СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ РАБОЧИМ СЕКТОРОМ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ КРУГОВОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2007 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к излучающим трактам гидролокаторов, 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, формирующих частотно независимые характеристики направленности в режиме излучения, является то, что излучение достаточно мощных сигналов становится практически неосуществимым из-за относительно небольших размеров преобразователей, используемых в рупорной антенне. Кроме того, при круговом обзоре пространства с помощью нескольких рупорных антенн, формирующих частотно независимые характеристики направленности, проявляется еще один недостаток рупорных антенн, заключающийся в том, что характеристики, формируемые различными рупорными антеннами, могут отличаться друг от друга из-за технологического разброса параметров их преобразователей, 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 этих недостатков, 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 при введении амплитудного распределения указанного вида обеспечивает значительно большую ширину диапазона рабочих частот (диапазона, в котором наблюдается малая зависимость ширины характеристики направленности от частоты), чем при равномерном амплитудном распределении. Способ формирования частотно независимых характеристик направленности некомпенсированным сектором круговой цилиндрической антенны при амплитудном распределении вида 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 40°-30°) волновые размеры круговой антенны (диаметр) резко увеличиваются по сравнению с размерами антенны, формирующей более широкие характеристики направленности (порядка 60°). При этом размеры круговой цилиндрической 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:

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

r - радиус цилиндрической антенны;

λ_H - 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_H.

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 излучающей круговой антенны, включающей возбуждение n-го элемента сектора электрическим сигналом с весовым коэффициентом где ϕ_n - угловое отстояние элемента антенны с номером n от оси симметрии рабочего сектора антенны, ψ₀ - полуширина рабочего сектора, введены новые признаки, а именно электрические сигналы возбуждения каждого из n элементов рабочего сектора задерживают на время

где r - радиус антенны;

с - скорость звука в воде;

α - коэффициент, значение которого выбирается 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 сигнала в точку наблюдения от различных элементов 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 характеристика направленности может иметь такую же ширину, как и при точной компенсации. На высоких частотах появляется заметная четная фазовая 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 2ψ₀, существенно превышающие ширину характеристики направленности ϕ_0.7. Если взять сектор 2ψ₀, 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_H (как известно в этом случае ).

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

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3. На фиг.1 приведена структурная схема излучающего тракта гидролокатора 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 излучающий тракт гидролокатора с круговой многоэлементной антенной, предложенный способ реализуется следующим образом. Электрический сигнал U₀(t), формируемый задающим генератором 1 подается на аттенюаторы 2, передающие его с весовыми коэффициентами . Напряжения с выходов аттенюаторов U_An=U₀·а_n, подают на устройства задержки 3, которые задерживают сигнал на время и получают на выходе устройства задержки сигналы . (Для упрощения анализа рассматривается гармонический сигнал с частотой ω). Сигналы с выходов устройств задержки поступают на входы усилителей мощности 4, возбуждающих элементы рабочего сектора круговой антенны 5 напряжениями U_УМn=К_УМ·U_Зn, где К_УМ - коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению.

В качестве элементов антенны могут служить отдельные электроакустические преобразователи либо одинаковые группы электрически соединенных между собой электроакустических преобразователей.

Выражение для звукового давления, создаваемого рабочим сектором круговой антенны при возбуждении его элементов напряжениями U_УМn, в плоскости направляющей антенны в дальнем поле на расстоянии r′ в зависимости от направления на точку наблюдения можно записать в следующем виде:

где k - волновое число;

ϕ - текущее направление на точку наблюдения в дальнем поле в плоскости направляющей антенны, отсчитываемое от оси симметрии рабочего сектора;

γ - чувствительность элемента антенны в режиме излучения (под чувствительностью элемента в режиме излучения понимается давление, развиваемое элементом в направлении максимума его характеристики направленности при возбуждении его напряжением 1 В, приведенное к расстоянию 1 м);

R_ЭЛ(ϕ-ϕ_n) - характеристика направленности элемента.

Модуль последнего выражения с точностью до постоянной определяет амплитудную характеристику направленности рабочего сектора антенны в плоскости направляющей:

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 значения 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 в ее центральном горизонтальном сечении.

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.

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности к излучающим трактам гидролокаторов, использующих круговые антенны. Техническим результатом изобретения является возможность формирования сравнительно узкой характеристики направленности (менее 40°-30°) в широком диапазоне частот сектором круговой антенны сравнительно небольших волновых размеров. Для достижения указанного технического результата в способе формирования частотно независимой характеристики направленности сектором многоэлементной гидроакустической излучающей круговой антенны, включающем возбуждение каждого n-ого элемента сектора электрическим сигналом с весовым коэффициентом , где ϕ_n - угловое положение элемента антенны, отсчитываемое от оси симметрии сектора, ψ₀ - полуширина сектора, и излучение акустических сигналов элементами сектора в водную среду, отличающийся тем, что электрические сигналы возбуждения каждого из n элементов сектора задерживают на время , где r - радиус антенны; с - скорость звука в воде; α - коэффициент, значение которого выбирают в соответствии с приближенной формулой . 3 ил.

Способ формирования частотно независимой характеристики направленности сектором многоэлементной гидроакустической излучающей круговой антенны, включающий возбуждение каждого n-ого элемента сектора электрическим сигналом с весовым коэффициентом

где ϕ_n - угловое положение элемента антенны, отсчитываемое от оси симметрии сектора;

ψ₀ - полуширина сектора,

и излучение акустических сигналов элементами сектора в водную среду, отличающийся тем, что электрические сигналы возбуждения каждого из n элементов сектора задерживают на время

где r - радиус антенны;

с - скорость звука в воде;

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