФ 2007053 C1, Gerhard М. Sessler, James Е. West, and R.A. Kubli. The Journal of the Acoustical Society of America 86, 2063 (1989); https://doi.оrg/10.1121/1.398464)
В устройстве (патент РФ 2007053 С1) было предложено формировать такую характеристику направленности для линейной буксируемой антенны только в одной плоскости. В перпендикулярной плоскости она оставалось кардиоидной. Таким образом, нуль бокового лепестка направленности удавалось обеспечить только в одном из перпендикулярных направлений, тогда как по второму помехоустойчивость антенны была недостаточной (уровень бокового лепестка 0,5). Предлагаемое техническое решение векторно-скалярного приемника впервые позволяет сформировать характеристику направленности для линейной антенны малого поперечного размера в трехмерном пространстве, обеспечивающую подавление до нуля боковых лепестков в любом из ортогональных максимуму характеристики направленности направлений, что является одним из искомых технических результатов.
Для того, чтобы сформировать пространственную характеристику направленности вида [(1±cosA)cosA]/2 с максимумом в направлении А=0 перпендикулярном оси антенны приемника (Фиг. 1) по горизонтали, отклик горизонтально ориентированного в направлении перпендикулярном оси антенны ПГД после интегрирования необходимо сложить с откликом единого приемника звукового давления, поделить на 2 и возвести в квадрат, что даст математическое выражение:
2
2
[(1+cosA)2]/2=[1+2cosA+cosA]/4.
2
2
2
2
2
2
Известно, что сумма квадратов трех ортогональных косинусоид дает ненаправленную характеристику направленности, аналогичную приемнику звукового давления. Если взять только две ортогональных косинусоиды, то получим тороидальную характеристику направленности. Тогда, если из полученного выше выражения вычесть тороидальную характеристику направленности с максимумами в направлении А=±90° в виде одной четвертой суммы квадратов интегрированных откликов вертикально ориентированного в направлении перпендикулярно оси антенны приемника градиента давления и ориентированного вдоль оси антенны приемника градиента давления, получим в виде упрощенном для одной плоскости: [1+2cosA+cosA]/4-sinλ/4=[cosA+sinA+2cosA+cos2A-sinA]/4=[2cosA+2cosA]/4=[(1+cosA)cosA]/2.
Последнее выражение соответствует искомому выражению для характеристики направленности в виде косинусоиды, умноженной на кардиоиду. Однако, в отличие от решения, предложенного в патенте РФ 2007053 С1, теперь эту характеристика направленности осесимметрична, т.е. имеет нулевой уровень восприимчивости сигнала в любом направлении ортогональном оси А=0. Таким образом, значительно возрастает помехоустойчивость, особенно к анизотропным помехам, а, следовательно, и возможная дальность обнаружения источников подводных шумов.
Особенностью полученной характеристики направленности является то, что она получена без операций мультипликации. Известно, что оптимальным приемником сигнала в виде случайного шума является квадратичный тракт. Обычно он подключается к приемнику звукового давления и при малых размерах антенны никакой направленности в пространстве не имеет. В нашем случае в результате описанных операций вычитания, суммирования, интегрирования, квадратирования и вычитания реализуется квадратичный тракт обнаружения, обладающий, однако, улучшенной избирательностью (однонаправленностью) в трехмерном пространстве.
Хотя в принципе, формирование характеристики направленности вида кардиоида, умноженная на косинусоиду, известно (например, патент РФ 2007053 С1, Gerhard М. Sessler, James Е. West, and R.A. Kubli. The Journal of the Acoustical Society of America 86, 2063 (1989); https://doi.org/10.1121/1.398464), однако, только в предложенном устройстве векторно-скалярного приемника эта характеристика направленности может быть осуществлена для линейных антенн малого поперечного сечения в направлениях перпендикулярных оси приемника и антенны.
Аналогично можно сформировать такие же характеристики направленности в направлении максимума чувствительности любого из трех имеющихся ПГД, т.е, в направлении перпендикулярном оси антенны по горизонтали влево и вправо (А=0), в направлении перпендикулярном оси антенны по вертикали вверх и вниз (90°-А=0), в направлении вдоль оси антенны вперед и назад (В=0). Такое формирование, в общем, 6-ти характеристик направленности возможно как в параллельном (многолепестковом) режиме, так и при последовательном осмотре пространства.
Известно, что сформированный вдоль оси антенны двухгидрофонный ПГД ограничен качеством дипольной характеристики направленности по частотному диапазону снизу длинами волн λ/40-λ/50, даже при использовании процедуры выравнивания чувствительностей входящих в него приемников звукового давления, тогда как ПГД (силового или инерционного типов), ориентированные ортогонально оси антенны, такого ограничения не имеют. Поэтому, чтобы расширить в низкочастотную область рабочий диапазон векторно-скалярного приемника в целом, необходимо и достаточно увеличить размер базы двухгидрофонного ПГД. Это достигается тем, что в линейной антенне (Фиг. 2) вдоль ее оси установлено последовательно несколько секций, состоящих из вышеописанных векторно-скалярных приемников, при этом сдвоенные приемники звукового давления 5 могут быть объединены в единый приемник с двумя электрическими выходами. Причем на вычитающее устройство, на выходе которого сформирован отклик приемника градиента давления, ориентированного вдоль оси антенны, подключены приемники звукового давления, размещенные не около двухкомпонентного приемника градиента своей секции, а приемники звукового давления смежных секций векторно-скалярных приемников, расположенные симметрично относительно двухкомпонентного приемника градиента давления своего векторно-скалярного приемника через один и более корпусов двухкомпонентных приемников градиента давления.
Так, например, если в качестве основного векторно-скалярного приемника используется средняя секция (II) антенны (Фиг. 2), то на вычитающее устройство, на выходе которого сформирован отклик приемника градиента давления, ориентированного вдоль оси антенны, подключены приемники звукового давления 5-5 первой I и третьей III секций. В результате диапазон рабочих частот (и верхняя, и нижняя частоты) двухгидрофонного приемника градиента давления, ориентированного вдоль оси антенны сдвигается примерно в 3 раза ниже, чем у приемника, показанного на Фиг. 1.
При воздействии вибрационных помех двухгидрофонный ПГД направленный вдоль оси антенны к этим вибрациям слабо восприимчив, т.к. каждый из формирующих его приемников звукового давления имеет слабую виброчувствительность. Напротив, ПГД ортогональной к оси антенны ориентации, выполненные по инерционной или силовой схемам весьма подвержены воздействию вибраций. Поэтому для повышения помехозащищенности устройства от вибрации ПГД силового типа может быть выполнен с компенсационной виброзащитой, например, как описано в п. РФ №2624791 С1.
В качестве примера осуществления рассмотрим следующую конструкцию. Корпус 2 ПГД (Фиг. 1) выполнен в виде шайб из сферопластика диаметром 50 см, в отверстиях которых установлены сейсмические акселерометры РСВ 393 В05, оси чувствительности которых ориентированы взаимно ортогонально и перпендикулярно оси антенны, аналогично описанию (Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Горовой С.В., Костив А.Е., Ширяев А.Д. Низкочастотные приемники градиента давления инерционного типа для океанологических исследований // Приборы и техника эксперимента. 2017. №4. С. 142-146.). На расстоянии 18,75 см от центра корпуса 2 (от плоскости соприкосновения шайб из сферопластика) установлены центры приемников звукового давления, которые выполнены в виде герметизированных полых пьезокерамических цилиндров диаметром 30 или 33 мм (серийно выпускаемые промышленностью), ориентированных осью цилиндра вдоль оси антенны. Данный пример при соответствующей настройке регулируемых усилителей обеспечивает функционирование векторно-скалярного приемника в диапазоне частот между 100 Гц (волновая длина приемника λ/40) и 1000 Гц (волновая длина приемника λ/4), наиболее информативном для линейных гидроакустических антенн, например, буксируемых.
При необходимости работы в более низкочастотном диапазоне вдоль оси антенны устанавливают последовательно несколько секций (Фиг. 2), состоящих из вышеописанных векторно-скалярных приемников, причем на вычитающее устройство, на выходе которого сформирован отклик приемника градиента давления, ориентированного вдоль оси антенны, подключены приемники звукового давления, расположенные симметрично через один (снижение нижней и верхней частот рабочего диапазона примерно в 3 раза) или два (снижение нижней и верхней частот рабочего диапазона примерно в 5 раз) корпуса двухкомпонентных приемников градиента давления. Все остальные технические решения остаются прежними.
В случае значительного влияния вибрационных помех целесообразно двухкомпонентный ПГД выполнить в виде описанном в статье (Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Горовой С.В., Дегтярев И.В., Серветников М.И. Низкочастотный приемник градиента давления силового типа // Материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 2 октября - 6 октября 2017 г. Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, с. 193-196.) и снабдить его устройством виброкомпенсации, например, как предложено в п. РФ №2624791.
Компенсационную виброзащиту заявляемого приемника предварительно настраивают, помещая векторно-скалярный приемник в сборе под поверхность воды на перевернутом вибрационном столе, прикрепляя его к виброболту, и возбуждая продольные колебания корпуса приемника последовательно в направлениях максимальной чувствительности каналов ПГД и, соответственно акселерометров. При этом коэффициенты усиления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления устанавливают так, чтобы обеспечить минимальный уровень отклика на вибрационную помеху, т.е. максимум подавления вибрационной помехи по каждому из ортогональных каналов ПГД (п. РФ №2624791 С1).
Остальные конструктивные элементы заявляемого устройства (Фиг. 1-Фиг. 2) выполняют с помощью стандартных технологий акустического приборостроения и металлообработки.
Таким образом, за счет предлагаемых решений реализуется векторно-скалярный приемник с 3-компонентным ПГД и приемником звукового давления для линейной гидроакустической антенны малого поперечного размера, обеспечивающий улучшенную пространственную избирательность (однонаправленность) и возможность снижения воздействия вибрационных помех на достоверность регистрации полезного сигнала.