Способ калибровки параметрических излучающих антенн и устройство для его осуществления

 

Использование: в гидроакустике для измерения параметров параметрических излучающих антенн (ПИА). Сущность изобретения: при способе калибровки ПИА одновременно с излучением высокочастотного (ВЧ) сигнала накачки на частотах ω₁ и ω₂ излучают непрерывный калибровочный ВЧ-сигнал на частоте ω₃ а в точке приема измеряют амплитуды дискретных составляющих U_Ω1, U_Ω2, U_Ω3 (ДС) на частотах Ω₁= ω₁-ω₂, Ω₂= ω₃-ω₁, Ω₃= ω₃-ω₂. Утройство для осуществления способа калибровки излучающих антенн содержит излучатель ВЧ-сигнала накачки 1, измерительный гидрофон 2, платформу 3 и излучатель ВЧ калибровочного сигнала 4, который (совместно с измерительным гидрофоном) жестко закреплен на платформе. Благодаря размещению излучателя калиброчного сигнала в непосредственной близости от измерительного гидрофона отсутствует зона взаимодействия акустических сигналов на частотах ω₁, ω₃ и ω₂, ω₃. В случае, если U_Ω1> U_Ω2= U_Ω3, то делают вывод об акустическом происхождении принимаемого сигнала на частоте ω₁ в случае, если U_Ω1= U_Ω2= U_Ω3, делают вывод о том, что регистрируется паразитный сигнал. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к измерению параметров параметрических излучающих антенн (ПИА).

Особенностью процедур измерения параметров ПИА является то, что на измерительный гидрофон помимо разностной частоты воздействуют сигналы на частотах накачки и в приемном тракте возможна паразитная модуляция, что не позволяет достаточной степенью точности судить о природе принимаемого сигнала (акустический сигнал или паразитный).

Известен способ калибровки ПИА, который реализует с помощью измерительных трактов с малым собственным коэффициентом нелинейных искажений, заключающийся в измерении уровня паразитной модуляции на выходе тракта, измерении амплитуды сигнала разностной частоты, сравнении измеренных амплитуд сигналов и принятии решения об акустическом характере сигнала на разностной частоте в случае превышения его амплитуды над уровнем паразитной модуляции.

Недостатком этого способа является значительная трудоемкость калибровки, заключающаяся в том, что эта процедура должна осуществляться для каждой из калибруемых антенн с учетом значений частот и уровней накачки, на которых они работают. Кроме того, лучшие образцы измерительной аппаратуры имеют коэффициент нелинейных искажений порядка 1% что зачастую бывает недостаточно для корректной оценки амплитуды разностной частоты на фоне паразитной модуляции в приемном тракте.

Известен способ калибровки ПИА, заключающийся в излучении высокочастотных (ВЧ) волн накачки на близких частотах ω₁ и ω₂, приеме сигналов на частотах ω₁, ω₂ и волны разностной частоты (ВРЧ), подавлении сигналов накачки путем полосовой фильтрации на разностной частоте ω₁ ω₂ Ω измерении амплитуды ВРЧ,0 полагая при этом, что она имеет акустическое происхождение.

Недостатком известного способа является низкая точность измерений, так как не учитывается нелинейность гидрофона и входных усилителей измерительного тракта.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ калибровки ПИА, заключающийся в излучении ВЧ акустических волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, поглощении акустических волн накачки до уровня, не вызывающего перегрузку приемного тракта с помощью акустического экрана, приеме сигнала разностной частоты Ω и измерении амплитуды волны разностной частоты (ВРЧ). При этом полагают, что принятый сигнал имеет акустическое происхождение, так как волны накачки ω₁ и ω₂ на измерительный гидрофон не воздействуют.

Способ осуществляют с помощью измерительного стенда, содержащего излучатели накачки, измерительный гидрофон, между которыми установлен акустический экран, поглощающий волны накачки и пропускающий ВРЧ.

Недостатком этого способа является то, что степень ослабления акустических волн экраном во многом зависит от частоты накачки. Если частота накачки составляет единицы мегагерц (излучатели типа НАИ), то использование экрана определенной толщины может быть довольно эффективным. В случае же, если частота накачки лежит в области десятков килогерц (гидpолокаторы типа ПГЛ, рыбопоисковые эхолоты типа "Пескарь" и "Сарган-М"), то для полного поглощения волн накачки (≈ 180 дБ) необходимо существенно увеличить толщину экрана (т.е. его габариты), что порой полностью исключает использование экрана.

Недостатком является также то, что для каждого отдельного типа измеряемых ПИА необходимо рассчитывать, изготавливать и калибровать свой экран, что влечет неоправданно высокие затраты времени и материальных средств.

Цель изобретения заключается в повышении точности калибровки ПИА и снижении материальных и временных затрат.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предложенного способа.

Устройство для калибровки ПИА содержит излучатель ВЧ-сигнала накачки 1, измерительный приемный гидрофон 2, размещенный на поворотном устройстве 3, ВЧ-излучатель калибровочного сигнала 4, пространственно совмещенный с измерительным гидрофоном 2.

Способ калибровки ПИА осуществляют следующим образом.

С помощью излучателя ВЧ-сигнала накачки 1 в направлении на измерительный гидрофон 2 излучают ВЧ-волны накачки на частотах ω₁ и ω₂, с помощью измерительного гидрофона 2 принимают волну разностной частоты (ВРЧ) Ω₁ ≈ ω₁ ω ₂ и измеряют ее амплитуду. Одновременно с излучением сигнала накачки с помощью излучателя 4 излучают непрерывный калибровочный высокочастотный сигнал на частоте ω₃, которая выбирается из условия равенства чувствительности гидрофона на частотах ω₁, ω₂ и ω₃, а амплитуду сигнала на частоте ω₃ путем регулировки уровня излучения устанавливают равной амплитуде сигналов на частотах ω₁ и ω ₂ в точке расположения измерительного гидрофона, измеряют амплитуды дискретных составляющих на частотах Ω₁= ω₁ ω 2 (U ) Ω₂ ω₃ ω ₁ (U) Ω₃= ω₃ ω ₂ (U), сравнивают полученные величины и если U_Ω1 > U_Ω2=U_Ω3, делают вывод об акустическом происхождении принимаемого сигнала, а при U_Ω1 U_Ω2=U_Ω3 делают вывод о том, что регистрируется паразитный сигнал.

В спектральном представлении на выходе гидрофона наблюдаются (см.фиг.2): дискретные составляющие (ДС) на частотах ω₁ и ω ₂ сигналы накачки; ДС на частоте Ω₁ сигнал разностной частоты, возникший в результате нелинейного взаимодействия акустических волн накачки в объеме водной среды от излучателя накачки до измерительного гидрофона полезный сигнал для ПИА; ДС на частоте ω₃ ВЧ калибровочный сигнал; ДС на частотах Ω₂ и Ω₃, причем Ω₂ω₃ ω₁ и Ω₃ ω₃ ω₂ калибровочные сигналы разностных частот, возникшие за счет паразитного взаимодействия сигналов в приемном измерительном тракте, так как калибровочный излучатель совмещен с измерительным гидрофоном и зона акустического взаимодействия сигналов отсутствует.

При калибровке ПИА измеряют амплитуду ДС на частоте Ω₁, обусловленной взаимодействием акустических волн, и амплитуду ДС на частотах Ω₂ и Ω₃ (U , U ), обусловленных паразитным взаимодействием в приемном тракте.

В случае выполнения условия U > >U принимают решение о том, что ДС на частоте 1 имеет акустическое происхождение и производят измерение параметров ПИА (звукового давления и пространственного распределения его амплитуд).

Если же U_Ω1 U_Ω2=U_Ω3, то очевидно, что имеет дело с паразитным акустическим сигналом, не позволяющим качественно оценить акустические параметры ПИА. В данном случае измерения прекращают.

Отличительными признаками предложенного способа являются: излучение непpеpывного калибровочного ВЧ-сигнала в точке расположения измерительного гидрофона; излучение калибровочного сигнала одновременно с излучением сигнала накачки; излучение калибровочного сигнала на частоте ω₃, которая выбирается из условия равенства чувствительности гидрофона на частотах ω₁, ω ₂ и ω ₃; амплитуда калибровочного ВЧ-сигнала на частоте ω₃ устанавливается равной амплитудам сигналов на частотах ω₁ и ω ₂ в точке расположения измерительного гидрофона путем регулировки уровня излучения; измерение амплитуд ДЧ на частотах Ω₁= ω₁ ω 2 (U ), Ω₂ ω₃ ω ₁ (U)Ω₃= ω₃ ω ₂ (U), Отличительными признакам предложенного устройства являются: наличие высокочастотного излучателя калибровочного сигнала; конструктивно излучатель калибровочного сигнала совмещен с измерительным гидрофоном.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о том, что заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

П р и м е р. С помощью излучателя накачки в направлении на измерительный гидрофон излучались волны накачки на близких частотах 17 и 18 кГц. Частотная зависимость чувствительности измерительного гидрофона представлена на фиг.3.

Одновременно с сигналом накачки с помощью ВЧ-излучателя калибровочного сигнала излучался калибровочный сигнал, частота которого была выбрана из условия равенства чувствительности измерительного гидрофона на частотах ω₁ ω₂ ω ₃ и составляла 19 кГц (см.фиг.3). Сигнал разностной частоты принимался измерительным гидрофоном, который совмещен с калибровочным излучателем.

В связи с тем, что процедура измерения параметра нелинейности водной среды затруднительна, этот процесс имитировался путем изменения коэффициента нелинейных искажений измерительного тракта, соединенного с измерительным гидрофоном. В первом случае был использован тракт с коэффициентом нелинейных искажений ≈1% а во втором ≈3% Регистрация результатов измерений осуществлялась с помощью спектроанализатора т.2031. Результаты двух экспериментов представлены на фиг.4.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в первом случае U_Ω1 > U_Ω2=U_Ω3 (см.фиг.4,а) и ДС на частоте 1 кГц имеет акустическое происхождение, а во втором случае U_Ω1 U_Ω2=U_Ω3 (см.фиг.4,б) и ДС на частоте 1 кГц носит паразитный характер и проводить дальнейшие измерения акустических параметров ПИА нецелесообразно.

Формула изобретения

1. Способ калибровки параметрических излучающих антенн, заключающийся в излучении высокочастотных акустических волн накачки на близких частотах ω₁ и ω₂, приеме сигналов разностной частоты Ω = ω₁-ω₂ измерительным гидрофоном, измерении амплитуды сигнала разностной частоты Ω₁, отличающийся тем, что в точке расположения измерительного гидрофона одновременно с излучением сигнала накачки дополнительно излучают непрерывный калибровочный высокочастотный сигнал на частоте ω₃, которую выбирают из условия равенства чувствительности гидрофона на частотах ω₁,ω₂ и ω₃, а амплитуду сигнала на частоте ω₃ путем регулирования уровня излучения устанавливают равной амплитуде сигналов на частотах ω₁ и ω₂, в точке расположения измерительного гидрофона, измеряют амплитуды дискретных составляющих UΩ₁,UΩ₂,UΩ₃ на частотах
Ω₁= ω₁-ω₂,Ω₂= ω₃-ω₁,Ω₃= ω₃-ω₂,
сравнивают полученные величины и, если UΩ₁>UΩ₂ = UΩ₃, делают вывод об акустическом происхождении принимаемого сигнала, а при UΩ₁= UΩ₂= UΩ₃, делают вывод о том, что регистрируется паразитный сигнал.

2. Устройство для калибровки параметрических излучающих антенн, содержащее высокочастотные излучатели накачки, измерительный гидрофон, размещенный на поворотном устройстве антенны, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено высокочастотным излучателем калибровочного сигнала, который совмещен с измерительным приемным гидрофоном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4