ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЭХОЛОКАТОР С БУКСИРУЕМЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАКАЧКИ Российский патент 2001 года по МПК G01S15/02 

Параметрический эхолокатор (ПЭ) с буксируемым преобразователем накачки относится к акустическим приборам активной локации и предназначен для профилирования поверхности дна, локации объектов в водной среде, донных осадках и газонасыщенных слоях.

Известен параметрический гидролокатор для исследования океана, содержащий два генератора гармонических колебаний, два ключа, управляемых формирователем прямоугольных импульсов, два усилителя мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхосигналов разностной частоты, регистрирующий прибор (Патент США N 4808599, кл. G 01 S 15/00, 1982).

Недостатком аналога является низкая энергетическая эффективность его параметрической антенны и, следовательно, малая дальность действия ПЭ.

Известен ПЭ, содержащий два генератора гармонических колебаний, два ключа, управляемых формирователем прямоугольных импульсов, два усилителя мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхосигналов разностной частоты, регистрирующий прибор (Новиков Б.К. , Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1990, с. 211).

Недостатком аналога является невысокая эффективность локации подводных объектов на низких частотах.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является параметрический эхолот, содержащий синхронизатор, два генератора гармонических колебаний, два ключа, управляемых первым формирователем прямоугольных колебаний, два усилителя мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхосигналов разностной частоты, регистрирующий прибор, источник постоянного напряжения, второй формирователь прямоугольных импульсов, третий ключ, усилитель постоянного тока, токопроводящая мембрана, диэлектрическая прокладка (Патент РФ N 2011205 "Параметрический эхолот", кл. G 01 S 15/00, 1991).

Недостатком прототипа является незначительная направленность низкочастотного излучения разностной частоты, формирующегося на приграничных пузырьках, обусловленная малым числом длин волн разностной частоты, укладывающихся на озвученной поверхности пузырькового слоя, что объясняется незначительным расстоянием от акустического преобразователя накачки до токопроводящей мембраны.

Целью изобретения является повышение направленности параметрического излучения разностной частоты на низких частотах.

Поставленная цель достигается за счет того, что в параметрическом эхолокаторе, содержащем последовательно соединенные синхронизатор, первые схему задержки и формирователь прямоугольных импульсов, последовательно соединенные первый ключ, сигнальный вход которого соединен с выходом источника постоянного тока, а управляемый вход которого соединен с выходом первой схемы задержки, и усилитель постоянного тока, выход которого соединен с токопроводящей мембраной, которая через диэлектрическую прокладку вмонтирована в дно судна, первый и второй генераторы гармонических колебаний, выходы которых соединены с сигнальными входами второго и третьего ключей, управляемые входы которых соединены с выходом первого формирователя прямоугольных колебаний, а выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго усилителей мощности, нагруженных на акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхосигналов разностной частоты, выход которого соединен с сигнальным входом регистрирующего прибора, синхронизирующий выход которого соединен с входом синхронизатора, введены буксируемое тело, на котором размещен акустический преобразователь накачки, последовательно соединенные вторая схема задержки, вход которой соединен с выходом синхронизатора, и четвертый ключ, сигнальный вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход которого соединен с входом приемника эхосигналов разностной частоты.

Наличие отличительных признаков: буксируемого тела, на котором размещается акустический преобразователь накачки и приемный преобразователь, акустические оси которых направлены в противоположные стороны, последовательно соединенных второй схемы задержки, вход которой соединен с выходом синхронизатора, и четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход которого соединен с входом приемника эхосигналов разностной частоты, обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Предлагаемое техническое решение соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими его от прототипа.

Техническое решение соответствует также критерию "промышленная применимость", поскольку параметрические эхолокаторы, воплощающие изобретение при его осуществлении, могут быть использованы не только для определения глубины места, но и в морском приборостроении, судостроении, морских поиске и разведке местоположения полезных ископаемых, рыбодобывающей и других отраслях народного хозяйства.

Возможность достижения цели изобретения обусловлена следующими теоретическими выводами. Известно, что ширина диаграммы направленности акустического преобразователя определяется числом длин волн, укладывающихся на его апертуре. Чем большее число длин волн укладывается на апертуре, тем меньше ширина диаграммы направленности, т.е. тем выше направленность излучения. Например, чтобы обеспечить ширину диаграммы направленности на частоте 3 кГц, равную 6^o, необходимо иметь преобразователь диаметром 20 м (см. Гурбатов С. Н. , Сутин А.М. Параметрические излучатели звука. Горький: ГГУ, 1987, с. 3). Реализовать такую антенну массой в несколько десятков тонн достаточно сложно, еще сложнее разработать под такую антенну обтекатель. Не на каждом судне возможно размещение такой антенны, другими словами, необходимо разрабатывать корабли под антенну, а не антенны для кораблей.

В предлагаемом ПЭ озвученная область пузырькового слоя является апертурой антенны, на которой формируется излучение разностной частоты. Для повышения направленности низкочастотного излучения достаточно увеличить расстояние h от акустического преобразователя накачки, размещаемого на вновь вводимом буксируемом теле, до корпуса судна, на котором размещается токопроводящая мембрана, при этом увеличивается озвученная область пузырькового слоя - апертура излучателя, следовательно, растет направленность низкочастотного излучения. Таким образом, возможно создание высоконаправленного излучения на низких разностных частотах, и следовательно, повышение угловой разрешающей способности, точности и достоверности лоцирования. Кроме того, размещение приемного преобразователя на буксируемом теле позволяет повысить дальность, точность и достоверность лоцирования за счет снижения уровня помех (структурного шума), обусловленных работающими на судне механизмами.

С помощью вновь введенных второй схемы задержки и четвертого ключа вход приемника эхосигналов разностной частоты закрывается на время прохождения Т зондирующим сигналом разностной частоты расстояния h между акустическим преобразователем накачки и токопроводящей мембраной, размещаемой на дне судна, что предотвращает перегрузку и выход из строя входных цепей приемника эхосигналов разностной частоты.

На фиг. 1 приведена структурная схема, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу ПЭ.

ПЭ содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, первые схему 2 задержки и формирователь 3 прямоугольных импульсов, первый ключ 4, управляемый и сигнальный входы которого соединены соответственно с выходами первой схемы 2 задержки и источника 5 постоянного тока. Вход усилителя постоянного тока 6 соединен с выходом первого ключа 4, а выход - с токопроводящей мембраной 7, которая через диэлектрическую прокладку 8 вмонтирована в дно судна 9. В этом случае дно судна 9 используется в качестве второй электролизной пластины, первой электролизной пластиной является токопроводящая мембрана 7. Если дно судна плоское и токопроводящее, то в качестве первой электролизной пластины 7 возможно использование части днища самого судна в виде круга, диаметр которого равен диаметру озвученного волнами накачки круга на днище судна при максимально возможной глубине погружения h буксируемого тела 17. В этом случае оставшаяся часть днища судна, которая через диэлектрическую прокладку 8 концентрически охватывает первую электролизную пластину, является второй электролизной пластиной. Если корпус судна не является токопроводящим, то в качестве второй электролизной пластины возможно использование металлического кольца, охватывающего через диэлектрическую прокладку 8 по периметру первую токопроводящую пластину. Выходы первого 10 и второго 11 генераторов гармонических колебаний подключены к сигнальным входам второго 12 и третьего 13 ключей, управляемые входы который подключены к выходу первого формирователя 3 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом первой схемы 2 задержки. Выходы второго 12 и третьего 13 ключей подключены соответственно к входам первого 14 и второго 15 усилителей мощности, которые нагружены на акустический преобразователь накачки 16. Последний располагается на буксируемом теле 17, на противоположной стороне которого располагается приемный преобразователь 18, акустическая ось которого направлена диаметрально противоположно акустической оси акустического преобразователя накачки 16. Вход второй схемы 19 задержки соединен с выходом синхронизатора 1, а ее выход соединен с управляемым входом четвертого ключа 20, сигнальный вход которого соединен с выходом приемного преобразователя 18. Вход приемника 21 эхосигналов разностной частоты соединен с выходом четвертого ключа 20, а его выход соединен с входом регистрирующего прибора 22, синхронизирующий выход которого (посылочные контакты) соединен с входом синхронизатора 1.

Работает ПЭ следующим образом. На выходе синхронизатора 1, управляемого посылочными контактами регистрирующего прибора 22, формируются синхроимпульсы U1. Задними фронтами последних запускается схема 2 задержки, формирующая на своем выходе видеоимпульсы U2 длительностью Т_зад, равной временному промежутку, необходимому для формирования слоя приграничных пузырьков, резонансных средней частоте волн накачки. Задними фронтами импульсов U2 запускается первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы U3 с длительностью Т_и, равной длительности излучаемых импульсов накачки. Видеоимпульсы U2 поступают на управляемый вход первого ключа 4, на сигнальный вход которого поступает напряжение с выхода источника 5 постоянного тока. На выходе ключа 4 формируются видеоимпульсы с длительностью Т_зад, которые усиливаются усилителем 6 постоянного тока и подаются на электролизную пластину 7, располагаемую на корпусе судна 9. Под воздействием электролизных импульсов на токопроводящей пластине 7 формируется слой приграничных пузырьков, резонансных средней частоте волн накачки. Непрерывные колебания с частотами f1 и f2, формируемые генераторами гармонических колебаний 10 и 11, поступают на сигнальные входы ключей 12 и 13, на выходах которых под воздействием видеоимпульсов U3, поступающих на их управляемые входы, формируются радиоимпульсы с гармоническим заполнением U4 и U5, которые усиливаются усилителями мощности 14 и 15 и излучаются в водную среду акустическим преобразователем накачки 16, расположенным на буксируемом теле 17. На озвученном волнами накачки участке пузырькового слоя формируется зондирующее дно низкочастотное излучение разностной частоты U6. Направленность этого излучения высока из-за большого числа длин волн разностной частоты, которые укладываются на озвученном участке пузырькового слоя. За счет изменения расстояния h между преобразователем накачки 16 и токопроводящей мембраной 7 возможно управление шириной диаграммы направленности излучения разностной частоты, формирующегося на озвученном участке пузырькового слоя. На буксируемом теле 17 кроме преобразователя накачки 16 располагается приемный преобразователь 18. Акустические оси этих преобразователей направлены в противоположные стороны. Размещение приемного преобразователя 18 на буксируемом теле 17 позволяет повысить дальность, точность и достоверность лоцирования за счет снижения уровня помех, обусловленных работающими на судне механизмами. С помощью второй схемы 19 задержки, на выходе которой формируются видеоимпульсы U7 с длительностью Т, и четвертого ключа 20 вход приемника 21 эхосигналов разностной частоты закрывается на время прохождения Т зондирующим сигналом U6 разностной частоты расстояния h между акустическим преобразователем накачки 16 и токопроводящей мембраной 7.

Эхо-сигналы разностной частоты U8 от поверхности дна усиливаются усилителем 21 эхосигналов разностной частоты и регистрируются регистрирующим прибором 22.

Повышение направленности низкочастотного излучения, используемое в предлагаемом ПЭ, повышает не только угловую разрешающую способность ПЭ, но и дальность действия ПЭ, поскольку волны разностной частоты распространяются на большие расстояния из-за малого затухания низкочастотного звука в воде. Кроме того, за счет формирования узкого звукового луча повышается точность и достоверность определения направления на лоцируемый объект.

Народнохозяйственное значение возросшей направленности излучения на низких частотах велико, поскольку растет эффективность использования ПЭ. При эффективном поиске и обнаружении затонувших объектов, косяков рыбы, залежей полезных ископаемых (низкочастотное излучение легко проникает в морской грунт) и т. п. не только экономится электроэнергия, но ресурсы электрических машин, вырабатывающих ее, топливные, материальные и людские ресурсы.

Изобретение относится к акустическим приборам активной локации и предназначено для локации дна, объектов в водной среде и донных осадках. Технический результат - повышение направленности низкочастотного параметрического излучения. Для этого в параметрический эхолокатор, содержащий синхронизатор, схему задержки, формирователь прямоугольных импульсов, ключи, усилитель постоянного тока в электролизные пластины, генераторы гармонических колебаний, усилители мощности, акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхосигналов разностной частоты и регистрирующий прибор, введены буксируемое тело, схема задержки и ключ. 2 ил.

Параметрический эхолокатор, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, первые схему задержки и формирователь прямоугольных импульсов, первый ключ, сигнальный и управляемый входы которого соединены соответственно с выходами источника постоянного тока и выходом первой схемы задержки, усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход которого соединен с токопроводящей мембранной, которая через диэлектрическую прокладку вмонтирована в дно судна, первый и второй генераторы гармонических колебаний, выходы которых соединены с сигнальными входами второго и третьего ключей, управляемые входы которых соединены с выходом первого формирователя прямоугольных импульсов, а выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго усилителей мощности, нагруженных на акустический преобразователь накачки, приемный преобразователь, приемник эхо-сигналов разностной частоты, выход которого соединен с сигнальным входом регистрирующего прибора, синхронизирующий выход которого соединен с входом синхронизатора, отличающийся тем, что в него введены буксируемое тело, на котором размещают акустический преобразователь накачки и приемный преобразователь, акустические оси которых направлены в противоположные стороны, последовательно соединенные вторая схема задержки, вход которой соединен с выходом синхронизатора, и четвертый ключ, сигнальный вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход которого соединен с входом приемника эхо-сигналов разностной частоты.