Способ формирования направленной характеристики векторно-скалярного многокомпонентного приёмника Российский патент 2024 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 реализация только двух ортогональных компонент 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. Кроме того, недостатком известного решения является реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, которая не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.

Наиболее близким к заявляемому в плане обработки сигналов с векторно-скалярного многокомпонентного приемника является «Способ формирования однонаправленной характеристики векторно-скалярного многокомпонентного приемника», предложенном п. №2802838 МПК G01V 1/16. «Способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения векторно-скалярного многокомпонентного приемника», состоящем 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 суммарным сигналом приемника давления и сигналом приемника градиента давления, образуется общий мультипликативный сигнал для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности вместе с суммарными сигналами приемника давления и приемника 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.

Указанный способ обработки сигналов имеет при всех указанных преимуществах существенно низком диапазоне частот, который смещен в область низких частот, поскольку ограничен габаритными параметрами цилиндрического кольца, которые ограничиваются полудлиной волны принимаемого сигнала.

Перечисленные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Цель изобретения - построение характеристики направленности векторно-скалярного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности в широком диапазоне частот.

Технический результат - построение характеристики направленности векторно-скалярного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности в широком диапазоне частот.

Поставленная проблема решается тем, что способ формирования направленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов определяется тем, что относительно расположенной перпендикулярно оси максимальной чувствительности двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, образуется общий мультипликативный сигнал для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности вместе с суммарными сигналами приемника давления и приемника 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 двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу находящейся симметрично в другой половине цилиндрического кольца.

Поставленная проблема решается и тем, что способ формирования направленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов определяется тем, что вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности, происходит через изменение выбора двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу находящейся симметрично в другой половине цилиндрического кольца.

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, что относительно расположенной перпендекулярно оси максимальной чувствительности двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, образуется общий мультипликативный сигнал для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности вместе с суммарными сигналами приемника давления и приемника 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 двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу находящейся симметрично в другой половине цилиндрического кольца. Таким образом, имеется двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу находящейся симметрично в другой половине цилиндрического кольца или с максимально короткой базой при учете расстояния между центрами пьезоэлектрических призм (и соответственно для более высоких частот чем при учете размеров цилиндрического кольца) 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 вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности, происходит через изменение выбора двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией противолежащих друг другу находящейся симметрично в другой половине цилиндрического кольца.

На Фиг. 1 схематически изображено цилиндрическое кольцо в торцевой проекции с 2 парами пьезоэлектрических призм 1, 2 со встречной поляризацией, и находящихся перпендикулярно оси максимальной чувствительности 7, расположенных в противоположных сторонах цилиндрического кольца с образованием единого фазового центра, с любой 2 парами пьезоэлектрических призм, например, 3, 4 со встречной поляризацией, соответственно находящихся в сегменте X^3-4 цилиндрического кольца на противоположных сторонах сегмента. 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 5, 6 в сегменте Z⁵⁶.

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, сигналом приемника давления 8, с образованием кардиоидной характеристики направленности 9, а также аналогично пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте от 0° до 180° (например от 3-4 и далее через все пьезоэлектрические призмы до 5-6). И далее приведение однонаправленных пар призм в наборе с общим фазовым центром до мультипликативной обработки к итоговой характеристики направленности 10.

На Фиг. 3 изображена итоговая характеристики направленности 11 только за счет учета обработки кардиоидных характеристик, а также итоговая характеристики направленности 12 дополнительно за счет учета волновых размеров кольца (волновых размеров каждой пары пьезоэлектрических призм).

Векторно-скалярный многокомпонентный приемник работает следующим образом: порядок обработки сигналов можно представить относительно Фиг. 1 можно представить следующим образом: когда из набора суммарных сигналов (2 пар пьезоэлектрических призм 1, 2) получающихся при вычитании от сигнала от приемника давления суммарного сигнала скалярного приемника давления с кардиоидной характеристикой направленности 8, а также что пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, разнесены друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте X⁰⁰ в диапазоне от 0° до 180° (аналогичных в наборе, таких как например: X³⁴). Две противолежащие пары пьезоэлектрических призм, например 3-4, действуя как единый приемник градиента давления, выдающий сигнал с дипольной характеристикой направленности, а именно как сигнал градиента давления между одними крайними пьезоэлектрическими призмами (находящимися на оси перпендикулярной оси максимальной чувствительности) и другими крайними пьезоэлектрическими призмами для каждой пары 3-4, и в итоге соосно ориентированный характеристикой направленности относительно оси максимальной чувствительности 7. При этом, каждая пара противолежащих пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет на другой стороне цилиндрического кольца симметрично-расположенную и поляризацией последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм со встречным сегментом Z⁰⁰ в диапазоне от 180° до 360° (аналогичных в наборе, таких как например: Z⁵⁶) с образованием единого фазового центра образуемой с каждого компонента множества преобразователя с последующей передачей на линии задержки относительно сигнала с других пар преобразователей имеемых на другой стороне цилиндрического кольца с получением итоговой характеристики направленности каждого преобразователя и выведением сигнала от скалярных приемников давления 8. Кроме того, надо понимать что при «движении» от номера 1 или 2 по образующей окружности цилиндрического кольца сигнал градиента давления для последующих номеров пар призм в диапазоне X³⁴ будет уменьшаться вследствие уменьшения базы градиента давления, при сохранении дипольной характеристики направленности от суммарного сигнала пар 3, 4 и последующих пар. Получение характеристики направленности определенно 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. Поскольку таких пар призм определено 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 34 парам (например, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 68 штук). 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») и в этом случае мы пользуемся этим условием и имеем возможность расширить частотный диапазон в сторону высоких частот невзирая на габаритные размеры цилиндрического кольца и только за счет волновых размеров пар пьезокерамических призм. Соответственно, любые каждые четыре пары (по две по одну и другую стороны кольца) приемников градиента давления в этом кольце имеют единый фазовый центр. При этом, либо призмы, имеющие вывод суммарного сигнала с отдельных обкладок пар пьезокерамических призм как от скалярных приемников давления, либо любые две призмы расположенные симметрично относительно фазового центра соединенные как от скалярных приемников давления, играют роль скалярного приемника давления. Далее приведение к общей направленности всего множества пер комбинированных приемников за счет относительно избранной пары 1-2 с последующей мультиобработкой 10. Далее сканирование всего комплекта пар комбинированных приемников во всем диапазоне за счет через изменения 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 и скалярного приемника преобразуется множество суммарных сигналов. Остается «неподвижная» характеристика направленности обнаружения сигнала в пределах сегмента каждого приемника градиента давления 10. Движение характеристики направленности по всему направлению возможно через изменение выбора избранных двух противолежащих пар 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 ~35° (например, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 68 штук) на частоте 40 кГц) за счет волнового размера пары приемников градиента давления при уровне боковых лепестков <0,01, и высокой приемной чувствительности итогового мультипликативно обработанного сигнала 11 Фиг. 3. В этом случае, мы имеем центральные избранные две пары приемников градиента давления расположенных перпендикулярно к оси максимальной чувствительности 7 и 16^ть 2-х парных пьезоэлектрических призм, расположенных равномерно по одну сторону кольца перпендикулярно относительно оси максимальной чувствительности 7 и 16^ть 2-х парных пьезоэлектрических призм, расположенных равномерно по другую сторону кольца перпендикулярно относительно оси максимальной чувствительности. При этом также в пределах этого же конструктива возможно достичь дополнительного сужения итогового раствора характеристики направленности в ~20° (на частоте 40 кГц) 12 за счет учета фазового центра только в одной плоскости перпендикулярно оси максимальной чувствительности Фиг. 3, что соответствует мультипликативной обработке сигнала сегмента X⁰⁰ с сегментом Z⁰⁰. Данные примеры 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 избранных парах приемнике градиента давления

• k - волновое число

• d_n - изменяющееся расстояние для каждой из двух противолежащих пар пьезоэлектрических призм

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

В этом случае можно получить дополнительные преимущества в получении оптимальной 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. Предложен способ формирования характеристики направленности тракта обнаружения векторно-скалярного многокомпонентного приемника, который состоит в том, что относительно расположенных перпендикулярно оси максимальной чувствительности двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, в составе цилиндрического кольца, с получаемым суммарным сигналом приемника давления и сигналом приемника градиента давления, образуется общий мультипликативный сигнал для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности вместе с суммарными сигналами приемника давления и приемника 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 двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, находящихся симметрично в другой половине цилиндрического кольца. Технический результат - построение характеристики направленности векторно-скалярного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности в широком диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения векторно-скалярного многокомпонентного приемника, состоящий в том, что относительно расположенной перпендикулярно оси максимальной чувствительности двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу в составе цилиндрического кольца, с получаемым суммарным сигналом приемника давления и сигналом приемника градиента давления, образуется общий мультипликативный сигнал для формирования итоговой однонаправленной характеристики направленности вместе с суммарными сигналами приемника давления и приемника 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 двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, в составе одной половины цилиндрического кольца, и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, находящихся симметрично в другой половине цилиндрического кольца.

2. Способ формирования однонаправленной характеристики направленности тракта обнаружения источников подводных шумов по п. 1, отличающийся тем, что вращение итоговой однонаправленной характеристики направленности происходит через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и других двух избранных пар смежных пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, противолежащих друг другу, находящихся симметрично в другой половине цилиндрического кольца, и соответствующую параллельную переориентацию подключения относительно избранной пары других пар пьезоэлектрических призм.