УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ КРИВИЗНЫ ФРОНТА ВОЛНЫ Российский патент 2011 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к гидроакустической технике, а именно к гидроакустическим антенным решеткам, и может быть использовано в гидроакустических средствах с многоэлементными гидроакустическими антеннами для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений в зоне Френеля.

При решении задачи обнаружения морских объектов следует отнести специфичность гидроакустической информации, принимаемой гидроакустическим средством от целей, расположенных в ближней зоне (зона Френеля).

Специфичность гидроакустической информации при сближении с морскими целями заключается в том, что существующие пассивные гидроакустические средства, предназначены для обнаружения целей в дальней зоне. База гидроакустических антенн в этих средствах сформирована для приема плоского фронта волны. Сигнал от морской цели, находящейся в морском волноводе, за счет рефракционных и интерференционных явлений формирует неплоский фронт волны от цели, что приводит к несфазированному приему сигнала по апертуре приемной антенны. Поэтому при сближении с морской целью из-за несформированности характеристики направленности (ХН) в ближней зоне происходит размывание, потеря четкости отметки от цели, до полного исчезновения ее на индикаторе гидроакустической станции (ГАС). «Развал» отметки в этом случае происходит из-за того, что фазовое и амплитудное распределение акустического давления в пространстве приводит к несфазированному приему сигнала от цели по апертуре антенны.

Одна из проблем, которую необходимо решать при обнаружении цели заключается в том, что отсутствуют устройства, отслеживающие кривизну фронта волны при быстром ее изменении во времени.

Эта задача может быть решена путем создания адаптивной системы, которая могла бы оптимизировать антенну по фазированному приему сигнала с неплоским фронтом волны. Сложность задачи заключается в том, что необходима разработка конструкции устройства, которое имело бы большую скорость сходимости при высокой надежности правильного принятия решения.

Известно устройство каскадной обработки сигналов с компенсацией помех, в котором формирование характеристики направленности происходит с помощью фазовращателей. Устройство содержит многоэлементную антенну, включающую N приемных элементов, N(N-1)/2 фазовращателей и сумматоров, соединенных между собой электрической связью каскадно, так что количество выходов в каждом каскаде меньше количества входов на 1, выход последнего каскада подключен к входу индикатора.

В этом устройстве полезный сигнал принимается приемной антенной решеткой и обрабатывается каскадно. За счет сложения сигналов от отдельных приемников с определенным фазовым сдвигом формируется ХН нужной формы (Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах. - Л.: Судостроение, 1989. - 264 с.).

Недостатки этого известного устройства заключаются в том, что для каскадного исполнения известного устройства необходимо большое количество фазовращателей и сумматоров. Это усложняет конструкционно-технологические и эксплуатационные показатели. Кроме того, в известном устройстве обработка сигнала происходит итерациями (пошаговым приближением), что обусловливает большое время сходимости алгоритма обработки сигнала.

Часть недостатков первого аналога отсутствует во втором аналоге.

Известно другое устройство формирования характеристики направленности за счет амплитудного распределения сигнала по апертуре антенны. Устройство содержит многоэлементную антенну, включающую N приемных каналов, образованных приемными элементами, соединенными между собой последовательной электрической связью, кроме того выходы соответствующих приемных каналов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к входу индикатора.

В этом устройстве полезный сигнал принимается приемной антенной решеткой, усиливается предварительными усилителями с определенными коэффициентами усиления, сигналы отдельных предварительных усилителей затем суммируются с определенным весом на сумматоре. За счет сложения сигналов от отдельных приемников с определенным весом формируется ХН нужной формы (Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. - М.: Радио и связь, 1986).

Недостаток второго аналога устройства:

- известное устройство предназначено для формирования ХН с целью подавления локальной помехи по направлению. Это обуславливает низкую помехоустойчивость при нахождении сигнала помехи в одном направлении с сигналом от обнаруживаемой цели и низкую помехоустойчивость в условиях воздействия помех ближнего поля. В известном устройстве обработка сигнала происходит итерациями (пошаговым приближением), чем обусловлено большое время сходимости алгоритма обработки сигнала.

Известно другое, наиболее близкое по технической сущности и выбранное в качестве прототипа, устройство формирования отклика цилиндрической антенны при равномерном амплитудно-фазовом распределении на входе формирователя ХН. Устройство содержит многоэлементную цилиндрическую антенну, включающую N приемных каналов, образованных приемными элементами состоящими из N электроакустических преобразователей, N предварительных усилителей и N-2 частотно-зависимых линий задержек, причем в каждом приемном канале приемные элементы соединены между собой последовательной электрической связью, кроме того выходы соответствующих приемных каналов соединены с соответствующими входами трансформатора суммы, который через усилитель подключен к входу индикатора кругового обзора.

В этом устройстве полезный сигнал принимается на приемники многоэлементной цилиндрической антенны, усиливается, задерживается на величину, учитывающую кривизну антенны. Формирование отклика антенны производится путем суммирования сигналов от каждого элементарного канала (Направленность акустических антенн // Учебник гидроакустика. - М.: Воен. издат., 1993. - С.23-29).

Несмотря на то что в третьем известном устройстве, в отличие от первого и второго аналогов, сигнал, принятый антенной решеткой, без затрат времени на алгоритмы адаптации, сразу отображается на индикаторе, прототипу присущи следующие недостатки:

- низкая помехоустойчивость по сигналу, имеющему неплоский фронт волны;

- низкая помехоустойчивость при приеме сигнала от обнаруживаемой цели, находящегося в одном направлении с сигналом помехи.

От указанных выше недостатков первого и второго аналогов и прототипа свободно заявленное, в качестве изобретения, «Устройство компенсации кривизны фронта волны», технической задачей которого является создание адаптивной системы, оптимизирующей антенну по фазированному приему сигнала с неплоским фронтом волны, для обнаружения и пеленгования гидроакустических сигналов в зоне Френеля.

Реализация поставленной технической задачи позволяет добиться следующего технического результата:

- создано новое техническое средство для обнаружения и пеленгования гидроакустических излучений в водной среде в зоне Френеля.

Для достижения указанного технического результата предложено «Устройство компенсации кривизны фронта волны», содержащее многоэлементную цилиндрическую антенну, включающую N приемных каналов, образованных приемными элементами, состоящими из N электроакустических преобразователей, N предварительных усилителей и N-2 линий задержек. Причем в каждом приемном канале приемные элементы соединены между собой последовательной электрической связью, кроме того выходы соответствующих приемных каналов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к входу трехмерного индикатора.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства является то, что в устройство дополнительно включены генератор ВЧ сигнала и ВЧ излучатель с возможностью перехода работы каждого предварительного усилителя в режим перемножителя частоты соответственно.

Именно эти принципиальные отличия позволяют прогетеродинировать принимаемый полезный сигнал ВЧ сигналом для возможности оптимизации антенны по фазированному приему сигнала с неплоским фронтом волны.

Другими уточняющими признаками являются:

- N приемных каналов включают два идентичных крайних приемных канала и N-2 серединных приемных канала;

- каждый крайний приемный канал образован электроакустическим преобразователем и предварительным усилителем;

- каждый серединный приемный канал образован электроакустическим преобразователем, предварительным усилителем и линией задержки;

- N-2 линий задержек имеют линейные размеры, обусловленные размещением многоэлементной цилиндрической антенны по сектору круга.

Именно эти уточняющие признаки необходимы для формирования многоэлементной цилиндрической антенны, способной сканировать пространство по кругу.

Сущность изобретения поясняется чертежами

Фиг.1. Устройство компенсации кривизны фронта волны. Структурно - функциональная схема.

Фиг.1а. Устройство компенсации кривизны фронта волны. Приемные каналы (крайние и серединные). Структурно- функциональная схема.

На фиг.1 представлена структурно-функциональная схема устройства компенсации кривизны фронта волны, включающая:

1. Многоэлементную цилиндрическую антенну;

1.1.1.Электроакустический преобразователь (ЭАП), количество ЭАП - N от 1.1.1 до 1.1.N;

1.2.1.Предварительный усилитель (ПУ), количество ПУ - N от 1.2.1 до 1.2.N;

1.3.1.Линия задержки (ЛЗ), количество Л3-К от 1.3.1 до 1.3.К, K=N-2;

2. Сумматор;

3. ВЧ излучатель (высокочастотный излучатель);

4. Генератор ВЧ сигнала;

5. Трехмерный индикатор.

Многоэлементная цилиндрическая антенна выполнена в виде дискретной антенной решетки, размещенной в пространстве по сектору круга. Структурно-функциональная схема включает N приемных каналов (два крайних и N- 2 серединных). Выход каждого N-го приемного канала соединен с одним из соответствующих входов сумматора. В каждом приемном канале приемные элементы, состоящие из электроакустического преобразователя, предварительного усилителя и линии задержки, соединены между собой последовательной электрической связью.

Все выходы приемных каналов многоэлементной цилиндрической антенны соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен электрической связью с входом трехмерного индикатора. Кроме того индикатор выполнен с возможностью визуального отображения линейных параметров времени и частоты входного сигнала в сочетании уровнем напряжения сигнала.

При больших уровнях излучения ВЧ сигнала, излучаемого ВЧ излучателем 3, фиг.1, а именно 20-50 Па, каждый из предварительных усилителей (ПУ) 1.2.1-1.2.N, фиг.1 может перейти в режим перемножителя низкочастотного (НЧ) и ВЧ сигналов, принимаемых многоэлементной цилиндрической антенной. Для этого в устройство включен генератор ВЧ сигнала 4, фиг.1, к выходу которого подключен ВЧ излучатель 3, фиг.1.

На фиг.la представлена укрупненная структурно-функциональная схема крайних и серединных каналов многоэлементной цилиндрической антенны, включающая:

6. Крайние приемные каналы (идентичные):

1.1.1. Электроакустический преобразователь (ЭАП) (первый крайний приемный канал);

1.1.N. Электроакустический преобразователь (ЭАП) (второй крайний приемный канал);

1.2.1. Предварительный усилитель (первый крайний приемный канал);

1.2.N. Предварительный усилитель (второй крайний приемный канал).

7. Серединный приемный канал:

1.1.2. - 1.1.N-1. Электроакустический преобразователь (ЭАП);

1.2.2. - 1.2.N-1. Предварительный усилитель (ПУ);

1.3.1. - 1.3.К. Линия задержки.

Крайние и серединные каналы выполнены в соответствии с широко известными, до даты приоритета заявленного технического решения, требованиями науки и техники в области гидроакустической техники, описанными в учебнике (Гидроакустика. - М.: Воен. издат., 1993. - С.232). При этом крайние каналы идентичные, а серединные каналы отличаются линейными размерами соответствующих линий задержек, обусловленных размещением многоэлементной цилиндрической антенны по сектору круга.

Устройство работает следующим образом.

Устройство компенсации кривизны фронта волны входит в состав гидроакустических средств.

Полезный гидроакустический сигнал от цели принимается многоэлементной цилиндрической антенной 1, фиг.1, включающей N приемных каналов 6 и 7, фиг.1а. В каждом приемном канале соответствующий электроакустический преобразователь от 1.1.1 до 1.1.N, фиг.1, преобразует гидроакустический сигнал от цели в электрический с частотой, соответствующей принятому сигналу. Одновременно с полезным гидроакустическим сигналом от цели на каждый приемный канал поступает гидроакустический ВЧ сигнал, сгенерированный генератором ВЧ-сигнала 4, фиг.1, и излученный ВЧ-излучателем 3, фиг.1. В каждом приемном канале соответствующий электроакустический преобразователь от 1.1.1 до 1.1.N, фиг.1. преобразует гидроакустический ВЧ-сигнал в электрический, с соответствующей частотой.

С выхода каждого соответствующего электроакустического преобразователя (ЭАП 1.1.1-1.1.N, фиг.1) преобразованные электрические сигналы поступают на соответствующие входы предварительных усилителей (ПУ 1.2.1-1.2.N, фиг.1). В каждом предварительном усилителе преобразованный сигнал от цели перемножается с преобразованным ВЧ сигналом - гетеродинируется.

С выходов предварительных усилителей, ПУ 1.2.2-1.2.N-1, фиг.1, прогетеродинированный сигнал поступает на соответствующие линии задержки (ЛЗ 1.3.1-1.3.К, фиг.1), входящие в состав серединных приемных каналов 7, фиг.1а. В частотно-зависимых линиях задержки происходит задержка сигнала на заданный интервал времени, обусловленный размещением приемных элементов цилиндрической антенны по сектору круга. Задержанные по времени сигналы поступают на соответствующие входы сумматора 2, фиг.1. Одновременно с ними на соответствующие входы сумматора 2, фиг.1, поступают прогетеродинированные сигналы с выходов ПУ 1.2.1 и ПУ 1.2.N, фиг.1, крайних приемных каналов 6, фиг.1а, не содержащих линий задержек.

Все сигналы принятые и обработанные в крайних 6, фиг.1а и серединных приемных каналах 7, фиг.1а, в сумматоре 2, фиг.1, складываются, образуя результирующий сигнал, который поступает на вход трехмерного индикатора 5, фиг.1. Трехмерный индикатор 5, фиг.1, визуально отображает спектр прогетероденированного в различные ВЧ области НЧ сигнала в формате: частота, время, уровень.

Анализируя визуальную информацию, отображенную индикатором, оператор делает вывод о наличии или отсутствии цели в зоне Френеля.

Достоинством предлагаемого изобретения является то, что заявленное устройство позволяет оптимизировать антенну по фазированному приему сигнала с неплоским фронтом волны, тем самым повышая производительность поиска, уменьшая временные затраты.

Таким образом, заявленное «Устройство компенсации кривизны фронта волны» является новым устройством - адаптивной системой, позволяющей оптимизировать антенну по фазированному приему гидроакустических сигналов в зоне Френеля.

Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности.

Устройство компенсации кривизны фронта волны. Сущность изобретения заключается в том, что выполненное определенным образом устройство является адаптивной системой, позволяющей оптимизировать антенну по фазированному приему гидроакустических сигналов в зоне Френеля. Для этого устройство содержит многоэлементную цилиндрическую антенну, включающую N приемных каналов. Принципиальным отличием является то, что в заявленное устройство дополнительно включены генератор ВЧ сигнала и ВЧ излучатель, с возможностью перехода работы каждого предварительного усилителя в режим перемножителя частоты соответственно. Именно эти принципиальные отличия позволяют прогетеродинировать принимаемый полезный сигнал ВЧ сигналом для возможности оптимизации антенны по фазированному приему сигнала с неплоским фронтом волны, тем самым повышая производительность поиска, уменьшая временные затраты. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство компенсации кривизны фронта волны, содержащее многоэлементную цилиндрическую антенну, включающую N приемных каналов, образованных приемными элементами, состоящими из N электроакустических преобразователей, N предварительных усилителей и N-2 линий задержек, причем в каждом приемном канале приемные элементы соединены между собой последовательной электрической связью, кроме того, выходы соответствующих приемных каналов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к входу трехмерного индикатора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены генератор ВЧ сигнала и ВЧ излучатель, с возможностью перехода работы каждого предварительного усилителя в режим перемножителя частоты соответственно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что N приемных каналов включают два идентичных крайних приемных каналов и N-2 серединных приемных каналов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый крайний приемный канал образован электроакустическим преобразователем и предварительным усилителем.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый серединный приемный канал образован электроакустическим преобразователем, предварительным усилителем и линией задержки.

5. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что N-2 линий задержек имеют линейные размеры, обусловленные размещением многоэлементной цилиндрической антенны по сектору круга.