Пеленгатор гидроакустических сигналов, формирующий статический веер пространственных каналов Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к гидроакустическим средствам обнаружения сигналов и может быть использовано для малогабаритных носителей типа подводных аппаратов, донных гидрофизических станций, радиогидроакустических буев.

Системы обнаружения шумящих объектов и определения направления на эти объекты, называют пеленгаторами. Общие принципы построения пеленгаторов гидроакустических сигналов изложены в книге [Справочник по гидроакустике / под ред. А.Е. Колесникова. Л.: Судостроение, 1988. С. 18-30]. Для одновременного обзора сектора пространства (до 360°) формируют статический веер пространственных каналов (ПК). Направление на источник сигнала определяют по направлению оси диаграммы направленности (ДН) ПК, в котором зафиксировано максимальное значение принятого сигнала, причем погрешность определения направления составляет приблизительно половину угловой ширины ДН на уровне - 3 дБ [Справочник…].

Антенна пеленгатора для обнаружения сигнала в секторе 360°, как правило, представляет собой цилиндр, по образующей которого расположены гидроакустические приемники. Для цилиндра в свободной среде максимальное количество формируемых ДН пространственных каналов равняется количеству приемников, расположенных по окружности антенны.

В авторском свидетельстве на устройство всенаправленного приема сигналов связи и опознавания гидроакустической станции [а.с. СССР № 1840778, МПК G01S 7/52, публ. 27.07.2009] представлена схема формирования статического веера ДН, а в патенте на гидроакустическую станцию для обнаружения малоразмерных объектов [патент РФ № 2680673, МПК G01S 15/04, публ. 04.12.2017] статический веер ДН формируется с помощью цилиндрической антенны. В патенте на способ обнаружения шумящих в море объектов [патент РФ № 2694782, МПК G01S 3/80, публ. 16.07.2019] рассмотрены особенности частотно-временной обработки сигнала в каждом канале пеленгатора.

Общим недостатком представленных технических решений является значительный размер раскрыва цилиндрической приемной антенны. Обозначим ширину ДН на уровне - 3 дБ как Δθ₀₇. Если необходимо получить величину Δθ₀₇=5° на частоте 3 кГц, диаметр цилиндра должен быть 5.89 м. При снижении частоты или при необходимости уменьшения величины Δθ₀₇ для повышения точности пеленгования диаметр цилиндра линейно увеличивается [Смарышев М.Д. Элементы теории направленности гидроакустических антенн. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003]. Кроме того, требуется экранирование тыльной поверхности приемников, что создает дополнительные технические проблемы для формирования ДН с высокой направленностью на низких частотах. Для построения безэкранного приемника может быть использован приемник, формирующий кардиоидную ДН [Смарышев М.Д. … с. 56-60].

Известны способ и устройство определения водолазом направления на источник звукового сигнала [патент РФ № 2439602, МПК G01S 7/52, опубл. 27.08.2011], в котором предлагается формирование «обратной» кардиоидной ДН. В этом устройстве ДН формируется двумя ненаправленными гидрофонами, центры которых размещены на расстоянии четверти длины волны несущей частоты принимаемого сигнала. Тракт формирования состоит из устройства задержки сигнала на время, равное четверти периода несущей частоты принимаемого сигнала, сумматора и усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Причем коэффициент усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ) обратно пропорционален уровню управляющего сигнала. На выходе этого усилителя формируется ДН, «обратная» кардиоидной ДН, ось которой имеет направление по линии, соединяющей приемники. Однако, предложенное устройство не позволяет сформировать веер ДН.

Наиболее близким по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемому устройству является «Малогабаритный пеленгатор гидроакустических сигналов» [Патент РФ № 2793149, МПК G01S 1/801, опубл. 29.03.2023], который принят за прототип.

Устройство-прототип содержит цилиндрическую звукопрозрачную гидроакустическую антенну, на окружности которой размещены 2N гидроакустических приемников (ГАП). Диаметр окружности D=λ/4, где λ - длина волны на средней частоте принимаемого сигнала, центры приемников находятся на одинаковом угловом расстоянии Δθ°=360/(2N) друг от друга,

Приемники соединены с 2N-канальным блоком формирования пространственных каналов, выполненным с возможностью формирования статического веера из 2N пространственных каналов (ПК) в диапазоне углов 360°, в каждом из которых формируется диаграмма направленности типа «обратная» кардиоида. Также устройство-прототип содержит 2N-канальный блок определения пеленга, где определяется ПК_m, в котором зафиксировано максимальное значение принимаемого сигнала. Направление θ_m оси ДН этого ПК принимается как направление на источник сигнала и с помощью блока передачи значения пеленга передается на внешние устройства.

Пеленгатор, заявленный в патенте РФ № 2793149, формирует статический веер из 2N пространственных каналов при малом диаметре цилиндрической антенны. Основным недостатком представленного технического решения является малая разрешающая способность по углу, т.е. большая погрешность в определении пеленга на цель, т.к. направление на пеленгуемый источник сигнала определяется с точностью не более половины ширины ДН Δθ₀₇. Повышения точности в устройстве-прототипе может быть достигнуто только за счет увеличения количества приемников.

Задачей изобретения является повышение точности при амплитудном методе пеленгования, используемом в режиме обнаружения сигналов с помощью статического веера ПК, без увеличения количества приемников. Технический результат изобретения заключается в существенном повышении точности пеленгования, при сохранении габаритов антенны, количества приемников и без экранирования приемников.

Для решения поставленной задачи в пеленгаторе, содержащем звукопрозрачную многоэлементную цилиндрическую гидроакустическую антенну, состоящую из N ненаправленных гидроакустических приемников A_n(n=1, 2, …, N) и N ненаправленных гидроакустических приемников Б_n, причем фазовые центры всех 2N гидроакустических приемников равномерно размещены с угловым шагом Δθ=(360/2N)° по окружности диаметром D=λ/4, где λ - длина волны на средней частоте принимаемого сигнала; 2N-канальный блок формирования пространственных каналов, выполненный с возможностью формирования статического веера из 2N пространственных каналов (ПК), с формированием в каждом из ПК диаграммы направленности (ДН) типа «обратная» кардиоида; 2N-канальный блок выбора пространственного канала ПК_m, выполненный с возможностью определения ПК с максимальным сигналом и блок формирования значения пеленга θ_m, соответствующего направлению максимума ДН ПК_m; при этом выходы всех 2N гидроакустических приемников соединены с 2N входами блока формирования пространственных каналов, 2N выходов блока формирования пространственных каналов соединены с 2N входами блока выбора пространственного канала ПК_m, а выход блока выбора пространственного канала ПК_m соединен с входом блока формирования значения пеленга,

дополнительно введены

блок ключей, состоящий из 2N нормально закрытых ключей Кл_A1, …, Кл_AN, Кл_Б1, …, Кл_БN;

блок формирования управляющих сигналов;

блок сравнения;

блок памяти и блок уточнения пеленга,

при этом все 2N выходов блока формирования пространственных каналов дополнительно соединены с сигнальными входами одноименных ключей Кл_A1, …, КЛ_AN, Кл_Б1, … Кл_БN;

выход блока выбора пространственного канала ПК_m дополнительно соединен с входом блока формирования управляющих сигналов;

2N выходов блока формирования управляющих сигналов соединены с управляющими входами одноименных ключей, а блок формирования управляющих сигналов выполнен с возможностью открывания двух ключей Кл_лев и Кл_пр соответствующих ПК, смежных с каналом ПК_m слева (ПК_лев) и справа (ПК_пр);

выходы 2N ключей соединены с 2N входами блока сравнения, а его выход - с входом блока памяти;

выход блока формирования значения пеленга соединен с первым входом блока уточнения пеленга, а выход блока памяти соединен со вторым входом блока уточнения пеленга.

Технический результат изобретения - повышение точности - обеспечивается тем, что сравниваются между собой сигналы в пространственных каналах, соседних с выбранным каналом ПК_m, в котором принимаемый от источника сигнал имеет максимальное значение. При этом к направлению θ_m вводится поправка, зависящая от разницы напряжений на выходах ПК_пр и ПК_лев.

Введение новых признаков обеспечивает значительное повышение точности определения направления на источник сигнала, при этом повышение точности достигается без увеличения количества приемников.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена общая функциональная схема устройства; на фиг. 2 показана функциональная схема при выделении каналов ПК_пр и ПК_лев, сигналы которых используются для уточнения пеленга на источник. На фиг. 3 представлена зависимость, связывающая вводимую угловую поправку с разницей напряжений сигналов от источника, приходящих с пространственных каналов, соседних с каналом ПК_m (для ΔU≥0), а на фиг. 4 поясняется принцип определения разности напряжений. На фиг. 4 обозначено: сплошная кривая - угловая зависимость напряжения с канала ПК_m, пунктирная линия аналогичная зависимость для правого относительно ПК_m канала ПК_пр, а штрих-пунктирная линия для левого канала ПК_лев.

Пеленгатор состоит из цилиндрической антенны 1 и радиотехнический части. На направляющей цилиндрической антенны расположены гидроакустические приемники ГАП_An 1_An а также сдвинутые на 180° гидроакустические приемники ГАП_Бn 1_Бn, (n=1,2, …, N). Радиотехническая часть пеленгатора включает 2N-канальный блок формирования пространственных каналов (БФПК 2), который выполнен с возможностью формирования статического веера ПК, в каждом их которых формируется ДН типа «обратная» кардиоида. БФПК 2 соединен с 2N-канальным блоком выбора пространственного канала (БВПК 3), а также каждый канал БФПК 2 соединен с сигнальными входами одноименных ключей Кл_Ап и Кл_Бn блока ключей 4. Выход БВПК 3 соединен с входом блока формирования управляющих сигналов (БФУС 5) и с входом блока формирования значения пеленга (БФЗП 6).

Выход БФУС 5 соединен с 2N управляющими входами блока ключей 4, при этом только по двум каналам передаются управляющие сигналы для открытия двух ключей.

Два выхода открытых ключей блока ключей 4 соединены с входами блока сравнения (БСр 7), а выход БСр 7 соединен с входом блока памяти (БПм 8).

Выход блока БФЗП 6 соединен с первым входом блока уточнения пеленга (БУП 9), а второй вход БУП 9 соединен с выходом блока БПм 8.

С выхода БУП 9 уточненное значение пеленга на источник сигнала θ_ист передается для дальнейшей обработки.

Заявленное устройство комплектуется из известных акустических и радиоэлектронных устройств. Малогабаритные гидроакустические приемники серийно выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Электронные блоки, входящие в схемы обработки, выполняются как аппаратно-программные средства, причем дополнительно введенные блок ключей 4, блок формирования управляющих сигналов 5, блок передачи значения пеленга 6, блок сравнения 7, блок памяти 8 и блок уточнения пеленга 9 целесообразно формировать на базе средств вычислительной техники

Предложенный пеленгатор работает следующим образом.

Акустический сигнал от источника принимается цилиндрической антенной 1, преобразуется в электрический сигнал и поступает на входы многоканального блока формирования пространственных каналов БФПК 2. На выходе БФПК 2 формируется массив сигналов, соответствующий статическому вееру из 2N пространственных каналов (ПК), причем в каждом канале формируется диаграмма направленности (ДН) типа «обратная» кардиоида (описание способа такого формирования и устройства, реализующего этот способ, представлено в патенте РФ № 2793149).

Массив сигналов от сформированных пространственных каналов передается в 2N-канальный блок выбора пространственного канала (БВПК 3), где из всего массива выбирается максимальный сигнал, соответствующий пространственному каналу ПК_m Одновременно с передачей массива сигналов в БВПК 3 эти же сигналы передаются на сигнальные входы одноименных ключей блока ключей 4.

Из блока БФПК 3 номер канала ПК_m передается в блок (см. фиг. 2) формирования управляющих сигналов (БФУС 5) и в блок формирования значения пеленга (БФЗП 6), где по номеру выбранного ПК_m формируется направление на источник сигнал θ_m, в градусах. В блоке БФУС 5 по значению переданного номера ПК_m формируются управляющие сигналы для открытия ключей в блоке ключей 4 слева и справа от ключа Кл_m: соответственно, ключа Кл_лев и ключа Кл_пр. Остальные ключи блока ключей 4 остаются закрытыми.

Через открытые ключи Кл_лев, Кл_пр сигналы (напряжения) с пространственных каналов ПК_лев,пр попадают на входы блока сравнения БСр 7. В блоке БСр 7 формируется разность напряжений ΔU=U_пр-U_лев, где U_лев - значение напряжения из пространственного канала ПК_лев, U_np - значение напряжения из пространственного канала ПК_пр (все напряжения в дБ). Вычисленная разность напряжений передается на вход блока памяти БПм 8.

Блок памяти БПм 8 предназначен для того, чтобы по величине разности напряжений сигналов от правого и левого пространственных каналов относительно пространственного канала ПК_m, равной ΔU и переданной на вход БПм 8, определить поправку по углу пеленгования на источник ξ_θ. Поправка определяется по зависимости ξ_θ(ΔU) [см. Кранц В.З., Островский Д.Б. Об использовании кардиоидных диаграмм направленности для пеленгования гидроакустических сигналов // Гидроакустика, 2022, вып. 51(3), с. 5-11]. Таблица значений функции, определяющей зависимость ξ_θ(ΔU), предварительно загружается в память блока БПм 8, что дает возможность определить поправку ξ_θ, соответствующую напряжению ΔU (для иллюстрации типовая зависимость поправки ξ_θ в градусах, от напряжения, в дБ, приведена на фиг. 3).

На фиг. 4, где представлен фрагмент веера напряжений с пространственных каналов в зависимости от угла прихода сигнала, показано, каким образом определяется величина ΔU. Как было указано, максимальное значение сигнала от источника зафиксировано в ПК_m, ось ДН этого канала в направлении θ_m. Однако, направление на источник θ_ист может не совпадать с θ_m, а находиться в угловых пределах, равных ширине максимума ДН. Представленные на фиг. 4 кривые не примыкают друг к другу, а пересекаются, откуда следует, что сигналы меньшего уровня, чем в ПК_m, будут также обнаружены в каналах ПК_лев и ПК_пр, соответствующие уровни напряжения отмечены на линии θ_ист точками. Точкам пересечения кривых зависимостей от угла напряжений каналов ПК_пр и ПК_лев с линией θ_ист соответствуют напряжения U_np и U_лев., по которым определяется разность ΔU.

Грубое значение пеленга θ_m (в градусах) с выхода блока БФЗП 6 поступает на первый вход блока уточнения пеленга БУП 9; на его второй вход поступает поправка ξ_θ, также в градусах. Направление на источник θ_ист определяется в блоке БУП 9 по формуле θ_ист=θ_m+ξ_θ.

Таким образом, достигается заявленный технический эффект, состоящий в существенном повышении точности пеленгования, при этом сохраняются габариты антенны, общее количество приемников, отсутствует необходимость в экранировании приемников.

Заявленный гидроакустический пеленгатор может быть использован для наблюдения за подводной обстановкой при установке на малогабаритных носителях, где отсутствует возможность размещения антенн большого диаметра, в том числе для донных гидрофизических станций и опускаемых с вертолетов гидроакустических станций.

Использование: изобретение относится к гидроакустическим средствам обнаружения сигналов и может быть использовано для малогабаритных носителей типа подводных аппаратов, донных гидрофизических станций, радиогидроакустических буев. Сущность: пеленгатор состоит из цилиндрической звукопрозрачной антенны и радиотехнический части. На направляющей цилиндрической антенны расположены 2N гидроакустических приемников, которые размещены равномерно с интервалом Δθ=(360/2N)°. Сигналы от гидроакустических приемников передаются в блок формирования пространственных каналов, в котором формируется веер из 2N пространственных каналов с диаграммами направленности (ДН) типа «обратная» кардиоида. Выбирается пространственный канал с максимальным значением принятого сигнала (ПК_m) и определяется направление на источник сигнала θ_m, соответствующее оси ДН ПК_m. По разности напряжений сигналов ΔU=U_np-U_лев, принятых соседними от ПК_m каналами ПК_пр и ПК_лев, а также по заранее введенной зависимости поправки ξ_θ (ΔU) определяется истинное значение на источник сигнала θ_ист=θ_m+ξ_θ. Технический результат: повышение точности при амплитудном методе пеленгования, используемом в режиме обнаружения сигналов с помощью статического веера ПК, при сохранении габаритов антенны, количества приемников и без экранирования приемников. 4 ил.

Пеленгатор гидроакустических сигналов, содержащий звукопрозрачную многоэлементную цилиндрическую гидроакустическую антенну, состоящую из N ненаправленных гидроакустических приемников А_n (n=1, 2, …, N) и N ненаправленных гидроакустических приемников Б_n, причем фазовые центры всех 2N гидроакустических приемников равномерно размещены с угловым шагом Δθ=360/2N по окружности диаметром D=λ/4, где λ - длина волны на средней частоте принимаемого сигнала; 2N-канальный блок формирования пространственных каналов, выполненный с возможностью формирования статического веера из 2N пространственных каналов (ПК), с формированием в каждом из ПК диаграммы направленности (ДН) типа «обратная» кардиоида; 2N-канальный блок выбора пространственного канала ПК_m с максимальным сигналом и блок формирования значения пеленга θ_m, соответствующего направлению максимума ДН ПК_m, при этом выходы всех 2N гидроакустических приемников соединены с 2N входами блока формирования пространственных каналов, 2N выходов блока формирования пространственных каналов соединены с 2N входами блока выбора пространственного канала ПК_m, а выход блока выбора пространственного канала ПК_m соединен с входом блока формирования значения пеленга, отличающийся тем, что в пеленгатор гидроакустических сигналов введены блок ключей, содержащий 2N нормально закрытых ключей Кл_А1, …, Кл_AN, Кл_Б1, …, Кл_БN, блок формирования управляющих сигналов, блок сравнения, блок памяти и блок уточнения пеленга, при этом все 2N выходов блока формирования пространственных каналов дополнительно соединены с сигнальными входами одноименных ключей Кл_А1, …, Кл_AN, Кл_Б1, …, Кл_БN; выход блока выбора пространственного канала ПК_m дополнительно соединен с входом блока формирования управляющих сигналов, 2N выходов блока формирования управляющих сигналов соединены с управляющими входами одноименных ключей, а блок формирования управляющих сигналов выполнен с возможностью открывания двух ключей Кл_л и Кл_п, соответствующих ПК, смежных с каналом ПК_m слева (ПК_лев) и справа (ПК_пр), выходы 2N ключей соединены с 2N входами блока сравнения, а его выход - с входом блока памяти, выход блока формирования значения пеленга соединен с первым входом блока уточнения пеленга, а выход блока памяти соединен со вторым входом блока уточнения пеленга.