Измерительная установка для определения направления максимума основного лепестка характеристики направленности узконаправленной гидроакустической антенны

Измерительная установка для определения направления максимума основного лепестка характеристики направленности узконаправленной гидроакустической антенны. Устройство относится к области гидроакустики и может быть использовано при определении параметров антенн с узкой характеристикой направленности. Задачей является повышение точности определения угла между плоскостью антенны и направлением максимума основного лепестка характеристики направленности (ХН). Для решения задач в известную установку содержащую генератор сигналов, частотомер, первый и второй модуляторы - селекторы, усилитель мощности, первый и второй осциллографы, испытательный бассейн, первое и второе координатные устройства, первый приемник, формирователь меток угла, регистратор первый и второй усилители, первый фильтр, введены второй приемник, третий и четвертый усилители, вторые фильтр, детектор и интегратор, а также третий модулятор - селектор, компаратор и индикатор соединенные соответствующем образом. Положительный эффект достигается при излучении антенной сигналов, приема их двумя приемниками, расположенными на одинаковом удалении от антенны при расстоянии между ними соответствующем ширине ХН на заданном уровне и одновременного сопоставления значений принятых сигналов на компараторе. Компаратор срабатывает при равенстве амплитуд сигналов, возникающем при приеме от антенны сигналов, формируемых на участках ХН, расположенных симметрично относительно оси основного максимума ХН, т.е. при нахождении этой оси точно посередине между двумя приемниками.

Заявляемое устройство относится к области гидроакустики и может быть использовано при измерениях основных параметров гидроакустических антенн с узкой характеристикой направленности (ХН).

Известны измерительные установки для снятия ХН антенн, а также для измерения угла между максимумами основных лепестков ХН [1, 2, 3]. Основными элементами таких установок (см. фиг.1) являются:

- устройство для формирования импульсных сигналов, подводимых к испытуемой антенне;

- координатные устройства, с помощью которых испытуемая антенна и измерительные приемники заглубляются в бассейн, и осуществляется разворот антенны вокруг оси на 360°;

- усилители сигналов, фильтры, модулятор-селектор, осциллографы и регистратор, позволяющие наблюдать за формой и амплитудой излучаемых и принимаемых сигналов, исключать из регистрации мешающие (отраженные) сигналы и регистрировать амплитуды сигналов, прошедших кратчайшим путем.

В процессе измерений синхронно с изменением углового положения антенны на регистраторе и осциллографе наблюдаются изменения амплитуды принимаемых сигналов R=f, т.е. на движущейся ленте регистратора записывается ХН антенны. Для определения направления максимума основного лепестка ХН [1, стр.70], пользуясь зависимостью R, полученной на ленте регистратора, отсчитывают углы ₁ и ₂, соответствующие уровню 0,9 дБ от максимального значения уровня сигнала и рассчитывают направление максимума ХН, как угол .

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемой полезной модели является измерительная установка, описание которой приведено в [1, стр.57] и основные элементы которой (поз. номера 1-16 показаны на фиг.1). В состав устройства-прототипа входят общие с заявляемым устройством элементы: генератор сигналов, частотомер, первый и второй модулятор-селектор, усилитель мощности, первый и второй осциллографы, бассейн, первые и вторые координатные устройства, первый приемник, формирователь меток угла, регистратор, первый и второй усилители, первый фильтр.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченная точность определения направления максимума основного лепестка ХН, погрешность определения направления таким устройством составляет 1° и не может быть снижена, т.к. погрешности измерения амплитуды современными осциллографами в импульсном режиме не менее ±5%, а у регистраторов не менее ±0,5 дБ.

На фиг.2 приведен участок ХН антенны, имеющей ширину ХН 3° по уровню 0,7, рассчитанный для плоской дискретной линейной системы по формуле [1, стр.72]

Из фиг.2 видно, что при погрешности измерения амплитуды сигнала ±5% погрешность определения угла ₁ составляет 20', погрешность определения направления максимума составляет , а предельная погрешность при вероятности P=0,95 составляет 56'.

Следует заметить, что для антенн с широкой ХН использовать предлагаемое устройство нецелесообразно, т.к. такие антенны имеют заметную неравномерность ХН в пределах основного лепестка [2, стр.18].

После изготовления переменно-фазных антенн гидроакустических лагов требуется определить истинное расстояние d между элементами антенны по результатам измерения угла между максимумом основного лепестка ХН и плоскостью антенны [4, стр.213] по формуле

где с - скорость звука в бассейне

f - рабочая частота

Для определения с достаточной для практики точностью параметра d погрешность определения угла не должна превышать единиц минут.

Задачей заявляемого устройства является создание установки, позволяющей существенно, по сравнению с прототипом, повысить точность определения направления максимума основного лепестка ХН антенны.

Отличие заявляемого устройства от прототипа [1, стр.57] состоит в том, что прием сигналов, излучаемых антенной осуществляется не одним, а двумя приемниками (гидрофонами), расположенными на одинаковом расстоянии от антенны, в общей горизонтальной плоскости на расстоянии один от другого, соответствующем ширине ХН по уровню - 0,9 дБ. Усиление сигналов, принятых приемниками осуществляется идентичными трактами, сигналы с выхода которых поступают на компаратор. При равенстве амплитуд сигналов, поступающих на компаратор, последний срабатывает, что и отражается на подключенном к его выходу индикаторе.

Чувствительность компаратора, т.е. разность напряжений на обоих его входах, при которой происходит его срабатывание, достигает 0,05 мВ [5, стр.209]. При этом погрешность определения направления для рассмотренного на фиг.2 примера менее 0,1'. Учитывая, что погрешность отсчета положения координатного устройства составляет 3' [1, стр.148], можно ожидать результирующую предельную погрешность определения направления максимума основного лепестка ХН не хуже 6', т.е. примерно на порядок более низкую, чем у прототипа.

Сущность заявляемого устройства состоит в том, что в устройство, содержащее генератор сигналов, частотомер, первый и второй модуляторы-селекторы, усилитель мощности, первый и второй осциллографы, испытательный бассейн, первое и второе координатные устройства, первый приемник, формирователь меток угла, регистратор, первый и второй усилители, первый фильтр, причем выход генератора соединен со входами частотомера и первого модулятора-селектора, первый выход которого соединен со входом усилителя мощности, а второй его выход подключен к одноименному входу второго модулятора-селектора, выход усилителя мощности соединен со входом первого осциллографа, формирователь меток угла механически соединен с первым координатным устройством, а выход формирователя меток угла подключен ко второму входу регистратора, второе координатное устройство механически соединено с первым приемником, а его выход подключен к входу первого усилителя, последовательно соединенного с первым фильтром, вторым усилителем и вторым модулятором-селектором, выход которого соединен одновременно с первым входом регистратора и входом второго осциллографа, введены последовательно соединенные второй приемник, третий усилитель, второй фильтр, четвертый усилитель, третий модулятор-селектор, второй детектор, второй интегратор, компаратор и индикатор, а так же последовательно соединенные первый детектор, вход которого подключен к выходу второго модулятора-селектора, и первый интегратор выход которого соединен со вторым входом компаратора, при этом второй приемник механически соединен со вторым координатным устройством и расположен в общей горизонтальной плоскости с первым приемником, оба приемника расположены на одинаковом расстоянии от первого координатного устройства, а угловое расстояние между приемниками соответствует ширине ХН исследуемой антенны по уровню 0,9 дБ, второй выход первого модулятора-селектора соединен с одноименным входом третьего модулятора-селектора.

Структура заявляемого устройства показана на чертеже (фиг.1).

Выход блока 1 устройства подключен ко входам блоков 2 и 3, первый выход блока 3 соединен со входом блока 5, а второй выход соединен со вторыми входами блоков 4, 21, выход блока 5 соединен со входом блока бис испытуемой антенной, блок 9 механически соединен с блоком 12, блоки 11, 19 механически соединены с блоком 10, блоки 11, 13 погружены в блок 8, блок 11 соединен со входом блока 14, выход блока 14 соединен со входом блока 16, выход блока 16 соединен со входом блока 15, выход блока 15 соединен с первым входом блока 4, выход блока 4 соединен со входами блоков 7, 13, 24, выход блока 24 соединен со входом блока 26, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход блока 19 соединен со входом блока 22, выход которого со входом блока 20, выход блока 20 соединен со входом блока 23, выход которого соединен с первым входом блока 21, выход блока 21 соединен со входом блока 25, выход которого соединен со входом блока 27, выход блока 27 соединен с первым входом блока 17, выход которого соединен со входом блока 18.

В качестве блоков могут быть использованы:

1 - генератор ГЗ-110 ЕХЗ.268.026 ТУ [1, стр.104];

2 - частотомер 43 -57 ЕЯ2.721.043 ТУ [1, стр.125];

3, 4, 21 - модулятор-селектор 4440 Брюль и Кьер [1, стр.123];

5 - усилитель мощности 2713 Брюль и Кьер [1, стр.124];

6, 7 - осциллограф C1-82 ГВ2.044.003 ТУ [1, стр.131];

8 - измерительный бассейн, черт. 15.053 - ЗКМ-20 СБ [1, стр.146];

9, 10 - координатные устройства [1, стр.148];

11, 19 - приемник 1П5М ИФ 3.837.001-04 [1, стр.104];

12 - формирователь меток [1, стр.148];

13 - самописец Н-110 ТУ 25-04.2198-73 [1, стр.135];

14, 15, 22, 23 - усилитель У2-8 ЯЫ2.710.058ТУ [1, стр.134];

16, 20 - фильтр 1617 Брюль и Кьер [1, стр.122];

17 - компаратор по схеме рис.4.36е [5, стр.108];

18 - индикатор -осциллограф C1-82, либо вольтметр постоянного тока В2-27, В2-36;

24, 25 - детектор [6, стр.146 -148];

26, 27 - интеграторы [6, стр.226 -228], элементы интегратора выбираются таким образом, чтобы время интегрирования было соизмеримо с длительностью импульса, оба интегратора должны иметь одинаковые параметры.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает непрерывный сигнал с рабочей частотой испытуемой антенны. Значения частоты измеряется частотомером 2. Сигнал от генератора 1 через модулятор-селектор 3, формирующий радио-импульсы длительностью тис периодом повторения Т, поступает на усилитель мощности 5, а с него на испытуемую антенну или калибровочный гидрофон, устанавливаемые на первое координатное устройство 9. Параметры излучаемых сигналов (форма, т, Т) контролируется осциллографом 6.

Длительности импульсов выбирают из соотношения ,

где f - полоса пропускания антенны.

Период Т выбирают из соотношения ,

где L - расстояние между антенной и каким либо из приемников 11, 19 [2, стр.229]

где D - максимальный размер антенны;

- длинны волны в воде;

с - скорость звука в воде.

Излучаемые сигналы принимаются приемниками 11, 19, усиливаются и фильтруются идентичными усилительными трактами, содержащими усилители 14(22), 15(23), фильтры 16(20), модуляторы-селекторы 4(21), детекторы 24(25) и интеграторы 26(27). Амплитуда и форма принимаемых первым усилительным трактом сигналов контролируются осциллографом 7. Амплитуда принимаемых сигналов записывается на регистраторе 13, протяжка ленты которого осуществляется синхронно с изменением угла поворота первого координатного

устройства 9. На этот же регистратор 13 поступают метки с формирователя меток угла 12, жестко механически связанного со штангой координатного устройства 9, на которой закреплена антенна. Наличие на ленте регистратора этих меток позволяет сопоставить амплитуды сигналов углу разворота антенны, т.е. иметь на ленте запись характеристики направленности R=f().

Сигналы с интеграторов 26, 27 каждого из приемных каналов поступают на компаратор 17, который при равенстве этих сигналов срабатывает, о чем свидетельствуют показания индикатора 18.

До начала работы на первом координатном устройстве 9 закрепляют измерительный (калиброванный) ненаправленный излучатель и подключают его к выходу усилителя мощности 5. Изменяя усиление усилителей 22, 23 добиваются равенства коэффициентов передачи в обоих приемных каналах, о чем свидетельствует срабатывание компаратора. Вместо измерительного излучателя устанавливают антенну и вращая ее в пределах 0-360°, находят по записи на регистраторе 9 или по результатам наблюдения за показателями осциллографа 7 значение угла разворота антенны, соответствующее максимуму ХН. Плавно изменяют угловое положение координатного устройства при подходе к найденному значению угла, наблюдая за показателями индикатора 18, прекращают разворачивать антенну в момент срабатывания компаратора. Для повышения точности отсчета последнюю процедуру повторяют несколько раз, подводя антенну к найденному положению слева и справа, а затем определяют среднее арифметическое значение угла.

Очевидно, что срабатывание компаратора происходит при равенстве принимаемыми обоими амплитуд сигналов, формируемых на участках ХН, расположенных симметрично относительно оси основного максимума ХН, т.е при нахождении этой оси точно посередине между двумя приемниками. За направление максимума ХН принимают угол , равный значению угла поворота координатного устройства в момент срабатывания компаратора. При этом имеется в виду, что предварительно выполнена установка взаимного расположения плоскости антенны и приемников, соответствующая нулевому отсчету угла координатного устройства.

Второй и третий модуляторы-селекторы, синхронизируемые от первого формирующего импульса излучения, позволяют в приеме отстроиться от сигналов, отраженных от стенок бассейна 8 и поверхности воды, наблюдать и регистрировать только "прямые" сигналы, пришедшие к приемникам по кратчайшему пути.

Из приведенного описания следует, что заявленное устройство решает поставленную задачу определения направления максимума основного лепестка гидроакустической антенны с узкой характеристикой направленности.

Источники информации.

1. Отраслевой стандарт "Аппаратура гидроакустическая. Антенны и преобразователи. Методы измерений электроакустических параметров в измерительных бассейнах" РД 5Р.8361.

2. Л.В.Орлов, А.А.Шабров "Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций" Пищевая промышленность, М, 1974 г, стр.228-233.

3. А.М.Тюрин и др. "Основы гидроакустики", Судостроение, Л., 1966 г, стр.257-289.

4. В.И.Бородин и др. "Гидроакустические навигационные средства". Судостроение, Л., 1983

5. В.Л.Шило "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре". Сов. Радио, М., 1979 г., стр.209

6. М.Мэкдл "200 избранных схем электроники". Мир, М., 1980, стр.146 -148.

Измерительная установка для определения направления максимума основного лепестка характеристики направленности (ХН) узконаправленной гидроакустической антенны, содержащая генератор сигналов, частотомер, первый и второй модуляторы-селекторы, усилитель мощности, первый и второй осциллографы, испытательный бассейн, первое и второе координатные устройства, первый приемник, формирователь меток угла, регистратор первый и второй усилители, первый фильтр, причем выход генератора соединен со входами частотомера и первого модулятора-селектора, первый выход которого соединен со входом усилителя мощности, а второй его выход подключен к одноименному входу второго модулятора-селектора, выход усилителя мощности соединен со входом первого осциллографа, формирователь меток угла механически соединен с первым координатным устройством, а выход формирователя меток угла подключен ко второму входу регистратора, второе координатное устройство механически соединено с первым приемником, а его выход подключен к входу первого усилителя, последовательно соединенного с первым фильтром, вторым усилителем и вторым модулятором-селектором, выход которого соединен одновременно с первым входом регистратора и входом второго осциллографа, отличающаяся тем, что в неё введены последовательно соединенные второй приемник, третий усилитель, второй фильтр, четвертый усилитель, третий модулятор-селектор, второй детектор, второй интегратор, компаратор и индикатор, а также последовательно соединенные первый детектор, вход которого подключен к выходу второго модулятора-селектора, и первый интегратор, выход которого соединен со вторым входом компаратора, при этом второй приемник механически соединен со вторым координатным устройством и расположен в общей горизонтальной плоскости с первым приемником, оба приемника расположены на одинаковом расстоянии от первого координатного устройства, а угловое расстояние между приемниками соответствует ширине ХН исследуемой антенны по уровню 0,9 дБ, второй выход первого модулятора-селектора соединен с одноименным входом третьего модулятора-селектора.