Приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса Российский патент 2021 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения синхронных и синфазных многоканальных приемных трактов.

В работе Ю.А. Корякина, С.А. Смирнова, Г.В. Яковлева «Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы», изд. Санкт-Перетбург «Наука» 2004 год, стр. 237-239 описан приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса (МГК). Приемный тракт содержит многоканальную систему предварительной обработки, включающую блоки предварительного усиления, усилители с регулируемым коэффициентом усиления, диапазонные фильтры по числу каналов гидроакустической антенны МГК, многоканальный АЦП, систему уплотнения и передачи информации.

Диапазонные фильтры и усилители являются источником разброса амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик приемного тракта. Разброс этих характеристик приводит к снижению точности и эффективности работы МГК.

Для уменьшения разброса АЧХ и ФЧХ приходится накладывать жесткие ограничения на применяемую при реализации систем предварительной обработки элементную базу: требуется использование прецизионных аналоговых компонентов, обладающих высокой температурной стабильностью, что, в свою очередь, требует использования соответствующих корпусов элементов, которые обычно имеют довольно большие линейные размеры, при этом стоимость таких компонентов на порядок выше. Кроме того в существующих приемных трактах разброс амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик минимизируется за счет использования подстроечных элементов и их ручной регулировки.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса, описанный в работе Б.Н. Алексеева, Р.Ц. Гулиянца, А.О. Смирнова А.Г. Трипольцева, «Электромагнитная совместимость аппаратуры предварительной обработки сигналов антенн морских подводных объектов», №«Гидроакустика» 2012 год.

Упомянутый приемный тракт содержит многоканальную систему предварительной обработки, N-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), систему уплотнения и передачи данных, выход которой соединен со входом блока пространственно-временной обработки.

Каждый канал такой многоканальной системы предварительной обработки включает в себя: предварительный усилитель, регулируемый усилитель, диапазонный фильтр, Вход предварительного усилителя через входную цепь соединен с элементом гидроакустической антенны - акустическим преобразователем (АП). Вход акустического преобразователя соединен с выходом делителя напряжения, на вход которого подается контрольный стимулирующий сигнал (СС). Генератор стимулирующего сигнала и делители напряжения каналов образуют систему контроля.

Такая схема позволяет выявить возникновение неидентичности АЧХ и ФЧХ приемного такта в режиме контроля. Для этого необходимо выполнить следующие операции:

- подать на входы акустических преобразователей стимулирующий сигнал;

- провести анализ АЧХ и ФЧХ на выходе приемного тракта с помощью стенда контроля;

- провести ручную подстройку АЧХ и ФЧХ при необходимости;

На практике при большом количестве каналов такая система контроля и восстановления неидентичности АЧХ и ФЧХ не работоспособна, так как оператор не может постоянно контролировать несколько десятков, сотен или тысяч каналов.

Недостатками приемного тракта - прототипа являются необходимость вмешательства оператора для принятия решения об идентичности АЧХ и ФЧХ многоканального приемного тракта и отсутствие возможности автоматического восстановления их идентичности в случае нарушения в силу каких-либо причин, а также невозможность компенсации разброса параметров АП.

Задачей изобретения является автоматизация компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ каналов из-за разности длин прохождения тактовых сигналов, а также компенсация разброса параметров пассивных элементов в каналах системы предварительной обработки и разброса параметров АП в антенне.

Для решения поставленной задачи в приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса, содержащий N каналов, в каждый из которых входят последовательно соединенные предварительный усилитель, вход которого соединен с акустическим преобразователем гидроакустической антенны, усилитель с регулируемым усилением, диапазонный фильтр, выход которого соединен с соответствующим входом N-канального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), также содержащий систему уплотнения и передачи данных, выход которой соединен со входом блока пространственно-временной обработки и систему контроля, состоящую из генератора стимулирующего сигнала, соединенного с N делителями напряжения, к выходу которых подсоединены входы акустических преобразователей, введены новые признаки, а именно: введен опорный канал, в который входят эквивалент акустического приемника, соединенный с источником стимулирующего сигнала через делитель напряжения, предварительный усилитель, усилитель с регулируемым усилением, диапазонный фильтр, дополнительный канал аналого-цифрового преобразования, N-канальный блок компенсации неидентичности амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик, каждый канал которого включает последовательно соединенные блок расчета коэффициента коррекции, блок хранения и анализа коэффициентов и блок пересчета АЧХ и ФЧХ, при этом один вход каждого блока расчета коэффициента коррекции, являющийся входом блока компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ, соединен с соответствующим выходом 1…N многоканального АЦП, а второй вход блока расчета коэффициента коррекции соединен с выходом опорного канала многоканального АЦП, а выходы блоков пересчета АЧХ и ФЧХ, являющиеся его выходами, соединены со входом системы уплотнения и передачи данных.

Техническим результатом от использования изобретения является автоматизация процесса восстановления идентичности АЧХ и ФЧХ каналов путем выработки при первом включении системы блоком компенсации коэффициентов коррекции, которые сравниваются с пороговыми значениями и в случае превышения коэффициентами коррекции пороговых значений, происходит коррекция АЧХ и ФЧХ по методу амплитудно-фазовой коррекции.

Компенсация неидентичности амплитудно- и фазо-частотных характеристик каналов основана на методах цифровой обработки сигналов. В режиме контроля через входной коммутатор на вход каждого предварительного усилителя через акустический преобразователь этого канала подается гармонический стимулирующий сигнал. Этот же стимулирующий сигнал через эквивалент акустического приемника подается на вход опорного канала. Блок компенсации анализирует разницу фаз между сигналом на выходе опорного канала и сигналом на выходе каждого из N каналов и рассчитывает для каждого канала коэффициент коррекции по методу амплитудно-фазовой коррекции (АФК). Метод АФК основан на вычислении разности фаз и отношения амплитуд на контрольном синусоидальном сигнале относительно опорного канала с последующим расчетом коэффициентов коррекции. Блок хранения и анализа коэффициентов определяет находятся ли коэффициенты коррекции в заданных пределах и запоминает их значение. Блок пересчета АЧХ и ФЧХ в рабочем режиме приемного тракта корректирует АЧХ и ФЧХ соответствующего канала в соответствии с рассчитанными коэффициентами коррекции.

Вычисление корректирующих коэффициентов происходит следующим образом. Представим опорный сигнал в аналитической форме

где s₀(t) - синусоидальный сигнал; j - мнимая единица, - оператор преобразования Гильберта, t - время. Отметим, что в экспоненциальной форме аналитический сигнал записывается следующим образом:

Корректируемый сигнал так же запишем в экспоненциальной форме:

где ω - циклическая частота синусоидального сигнала; a₁ - амплитуда сигнала, ϕ₁ - фазовое смещение сигнала. Для вычисления амплитудно-фазового комплексного коэффициента разделим корректируемый сигнал на опорный;

Для алгебраической формы комплексного сигнала такое деление выглядит следующим образом:

Рассчитанные описанным методом коэффициенты коррекции записываются в ПЗУ блока компенсации неидентичности амплитудно- и фазо-частотных характеристик и используются для автоматической подстройки параметров каналов приемного гидроакустического тракта при его дальнейшей работе.

Опорным каналом является канал, введенный в систему и подключенный к эквиваленту антенны, что позволяет также исключить разброс параметров АП гидроакустической антенны. Полученные коэффициенты сравниваются с пороговыми значениями, хранящимися в памяти блока компенсации. В случае превышения коэффициентами коррекции пороговых значений, происходит пересчет

Сущность изобретения поясняется фиг 1, где приведена схема приемного тракта со встроенным контролем и компенсацией неидентичности амплитудно- и фазо-частотных характеристик каналов.

Устройство содержит генератор 1 гармонического стимулирующего воздействия (ГСС), акустические преобразователи АП1, АП2…АПN, резистивные делители напряжения R1.1 - R2.1, R1.2 - R2.1…R1.N - R2.N, предварительные усилители (ПУ) 2.1, 2.2…2.N, регулируемые усилители (РУ) 3.1, 3.2…3.N, диапазонные фильтры (Ф) 4.1, 4.2...4.N, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 с числом каналов N+1, систему уплотнения и передачи данных 6, Блок пространственно-временной обработки 7, блок компенсации неидентичености АЧХ и ФЧХ 8, состоящий из блоков расчета коэффициентов коррекции 9.1…9.N, блоков хранения и анализа коэффициентов коррекции 10.1…10.N и блоков пересчета АЧХ и ФЧХ 11.1…11.N, Эквивалент акустического приемника опорного канала С1.0, предварительный усилитель опорного канала 2.0, регулируемый усилитель опорного канала 3.0, диапазонный фильтр опорного канала 4.0.

Выход генератора 1 соединен со входами акустических преобразователей АП1…АПN через резистивные делители напряжения R1.1 - R2.1…R1.N - R2.N и со входом эквивалента С1.0 через делитель напряжения R1.0 - R2.0. Выходы акустических преобразователей соединены со входами предварительных усилителей 2.1…2.N. Выходы предварительных усилителей 2.1…2.N соединены со входами регулируемых усилителей 3.1…3.N, выходы которых соединены со входами диапазонных фильтров 4.1…4.N. Выходы диапазонных фильтров 4.1…4.N соединены с входами 1…N многоканального аналого-цифрового преобразователя 5. Выход эквивалента С1.0 опорного канала соединятся со входом предварительного усилителя 2.0, выход которого соединяется со входом регулируемого усилителя 3.0. Выход регулируемого усилителя 3.0 соединятся со входом диапазонного фильтра 4.0, выход которого соединяется со входом 0 АЦП 5. Выход 0 опорного канала АЦП 5 соединятся со входом опорного сигнала всех блоков расчета коэффициентов коррекции 9.1…9.N. Выходы 1…N АЦП 5 соединяются с соответствующими сигнальными входами блоков расчета коэффициентов коррекции 9.1…9.N, которые входят в блок 8 компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ. Выходы блоков расчета коэффициентов коррекции 9.1…9.N соединяются со входами блоков 10.1…10.N хранения и анализа коэффициентов, выходы которых соединяются с блоками 11.1…11.N пересчета АЧХ и ФЧХ. Выходы Блоков пересчета АЧХ и ФЧХ 11.1…11.N, которые являются выходами Блока компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ 8, соединяются со входами 1...N Системы уплотнения и передачи данных 6, выходы которой соединяются со входами Блока пространственно-временной обработки 7.

Работа предложенного гидроакустического тракта осуществляется следующим образом: в режиме контроля от генератора гармонического стимулирующего воздействия 1 через резистивные делители напряжения R1.1 - R2.1…R1.N - R2.N на входы акустических преобразователей АП1.1…AП1.N и на эквивалент опорного канала через делитель R1.0 - R2.0 С1.0 поступает тональный акустический стимулирующий сигнал СС. Сигнал СС проходит по всем аналоговым каналам через предварительные усилители 2.0…2.N, регулируемые усилители 3.0…3.N, диапазонные фильтры 4.0…4.N до входов 0…N АЦП 5. По завершении процесса преобразования тональных сигналов в цифровую форму в блоке АЦП 5, цифровые последовательности поступают в блок компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ 8, в котором сигналы каналов 1…N сравниваются с сигналом опорного канала 0. Блок компенсации неидентичности 8 обеспечивает расчет коэффициентов коррекции, производит сравнение рассчитанных коэффициентов с пороговыми значениями, хранящимися в памяти блока, а также пересчет АЧХ и ФЧХ при превышении рассчитанными значениями коэффициентов пороговых значений, и запоминает значения коэффициентов коррекции.

В рабочем режиме генератор стимулирующего сигнала 1 выключается, на его выходе устанавливается напряжение 0 В. Текущие значения сигналов, поступающих от акустических приемников AП1.1…AП1.N пересчитываются блоками пересчета АЧХ и ФЧХ 11.1…11.N в соответствии с полученными в режиме контроля коэффициентами коррекции.

Таким образом, применение блока компенсации неидентичности амплитудно- и фазо-частотных характеристик каналов обеспечивает оперативную автоматическую компенсацию неидентичности АЧХ и ФЧХ каналов из-за разности длин прохождения тактовых сигналов, а также компенсацию разброса параметров пассивных элементов в аналоговом тракте и разброса параметров гидрофонов в антенне, что необходимо для обеспечения когерентности преобразования принимаемых сигналов. Кроме того, использование данного блока позволяет минимизировать занимаемую площадь разрабатываемых печатных плат за счет исключения сложных схем аналоговой коррекции, а также снизить требования к классу точности компонентов при сохранении требований к идентичности каналов.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения длительно работающих когерентных многоканальных приемных трактов гидроакустических комплексов. Технический результат состоит в автоматизации процесса компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов многоканального гидроакустического комплекса. Для этого приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса содержит источник стимулирующего сигнала, поступающего в режиме контроля через акустические приемники на входы блока компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ и далее в систему уплотнения и передачи данных, которая соединяется с блоком пространственно временной обработки. Автоматическая компенсация неидентичности сигнальных каналов производится с помощью опорного канала. В блоке компенсации неидентичности в режиме контроля сигналы рабочих каналов сравниваются с опорным, вычисляются и запоминаются коэффициенты коррекции, которые в рабочем режиме используются для компенсации неидентичности рабочих каналов. 1 ил.

Приемный тракт многоканального гидроакустического комплекса, содержащий N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, усилитель с регулируемым усилением и диапазонный фильтр, в котором выходы диапазонных фильтров соединены с соответствующими входами N-канального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), также содержащий систему уплотнения и передачи данных, выход которой соединен с входом блока пространственно-временной обработки, при этом вход каждого i-гo (где i - 1…N) предварительного усилителя через i-ю входную цепь соединен с акустическим преобразователем гидроакустической антенны, соединенным с генератором стимулирующего сигнала через резистивный делитель напряжения, отличающийся тем, что в него введены опорный канал, содержащий последовательно соединенные эквивалент акустического преобразователя, предварительный усилитель, усилитель с регулируемым усилением и диапазонный фильтр, дополнительный канал АЦП, при этом эквивалент акустического преобразователя соединен с источником стимулирующего сигнала через делитель напряжения, также введен N-канальный блок компенсации неидентичности амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик, каждый канал которого включает последовательно соединенные блок расчета коэффициента коррекции, блок хранения и анализа коэффициентов и блок пересчета АЧХ и ФЧХ, при этом один вход каждого блока расчета коэффициента коррекции, являющийся входом блока компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ, соединен с соответствующим выходом 1…N многоканального АЦП, а второй вход блока расчета коэффициента коррекции соединен с выходом опорного канала многоканального АЦП, а выходы блоков пересчета АЧХ и ФЧХ, являющиеся выходами блока компенсации неидентичности АЧХ и ФЧХ, соединены с входом системы уплотнения и передачи данных.