Способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны

 

Изобретение относится к гидроакустике и может найти применение при разработке гидроакустической аппаратуры. Техническим результатом является упрощение способа обработки сигналов для обеспечения формирования характеристик направленности акустически прозрачных гидроакустических антенн. Для этого в способе формирования характеристики направленности гидроакустической антенны, состоящей из электроакустических приемников, расположенных на двух эквидистантных замкнутых кривых, включающем обработку сигналов по алгоритму формирования кардиоидной характеристики направленности для двух приемников, находящихся на расстоянии, равном расстоянию между кривыми, задержку сигналов во времени и суммирование сигналов, сигналы с выходом каждого из приемников задерживают на времена, равные временам пробега звуковой волны от ближайшей к этому приемнику точки на кривой, проходящей посредине между кривыми, на которых расположены приемники, до любой общей для всех приемников прямой, перпендикулярной направлению главного максимума и не пересекающей указанную среднюю кривую. Затем суммируют задержанные сигналы в пределах четырех групп приемников и из этих суммарных сигналов формируют кардиоидную характеристику направленности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может найти применение при разработке гидроакустической аппаратуры.

Для обеспечения кругового обзора пространства применяют гидроакустические антенны с электроакустическими приемниками, расположенными на замкнутых поверхностях, например, цилиндрические антенны. Характеристики направленности таких антенн формируются путем введения задержек сигналов, принимаемых элементами антенны, на времена, соответствующие разностям времени пробега звуковой волны до каждого элемента, и последующего суммирования сигналов. Для того чтобы обеспечить хорошие направленные свойства антенны, каждый элемент должен иметь характеристику направленности с низким уровнем в области тыльного приема, т.е. в области углов, противоположных направлению главного максимума. Это обеспечивается обычно применением акустических экранов. Такие экраны описаны в книге В.Е. Глазанова "Экранирование гидроакустических антенн", изд. "Судостроение", Л., 1986 г. Однако экраны являются тяжелыми и сложными конструкциями и применение их не всегда возможно.

Известен способ формирования характеристик направленности с помощью сдвоенных приемников, причем сигналы в каждой паре приемников обрабатывают таким образом, чтобы формировалась кардиоидная характеристика направленности элемента (см. , например, книгу М. Д. Смарышева и Ю.Ю. Добровольского "Гидроакустические антенны. Справочник", изд. "Судостроение". Л., 1985 г., стр. 168).

Известен способ формирования характеристик направленности с помощью сдвоенных приемников для антенны, приемники которой расположены на двух эквидистантных замкнутых кривых, описанный в японском патенте N 4 - 81747B4 по классу G 01 S 07/52; 3/809, опубл. 24.12.92. Этот способ по технической сущности наиболее близок к предлагаемому. В способе-прототипе приемники располагают на равных угловых расстояниях и объединяют в пары, причем в каждой паре один из приемников расположен на внешней кривой, а второй - на внутренней кривой. Сигналы от приемников каждой пары обрабатывают при помощи одинакового для всех пар алгоритма формирования кардиоидных характеристик направленности, а затем задерживают по времени и суммируют полученные сигналы.

Недостатком способа-прототипа и других известных способов формирования характеристик направленности антенн с кардиоидными приемниками является то, что для достижения высокой помехостойчивости антенны при формировании кардиоидных характеристик элементов, расположенных на криволинейных поверхностях, максимумы характеристик каждой пары должны быть направлены в одну и ту же сторону. Поэтому сигналы от каждой пары элементов должны обрабатываться по индивидуальным алгоритмам до суммирования сигналов от всех элементов. Это усложняет схему обработки сигналов. Если же не применять индивидуальных алгоритмов для каждой пары, то характеристики приемных элементов, расположенных на стороне антенны, противоположной направлению главного максимума антенны, будут развернуты в тыльную область по отношению к главному максимуму. Это приводит к ухудшению характеристик и, следовательно, к уменьшению помехоустойчивости.

Кроме того, при расположении приемников на криволинейных поверхностях способ-прототип пригоден только для антенн с равным угловым расстоянием между приемниками, что приводит к необходимости использовать для образования одинаковых пар конструкции с различными линейными расстояниями между приемниками на внешней и внутренней поверхностях, что усложняет антенну.

Задачей изобретения является упрощение способа обработки сигналов для обеспечения формирования характеристик направленности акустически прозрачных гидроакустических антенн, состоящих из электроакустических приемников, расположенных на двух эквидистантных замкнутых кривых.

Для решения поставленной задачи в способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны, состоящей из электроакустических приемников, расположенных на двух эквидистантных замкнутых кривых, включающий обработку сигналов для двух элементов антенны по алгоритму формирования кардиоидной характеристики направленности для двух приемников, находящихся на расстоянии, равном расстоянию между кривыми, задержку сигналов во времени и суммирование сигналов, введены новые признаки: сигналы с выходов каждого из приемников задерживают на времена, равные временам пробега звуковой волны от ближайшей к этому приемнику точки на кривой, проходящей посредине между кривыми, на которых расположены приемники, до любой общей для всех приемников прямой, перпендикулярной направлению главного максимума и не пересекающей указанную среднюю кривую, суммируют задержанные сигналы в пределах четырех групп приемников: первой и второй внешних одинаковых групп на участках внешней кривой и первой и второй внутренних одинаковых групп на участках внутренней кривой, эквидистантных участкам внешней кривой, соответственно, причем середины всех участков лежат на одной прямой, сигналы от первой внешней группы складывают с сигналами от второй внутренней группы, сигналы от первой внутренней группы складывают с сигналами от второй внешней группы и из этих суммарных сигналов формируют кардиоидную характеристику направленности.

В случае, если количество приемников во внешних и внутренних группах является различным, то сигналы от внутренних групп могут быть умножены на отношение числа приемников во внешних и внутренних группах.

Технический эффект от использования изобретения заключается в следующем: вместо того, чтобы формировать кардиоидные характеристики для каждых двух приемников, лежащих на разных кривых по индивидуальным алгоритмам, предлагается формировать кардиоидную характеристику всего для двух сигналов. Это существенно упрощает способ и позволяет применять его для антенн с любым распределением приемников по эквидистантным замкнутым кривым.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 3, где на фиг. 1 представлено устройство, реализующее способ, на фиг. 2 - эквивалентные фрагменты антенны, на фиг. 3 - пример характеристики направленности антенны, сформированной предложенным способом.

Техническое решение, реализующее предложенный способ, может быть выполнено, например, при помощи устройства, показанного на фиг. 1. Антенна, состоит из приемников 1, расположенных на двух эквидистантных кривых (в данном примере - на окружностях). Приемники разделены на 4 группы: первую внешнюю группу 2 и первую внутреннюю группу 3, а также вторую внешнюю группу 4 и вторую внутреннюю группу 5. Приемники через усилители 6 соединены с суммирующими линиями задержки 7 - 10. Выходы линий задержки 7 и 9 соединены со входами сумматора 11, а выходы линий задержки 8 и 10 соединены со входами сумматора 12, выходы сумматоров 11 и 12 соединены со входами блока формирования кардиоидной характеристики направленности 13.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Сигналы от приемников 1, прошедшие через усилители 6, задерживают по времени, причем времена задержки для каждого из приемников t_n выбирают таким образом, чтобы обеспечить электрическую компенсацию сигналов к средней кривой, проходящей между кривыми, на которых находятся приемники. Далее сигналы от каждой из 4 групп суммируют и складывают "перекрестно", т.е. суммарный сигнал от приемников первой внешней группы u₂ складывается с суммарным сигналом от приемников второй внутренней группы u₅, а суммарный сигнал от приемников первой внутренней группы ₃ складывается с суммарным сигналом от приемников второй внешней группы u₄. Полученные сигналы v₁ =u₂+u₅ и v₂ =u₃+u₄ обрабатываются при помощи алгоритма формирования кардиоидной характеристики направленности, причем указанный алгоритм соответствует алгоритму формирования такой характеристики для двух приемников, находящихся на расстоянии, равном расстоянию между кривыми, на которых расположены приемники.

При использовании алгоритма, приведенного в упомянутой выше книге М.Д. Смарышева и Ю.Ю. Добровольского, для формирования кардиоидной характеристики сигнал v₁ вычитают из сигнала v₂, задержанного на время t_h=h/c, где h - расстояние между кривыми, с - скорость звука в среде. Это приводит к появлению сигнала на выходе блока формирования кардиоидной характеристики 13 в виде u_вых = ₁- ₂exp(it_h). Как показано в указанной книге, при такой обработке сигналы, соответствующие направлению главного максимума характеристики направленности, складываются, а сигналы, соответствующие обратному направлению, - вычитаются, что приводит к подавлению сигналов, приходящих из тыльных направлений.

Для пояснения предложенного способа на фиг. 2 в качестве примера показаны два эквивалентных фрагмента антенны 14 и 15, образующиеся после разделения ее на 4 группы, расположенные на двух концентрических окружностях. В этом случае времена задержки t_n выбирают в соответствии с формулой t_n = [(r+h/2)cos_n+a]/c, где r - радиус внутренней окружности, h - расстояние между окружностями, _n - угол между направлением главного максимума характеристики направленности антенны и радиусом, соответствующим приемнику с номером n, a - расстояние от центра окружности "0" до произвольной, общей для всех приемников прямой 16, перпендикулярной направлению главного максимума и не пересекающей среднюю окружность 17, расположенную между внешней и внутренней окружностями, с - скорость звука в среде. Направление главного максимума показано на фиг. 2 стрелкой. В результате после перекрестного сложения сигналов от внешних и внутренних групп образуются два фрагмента антенны со сдвинутыми на расстояние h друг относительно друга фазовыми центрами 18 и 19. Такой сдвиг необходим, чтобы далее сформировать кардиоидную характеристику направленности. В связи с тем, что задержки сигналов по времени выполняются применительно не к каждой из кривых, на которых расположены приемники, а к средней кривой, которая находится между ними, т.е. сдвинутой относительно них, то и фазовые центры указанных фрагментов антенн также оказываются сдвинутыми, причем в противоположные стороны. Это приводит к образованию двух сигналов с фазовым сдвигом, соответствующим сдвигу сигналов от двух точечных приемников, расположенных на расстоянии, равном расстоянию между кривыми. Последующая обработка сигналов в блоке 13 с помощью любого из известных алгоритмов формирования кардиоидной характеристики направленности двух приемников, в том числе и такого, который указан в способе-прототипе, приводит к подавлению тыльного приема и формированию характеристики направленности антенны с малыми добавочными максимумами. В результате формирование кардиоидной характеристики направленности осуществляется всего один раз.

Если во внутренних и внешних группах находится различное количество приемников, то для выравнивания амплитуд сигналов перед окончательной обработкой сигналов для формирования кардиоиды целесообразно умножить сигналы от внутренних групп на отношение числа приемников во внешних и внутренних группах.

Предложенный способ применим для антенн с любым, в том числе одинаковым для обоих кривых распределением приемников по эквидистантным замкнутым кривым, что позволяет распространить его на широкий класс антенн.

Таким образом, техническим эффектом от использования изобретения является упрощение алгоритма обработки и повышение помехоустойчивости. Кроме того, отпадает необходимость использования тяжелых и сложных в изготовлении акустических экранов.

Блоки 7-13 при использовании предложенного способа могут существовать либо в виде отдельных физических приборов, либо представлять собой компьютер, в котором сигналы в цифровой форме обрабатываются при помощи изложенного выше способа. В этом случае на выходах усилителей должны быть подключены аналого-цифровые преобразователи. После этого отдельные этапы обработки могут производиться как выполнение соответствующих вычислений. Например, задержка по времени может выполняться путем выборок последовательных значений сигналов из различных ячеек памяти или путем двукратного быстрого преобразования Фурье с промежуточным умножением сигналов на экспоненциальные множители. Формирование кардиоидной характеристики направленности в цифровом виде может выполняться при помощи алгоритмов, соответствующих схемам, указанным в приведенной выше книге М.Д. Смарышева и Ю.Ю. Добровольского или в прототипе.

Внешняя кривая, на которой располагаются приемники, может быть любой замкнутой кривой, например, окружностью или эллипсом, что выбирается из условий размещения антенны на соответствующем носителе. Расстояние между кривыми выбирается из тех же соображений, что и при использовании обычных кардиоидных приемников, т.е. примерно четверть длины звуковой волны на верхней частоте рабочего диапазона. При этом реальная ширина рабочего диапазона оказывается такой же, как и при использовании кардиоидных приемников, т.е. 2,5-3 октавы. Возможно получение и более широкой полосы, но при этом будет соответственно уменьшаться чувствительность антенны.

Расстояния между приемниками вдоль кривых выбираются так же, как и в обычных криволинейных антеннах, т.е. от четверти до половины длины звуковой волны на верхней частоте рабочего диапазона в зависимости от необходимого уровня снижения добавочных максимумов характеристики направленности.

В качестве примера, подтверждающего эффективность предложенного способа, на фиг. 3 приведена характеристика направленности, полученная предложенным способом для антенны, имеющей следующие параметры: антенна выполнена в виде двух окружностей, радиус внешней окружности 1,25 м, расстояние между окружностями 0,12 м, расстояние между элементами в обеих окружностях 0,21 м, на внешней и внутренней окружностях расположено 38 и 34 приемника, соответственно, частотой -2500 Гц. В этом примере установка приемников на внешней и внутренней окружностях с одинаковым шагом приводит к тому, что не обеспечивается пространственное угловое соответствие расположения приемников на этих окружностях, поскольку приемники будут "разбегаться" по длине кривой. Использование способа, описанного в прототипе, при этом невозможно, т.к. не образуется соответствующих пар приемников. Вместе с тем применение предложенного способа позволило сформировать хорошую характеристику направленности с низким уровнем добавочных максимумов (ниже -30 дБ) в тыльных направлениях.

Формула изобретения

1. Способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны, состоящей из электроакустических приемников, расположенных на двух эквидистантных замкнутых кривых, включающий обработку сигналов по алгоритму формирования кардиоидной характеристики направленности для двух приемников, находящихся на расстоянии, равном расстоянию между эквидистантными замкнутыми кривыми, задержку сигналов во времени и суммирование сигналов, отличающийся тем, что сигналы с выходов каждого из приемников задерживают на времена, равные временам пробега звуковой волны от ближайшей к этому приемнику точки на кривой, проходящей посредине между эквидистантными замкнутыми кривыми, на которых расположены приемники, до любой общей для всех приемников прямой, перпендикулярной направлению главного максимума и не пересекающей указанную среднюю кривую, суммируют задержанные сигналы в пределах четырех групп приемников: первой и второй внешних одинаковых групп на участках внешней замкнутой кривой и первой и второй внутренних одинаковых групп на участках внутренней замкнутой кривой, эквидистантных участкам внешней замкнутой кривой соответственно, причем середины всех участков лежат на одной прямой, сигналы от первой внешней группы складывают с сигналами от второй внутренней группы, сигналы от первой внутренней группы складывают с сигналами от второй внешней группы и из этих суммарных сигналов формируют кардиоидную характеристику направленности.

2. Способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны по п.1, отличающийся тем, что перед сложением задержанных сигналов от внутренних и внешних групп сигналы от внутренних групп умножаются на отношение числа приемников во внешних и внутренних группах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3