NO157677B - Antennesystem med h opplningseffekt. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et antennesystem med høy oppløsningseffekt.

Mer presist vedrører oppfinnelsen et antennesystem for detektering av bølger, f.eks. sonarbølger, med høy opp-løsningsef fekt , omfattende en sendergruppe og en mottagergruppe, idet mottagergruppen er tildannet av transducere som er anordnet langs en utstrekning, samtidig som sendergruppen er tildannet av to transducere, idet transducerne i mottagergruppen er forbundet med fler-terminalfasefor-skyvere og samvirker med en adderingsanordning for for-forming av bølge-detekterings-stråler som etter tur dek-

ker hovedsenderlober, slik at sendermottagersysternet har et totalt diagram med større oppløsningseffekt for hver for-formet stråle.

Hovedoppgaven for et slikt system er oppnåelse av høyst

mulig vinkeloppløsningseffekt, dvs antennesystemets ev-

ne til å sondre mellom to mål som befinner seg svært nær hverandre ved en gitt størrelse av sender- og mottagerantennen.

Det er gjort forsøk på å oppnå høy oppløsningseffekt i

kjente antennesystemer.

En mer eller mindre rundtstrålende antenne er f .eks. blitt kombinert med en mottagerantenne utformet av transducere anordnet side om side langs en linje. Dette er kjent som en "full" mottagerantenne.

En annen fremgangsmåte er å kombinere en full senderan-

tenne med en full mottagerantenne. Her vil transducernes reversibilitet gjøre det mulig for en enkelt antenne å

virke som senderantenne og mottagerantenne etter tur.

Et system som omfatter fulle sender- og mottagerantenner

har en kjent oppløsningseffekt, forutsatt at transducer-amplituden og fasen er konstante. Det samme gjelder,

dersom amplituden er konstant og fasen øker med en konstant verdi fra en transducer til neste.

Det er kjent å oppnå meget høy oppløsningseffekt ved bruk av en senderantenne med jevnt fordelte transducere og en

mottagerantenne med bare to endetransducere. Begge anten-ner er omtrent like lange. Ved addering av signalene som avgis av disse endetransducere, blir det mulig å oppnå et kosinusformet strålingsdiagram, som virker som multipli-serende faktor for den fulle antennes strålingsdiagram.

Det er videre kjent å for-forme en vinkelformet stråle for en full antenne ved å påtrykke signaler som er de-tektert av transducere på fler-terminal faseforskyvere.

De forskjellige kanaler oppnås ved addering av avfasede signaler.

Det er kjent å benytte ..et system som omfatter sender- og mottagerantenner med samme lengde, hvor mottagerantennen er full og senderantennen er dannet av to transducere i antennens ender. Signaler som detekteres av mottagerantennen, blir avgitt til stråledannende kretser. I denne anordning utføres sending ved to frekvenser. De to sender-transducere er i fase ved første frekvens, mens de ved den andre er i motfase. Halvparten av for-formede stråler svarer til den ene av frekvensene, den andre halvdelen svarer til den andre frekvensen.

Vinkelbredden ved 3dB av hovedsløyfen på sender-mottager-diagrammet utgjør halvparten av den som oppnås med samme mottagerantenne når det bare foreligger en sendende transducer .

Ulempen ved dette system er at sekundære sender-mottager-diagramsløyfene er høye, især den første, som når et mak-simalt nivå ved 13 dB. Et slikt nivå av sekundære sløyf-er har en alvorlig innvirkning på signal/støy-forholdet, især ved undervannsakustikk.

Ifølge US patentskrift 4 234 9 39 og FR patentskrift 2 412 177 blir der benyttet en sendergruppe med to transducere og en mottagergruppe med en flerhet av transducere. Fordi dette system er konstruert for sonarer, vil varigheten av vandretiden for bølgene være altfor høy for å tillate styring av den utsendte stråle såvel som den mottatte stråle. Således foreligger der ikke noen styring og sendergruppen sprer hele feltet for å kunne dekkes med en flerhet av stråler som blir tildannet ved interferensen av to signaler som blir utsendt ved hjelp av to sendertransducere. Heller ikke forekommer der noen styring i mottagergruppen som dekker hele dette felt ved forming av en flerhet av samtidig fikserte stråler med elektronisk behandling, idet hver av disse mottagerstråler er innrettet mot en av send-ers trålene. Bare den mottagende gruppe fremskaffer sidelober, og problemet går ut på å organisere alle disse stråler, slik at de mottagende sidelober ikke forstyrrer altfor mye med senderlobene.

I motsetning til dette systemet i henhold til GB patentsøk-nad 2 016 695 (General Electric) konstruert for medisinske anvendelser, hvor varigheten av vandretiden for bølgene er meget kort, noe som tillater styring av den utsendte stråle, såvel som den mottagende stråle, slik at disse alltid blir overlagret hverandre. Sender- og mottagergruppene er sammen-satt begge to med en flerhet av transducere, og har alle to sidelober. Problemet går således ut på å separere disse sidelober, hvilket er temmelig lett fordi de ikke kan forstyrre hovedstrålene som er alene. I den forbindelse går den kjente teknikk ut på å bruke to vinkelstillinger for de to grupper, som endrer orienteringene for sidelobene, noe som innebærer en meget kjent virkning.

Riktignok er det slik at denne kjente virkning også brukes i det foreliggende system for å redusere virkingen av sidelobene, men en slik endring kan i seg selv ikke gi den ønskede virking. Således har man ved den foreliggende oppfinnelse kombinert virkningene av reduksjonen av lengden mellom de to utsendende transducere med virkningene for avveiningen av de mottagende signaler, for oppnåelse av bedre resultater. Den-

ne kombinasjon er ikke foreslått i henhold til den teknikk som er omtalt i nevnte GB patentsøknad.

Foreliggende oppfinnelse overvinner altså de ovenfor om-talte vanskeligheter ved at for å sikre at sekundære lo-bemaksimalverdier på sender- mottager-diagrammet vil være mindre enn -16 dB, og at hovedloben for dette diagram ik-ke utvider seg med en koeffisient som er større enn 1,3, er mottagertransducerne forbundet med faseforskyverne ved hjelp av en anordning for avveining av amplituden av de signaler som mottas av disse transducere, og sendertransducerne er anordnet på en avstand som er mindre enn lengden, for ved denne sammentrekning å utvide lobene for senderdiagrammet og kompensere i det minste delvis virkingen av utvidelsen av hovedloben for mottagerdia-grammet som bevirkes av avveiningsanordningen.

Andre fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av nedenstående beskrivelse under henvisning til tegningen, hvor

figur 1 viser et kjent antennesystem,

figur 2 viser sending, mottagelse og sender-mottager-diagrammer ved kjente anordninger,

figur 3 viser sending, mottagelse og sender-mottager-diagrammer med avveining for like antennelengder,

figur 4 viser et antennesystem som utgjør et utførelses-eksempel av foreliggende oppfinnelse,

figur 5 viser et diagram for å illustrere variasjonen i vinkeloppløsning og nivået for første sekundære sløyfe, avhengig av forholdet mellom antennelengdene,

figur 6 viser et flytdiagram av et utførelseseksempel av oppfinnelsen,

figur 7 og 8 viser en aweiningsfunksjon og det resulterende sender- mottagerdiagram.

Figur 1 viser anordningen av sender- og mottagerantenner i kjent utførelse.

Senderantennen omfatter to sendertransducere (E^ og E2), og mottagerantennen N, mottagertransducere med lik innbyr-des avstand (R^ til RN) adskilt med en avstand d. De to senderne (E]_ og E2 ) er adskilt med en avstand LE, og lengden av mottagerantennen Lr = (N-l)d, hvor LE <=> LR<=> L, hvor L er de to antenners like lengde.

De to senderne (E^ og E2) sender hvert sitt signal samtidig med en frekvens f, og rommet blir lydbestrålt ("in-sonified") ved interferensene mellom de to signaler, og et fjernt punkt beliggende i denne retning som danner en vinkel 6 med normalen på antennen mottar signalet, hvis amplitude fremkommer av følgende ligning, som bare av-viker med en multiplikasjonskonstant:

hvor sending fra begge transducere antas å være i fase og X er bølgelengden i forplatningsmediet.

Dersom senderfasen er i motfase, fremkommer E(&) ved lign-ingen :

Ved kjente anordning, blir mottagerantennesignalene angitt uten avveining av de stråledannende kretser i ret-ninger som identifiseres av vinkel 60. Retningsdiagram-met for mottagerantennen alene, som forutsettes å være full over hele lengden L, er F(8), som svarer til et antennesystem som inneholder en enkelt sendende transducer. For en for-formet stråle i den retning som svarer til vinkelen 6Q, fremkommer F (9) ved følgende ligning:

Den totale retningsfunksjon G(6) av antennesystemet ifølge fig. 1 fremkommer ved følgende ligning: Forformede stråleretninger 9Q er slik at de svarer til mak-simale punkter for funksjonen E(9). Dersom begge sendertransducere (E^ og E2) er i fase, vil det følgelig fremkomme strå-levinkler 9Q på basis av ligning (1) ovenfor, slik at

hvor p er et helt tall.

På basis av ligningene (3), (4), (5) kan følgende verdi fin-nes for G(6):

Retningsfunksjonen G(9) som fremkommer ved ligning (6) svarer til en mottagerantenne som er to ganger lengden i retning 0Q av den som er gitt ved ligning (3), forutsatt sending med en enkelt transducer.

Fig. 2 viser de absolutte verdier av funksjonene E(6), F(9) og G(9) ifølge ligningene (1), (3) og (4) i forhold til 9 - 9Q. Vinkelbredden ved 3 dB A9 av funksjonen G(9) (med stiplet strek) kan ses å være halvparten av denne bredde for funksjonen F(9) (med brutt linje). Funksjonen F(0) (med kontinuerlig strek) har sine maksimumpunkter ved 9-9Q = pn/L. Av forenklingshensyn er sin 0Q og 0 tatt som like 9Q og 0.

Første sekundære maksima N og M av funksjonene F(9) og G(9), begge ved -13 dB, er også vist.

Fig. 2 viser disse funksjoner i absolutt verdi i relasjon til

vinkelen 6-6Q.

Mottaksstråler dannes i retningene som svarer til sendermaksima, slik at dekningen ikke er fullstendig, ettersom det er en dårlig lydtom sone mellom disse stråler. For å overvinne dette, gjøres to samtidige sendinger adskilbare fra de tidligere, f.eks. ved forskjellige frekvenser, men avfaset ved u, for oppnåelse av maksima i stedet for tidligere nuller; kanalene formes deretter i retningene for disse nye maksima. Senderfunksjonene i tilfelle av faseforskyvning ved ti

er gitt i ligning (2) , med ti erstattet av verdien av den bølgelengde som svarer til den andre frekvens.

Et nivå av sekundære sløyfer ved -13 dB, som ved de kjente anordninger, kan ofte skape problemer for undervannsakustikk.

For en mottagerantenne med en enkelt sender, kan nivået av sekundære sløyfer reduseres ved avveining av de mottatte signalers amplitude. Avveiningsfunksjonen (f(x) i relasjon til transducer koordinaten x er ofte en Tschebycheff funksjon.

I foreliggende oppfinnelse blir sekundære sløyfer av antennesystemer som omfatter to sendere og en fullt mottagende antenne, redusert ved optimalisering av både forholdet mellom lengden L„ av senderantennen og lengden L_. av mottagerantennen, og avveiningsfunksjonen f(x).

Avveining som brukes for et antennesystem med en enkelt sender er uegnet for et system som omfatter interferometrisk sending, som vist i fig. 3.

Fig. 3 viser senderretningsfunksjonen E(9), som en kontinuerlig linje, den balanserte mottaksretningsfunksjon F^(0) som en stiplet linje og den totale retningsfunksjon G^(0) som en punktlinje uttrykt ved 0-0 . I dette eksempel er funksjonen F^(8) som oppnås ved avveining slik at nivået av de sekundære sløyfer er lavere enn ved en ikke-avveid antenne. Maksi-

mum er lavere enn maksimum N i fig. 2.

Fig. 3 viser at vinkelbredden A9^ av hovedsløyfen av den totale retningsfunksjon G1(0) ved 3 dB er omtrent lik verdien A 9 for en ikke-avveid antenne. I motsetning til denne er maksimum av første sekundære sløyfe G-^ (9) større enn maksimum M for en ikke-avveid antenne.

Grunnen til dette fenomen er at hovedsløyfen av retnings-funks jonen for den avveide mottagerantenne F^(9) er blitt bredere, mens sendingsretningsfunksjonen E(9) forblir uend-ret. Resultatet er at nivået av første sekundære sløyfe av G^(9) er produktet av hovedsløyfen av F(9) ved første side-bue av E(9). I motsetning til dette er hovedsløyfen av G^(9) ikke blitt bredere, ettersom dens bredde styres av E(9).

Vi skal nå se på eksemplet av en mottagerantenne med en lengde LR = 500A.

Hvis L = L„, og hvis signalene ikke blir avveid, ifølge ligning (4) og fig. 2, er bredden A9 av hovedsløyfen av G(9)

-3

lik 0,88 x 10 radianer, og nivået av første sekundære sløy-fe er -13 dB. Hvis LE fortsatt er lik LR og det brukes en Tschebycheff avveiningsfunksjon, slik at maksimum N, av førs-te sekundære sløyfe av F^(9) i fig. 3 er -30 dB, viser det seg at maksimum M-^ av første sekundære sløyfe av G-^(9) er -9 dB. Dette beviser at slik avveining i realiteten forrin-ger kontrast.

Antennesystemet som foreslås i foreliggende oppfinnelse er gjengitt i fig. 4. Lengden LE av senderantennen er mindre enn lengden LR av mottagerantennen. Denne reduksjon i sen-derantennens lengde resulterer i en utvidelse av hver sløyfe av senderretningsfunksjonen E2(9) og følgelig av hovedsløy-fen for den resulterende retningsfunksjon G2(6).

I foreliggende oppfinnelse velges LE/LR forholdet i kombinasjon med valget av avveiningsfunksjon for mottagerantennen, slik at nivået av sekundære sløyfer og bredden av hovedsløy-fen blir holdt innen gitte grenser.

Fig. 5 viser variasjoner av vinkelbredden AØ^ av hovedsløy-fen ved 3 dB, og i nivået av første sekundære sløyfe Ng i

forhold til LE/LR. Avveiningen er den sanne som ovenfor. Dette viser at når LE/LR forholdet avtar, faller nivået av førs-te sekundære sløyfe Ng (en kontinuerlig linje), mens bredden A©3 av hovedsløyfen ved 3 dB fading øker. Hvis LE/LR = 0,67, blir Ng = -18 dB og A©3= 1,3 x 10~<3> radianer.

Fig. 6 viser et utførelseseksempel av oppfinnelsen. Sender-mottagerantennesystemet dannes av n transducere (T^ til T ). To av disse transducere (T^ og Tn_i+j_) brukes for sending. De velges slik at avstanden mellom dem er i et gitt forhold til avstanden mellom de to endetransducere T, og T . Amplituden av signalene som mottas av transducerne blir avveid ved hjelp av elektriske motstander (R^ til Rn) med verdier som er justert for å passe den ønskede avveiningsfunksjon.

Vekslingen fra sending til mottagelse og tilbake for transducerne T. og Tn_^+-^ utføres ved hjelp av brytere (C-j og C4) . Sending skjer samtidig på to frekvenser f-^ og f2, og signaler genereres av to generatorer (G,. og Gg). Første generator (Gj.) er koplet direkte til bryterne (C3 og C^) , mens den andre (Gg) er koplet direkte til C 4 og til C3 via en ti fase-forskyver (P^).

Deretter dannes q vinkelstråler for adekvat dekning av den nødvendige vinkelsektor. For dette formål blir de n signaler som er mottatt og avbalansert avfaset i faseforskyvere (D^ til Dn), deretter addert omtrentlig i adderere (si~Sg), ved hjelp av en trådmatrise (70). Halvparten av dem, fra mottagerstråler sentrert på f-^ sendingsmaksima blir filtrert rundt f-^ av filtere (F-^) , mens den andre halvdel, sentrert på f2 sendermaksima, blir filtrert rundt f2 av andre filtere (F2) Filtrene avgir q signaler på kanaler V-^ til V .

Ved et annet utførelseseksempel av oppfinnelsen innføres av-veiningsfunks joner f(x) av en annen type enn Tschebycheff funksjonene. Eksempelvis kan f(x) velges slik at

f(x) = 0,825 + 0,175 cos<4>(xn) (VII)

som vist i fig. 7, og forholdet LE/LR er 0,9.

Fig. 8 viser den totale retningsfunksjon for (6-Øo) over null hvor avveiningsfunksjonen oppnås ved pultiplikasjon av den omformede Fourier funksjonen av f(x) med funksjonen E(0). Dette viser at vinkelbredden av hovedsløyfen ved 3 dB for denne totale retningsfunksjon er ca. 10 radianer, hvis LE = 500 X, og sekundære maksimalverdier ikke overstiger -16,2 dB.

Ifølge foreliggende oppfinnelse foreslås således et antennesystem som kombinerer god vinkeloppløsning med lave sekundære sløyfenivåer.

Claims (3)

1. Antennesystem for detektering av bølger, f.eks. sonar-bølger, med høy oppløsningseffekt, omfattende en sendergruppe og en mottagergruppe, idet mottagergruppen er tildannet av transducere (T^-Tn) som er anordnet langs en utstrekning LR, samtidig som sendergruppen er tildannet av to transducere (Ti# Tn_1+i), idet transducerne i mottagergruppen (Tj_-T ) er forbundet med fler-terminalfa-seforskyvere (D]_-Dn) og samvirker med en adderingsanordning (S^-Sg) for for-forming av bølge-detekterings-stråler som etter tur dekker hovedsenderlober, slik at sendermottagersysternet har et totalt diagram med større oppløs-ningsef fekt for hver for-formet stråle, karakte-risert ved at for å sikre at sekundære lobe-maksimalverdier på sender- mottager-diagrammet vil væ-re mindre enn -16dB, og at hovedloben for dette diagram ikke utvider seg med en koeffisient som er større enn 1,3, er mottagertransducerne (T^-Tn) forbundet med faseforskyverne (D^-Dn) ved hjelp av en anordning (Ri-Rn) for avveining av amplituden av de signaler som mottas av disse transducere, og sendertransducerne (T^, Tn_^+^) er anordnet på en avstand LE som er mindre enn lengden LR, for ved denne sammentrekning å utvide lobene for senderdiagrammet og kompensere i det minste delvis virk-ningen av utvidelsen av hovedloben for mottagerdiagram-met som bevirkes av aweiningsanordningen.

2. Antennesystem som angitt i krav 1, karakterisert ved den funksjon som brukes i anordningen (R]_-Rn) for avveining av signaler, er en Tschebycheff-funksjon, og at lengden av LE er hovedsakelig lik 0.67 ganger lengden LR.

3. Antennesystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at avveiningsfunksjonen til anordningen (R;L-Rn) er slik at f (x) =0.825 + 0,175 cos<4> (TTx) , hvor x er koordinaten.langs mottagerantennen med utgangs- punkt i sentrum av antennen, og at lengden LE er hovedsakelig lik 0,9 ganger lengden LR.