Эволюция способов формирования характеристик направленности при обнаружении гидроакустических сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция способов формирования характеристик направленности при обнаружении гидроакустических сигналов

Аннотация: в статье рассматриваются способы формирования характеристик направленности гидроакустических антенн, используемых при обнаружении сигналов активных гидроакустических средств. Первыми в качестве антенн использовались отдельные гидроакустические преобразователи. Позднее стали использоваться многоэлементные антенны. Рассмотрены антенны, которые в проекции на горизонтальную плоскость имеют форму дуги окружности, антенны, дуга которых компенсирована к дуге окружности большего радиуса. Рассмотрены линейные антенны, длина которых уменьшается с повышением частоты сигналов. Линейные антенны формируются цифровым способом. Показано, что линейные антенны имеют наиболее стабильную форму характеристик направленности в диапазоне частот. Это повышает точность пеленгования.

Ключевые слова: гидроакустическая станция, антенна, характеристика направленности, точность пеленгования.

EVOLUTION OF METHODS FOR THE FORMATION OF DIRECTIVITY CHARACTERISTICS WHEN DETECTING HYDROACOUSTIC SIGNALS

Kazakov M.N.

Abstract: the article discusses the methods of forming the directivity characteristics of hydroacoustic antennas used when detecting signals from active hydroacoustic devices. Separate hydroacoustic transducers were the first to be used as antennas. Later, multi-element antennas were used. Considered are antennas, which in projection onto a horizontal plane have the shape of a circular arc, antennas, the arc of which is compensated for a circular arc of a larger radius. Linear antennas are considered, the length of which decreases with increasing signal frequency. Linear antennas are digitally formed. It is shown that linear antennas have the most stable form of directivity characteristics in the frequency range. This improves the accuracy of direction finding.

Keywords: hydroacoustic station, antenna, directional characteristic, direction finding accuracy. гидроакустическая антенна сигнал преобразователь

Первой станцией обнаружения сигналов активных гидроакустических средств (станцией ОГС) была станция «Свет», разработанная в институте, который позднее стал называться ЦНИИ «Морфизприбор». Антенна станциипредставляла собой четыре магнитострикционных преобразователя, которые формировали характеристики направленности (ХН), имеющие в горизонтальной плоскости форму окружности. Оси этих ХН располагались под углами 0^о, 90^о, 180^о и - 90^о относительно диаметральной плоскости (ДП) корабля. В этой станции обнаружение сигналов производилось оператором по величине отклонения луча электроннолучевой трубки, а направление на цель - по углу отклонения луча, который зависел от отношения уровней напряжений в соседних каналах [1, 2].

В 1959 году в институте начал разрабатываться гидроакустический комплекс (ГАК) «Рубин» [3], в который станция ОГС вошла в качестве одной из подсистем комплекса. Встал вопрос о повышении помехоустойчивости аппаратуры ОГС. С.М. Шелехов [4] - руководитель инженерной разработки комплекса, который ранее был основным разработчиком станции «Свет», считал, что нужно сохранить структуру этой станции, разбив общий диапазон частот на поддиапазоны. Автор настоящей статьи предложил вместо увеличения числа диапазонов увеличить число пространственных каналов, мотивируя это тем, что разбиение на поддиапазоны, вследствие падающего спектра акустических помех, улучшает помехоустойчивость в основном на верхних частотах диапазона. В то время, как увеличение числа каналов увеличивает помехоустойчивость во всём рабочем диапазоне. И.М. Стрелков [5] - руководитель разработки подсистемы ОГС, согласился с этим. В результате было принято компромиссное решение. Общий рабочий диапазон разделялся на два диапазона, и в каждом из них создавалось по 20 пространственных каналов, ХН которых образовывали веер в горизонтальной плоскости. Для формирования этих ХН в низкочастотном диапазоне был выделен пояс пьезоэлектрических преобразователей главной цилиндрической антенны комплекса. Для высокочастотного диапазона была создана специальная цилиндрическая антенна. В дальнейших разработках института в низкочастотном диапазоне, как правило, использовалось 20 пространственных каналов. Веера ХН обеспечивали обзор пространства в носовых направлениях в секторе 300⁰ (номинальная ширина одной ХН равна 15⁰). Для обзора кормовых направлений были предусмотрены отдельные каналы [6]. Поскольку число пространственных каналов увеличилось, отпала необходимость учитывать соотношения напряжений в соседних каналах, стало возможным пеленгование по максимальному напряжению [7]. Основное требование, предъявляемое к ХН веера при максимальном методе пеленгования - стабильность ширины ХН в диапазоне частот, что обеспечивает заданную точность пеленгования во всём рабочем диапазоне. Такой стабильностью (по сравнению с ХН линейных антенн) обладают ХН антенн, имеющих форму дуг окружности.

Цилиндрическая антенна при расчёте ХН в горизонтальной плоскости описываются своей проекцией на горизонтальную плоскость, то есть окружностью. Отрезки этой окружности (дуги) являются антеннами, которые формируют отдельные лепестки веера ХН.

Для расчёта ХН, формируемой дугой окружности был использован графоаналитический метод, предложенный сотрудником института Д.К. Соловьёвым [3].

При расчёте ХН этим методом предполагалось следующее:

- дуга окружности представляет собой непрерывную пьезочувствительную поверхность;

- источник сигнала расположен на расстоянии значительно большем радиуса кривизны дуги окружности, следовательно, фронты падающей на дугу волны являются плоскими;

- фронты волны, отстоящие друг от друга на равные расстояния, которые меньше половины длины волны, разбивают дугу на малые элементы, эти элементы можно считать ненаправленными;

- напряжение, создаваемое отдельным элементом пропорционально его протяженности, а фаза определяется задержкой во времени прихода волны к элементу, отсчитанной от момента касания дуги волной;

- элементы включены параллельно друг другу, их напряжения складываются.

Модули суммарных напряжений, полученные при разных углах падения волны ф (см. рис. 1), формируют ХН на выбранной частоте.

На рис.2 показаны ХН антенны в виде 30 - градусной дуги окружности при разных отношениях ^Х, где d - диаметр окружности, X - длина волны звука. Эти ХН были рассчитаны автором по приведенной методике в период разработки ГАК «Рубин».

Рис. 2. ХН дуги окружности при d/1 =10 (а), ^1 =20-23 (б), ^1 =35-40 (в)

Ширина ХН при изменении частоты в 4 раза изменяется вдвое. Наиболее узкая ХН наблюдается на среднегеометрической частоте диапазона, её ширина близка к номинальному значению ХН и равна половине угловой ширины дуги. ХН расширяется как при уменьшении частоты, так и при её увеличении. На верхних частотах диапазона наблюдается значительная неравномерность ХН (до 3 дБ), на нижних частотах ХН гладкие и напоминают ХН линейных антенн. Как уже говорилось, расчёт ХН производился в предположении, что антенна является непрерывной, фактически она состоит из отдельных пьезоэлектрических преобразователей, расстояние между которыми примерно Х_в /2, где Х - верхняя частота диапазона. Как правило, каждый преобразователь подключается к соответствующему предварительному усилителю (ПУ). Выходы ПУ, формирующие отдельные ХН, объединятся сумматорами. Для расчёта усилительного тракта необходимо знать чувствительность каналов, определенную на выходах сумматоров. Измерение электроакустических характеристик антенн (в том числе измерение чувствительности) обычно проводятся без усилительного тракта, путем непосредственного параллельного включения преобразователей. Связь между чувствительностью непосредственно антенны (у_а) и чувствительностью каналов, определенная на выходах сумматоров ( у_Е), определяется формулой:

Ух=Уа*п*кпу *к_ь(1)

где:

к_пу - Коэффициент усиления ПУ,

к₂- Коэффициент передачи сумматора,

п - Число просуммированных ПУ. Введение коэффициента п связано с тем, что при параллельном включении нескольких преобразователей каждый из них нагружен всеми остальными преобразователями. В результате чувствительность антенны уменьшается в п раз, что учитывается этим коэффициентом в (1).

Подключение каждого преобразователя к своему ПУ позволяет вводить в дугу амплитудное распределение, уменьшающее вес крайних приемников. Это уменьшает неравномерность ХН на верхних частотах. Поскольку угловая ширина дуги больше ширины ХН, отдельные приемники используются повторно в смежных дугах. Это достигается использованием нескольких вторичных обмоток во входных трансформаторах.

Как видно из рис. 2, для того, чтобы самая узкая ХН была на среднегеометрической частоте рабочего диапазона, и расширялась как при уменьшении частоты, так и при её увеличении, диаметр окружности должен в 20 раз превышать длину волны на среднегеометрической частоте. Если цилиндрическую антенну, соответствующую этой окружности, на корабле разместить не удаётся, дуги реальной антенны могут быть компенсированы с использованием линий задержки к дугам антенны большего диаметра.

Ранее считалось, что криволинейные поверхности следует компенсировать к плоскостям [8]. Применение компенсации одной криволинейной поверхности к другой так же криволинейной поверхности было оригинальным решением и на него было получено свидетельство об изобретении [9]. Этот метод формирования ХН был применён при модернизации изделия «Память» [10].

В результате совершенствования вычислительной техники стало возможным формирование ХН с помощью линейных антенн. Для этого к выходам ПУ подключаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и с использованием сигнального процессора ЭВМ путем быстрого преобразования Фурье (БПФ) вычисляются спектры сигналов на выходах элементарных каналов. Путем суммирования спектральных составляющих этих спектров одинакового номера формируются один веер ХН. Число формируемых вееров равно числу спектральных составляющих в рабочем диапазоне частот. Число элементарных каналов, спектральные составляющие которых используются для формирования одной ХН веера, зависит от их частоты. Наибольшее число суммируемых спектральных составляющих соответствует самым низкочастотным спектральным составляющим. Это число пропорционально убывает с повышением частоты спектральных составляющих. То есть, при использовании этого метода фактически применяются линейные антенны, длины которых для обеспечения постоянства ширины ХН уменьшаются с повышением частоты.

Таким образом, при использовании цифрового метода формирования ХН для каждой частоты сигнала (с точностью, до ширины спектральной составляющей) формируется свой веер ХН, что обеспечивает наибольшее постоянство формы и ширины ХН, и, следовательно, высокую точность пеленгования.

Список литературы /References

1. Казаков М.Н. Развитие аппаратуры обнаружения гидроакустических сигналов в период с 1950 по 2001 годы // Наука, техника и образование, 2019. № 9 (62). С. 22-35.

2. Дизель-электрическая подводная лодка Б-413 в Музее Мирового океана. [Электронный ресурс]. Режим доступа: world-ocean.ru/ru/b-413/ (дата обращения 18.12.2021).

3. 50 лет ЦНИИ «Морфизприбор». СПб, 1999. С. 146-151.

4. Сергеева Н.П., Михайлов Ю.А. «С.М. Шелехов. Каким мы его помним». СПб. АО «Концерн «Океанприбор», 2013. С. 96.

5. Люди и годы. Часть 2. Воспоминания сотрудников АО «Концерн «Океанприбор». СПб. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. С. 95-112.

6. Свидетельство на полезную модель № 20388. Гидроакустический комплекс подводной лодки. Обладатель АО «Концерн «Океанприбор». Авторы Каришнев Н.С. и др. Приоритет от 11.03.2001.

7. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л. Судостроение, 1966. С. 295.

8. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л. Судостроение, 1985. С. 300.

9. Патент на изобретение № 2293449. Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приёмной круговой антенны. Патентообладатель АО «Концерн «Океанприбор». Авторы Казаков М.Н. и др. Приоритет от 30.06.2016.

10. 50 лет ЦНИИ «Морфизприбор». Даты. События. Люди. СПб, 1999. С. 209.

Размещено на Allbest.ru