Способ формирования однонаправленной характеристики векторного многокомпонентного приёмника Российский патент 2023 года по МПК G01V1/18 

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам и их применению для проведения гидроакустических исследований, в том числе для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах.

Известны векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД), в точечных и линейных гидроакустических антеннах, позволяющие обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области за счет реализуемой ПГД дипольной направленности (С.К. Скребнев «Комбинированные гидроакустические приемники». С-Петербург «Элмор» 1996). Основным недостатком перечисленных типов комбинированных приемников является низкое соотношение сигнал/помеха и низкая пространственная избирательность. Кроме того, недостатком приведенных в источнике описаний типов является то, что осуществляется реализация только двух ортогональных компонентов приема сигнала, что не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении, перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам, а реализация конструктивов с тремя ортогональными компонентами требует относительно большого объема при низкой эффективности использования пространства. Наиболее близким к заявляемому в плане обработки сигналов с векторно-скалярного многокомпонентного приемника является способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов, предложенный в п. РФ №2687301 МПК G01V 1/16. Способ включает формирование однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов в виде произведения кардиоиды на косинусоиды в зависимости от направления для приемника, поскольку более помехоустойчивой является характеристика направленности вида произведения косинусоиды на кардиоиду - при формировании в направлении перпендикулярном оси антенны по горизонтали представимую математической формулой [(1±cosA)cosA]/2, для которой ширина характеристики направленности по уровню -3 дБ составляет 76°, а уровни тыльного (под углом А=180°) и бокового (под углами А=±90°) лепестков оба равны нулю.

Указанный способ обработки сигналов имеет при всех указанных преимуществах существенно широкую характеристику направленности при отсутствии возможности применения алгоритма сканирования лучом в пространстве.

Перечисленные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Цель изобретения - построение характеристики направленности векторного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности.

Технический результат - построение характеристики направленности векторного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности.

Поставленная проблема решается тем, что способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов определяется тем, что относительно расположенной на оси максимальной чувствительности избранной пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, с получаемым сигналом приемника градиента давления образуется общий мультипликативный сигнал вместе с сигналами приемников градиента давления от остальных пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в изменяемых сегментах от 0° до 180° и от 180° до 360° и параллельно ориентированных расположением осей максимальной чувствительности относительно избранной пары пьезоэлектрических призм с последующим вычитанием из общего мультипликативного сигнала его модуля в виде корня квадратного из возведенного в квадрат значения общего мультипликативного сигнала для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности.

Поставленная проблема решается и тем, что способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов определяется тем, что вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности происходит через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и соответствующую параллельную переориентацию подключения относительно избранной пары других пар пьезоэлектрических призм.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признаки, указывающие, что относительно расположенной на оси максимальной чувствительности избранной пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, с получаемым сигналом приемника градиента давления образуется общий мультипликативный сигнал вместе с сигналами приемников градиента давления от остальных пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в изменяемых сегментах от 0° до 180° и от 180° до 360° и параллельно ориентированных расположением осями максимальной чувствительности относительно избранной пары пьезоэлектрических призм с последующим вычитанием из общего мультипликативного сигнала его модуля в виде корня квадратного из возведенного в квадрат значения общего мультипликативного сигнала для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности. Таким образом, имеется избранная пара пьезоэлектрических призм, которые находятся на противоположных сторонах пьезокерамического кольца или с максимальной базой для измерения и ориентированные в одну сторону, и к ним добавляются соосные сигналы от других пар пьезоэлектрических призм (но с более короткой итоговой базой от относительно выбранного направления - в соответствии с изменением угла) через мультипликативную/аддитивную обработку.

Признаки, указывающие, что вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности, происходит через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и соответствующую параллельную переориентацию подключения относительно избранной пары других пар пьезоэлектрических призм.

На Фиг. 1 схематически изображено цилиндрическое кольцо в торцевой проекции с парой пьезоэлектрических призм 1, 2 со встречной поляризацией, находящихся на оси максимальной чувствительности 11 и расположенных в противоположных сторонах цилиндрического кольца с образованием единого фазового центра, с любой парой пьезоэлектрических призм, например, 3, 4 со встречной поляризацией, соответственно находящихся в сегменте X^3-4 цилиндрического кольца на противоположных сторонах сегмента, вплоть до пары пьезоэлектрических призм 5, 6 со встречной поляризацией, соприкасающихся боковыми поверхностями пьезоэлектрических призм и находящихся в сегменте X^5-6 цилиндрического кольца. При этом, каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет (кроме 1 и 2) на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией с образованием единого фазового центра и соответственно для пьезоэлектрических призм 3, 4 будут призмы 7, 8 в сегменте Z⁷⁸, для пьезоэлектрических призм 5, 6 будут пьезоэлектрические призмы 9, 10 в сегменте Z^9-10.

На Фиг. 2 изображена схема обработки сигнала, в которой избранной из набора парой, называемой для примера 1-я пара пьезоэлектрических призм 1, 2, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, со встречной поляризацией с выведением электрических контактов с дипольной характеристикой направленности 12, а также пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте от 0° до 180° (например 3-4 и 7-8 и далее через все пьезоэлектрические призмы до 5-6 и 9-10). И далее приведение однонаправленных призм в наборе с общим фазовым центром до аддитивно-мультипликативной обработки к суммарной характеристики направленности 13. При следующем этапе от общего мультипликативного сигнала вычитается его модуль в виде среднеквадратичного значения 14.

На Фиг. 3 изображена итоговая характеристики направленности за счет учета обработки дипольных характеристик и за счет учета волновых размеров кольца (волновых размеров каждых противолежащих пар пьезоэлектрических призм).

Векторный многокомпонентный приемник работает следующим образом: порядок обработки сигналов можно представить относительно Фиг. 1 можно представить следующим образом: когда из набора сигналов (пьезоэлектрических призм 1, 2) получающихся с дипольной характеристикой направленности, а также что пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, разнесены друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте X° в диапазоне от 0° до 180° (аналогичных в наборе, таких как: X³⁴, … X⁵⁶). При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет на другой стороне цилиндрического кольца симметрично-расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией Z° в диапазоне от 180° до 360° (аналогичных в наборе, таких как: Z⁷⁸, … Z ^9-10) с образованием единого фазового центра образуемой с каждого компонента множества преобразователя. Получение характеристики направленности 12 определено в своем сегменте. Такая же схема обработки для любой другой из множества парой (называемой для примера N-я пара комбинированных приемников) пьезоэлектрических призм 1, 2, склеенных смежными плоскостями со встречной поляризацией. Такие пары призм определены как набор, но в конкретных случаях количество призм определено конкретной геометрией трапециевидного сечения призмы и предельное количество призм соответствует геометрии кольца, так в некоторых кольцах количество пар призм может соответствовать 32 парам (в примере, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 64 штуки). Таким образом, мы получаем однонаправленную в одной плоскости систему детектирования приходящего сигнала и исходную базу для точного определения направления приходящего сигнала. При этом классические условия определения градиента давления требуют, чтобы Δx/λ<0,4 (где Δх расстояние между осями приемника градиента давления из пьезокерамических призм, λ - длина падающей волны) (см. стр. 56 С.К. Скребнев «Комбинированные гидроакустические приемники». С-Петербург «Элмор»). Соответственно, любые каждые две пары приемников градиента давления в этом кольце имеют единый фазовый центр. Далее приведение к общей направленности всего множества пар комбинированных приемников за счет относительно избранной пары 1-2 с последующей мультиобработкой 13 давления с последующим вычитанием из общего мультипликативного сигнала его модуля в виде корня квадратного из возведенного в квадрат значения общего мультипликативного сигнала для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности 14. Далее сканирование всего комплекта пар комбинированных приемников во всем диапазоне за счет через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и сочетание привязанных к ней пар других пьезоэлектрических призм относительно расположения на угле раскрыва.

Таким образом, реализуется схема обработки сигнала, основанная на преимуществах заявляемого векторного приемника, а именно:

1. Сигналы с каждого компонента набора преобразователя приемника градиента давления, имеющего дипольную характеристики направленности, и скалярного приемника преобразуется множество суммарных сигналов. Таким образом, остается «неподвижная» характеристика направленности обнаружения сигнала в пределах сегмента каждого приемника градиента давления;

2. Движение характеристики направленности по всему направлению возможно через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и сочетание привязанных к ней пар других пьезоэлектрических призм относительно расположения на угле раскрыва.

Обработка сигнала по Фиг. 2 является приведением к общей направленности всего набора приемников градиента давления за счет относительно избранной пары 1-2 23 с последующим мультиобработкой 13. А далее вычитание от общего мультипликативного сигнал его модуля в виде среднеквадратичного значения общего мультипликативного сигнала 14. Далее сканирование всего комплекта пар комбинированных приемников во всем диапазоне за счет через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и сочетание привязанных к ней пар других пьезоэлектрических призм относительно расположения на угле раскрыва.

Таким образом, реализуется схема обработки сигнала, основанная на преимуществах заявляемого комбинированного приемника, а именно:

1. Сигналы с каждого компонента набора преобразователя приемника градиента давления имеющего дипольную характеристики направленности преобразуется множество суммарных сигналов. Таким образом, остается «неподвижная» характеристика направленности обнаружения сигнала в пределах сегмента каждого приемника градиента давления. И далее приведение однонаправленных призм в наборе с общим фазовым центром до аддитивно-мультипликативной обработки к итоговой характеристики направленности 13. При следующем этапе от общего мультипликативного сигнала вычитается его среднеквадратичное значение 14;

2. Движение характеристики направленности по всему направлению возможно через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и сочетание привязанных к ней пар других пьезоэлектрических призм относительно расположения на угле раскрыва.

Приведенный пример позволяет через мультипликативную обработку сигналов достичь раствора вращаемой характеристики направленности единого векторно-скалярного приемника в ~20° (в примере, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 64 штуки) при минимуме боковых лепестков и высокой приемной чувствительности итогового мультипликативно обработанного сигнала 13 Фиг. 2. от общего мультипликативного сигнала вычитается его среднеквадратичное значение 14 и тем самым мы отсекаем заднюю часть «сдавленного» диполя вместе уровнем паразитных шумов. В этом случае мы имеем центральную избранную пару приемников градиента давления расположенных на оси максимальной чувствительности 11 и 15^ти пар пьезоэлектрических призм расположенных равномерно по одну сторону кольца относительно оси максимальной чувствительности и 15^ти пар пьезоэлектрических призм расположенных равномерно по другую сторону кольца относительно оси максимальной чувствительности. При этом также в пределах этого же конструктива возможно достичь классическим способом дополнительного сужения итогового раствора характеристики направленности в ~14° (на частоте 6 кГц) за счет волнового размера пары приемников градиента давления при уровне боковых лепестков ~0,03, при сложении с основным сигналом 22 Фиг. 3. Данный пример можно представить в виде следующей функциональной формулы для расчета характеристики направленности при условии электрической и акустической идентичности каналов:

где:

• α - угол в характеристике направленности

• α₀ - угол максимальной чувствительности характеристики направленности в избранном приемнике градиента давления

• k - волновое число

• d_m - расстояние между двумя парами противолежащих пьезоэлектрических призм

• i - номер из набора суммарных сигналов (приемников градиента давления и приемников давления) от 1 до N.

В этом случае можно получить дополнительные преимущества в получении оптимально характеристики направленности.

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам и их применению для проведения гидроакустических исследований, в том числе для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах. Заявлен способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения векторного многокомпонентного приемника, который состоит в том, что относительно расположенной на оси максимальной чувствительности избранной пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, с получаемым сигналом приемника градиента давления образуется общий мультипликативный сигнал вместе с сигналами приемников градиента давления от остальных пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в изменяемых сегментах от 0° до 180° и от 180° до 360° и параллельно ориентированных расположением осей максимальной чувствительности относительно избранной пары пьезоэлектрических призм, с последующим вычитанием из общего мультипликативного сигнала его модуля в виде корня квадратного из возведенного в квадрат значения общего мультипликативного сигнала для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности. Технический результат - построение характеристики направленности векторного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения векторного многокомпонентного приемника, состоящий в том, что относительно расположенной на оси максимальной чувствительности избранной пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, с получаемым сигналом приемника градиента давления образуется общий мультипликативный сигнал вместе с сигналами приемников градиента давления от остальных пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в изменяемых сегментах от 0° до 180° и от 180° до 360° и параллельно ориентированных расположением осей максимальной чувствительности относительно избранной пары пьезоэлектрических призм, с последующим вычитанием из общего мультипликативного сигнала его модуля в виде корня квадратного из возведенного в квадрат значения общего мультипликативного сигнала для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности.

2. Способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения векторного многокомпонентного приемника по п. 1, отличающийся тем, что вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности происходит через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и соответствующую параллельную переориентацию подключения относительно избранной пары других пар пьезоэлектрических призм.