ПРИЕМНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ КОМПЕНСИРОВАННАЯ АНТЕННА ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНОГО ФАЗОВОГО БАТИМЕТРИЧЕСКОГО ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2003 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к подводной технике и может быть использовано при разработке фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора, предназначенного для формирования трехмерной картины рельефа морского дна при проведении обзорно-поисковых работ с использованием звуковых или ультразвуковых колебаний со средствами подавления нежелательных колебаний.

Известно, что гидролокаторы бокового обзора (ГБО), которые получили название батиметрических (БГБО), имеют в составе несколько параллельных отдельных линейных антенн, ориентированных вдоль продольной оси носителя, и разделяются на интерферометрические и фазовые в зависимости от размера измерительной базы приемной антенны (расстояния между соседними отдельными линейными антеннами). Совместная обработка данных, принятых отдельными линейными антеннами, дает информацию о высоте отражателей морского дна. Точность и разрешение по угломестной координате в плоскости, поперечной направлению движения носителя, определяется характеристиками приемной антенны. Интерферометрические БГБО имеют измерительную базу, составляющую несколько длин волн рабочей частоты, и обеспечивают достаточно высокое разрешение. Но их недостатком является фазовая неоднозначность. Это приводит к появлению ложных целей и необходимости устранения неоднозначности за счет дополнительного усложнения аппаратуры [1].

В фазовых БГБО для исключения фазовых неоднозначностей измерительная база имеет размер порядка длины волны. Это ограничивает геометрические размеры всей приемной антенны, а отдельные линейные антенны выполняются в общем корпусе. Суммарный волновой размер базы всей приемной антенны становится малым и это приводит к уменьшению углового разрешения при использовании обычных методов обработки [2]. Известно, что для увеличения углового разрешения при использовании приемных антенн с малым волновым размером измерительной базы применяются методы высокого разрешения [3-4]. Важнейшим условием эффективной обработки данных в таком ГБО является максимальная идентичность амплитудных и линейность фазовых характеристик отдельных линейных антенн [5]. Расхождение амплитудных характеристик направленности отдельных линейных антенн при таких нелинейных методах обработки приводит к смещению оценки углов нахождения целей и, соответственно, ухудшению разрешения.

Общеизвестны конструкции плоских многоэлементных приемных антенн, выполненных в прямоугольном корпусе, заполненном жидкостью, компенсирующей гидростатическое давление [6]. Пьезоактивные элементы антенны могут быть конфигурированы в виде нескольких независимых отдельных линейных антенн, установленных на измерительной базе нужных волновых размеров. Такая антенна может быть глубоководной и применяться в качестве приемной компенсированной многоэлементной антенны глубоководного фазового БГБО. Недостатком приемных многоэлементных компенсированных антенн, выполненных в виде отдельных параллельных линейных антенн при малых (менее длины волны) расстояниях между ними, является то, что отдельные линейные антенны имеют значительный разброс амплитудных и фазовых характеристик. Это обусловлено взаимодействием отдельных линейных антенн по полю, по внутреннему объему, корпусу и различными условиями акустической нагруженности центральных и периферийных отдельных линейных антенн на фронтальной плоскости. Примеры анализа этих эффектов приведены в [7] . Взаимодействие отдельных линейных антенн определяется характеристиками экранов, заполняющих апертуру антенны между пьезоактивными элементами, корпусом и пьезоактивными элементами и т.д. Известно, что отдельный излучатель (приемник) при наличии акустического импедансного экрана имеет характеристику направленности, которая слабо зависит от акустического экрана обрамляющего его апертуру в том случае, если экран абсолютно мягкий или выполнен в виде чередующихся полос акустически мягкого и жесткого материалов [8]. Причем волновая ширина каждой из чередующихся полос акустически мягкого и жесткого материалов мала, а суммарная ширина экрана составляет одну длину волны [9] . Но в рамках этой модели не учитывается взаимодействие по внутреннему объему антенны.

Известно, что отдельные линейные антенны выполняют в виде излучающих (или приемных) полос (линеек), разделенных прямоугольными канавками [10]. Эти канавки служат для изменения взаимодействия по объему антенны, но недостатком таких структур являются значительные искажения амплитудных и фазовых характеристик при малых расстояниях между линейками.

Известно также, что акустические характеристики периодической гребенчатой структуры в виде узких канавок (прорезей, которые сделаны на фронтальной поверхности акустически жесткого тела), ширина которых мала в сравнении с глубиной и длиной волны в жидкости, в которой размещена такая структура, таковы, что входной импеданс определяется только характеристиками жидкости и волновой высотой канавки и остается постоянным независимо от угла падения акустического луча на такую структуру [11]. В такой структуре акустический сигнал не распространяется в поперечном направлении (вдоль фронтальной поверхности) и фазовый набег сигнала между двумя гребнями определяется только распространением сигнала по рабочей среде. Такие структуры используются в звукопоглощающих покрытиях и могут быть применены в качестве эффективных экранов в глубоководных (компенсированных) приемных антеннах фазового БГБО, однако их недостатком является то, что входной акустический импеданс структуры на фронтальной поверхности не соответствует условиям недеформируемости характеристики направленности (ХН) отдельных линейных антенн, что приводит к искажениям амплитудных и фазовых характеристик за счет взаимодействия по полю принимаемого сигнала.

Наиболее близкой по технической сущности является многоэлементная компенсированная прямоугольная антенна [6], содержащая в общем корпусе несколько линейных полос элементов, из которых составлены несколько независимых отдельных линейных антенн шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны, причем отдельные линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ, зазоры между которыми заполнены компенсирующей жидкостью.

Недостатком такой антенны является то, что при малых зазорах между линейными антеннами не обеспечиваются условия уменьшения их взаимодействия по полю и внутреннему объему [8, с. 30-31], что приводит к фазовым и амплитудным искажениям, как это подтверждается расчетами, приведенными в [10].

Задачей настоящего изобретения является создание для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора приемной многоэлементной компенсированной антенны с увеличенным угловым разрешением за счет формирования идентичных амплитудных и линейных фазовых характеристик путем уменьшения взаимодействия между отдельными линейными антеннами по полю и внутреннему объему приемной антенны.

Поставленная задача решается тем, что в приемной многоэлементной компенсированной антенне для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора, содержащей корпус, несколько рядов прямоугольных пьезоэлементов, размещенных в этом корпусе, каждый из рядов пьезоэлементов представляет отдельную линейную антенну шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны, причем отдельные линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ, а сама приемная антенна имеет тыльный экран, расположенный параллельно ее фронтальной поверхности, зазоры между линейными антеннами, а также корпусом приемной антенны и крайними линейными антеннами заполнены экранирующим слоем из акустически мягкого материала, каждый зазор разделен по ширине на две части ребром из акустически жесткого материала, ширина этих частей зазора и ширина ребра равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ, высота ребра выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1,3...., m=1,2...

Тыльный экран образован слоем из акустически мягкого и слоем из акустически жесткого материалов.

В качестве акустически мягкого материала для тыльного экрана и экранирующего слоя использована резина.

В качестве акустически твердого материала для тыльного экрана и ребер использован металл.

В заявленной приемной многоэлементной компенсированной антенне для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора общими существенными признаками для нее и для ее прототипа являются:
- приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора;
- корпус;
- несколько рядов прямоугольных пьезоэлементов, размещенных в корпусе;
- каждый из рядов пьезоэлементов представляет отдельную линейную антенну шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны, причем отдельные линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ;
- сама приемная антенна имеет тыльный экран, расположенный параллельно ее фронтальной поверхности.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленной приемной антенны и прототипа показывает, что первая в отличии от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:
- зазоры между линейными антеннами, а также корпусом приемной антенны и крайними линейными антеннами заполнены экранирующим слоем из акустически мягкого материала;
- каждый зазор разделен по ширине на две части ребром из акустически жесткого материала, ширина этих частей зазора и ширина ребра равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ,
- высота ребра выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1.3...., m=1,2...

Отличительными признаками, обеспечивающими совместно с общей совокупностью признаков заявленной приемной многоэлементной компенсированной антенны достижение заявленного технического результата лишь в частных случаях его осуществления, являются:
- тыльный экран образован слоем из акустического мягкого и слоем из акустически жесткого материалов;
- в качестве акустически мягкого материала для тыльного экрана и экранирующего слоя использована резина;
- в качестве акустически твердого материала для тыльного экрана и ребер использован металл.

В заявленной приемной многоэлементной компенсированной антенне идентичность амплитудных и гармоничность (или линейность в пределах выделенного сектора приема) фазовых характеристик достигается созданием условий акустического экранирования отдельной линейной антенны, при которых прием акустических сигналов тыльной и боковой поверхностями антенны мал за счет наличия соответствующих экранов у прототипа, выполненных на основании хорошо известных рекомендаций [12], а прием сигнала из внешней среды фронтальной поверхностью осуществляется только фронтальными поверхностями отдельных линейных антенн, причем каждая отдельная линейная антенна на фронтальной поверхности находится в локально-импедансном экране, который образован чередующимися полосами малой волновой ширины акустически мягкого и жесткого материалов. Геометрические размеры этих полос выбраны, чтобы обеспечить входной нормальный импеданс, равный нулю и бесконечности, соответственно, и не зависящим от угла падения звуковых лучей на фронтальную поверхность антенны. При выполнении перечисленных условий звуковая волна не принимается тыльной и боковыми поверхностями, а при падении на фронтальную поверхность независимо от угла падения не распространяется по конструкции антенны, т.е. прием акустического сигнала отдельной линейной антенной не зависит от корпуса антенны и наличия или отсутствия на приемной апертуре других линейных антенн. При этом каждая отдельная линейная антенна имеет одинаковые амплитудные характеристики направленности, зависящие только от ширины отдельной линейной антенны. Разности фаз между отдельными линейными антеннами в зависимости от угла прихода акустического сигнала определяются набегом фазы в рабочей среде и зависят только от расстояния между отдельными линейными антеннами.

Перечисленные признаки, отличающие заявленную приемную многоэлементную компенсированную антенну для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора от ее наиболее близкого аналога (прототипа) в совокупности с признаками, общими для нее и для прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

В приемной антенне зазоры между линейными антеннами, а также корпусом приемной антенны и крайними линейными антеннами заполнены экранирующим слоем из акустически мягкого материала, каждый зазор разделен по ширине на две части ребром из акустически жесткого материала, ширина этих частей зазора и ширина ребра равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ, высота ребра выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1,3... ., m=1,2...

Таким образом, все отличительные признаки заявленной приемной антенны обеспечивают достижение технического результата, т.е. находятся с техническим результатом в причинно-следственной связи.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез приемной многоэлементной компенсированной антенны для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора, на фиг.2 приведены экспериментальные амплитудные характеристики направленности каждой линейной антенны в поперечной плоскости, на фиг.3 приведены экспериментальные фазовые характеристики приемной антенны в поперечной плоскости.

Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора (фиг.1) содержит корпус, включающий тыльную 1 и боковую 2 поверхности, несколько рядов прямоугольных пьезоэлементов 3, размещенных в этом корпусе. Каждый из рядов пьезоэлементов 3 представляет отдельную линейную антенну шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны. Причем отдельные линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ. Приемная антенна имеет тыльный экран, образованный тыльной поверхностью 1 корпуса антенны, выполненный из акустически жесткого материала, и слоем 4 из акустически мягкого материала. Тыльный экран расположен параллельно фронтальной поверхности приемной антенны. Зазоры между линейными антеннами 3, а также боковой поверхностью 2 корпуса приемной антенны и крайними линейными антеннами 3 заполнены экранирующим слоем 5 из акустически мягкого материала. Каждый зазор разделен по ширине на две части ребром 6 из акустически жесткого материала. Ширина этих частей зазора и ширина ребра 6 равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ. Высота ребра 6 выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1,3..., m=1,2... В качестве акустически мягкого материала для тыльного экрана и экранирующего слоя использована резина, а в качестве акустически жесткого материала для тыльного экрана и ребра использован металл.

Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора работает следующим образом.

Акустические сигналы, фазы которых содержат информацию о высоте отражателей на морском дне и пришедшие с произвольных направлений, принимаются поверхностями приемной антенны. В диапазоне углов 180±90 градусов уровень сигнала мал за счет обычного тыльного экранирования. В секторе 0±90 градусов акустические сигналы поступают из рабочей среды на фронтальную поверхность каждой отдельной линейной антенны. Кроме того, сигналы распространяются по поверхности и корпусу антенны. Вследствие того, что высота слоя из акустически мягкого материала выбрана равной h_p≈λ_p/4•n, ее входной импеданс, определяемый формулой

при n=1,3... равен нулю.

Входной импеданс металлического ребра

при h_m≈λ_m/2•m для m=1,2.. равен бесконечности. В результате для каждой из пяти отдельных линейных антенн получим идентичные условия акустического экранирования в виде полос одинаковой ширины с чередованием акустически мягкого и жесткого участков. Импеданс такой структуры не зависит от угла прихода сигнала. При таком выполнении заполняющего экрана взаимодействие между отдельными линейными антеннами отсутствует, характеристика направленности отдельной линейной антенны в поперечной плоскости определяется только ее шириной l

а фазовые характеристики отдельных линейных антенн относительно первой определяются только расстоянием между отдельными линейными антеннами d

где θ - угол прихода плоской волны относительно нормали антенны;
i=2, 3, 4, 5 - номер отдельной линейной антенны.

Экспериментальные амплитудные характеристики направленности каждой линейной антенны в поперечной плоскости приведены на фиг.2. Параметры кривых соответствуют условию (3).

Экспериментальные фазовые характеристики приведены на фиг.3. Точками нанесены соответствующие теоретические значения, рассчитанные по формуле (4).

Таким образом, в сравнении с прототипом в заявленной антенне обеспечена идентичность амплитудных и фазовых характеристик, что позволило увеличить угловое разрешение при обработке сигналов отдельных линейных антенн. Такое техническое решение дает возможность использовать приемную антенну для решения задач фазовой батиметрии при гидролокационной съемке рельефа морского дна.

В настоящее время приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного батиметрического гидролокатора бокового обзора прошла испытания, показала хорошие результаты и включена в состав фазового БГБО, предназначенного для установки на автономных необитаемых подводных аппаратах, разрабатываемых в ИПМТ ДВО РАН.

Источники информации
1. Ph. Denbigh. Swath bathymetry- Principles of operation and an analysis of errors. - IEEE J. Oceanic Eng.., vol.14, p.298, No4, Оct. 1989.

2. X. Lurton. Swath bathymetry Using Phase Difference - Theoretical Analysis of Acoustical Measurement Precision - IEEE J. Oceanic Eng.., vol. 25, p.351-363, No3, Jul. 2000.

3. F. Le Clerc. Performance of Angle Estimation Methods Applied to Multibeam Swath Bathymetry. - Ocean-1994 France, vol.3, p.231-236.

4. Guoliang Jin and Dajun Tang. Uncertainties of Differential Phase Estimation Associated with Interferometric Sonars. - IEEE J. Oceanic Eng.., vol.21, p.53-63, Nol, Jan. 1996.

5. Weiqing Zhu, Feng Pan, Min Zhu, Xiangjun Zhang, Changhong Wang, Xiaodong Liu. The AUV 3D Acoustics Imaging Systems -Workshop on Sensors and Sensing Technology for Autonomous Ocean Systems. Hawaii, Oct., 2000.

6. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. - Л.: Судостроение, 1980, с. 178, рис.6.16 - прототип.

7. Н. М. Иванов. Фазовый синтез акустических антенных решеток с взаимодействующими элементами. - Акуст. Журнал, 1992, т. 38, вып.1, с. 65-69.

8. Смарышев М. Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. - Л.: Судостроение, 1984, с. 217.

9. Шабров А. А. Направленность одностороннего поршня в экране конечных размеров с переменным импедансом. - Акуст. Журнал, 1984, т. 30, вып.1, с. 114-117.

10. Севрюгова Н.В. Звуковое поле вблизи плоской периодической структуры с импедансными полосами. - Акуст. Журнал, 1981, т. 27, вып.1, с. 138-142.

11. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973, с. 13.

12. Глазанов В.Е. Экранирование гидроакустических антенн. - Л.: Судостроение, 1986, с. 27.

Изобретение относится к подводной технике и может быть использовано при разработке фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора, предназначенного для формирования трехмерной картины рельефа морского дна при проведении обзорно-поисковых работ с использованием звуковых или ультразвуковых колебаний со средствами подавления нежелательных колебаний. Техническим результатом является создание приемной многоэлементной компенсированной антенны с увеличенным угловым разрешением за счет формирования идентичных амплитудных и линейных фазовых характеристик путем уменьшения взаимодействия между отдельными линейными антеннами по полю и внутреннему объему приемной антенны. Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора содержит корпус, в котором размещены несколько рядов прямоугольных пьезоэлементов. Каждый из рядов пьезоэлементов представляет собой отдельную линейную антенну шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны. Линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ. Приемная антенна имеет тыльный экран, который расположен параллельно ее фронтальной поверхности и образован слоем из акустически мягкого и слоем из акустически жесткого материалов. Зазоры между линейными антеннами, а также корпусом приемной антенны и крайними линейными антеннами заполнены экранирующим слоем из акустически мягкого материала. Каждый зазор разделен по ширине на две части ребром из акустически жесткого материала, ширина этих частей зазора и ширина ребра равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ. Высота ребра выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1,3..., m=1,2.... В качестве акустически мягкого материала для тыльного экрана и экранирующего слоя использована резина. В качестве акустически твердого материала для тыльного экрана и ребер использован металл. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора, содержащая корпус, несколько рядов прямоугольных пьезоэлементов, размещенных в этом корпусе, каждый из рядов пьезоэлементов представляет отдельную линейную антенну шириной менее λ/2 и длиной, равной длине приемной антенны, причем отдельные линейные антенны размещены по ширине приемной антенны на расстоянии менее λ, а сама приемная антенна имеет тыльный экран, расположенный параллельно фронтальной поверхности приемной антенны, отличающаяся тем, что зазоры между линейными антеннами, а также корпусом приемной антенны и крайними линейными антеннами заполнены экранирующим слоем из акустически мягкого материала, каждый зазор разделен по ширине на две части ребром из акустически жесткого материала, ширина этих частей зазора и ширина ребра равны и выполнены меньше длины волны рабочей частоты λ, высота ребра выбирается из условия h_m≈λ_m/2•m, а высота экранирующего слоя выбирается из условия h_p≈λ_p/4•n, где λ, λ_m, λ_p - длина волны в рабочей среде, в акустически жестком и акустически мягком материалах соответственно, n=1,3..., m=1,2.... 2. Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора по п.1, отличающаяся тем, что тыльный экран образован слоем из акустически мягкого и слоем из акустически жесткого материалов. 3. Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве акустически мягкого материала для тыльного экрана и экранирующего слоя использована резина. 4. Приемная многоэлементная компенсированная антенна для глубоководного фазового батиметрического гидролокатора бокового обзора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве акустически твердого материала для тыльного экрана и ребер использован металл.