Акустоелектронна вимірювальна решітка

Реферат: Акустоелектронна вимірювальна решітка належить до вимірюванної техніки і призначена для вимірювання параметрів гідроакустичних фазованих антенних решіток (ФАР) різного UA 108966 C2 (12) UA 108966 C2 призначення та може знайти застосування в акустиці, гідроакустиці, радіолокації, радіозв'язку. Акустоелектронна вимірювальна решітка містить матрицю М акустичних випромінювачів, замкнених в акустичні екрани та встановлених на М антенних акустичних перетворювачах досліджуваної антенної решітки, генератор сигналів збудження, блок вимірювань, блок керування. Новим у згаданій решітці 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, перестроюваного гетеродина, з'єднаного виходом із входом змішувача Сигнал гетеродина, 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, перестроюваних фільтрів нижніх частот, цифро-аналогових перетворювачів і до входу Управління блока вимірювань, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра, перестроюваного гетеродина, цифрового реєстратора, а випромінювачі обладнані фіксатором. Технічним результатом є збудження одночасно на всіх перетворювачах антени, що перевіряється, безперервних акустичних сигналів з фазовим розподілом плоскої хвилі з кутом приходу φ 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. UA 108966 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропоноване технічне рішення належить до області антенної техніки і призначене для вимірювання параметрів гідроакустичних фазованих антенних решіток (ФАР) різного призначення та 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·, [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 двовимірної матриці", МПК G 01 N 29/00 для дефектоскопії великоструктурних матеріалів шляхомвимірювання 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, блоку 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 приймачемвипромінювачем, фазування прийнятих сигналів для вибраної 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] 2 2 ℓ≥4·d /=4·d ·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) на 6 частоті f=10 Гц 2 -6 6 3 -3 -3 ℓбетон ≥4·d ·f/c=4·10 ·10 /4,5·10 =0.8888·10 м≈10 м=1 мм; 2 -6 6 3 -3 ℓкаучук ≥4·d ·f/c=4·10 ·10 /1,6·10 =2,5·10 м=2,5 мм. 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 в часі і не можуть бути розділені частотною селекцією в силу ідентичності їх спектрів. Для антенних вимірювань потрібне віддалення випромінювачів-приймачів вимірювальної решітки у 1 UA 108966 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 2 2 4 3 ℓ≥4·d ·f/c=4·0,5 ·10 /1,5·10 =6,666 м = 6,7 м; 3 Для низькочастотної антени з параметрами: d==2,5 м; f=3·10 Гц 2 2 3 3 ℓ≥4·d ·f/c=4·2,5 ·3·10 /1,5·10 =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 акустоелектронної 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. 1. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій акустоелектронній 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 гетеродингетеродина, з'єднаного виходом із входом змішувача Сигнал гетеродина, 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 гетеродина, 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 гетеродина 21, з'єднаного виходом із входом Сигнал гетеродина 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 збудження 5, та до входу Управління блока вимірювань 6, з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра 15, аналого-цифрового перетворювача 19, перестроюваного гетеродина 21, цифрового реєстратора 20, а фіксація акустичних 2 UA 108966 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювачів 3 на акустичних перетворювачах досліджуваної антенної решітки виконується пружною стяжкою 22. Пропоноване технічне рішення ілюструється такими графічними матеріалами: на Фіг. 1 представлена структура акустоелектронної 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×Δ із кроком Δ=/60 М=7 - і 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 - r2(g) для кута компенсації - Ф2=3×/4. Роботу пристрою розглянемо стосовно вимірювання діаграми спрямованості антеною решіткою у горизонтальній площині. Пристрій функціонує під управлінням блоку керування 7 у такий спосіб: - блок керування 7 формує в черговому k-му циклі вимірів для дискретного кута приходу сигналу - , дискретного кута компенсації Фj, частоті сигналу - f, хвильового параметра - b/ (r/) просторову складову повної фази - (, , j), коефіцієнт амплітудного розподілу сигналу збудження -го випромінювача - А і магістраллю обміну передає в канальні синтезатори амплітуднофазокерованих сигналів 9, =c/f; з=1500 м/сек; (, , j)=2···(b/)·[cos()-cos(Фj)]; лінійна решітка; (2) (, , j)=2···(r/)·[cos(-)-cos (Фj-)]; 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 - ΔT формує послідовність дійсних часових відліків u(, , j, n), відповідних до сигналу від плоскої хвилі в -му вузлі акустоелектронної вимірювальної решітки на частоті - f, періодом дискретизації Δt1 з довжиною хвилі -  у воді, кутом приходу - γ, кутом компенсації - Фj, коефіцієнтом амплітудного розподілу - А; u(, , j, n)=А·cos[(, , j)-·n·Δt1)]; (3) де: =2··f; Δt1=1/4·f сек; c=1500 м/сек; =·Δ; Δ=/G; =-G,G; Фj=j·ΔФ; =- J,J; ΔФ=/J; (4) - 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·Δt1→t; u(, , j, n)→ y(, , j, t); (5) - акустичний випромінювач 3 збуджує на -му антенному акустичному перетворювачі досліджуваної антенної решітки безперервний акустичний сигнал p(, , j, t) з параметрами акустичного поля плоскої хвилі частотою f, довжиною хвилі , у воді, кутом приходу , фазокомпенсований 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()·p(, , j, t); (6) де 2() - чутливість -го випромінювача акустоелектронної вимірювальної решітки. 3 UA 108966 C2 5 10 - на часовому інтервалі вимірів ΔT 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, відповідними до плоскої хвилі у воді при швидкості звуку З=1500 м/сек з кутом приходу , і кутом компенсації для напрямку орієнтації променя Фj підсилюються Мканальним підсилювачем високої частоти 13 з коефіцієнтом 3 і підсумуються М-канальним суматором 14. s(, , j, t)=3·so(, , j, t); (8) R, j, t    s, , j, t  . (9)  15 20 25 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 Фj-R(, j). R(, j, t)=S(t)·R(, j); (10) - сумарний безперервний аналоговий сигнал R(, j, t) через смуговий перестроюваний фільтр 15, змішувач 16, смуговий фільтр проміжної частоти 17, що виділяє різницеву частоту ffгн, 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 fгн із виходу гетеродина 21 надходить на вхід Сигнал гетеродина змішувача 16 t→n·Δt2; Δt2=1/F2; (11) R(, j, t)→ R(, j, t)=S(n)·R(, j); (12) - цифровий реєстратор 20 на часовому інтервалі ΔT виконує нерекурсивну фільтрацію з ˆ комплексною імпульсною характеристикою hn  цифрової часової послідовності R(, j, t) і   формує відлік ненормованої діаграми спрямованості - R(, j), орієнтованої під кутом Фj для кута приходу  ˆ R, j  |  hn   R, j, t  | ; n=0,.N-1; N=F2·ΔT; (13) n 30 35 40 45 50 55 ˆ hn   exp( i  2  n  t 2) ; Δt2=1/F2; 2=2··(f-fгн). (14) У результаті виконання 2·G+1 циклів по  при фіксованому j у пам'яті цифрового реєстратора 20 записано масив відліків ненормованої діаграми направленості  - {R(, j=const)}, орієнтованої під кутом Фj для кутів приходу {} із кутовим кроком Δ=/2·G. - цифровий реєстратор 21 визначає максимальний відлік R(j) макс у масиві {R(, j=const)}, формує масив нормованих на відлік R(j)макс відліків {R0(, j=const)} i виводить на засоби візуалізації та документування. R(j)макс=Макс {R(, j=const)}; (15) R0(, j=const)=R(, j=const)/R(j)макс; (16) {R(, j=const)}→{R0(, j=const)}; (17) 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 акустоелектронних вимірювальних решіток досягається виключенням акустичного середовища між випромінювачами акустоелектронної 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 {, Фj} отримують в одному циклі вимірів проти М циклів у прототипу. Параметри каналів формування безперервних сигналів збудження і блоку вимірів, що змінюються програмно, дозволяють вимірювати діаграми спрямованості антенних решіток різних конфігурацій, які працюють на частотах у діапазоні (1÷100) кГц єдиними апаратнопрограмними засобами. 4 UA 108966 C2 Таблиця Характеристика Прототип Середовище поширення пружних коливань між випромінювачами Матеріал випробуваного зразка: локальним розсіювачем каучук, бетон, метал (випромінювачем) та приймачем Функція розсіювання (діаграма Ефект, що вимірюється спрямованості) локальних неоднорідностей у зразку Діапазон робочих частот (1÷4) МГц Метод вимірювань (діаграми Імпульсна луна локація спрямованості) Кількість випромінювачів що формують сигнал 1 збудження Фазування сигналів для кута Формування діаграми компенсації Ф та спрямованості підсумовування у блоці обробки Кількість циклів вимірювань для 1-ї точки М діаграми спрямованості 5 Заявлене рішення Відсутність середовища. Пряме збудження пружних коливань на приймальних елементах досліджуваної антенної решітки Діаграма спрямованості досліджуваної антенної решітки в прийомі (1÷100) кГц Безперервне випромінювання безперервний прийом М Фазування сигналів у каналах збудження, підсумовування у блоці. обробки 1 Джерела інформації: 1. Боббер Р. Гидроакустические измерения - М.: Мир, 1974. - С. 161-175. 2. Боббер Р. Гидроакустические измерения - М.: Мир, 1974. - С. 225-244. 3. Литвиненко О.Н. Основы радиооптики - К.: ТЕХНІКА, 1974. - С. 94-95. 4. Кэй. Дж., Лэби. Т. Таблицы физических и химических постоянных - М.: Государственное издательство физико-математической литературы,1962. - С. 72. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Акустоелектронна вимірювальна решітка, 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, 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, а 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 проміжної частоти, підсилювача проміжної частоти, аналого-цифрового перетворювача, цифрового реєстратора, які включені послідовно, та перестроюваного гетеродина, з'єднаного виходом із входом Сигнал гетеродина змішувача, при цьому вихід Команди блока керування магістраллю керування підключений до входів Керування каналів формування безперервних сигналів збудження генератора сигналів збудження, та з'єднаний із входами D перестроюваного синтезатора амплітудно-фазокерованих сигналів, перестроюваного фільтра нижніх частот, цифро-аналогового перетворювача і до входу Управління блока вимірювань, також з'єднаного із входами D перестроюваного смугового фільтра, аналого-цифрового перетворювача, перенастроюваного гетеродина, цифрового реєстратора, при цьому випромінювачі обладнані фіксатором. 2. Акустоелектронна вимірювальна решітка, яка відрізняється тим, що фіксатор виконаний у вигляді пружної стяжки. 5 UA 108966 C2 6 UA 108966 C2 7 UA 108966 C2 8 UA 108966 C2 9 UA 108966 C2 10 UA 108966 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11