Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны

Изобретение относится к области гидроакустики. Техническим результатом является возможность формирования сравнительно узкой, не зависящей от частоты характеристики направленности в широком диапазоне частот сектором круговой антенны сравнительно небольших волновых размеров. Способ включает прием акустического сигнала, преобразование его каждым элементом в электрический сигнал, усиление электрических сигналов от каждого элемента сектора с определенными весовыми коэффициентами и суммирование усиленных электрических сигналов от всех элементов сектора, при этом усиленные сигналы от каждого элемента сектора задерживают на определенное время. 3 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к приемным трактам станций обнаружения гидроакустических сигналов, использующих круговые антенны.

Во многих гидроакустических устройствах, осуществляющих обзор окружающей акватории, требуется в широком диапазоне частот (превышающем октаву или даже несколько октав) формировать характеристики направленности, ширина основного лепестка которых мало зависит от частоты. Такие характеристики часто называются частотно-независимыми или стабильными.

Известно несколько способов формирования частотно-независимых характеристик направленности, основанных на использовании рупорных антенн и некомпенсированных секторов круговой цилиндрической антенны. Эти способы достаточно полно рассмотрены в литературе [1], стр.179-190, 230-237.

Недостатком способов, основанных на использовании рупорных антенн при формировании веера из частотно-независимых характеристик направленности в режиме приема является то, что значения чувствительности по полю отдельных рупорных антенн, входящих в набор, формирующих веер характеристик направленности, могут сильно отличаться друг от друга из-за технологического разброса, поскольку каждая рупорная антенна, как правило, содержит один цилиндрический преобразователь.

Способ формирования частотно-независимых характеристик направленности некомпенсированным сектором круговой цилиндрической антенны широко применяется на практике и свободен от этого недостатка, так как обычно сектор содержит достаточно большое количество элементов. Известны две разновидности последнего способа: формирование характеристики направленности некомпенсированным сектором круговой цилиндрической антенны при равномерном амплитудном распределении и при амплитудном распределении вида (ϕ_n - угловое отстояние элемента антенны с номером n от оси симметрии рабочего сектора антенны, Ψ₀ - полуширина рабочего сектора).

Формирование характеристик направленности некомпенсированным сектором круговой цилиндрической антенны при введении амплитудного распределения указанного вида обеспечивает значительно большую ширину диапазона рабочих частот (диапазона, в котором наблюдается малая зависимость ширины характеристики направленности от частоты). Этот способ по числу общих признаков наиболее близок к предлагаемому способу и принят в качестве его прототипа.

Существенным недостатком способа-прототипа является то, что при необходимости формирования достаточно узких характеристик направленности (менее 30°-40°) волновые размеры круговой антенны (диаметр) резко увеличиваются по сравнению с размерами антенны, формирующей более широкие характеристики направленности (порядка 60°). При этом размеры круговой антенны становятся значительно больше размеров плоской антенны, формирующей характеристики направленности той же ширины.

Связано это с тем, что, как следует из литературы [2], стр.180, рис.5.45, способу-прототипу присущи два соотношения:

ϕ_0.7≈Ψ₀,

где ϕ_0.7 - полная ширина основного лепестка характеристики направленности на уровне минус 3 дБ;

r - радиус круговой антенны;

λ_Н - длина волны на нижней границе рабочего диапазона.

Из этих соотношений следует, что, например, при формировании характеристики направленности шириной ϕ_0.7≈15° диаметр антенны должен быть не меньше 15λ_H, в то время как плоская антенна, формирующая характеристику направленности такой ширины, имеет размер ≈3λ_н.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение размеров антенны по сравнению с размерами антенны, используемой в способе-прототипе при формировании сравнительно узких характеристик направленности шириной менее 30°-40°.

Для решения поставленной задачи в способ формирования частотно- независимой характеристики направленности сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны, включающий прием акустического сигнала и преобразование его каждым элементом в электрический сигнал, усиление электрических сигналов от каждого элемента сектора с весовыми коэффициентами вида где n - номер элемента, ϕ_n - угловое положение элемента антенны, отсчитываемое от оси симметрии сектора, ψ₀ - полуширина сектора, и суммирование усиленных электрических сигналов от всех элементов сектора, введены новые признаки, а именно усиленные с заданными весовыми коэффициентами электрические сигналы от каждого элемента рабочего сектора (т.е. сигналы в каждом элементарном канале) задерживают на время

где r - радиус антенны;

с - скорость звука в воде;

α - коэффициент, значение которого определяется в соответствии с приближенной формулой

Физическую сущность предлагаемого способа можно объяснить следующим образом: при α=1 осуществляется точная компенсация антенны, при α=0 - компенсация отсутствует, при некотором α, лежащем между 0 и 1, компенсация разности времен прихода сигналов на различные элементы рабочего сектора круговой антенны происходит с некоторой ошибкой. Эта ошибка на низких частотах в долях периода может быть несущественной и при этом на низкой частоте характеристики направленности может иметь такую же ширину, как при точной компенсации. На высоких частотах появляется заметная четная ошибка, не позволяющая характеристике направленности сужаться, как это происходит при точной компенсации. Этот эффект и обеспечивает постоянство ширины характеристики направленности в широком диапазоне частот.

Введение временных задержек в соответствии с формулой (1) позволяет использовать сектора круговой антенны с размером 2_Ψ0, существенно превышающие ширину характеристики направленности ϕ_0.7. Если взять сектор 2_Ψ0, равный 120°, то диаметр круговой цилиндрической антенны, формирующей характеристики направленности с шириной порядка 15°, составляет уже не 15λ_H, как при использовании прототипа, а примерно 3,8λ_Н (как известно в этом случае

Таким образом, техническим результатом изобретения является возможность формирования сравнительно узкой характеристики направленности (менее 30°-40°) в широком диапазоне частот сектором круговой антенны сравнительно небольших волновых размеров.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3. На фиг.1 приведена структурная схема приемного тракта гидроакустической станции с круговой цилиндрической антенной. На фиг.2 представлена частотная зависимость ширины характеристики направленности в плоскости направляющей антенны при различных значениях коэффициента α, кривая 1 - α=0; кривая 2 - α=0.2; кривая 3 - α=0.4; кривая 4 - α=0.6; кривая 5 - α=0.65; кривая 6 - α=0.8; кривая 7 - α=1. На фиг.3 представлены характеристики направленности цилиндрической антенны радиусом r=1 м на различных частотах при α=0.65, кривая 1 - f=3 кГц; кривая 2 - f=4 кГц; кривая 3 - f=6 кГц; кривая 4 - f=8 кГц; кривая 5 - f=10 кГц.

С помощью устройства (фиг.1), представляющего собой фрагмент приемного тракта гидроакустической станции, формирующий частотно-независимую характеристику направленности сектором круговой многоэлементной антенны, предложенный способ реализуется следующим образом. Акустические сигналы, приходящие из дальнего поля в виде плоской волны с давлением во фронте P₀, возбуждают электроакустические преобразователи 1, на выходе которых возникают электрические напряжения

где γ - чувствительность элемента;

R_ЭЛ(ϕ-ϕ_n) - значение уровня характеристики направленности n-го элемента в направлении прихода звука ϕ;

ϕ - угол между направлением прихода звука и осью симметрии сектора в плоскости направляющей круговой антенны;

k - волновое число.

(Для упрощения анализа рассматривается гармонический сигнал с частотой ω).

Эти напряжения усиливают усилителями 2 с коэффициентом усиления К и подают на аттенюаторы 3, которые передают их с весовыми коэффициентами (n=1K N). Напряжения с выходов аттенюатора подают на устройства задержки 4, которые задерживают сигналы на время τ_n, определяемое по формуле (1), и получают напряжения на выходе устройств задержки

Далее напряжения с выходов устройств задержки суммируют в сумматоре 5, на выходе которого получают напряжение

которое подают на детектор 6, на выходе которого получают напряжение U_Д=CR(ϕ), пропорциональное модулю характеристики направленности рабочего сектора R(ϕ) в направлении ϕ, где С - коэффициент пропорциональности.

Частотные зависимости ширины характеристики направленности круговой цилиндрической антенны диаметром 1 м при работе сектором 2ψ₀=120°, между элементами которого введено амплитудное распределение и временное при различных значениях коэффициента α (α=0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.65; 0.8; 1.0), представленные на фиг.2, показывают, что для формирования характеристик направленности с шириной ϕ_0.7, примерно равной 15-20°, следует выбрать коэффициент α=0.65 (кривая 5), при котором зависимость от частоты минимальна. Анализ кривых фиг.2 позволяет записать приближенную формулу для оценки величины коэффициента α, при котором обеспечивается формирование характеристик направленности, ширина основного лепестка ϕ_0.7 которой близка к заданной:

Кривые фиг.3 демонстрируют практическое отсутствие зависимости характеристик направленности от частоты для рассматриваемого случая в широком диапазоне частот (от 3 до 10 кГц).

Стабилизация ширины достаточно узких характеристик направленности (ϕ_0.7<30-40°) в широком диапазоне частот объясняется тем, что угловой размер рабочего сектора круговой антенны выбирается существенно большим, чем ширина характеристики направленности, и, кроме амплитудного распределения, в каждый элементарный канал вводятся временные задержки, такие что на низких частотах характеристика направленности сужается по сравнению с характеристикой направленности некомпенсированного сектора, а на высоких частотах появляется четное фазовое распределение, приводящее к расширению характеристики направленности по сравнению с характеристикой направленности компенсированного сектора.

Приведенные выше пояснения сущности предлагаемого способа относятся к антенне в виде кругового цилиндра, однако, как показали многочисленные расчеты, способ применим и к другим круговым антеннам, например к антеннам, имеющим форму конуса или бочки. В последнем случае под r следует понимать радиус средней окружности круговой антенны.

Таким образом, технический результат изобретения, заключающийся в возможности формирования сравнительно узкой характеристики направленности (менее 30-40°) в широком диапазоне частот сектором круговой антенны сравнительно небольших волновых размеров, следует считать достигнутым.

Источники информации

1. М.Д.Смарышев. Направленность гидроакустических антенн. Л., 1973 г.

2. М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Л., 1984 г.

Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны, включающий прием акустического сигнала и преобразование его каждым элементом в электрический сигнал, усиление электрических сигналов от каждого элемента сектора с весовыми коэффициентами вида

где n - номер элемента, ϕ_n - угловое положение элемента антенны, отсчитываемое от оси симметрии сектора, Ψ₀ - полуширина сектора,

и суммирование усиленных электрических сигналов от всех элементов сектора, отличающийся тем, что усиленные сигналы от каждого элемента сектора задерживают на время

где r - радиус антенны;

с - скорость звука в воде;

α - коэффициент, значение которого определяют в соответствии с приближенной формулой где ϕ_0,7 - ширина основного лепестка характеристики направленности на уровне -3 дБ.