ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ ТРАКТ Российский патент 2002 года по МПК G01S7/524 G01S15/00 

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано при реализации многоканальных передающих трактов гидроакустических комплексов для возбуждения фазированной антенной решетки широкополосными сигналами режимов звукоподводной связи (ЗПС) и гидролокации (ГЛ).

Известны передающие тракты, например, описанные в [1, 2], содержащие генераторные устройства (ГУ), выполненные по 2-звенной схеме на последовательно соединенных ключевом регуляторе напряжения, ключевом усилителе мощности и резонансном выходном фильтре. В таких устройствах реализуется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) сигналов рабочей частоты с последующей фильтрацией первой гармоники импульсного напряжения на нагрузке. Недостатком известных устройств являются значительные габариты и потери энергии, обусловленные наличием двух последовательных звеньев преобразования передающего тракта.

Улучшить энергетические и габаритные показатели передающих трактов позволяет применение 1-звенной схемы ГУ, выполненной на ключевом усилителе мощности, управление которым осуществляется от импульсных сигналов с фазоимпульсной модуляцией [3] . В известном устройстве [3] управление мощностью выходного сигнала осуществляется амплитудной модуляцией дефазированием с последующей резонансной фильтрацией знакопеременного импульсного напряжения рабочей частоты.

Применение известных устройств [1, 2, 3] в современных гидроакустических передающих трактах ограничено узкой полосой излучаемых сигналов (не более 0,3-0,5 октав), невозможностью их применения при усилении широкополосных полигармонических сигналов, а также неудовлетворительной стабильностью амплитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) выходного напряжения, что является определяющим для возбуждения фазированной антенной решетки сигналами ГЛ и ЗПС, полоса частот которых достигает 3-4 октав.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [4], в котором реализован метод ключевого усиления с использованием многоканальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Применение такого метода наиболее перспективно в широкополосных генераторных устройствах звукового диапазона частот. Многоканальная ШИМ позволяет обеспечить высокие энергетические характеристики и показатели качества ключевых усилителей мощности. Спектр суммарного импульсного напряжения при многоканальной ШИМ имеет явно выраженное разделение полезного низкочастотного сигнала и высокочастотных комбинационных составляющих, что облегчает условия фильтрации и обеспечивает стабильность амплитудно- и фазочастотных характеристик выходных сигналов.

Устройство-прототип (фиг.2) содержит формирователь 1 сигналов, излучающую антенну 9 и L-канальное генераторное устройство, каждый канал (2.1...2.L) которого содержит устройство 3 управления, вход которого является входом канала генераторного устройства, а выход подключен ко входу N-канального широтно-импульсного преобразователя 4, выходы которого соединены со входами N соответствующих ключевых усилителей 5.1...5.N мощности, выходы которых соединены последовательно и подключены через последовательно соединенные измерительный датчик 7 тока и фильтр 6 нижних частот к выходу канала, в свою очередь выход измерительного датчика тока соединен со входом контроля устройства управления 3, а шины питания ключевых усилителей 5.1...5.N мощности соединены через соответствующие источники 8.1...8.N вторичного электропитания к шинам питания канала генераторного устройства.

Шины питания каналов 2.1...2.L генераторного устройства соединены последовательно и подключены к шинам питания передающего тракта, входы каналов 2.1. ..2.L генераторного устройства соединены с выходом формирователя сигналов, а выходы подключены параллельно ко входу излучающей антенны.

Устройство-прототип работает следующим образом. Сигнал U с выхода формирователя поступает на входы каналов ГУ. В каждом канале входной сигнал через устройство 3 управления поступает на вход широтно-импульсного преобразователя (ШИП) 4, где преобразуется в N импульсных сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Сигналы с ШИМ усиливаются по мощности ключевыми усилителями мощности (КУМ) 5.1...5.N, электропитание каждого из которых осуществляется от отдельного источника вторичного электропитания (ИВЭП) 8.1... 8.N.

ИВЭП 8.1. . .8.N в составе каждого канала ГУ преобразуют первичное напряжение питания передающего тракта в N-гальванически развязанных вторичных напряжений, поступающих на шины питания соответствующих КУМ 5.1...5.N. Наличие гальванической развязки по шинам питания обеспечивает последовательное включение выходов КУМ. При этом формируется суммарное импульсное напряжение, поступающее через фильтр нижних частот (ФНЧ) 6 и измерительный датчик тока 7 на выход канала ГУ. Выходной сигнал измерительного датчика тока ДТ 7 поступает на контрольный вход устройства управления, где может использоваться для отрицательной обратной связи по выходному току. Наличие такой обратной связи позволяет обеспечить параллельную работу каналов ГУ на одну излучающую антенну.

Применение многоканальной ШИМ, при которой импульсные сигналы модулируются как по длительности, так и по фазовому положению, обеспечивает улучшенный спектр суммарного импульсного напряжения, расширение полосы рабочих частот выходных сигналов, что выгодно отличает устройство-прототип от известных аналогов [1, 2, 3].

Недостатком устройства-прототипа является понижение энергетической эффективности и надежности работы, обусловленное наличием дополнительных ИВЭП в шинах электропитания КУМ. Применение в составе каналов ГУ устройств силового электропитания КУМ, выполненных в виде ИВЭП с гальванической развязкой выходных напряжений, приводит практически к удвоению габаритов аппаратуры передающего тракта. Выделенные недостатки препятствуют внедрению устройства-прототипа в гидроакустических передающих трактах (ГАПТ) перспективных гидроакустических комплексов нового поколения. Современной тенденцией развития ГАПТ является увеличение числа каналов ГУ при расширении полосы частот излучаемых сигналов. Для многоканальных ГАПТ с увеличением числа каналов недостатки устройства-прототипа все более существенным образом влияют на ухудшение характеристик передающей аппаратуры.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы при улучшении массогабаритных показателей передающей аппаратуры.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее формирователь сигналов, излучающую антенну и L-канальное генераторное устройство, каждый канал которого содержит устройство управления, вход которого является входом канала генераторного устройства, а выход подключен ко входу N-канального широтно-импульсного преобразователя, выходы которого соединены со входами N соответствующих ключевых усилителей мощности, и соединенные последовательно фильтр нижних частот и измерительный датчик тока, введена новая совокупность блоков и связей.

В устройство дополнительно введено устройство централизованного электропитания, а излучающая антенна и формирователь выполнены многоканальными, причем выходы каналов формирователя сигналов подключены ко входам соответствующих каналов генераторного устройства, выходы которых подключены ко входам соответствующих каналов излучающей антенны, при этом в состав каждого канала генераторного устройства введены N дополнительных датчиков тока, диодно-резистивный сумматор и N-канальный трансформаторный сумматор, входы которого через дополнительные датчики тока подключены к выходам ключевых усилителей мощности, а выход через фильтр нижних частот и измерительный датчик тока - к выходу канала генераторного устройства, в свою очередь выходы дополнительных датчиков тока соединены со входами диодно-резистивного сумматора, выход которого соединен со входом защиты N-канального широтно-импульсного преобразователя, причем шины электропитания ключевых усилителей мощности соединены параллельно через шины электропитания канала генераторного устройства с выходами устройства централизованного электропитания, входы которого соединены с шинами первичного напряжения электропитания.

В свою очередь, при электропитании от сети переменного тока устройство централизованного электропитания выполнено на соединенных последовательно устройстве включения, выпрямителе, L-канальном зарядном устройстве и L-канальном емкостном фильтре, а также на устройстве контроля, выходы которого подключены ко входам управления зарядного устройства, а входы - к соответствующим выходам контроля зарядного устройства, в свою очередь выходы L-канального емкостного фильтра соединены с шинами электропитания соответствующих каналов генераторного устройства.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что реализация однозвенной схемы силового преобразования в сочетании с использованием трансформаторного сумматора при защите отдельных каналов КУМ от токовой перегрузки обеспечивает повышение надежности работы предлагаемого устройства. Кроме того, обеспечение электропитания каналов ГУ от шины первичного напряжения электропитания без дополнительных источников вторичного напряжения приводит к улучшению энергетических и массогабаритных характеристик ГАПТ.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5, где на фиг.1, 2 представлены структурные схемы предлагаемого устройства и устройства-прототипа; на фиг.3 приведена структурная схема централизованного устройства электропитания предлагаемого ГАПТ от первичной сети переменного тока; на фиг.4 представлены временные диаграммы напряжений в ключевых усилителях при 4-канальной ШИМ; на фиг. 5 - спектральный состав импульсного напряжения при 1-канальной (а), 2-канальной (б), 4-канальной ШИМ.

Предлагаемый гидроакустический тракт содержит L-канальный формирователь 1 сигналов, L-канальную излучающую антенну 9, устройство 8 централизованного электропитания и L каналов ГУ (2.1. ..2.L), в состав каждого из которых входят устройство 3 управления, N-канальный ШИП 4, N каналов КУМ 5.1...5.N, N датчиков тока 11.1. . . 11.N, N-канальный трансформаторный сумматор 13, фильтр 6 нижних частот, измерительный датчик 7 тока. Устройство 8 централизованного электропитания (фиг.3) содержит устройство 14 включения, выпрямитель 15, L-канальное зарядное устройство 16, L-канальный емкостный фильтр 17 и устройство 18 контроля.

Работа предлагаемого ГАПТ осуществляется следующим образом.

Входные сигналы U₁...U_L с заданным амплитудным и фазовым распределением с выходов L-канального формирователя сигналов поступают на входы каналов 2.1. . .2.L генераторного устройства. В составе отдельных каналов ГУ входные сигналы подаются на вход устройства управления, где реализуется регулировка сигнала с учетом характеристик отдельного канала ГУ. В частности, в устройстве управления может быть реализована по известным правилам [4] схема обратной связи по выходному току в соответствии с сигналом, поступающим от измерительного датчика тока на контрольный вход устройства управления.

Через устройство 3 управления входной сигнал U поступает на вход N-канального ШИП 4, где преобразуется в ряд сигналов с ШИМ. Временные диаграммы сигналов, поясняющие формирование импульсных последовательностей для случая 4-канальной модуляции, приведены на фиг.4. По известным правилам входной сигнал U сравнивается с рядом пилообразных напряжений U_П1, U_П2, U_П3, U_П4 с равномерным временным сдвигом T/N (где Т - период пилообразных напряжений; N=4 - число каналов).

В результате сравнения формируются сигналы с ШИМ V₁, V₂ и V₃, V₄, которые после ключевого усиления по мощности могут быть определены выражением
V_i=Esign(U-U_Пi), (1)
где i=1...N.

Дополнительно в ШИП 4 может быть реализована схема защиты, которая запрещает прохождение сигналов с ШИМ на выходы ШИП при превышении сигналом на входе защиты установленного уровня (например, при превышении сигналом, пропорциональным уровню выходного тока каналов КУМ, максимально допустимого значения). Таким образом может быть реализован режим защиты от токовой перегрузки.

В отсутствии режима защиты сигналы с ШИМ поступают на входы соответствующих КУМ 5.1...5.N, на выходах которых формируются импульсные напряжения V₁...V_N (1), амплитуда которых Е определяется напряжением питания Е₀ и схемой реализации КУМ. Для полумостовой схемы Е≅Е₀/2, а для мостовой схемы Е≅Е₀.

Импульсные напряжения с выходов КУМ 5.1...5.N через датчики тока ДТ 11.1...11.N поступают на входы N-канального трансформаторного сумматора, где реализуются трансформаторное согласование и последовательное сложение сигналов. В результате формируется суммарное напряжение V (фиг.4):

где k_T - коэффициент трансформации.

Преимуществом многоканальной ШИМ является улучшенная форма суммарного импульсного напряжения, обусловленная повышением суммарной частоты изменения и образованием дополнительных ступеней по амплитуде, что облегчает условия фильтрации выходного сигнала. Отмеченное обстоятельство подтверждает анализ спектров импульсных напряжений при одно-, двух- и четырехканальной ШИМ, приведенных на фиг.5.

Для 1-канальной ШИМ комбинационные составляющие группируются вокруг гармоник частоты переключений ω канала КУМ. В суммарном импульсном напряжении комбинационные составляющие располагаются вокруг гармоник суммарной частоты ω_N = N_ω. Таким образом, ВЧ составляющие располагаются вне полосы рабочих частот Ω и могут быть подавлены ФНЧ с частотой среза Ω_c значительно выше верхней рабочей частоты Ω_в:
Ω_c≥2 ... 4Ω_в (3)
Суммарное импульсное напряжение поступает через измерительный датчик 7 тока и фильтр нижних частот 6 на выход канала ГУ и далее на вход канала акустической антенны (акустические излучатели АИ 10.1...10.L). Результирующий фильтр образуется индуктивно-емкостными элементами ФНЧ 6 и емкостной составляющей акустических излучателей, которые для современных гидроакустических антенн выполняются на пьезоэлектрических преобразователях. Вне полосы рабочих частот АИ имеют практически емкостный импеданс, что обуславливает резкое изменение АЧХ и ФЧХ результирующего фильтра в области частоты среза ФНЧ: Ω = (0,5-1)Ω_c. Однако выполнение условия (3) обеспечивает стабильность амплитуды и фазы выходного напряжения канала ГУ в полосе рабочих частот, что является необходимым условием реализации многоканальных ГАПТ.

Вместе с тем, применение многоканальной ШИМ связано с использованием ряда каналов КУМ в составе каждого канала ГУ. Для обеспечения надежной работы многоканальных устройств ключевого усиления в предлагаемом устройстве реализована защита каждого канала КУМ от перегрузки по выходному току. Для этого на выходах КУМ 5.1...5.N включены датчики тока 11.1...11.N, выходные сигналы I₁...I_N которых поступают на входы диодно-резистивного сумматора 12. Выходной сигнал диодно-резистивного сумматора U₁ определяется максимальным сигналом из совокупности I₁...I_N:
U₁=Мах[I₁...I_N].

Сигнал U₁ поступает на вход защиты ШИП 4, где сравнивается с пороговым уровнем U₀, определяющим его максимально допустимое значение. При U₁>U₀ срабатывает схема защиты в составе ШИП, закрывая прохождение сигналов с ШИМ на входы КУМ. Тем самым предотвращается дальнейшее нарастание выходного тока КУМ до опасных значений и устраняется режим токовой перегрузки. Диодно-резистивный сумматор 12 может выполняться по известной схеме пикового детектора. При этом восстановление схемы защиты может осуществляться по спаду сигнала U₁ ниже порога U₀-Δ, определяемого гистерезисом Δ пороговой схемы.

Предложенная схема защиты в составе ШИП в сочетании с многоканальным диодно-резистивным сумматором и датчиками тока в каждом канале КУМ обеспечивает надежную защиту от перегрузки в канале ГУ с многоканальной ШИМ.

Электропитание КУМ 5.1...5.N в каналах ГУ осуществляется от шины централизованного напряжения электропитания, формируемого устройством электропитания (фиг.3).

Достоинством предлагаемого ГАПТ является непосредственная адаптация ключевых усилителей мощности по шинам электропитания к напряжению первичной сети. Для сети переменного тока U~ 3 Ф 50 Гц 380 В (220 В) устройство 8 централизованного электропитания выполняется на устройстве включения 14 и выпрямителе 15, обеспечивающих дистанционное включение и формирование централизованного напряжения Е₀≅550 В (310 В). Далее централизованное напряжение поступает через L-канальное зарядное устройство 16 и L-канальный емкостный фильтр 17 на шины питания соответствующих каналов ГУ. Выполнение зарядного устройства по L-канальной схеме в условиях централизованного напряжения электропитания обеспечивает повышенную надежность многоканального ГАПТ в целом.

При повышенном потреблении одного из каналов ГУ в случает его неисправности соответствующий канал зарядного устройства остается в режиме ограничения тока потребления, что осуществляется устройством 18 контроля. Зарядное устройство 16 может быть выполнено резистивным, на основе токоограничивающих варисторов и шунтирующих ключевых элементов.

Устройство централизованного электропитания работает следующим образом.

При включении напряжение Е₀ поступает на вход зарядного устройства и через токоограничивающие элементы (например, резисторы) поступает на соответствующие каналы емкостного фильтра и шины электропитания каналов ГУ. При этом в ГАПТ отсутствует режим излучения и потребление каналов ГУ определяется, главным образом, током заряда емкостных фильтров. Для исправных каналов ГУ напряжение электропитания возрастает до номинального значения Е_H, что контролируется устройством 18 контроля. На выходах устройства контроля, соответствующих исправным каналам, формируются сигналы включения ключевых элементов в составе L-канального зарядного устройства, которые шунтируют соответствующие зарядные резисторы.

При неисправности канала ГУ имеет место повышенное потребление по напряжению питания, и в режиме заряда напряжение на выходе соответствующего канала зарядного устройства не достигает номинального уровня. Соответственно, схемы сравнения в устройстве контроля запрещают включение шунтирующего элемента. Таким образом неисправный канал отключается от централизованной шины электропитания и не препятствует функционированию остальных каналов ГАПТ. Для многоканальных фазированных антенных решеток допустима неисправность до 20-30% каналов излучения. Предложенная схема централизованного устройства электропитания обеспечивает отключение неисправных каналов без нарушения функционирования гидроакустического комплекса. Тем самым решается задача повышения надежности многоканального ГАПТ.

Вместе с тем, адаптация КУМ к централизованному напряжению питания обеспечивает минимизацию габаритов ГАПТ при повышении энергетической эффективности. Так, если известные передающие тракты имеют КПД не более 75% при удельной мощности ГУ до 100 В•А/дм³, то предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение КПД до 85-90% при повышении удельной мощности до 200 В•А/дм³.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что позволяет рекомендовать предлагаемый передающий тракт для обеспечения режимов ЗПС и ГЛ в современных ГАК.

Литература
1. Патент США 4008427. МКИ Н 02 М 7/537.

2. International Specialist seminar on advanced Signal processing in radar, sonar and communication./P.D. Franks. JEE 1984.

3. Патент РФ 2022447. МКИ Н 03 В 11/00. Формирователь последовательности фазомодулированных импульсов для возбуждения резонансной нагрузки. БИ 20, 1994.

4. AC 1531186. МКИ Н 03 К 3/02. Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки. БИ 47, 1989.

Изобретение относится к усилительной технике и может использоваться в многоканальных передающих трактах гидроакустических комплексов для возбуждения фазированной антенной решетки широкополосными сигналами режимов звукоподводной связи и гидролокации. Гидроакустический передающий тракт содержит формирователь сигналов (ФС) 1, излучающую антенну (ИА) 9 и L-канальное генераторное устройство (ГУ), каждый канал (К) 2 которого содержит устройство управления (УУ) 3, N-канальный широтно-импульсный преобразователь (ШИП) 4, N ключевых усилителей мощности (КУМ) 5, фильтр нижних частот (ФАЧ) 6 и измерительный датчик тока (ДТ) 7, выход которого соединен с контрольным входом УУ 3. Введено устройство централизованного электропитания (УЭП) 8, а ИА 9 и ФС 1 выполнены L-канальными. Выходы каналов ФС 1 подключены ко входам соответствующих К 2 ГУ, выходы которых соединены со входам соответствующих каналов ИА 9. В состав каждого К 2 ГУ введены N дополнительных ДТ 11, диодно-резистивный сумматор (ДРС) 12 и N-канальный трансформаторный сумматор 13, входы которого через ДТ 11 подключены к выходам КУМ 5, а выход через ФНЧ 6 и измерительный ДТ 7 - к выходу К 2 ГУ. Выходы ДТ 11 соединены со входами ДРС 12, выход которого соединен со входом защиты N-канального ШИП 4. Техническим результатом является улучшение массогабаритных характеристик гидроакустического передающего тракта, а также повышение надежности его работы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидроакустический передающий тракт, содержащий формирователь сигналов, излучающую антенну и L-канальное генераторное устройство, каждый канал которого содержит устройство управления, вход которого является входом канала генераторного устройства, а выход подключен ко входу N-канального широтно-импульсного преобразователя, выходы которого соединены со входами N-соответствующих ключевых усилителей мощности, и соединенные последовательно фильтр нижних частот и измерительный датчик тока, выход которого соединен с контрольным входом устройства управления, отличающийся тем, что в состав гидроакустического передающего тракта введено устройство централизованного электропитания, а излучающая антенна и формирователь сигналов выполнены L-канальными, причем выходы каналов формирователя сигналов подключены ко входам соответствующих каналов генераторного устройства, выходы которых соединены со входами соответствующих каналов излучающей антенны, причем в состав каждого канала генераторного устройства введены N дополнительных датчиков тока, диодно-резистивный сумматор и N-канальный трансформаторный сумматор, входы которого через дополнительные датчики тока подключены к выходам ключевых усилителей мощности, а выход через фильтр нижних частот и измерительный датчик тока - к выходу канала генераторного устройства, в свою очередь выходы дополнительных датчиков тока соединены со входами диодно-резистивного сумматора, выход которого соединен со входом защиты N-канального широтно-импульсного преобразователя, причем шины электропитания ключевых усилителей мощности соединены параллельно через шины электропитания канала генераторного устройства с выходами устройства централизованного электропитания, входы которого соединены с шинами первичного напряжения электропитания. 2. Гидроакустический передающий тракт по п. 1, отличающийся тем, что при электропитании от первичной электросети переменного тока устройство централизованного электропитания выполнено в виде соединенных последовательно устройства включения, выпрямителя, L-канального зарядного устройства и L-канального емкостного фильтра, а также содержит устройство контроля, выходы которого подключены ко входам управления зарядного устройства, а входы - к соответствующим выходам контроля зарядного устройства, при этом выходы L-канального емкостного фильтра соединены с шинами электропитания соответствующих каналов генераторного устройства.