ТРАКТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к гидроакустическим средствам с использованием режима параметрического излучения.
1
2
1
2
1,2
1,2
При работе в режиме параметрического излучения в водную среду одновременно, из одного и того же источника и в одном направлении излучаются два высокочастотных (ВЧ) сигнала, с частотами колебаний f и f, близкими по значениям. Вследствие нелинейного взаимодействия этих сигналов, называемых сигналами накачки, в воде образуется сигнал разностной частоты F=|f-f|<<f. Диаграмма направленности (ДН) на низкой частоте F в области главного максимума ДН практически совпадает с ДН на высоких частотах f, что позволяет сформировать узконаправленное излучение сигнала на низкой частоте малым по размеру раскрыва источником ВЧ излучения.
Тракт параметрического излучения состоит из тракта возбуждения двухчастотного ВЧ-сигнала и гидроакустической антенны, которую называют источником сигналов накачки. Гидроакустическая антенна обычно является многоэлементной (по аналогии с радиотехническими антеннами многоэлементные гидроакустические антенны называют дискретными антеннами, или антенными решетками); элементами гидроакустической антенны являются гидроакустические преобразователи (в дальнейшем - преобразователи). Тракт возбуждения состоит из высокочастотных формирователя сигнала возбуждения и усилителя мощности.
1,2
1
2
1
2
Различают два типа схем тракта возбуждения. При первом типе схемы тракта возбуждения в формирователе образуется сигнал возбуждения со спектром из двух частот f. После усиления по мощности сигнал поступает на гидроакустическую антенну. При втором типе схемы имеются два независимых тракта, каждый из которых состоит из формирователя и усилителя мощности. Первый из этих трактов возбуждения формирует (и усиливает) сигнал частоты f, а второй тракт возбуждения - сигнал частоты f. Достоинства и недостатки разных схем тракта возбуждения изложены в книге [1]. В обеих типах схем возбуждения нагрузкой является единая гидроакустическая антенна; в случае первого типа схемы тракта возбуждения сигнал от усилителя мощности подается на все преобразователи антенны, в случае второго типа схемы тракта возбуждения преобразователи гидроакустической антенны делятся на две части, на одну подают сигнал частоты f, а на другую - сигнал частоты f.
Известны способы и устройства, в которых предлагается построение тракта возбуждения параметрического излучения. В патентах [2-4] предлагаются схемы тракта возбуждения первого типа, которые не эффективны при излучении широкополосного сигнала и к которым предъявляются высокие требования по линейности усилителя мощности, но схема тракта возбуждения первого типа реализуется более простой по конструкции гидроакустической антенной. В патенте [5] используется схема возбуждения второго типа, гидроакустическая антенна разделена на две половины, что снижает эффективность нелинейного взаимодействия сигналов частот накачки. В патентах [6, 7] также используется схема возбуждения второго типа, а гидроакустическая антенна представляет собой дискретную решетку преобразователей, состоящую из вложенных друг в друга подрешеток, что повышает эффективность формирования сигнала разностной частоты F.
1
2
Во избежание появления дополнительных лепестков ДН, равных основному, преобразователи гидроакустической антенны должны располагаться таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами соседних преобразователей d было менее λ/2 [8], где λ - длина волны сигнала, излучаемого антенной. В случае вложенных подрешеток преобразователей необходимо выдержать условие d≤λ/2 для каждой из подрешеток в отдельности, что возможно только для «точечных» преобразователей, т.е. для преобразователей с размером излучающей поверхности менее λ/4. Преобразователи такого размера малоэффективны и не используются в гидроакустических антеннах [8]. При использовании схемы тракта возбуждения первого типа такой проблемы не возникает, т.к. на каждый преобразователь гидроакустической антенны одновременно поступают сигналы частот накачки f и f.
Для получения ДН антенны необходимой формы, а также для сканирования основного максимума ДН в заданном секторе углов требуется ввести амплитудно-фазовое распределение по элементам антенны. В этом случае формирователи и усилители мощности заявляемого тракта должны быть многоканальными.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением по техническим и функциональным характеристикам является тракт параметрического излучения, состоящий из двух трактов возбуждения ВЧ-сигналов и единой излучающей гидроакустической антенны - источника сигнала накачки, представленный в книге [1, стр. 138-142], где указано, что имеется проблема построения антенны при таком возбуждении, но в [1] не предлагаются конкретные технические решения, а в патентах [5-7] эта проблема даже не упоминается. Техническое решение [1, стр. 138-142] по построению тракта параметрического излучения, состоящего из двух трактов возбуждения и единой гидроакустической антенны, принято за прототип.
Устройство-прототип содержит два тракта возбуждения, каждый из которых состоит из формирователя, последовательно соединенного с усилителем мощности, а также единой гидроакустической антенны. Антенна состоит из М преобразователей и разделена на две вложенные друг в друга подрешетки, в каждую из которых входит по M/2 преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Усилители мощности трактов возбуждения соединены с подрешетками антенны.
Устройство-прототип [1] имеет следующие недостатки:
- физически невозможно разместить преобразователи одной подрешетки на расстояниях, не превышающих λ/4; размещение соседних преобразователей на расстояниях более λ/4 приводит к появлению максимумов ДН, равных или практически равных основному;
- чтобы решетки были идентичными, в них должно содержаться одинаковое количество преобразователей, а общее количество преобразователей тенны должно быть четным, такое требование не всегда удается выполнить по конструктивным соображениям, а при небольшом количестве преобразователей подрешетки будут значительно отличаться.
Общими задачами заявляемой полезной модели при построении тракта параметрического излучения являются:
- обеспечение положительных свойств схемы возбуждения первого типа (конструктивные - равномерное размещение преобразователей гидроакустической антенны и отсутствие требования четного количества преобразователей в антенне, полевые - отсутствие дополнительных максимумов ДН, близких по уровню к основному) при исключении отрицательных качеств схемы возбуждения второго типа, связанных с необходимостью размещения преобразователей на расстояниях d≤λ/4, а также четного количества преобразователей в антенне;
- сохранение всех положительных свойств схемы возбуждения второго типа, связанных с независимостью трактов возбуждения, при одновременном обеспечении положительных свойств схемы возбуждения первого типа.
Техническим результатом предлагаемого устройства является отсутствие в ДН дополнительных максимумов, равных основному, при равномерном размещении преобразователей гидроакустической антенны (источника двухчастотного сигнала накачки). Дополнительно исключается требование четного общего количества преобразователей гидроакустической антенны.
Указанные технические результаты обеспечиваются одновременно с возможностью формирования ДН заданной формы путем введения амплитудно-фазового распределения по элементам антенны, а также возможностью сканирования ДН в пространстве.
Для достижения заявляемого технического результата в тракт параметрического излучения, содержащий первый и второй формирователи сигналов возбуждения, соединенные соответственно с первым и вторым усилителями мощности, и гидроакустическую антенну, которая состоит из М стержневых пьезокерамических преобразователей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом выходы усилителей мощности соединены с электродами стержневых пьезоэлектрических преобразователей, введены новые признаки:
- электрод каждого стержневого пьезокерамического преобразователя гидроакустической антенны выполнен в виде двух равных по площади и изолированных электрически друг от друга частей, причем первая часть электрода каждого стержневого пьезокерамического преобразователя соединена с выходом первого усилителя мощности, а вторая часть электрода каждого стержневого пьезоэлектрического преобразователя соединена с выходом второго усилителя мощности;
1
2
- расстояние d между соседними стержневыми пьезокерамическими преобразователями выбирается из условия λ/4<d≤λ/2, где λ=c/f,f=(f+f)/2 - средняя частота сигнала накачки, с - скорость звука в воде;
- первый и второй формирователи сигналов возбуждения и первый и второй усилители мощности выполнены многоканальными, с одинаковым количеством N=М каналов в первом и втором формирователях сигналов возбуждения и в первом и втором усилителях мощности, выход каждого канала первого усилителя мощности, имеющего номер n≤N, соединен с первой частью электрода n-ого стержневого пьезоэлектрического преобразователя, а выход каждого канала второго усилителя мощности, имеющего тот же номер и, соединен со второй частью электрода того же n-ого стержневого пьезоэлектрического преобразователя.
Введение новых блоков и связей в предлагаемое устройство обеспечивает заявленные технические результаты, а именно:
1
2
- исключает появление в ДН максимумов, равных основному; отсутствие в ДН максимумов, равных основному происходит потому, что каждый стержневой пьезокерамический преобразователь излучает сигналы обеих частот f и f, а размер такого преобразователя можно выполнить таким, что расстояние между фазовыми центрами соседних стержневых пьезокерамических преобразователями d подчиняется условию λ/4<d≤λ/2;
- исключается требование четного общего количества преобразователей, т.к. каждый преобразователь является одновременно источником излучения обеих частот накачки.
Выполнение ряда задач антенной техники производится путем электрического объединения элементов антенны в группы, соединенные с одним каналом усилителя мощности [8]. Например, в случае антенны, представляющей собой прямоугольную решетку, при сканировании ДН в одной плоскости на каждый столбец решетки подается один и тот же сигнал, т.е. элементы столбца антенны соединены электрически в одну группу.
Если М стержневых пьезоэлектрических преобразователей гидроакустической антенны объединены в Q групп, причем в каждой группе стержневых пьезоэлектрических преобразователей первые части электродов соединены электрически и вторые части электродов соединены электрически, то первый и второй формирователи сигналов возбуждения и первый и второй усилители мощности выполнены многоканальными, с одинаковым количеством N=Q каналов в первом и втором формирователе и в первом и втором усилителе мощности, выход каждого канала первого усилителя мощности, имеющего номер q≤N, соединен с первыми, соединенными между собой частями электродов q-ой группы стержневых пьезокерамических преобразователей, а выход каждого канала второго усилителя мощности, имеющего тот же номер q, соединен со вторыми, соединенными между собой частями электродов q-ой группы стержневых пьезокерамических преобразователей.
Введение новых блоков и связей в предлагаемое устройство обеспечивает заявленные технические результаты.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1-3. На фиг.1 представлена блок-схема полезной модели, если формирователи и усилители мощности являются многоканальными при числе каналов N, равным числу стержневых пьезокерамических преобразователей гидроакустической антенны М; на фиг.2 - варианты выполнения электрода стержневого пьезокеармического преобразователя, имеющего две не соединенные электрически равновеликие по площади части (возможны и другие способы формирования такого электрода); на фиг.3 показана полезная модель с многоканальными формирователями и усилителями мощности, когда стержневые пьезокерамические преобразователи гидроакустической антенны объединены в группы (показан частный случай соединения стержневых пьезокерамических преобразователей в группы по два таких преобразователя в каждой).
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит электрически не связанные многоканальные формирователи 1 и 2 сигналов возбуждения. Формирователи 1 и 2 соединены с усилителями мощности 3, 4, соответственно. Гидроакустическая антенна 5 состоит из М стержневых пьезокерамических преобразователей 6. Электрод каждого преобразователя 6 разделен на две части, равные по площади и не соединенные электрически (расстояние между электродами Л, как показано на фиг.2).
В тракте параметрического излучения, представленном на фиг.1, в антенне 5 первая часть электрода каждого n-ого преобразователя 6 соединена электрически с n-ым. каналом усилителя мощности 3, а вторая часть электрода каждого n-ого преобразователя 6 соединена электрически с n-ым каналом усилителя мощности 4.
В тракте параметрического излучения, представленном на фиг.3, М преобразователей 6 антенны 5 разделены на Q групп, а количество каналов в формирователях 1,2 и в усилителях мощности 3, 4 N=Q, причем N=Q<М. Внутри q-ой группы преобразователей 6 первые части электродов преобразователей соединены электрически и вторые части электродов преобразователей соединены электрически. Канал усилителя мощности 3, имеющий номер q, соединен с первой частью электродов q-ой группы преобразователей 6, а q-ый канал усилителя мощности 4 соединен со второй частью электродов q-ой группы преобразователей 6.
Предлагаемое устройство состоит из известных по конструкции и принципу работы аналоговых и аппаратно-программных (цифровых) средств. К аналоговым относятся гидроакустическая антенна 5 и усилители мощности 3, 4; цифровыми (аналого-цифровыми) являются формирователи сигналов возбуждения 1 и 2.
Формирователи 1, 2 предназначены для формирования сигналов возбуждения антенны заданного спектрального состава. Эти сигналы могут быть непрерывными или импульсными с необходимыми длительностями и скважностями. Заполнение импульса может быть гармоническим сигналом или сигналом сложной формы (широкополосное излучение), реализуемое программируемым синтезатором сигналов. При необходимости один из сигналов возбуждения может быть простым (с гармоническим заполнением), а другой сигнал возбуждения - с заполнением сигналом сложной формы. В каждом канале формируется сигнал заданной амплитуды и фазы.
Усилители мощности 3, 4 предназначены для линейного усиления поступающих из формирователей 1, 2 сигналов; в состав каждого канала усилителя мощности входит устройство согласования с нагрузкой (не показано на фиг.1, 3).
Гидроакустическая антенна 5 состоит из М преобразователей 6, предназначена для преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний (акустическую) и формирования заданной ДН.
Расстояние Δ выбирается из условия выполнения отсутствия электрического контакта, а также выполнения условий на электрический пробой.
Выбор количества групп Q зависит от числа каналов в формирователях и усилителях мощности, а также от требований к ДН, формируемым на частотах сигнала накачки. При общем количестве преобразователей в антенне, равным М, и количестве преобразователей в q-ой группе, равном  количество преобразователей в группах принципиально может быть различным.
Рассмотрим работу устройства.
1
2
1,2
1
2
Каждый из многоканальных формирователей 1 и 2 формирует сигнал накачки заданного спектрального состава, причем формирователь 1 формирует сигнал частоты f, а формирователь 2 - частоты f. Сформированные сигналы частот f поступают на входы одноименных каналов усилителей мощности 3, 4, в которых усиливаются. После усилителей мощности сигналы частоты f (каналы формирователя 1 и усилителя мощности 3) подаются на первые части электродов преобразователей 6, а сигналы частоты f (каналы формирователя 2 и усилителя мощности 4) - на вторые части электродов преобразователей 6.
1
2
1
2
Поскольку преобразователи 6 гидроакустической антенны 5 являются линейными устройствами, акустическое давление P{t), развиваемое гидроакустической антенной 5, связано с напряжением U(t), подаваемым от усилителя мощности, линейной зависимостью: U(f)=kP(f), где k - константа. По принципу суперпозиции при подаче от каналов усилителей мощности 3, 4 на соответствующие части электродов преобразователей антенны электрического напряжения, содержащего сигналы возбуждения частот f и f, в воду излучается сигнал накачки, спектр которого содержит частоты f и f.
Таким образом, в заявляемом устройстве сохраняются преимущества тракта параметрического излучения со схемой возбуждения первого типа и одновременно реализуются преимущества тракта параметрического излучения со схемой возбуждения второго типа, указанные в [1]. При этом недостатки [1] обеих схем возбуждения исключаются и достигается заявленный технический эффект, заключающийся, во-первых, в возможности равномерного размещения преобразователей в антенне без возникновения лепестков ДН, равных основному; во-вторых, исключается требование о необходимости четного общего количества преобразователей антенны. Многоканальные формирователи сигналов возбуждения с многоканальными усилителями дают возможность формировать в пространстве ДН заданной формы и ориентации.
Полезная модель может быть использована в различных гидроакустических системах, использующих режим параметрического излучения, в том числе при излучении широкополосного сигнала.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. С.138-142 ПРОТОТИП
2. Патент Германии №19931387. Parametric transmission for echo sounding and underwater communications involves maximizing electroacoustic efficiency of transmission using switched power amplifiers. Публ. 01.02.2001
3. Патент РФ №2149424. Эхолокатор для поиска объектов вблизи дна, на дне и в приповерхностном слое дна. Приор. 20.01.1998, публ. 02.05.2000
4. Патент РФ №2247409. Способ высоконаправленного излучения и приема широкополосных гидроакустических сигналов. Приор. 21.07.2003, публ. 27.02.2005
5. Патент Германии №4444942. Underwater telephone system for submarine communications. Публ. 27.06.1996
6. Патент США №5790474. Active sonar for under-ice conditions. Публ. 04.08.1998
7. Патент РФ №2205420. Параметрический акустический локатор. Приор. 20.02.2002, публ. 27.05.2003
8. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л.: Судостроение, 1987