ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА ВЫПУКЛОЙ ФОРМЫ ДВОЙНОЙ КРИВИЗНЫ, РАЗМЕЩАЕМАЯ В НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ НОСИТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к приемным многоэлементным гидроакустическим антеннам выпуклой формы двойной кривизны, размещаемым в носовой оконечности носителя.

Известны антенны выпуклой формы двойной кривизны, формообразующие поверхности которых представляют собой: эллипсоид вращения [1], часть поверхности эллипсоида в носовой части носителя и двух сопряженных с ней бортовых частях - в виде секторов круговых цилиндров [2], часть поверхности круговой бочки в носовой части и двух сопряженных с ней бортовых частях - в виде секторов круговых цилиндров [3].

Наиболее близкой по совокупности признаков к предлагаемой гидроакустической приемной многоэлементной антенне двойной кривизны является антенна, описанная в [4]. Рабочая поверхность этой антенны состоит из трех частей: носовой - полусферы или ее части, и двух сопряженных с ней бортовых, выполненных в виде секторов круговых цилиндров. Приемные каналы антенны (гидроакустические преобразователи или их группы) регулярно расположены вдоль дуг постоянного радиуса R_v, содержащих в себе по "М" каналов в каждой из лежащих в вертикальных плоскостях, как полусферической, так и цилиндрических частях антенны.

Перечисленные выше известные антенны имеют существенный недостаток, заключающейся в том, что их форма не позволяет использовать алгоритмы "быстрой свертки", применение которых значительно упрощает устройство формирования характеристик направленности (УФХН), позволяет сократить время обработки сигналов, снизить массогабаритные характеристики и стоимость аппаратной части. Для использования алгоритмов "быстрой свертки" при формировании веера пространственных каналов (характеристик направленности) по курсовому углу необходимо, чтобы приемные каналы (гидроакустические преобразователи или их группы) во всех горизонтальных рядах антенны располагались на дугах окружностей, как для носовой, так и для бортовых частей [5], в то время как в антенне - прототипе приемные каналы в носовой части располагаются по окружности, а в бортовых частях на двух прямых.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание приемной многоэлементной гидроакустической антенны выпуклой формы двойной кривизны, имеющей такую форму рабочей поверхности, которая позволяет для формирования характеристик направленности использовать алгоритм "быстрой свертки" и, как следствие, упростить устройство формирования характеристик направленности, сократить время обработки сигналов, снизить массогабаритные характеристики и стоимость аппаратной части.

Для достижения указанного технического результата в гидроакустическую приемную многоэлементную антенну выпуклой формы двойной кривизны, размещаемую в носовой оконечности носителя, содержащую по "М" приемных каналов, расположенных с постоянным угловым шагом вдоль образующих - дуг постоянного радиуса R_v и лежащих в вертикальных плоскостях, как в носовой, так и в бортовых частях антенны, введены новые признаки, а именно:

- рабочая поверхность антенны выполнена в виде трех сопряженных частей круговых бочек - носовой и двух бортовых,

- направляющая рабочей поверхности антенны представляет собой три сопряженные части окружностей радиусов R_nos в носовой части антенны и R_bor по бортовым частям антенны; причем R_nos<R_bor,

- приемные каналы во всех текущих, определяемых номером "m", горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости направляющей, расположены на дугах окружностей носовой и бортовых частей антенны таким образом, что отношение углового шага расположения приемных каналов на носовой части к угловому шагу на бортовых частях составляет целое число.

- центры дуг направляющих носовой и бортовых частей антенны в экваториальном сечении и точка стыка направляющих носовой и бортовых круговых бочек лежат на одной прямой.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, при этом на фиг 1 показана рабочая поверхность антенны, сформированная путем скольжения образующей - дуги окружности радиуса R_v по направляющей, на фиг. 2 показана образующая рабочей поверхности антенны, лежащая в плоскости, перпендикулярной плоскости направляющей, на фиг. 3 изображен пример выполнения направляющей рабочей поверхности антенны.

Рабочая поверхность заявленной антенны (фиг. 1) представляет собой поверхность двойной кривизны, образованную путем скольжения образующей 2 (дуги окружности радиуса R_v) по направляющей 1. Образующая рабочей поверхности антенны 2 лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости направляющей 1, содержит в себе "М" приемных каналов, расположенных вдоль дуги радиуса R_v с постоянным угловым шагом Δγ (фиг. 2).

Направляющая рабочей поверхности (фиг. 3) представляет собой три сопряженных окружности радиусов R_nos (нос антенны) и R_bor (левый и правый борта антенны). Центры дуг направляющих носовой и бортовых частей антенны в экваториальном сечении (точки О и O₁) и точка стыка направляющих носовой и бортовой круговой бочки левого борта (α) лежат на одной прямой и, соответственно, точки О и О₂ и точка стыка направляющих носовой и бортовой круговой бочки правого борта (-α) лежат на одной прямой (на фиг. 3 не показано). Приемные каналы антенны равномерно располагаются по окружностям во всех текущих, определяемых номером "m", горизонтальных рядах. Угловой шаг расположения приемных каналов на носовой бочке составляет Δϕ_n в пределах углов ±α, на бортовых бочках - Δϕ_b в пределах углов от β до α по левому борту и в пределах углов от -α до -β по правому. Отношение углового шага расположения приемных каналов на носовой части к угловому шагу на бортовых частях составляет целое число "k", т.е Δϕ_n/Δϕ_b=к.

Как показано на фиг. 2 горизонтальные ряды приемных каналов расположены с угловым шагом Δγ. Положение текущего горизонтального ряда с номером "m" определяется угловой координатой γ_m (см. фиг. 2). Радиусы окружностей горизонтальных рядов носовой (R_mnos) и бортовых бочек (R_mbor) с номерами "m" определяются, как видно из геометрии антенны, по формулам:

R_mnos=R_nos-R_v⋅(1-cosγ_m),

R_mbor=R_bor-R_v⋅(1-cosγ_m).

Поскольку в максимально удаленном от экваториального сечения (плоскости направляющей) горизонтальном ряду расстояние между приемными каналами имеет минимальное значение по сравнению с другими горизонтальными рядами, то для более плотного заполнения поверхности антенны приемными каналами целесообразно принять:

где R_1bor и R_1nos - радиусы окружностей наиболее удаленного от экваториального сечения горизонтального ряда (первого, как следует из фиг. 2) для бортовых и носовой частей антенны соответственно.

Отношение радиусов направляющих бортовых (R_bor) к носовой (R_nos) в экваториальной плоскости составит:

где γ₁ - угловое положение первого горизонтального ряда.

Значения R_bor, R_nos, R_v, γ₁ и выбираются из условия, чтобы форма антенны приближалась к внутренним обводам поверхности обтекателя, а расстояния между приемными каналами в горизонтальных рядах составляли величину порядка 0,5-0,7 длины звуковой волны на верхней частоте рабочего диапазона.

Работа антенны осуществляется следующим образом: в режиме приема акустический сигнал из среды принимается гидроакустическими преобразователями (приемными каналами антенны), в результате чего на их электрических выводах появляются электрические сигналы, передаваемые к аппаратуре предварительного усиления, аналого-цифрового преобразования и УФХН, осуществляющего формирование веера пространственных каналов (веера ХН).

Аппаратура УФХН представляет собой цифровое вычислительное устройство, осуществляющее спектральный анализ сигналов, полученных от каждого гидроакустического преобразователя с использованием алгоритма "быстрого преобразования Фурье" (БПФ). Формирование каждого из пространственных каналов веера ХН осуществляется суммированием комплексных спектров с выходов гидроакустических преобразователей на каждой частоте с весами, индивидуальными для каждого сочетания номера преобразователя и номера формируемого пространственного канала, что приводит к необходимости выполнения большого числа арифметических операций и к использованию большого объема памяти для весовых коэффициентов.

Преимущество по отношению к прототипу обусловлено тем, что при расположении гидроакустических преобразователей антенны предлагаемым образом и выборе направлений формирования веера ХН симметрично относительно оси «бочки» с угловым шагом, равным шагу расположения преобразователей на «бочке», веса суммирования зависят лишь от разности номера пространственного канала и номера гидроакустического преобразователя. В этом случае весовое суммирование можно представить как математическую процедуру свертки и использовать для формирования группы смежных пространственных каналов (веера ХН) алгоритм быстрой свертки [5, стр. 22]. Построение антенны в виде трех сопряженных «бочек» позволяет выполнить процедуру формирования ХН отдельно для каждой из «бочек» с использованием быстрой свертки, после чего сложить полученные результаты с комплексными весами, зависящими от разности хода принимаемого сигнала между центрами дуг окружностей носовой и бортовых «бочек».

На примере антенны, состоящей из 42 горизонтальных рядов по 340 гидроакустических преобразователей в каждом, разделенных на 168 преобразователей носовой и по 86 преобразователей в бортовых «бочках» при том, что отношение углового шага расположения преобразователей на дугах окружностей носовой части к угловому шагу на дугах окружностей бортовых частей составляет 2, а число формируемых пространственных каналов (ХН веера) составляет 340 по горизонтали и 23 по вертикали (всего 340*23=7820 ХН), достигается сокращение числа операций по отношению к прототипу приблизительно в 30 раз, что позволяет приблизительно во столько же раз уменьшить массу и объем аппаратуры формирования веера ХН либо отказаться от использования более дорогой аппаратуры повышенной вычислительной мощности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ на изобретение №2365936.

2. Патент РФ на изобретение №2115587.

3. Патент РФ на изобретение №2259643.

4. Патент РФ на изобретение №2130402.

5. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1985, 312 с.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к приемным многоэлементным гидроакустическим антеннам двойной кривизны, размещаемым в носовой оконечности носителя. Техническим результатом настоящего изобретения является создание формы рабочей поверхности гидроакустической антенны, позволяющей упростить устройство формирования характеристик направленности и алгоритмы обработки сигналов, принимаемых приемными каналами, снизить затраты на аппаратную часть ГАК. Для этого рабочая поверхность антенны выполнена в виде трех сопряженных частей круговых бочек - носовой и двух бортовых, сформированных путем скольжения образующей - дуги окружности радиуса R_v по направляющей, представляющей собой три сопряженные части окружностей радиусов R_nos (нос антенны) и R_bor (левый и правый борта антенны), при этом приемные каналы во всех текущих, определяемых номером "m", горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости направляющей, расположены на дугах окружностей носовой и бортовых частей антенны таким образом, что отношение углового шага расположения каналов на носовой части к угловому шагу на бортовых частях составляет целое число. 3 ил.

Гидроакустическая приемная многоэлементная антенна выпуклой формы двойной кривизны, размещаемая в носовой оконечности носителя, с регулярным расположением приемных каналов вдоль дуг постоянного радиуса Rv, лежащих в плоскостях, нормальных горизонтальной плоскости симметрии антенны и содержащих каждая одинаковое число каналов, отличающаяся тем, что рабочая поверхность антенны выполнена в виде трех сопряженных частей круговых бочек - носовой и двух бортовых, сформированных путем скольжения образующей - дуги окружности радиуса R_v по направляющей, представляющей собой три сопряженные части окружностей радиусов R_nos - носовой части антенны и R_bor - бортовых частей антенны, при этом R_nos<R_bor, приемные каналы во всех горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости направляющей, расположены на дугах окружностей носовой и бортовых частей антенны таким образом, что отношение углового шага расположения приемных каналов на дугах окружностей носовой части к угловому шагу на дугах окружностей бортовых частей составляет целое число, а центры дуг направляющих носовой и бортовых частей антенны в экваториальном сечении и точка стыка направляющих носовой и бортовых круговых бочек лежат на одной прямой.