Спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки

1. Спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки, при якому встановлюють опорний перетворювач, що віддалений від відбиваючих поверхонь на відстань ≥10 λ, при якій його характеристика направленості не відрізняється від характеристики направленості в умовах, наближених до вільного простору, де λ - довжина хвилі на робочій частоті антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході опорного перетворювача, а формування характеристики направленості здійснюють шляхом підсумовування комплексних амплітуд акустичного U 2 (13) 1 3 ток обумовлює спотворення цих характеристик антени в реальних умовах експлуатації. Відомий спосіб формування характеристики направленості антенної решітки, який полягає на визначенні комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, помноженні її на комплексний коефіцієнт A m амплітудно-фазового розподілу, що забезпечує формування заданої характеристики направленості та підсумовуванні результатів помноження [1]. До недоліків відомого способу формування характеристики направленості антенної решітки відноситься те, що в ньому не враховується вплив границі розподілу середовищ "вода-повітря" та корпусу корабля. Відомий також спосіб просторової обробки сигналів, в основу якого покладено попарне підсумовування коливань на виходах кожного із m елементів антени з коливаннями решти елементів антени, квантування на два рівня підсумованих коливань, підсумовування цих коливань, затримка в часі та функціональне перетворення затриманих коливань для максимізації відношення сигнал/завада шляхом послідовного перебору видів функціональних перетворень [2]. До недоліків способу просторової обробки сигналів відноситься те, що він також не дозволяє виключити вплив відбиваючих звук поверхонь корпусу корабля-носія, розподілу середовищ "водаповітря" при формуванні заданої характеристики направленості. Як свідчить оціночний розрахунок [3], основна пелюстка характеристики направленості лінійної антенної решітки, розміщеної так, що її поздовжня вісь перпендикулярна площині границі розподілу середовищ "вода-повітря" та проекції підводної частини корпусу носія на цю площину, у вертикальній площині звужується в 3-4 рази, а бокові пелюстки збільшуються до 0,7-0,9 від рівня основної пелюстки порівняно з випадком розміщення ідентичної антенної решітки в вільному середовищі. Найбільш близьким технічним рішенням, як за суттю, так і за результатом, який отримується, яке обрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки, при якому встановлюють опорний перетворювач, що віддалений від відбиваючих поверхонь на відстань ≥10λ при якій його характеристика направленості не відрізняється від характеристики направленості в умовах, наближених до вільного простору, де λ довжина хвилі на робочій частоті антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході опорного перетворювача, а формування характеристики направленості здійснюють шляхом підсумовування комплексних амплітуд акустичного сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки [1]. До недоліків відомого технічного рішення, яке обрано за найближчий аналог (прототип), відноситься те, що в ньому не враховується вплив границі розподілу середовищ "вода-повітря" та корпусу корабля. 67325 4 В основу корисної моделі покладено задачу шляхом застосування опорного перетворювача виключити вплив відбиваючих поверхонь і тим самим забезпечити формування з заданою точністю характеристики направленості антенної решітки в умовах експлуатації. Суть технічного рішення в способі формування характеристики направленості антенної решітки, при якому встановлюють опорний перетворювач, що віддалений від відбиваючих поверхонь на відстань ≥10λ, при якій його характеристика направленості не відрізняється від характеристики направленості в умовах, наближених до вільного простору, де λ - довжина хвилі на робочій частоті антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході опорного перетворювача, а формування характеристики направленості здійснюють шляхом підсумовування комплексних амплітуд акустичного сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, в якому, згідно корисній моделі, після виконання заходів щодо визначення комплексної амплітуди акустичного сигналу на виході опорного перетворювача здійснюють послідовно технологічні операції, що включають перетворення комплексної амплітуди акустичного сигналу на виході опорного перетворювача до значень комплексної амплітуди сигналу, що відповідають координатам кожного перетворювача, віднімання результатів перетворень від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідного перетворювача антенної решітки, віднімання одержаних вище комплексних амплітуд вагових коефіцієнтів додаткового амплітудного розподілу від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідних перетворювачів антенної решітки та здійснюють перемноження комплексних коефіцієнтів амплітудно-фазового розподілу Am на перетворені комплексні амплітуди сигналів на виході кожного перетворювача антенної решітки. Новим в корисній моделі є те, що формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки здійснюють для умов вільного простору. Порівняльний аналіз технічного рішення з прототипом дозволяє зробити висновок, що спосіб формування характеристики направленості антенної решітки, який заявляється, відрізняється від відомого тим, що після виконання заходів щодо визначення комплексної амплітуди акустичного сигналу на виході опорного перетворювача здійснюють послідовно технологічні операції, що включають перетворення комплексної амплітуди акустичного сигналу на виході опорного перетворювача до значень комплексної амплітуди сигналу, що відповідають координатам кожного перетворювача, віднімання результатів перетворень від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідного перетворювача антенної решітки, віднімання одержаних вище комплексних амплітуд вагових коефіцієнтів додаткового амплітудного розподілу від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідних перетворювачів антенної решітки та здійснюють перемноження комплексних 5 коефіцієнтів амплітудно-фазового розподілу Am на перетворені комплексні амплітуди сигналів на виході кожного перетворювача антенної решітки, при цьому формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки здійснюють для умов вільного простору. Поставлена задача досягається тим, що спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки оснований на визначені комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача, помноженні її на комплексні коефіцієнти амплітуднофазового розподілу Am амплітуд та підсумовуванні результуючих комплексних амплітуд. Одночасно з визначенням комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки визначають комплексну амплітуду сигналу на виході опорного перетворювача, який віддалено від корабля-носія та границі розподілу середовищ "вода-повітря" на відстань, не менше 10λ, де λ довжина хвилі на робочій частоті антенної решітки, перетворюють її до значення комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача, і результати перетворень віднімають від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідного перетворювача антенної решітки. Одержані таким чином комплексні амплітуди вагових коефіцієнтів додаткового амплітудного розподілу віднімають від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідних перетворювачів антенної решітки, а помноження на комплексні коефіцієнти амплітуднофазового розподілу Am здійснюють з перетвореними комплексними амплітудами сигналів на виході кожного перетворювача антенної решітки. Суть корисної моделі пояснюється за допомогою ілюстрацій, де на фіг. 1 представлена блоксхема поетапного виконання технологічних операцій, що становлять суть способу, на фіг. 2 представлена блок-схема пристрою, що реалізує запропонований спосіб, на фіг. 3 приведені характеристики направленості лінійної антенної решітки, розміщеної поблизу заповненого корпусу корабля-носія та границі розподілу середовищ "вода-повітря". Спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки реалізується за допомогою пристрою, що містить: 1 - опорний перетворювач, 2 - перетворювачі антенної решітки, 3 - блок формування характеристики направленості (див. схему на фіг. 2). Спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антенної решітки за допомогою зазначеного вище пристрою реалізується таким чином (згідно з послідовністю виконання технологічних операцій, зазначених в блок-схемі на фіг. 1): встановлюють опорний перетворювач (поз. 1, див. фіг. 2), що віддалений від відбиваючих поверхонь на відстань ≥10λ, при якій його характеристика направленості не відрізняється від характеристики направленості в умовах, наближених до вільного простору, де λ - довжина хвилі на робочій частоті антенної решітки; 67325 6 - визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході кожного перетворювача (поз. 2, див. фіг. 2) антенної решітки; - визначають комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході опорного перетворювача; - перетворюють комплексну амплітуду акустичного сигналу на виході опорного перетворювача до значень комплексної амплітуди сигналу, що відповідають координатам кожного перетворювача (за допомогою блока формування характеристики направленості поз. 3 див. схему на фіг. 2); - результати перетворень віднімають від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідного перетворювача антенної решітки; - одержані таким чином комплексні амплітуди вагових коефіцієнтів додаткового амплітудного розподілу віднімають від комплексної амплітуди сигналу на виході відповідних перетворювачів антенної решітки; - здійснюють перемноження комплексних коефіцієнтів амплітудно-фазового розподілу Am на перетворені комплексні амплітуди сигналів на виході кожного перетворювача антенної решітки; - здійснюють підсумовування результатів перемноження. В результаті підсумовування одержують характеристику направленості гідроакустичної антенної решітки, що сформована для умов вільного простору. Механізм роботи пристрою, за допомогою якого реалізується зазначений спосіб формування характеристики направленості антенної решітки проходить таким чином. На відповідні входи блока формування характеристики направленості 3 надходять комплексні  амплітуди  xm  , сигналів з виходів перетворювачів 1 антенної решітки. Вони являють собою адитивну суміш прямого та відбитого сигналів і   опорного перетворювача 2 0 y  . 0 y  - це сигнал на виході точкового перетворювача в умовах, наближених до вільного простору     xm   0 xm   r xm   де 0 xm  комплексні амплітуди сигналів на виході перетворювачів 1 антенної решітки, які відповідають прямій звуковій хвилі;  r xm  - компонента, яка обумовлена хвиля ми, відбитими від згаданих поверхонь (наприклад,   значення 0 xm  і r xm для окремого випадку падаючої плоскої хвилі та ідеально рівної границі розподілу середовищ "вода-повітря" наведені в [4]);   x m , і y m - відповідно вектори, що визначають   координати перетворювачів 2 антенної решітки та опорного перетворювача 1. Опорний перетворювач 1 віддалений від відбиваючих поверхонь на відстань ≥10λ, тобто в зону вільного простору. Відомо [5], що не направлений перетворювач в присутності границь розподілу вода-повітря набуває дипольний характер. Відомо також [6], що вибором відношення r/λ між реальним та уявним перетворювачами можна забезпечити наявність додаткових максимумів хара 7 ктеристики направленості перетворювача, рівних основному, де r - відстань між реальними та фіктивними перетворювачами. Із збільшенням r зростає кількість додаткових максимумів характеристики направленості. При цьому максимуми розміщуються настільки щільно, що характеристика направленості перетворювача буде мало відрізнятися (по обвідній) від характеристики направленості точкового перетворювача у вільному просторі. Комплексна амплітуда прямого сигналу з виходу опорного перетворювача 1 попадає на вхід пристрою, що входить до складу блока 3 формування характеристики направленості. Цей пристрій забезпечує перетворення згаданої комплексної амплітуди до значення комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача 2 антенної решітки. Це перетворення в реальному масштабі часу може бути реалізовано, наприклад, спеціалізованою ЕОМ з програмним забезпеченням на базі відомих методів розрахунку звукових полів. Одержані в результаті вказаного перетворення значення комплексних  амплітуд сигналів 0 xm  виходу опорного перетворювача до значень, що відповідають координатам кожного перетворювача антенної решітки, відраховують від комплексної амплітуди сигналу на виході кожного перетворювача антенної решітки, для чого подають їх наодні входи першого пристрою відрахування, який також входить до складу блока формування характеристики направленості 3. На інші входи цього пристрою одночасно подають комплексні амплітуди сигналів з виходів відповідних перетворювачів 2 антенної решітки. При цьому реалізуються віднімання згідно з формулою     xm   0 xm   r xm   Cm , що приводить до визначення комплексних амплітуд коефіцієнтів додаткового амплітудно фазового розподілу Cm  r xm  , які являють собою комплексні амплітуди відбитих сигналів. Значення Сm з виходів першого пристрою відрахування надходять на входи другого пристрою відрахування, на інші входи якого одночасно безпосередньо з виходів відповідних перетворювачів 2 антенної решітки надходять комплексні ампліту ди сигналів  xm  , реалізують відрахування коефіцієнтів додаткового амплітудно-фазового розподілу Сm із комплексних амплітуд сигналів на виходах перетворювачів 1 антенної решітки    xm   Cm  0 xm  . Це дозволяє визначити комплексні амплітуди сигналів на виході перетворювачів 2 антенної решітки без врахування вкладу відбиття та перевідбиття звуку від згаданих відбиваючих звук поверхонь (корпус корабля-носія, схвильована границя розподілу середовищ вода-повітря, відбиваючих звук поверхонь в камері обтічника, ребер жорсткості тощо), що є еквівалентним ситуації розміщення перетворювачів 2 гідроакустичної решітки в вільному середовищі. 67325 8 Далі одержані комплексні амплітуди сигналів  0 xm  з виходу другого пристрою відрахування подають на входи пристрою, наприклад, спецпроцесора, який реалізує операції їх перемноження з відповідними коефіцієнтами Am та підсумовування результатів перемноження. В результаті підсумовування одержується характеристика направленості гідроакустичної антенної решітки, що сформована для умов вільного простору. Для перевірки запропонованого способу було виконано математичне моделювання. В якості об'єкта моделювання була вибрана 12-ти елементна дискретна лінійна антенна решітка, що розміщена так, що її поздовжня вісь перпендикулярна площині границі розподілу середовищ водаповітря та проекції підводної частини корпусу корабля-носія на цю площину. Із результатів моделювання, наведених на фіг. 3, видно, що застосування запропонованого способу дозволяє в умовах експлуатації покращити характеристики направленості (крива К2) порівняно зі способом прототипом (крива К1): рівень бокових пелюсток (крива К2) зменшився, ширина основної пелюстки характеристики направленості відповідає випадку розміщення гідроакустичної антенної решітки у вільному середовищі незалежно від умов її експлуатації, тобто не залежить від наявності відбиваючих поверхонь. На фіг. 3 приведені характеристики направленості лінійної антенної решітки, розміщеної поблизу заповненого корпусу корабля-носія та границі розподілу середовищ вода-повітря (крива К1). Крива К2 на цій фігурі відповідає характеристиці направленості цієї ж антени при введені додаткового амплітудно-фазового розподілу, тобто при використанні комплексної амплітуди на виході опорного перетворювача. Таким чином, застосування запропонованого способу формування характеристики направленості антенної решітки забезпечує порівняно з існуючим способом наступні переваги: 1. Забезпечення формування заданої характеристики направленості гідроакустичної антенної решітки в різних умовах експлуатації, що забезпечує при інших рівних умовах незалежність точності пеленгування від умов експлуатації. 2. Збільшення завадостійкості антенної решітки за рахунок зниження рівня бокових пелюсток. 3. Забезпечення сталої швидкості огляду простору в різних умовах експлуатації за рахунок незмінної ширини основної пелюстки характеристики направленості. 4. Усталеність супроводження цілі за рахунок незмінної ширини основної пелюстки характеристики направленості. Джерела інформації: 1. М. Д Смарышев, Ю. Ю. Добровольский. Гидроакустические антенны // Изд. АН СССР. М: 1957, С. 183-188. - аналог. 2. Авторское свидетельство СССР № 215284G01S13/00 от 2/12/83. -прототип. 3. Р. Дж. Боббер. Гидроакустические измерения // М: Мир, 1974, С. 30-34. 9 4. Л. М. Бреховских, Ю. П. Лысанова. Теоретические основы акустики океана. //Л: Гидрометиздат, 1982, С. 73-74. 5. М. А. Исакович. Общая акустика // М: Наука, 1973, С. 326-327. Комп’ютерна верстка І. Скворцова 67325 10 6. М. Д. Смарышев. Направленность гидроакустических антенн. // Л: Судостроение, 1973, С. 140-141. Підписне Тираж 23 прим. 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