ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА
MULTIELEMENT HYDROACOUSTIC ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в составе гидроакустического канала связи в мелководных морях с многолучевым распространением сигнала.
Известны гидроакустические антенны, содержащие формирующий каркас и закрепленные на нем отдельные гидроакустические приемники, разнесенные по поверхности двойной кривизны на равные расстояния, меньшие длины волны несущей частоты сигнала (патент РФ №2365936 от 27.09.2009 г.). Благодаря оптимальному размещению приемников достигается улучшение характеристики направленности антенны за счет снижения уровня боковых лепестков диаграммы, а также улучшения симметрии главного лепестка диаграммы. Недостатком такой антенны при ее использовании в многолучевом канале связи является низкая эффективность приема из-за несогласованности диаграммы направленности с направлениями приходящих лучей.
Известны также акустические антенны в виде многоэлементной плоской решетки с большим количеством точечных гидрофонов, размещенных в углах решетки (патент РФ №2080743 от 27.05.1997 г.). Такая антенна имеет управляемую диаграмму направленности за счет перестройки встроенных линий временной задержки для каждого гидрофона. Для этого линии задержки включены последовательно с гидрофонами, а выходные сигналы с линий задержки суммируются на несущей частоте. Совмещение диаграммы направленности антенны с направлением прихода сигнала осуществляется сканирующей следящей системой по углу места и по азимуту. Недостатком антенны при работе в многолучевом канале связи является неустойчивость режима слежения вследствие отсутствия преобладающего по амплитуде акустического луча. Антенна вместе с устройством управления диаграммой направленности отличается большой сложностью и высокой стоимостью, что снижает ее технико-экономические показатели.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является конструкция гидроакустической многоэлементной антенны со стержневым пьезокерамическим преобразователем (патент РФ №2303336 от 20.07.2007 г.). Антенна содержит набор размещенных в цилиндрическом корпусе пьезоэлектрических стержневых элементов со стаканообразными накладками, обращенными друг к другу краями стенок, на наружные боковые поверхности которых надеты с натягом упругие манжеты из резины. Приемные элементы закреплены на общей круглой накладке, закрепленной на корпусе, поджатой винтами к наружной цилиндрической поверхности антенны. В качестве электроизоляционной среды, заполняющей внутреннюю полость, выбран элегаз. В многолучевом канале такая антенна не обеспечивает эффективности приема вследствие проявления эффекта замирания амплитуды сигнала в случайные моменты времени (фединг). Замирание сигнала обусловлено интерференцией отдельных лучей в точке приема, приходящих с различных направлений с разными фазами и временными задержками. При разности фаз 180° происходит взаимная компенсация звукового давления и снижение уровня суммарного сигнала ниже порога чувствительности приемного устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является создание гидроакустической антенны, свободной от недостатков аналогов и прототипа, обладающей антифединговым эффектом и обеспечивающей устойчивую связь в условиях многолучевого канала мелководных морей.
Поставленная задача решается тем, что гидроакустическая многоэлементная антенна, содержащая маслонаполненный герметичный корпус и приемные пьезокерамические элементы, расположенные на равных расстояниях вдоль вертикальной оси антенны, закрытые снаружи звукопрозрачным полимерным материалом и подключенные к буферным усилителям для согласования высокого импеданса приемных элементов с низким волновым сопротивлением соединительного кабеля, отличающаяся тем, что герметичный корпус выполнен в виде вертикального несущего цилиндра, уплотненного по торцам двумя жесткими накладками с канавками под герметизирующие резиновые кольца и соединенные между собой продольной резьбовой стяжкой, а на боковую поверхность несущего цилиндра с окнами для электровводов герметично насажаны тонкостенные пьезокерамические кольца, имеющие широкую частотную характеристику с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и разделенные между собой по вертикали рупорами конической формы, которые образуют многолепестковую диаграмму направленности антенны в вертикальной плоскости по преобладающим направлениям углов прихода акустических лучей, формируя по каждому лепестку диаграммы направленности независимые каналы приема данных с несовпадающими по времени моментами интерференционных замираний сигнала.
Преимущества предлагаемой конструкции антенны, позволяющие устранить отмеченные недостатки аналогов и прототипа, заключаются в совокупности отличительных признаков. Так, введение в конструкцию антенны вертикального несущего цилиндра с боковыми окнами для прохода электровводов от приемных элементов внутрь корпуса обеспечивает необходимую жесткость антенны и устойчивость к внешнему гидроакустическому давлению. Выполнение приемных элементов в виде тонкостенных пьезокерамических колец, герметично насаженных на несущий цилиндр, обеспечивает широкополосность антенны и круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в силу физических свойств материала и геометрической формы элементов. Конструктивное исполнение широкополосных приемных элементов позволяет применить методы частотной и фазовой модуляции, обеспечивающие наиболее высокую скорость передачи данных и защиту от шумовых помех общего вида, не связанных с многолучевостью.
Наличие рупорных акустических отражателей конической формы позволяет разделить полный набор акустических лучей, приходящих в точку приема под различными углами к горизонту, на отдельные секторы. В результате такого разделения подвижная интерференционная картина лучей, состоящая из зон Френеля в виде пространственного распределения узлов и пучностей звукового давления, в каждом секторе становится независимой. Если приемный элемент антенны попадает в узел интерференционной картины, то амплитуда принимаемого сигнала имеет минимальное значение, соответствующее эффекту замирания. Поскольку каждый элемент антенны расположен в независимой интерференционной картине, движущейся в объеме с некоторой скоростью, то моменты попадания приемных элементов в узлы давления не совпадают по времени. Кроме того, в узлах интерференционной картины амплитуда сигнала снижается не обязательно ниже критического значения. В итоге полный выходной сигнал многоэлементной антенны, разделенный на секторы по углам прихода лучей, в каждый момент времени хотя бы в одном секторе имеет достаточную амплитуду для надежного детектирования. Выбор оптимального канала антенны производится далее в приемном устройстве с помощью соответствующего алгоритма.
Таким образом, предлагаемая конструкция многоэлементной антенны позволяет обеспечить надежный прием цифровых данных в условиях помех многолучевости. При отсутствии рупорных отражателей все элементы антенны находились бы в одной общей интерференционной картине лучей, и моменты замирания сигнала могли бы происходить в них в один момент времени, в результате чего прием данных становится невозможным.
Конструктивная схема антенны приведена на фигуре 1.
В состав конструкции входят маслонаполненный герметичный корпус 1, состоящий из вертикального несущего цилиндра 2, уплотненного по торцам двумя жесткими накладками 3 с кольцевыми канавками под герметизирующие резиновые кольца 4, стянутые между собой продольной резьбовой шпилькой 5. На поверхность несущего цилиндра герметично насажены тонкостенные керамические кольца 6, электровводы от которых проходят через боковые окна несущего цилиндра. На наружную поверхность пьезокерамических колец 6 нанесено защитное звукопрозрачное покрытие 7 из полимерного материала. На поверхности цилиндра с помощью разъемных втулок 8 закреплены рупорные акустические отражатели 9 конической формы. На верхней накладке корпуса 1 установлен герметичный кабельный разъем 10.
Функциональная схема антенны приведена на фигуре 2. В состав функциональной схемы входят приемные пьезокерамические элементы 6, подключенные к входам буферных усилителей 11. Выходы усилителей подключены к полосовым фильтрам 12 нагруженных согласующими и понижающими трансформаторами 13, предназначенными для согласования импедансов с проводниками многожильного соединительного кабеля.
Работа гидроакустической антенны происходит следующим образом. Антенна размещается под водой на расчетной глубине, соответствующей оптимальным условиям приема акустических сигналов согласно типовому профилю вертикального распределения скорости звука в данном водоеме. К антенне приходит множество акустических лучей, распространяющихся по различным траекториям, в том числе лучей прямой видимости, лучей отраженных от дна и от поверхности воды, рассеянных в толще воды различными неоднородностями (реверберация). Подходя к антенне, лучи с различными временными задержками и произвольной фазой несущей частоты интерферируют между собой, образуя пространственную интерференционную картину в виде зон Френеля, состоящую из узлов и пучностей звукового давления. Поскольку фаза отдельных лучей изменяется во времени вследствие динамических процессов в водной среде (волнение, течение, турбулентность), то интерференционная картина лучей не остается неподвижной, но изменяется и перемещается в пространстве. Вследствие этого приемные элементы антенны, поочередно попадая в зоны узлов звукового давления, испытывают замирание амплитуды акустического сигнала в произвольные моменты времени. Поскольку акустическое поле звуковых лучей разделено направленными рупорами на отдельные секторы, то интерференционные картины лучей в каждом секторе являются независимыми. Независимость интерференционной картины акустических лучей, взаимодействующих с каждым отдельным элементом антенны, обусловливает разновременность замирания сигнала в этих элементах.
Выходные сигналы от приемных пьезокерамических элементов 6 подаются на буферные усилители 11, которые имеют высокое входное сопротивление и обеспечивают согласование с высоким импедансом пьезокерамических элементов. Выходы буферных усилителей подключены к полосовым фильтрам 12, которые предназначены для выделения полезных сигналов из окружающих шумов моря. На выходе фильтров установлены понижающие трансформаторы 13, которые служат для согласования с низким входным сопротивлением соединительного кабеля.
В канале связи с многоэлементной антенной применяется пакетный протокол передачи данных. Длительность (объем) пакета данных выбирается с таким расчетом, чтобы вероятность замирания сигнала внутри одного пакета была достаточно малой. В этом случае вероятность замирания сигнала одновременно во всех каналах антенны равняется произведению исходных вероятностей и может быть снижена до уровня заданных требований. Данные свойства многоэлементной антенны к подавлению помех относятся только к помехам многолучевости и реверберации. Другие виды помех, например интенсивные шумы моря или помехи от близко проходящих судов, могут одновременно поражать все каналы. Такого вида помехи преодолеваются повышением мощности передатчика или повторной передачей ошибочных пакетов данных.
Испытания экспериментального образца многоэлементной антенны с тремя независимыми каналами приема в натурных условиях подтвердили устойчивость к замираниям сигнала (федингу), обусловленному реверберацией и многолучевостью акустического сигнала.