ПРИЕМНАЯ АНТЕННА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ КРУГОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2002 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в станциях освещения подводной обстановки. Особенно полезным представляется применение предлагаемой антенны для гидроакустических станций вертолетов, кораблей малого водоизмещения и других носителей, где имеет большое значение не только высокая пространственная избирательность, но и снижение массы и габаритов антенны.

Известны приемные антенны указанного назначения с цилиндрическим размещением приемных элементов, имеющие раздвижную конструкцию, обеспечивающую малые габариты в транспортном положении и необходимый волновой размер в рабочем, например антенны современных зарубежных вертолетных станций FLASH, CORMORANT или HELRAS (см. также патент Японии N 4-81747 "Круговая или цилиндрическая антенная решетка с кардиоидной диаграммой", G 01 S 07/52, 3/809 от 12.08.86 г. и патент США N 5091892 "Раздвижная антенна гидролокатора", H 04 R, 17/00 от 19.04.91 г. ).

По технической сущности наиболее близкой к предлагаемой антенне является антенна станции FLASH фирмы Thomson-Marconi (Jane's, Underwater War Fare Systems, Eighth edition, 1996-1997, стр. 97). Эта антенна состоит из ненаправленных в горизонтальной плоскости приемных элементов в виде вертикальных стержней, закрепленных на концах рычагов раздвигающейся механической системы. Раздвижение осуществляется в радиальных направлениях от вертикальной оси симметрии антенны так, что в рабочем положении приемные элементы образуют две коаксиальные цилиндрические решетки, в которых в каждом радиальном направлении устанавливается по два стержня друг за другом так, чтобы сформировать на каждой такой паре диаграмму направленности, имеющую в горизонтальной плоскости форму кардиоиды, ориентированной вдоль радиуса в наружную сторону от цилиндра. Схематично такое размещение элементов (вид сверху) показано на фиг. 1. Расстояние между приемниками вдоль наружной окружности цилиндра выбирается равным половине длины волны на верхней рабочей частоте.

Таким образом, общее число пар приемников в такой антенне будет равно 2•π•d/λ, где d - диаметр цилиндра, λ- длина волны на верхней рабочей частоте. Для формирования диаграмм направленности в таких антеннах используется сектор 120^o, центр которого ориентирован в нужном направлении (увеличение формирующего сектора не приводит к улучшению направленности, так как в сектор попадают пары с существенно отклоненной от нужного направления кардиоидной диаграммой).

Недостатками такой антенны являются повышенный уровень бокового поля диаграмм направленности из-за различной ориентации пар приемников, формирующих кардиоиды, большое количество направлений раздвижения (равное числу кардиоидных пар) и, соответственно, рычагов, осуществляющих это раздвижение, и существенно большее число приемников, чем требуется для получения того же коэффициента концентрации диаграммы направленности при том же габаритном размере антенны.

Задачей изобретения является улучшение пространственной избирательности антенны (снижение уровня бокового поля и повышение коэффициента концентрации) при сохранении габаритных размеров антенны и при одновременном с этим уменьшением как числа приемников, так и количества направлений раздвижения, что упрощает конструкцию и уменьшает массу антенны.

Для решения поставленной задачи в рассматриваемой приемной антенне, содержащей ненаправленные в горизонтальной плоскости приемные элементы, сгруппированные в пары с одинаковым горизонтальным волновым размером, обеспечивающим формирование кардиоидной диаграммы направленности, установленные в раздвижную конструкцию с возможностью складывания антенны из рабочего положения в транспортное и обратно, введены новые признаки, а именно: центры пар приемных элементов размещены в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, а линия, соединяющая элементы каждой пары, перпендикулярна плоскости, в которой находится центр этой пары, причем общее число пар распределено поровну между указанными плоскостями, а конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна. Такое размещение элементов создает дополнительные возможности по управлению диаграммой направленности в вертикальной плоскости путем выбора конфигурации расположения приемников. В частности, если приемные элементы, принадлежащие одной плоскости и представляющие собой вертикальные ряды датчиков, объединенные в столбики, вписаны в параллелограмм, то обеспечивается естественное амплитудное распределение чувствительности по вертикали, что позволяет существенно увеличить степень подавления шумов вертолета (или другого носителя), воздействующих на антенну сверху. Этот эффект достигается при различных фигурах, в которые можно вписать вертикальные столбики, кроме прямоугольника, в том числе и тогда, когда линия пересечения плоскостей делит элементы одной плоскости на две группы. В последнем случае, как правило, целесообразно делить на две конгруэнтные группы, то есть не требуется, чтобы элементы вписывались в единую простую фигуру. Это могут быть, например, симметричные или антисимметричные относительно линии деления параллелограммы и т. п.

Иными словами, в отличие от прототипа, в котором приемные элементы образуют двухслойную цилиндрическую решетку, в предлагаемом решении они образуют две двухслойные взаимно перпендикулярные плоские решетки, имеющие лучшие характеристики даже при размерах, вписывающихся в тот же цилиндр.

При таком размещении раздвижение элементов осуществляется всего в четырех направлениях от центра независимо от числа элементов, а количество пар элементов уменьшается в полтора раза при том же расстоянии между парами. Последнее следует из того, что горизонтальный размер плоскости будет равен d и число пар с центрами в одной плоскости будет 2•d/λ, то есть всего в двух плоскостях 4•d/λ, a не 2•π•d/λ. Все пары с центрами в одной плоскости параллельны друг другу, что обеспечивает одинаковую ориентацию кардиоид. Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает круговой обзор пространства, для чего достаточно сформировать четыре развернутых друг относительно друга на 90^o веера диаграмм направленности, каждый из которых осуществляет обзор пространства в секторе ±45^o относительно нормали к соответствующей плоскости. Для формирования такого веера достаточно на каждой паре элементов с центрами в одной плоскости сформировать известным способом (см. Смарышев, Добровольский "Гидроакустические антенны") кардиоиды, ориентированные в одну сторону нормально к плоскости, и далее, используя эти кардиоиды как направленные элементы плоской антенны, сформировать нужное количество диаграмм направленности с нужной ориентацией. Аналогично формируется веер в противоположную сторону от плоскости и, соответственно, два веера на второй перпендикулярной плоскости.

Улучшение пространственной избирательности антенны при равных с прототипом габаритах достигается благодаря увеличенному волновому размеру апертуры (горизонтальный размер плоскости, вписанной в цилиндр, больше, чем хорда 120-градусного сектора этого цилиндра) и одинаковой ориентации кардиоидных пар, формирующих диаграмму направленности, что не только обеспечивает использование увеличенной апертуры, но и уменьшает боковое поле диаграмм направленности.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1-11, где на фиг. 1 показана схема расположения приемных элементов в антенне-прототипе (вид сверху), на фиг. 2 показана схема расположения элементов в предлагаемой антенне (вид сверху), на фиг. 3 - схема расположения приемных элементов в предлагаемой антенне в случае симметричной параллелограммной конструкции антенны при виде сбоку со стороны нормали к плоскости (вертикальные линейки элементов представлены в виде набора точечных элементов, позволяющих при необходимости ввести дополнительное амплитудное распределение чувствительности по вертикали, элементы второй перпендикулярной плоскости не показаны), на фиг. 4, 5 - общий вид конструкции симметричной параллелограммной антенны в транспортном положении, на фиг. 4 - вид сбоку, на фиг. 5 - вид сверху, на фиг. 6, 7 - конструкция заявляемой антенны в рабочем положении, на фиг. 6 -вид сбоку, на фиг. 7 - вид сверху, на фиг. 8, 9 - расчетные диаграммы направленности антенны прототипа и предлагаемой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно (пунктир - прототип, сплошная линия - предлагаемая антенна), на фиг. 10, 11 - проекции объемных диаграмм направленности антенн на сферическую поверхность, развернутую в плоскость, для антенны-прототипа и предлагаемой антенны соответственно.

Пример технической реализации заявляемой антенны приведен на фиг. 2-7.

В рабочем положении антенна представляет собой две вертикальные взаимно перпендикулярные решетки, пересекающиеся по оси антенны (фиг. 2, 7). Каждая решетка сформирована парами 1 элементов 2 (фиг. 2, 3, 7). Элементы 2 каждой пары расположены в плоскостях, параллельных плоскостям, в которых находятся их центры. Элементы пар каждой решетки образуют два параллелограмма, лежащих в одной плоскости, как схематически показано на фиг. 3. Элементы 2 в каждом из четырех параллелограммов, образующих решетки, представляют собой вертикальные ряды ненаправленных датчиков, в данном примере конструктивно объединенных в столбики (фиг. 6). В состав каждого столбика входит по 6 пьезокерамических датчиков, электрически соединенных между собой. Волновой размер столбика по вертикали 1,5λ, где λ- длина волны в среде на верхней рабочей частоте. В каждой решетке содержится 8 пар приемных элементов 2 (фиг. 2, 7) по четыре на каждый параллелограмм. Волновое расстояние между элементами в паре 0,25λ на верхней рабочей частоте. Горизонтальный габарит антенны ~ 3,5λ. Пары приемных элементов шарнирно скреплены с рычагами 3 рычажной системы. Складывание антенны в транспортное положение и разворачивание ее в рабочее осуществляется винтовой парой 4, состоящей из ходового винта и гайки, соединенной шарнирами с рычажной системой. Под антенной размещен корпус 5 с редуктором и двигателем и излучателем гидролокатора 6. На периферии рычагов 3 установлены части обтекателя 7 (фиг. 5, 7), которые полностью закрывают антенну в транспортном положении (фиг. 5). Конструкция антенны является ажурной, размеры образующих ее деталей в горизонтальной плоскости во много раз (на порядок) меньше длины волны, что обеспечивает ее звукопрозрачность. Обтекатель выполнен из тонкого звукопрозрачного стеклопластика. Предлагаемая конфигурация транспортного положения обеспечивает не только компактность прибора на носителе, но и хорошие гидродинамические характеристики погружения тела на нужную глубину с высокой скоростью.

В зависимости от носителя и условий размещения возможны иные варианты конструктивного исполнения антенны, например, взаимно перпендикулярные решетки могут быть разнесены по высоте, могут не пересекаться друг с другом и т. п.

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

Приемные элементы 2, будучи развернутыми в рабочее положение рычажной системой 3 (см. фиг. 6 и 7), благодаря звукопрозрачности антенны принимают акустические колебания, приходящие с любого направления. На каждой паре приемных элементов 1 формируются две кардиоидные диаграммы направленности с взаимно противоположной ориентацией вдоль линии, соединяющей элементы пары. Кардиоидные диаграммы формируются путем внесения в сигнал, принимаемый одним из элементов пары, задержки во времени, равной времени распространения колебаний от приемника к приемнику вдоль линии, соединяющей элементы пары, и последующего вычитания этого задержанного сигнала из сигнала другого приемного элемента. Кардиоида при этом ориентирована в сторону элемента, не имеющего задержки. Далее, на совокупности одинаково ориентированных кардиоидных элементов (под последними здесь понимаются вышеуказанные пары, формирующие кардиоиды, в данном примере их 8) классическим способом формируются диаграммы с нужной ориентацией осей для освещения сектора ±45^o от нормали к плоскости решетки. Всего на двух плоских решетках формируется четыре таких веера диаграмм, обеспечивающих в совокупности круговой обзор.

Расчеты параметров предложенной антенны и цилиндрической антенны - прототипа, имеющей диаметр, равный линейному горизонтальному размеру предлагаемой решетки (3,5λ), и одинаковый вертикальный размер элементов (1,5λ), и состоящей из 22 пар равномерно размещенных на поверхности цилиндра пар таких элементов, показывают, что характеристика направленности предлагаемой антенны в горизонтальной плоскости (фиг. 8) имеет большую остроту главного максимума и меньший уровень практически во всех направлениях, достигая в тыльном направлении расчетного значения выигрыша до 20 дб. Аналогично в вертикальной плоскости (фиг. 9) выигрыш во многих направлениях достигает 10 и более дб, в том числе, что особенно важно, в направлении на вертолет (угол 90^o относительно горизонта). Проекции объемных диаграмм направленности прототипа (фиг. 10) и предлагаемой антенны (фиг. 11) на сферическую поверхность, развернутую в плоскость, представленные таким образом, что уровень диаграммы в дб отображается яркостью, развертка сферы на плоскость выполнена так, что центр фигуры - самая яркая точка соответствует оси главного максимума диаграммы направленности, а тыльная точка пересечения оси диаграммы со сферой развернута в наружную окружность фигуры, позволяют получить любое сечение диаграммы направленности в яркостной форме. Горизонтальная линия дает сечение в горизонтальной плоскости, вертикальная - в вертикальной и т. д. Сравнение фигур 10 и 11 показывает, что уровень бокового поля предлагаемой антенны практически во всех сечениях заметно ниже, чем у прототипа, и при этом, снова подчеркнем, существенно ниже в направлении вверх (на носитель), на диаграмме это точка с координатами (0, 90).

Коэффициенты концентрации антенн (прототипа и предлагаемой), рассчитанные методом численного интегрирования объемных диаграмм направленности, составляют: для антенны-прототипа - 53.9, для предлагаемой антенны с параллелограммным размещением элементов (согласно фигуре 3) - 75 при ориентации диаграммы в нормальном направлении относительно плоскости и 58.9 в направлении 37^o от нормали (такой должна быть ориентация оси диаграммы для освещения сектора углов до 45^o при волновом размере антенны 3.5).

Результаты расчетов, представленные на фигурах 8-11, подтверждают заявленные преимущества предлагаемой антенны.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано на станциях для освещения подводной обстановки, преимущественно для гидроакустических станций вертолетов и носителей малого водоизмещения. Изобретение решает задачу улучшения пространственной избирательности при сохранении габаритов антенны, уменьшении ее массы и упрощения конструкции. Для этого приемная антенна гидроакустической станции кругового обзора, содержащая ненаправленные в горизонтальной плоскости приемные элементы, сгруппированные в пары с одинаковым горизонтальным волновым размером, обеспечивающим формирование кардиоидной диаграммы направленности, и установленные в раздвижную конструкцию с возможностью складывания антенны из рабочего положения в транспортное и обратно, конфигурируется так, что центры пар приемных элементов размещены в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, а линия, соединяющая элементы каждой пары, перпендикулярна плоскости, в которой находится центр этой пары, причем общее число пар распределено поровну между указанными плоскостями, а конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна. 1 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. Приемная антенна гидроакустической станции кругового обзора, содержащая ненаправленные в горизонтальной плоскости приемные элементы, сгруппированные в пары с одинаковым горизонтальным волновым размером, обеспечивающим формирование кардиоидной диаграммы направленности, и установленные в раздвижную конструкцию с возможностью складывания антенны из рабочего положения в транспортное и обратно, отличающаяся тем, что центры пар приемных элементов размещены в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, а линия, соединяющая элементы каждой пары перпендикулярна плоскости, в которой находится центр этой пары, причем общее число пар распределено поровну между указанными плоскостями, а конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна. 2. Приемная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линия пересечения плоскостей, содержащих центры пар, делит эти центры каждой плоскости на две конгруэнтные части, причем приемные элементы, соответствующие этим частям, образуют параллелограмм или прямоугольник.