МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ДУГОВАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к гидроакустическим антенным устройствам стационарно размещенным слева и справа по борту на движущемся носителе и позволяют гидролокатору бокового обзора (ГБО) в процессе обследования подводного пространства получить сонограмму полосы донной поверхности, расположенной вдоль пути судна. Излучение посылок и прием эхосигналов осуществляется в направлениях, перпендикулярных направлению движения, вправо и влево от этого направления в сторону дна.
В гидроакустике при локации и пеленговании применяются различные способы обзора пространства, техническая реализация которых требует соответствующих конструкций многоэлементных приемоизлучающих интерференционных антенн с различной формой излучающей поверхности - плоской, цилиндрической, сферической и т.д. Гидроакустическая антенна представляет собой устройство, содержащее определенное число дискретных электроакустических преобразователей с элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции, несущую конструкцию необходимой конфигурации, а также линии коммуникаций с вводами/выводами электрической энергии. За счет сложения когерентных ультразвуковых колебаний зондирующего сигнала в водной среде, вызванных в точке наблюдения различными участками колеблющейся поверхности антенны, и/или эхосигнала на ее поверхности, обеспечивается пространственно-избирательное излучение и прием. Электроакустические преобразователи представляют собой электромеханические системы, предназначенные для преобразования электрической энергии колебаний в ультразвуковую, излучения их в водную среду, приема ультразвуковой энергии колебаний, отраженных расположенными в водной среде объектами, и последующего преобразования их в электрические сигналы. При этом используются обратимые пьезоэлектрический и магнитострикционный эффекты. Процесс излучения ультразвука в водную среду осуществляется электромеханической колебательной системой под воздействием приложенных сил возбуждающего электрического/магнитного поля в результате возникновения переменного движущего усилия, которое сообщается излучающей поверхности. Под воздействием поля отраженных ультразвуковых волн принимающая поверхность и соединенная с ней колебательная система приходят в состояние колебаний. В результате этого на выходе приемного преобразователя появляется переменное электрическое напряжение, которое в конечном итоге воспринимается индикатором устройства. Электроакустические преобразователи распределяются и устанавливаются на несущей конструкции определенной пространственной конфигурации, снабжаются элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции и соединяются линиями коммуникаций в определенной последовательности между собой и с выводами/вводами электрической энергии. Антенны гидроакустических средств предназначены не только для преобразования акустических сигналов в электрические и обратно, но и для выполнения функций пространственной обработки акустических сигналов, в частности, формирования характеристики направленности и позиционирования ее в пространстве.
Для исследования стратификации и физико-механических свойств донного грунта используются специальные эхолоты, называемые также грунтографами или профилографами, которые включают в себя стандартные для эхолотов блоки: излучатель, блок его возбуждения, приемную гидроакустическую антенну, блок обработки и отображения информации, причем, частоты рабочих сигналов находятся в диапазоне 3-10 кГц. Технические возможности таких эхолотовых систем в значительной мере определяются чувствительностью и направленными свойствами приемной антенны, что делает перспективным применение гибкой протяженной буксируемой гидроакустической антенны (линейной пьезокосы), состоящей из групп резонансных электроакустических преобразователей либо широкополосных гидрофонов.
Известна гибкая протяженная буксируемая антенна (линейная пьезокоса) (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана Под ред. В.В. Богородского - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. с. 82-84), конструкция которой содержит электроакустические преобразователи, распределенные в секции в линейном направлении, линии коммуникаций (провода), соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами, аккумуляторы, предварительный усилитель, элементы экранировки, гидро-, электро-, шумоизоляции и пространственной стабилизации в горизонтальном рабочем положении.
Гибкая протяженная антенна (линейная пьезокоса) буксируется позади судна, поскольку судно имеет высокий уровень шумов в области частот используемого сигнала пневмопушки. Под воздействием поля отраженных от донных слоистых отложений акустических волн принимающая поверхность антенны и соединенные с ней электроакустические преобразователи приходят в состояние колебаний. В результате этого после предварительного усиления на выходе линейной приемной антенны появляется переменное электрическое напряжение, которое в конечном итоге воспринимается индикатором устройства, а также регистрируются в виде записей эхолота и сейсмопрофилографа, выполненные при движении по трассе на разных частотах, позволяя визуализировать рельеф дна и донных слоев.
Недостатком известной гибкой протяженной буксируемой антенны является ограниченная применимость для детального обследования донной поверхности методом бокового обзора. Это обусловлено следующими факторами:
- при работе гидроакустических средств с гибкими протяженными буксируемыми антеннами возникают различные помехи - гидродинамические, вибрационные, гидростатические, механическо-деформационные и трибоэлектрические, что снижает отношение сигнал-шум на входе приемного тракта с преобладанием вибрационных и механически-деформационных помех при движении со скоростью менее 6 узлов и гидродинамических помех при более высоких скоростях;
- при сложении когерентных колебаний на поверхности протяженной приемной линейной антенны в окружающем пространстве формируется характеристика направленности в виде объемного тела вращения, ось которого совпадает с самой антенной, причем, основной лепесток характеристики направленности находится в ее средней части и располагается в перпендикулярной к ней угломестной плоскости, в которой он будет узок, но всенаправлен. В результате этого в рабочем положении буксируемая антенна может принимать эхосигналы из всего окружающего пространства в вертикальной плоскости, а не только из необходимого донного сектора, в пределах которого также невозможно различить эхосигналы как от левой, так и от правой участков донной поверхности относительно направления движения носителя;
- имеющаяся лево-правосторонняя неоднозначность определения пеленга донной цели требует осуществления специального маневра корабля-буксировщика - циркуляции, т.е. поворота от необходимого курса, что искажает масштабы записи донной поверхности при осуществлении бокового обзора; при выполнении циркуляции вправо - курсовой угол цели, находящейся по левому борту, увеличивается, а курсовой угол другой цели по правому борту - уменьшается;
- устранение лево-правосторонней неоднозначности отсчета пеленга с помощью гибкой протяженной буксируемой антенны требует существенного усложнения ее конструкции - установку кардиоидных приемников на конце линейной антенны, использование широкополосных трехэлементных гидрофонов - «триплетов» или выполнение самой антенны в виде нескольких линейных «параллельных» линейных антенн, т.е. в виде многолинейной антенной решетки, что приводит к значительному снижению надежности антенны.
- для облучения дна необходим низкочастотный излучатель (электроискровой, электродинамический, пневматический), который в рабочей полосе частот является ненаправленным - дно облучается только частью акустической энергии с недостаточной угловой разрешающей способностью, в результате чего затрудняется получение достоверных трехмерных изображений звукорассеивающих поверхностей и объектов на дне подводной акватории; в режиме излучения линейная буксируемая антенна (пьезокоса) для решения рассматриваемой задачи неприменима;
- линейные буксируемые антенны имеют значительные продольные размеры, например, модель антенны 264 фирмы "EG and G International" (США) при диаметре 0,05 м имеет активную длину 45 м при длине буксировочного кабель-троса до 240-300 м.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, экранировки, гидро-, электро-, шумоизоляции.
Известна многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, снабженная трехплоскостным экраном-отражателем (Клей, Г. Медвин Акустическая океанография: основы и применения - М.: изд-во «Мир», 1980. - с. 171-176, Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - с. 87). Многоэлементная гидроакустическая антенна цилиндрической формы, обеспечивает прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержит электроакустические преобразователи, распределенные в секции в линейном направлении, образуя цилиндрическую боковую поверхность - рабочую апертуру, линии коммуникаций, соединяющие преобразователи между собой и через вводы/(выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также экран - отражатель.
Известная многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, снабженная трехплоскостным экраном-отражателем - имеет следующие недостатки, снижающие тактико-технические характеристики ГБО и ограничивающие ее применение:
- уменьшение надежности антенны вследствие увеличения числа электроакустических преобразователей, сопутствующих дополнительных устройств для электроизоляции, экранировки, герметизации и т.д.;
- неремонтопригодность многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности при выходе из строя части электроакустических преобразователей;
- искажение результирующей характеристики направленности антенны из-за возбуждения собственных резонансных колебаний металлических элементов акустического экрана-отражателя сложной конструкции;
- снижение энергетического потенциала гидролокатора бокового обзора акустическим экраном-отражателем, являющимся составной частью многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экраны.
2
Известна принятая за прототип многоэлементная антенна с плоской прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) излучающей поверхностью (20000 мм), входящая в комплект гидролокатора бокового обзора подводного буксируемого аппарата НГА-1 (Новиков Б.К., Тимошенко В.И Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - c. 215-218). Многоэлементная гидроакустическая антенна с прямоугольной плоской апертурой, обеспечивает прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью и содержит электроакустические преобразователи, поверхности которых образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии коммуникаций, соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, корпус, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Электроакустические преобразователи выполнены в виде полуволновых пьезокерамических стержней, которые эквидистантно распределены по ее плоской формируемой апертуре, но с зазорами, размер которых составляет около половины длины волны излучаемого сигнала. Электроды пьезоэлементов преобразователей электрически соединены между собой. Преобразователи крепятся с помощью клея к пенопластовой основе, являющейся их тыльным акустически мягким экраном, которая в свою очередь плотно входит в корпус. Антенна в сборе через шумоизолирующую резину крепится болтами к корпусу подводного буксируемого аппарата таким образом, что ее акустическая ось наклонена вниз на 20° относительно горизонта при стабилизированном пространственном положении движущегося под водой аппарата.
Недостатком прототипа - интерференционной многоэлементной антенны с плоской прямоугольной приемоизлучающей апертурой является ограниченная применимость для детального обследования донной поверхности методом бокового обзора, обусловленная следующим:
- неремонтопригодность при выходе из строя части электроакустических преобразователей (располяризация в мощных электрических возбуждающих полях за счет недостаточного отвода тепла корпусом, нарушение электрического контакта, термическое разрушение акустически мягкой пенопластовой основы-экрана и т.д.);
- энергетический потенциал антенны - прототипа, характеризуемый удельной акустической мощностью ее излучения, ограничен величиной площади ее плоской апертуры - для увеличения энергетической дальности действия ГБО путем увеличения излучаемой акустической энергии необходимо увеличение площади антенны, т.е. увеличение ее геометрических размеров. Это приводит к уменьшению угловой ширины основного лепестка характеристики направленности как в угломестной, так и в азимутальной плоскостях, причем, уменьшение угловой ширины основного лепестка в азимутальной плоскости приводит к увеличению минимальной дальности (мертвой зоны) при обследовании донной поверхности методом бокового обзора. Для метода бокового обзора эффективно применение интерференционных дуговых антенн с изменяемой угловой разрешающей способностью как в азимутальной, так и угломестной плоскостях, что в прототипе не осуществимо;
0,7(ƒ)
0,7(ƒ)
0,7(ƒ)
0,7(ƒ)
MIN
0,7(ƒ)
0,7(ƒ)
- способ обзора донной поверхности и оптимальная для этого форма основного лепестка характеристики направленности определяют дальность действия ГБО. Так, для обнаружения малого объекта необходимо получить от него не менее к отражений, для того чтобы исключить возможность его пропуска (3≤k<5). При угловой ширине основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости ϕ (радиан) на удалении r от антенны одной посылкой будет облучаться участок длиной Y=2rϕ. С другой стороны, при скорости перемещения антенны υ (м/с) и излучении N посылок в секунду между двумя последовательными излучениями антенна переместится на расстояние X = υ/N. Тогда для получения  облучений цели необходимо соблюдение условия кυ/N≤X≤2rϕ. Это условие будет выполнено, если скорость перемещения антенны будет равна υ≤2rNϕ/к. С учетом того, что длина облучаемой одной посылкой участка дна будет уменьшаться с уменьшением расстояния r от антенны, можно определить минимальную дальность действия ГБО при которой еще можно получить  отражений от цели r≥кυ/2Nϕ Для уменьшения минимальной дальности действия ГБО можно, например, увеличивать угловую ширину основного лепестка ϕ характеристики антенны в азимутальной плоскости, что, однако, в прототипе не предусмотрено. Конструкция многоэлементной антенны прототипа обусловливает наличие протяженной минимальной дальности (мертвой зоны) ГБО, что снижает вероятность уверенного обнаружения малых объектов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: корпус, электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экраны, основание и герметизирующий звукопрозрачный полимер.
Задачей полезной модели является создание многоэлементной дуговой антенны для подводного бокового обзора с расширенными эксплуатационными возможностями.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении минимальной дальности действия (мертвой зоны) при детальном обследовании поверхности методом бокового обзора с помощью многоэлементной дуговой антенны путем расширения угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости.
a
a
a
a
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной дуговой антенне, содержащей корпус, электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, узел крепления и экранирования, узел экранирования корпуса и узел электроизоляции и герметизации, апертура многоэлементной дуговой антенны, выполнена в виде выпуклого, состоящего из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая  находится в угломестной плоскости и длина образующей на порядок меньше размера хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L, а стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L хорда , связаны между собой соотношениями h=×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L=0,01745Rα; =2Rsin(α/2), при этом апертура антенны выполнена с возможностью изменения параметров, сокращающих мертвую зону бокового обзора.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображены две проекции многоэлементной дуговой антенны.
а
а
a
а
Многоэлементная дуговая антенна 6 (фиг. 1), помещенная в водную среду 7, содержит корпус 4, в котором размещены электроакустические преобразователи 1, элементы электрической коммутации (на чертеже не показаны), узел крепления и экранирования 2, узел экранирования корпуса 3 и узел электроизоляции и герметизации 5, выполненный в виде слоя герметизирующего полимера. Апертура многоэлементной дуговой антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей 1, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая  находится в угломестной плоскости. Длина образующей  на порядок меньше размера хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L. Стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L, хорда , связаны между собой соотношениями h=×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L=0,0l745Rα; =2Rsin(α/2).
СТ
Обратимые электроакустические преобразователи 1 - стержневые полуволновые пьезоэлементы, состоят целиком из пьезокерамики, имеют форму стержня резонансного размера , где с - скорость звука в стержне, ƒ - резонансная частота его колебаний и наклеиваются на искривленную заданным образом поверхность акустически мягкого основания отражателя 2, и заливаются звукопрозрачным герметизирующим полимером 5. Данная технология изготовления дает возможность получить гибкий пьезокерамический пьезоблок необходимых габаритов, устанавливаемый в корпус 4, снабженный экраном внутренней поверхности 3.
Выбор значений указанных параметров апертуры антенны позволяет сократить минимальную дальность действия (мертвую зону) метода бокового обзора.
2
Г
При одинаковой с прототипом площади прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) излучающей поверхности (20000 мм) и частоте накачки 150 кГц длина волны в воде составляет 1 см, длина дуги L равна 70 см. Если задать рабочий сектор α=10°, то радиус кривизны дуги R составит 4 м, а стрела прогиба h - 1,522 см. Таким образом, соотношение h/λ будет равно 1,522 и произойдет стабилизация расширения основного лепестка характеристики направленности дуговой антенны с величиной несколько меньшей, чем рабочий сектор α, равной θ≈ 9°. В результате, по сравнению с прототипом, минимальная дальность действия (мертвой зоны) ГБО будет сокращена с 58 м до 6,4 м при прочих неизменных условиях (максимальной разрешающей способности по дальности сτ/2 ≈ 3,75 м).
Функционирование многоэлементной дуговой антенны для бокового обзора происходит следующим образом.
Из тракта излучения локатора по кабелю (на чертежах не обозначен) поступает переменное электрическое напряжение, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой стержневых полуволновых пьезоэлементов электроакустических преобразователей 1, объединенных в пьезоблок. В силу пьезоэлектрических свойств, стержни будут изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания через звукопрозрачный герметизирующий полимер 5 передаются в водную среду 7 и распространяются в ней в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн одинаковой интенсивности во всех направлениях, что создает в окружающем пространстве на равных расстояниях от источника равномерное ультразвуковое поле. При синфазном электрическом возбуждении всех полуволновых стержневых пьезоэлементов электроакустических преобразователей 1, составляющих многоэлементную дуговую антенну с приемоизлучающей апертурой в виде отсека цилиндрической поверхности, ее характеристика направленности в водной среде будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой точке водной среды, проявляющейся в перераспределении звуковой энергии в виде чередующихся минимумов и максимумов амплитуды результирующего колебания при изменении угла отклонения лучей от нормали к линии, соединяющей источники колебаний (плоскость звукопрозрачного герметизирующего полимера 5). При эхолокации антенна преобразует подаваемые на нее импульсы электрической энергии и излучает импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. Импульс ультразвуковой энергии распространяется в водной среде и при наличии на его пути объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды, происходит отражение акустических колебаний от него, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает, пройдя через звукопрозрачный герметизирующий полимер 5, электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей 1, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволновых стержневых электроакустических преобразователей 1, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение, поступающее по кабелю (на чертежах не показан) в приемный тракт локатора.
обл
0,7(ƒ)
0,7(ƒ)
Характерной особенностью осуществления бокового обзора с помощью многоэлементной дуговой антенны с приемоизлучающей апертурой в виде отсека цилиндрической поверхности является увеличение времени облучения объекта τ=ϕ×r/υ, где ϕ - угловая ширина характеристики направленности антенны на частоте ƒ в азимутальной плоскости, r - наклонная дальность, υ - скорость прямолинейного, равномерного и поступательного движения носителя по линии курса без учета имеющихся в реальных условиях угловых колебаний приемоизлучающей антенны (рысканье, крен и дифферент) и, следовательно, количества принятых от объектов импульсов пропорционально дальности, обеспечивая определенные энергетические преимущества при их обнаружении. Данный факт в сочетании с эффектом синхронного некогерентного накопления на индикаторе приемного тракта локатора может быть использован для существенного повышения соотношения сигнал/помеха.
а
а
а
а
Решение поставленной задачи обеспечивается за счет выполнения апертуры многоэлементной дуговой антенны, состоящей из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая  находится в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды , стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L; стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L, хорда , связаны между собой соотношениями h=×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L= 0,01745Rα; =2Rsin(α/2), причем, выбор необходимых величин указанных параметров апертуры антенны позволяет сократить минимальную дальность действия (мертвую зону) метода бокового обзора.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в качестве многоэлементной дуговой антенны для подводного бокового обзора с расширенными эксплуатационными возможностями - сокращенной минимальной дальностью действия (мертвой зоной) за счет расширения угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости.