ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В НЕЙ Российский патент 2012 года по МПК G01S7/32 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке гидроакустических систем различного назначения для защиты чувствительных элементов от шумов носителя, используемых на судах гидрографического, рыболовного, геологоразведочного и др. типов.

Одной из проблем создания гидроакустических антенн является их шумоизоляция от структурной помехи со стороны носителя. Обычно это осуществляется с использованием гидроакустических экранов (ГЭ). Они устанавливаются с тыльной стороны чувствительных элементов гидроакустических антенн на пути распространения шума структурной помехи. Такой подход описан в патентах РФ №2217885 «Многоэлементная двумерная дискретная антенна», №2167499 «Линейный модуль гидроакустической антенны», США №4,140,992, кл. 340/9, опубл. 20.02.1979 г. Описание подобного типа ГЭ и принципов их функционирования приводится в книге Глазанов В.Е., Михайлов А.В. «Экранирование гидроакустических преобразователей», СПб, 2004 г., с.43…93. Также известно построение из двух гидроакустических датчиков дипольного приемника для формирования кардиоидной характеристики направленности, что позволяет обеспечить прием сигнала только с определенных направлений. Такие приемники описываются в патентах РФ №2178572 «Приемная антенна гидроакустической станции кругового обзора», №2315400 «Способ питания элементов передающей кольцевой фазированной антенной решетки и устройство для его реализации».

Совершенствование чувствительных элементов гидроакустических антенн ставит задачу более качественной их звукоизоляции от структурных шумов со стороны корпуса носителя, вызванных работой механизмов, бытовым шумом и другими причинами.

Решение, предлагаемое в данном патенте, является наиболее близким к патенту РФ №2259643 «Гидроакустическая многоэлементная антенна выпуклой формы», описывающему гидроакустическую антенну, построенную из линейных протяженных антенных модулей, состоящих из множества гидроакустических датчиков и крепящейся к корпусу носителя. Данное изобретение выбирается за прототип для конструкции антенны. Однако описанное в данном изобретении решение не лишено целого ряда недостатков. К таковым можно отнести сложности, связанные с эксплуатацией гидроакустических экранов, в частности: неполное гашение структурных шумов носителя, отражение сигналов, приходящих извне, постепенное ухудшение характеристик в процессе эксплуатации и их зависимость от изменения давления водной среды. Кроме того, расположение гидроакустических экранов с тыльной стороны чувствительных элементов не позволяет осуществлять эффективное гашение структурной помехи, приходящей с других направлений, не соосных паре чувствительный элемент - гидроакустический экран.

Гидроакустические антенны являются частью (чувствительным элементом) гидроакустических систем и комплексов. При этом специальные вычислители формируют на основе сигналов датчиков пространственно-временные либо пространственно-частотные спектры акустического поля с помощью адаптивных либо не адаптивных алгоритмов (Г.С.Малышкин «Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов», т.1 «Оптимальные методы», СПб: Электроприбор, 2009 г., с.175…185; Г.В.Лоскутова, К.И.Палканов «Пространственно-частотные и частотно-волновые методы описания и обработки гидроакустических полей», СПб: Наука, 2007 г., с.108…135; Б.Уидроу, С.Стирнз, «Адаптивная обработка сигналов», М.: Радио и связь, 1989 г.). Способ, описанный в книге: Г.С.Малышкин «Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов», т.1 «Оптимальные методы», с.175…185, выбирается за прототип для заявляемого способа обработки сигналов. При этом данные алгоритмы позволяют формировать характеристики направленности антенны для дальней зоны акустического поля в целях пространственной фильтрации шумов. Однако в ближней зоне данные характеристики имеют иной вид, вследствие чего влияние шумов носителя велико и требуется дополнительная акустическая изоляция.

Задачей изобретения является уменьшение влияния структурных помех со стороны носителя на сигналы гидроакустических датчиков антенны.

Для решения поставленной задачи:

1) в гидроакустическую антенну, установленную на борту носителя, излучающего структурную помеху, и состоящую из линейных протяженных антенных модулей, содержащих гидроакустические датчики, и расположенных вдоль борта носителя, а также вычислительного блока, к входам которого подключены выходы гидроакустических датчиков, внесены следующие изменения: линейные протяженные антенные модули устанавливаются попарно и расположены таким образом, что модули одной пары лежат в плоскости, перпендикулярной корпусу носителя, и равноудалены друг от друга на расстояние λ/2, причем каждый гидроакустический датчик одного антенного модуля расположен напротив гидроакустического датчика другого антенного модуля пары таким образом, что оба находятся на линии, перпендикулярной борту носителя;

2) предложен способ обработки сигналов в гидроакустической антенне по п.1, согласно которому вычислительный блок антенны осуществляет формирование характеристик направленности гидроакустической антенны путем внесения временных задержек в сигналы гидроакустических датчиков, расположенных ближе к борту носителя, после чего производится его аддитивное суммирование с сигналом ближайшего расположенного гидроакустического датчика антенных модулей, расположенных дальше от борта, причем величина временной задержки выбирается такой, при которой мощность структурной помехи в суммарном сигнале будет минимальной, а формирование характеристик направленности гидроакустической антенны производится по всем суммарным сигналам путем внесения дополнительных временных задержек.

Техническими результатами изобретения являются:

1) достижение избирательности антенны к направлению сигналов, приходящих в плоскости, перпендикулярной борту носителя, что позволяет формировать характеристики направленности, минимизирующие шум со стороны носителя;

2) уменьшение влияния на сигналы гидроакустических датчиков структурных помех со стороны носителя за счет формирования в каждой паре гидроакустических датчиков кардиоидной характеристики направленности.

Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет:

по п.1 - размещения двух линейных антенных модулей, содержащих чувствительные элементы, в плоскости, перпендикулярной борту носителя, и равноудаленных друг от друга на расстояние λ/2 (где λ - соответствует минимальной длине волны сигнала, принимаемого антенной). Таким образом, датчики каждого из модулей можно объединить попарно и сформировать требуемую характеристику направленности в целях минимизации шума структурной помехи, поступающего на датчики. Для этого антенные модули устанавливаются таким образом, что датчики каждого из них формируют пары, лежащие на линии, перпендикулярной борту носителя;

по п.2 - введения такой величины временной задержки в линию сигнала датчика, расположенного ближе к борту, которая соответствует времени распространения звуковой волны между датчиками с направления прихода компенсируемой структурной помехи. Так, например, для структурной помехи, распространяющейся в перпендикулярном к борту носителя направлении, величина задержки составит λ/2с. Далее сигналы аддитивно складываются, и таким образом формируется кардиоидная характеристика направленности для каждой пары датчиков. Причем выходными сигналами антенны в данном случае является множество сигналов с каждой из пар гидроакустических датчиков.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1. На фиг.1 показана условная схема антенны в плоскости расположения пары линейных протяженных гидроакустических антенных модулей (2), состоящих из гидроакустических датчиков (1, 5), расположенных попарно (показаны две пары) по линии, перпендикулярной борту носителя (3). Соответственно, гидроакустические датчики каждой пары, расположенные дальше от борта (3), обозначены как (1), а ближе к борту как (5). Расстояние между антенными модулями (2), а, соответственно, и между гидроакустическими датчиками, составляет λ/2. В сигнал с датчика гидроакустического антенного модуля, распложенного ближе к борту (5), в вычислительном блоке (4) вносится временная задержка, а затем происходит аддитивное суммирование с сигналом с парного датчика гидроакустического антенного модуля, расположенного дальше от борта (1). Причем величина вносимой задержки в сигнал гидроакустического датчика (5) выбирается такой, чтобы обеспечить минимум мощности структурной помехи в суммарном сигнале пары. Далее на основе суммарных сигналов от всех пар гидроакустических датчиков в вычислительном блоке (4) происходит формирование характеристик направленности антенны.

Предложенные устройство гидроакустической приемной антенны и способ обработки информации с гидроакустических датчиков позволяют снизить влияние структурных помех носителя на сигналы гидроакустических датчиков с произвольного направления. Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.

Использование: при проектировании гидроакустических антенн. Сущность: гидроакустическая антенна установлена на борту носителя, излучающего структурную помеху, состоит из одной либо более пар линейных протяженных антенных модулей, содержащих гидроакустические датчики, и расположенных попарно вдоль борта носителя, а также вычислительного блока. Пара линейных протяженных антенных модулей расположена таким образом, что модули пары лежат в плоскости, перпендикулярной корпусу носителя, и равноудалены друг от друга на расстояние λ/2, составляющее половину минимальной длины гидроакустической волны, принимаемой антенной, причем гидроакустические датчики каждого модуля расположены попарно друг напротив друга таким образом, что находятся на линии, перпендикулярной борту носителя, что позволяет обеспечить чувствительность каждой пары датчиков к сигналам, приходящим с различных направлений в плоскости, перпендикулярной борту носителя. Кроме того, выходные сигналы с каждой пары гидроакустических датчиков поступают в вычислительный блок, где аддитивно суммируются, причем в линию сигнала от датчика, расположенного ближе к борту носителя, вносится временная задержка величиной, составляющей время распространения волны между гидроакустическими датчиками в соответствующей паре для направления прихода структурной помехи. В результате для пары датчиков формируется кардиоидная характеристика направленности с минимумом в направлении прихода структурного шума носителя, что приводит к его минимизации. Техническим результатом изобретения является уменьшение влияния на сигналы гидроакустических датчиков структурных помех со стороны носителя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустическая антенна, установленная на борту носителя, излучающего структурную помеху, и состоящая из линейных протяженных антенных модулей, содержащих гидроакустические датчики и расположенных вдоль борта носителя, а также вычислительного блока, к входам которого подключены выходы гидроакустических датчиков, отличающаяся тем, что линейные протяженные антенные модули устанавливаются попарно и расположены таким образом, что модули одной пары лежат в плоскости, перпендикулярной корпусу носителя, и равноудалены друг от друга на расстояние λ/2, причем каждый гидроакустический датчик одного антенного модуля расположен напротив гидроакустического датчика другого антенного модуля пары таким образом, что оба находятся на линии, перпендикулярной борту носителя.

2. Способ обработки сигналов с выходов гидроакустических датчиков в гидроакустической антенне по п.1, заключающийся в формировании вычислительным блоком характеристик направленности гидроакустической антенны путем внесения временных задержек в сигналы гидроакустических датчиков, отличающийся тем, что вычислительный блок во входной сигнал от каждого гидроакустического датчика антенных модулей, расположенных ближе к борту носителя, вводит временную задержку, после чего производится его аддитивное суммирование с сигналом ближайшего расположенного гидроакустического датчика антенных модулей, расположенных дальше от борта, причем величина временной задержки выбирается такой, при которой мощность структурной помехи в суммарном сигнале будет минимальной, а формирование характеристик направленности гидроакустической антенны производится по всем суммарным сигналам путем внесения дополнительных временных задержек.