Акусто-електронна вимірювальна решітка

Реферат: UA 96460 U (12) UA 96460 U Акусто-електронна вимірювальна решітка містить матрицю М акустичних випромінювачів, замкнених в акустичні екрани та встановлених на М перетворювачах досліджуваної антенної решітки, генератор сигналів збудження, блок вимірювань, блок керування. Генератор сигналів збудження виконаний у вигляді М каналів формування безперервних сигналів збудження у складі включених послідовно перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів, цифро-аналогового перетворювача, перестроюваного фільтра нижніх частот, підсилювача сигналів збудження, вихід якого з'єднаний із входом відповідного акустичного випромінювача, блока вимірювань, виконаного у вигляді М канального підсилювача високої частоти, підключеного входами до виходів відповідних антенних акустичних перетворювачів досліджуваної антенної решітки, суматора, підключеного М входами до виходів М канального підсилювача високої частоти, перестроюваного смугового фільтра, змішувача, фільтра нижніх частот, підсилювача проміжної частоти, аналого-цифрового перетворювача, цифрового реєстратора, включених послідовно, перестроюваного гетеродину, з'єднаного виходом із входом змішувача Сигнал гетеродину, а вихід Команди блока керування магістраллю керування підключений до входів Керування каналів формування безперервних сигналів збудження генератора сигналів збудження, з'єднаних із входами D канальних синтезаторів, що програмуються, амплітудно-фазокерованих сигналів, перестроюваного фільтрів нижніх частот, цифро-аналогових перетворювачів і до входу Управління блока вимірювань, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра, перенастроюваного гетеродину, цифрового реєстратора, а випромінювачі обладнані фіксатором. UA 96460 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Пропоноване технічне рішення належить до області антенної техніки і призначене для вимірювання параметрів гідроакустичних фазованих антенних решіток (ФАР) різного призначення і може знайти застосування в акустиці, гідроакустиці, радіолокації, радіозв'язку. Антени сучасних гідроакустичних станцій виконуються у вигляді антенних решіток і можуть мати великі, порядку (5-6) м розміри. Основною характеристикою антени є діаграма спрямованості. Вимірювання діаграми спрямованості гідроакустичних фазованих антенних решіток потребує виконання спеціальних вимог і технічних засобів для їхньої реалізації і має виконуватися в умовах вільного поля. Режим вільного поля при безперервному випромінюванні реалізується в закритих водоймах із глибинами до Н=30 м і лінійними розмірами XY=250×250 м для виключення впливу інтерференції із сигналами, розсіяними дном і поверхнею. При басейнових вимірюваннях характеристик гідроакустичних фазованих антенних решіток базою d виконання наближення вільного поля забезпечується імпульсним режимом вимірювань [1]. Комплекси вимірювань параметрів гідроакустичних антен у дальній зоні являють собою складні інженерні об'єкти високої вартості, що є їхнім недоліком. Для вимірювання діаграм спрямованості плоских гідроакустичних антен у ближньому полі відомий пристрій-решітка Тротта, яка формує плоску хвилю акустичною системою лінійних випромінювачів, розміщених по фронту плоскої хвилі з відстанню між випромінювачами 0.8λ. [2] Недоліки пристрою: - необхідність розроблення, виготовлення оригінальних конструкцій для антен з різними розмірами; - вимірювання діаграми спрямованості тільки в одній площині; - неможливість вимірювання діаграм спрямованості гідроакустичних антен у повітрі. Відомий вибраний як прототип пристрій за патентом РФ № 2080592 "Ультразвукова антенна решітка у вигляді двомірної матриці", МПК G01N 29/00 для дефектоскопії великоструктурних матеріалів шляхом вимірювання функції розсіювання шару (діаграми спрямованості) методом акустичної ехолокації в імпульсному режимі. Решітка містить матрицю акустичних випромінювачів, встановлених на поверхні зразка, що перевіряється, і поміщених в акустичні екрани, імпульсний генератор, канальні комутатори, з'єднані входами з виходом імпульсного генератора, першими виходами із входами відповідних ультразвукових перетворювачів, блок вимірювання, підключений сигнальним входом до других виходів комутаторів, блок керування, вихід якого з'єднаний з керуючими входами імпульсного генератора, комутаторів, блока вимірювання. Виходячи з конструкції антенної решітки, що вибрана за прототип, остання у процесі структурної дефектоскопії вимірює діаграму спрямованості локальних областей розсіюючих шарів, що лежать на різному віддаленні від поверхні зразка в акустичному полі. У процесі вимірювання виконується послідовне випромінювання зондуючого акустичного імпульсу одним з випромінювачів і приймання одним із приймачів вимірювальних решіток для всіх комбінацій випромінювачів-приймачів, включаючи випромінювання-приймання одним прийомовипромінювачем, фазування прийнятих сигналів для обраної точки в просторі та підсумовування фазованих сигналів. 6 Вимірювання в прототипі виконуються на частотах f10 Гц методом імпульсної ехолокації в полі плоскої хвилі - дальній зоні області, що розсіює (зоні Фраунгофера) довжиною d , віддаленої від точки спостереження на відстань l , яка задовольняє умові [3]: l  4  d2 /   4  d2  f / c . (1) Наприклад, 3 3 -3 для бетону с= 4,5-10 м/с, для каучуку натурального с = 1,6-10 м/с [3] і при d=10 м (1 мм) 6 на частоті f=10 Гц: 50 lбетон  4  d2  f / c  4  106  106 / 4.5  103  0.8888  103 м  103 м  1 мм ; lкаучук  4  d2  f / c  4  10 6  106 / 1.6  103  2.5  103 м  2.5 мм 55 . Виконання умови (1) забезпечується товщиною L зразків, для яких Llмакс . Після введення компенсуючих фазових зсувів і підсумовування луна-сигналів від перетворювачів антени можна було б одержати діаграму розсіювання антенної решітки, зв'язану складним чином з її діаграмою спрямованості в прийманні-випромінюванні. Однак при встановлені випромінювачів вимірювальної решітки на поверхні перетворювачів антени, що обмірюється, як це зроблено в прототипі, зондуючий та луна-сигнали повністю перекриваються 1 UA 96460 U 5 в часі і не можуть бути розділені частотною селекцією в силу ідентичності їх спектрів. Для антенних вимірювань потрібне віддалення випромінювачів-приймачів вимірювальної решітки у зону Фраунгофера антени, що перевіряється на задану відстань (1) та підключення випромінювачів до перетворювачів через узгоджувальний шар з параметром швидкості звуку у воді – с 1500 м/сек. (наприклад, Неопрен [3]). 1 5 Гідроакустичні антени з розмірами d = (0,55) м працюють в області частот f=(10 10 ) Гц. 4 Для середньо частотної антени з параметрами: d=0,5 м; f=10 Гц l  4  d2  f / c  4  0.52  104 / 1.5  103  6.666м  6.7 м ; Для низькочастотної антени з параметрами: d=2.5 м; f=310 Гц 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 l  4  d2  f / c  4  2.52  3  103 / 1.5  103  50 м . Довжина (протяжність) узгоджувального шару для реалізації вимірювань у дальньому полі, згідно (1), того ж порядку, що й стандартних гідроакустичних басейнів, звідки випливає відсутність переваг вимірювальних решіток на базі імпульсної ехолокації для антенних вимірювань у звуковому діапазоні частот у повітрі. Задачею пропонованого технічного рішення є удосконалення відомої акусто-електронної вимірювальної решітки, у якій за рахунок внесення деяких конструктивних змін забезпечується збудження одночасно на всіх перетворювачах антени, що перевіряється, безперервних акустичних сигналів з фазовим розподілом плоскої хвилі з кутом приходу  і кутом компенсації Ф випромінювачами, акустично розв'язаними по полю акустичними екранами та встановленими безпосередньо на поверхні перетворювачів антени, яка перевіряється, що відкриває можливість вимірювання діаграми спрямованості в повітрі. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій акусто-електронній вимірювальній решітці, що містить матрицю М акустичних випромінювачів, замкнених в акустичні екрани та встановлених на М перетворювачах досліджуваної антенної решітки, генератор сигналів збудження, блок вимірювань, блок керування новим є те, що генератор сигналів збудження виконаний у вигляді М каналів формування безперервних сигналів збудження у складі включених послідовно перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів, цифро-аналогового перетворювача, перестроюваного фільтра нижніх частот, підсилювача сигналів збудження, вихід якого з'єднаний із входом відповідного акустичного випромінювача, блок вимірювань, виконаний у вигляді М канального підсилювача високої частоти, підключеного входами до виходів відповідних антенних акустичних перетворювачів досліджуваної антенної решітки, суматора, підключеного М входами до виходів М канального підсилювача високої частоти, перестроюваного смугового фільтра, змішувача, фільтра нижніх частот, підсилювача проміжної частоти, аналого-цифрового перетворювача, цифрового реєстратора, включених послідовно, перенастроюваного гетеродину, з'єднаного виходом із входом змішувача Сигнал гетеродину, а вихід Команди блока керування магістраллю керування підключений до входів Керування каналів формування безперервних сигналів збудження генератора сигналів збудження, з'єднаних із входами D канальних синтезаторів, що програмуються, амплітуднофазокерованих сигналів, перестроюваного фільтрів нижніх частот, цифро-аналогових перетворювачів і до входу Управління блока вимірювань, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра, перенастроюваного гетеродину, цифрового реєстратора, а випромінювачі обладнані фіксатором. Пристрій 1 містить матрицю 2 акустичних випромінювачів 3, замкнених в акустичні екрани 4 та встановлених на М антенних акустичних перетворювачах досліджуваної антенної решітки, генератор сигналів збудження 5, блок вимірювань 6, блок керування 7. Генератор сигналів збудження 5 виконаний у вигляді М каналів формування безперервних сигналів збудження 8 у складі включених послідовно перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів 9, цифро-аналогового перетворювача 10, перестроюваного фільтра нижніх частот 11, підсилювача сигналів збудження 12, вихід якого з'єднаний із входом відповідного випромінювача 3, блок вимірювань 6 виконаний у вигляді М канального підсилювача високої частоти 13, підключеного входами до виходів відповідних перетворювачів антени, суматора 14, з'єднаного входами з виходами М канального підсилювача високої частоти 13 перестроюваного смугового фільтра 15, змішувача 16, фільтра проміжної частоти 17, підсилювача проміжної частоти 18, аналого-цифрового перетворювача 19, цифрового реєстратора 20, включених послідовно, перестроюваного гетеродину 21, з'єднаного виходом із входом Сигнал гетеродину змішувача 16, а вихід Команди блока керування 7 магістраллю керування підключений до входів Керування каналів формування безперервних сигналів збудження 8, з'єднаних із входами D канальних перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів 9, цифроаналогових перетворювача 10, перестроюваного фільтра нижніх частот 11 генератора сигналів 2 UA 96460 U 5 10 15 20 25 30 збудження 5, та до входу Управління блока вимірювань 6, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра 15, аналого-цифрового перетворювача 19, перестроюваного гетеродину 21, цифрового реєстратора 20, а фіксація акустичних випромінювачів 3 на акустичних перетворювачах досліджуваної антенної решітки виконується пружною стяжкою 22. Пропоноване технічне рішення ілюструється такими графічними матеріалами: на Фіг. 1 представлена структура акусто-електронної вимірювальної решітки 1; на Фіг. 2 представлена структура каналу формування безперервного амплітуднофазокерованого сигналу збудження 10; на Фіг. 3 представлена структура блока вимірювань 8; на Фіг. 4 представлена схема розміщення акустичного випромінювача 3 в акустичному екрані 4 на антенному акустичному перетворювачі досліджуваної антенної решітки; на Фіг. 5 представлені часові реалізації сигналів збудження випромінювачів частотою - f=3 кГц із кутом приходу плоскої хвилі -    / 6 , кутом компенсації - Ф1   / 4 : безперервною товстою лінією нульового каналу - u1(0,n) , пунктирною лінією третього каналу - u1(3,n) , безперервною тонкою лінією шостого каналу - u1(6,n) ; на Фіг. 6 представлені часові реалізації сигналів збудження випромінювачів частотою - f=3 кГц із кутом приходу плоскої хвилі -    / 6 , кутом компенсації - Ф2  3   / 4 : безперервною товстою лінією нульового каналу - u2(0,n) , пунктирною лінією третього каналу - u2(3,n) , безперервною тонкою лінією шостого каналу - u2(6,n) ; на Фіг. 7 представлені діаграми спрямованості кутової змінної - (g)  g   із кроком    / 60 M  7 -ї елементної решітки з рівномірним амплітудним розподілом - Ам  1 , між елементною хвильовою відстанню - b  0.5 пунктирною лінією - r1(g) для кута компенсації Ф1   / 4 , безперервною тонкою лінією - r 2(g) для кута компенсації - Ф2  3   / 4 . Роботу пристрою розглянемо стосовно вимірювання діаграми спрямованості антеною решіткою у горизонтальній площині. Пристрій функціонує під управлінням блока керування 7 у такий спосіб: - блок керування 7 формує в черговому k-му циклі вимірів для дискретного кута приходу сигналу -   , дискретного кута компенсації Ф j , частоті сигналу - f , хвильового параметра b / (r / ) просторову складову повної фази - (, , j) , коефіцієнт амплітудного розподілу сигналу збудження  -го випромінювача - A і магістраллю обміну передає в канальні синтезатори амплітудно-фазокерованих сигналів 9,   x / f ; з  1500м / сек ,   (, , j)  2      (b / )  cos(   )  cos( Ф j ) ; лінійна решітка (2) 35 40   (, , j)  2    (r / )  cos(      )  cos( Ф j    ) ; кругова решітка (2а) де b - лінійна відстань між сусідніми випромінювачами, r - радіус кругових решіток. - кожний  -й канальний синтезатор амплітудно-фазокерованих сигналів 9 на часовому інтервалі вимірювання - T формує послідовність дійсних часових відліків u(, , j, n) , відповідних до сигналу від плоскої хвилі в  -му вузлі акусто-електронної вимірювальної решітки на частоті f, періодом дискретизації t1 з довжиною хвилі -  у воді, кутом приходу -   , кутом компенсації - Ф j , коефіцієнтом амплітудного розподілу - A  : u(, , j, n)  A   cos((, , j)    n  t1) (3) 45 де:   2    f ; t1  1/ 4  f сек; c=1500 м/сек.;       ;    / G ;   G,.G ; Ф j  j  Ф ;   J,.J ; Ф   / J ; (4) 50 - цифро-аналоговий перетворювач 10, перестроюваний фільтр нижніх частот 11, підсилювач сигналів збудження 12 формують із послідовності цифрових дійсних часових відліків u(, , j, n) безперервний сигнал збудження - y(, , j, t) на вході  -го акустичного випромінювача 4 акустоелектронної вимірювальної решітки 1, n  t1  t ; u(, , j, n)  y(, , j, t); (5) 3 UA 96460 U - акустичний випромінювач 3 збуджує на  -му антенному акустичному перетворювачі досліджуваної антенної решітки безперервний акустичний сигнал p(, , j, t) з параметрами 5 10 акустичного поля плоскої хвилі частотою f, довжиною хвилі  у воді, кутом приходу   , фазо компенсований для j-ї орієнтації променя. Акустична розв'язка між антенними акустичними перетворювачами досліджуваної антенної решітки по полю забезпечується акустичними екранами 4 випромінювачів 3: p(, , j, t)  1 )  y(, , j, t) ; (6) ( де 1() - чутливість  -го випромінювача акусто-електронної вимірювальної решітки. - на часовому інтервалі вимірів T канальні акустичні тиски p(, , j, t) на входах М антенних акустичних перетворювачів формують на їхніх виходах безперервні електричні сигнали so (, , j, t ) : so (, , j, t)  2()  p(, , j, t) , (7) 2() - чутливість  -го антенного перетворювача - безперервні електричні сигнали антенних акустичних перетворювачів so (, , j, t ) з фазами, 15 відповідними до плоскої хвилі у воді при швидкості звуку з=1500 м/сек. з кутом приходу  , і Фj кутом компенсації для напрямку орієнтації променя підсилюються М-канальним 3 і підсумуються М канальним суматором 14: підсилювачем високої частоти 13 з коефіцієнтом s(, , j, t)  3  so (, , j, t) s(, , j, t) (8) R(, j, t)    20 . (9) Сумарний безперервний аналоговий сигнал R(, j, t) являє собою добуток безперервного  сигналу S(t) на коефіцієнт - відлік діаграми спрямованості для кута приходу  , орієнтованої під кутом Ф j  R( , j) . R(, j, t)  S(t)  R(, j) ; (10) 25 30 - сумарний безперервний аналоговий сигнал R(, j, t)) через смуговий перестроюваний фільтр 15, змішувач 16, смуговий фільтр проміжної частоти 17, що виділяє різницеву частоту f  f гн , підсилювач проміжної частоти 18 надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача 19 і після дискретизації із частотою F2 надходить на Вхід цифрового реєстратора 20. Гетеродинний сигнал частотою f гн із виходу гетеродину 21 надходить на вхід Сигнал гетеродину змішувача 16: t  n  t2 ; t2  1/ F2 ; (11) R(, j, t)  R(, j, n)  S(n)  R(, j) ; (12) - цифровий реєстратор 20 на часовому інтервалі T виконує нерекурсивну фільтрацію з комплексною імпульсною характеристикою ˆ h(n)  цифрової часової послідовності R(, j, n) і Ф формує відлік ненормованої діаграми спрямованості - R(, j) , орієнтованої під кутом j для кута 35 приходу  R( , j)  : ˆ  h(n)  R(, j,n) n ; ; n  0,.N  1 N  F2  T ; (13) ˆ h(n)  exp(i  2  n  t 2) ; t2  1/ F2 ; 2  2    (f  f гн) ; (14) У результаті виконання 2  G  1 циклів по  при фіксованому j у пам'яті цифрового R реєстратора 20 записано масив відліків ненормованої діаграми направленості    ( , j  const ) , 40 орієнтованої під кутом Ф j для кутів приходу     із кутовим кроком    / 2  G , R - цифровий реєстратор 21 визначає максимальний відлік R( j)макс у масиві  (, j  const ) , формує масив нормованих на відлік R( j)макс відліків візуалізації та документування: R( j)макс  Макс ( , j  const ) ; (15) R 4 R0(, j  const ) i виводить на засоби UA 96460 U R0( , j  const )  R( , j  const ) / R( j)макс ; (16) R(, j  const )   R0(, j  const ) ; (17) 5 10 15 Основні характеристики прототипу й пропонованого технічного рішення наведені в таблиці. Основна перевага у порівнянні із прототипом - можливість вимірювання діаграми спрямованості гідроакустичних антенних решіток у повітрі за допомогою акусто-електронних вимірювальних решіток досягається виключенням акустичного середовища між випромінювачами акусто-електронної вимірювальної решітки та акустичними перетворювачами досліджуваної антенної решітки, формуванням безперервних сигналів збудження з параметрами плоскої хвилі в рідкому середовищі, збуджуваних одночасно всіма акустичним випромінювачами М каналів збудження, встановленими безпосередньо на М перетворювачах досліджуваної антенної решітки. Завдяки одночасному збудженню сигналів усіма акустичним випромінювачами вимірювальної решітки на всіх перетворювачах досліджуваної антенної решітки один відлік діаграми спрямованості для фіксованого набору параметрів   , Ф j  отримують в одному циклі вимірювань проти М циклів у прототипу. Параметри каналів формування безперервних сигналів збудження і блока вимірювання, що змінюються програмно, дозволяють вимірювати діаграми спрямованості антенних решіток різних конфігурацій, які працюють на частотах у діапазоні (1100) кГц єдиними апаратнопрограмними засобами. 20 25 Джерела інформації:. 1. Боббер Р. Гидроакустические измерения, Издательство "Мир". Москва. - 1974. - С. 161175. 2. Боббер Р. Гидроакустические измерения, Издательство "Мир" Москва. - 1974. - С. 225244. 3. Литвиненко О.Н. Основы радиооптики, . Издательство "ТЕХНІКА" КИЕВ -1974. - С. 94-95 4. Кэй Дж., Лэби. Т. Таблицы физических и химических постоянных, - С. 72. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва. - 1962. Таблиця Характеристика Прототип Середовище поширення пружних коливань між випромінювачами локальним розсіювачем (випромінювачем) та приймачем Ефект, що вимірюється Діапазон робочих частот Метод вимірювань (діаграми спрямованості) Кількість випромінювачів що формують сигнал збудження Заявлене рішення Відсутність середовища. Матеріал випробуваного Пряме збудження пружних зразка: каучук, бетон, коливань на приймальних метал елементах досліджуваної антенної решітки Функція розсіювання Діаграма спрямованості (діаграма спрямованості) досліджуваної антенної локальних неоднорідностей решітки в прийомі у зразку (14) МГц (1100) кГц Безперервне випромінювання Імпульсна луна локація -безперервний прийом 1 М Фазування сигналів для Фазування сигналів у каналах кута компенсації Ф та Формування діаграми спрямованості збудження, підсумовування у підсумовування у блоці блоці. обробки обробки Кількість циклів вимірювань для 1 -ї М 1 точки діаграми спрямованості 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 1. Акусто-електронна вимірювальна решітка, що містить матрицю М акустичних випромінювачів, замкнених в акустичні екрани та встановлених на М перетворювачах досліджуваної антенної 5 UA 96460 U 5 10 15 20 решітки, генератор сигналів збудження, блок вимірювань, блок керування, яка відрізняється тим, що генератор сигналів збудження виконаний у вигляді М каналів формування безперервних сигналів збудження у складі включених послідовно перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів, цифро-аналогового перетворювача, перестроюваного фільтра нижніх частот, підсилювача сигналів збудження, вихід якого з'єднаний із входом відповідного акустичного випромінювача, блока вимірювань, виконаного у вигляді М канального підсилювача високої частоти, підключеного входами до виходів відповідних антенних акустичних перетворювачів досліджуваної антенної решітки, суматора, підключеного М входами до виходів М канального підсилювача високої частоти, перестроюваного смугового фільтра, змішувача, фільтра нижніх частот, підсилювача проміжної частоти, аналого-цифрового перетворювача, цифрового реєстратора, включених послідовно, перестроюваного гетеродину, з'єднаного виходом із входом змішувача Сигнал гетеродину, а вихід Команди блока керування магістраллю керування підключений до входів Керування каналів формування безперервних сигналів збудження генератора сигналів збудження, з'єднаних із входами D канальних синтезаторів, що програмуються, амплітудно-фазокерованих сигналів, перестроюваного фільтрів нижніх частот, цифро-аналогових перетворювачів і до входу Управління блока вимірювань, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра, перенастроюваного гетеродину, цифрового реєстратора, а випромінювачі обладнані фіксатором. 2. Акусто-електронна вимірювальна решітка, яка відрізняється тим, що фіксатор виконаний у вигляді пружної стяжки. 6 UA 96460 U 7 UA 96460 U 8 UA 96460 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9