RU104732U1 - Многочастотное гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство - Google Patents

Abstract

Многочастотное гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство, содержащее одинаковые поршневые электроакустические преобразователи достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры, λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединены линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) трактов излучения (приема) локатора, и эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции кольцевой формы, образуя общую приемоизлучающую цилиндрическую поверхность, т.е. кольцевой ряд в азимутальной плоскости из поршневых апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся по его длине), причем акустические оси преобразователей выходят из общего геометрического и соответственно фазового центра кольцевой несущей конструкции; волновые размеры электроакустических преобразователей позволяют формировать в азимутальной плоскости эхопоиска некомпенсированную результирующую характеристику направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которой основной лепесток узок - по углу места, но всенаправлен - по азимуту, а неравномерность по давлению определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей, отличающееся тем, что в антенное устройство дополнительно введены аналогичные электроакустические преобразователи, для размещения которых используется несущ�

Description

Полезная модель относится к гидроакустическим антенным устройствам, которые стационарно размещены на дне акватории и позволяют оператору локатора многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения в процессе обследования пространства осуществлять квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям, так и по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала, причем, спектральный состав полигармонических зондирующих сигналов определяется как полосой пропускания электроакустических преобразователей, из которых собрано антенное устройство, так и перераспределением по спектру акустической энергии мощных сигналов накачки ими излучаемых, т.е. эффектами самовоздействия и взаимодействия, возникающими при распространении многокомпонентных акустических волн конечной амплитуды за счет нелинейности упругих свойств водной среды. Гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство содержит необходимое количество одинаковых поршневых электроакустических преобразователей достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры, λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), снабженных элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Для размещения преобразователей используется несущая конструкция полусферической формы, на которой сформированы несколько приемоизлучающих поверхностей, образующих в азимутальной плоскости несколько находящихся друг над другом кольцевых рядов из поршневых апертур (ширина каждого ряда - диаметр, а периметры - суммы диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся на длине каждого кольцевого ряда), акустические оси преобразователей выходят из геометрического центра полусферы и, соответственно, фазового центра несущей конструкции. Это позволяет формировать в угломестной плоскости эхопоиска несколько естественных (некомпенсированных) результирующих характеристик направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которых основные лепестки узки - по углу места, но всенаправлены - по азимуту, а неравномерность по давлению - определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей. Преобразователи соединены в пределах каждого кольцевого ряда линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) многоканальных трактов излучения (приема) локатора, и являются излучателями волн накачки для «виртуальных» параметрических антенн. Устройство позволяет осуществлять «широкополосное акустическое облучение» (F_i=|f_2i-f_1i|,f_1i,f_2i,f_+i=f_2i+f_1i,2f_1i,2f_2i,.3f_1i,3f_2i…) подводного пространства акватории при синфазном электрическом возбуждении кольцевых рядов электроакустических преобразователей сигналами бигармонической накачки f_2i, f_1i «индивидуального» спектрального состава, входящими в их полосу пропускания (i - количество одинаковых диапазонов, т.е. шаг изменения частот волн накачки, в сумме составляющих полосу пропускания электроакустического преобразователя). Конструкция и расположение донного приемоизлучающего устройства на акватории позволяет с помощью гидроакустической аппаратуры, входящей в состав многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения и располагаемой на береговых постах, осуществлять эхопоиск объектов в заданной области водного пространства. Область использования - гидроакустика.

В гидроакустике при локации и пеленговании применяются различные способы обзора пространства, техническая реализация которых требует соответствующих конструкций многоэлементных приемоизлучающих интерференционных антенн с различной формой излучающей поверхности - плоской, цилиндрической, сферической и т.д. (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - с.40-49). Многоэлементная интерференционная гидроакустическая антенна - устройство, содержащее необходимое количество дискретных электроакустических преобразователей (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - с.101-106) с элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции, несущую конструкцию необходимой конфигурации, а также линии коммуникаций (провода) с вводами (выводами) электрической энергии, которое за счет сложения когерентных ультразвуковых колебаний зондирующего сигнала в водной среде, вызванных в точке наблюдения различными участками колеблющейся поверхности антенны, и(или) эхосигнала на ее поверхности, обеспечивает пространственно-избирательное излучение и(или) прием. Электроакустические преобразователи представляют собой электромеханические системы и предназначены для преобразования электрической энергии колебаний в ультразвуковую, излучения их в водную среду, приема ультразвуковой энергии колебаний, отраженных расположенными в водной среде объектами, и последующего преобразования их в электрические сигналы (используются обратимые пьезоэлектрический, магнитострикционный эффекты). Процесс излучения ультразвука в воду электромеханической колебательной системой под воздействием приложенных сил возбуждающего электрического (магнитного) поля происходит в результате возникновения переменного движущего усилия, которое сообщается излучающей поверхности (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. Пром., 1978, с.42-58). Под воздействием поля отраженных ультразвуковых волн принимающая поверхность и соединенная с ней колебательная система приходят в состояние колебаний. В результате этого на выходе приемного преобразователя появляется переменное электрическое напряжение (переменный электрический ток), которое в конечном итоге воспринимается индикатором устройства. Электроакустические преобразователи распределены и установлены на несущей конструкции определенной пространственной конфигурации, снабжены элементами экранировки, электро-, гидро- и шумоизоляции, соединены линиями коммуникаций (провода) в определенной последовательности как между собой, так и с выводами (вводами) электрической энергии.

В качестве первого аналога выбрана антенна с плоской апертурой, имеющая наиболее простую конструкцию, самый высокий коэффициент осевой концентрации, минимальные боковые лепестки и излучающую поверхность, наименьшее количество составляющих их электроакустических преобразователей (см. Гидроакустика за 20 лет / пер. с англ. Под ред. Ю.Ф.Тарасюка. - Л.: Судостроение, 1975. - c.150, Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Часть 1. - Таганрог, ТРТИ, 1978, с.17-24). Интерференционная многоэлементная гидроакустическая антенна с плоской апертурой, обеспечивающая прием и (или) излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержит электроакустические преобразователи, поверхности которых образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии коммуникаций (провода), соединяющие преобразователи как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами формирования и управления характеристиками направленности в трактах излучения и приема, несущую конструкцию, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике / Р.Х.Бальян, Э.В.Батаногов, А.В.Богородский и др. - Л.: Судостроение, 1989. - с.50-51, рис.1). Изготовление отдельных элементов и их сборка, а также монтаж многоэлементной антенны с плоской приемоизлучающей апертурой обычно сложны и трудоемки (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с 177). Интерференционная многоэлементная антенна из стержневых преобразователей устроена следующим образом. Электроакустические преобразователи выполнены в виде полуволновых секционированных стержней, которые эквидистантно распределены по ее плоской формируемой апертуре, но с зазорами, размер которых составляет около половины длины волны излучаемого сигнала. Электроды пьезоэлементов преобразователей электрически соединены проводами. Преобразователи крепятся с помощью металлических скоб к крышке винтами через электроизоляционную плату из текстолита. Крышка плотно входит в корпус, причем периметр их соединения герметизируется с помощью резиновых уплотнений, установленных в канавку крышки и выточку корпуса. К верхнему торцу корпуса приварена сплошным швом по периметру металлическая звукопрозрачная мембрана. Снаружи на нижней части крышки через фланец осуществлен герметичный и изолированный ввод (вывод) электрических коммуникаций - с помощью вулканизации изготовлена резиновая втулка кабельного ввода (вывода), в которой соединены вместе и укреплены фланец крышки, кабель, изоляционная втулка и стакан, кабель соединен с проводами, и, соответственно, с электродами пьезоэлементов. Внутренний объем корпуса с мембраной и установленной крышкой с электроакустическими преобразователями полностью залит обезгаженой электроизоляционной жидкостью. Для уравновешивания давления электроизоляционной жидкости внутри корпуса и окружающей его водной среды применяют компенсатор в виде резиновой мембраны, привулканизированной к резиновой втулке кабельного ввода и к наружной торцевой выточке крышки. Объемы корпуса антенны и компенсатора сообщаются каналами. Заливка жидкостью производится через отверстия в корпусе, которые заглушаются герметичными пробками. Крышка к корпусу, а также корпус в сборе через шумоизолирующую резину к несущей конструкции (корпус судна, поворотно-выдвижное устройство) крепятся болтами.

Функционирование интерференционной многоэлементной антенны с плоской приемоизлучающей апертурой происходит следующим образом. Стержневой пьезокерамический полуволновый преобразователь - обратимый электроакустический преобразователь, активный элемент которого состоит целиком из пьезокерамики, имеет форму стержня резонансного размера l_СТ=c_СТ /2f, где c_СТ - скорость звука в стержне, f - резонансная частота его колебаний (см. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - с.599). Из тракта излучения локатора по кабелю через герметичный ввод (вывод) поступает переменное электрическое напряжение, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой полуволнового электроакустического преобразователя, причем, в силу пьезоэлектрических свойств стержень будет изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания через электроизоляционную жидкость и звукопрозрачную мембрану передаются в водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых сферических волн одинаковой интенсивности во всех направлениях, что создает в окружающем пространстве на равных расстояниях от источника равномерное ультразвуковое поле. При синфазном электрическом возбуждении всех полуволновых стержневых преобразователей, составляющих плоскую апертуру многоэлементной антенны, ее характеристика направленности в водной среде будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой точке водной среды, проявляющейся в перераспределении звуковой энергии в виде чередующихся минимумов и максимумов амплитуды результирующего колебания при изменении угла отклонения лучей от нормали к линии, соединяющей источники колебаний (плоскость звукопрозрачной мембраны). При эхолокации антенна преобразует подаваемые на нее импульсы электрической энергии и излучает импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. Импульс ультразвуковой энергии распространяется в водной среде и при наличии на его пути объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды, происходит отражение акустических колебаний от него, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает, пройдя через звукопрозрачную мембрану, электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволнового стержневого электроакустического преобразователя, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение, поступающее через герметичный вывод (ввод) по кабелю в приемный тракт локатора.

Выше описан процесс естественного формирования характеристики направленности без компенсации, когда плоский фронт волны создается плоской излучающей поверхностью антенны (простое синфазное излучение), однако быстрый обзор окружающего пространства при этом невозможен и перемещение основного лепестка характеристики направленности в пространстве достигается механическим поворотом излучающей поверхности антенны как в азимутальной, так и угломестной плоскостях. Шаговый обзор осуществляется путем облучения зоны пространства, охваченной сформированной характеристикой направленности, и приема эхосигналов от объектов, оказавшихся в пределах этой зоны. Цикл такого обзора занимает время t₃=2·r_max/с, где r_max - ожидаемая дальность действия локатора, с - скорость звука в воде (см. Простаков А.П. Электронный ключ к океану: Гидроакустическая техника сегодня. - Л.: Судостроение, 1978 г., с.10-13). Перед каждой очередной посылкой антенна механическим способом поворачивается на новое направление, отличающееся от предыдущего на угол Δ (шаг поиска, обычно не превышает 5°-10°). Полное время Т_ОБЗ обзора сектора Ω может быть довольно большим, возрастая с увеличением дальности действия, и составляет T_ОБЗ=Ω·t₃/Δ. Шаговый обзор наиболее прост и дешев в аппаратурном воплощении, требует приемоизлучающих антенн с минимальными габаритами и массой, достаточно эффективно использует излученную акустическую энергию при эхопоиске, но требует больших затрат времени на обследование горизонта, обеспечивает информацию об обстановке только в пределах зоны «акустического облучения», осуществим при механическом повороте антенны, использование в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения осложнено помехами взаимного влияния (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с.10).

Для интерференционной многоэлементной антенны с плоской приемоизлучающей апертурой возможно искусственное (компенсированное) формирование и немеханическое изменение положения главного максимума характеристики направленности за счет создания определенного амплитудного и (или) линейно изменяющегося распределения временной задержки моментов излучения (приема) по электроакустическим преобразователям антенны, т.е. как антенны из точечных элементов с амплитудным и фазовым распределением (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.80-90). Так, неравномерное амплитудное распределение по элементам антенны требует применения многоканальных как излучающих (величина возбуждающего электрического сигнала, подаваемого на каждый элемент, «индивидуальна»), так и приемных (чувствительности в режиме приема элементов антенны различны) трактов локационного устройства, в которых используются дополнительные радиотехнические цепи - линии задержки, фазовращатели, элементы согласования и усиления (ослабления) и т.д., что неизбежно ухудшает отношение сигнал-помеха. В настоящее время антенные решетки с плоской апертурой позволяют формировать характеристики направленности различной формы и управлять ориентацией их главных максимумов в пространстве не механическим, а электронным способом: - в двух плоскостях (азимутальной и угломестной) до углов (±45°) от нормали к плоскости антенны. Так, например, электронное сканирование - поворот основного лепестка характеристики направленности на угол θ с помощью многоэлементной антенны с плоской апертурой осуществляется путем подачи на все электроакустические преобразователи (электромеханические колебательные системы) запаздывающих друг относительно друга возбуждающих моночастотных радиоимпульсов, что определяет временную задержку моментов излучения отдельных преобразователей: для двух соседних элементов эквидистантной антенны величина временной задержки Δt_n=d·sinθ/c и соответствующий набег фазы Δφ_n=k·d·sinθ постоянны, где d - расстояние между геометрическими центрами соседних элементов антенны; θ - угол между нормалью к поверхности антенны и направлением зондирования; k=2π/λ - волновое число; λ - длина волны сигнала в воде со скоростью распространения звука с (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.69-100). Изменение ориентации в плоскости сканирования основного лепестка осуществляется плавным или дискретным изменением значений величин Δt_n или Δφ_n, очередностью подачи возбуждающих сигналов на элементы антенны. Электронное сканирование требует введения соответствующего амплитудно-фазового распределения по элементам плоской антенной решетки с помощью радиотехнических цепей (линии задержки, фазовращатели), усложняя тракты локатора, уменьшая его к.п.д. за счет потерь, вносимых электрическими цепями, но все же не обеспечивает круговой обзор в реальном масштабе времени. При сканировании (качании) основного лепестка в секторе, превосходящем по ширине главный максимум характеристики направленности, происходит расширение и изменение его формы, появляются новые боковые лепестки, изменяется значение коэффициента осевой концентрации, что при многопозиционном обследовании объема даст значительную помеху взаимного влияния по гидроакустическому каналу, Сложная и дорогостоящая конструкция загерметизированного полимером приемоизлучающего антенного блока, собранная из большого числа резонансных пьезоэлементов, в случае неисправности отдельных из них теряет заданные свойства и не подлежит ремонту (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - с.157, Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - с.74-82). Как известно, рефракция в природных мелководных водоемах является основным фактором, определяющим геометрическую дальность действия локационной системы D_Г=h'×tgθ₀/4×(secθ₀-1), где θ₀≈θ_0,7 - полуширина пучка излучаемых лучей, h' - расстояние по вертикали от излучателя до отражающей границы (см. Яковлев А.H., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983. - с.62-73). Отсюда следует, что изменение геометрической дальности действия локатора при осуществлении эхопоиска напрямую определяется возможностью регулировки остроты направленного действия антенной решетки при ее неизменном заглублении, что связано с изменением частоты рабочего ультразвукового сигнала, перестройкой режимов работы фазирующих радиотехнических устройств, но не обеспечивается в рассмотренном выше аналоге.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является несоответствие пространственных характеристик акустических полей, формируемых интерференционной многоэлементной антенной с плоской приемоизлучающей апертурой, актуальной задаче широкополосного и всенаправленного многопозиционного обследования локатором водного объема акватории в реальном масштабе времени.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, линии электрических коммуникаций (провода), соединяющие электроакустические преобразователи как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов со входами трактов излучения и приема, несущая конструкция, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

В качестве второго аналога выбрана многоэлементная дискретная антенна (антенная решетка) с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, которая более пригодна для быстрого всенаправленного обследования водного объема акватории (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.69-100, Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. Пром., 1978, с.73-90, Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, с.35). Интерференционная многоэлементная гидроакустическая антенна цилиндрической формы, обеспечивающая прием и (или) излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержит электроакустические преобразователи (пьезоэлектрические или магнитострикционные), распределенные в секции как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях по цилиндрической боковой поверхности, линии коммуникаций (провода), соединяющие как преобразователи между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами формирования и управления характеристиками направленности в трактах излучения и приема, несущую конструкцию, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

Конструкции многоэлементных интерференционных антенн с цилиндрической апертурой широко известны и описаны в литературе (см. Гидроакустика за 20 лет / пер. с англ. Под ред. Ю.Ф.Тарасюка. - Л.: Судостроение, 1975. - c.152, Простаков А.П. Гидроакустика и корабль. - Л.: Судостроение, 1967 г., с.35, В.Н.Краснов Локация с подводной лодки. М.: Изд. ДОСААФ, 1968, с.56-62, Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - с.81, Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.90-100). Изготовление отдельных электроакустических преобразователей и их сборка, а также монтаж многоэлементной компенсированной антенны с цилиндрической апертурой обычно сложны и трудоемки (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с 173-177), причем, при монтаже могут быть использованы как описанные выше полуволновые стержневые, так и цилиндрические сегментированные преобразователи. Так, например, цилиндрический сегментированный электроакустический преобразователь содержит пьезоактивный элемент, состоящий из трапецеидальных призм, которые склеены между собой, образуя цилиндр. Поверхности склеиваемых граней призм посеребрены и содержат выведенные во внутренний объем преобразователя электроды - тонкие лепестки из латуни для электрического соединения пьезоэлементов, лепестки припаяны к соответствующим проводам. На наружную поверхность цилиндрического сегментированного кольца надет с натяжением резиновый чехол, к которому со стороны его торцов герметично приклеены два стальных фланца. Через каждый фланец осуществлен герметичный и изолированный ввод электрических коммуникаций - с помощью вулканизации изготовлены две резиновые втулки кабельных вводов, в каждой из которых соединены вместе и укреплены патрубок фланца, кабель, изоляционная втулка, каждый кабель соединен с проводами. Через соосные отверстия во фланцах, середину цилиндрического кольца проходит шпилька с гайками, герметизированная уплотнительными кольцами. Армирование и герметизация сегментированного цилиндрического кольца с резиновым чехлом осуществляется стягивающим стальным бандажом, надеваемым в горячем состоянии на цилиндрическую поверхность (см. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - с.81).

Как отмечено выше, функционирование многоэлементной интерференционной антенны с цилиндрической апертурой не имеет принципиальных отличий от работы интерференционной антенны плоской формы и может осуществляться в следующих вариантах возбуждения: 1) как в излучении, так и в приеме задействованы все электроакустические преобразователи (фазовое распределение отсутствует), в результате чего сформирован результирующий главный максимум характеристики направленности в излучении (приеме): ненаправленный - в азимутальной плоскости, но узкий - в угломестной плоскости; 2) как в излучении, так и в приеме используются преобразователи, расположенные на части боковой поверхности цилиндра, соответствующей некоторому рабочему сектору (фазовое распределение отсутствует или введено фазовое распределение, осуществляющее компенсацию в направлении оси рабочего сектора), в пределах которого формируется одновременно или последовательно веер характеристик направленности в приеме, в излучении же можно сформировать один или несколько (2-3) неподвижных или сканирующих лепестков характеристик направленности, причем, введение фазового распределения позволяет сформировать существенно более острые лепестки характеристики направленности (см. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - с.682-684). Отмеченное функционирование антенны цилиндрической формы определяет два основных варианта кругового обзора, в соответствии с которыми в активном режиме в течение каждого цикла просматривается в плоскости обзора окружающее пространство (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с.6-16). При круговом обзоре пространства со всенаправленным в азимутальной плоскости излучением и быстро сканирующим узким основным лепестком характеристики направленности при приеме цилиндрической антенной локатора через промежутки времени t₃ излучаются импульсы длительностью τ. С окончанием излучения электронным способом формируется и поворачивается в плоскости обзора с постоянной скоростью основной лепесток характеристики направленности многоэлементной антенны цилиндрической формы в режиме приема. Скорость сканирования лепестка выбирается из условия, что один полный оборот происходит за промежуток времени, не превышающий длительность возможного эхоконтакта, примерно равное τ. При соблюдении этого условия часть энергии эхосигнала, приходящего с любого направления, обязательно поступит в приемный тракт, однако, так как сканирование происходит непрерывно длительность приема τ_пр эхосигнала с данного направления составит лишь небольшую часть полного времени существования отраженного сигнала τ: τ_пр=τ·θ_0,7пр/360°, т.е. длительность регистрации эхоконтакта определится интервалом нахождения объекта в пределах основного лепестка шириной θ_0,7пр. Таким образом, данному варианту кругового обзора присущи недостатки - нерационально расходуется энергия при излучении и теряется большая часть энергии сигнала при приеме, что ухудшает отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с.11). От данных недостатков свободен второй вариант кругового обзора - с направленно-сканирующим излучением и статической многолепестковой характеристикой направленности при приеме. Облучение окружающего пространства осуществляется последовательно, в течение каждого полного оборота равномерно вращающимся в азимутальной плоскости основным лепестком характеристики направленности, сформированной электронным способом - за счет фазирования электрических сигналов, возбуждающих отдельные излучающие секции вертикально расположенной цилиндрической антенны, что обеспечивает концентрацию всей излучаемой в данный момент энергии в пределах основного лепестка, совпадающего с конкретным направлением эхопоиска в течение определенного времени, называемого эффективной длительностью посылки τ_ЭФФ. Для приема эхосигналов используют многоканальный тракт со статически сформированными (с применением задерживающих цепей или элементов цифровой техники) лепестками характеристики направленности секционированной цилиндрической антенны, которые равномерно перекрывают всю плоскость обзора или только нужный сектор. Это обеспечивает квантование зоны обзора по направлениям - каждый лепесток и подключенный к нему индивидуальный канал обработки сигнала выдает информацию о целях, находящихся на данном направлении эхопоиска, происходит накопление энергии эхосигналов. Обзор пространства - сканирование по азимуту осуществляется за счет последовательного опроса выходов всех каналов и подключения их к индикатору кругового обзора со спиральной разверткой луча. Такой способ построения приемного тракта исключает потери энергии сигнала, неизбежные при сканировании, позволяет сузить полосу пропускания, что делает тракт более помехоустойчивым, и в конечном итоге улучшает отношение сигнал/помеха.

Для изменения положения круговой зоны обзора электронным способом - вверх или вниз относительно азимутальной плоскости - каждая вертикальная секция цилиндрической антенны разделена на части в диаметральной плоскости, образующие горизонтальные кольца, количество которых определяется необходимой величиной наклона луча в угломестной плоскости: например, для смещения акустической оси излучения на углы до (45-50)° количество колец достигает 12, что на (40-60)% увеличивает объем электронной аппаратуры и усложняет конструкцию приемоизлучающей интерференционной антенны с цилиндрической апертурой, так, необходимое количество электроакустических преобразователей и функциональных узлов - электроизоляции, герметизации, экранирования и т.д. для ее изготовления примерно в три раза больше, чем для соответствующей интерференционной антенны с плоской апертурой и механическим наклоном (разворотом). Так, приемоизлучающая интерференционная антенна с цилиндрической апертурой для всенаправленного гидролокатора «Угорь», состоит из 432 элементов, которые соединены через коммутаторы с таким же числом электронных каналов как в излучающем, так и приемном трактах, что позволяет изменять угол наклона луча в угломестной плоскости в диапазоне от (+10°) до (-45°). Смещение в угломестной плоскости на угол до 45° основного максимума характеристики направленности вызывает его расширение на 40%, а также увеличение уровня бокового излучения до (30-35)%, что требует введения дольф-чебышевского амплитудного распределения вдоль разделенных на части вертикальных секций данной антенны (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.).

Существенным ограничением для изготовления как сферических, так и цилиндрических антенн с рабочими сигналами ультразвукового диапазона является необходимость расположения фазовых центров отдельных элементов на расстояниях, близких к λ/2, т.е. половине длины волны излучаемого ультразвука. Например, известен низкочастотный всенаправленный гидролокатор SP70 фирмы «Simrad» с интерференционной многоэлементной (241 элемент) антенной сферической формы диаметром 29 см [см. http://www.simbia.ru/ru/page.php?eq=sonars&id=spsrg], который позволяет осуществлять эхопоиск в режимах как тональной посылки с частотой 26 кГц, так и полигармонической посылки с частотами 24 кГц, 26 кГц и 28 кГц, входящими в полосу пропускания антенны (трехчастотный режим работы). Гидролокатор имеет 241 канал как в излучающем, так и приемном трактах, что позволяет осуществлять подводное наблюдение в режимах как кругового обзора (в азимутальной плоскости - 360°, в угломестной - 60°), так и одиночного луча (в азимутальной и угломестной плоскостях - 12°), причем, предусмотрено штатное изменение угла наклона луча в угломестной плоскости в диапазоне от (+10°) до (-60°), а также дополнительный режим наклона до (-90°). Если число каналов равно числу круглых плоских электроакустических преобразователей, образующих сферическую антенну, то диаметр каждого составляет ≈3,5 см при разнесении фазовых центров соседних на расстояние λ/2≈2,9 см. Приемоизлучающая секционированная (480 элементов=48 вертикальных рядов по 10 элементов в каждом) интерференционная антенна цилиндрической формы высокочастотного всенаправленного гидролокатора SH80 позволяет осуществлять эхопоиск в режиме тональной посылки с частотой 116 кГц. Гидролокатор имеет 240 и 480 каналов в излучающем и приемном трактах соответственно, что позволяет осуществлять подводное наблюдение в режимах как кругового обзора (в азимутальной плоскости - 360°, в угломестной - 60°), так и одиночного луча (в азимутальной плоскости - 8°, в угломестной - 9°), причем, предусмотрено изменение угла наклона луча в угломестной плоскости в диапазоне от (+10°) до (-60°). Для последней конструкции высокочастотной антенны с цилиндрической апертурой оптимальное значение разнесения фазовых центров соседних элементов составляет λ/2≈6,5 мм, в то время как размеры используемых прямоугольных элементов составляют не менее 5,2 мм и 10,5 мм (в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно), что и привело к уменьшению вдвое числа каналов при излучении.

К недостаткам многоэлементных интерференционных антенн с цилиндрической апертурой следует отнести следующее: 1) наличие радиотехнических устройств (линий задержки, фазовращателей и др.) усложняет тракты локатора и уменьшает его к.п.д. за счет потерь, вносимых их электрическими цепями; 2) фазовая компенсация посредством использования фазоуправляющих радиотехнических устройств постоянна во всех направлениях, что приводит к увеличению уровня бокового поля, и, соответственно, к снижению коэффициента концентрации антенны; 3) уменьшение надежности локатора за счет увеличения числа электроакустических преобразователей, сопутствующих дополнительных устройств для электроизоляции, экранировки, герметизации и т.д., а также усложнения конструкции антенны вследствие применения большого числа кабельных вводов; 4)использование оптимального распределения амплитуды возбуждения элементов антенны сопровождается наличием амплитудных (различие чувствительностей или выход из строя пьезоэлементов, дискретность установки коэффициентов амплитудного распределения) и фазовых (технологические неточности установки элементов антенны, дискретность фазовых и временных сдвигов при цифровом формировании характеристики направленности) ошибок в элементах и каналах электронных трактов, что увеличивает уровень излучения бокового поля; 5) неремонтопригодность многоэлементной антенны при выходе из строя части электроакустических преобразователей; 6) рабочий диапазон частот антенн ограничен полосой пропускания резонансных электроакустических преобразователей, таким образом, изменение геометрической дальности действия локатора за счет регулировки остроты направленного действия антенной решетки с цилиндрической апертурой вследствие изменения частоты рабочего ультразвукового сигнала неосуществимо; 7) для многоэлементной антенны с цилиндрической апертурой существует оптимальный компенсируемый раскрыв - рабочий сектор в азимутальной плоскости ≈120°, величина которого определяется коэффициентом использования площади антенны, в угломестной плоскости сектор сканирования ограничен: в направлениях «вверх» и «вниз» существуют «слепые зоны обзора»; 8) использование нескольких устройств активной локации, снабженных однотипными антеннами с цилиндрическими апертурами (многопозиционная система подводного наблюдения), для эхопоиска на мелководной акватории осложнено помехами взаимного влияния.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является несоответствие пространственных характеристик акустических полей, формируемых многоэлементной интерференционной антенной с цилиндрической формой раскрыва приемоизлучающей поверхности, актуальной задаче широкополосного и всенаправленного многопозиционного обследования локатором водного объема акватории в реальном масштабе времени.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, линии электрических коммуникаций (провода), соединяющие как электроакустические преобразователи между собой, так через вводы (выводы) электрических сигналов с входами трактов излучения и приема, несущая конструкция, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

В качестве прототипа выбрано гидроакустическое антенное устройство для осуществления подводного наблюдения (круговой или секторный обзор) (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. пром., 1978, с.148), содержащее одинаковые поршневые электроакустические преобразователи достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры, λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединены линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) трактов излучения (приема) локатора, и эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции кольцевой формы, образуя общую приемоизлучающую цилиндрическую поверхность, т.е. кольцевой ряд в азимутальной плоскости из поршневых апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся по его длине), причем, акустические оси преобразователей выходят из общего геометрического и, соответственно, фазового центра кольцевой несущей конструкции; волновые размеры электроакустических преобразователей позволяют формировать в азимутальной плоскости эхопоиска естественную (некомпенсированную) результирующую характеристику направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которой основной лепесток узок - по углу места, но всенаправлен - по азимуту, а неравномерность по давлению - определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических Отличительной особенностью прототипа является то, что с его помощью сканирование направления эхопоиска осуществляется как без электромеханического изменения положения антенного устройства, так и без использования дополнительных радиотехнических устройств (линий задержки или фазовращателей), а только за счет последовательного переключения с помощью электронного коммутатора режимов «излучение-прием» заданного количества преобразователей, плоские апертуры которых аппроксимируют внешнюю боковую поверхность кольцеобразной несущей конструкции. В источнике описаны конструктивные особенности антенного устройства: используется 20 плоских электроакустических преобразователя с круглой апертурой диаметром 0,4 м каждый и шириной основного лепестка характеристики направленности по уровню 0,7 θ_0,7=18° на рабочем сигнале с частотой 12,5 кГц, акустические оси которых выходят из геометрического центра кольцевой несущей конструкции, а излучающие поверхности - аппроксимируют внешний периметр боковой поверхности кольцевой конструкции с диаметром более 2 м, что, по мнению разработчика, делает его непригодным к применению на рыбопоисковых судах. Однако подобные габариты совсем не исключают возможности применения данного гидроакустического антенного устройства при стационарном размещении на дне «озвучиваемой» акватории.

Преимущества данного решения очевидны - антенное устройство позволяет производить быстрый и эффективный поиск в азимутальной плоскости окружающего водного пространства в пределах дальности действия для каждого «индивидуального» направления эхопоиска, определяемого различной статической ориентацией в пространстве каждого электроакустического преобразователя, причем, их отдельные главные максимумы характеристик направленности образуют в пространстве основной лепесток (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) результирующей характеристики направленности всего антенного устройства. Данное гидроакустическое антенное устройство позволяет эффективно использовать излучаемую в каждом направлении акустическую энергию, обеспечивает однозначность регистрации дистанции и направления на объект эхопеленгования, отсутствует необходимость использования радиотехнических устройств (линии задержки, фазовращатели), что упрощает тракты локатора и повышает его к.п.д. за счет отсутствия потерь, вносимых их электрическими цепями. Гидроакустическое антенное устройство транспортабельно и может устанавливаться в различных точках акватории, допускает подъем из воды для обслуживания и осмотра, ремонтопригодно, дешево и технологично, так как выполнено из унифицированных электроакустических преобразователей достаточных волновых размеров, размещенных на несущей конструкции заданной пространственной формы.

Функционирование гидроакустического антенного устройства обеспечивает подводное наблюдение на акватории, объединяя как шаговый, так и круговой (секторный) способы обзора. В случае шагового обзора электроакустические преобразователи, обладающие достаточными волновыми размерами и необходимой остротой основного лепестка характеристики направленности как при излучении, так и при приеме, поочередно облучают определенные зоны пространства и принимают эхосигналы от целей, оказавшихся в них. За счет указанного выше относительного взаимного расположения электроакустических преобразователей каждая очередная ультразвуковая посылка излучается в новом направлении, отличающемся от предыдущего на угол, называемый шагом поиска, что позволяет при известных недостатках шагового обзора использовать локатор с одноканальным как излучающим, так и приемным трактами. В случае кругового (секторного) обзора эти же электроакустические преобразователи одновременно облучают необходимые зоны пространства и принимают эхосигналы от целей, оказавшихся в них, что предполагает использование локатора с многоканальными как излучающими, так и приемными трактами.

Гидроакустическое антенное устройство собрано из пьезокерамических полуволновых преобразователей с плоским круглым раскрывом, каждый из которых формирует характеристику направленности, имеющую круговую симметрию относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярно к поверхности. Функционирование устройства при шаговом обзоре происходит следующим образом. Приемоизлучающий обратимый электроакустический преобразователь, активный элемент которого состоит из пьезокерамики и имеет форму диска диаметром D=2а с толщиной резонансного размера l_диска=c_диска/2f, где с_диска - скорость звука в диске, f - резонансная частота его колебаний (см. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - с.599). Из тракта излучения локатора по кабелю через герметичный ввод (вывод) поступает переменное электрическое напряжение, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой полуволнового электроакустического преобразователя, в силу пьезоэлектрических свойств диск будет изменять свою толщину с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будет совершать колебания. Все точки поверхности колеблются синфазно и с одинаковой амплитудой (поршневой излучатель). Эти колебания передаются в водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений, причем, в некоторых направлениях результирующая амплитуда когерентных колебаний увеличивается (фазы колебаний совпадают), в других - в той или иной степени ослабляются (фазы колебаний не совпадают), что создает распределение энергии в пространстве, определяемое направлением на точку наблюдения из места расположения преобразователя, т.е. двумя углами - азимутальным и углом места, которое называется его характеристикой направленности. Форма характеристики направленности изменяется при удалении от преобразователя, причем, ее стабилизация происходит на расстоянии примерно равном длине зоны дифракции l_Д=а²ω₀/2с₀=π·а²/λ, где ω₀=2π·f - циклическая частота, λ=c₀/f - длина волны и c₀ - скорость звука в воде. Нормированная характеристика направленности круглого плоского поршневого электроакустического преобразователя определяется выражением (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.9-19).

R(θ)=2I₁(z)/z=2I₁(πD·sinθ/λ)/πD·sinθ/λ,

где I₁(z) - табулированная цилиндрическая функция Бесселя первого порядка, причем, известны соотношения для расчета в характеристике направленности углов отклонения от акустической оси направлений дополнительных первого и второго максимумов и (относительные уровни боковых лепестков в характеристике направленности составляют 13%, 6% от величины главного максимума), а также минимумов и . Для приближенных расчетов ширины основного лепестка на заданном относительном уровне (0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) (т.е. величины углового сектора от заданного уровня до заданного уровня при переходе через акустическую ось преобразователя) в характеристике направленности круглого поршня (в градусах) в зависимости от его волнового размера может быть использована формула θ_R=χ·λ/D, где уровням R=0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента χ=58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0. При эхолокации полуволновые дисковые электроакустические преобразователи излучают импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности, распространяющиеся в водной среде. При наличии на траектории его распространения объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды, происходит отражение акустических колебаний, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволнового дискового электроакустического преобразователя, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение, поступающее через герметичный вывод (ввод) по кабелю в приемный тракт локатора.

Обзор осуществляется путем облучения зоны пространства, охваченной основным лепестком характеристики направленности, и приема эхосигналов от целей, оказавшихся в пределах этой зоны. Цикл такого обзора занимает время t₃=2·r_max/с, где r_max - ожидаемая дальность действия локатора, с - скорость звука в воде (см. Простаков А.П. Электронный ключ к океану: Гидроакустическая техника сегодня. - Л.: Судостроение, 1978 г., с.10-13). Перед каждой очередной посылкой с помощью электронного коммутатора тракт излучения локатора подключается к соседнему полуволновому электроакустическому преобразователю, с помощью которого осуществляется обзор соседней зоны пространства с новым направлением эхопоиска, отличающимся от предыдущего на угол Δ (шаг поиска, обычно не превышает величину θ_R). Полное время Т_ОБЗ обзора сектора Ω может быть довольно большим, возрастая с увеличением дальности действия, и составляет T_ОБЗ=Ω·t₃/Δ (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с.10). Шаговый обзор наиболее прост и дешев в аппаратурном воплощении, не требует использование локатора с многоканальными как излучающими, так и приемными трактами, достаточно эффективно использует излученную акустическую энергию при эхопоиске, осуществим как без механического поворота антенны, так и без использования радиотехнических устройств (линии задержки, фазовращатели), что упрощает тракты локатора и повышает его к.п.д. за счет отсутствия потерь, причем, конструкция приемоизлучающего антенного устройства локатора проста, имеет приемлемые для донного размещения габариты и массу. Однако шаговый обзор требует больших затрат времени на обследование горизонта, обеспечивает «моночастотную» информацию об обстановке только в пределах зоны «акустического облучения», оставляя значительную область непосредственно над антенным устройством без осмотра, причем, их использование в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения осложнено помехами взаимного влияния соседних донных приемоизлучающих устройств.

Гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство обеспечивает круговой обзор при синфазном электрическом возбуждении всех полуволновых дисковых преобразователей, составляющих его излучающую поверхность, причем, отдельные главные максимумы характеристик направленности электроакустических преобразователей образуют в пространстве основной лепесток (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) результирующей характеристики направленности, неравномерность по давлению которого в азимутальной плоскости определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5) перекрывания соседних основных лепестков. Статически сформированные лепестки результирующей характеристики направленности приемоизлучающего антенного устройства равномерно перекрывают всю азимутальную плоскость (сектор обзора), что позволяет непрерывно просматривать все окружающее пространство (сектор), определять пеленги и дистанции до всех целей, находящихся в зоне обзора, причем, осуществлено квантование зоны обзора по направлениям - каждый лепесток результирующей характеристики направленности и подключенные к нему индивидуальные приемно-излучающие тракты, каналы обработки эхосигналов выдают информацию о целях, находящихся в зонах, охваченных отдельными лепестками, и эхосигналы поступают в каждый канал в течение полного времени своего существования. Обзор всего горизонта осуществляется за счет последовательного опроса выходов всех каналов и подключения их к индикатору кругового обзора. Такое построение приемного тракта исключает потери энергии сигнала, неизбежные при сканировании, позволяет сузить полосу пропускания, что делает тракт более помехоустойчивым. Однако данный способ обзора обеспечивает лишь информацию об обстановке в пределах зон «акустического облучения» лишь на одной рабочей частоте, использование в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения осложнено помехами взаимного влияния соседних донных приемоизлучающих устройств.

Гидроакустическое антенное устройство имеет недостатки, обусловленные использованием для эхопоиска одинаковых полуволновых дисковых электроакустических преобразователей, что, создавая определенные преимущества - снижение себестоимости изготовления крупной серии резонансных электроакустических преобразователей, простота и технологичность изготовления несущей конструкции, квантованный по направлениям эхопоиск, в то же время приводит к «взаимному ультразвуковому ослеплению» за счет приема и регистрации переотраженных границами раздела «моночастотных» зондирующих сигналов (помехи взаимного влияния) при использовании нескольких антенных устройств в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения на мелководной, но протяженной акватории. Решение проблемы возникновения помех взаимного влияния гидролокационных устройств, используемых на акватории при небольших удалениях друг от друга, возможно за счет расширения диапазона рабочих частот эхопоиска и работе каждого донного приемоизлучающего устройства на «своем», отличном от других наборе зондирующих сигналов, что в рамках «линейной акустики» требует применения большого количества разнорезонансных электроакустических преобразователей различных габаритов и массы. Конструкция прототипа не позволяет осуществлять изменение положения сектора обзора в угломестной плоскости, что существенно сокращает эксплуатационные возможности при использовании антенных устройств в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения, так как оставляет без акустической «подсветки» обширную зону непосредственно над донным гидроакустическим антенным устройством.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: одинаковые поршневые электроакустические преобразователи достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры, λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединены линиями электрических коммуникаций провода) как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) трактов излучения (приема) локатора, и эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции кольцевой формы, образуя общую приемоизлучающую цилиндрическую поверхность, т.е. кольцевой ряд в азимутальной плоскости из поршневых апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся по его длине), причем, акустические оси преобразователей выходят из общего геометрического и, соответственно, фазового центра кольцевой несущей конструкции; волновые размеры электроакустических преобразователей позволяют формировать в азимутальной плоскости эхопоиска естественную (некомпенсированную) результирующую характеристику направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которой основной лепесток узок - по углу места, но всенаправлен - по азимуту, а неравномерность по давлению - определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности осуществления многочастотного эхопоиска объектов в полусферической области водного пространства мелководной акватории с помощью локатора, снабженного гидроакустическим приемоизлучающем антенным устройством, что не позволяет оператору устройства в процессе подводного наблюдения осуществлять квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям «излучение-прием», так и по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала.

Уникальные характеристики полигармонической «акустической освещенности» границ раздела и объектов эхопоиска: малый уровень бокового излучения при постоянстве остроты направленного действия в широком диапазоне изменения рабочих частот, небольшие весогабаритные показатели и т.д., могут быть обеспечены при возбуждении полуволновых электроакустических преобразователей мощными электрическими бигармоническими сигналами с частотами f₁, f₂, находящимися в их полосе пропускания, т.е. в режиме работы исходного преобразователя накачки излучающей параметрической антенны. В данном случае электроакустический преобразователь накачки излучает в нелинейную водную среду два соосных интенсивных ультразвуковых пучка волн конечной амплитуды, в приосевой области которых при выполнении условий синхронизма происходит генерация новых спектральных компонент, что и позволяет сформировать полигармонический зондирующий сигнал. Возникновение полигармонического зондирующего сигнала в акустическом поле следует рассматривать как результат изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного бигармонического (f₁, f₂) сигнала накачки, что приводит к перераспределению энергии интенсивных ультразвуковых волн по частотной оси как «вверх» - генерации высших гармонических компонент волн накачки, волны суммарной частоты (nf₁,nf₂,f₊=f₁+f₂), где n=2,3,4,…, (см. Волощенко В.Ю. и др. Нелинейная гидроакустическая локационная система для мониторинга водного объема взлетно-посадочной полосы гидроаэродрома // Материалы Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. T.1. - С.274-276), так и «вниз» - генерации волны разностной F=|f₁-f₂| частоты (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Под общ. ред. В.И.Тимошенко. Таганрог, Изд. ТРТУ. 1999, с.389-402, 438-441). Акустические поля сигналов высших гармоник обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи с чем главный максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте f изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Аналогичные характеристики: отсутствие бокового поля в излучении, ширина основного лепестка по уровню 0,7, определяемая остротой направленного действия исходного электроакустического преобразователя на сигнале накачки и т.д. - имеет и низкочастотное излучение волны разностной частоты (см. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д: Ростиздат, 2004).

Необходимость обнаружения малоразмерных объектов, у которых площадь поперечного сечения обратного рассеяния пропорциональна 1/λ⁴, диктует необходимость применения высокочастотных зондирующих сигналов для эхопоиска на мелководье. Так, для многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения может быть актуально решение такой задачи как дистанционный контроль состояния стационарных подводных крупноячеистых сеточных заграждений акваторий гидроаэродромов, гаваней и т.д., которые изготовлены из тонких синтетических материалов с диаметром до долей миллиметра - «акустически невидимых» в традиционном гидроакустическом диапазоне частот. Подобное заграждение можно рассматривать как пространственно-протяженный объект, включающий в себя малоразмерные сферы (узлы) и тонкие протяженные связи (нити), функция обратного рассеяния которых σ попадает в релеевскую область, причем, для простых жестких сферических целей (узлов) поперечное сечение обратного рассеяния обладает частотной зависимостью. Теория рассеяния звука от малой неподвижной жесткой сферы была развита Релеем (см. К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография: основы и применения. - Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1980. - с.195-204), который показал, что отношение интенсивности рассеянного звука I_r на большом расстоянии z от сферы к интенсивности I_i падающей плоской волны равно

I_r/I_i=π²×V²×(1+1,5×cosµ)²/z²×λ⁴,

где - объем сферы; λ_(nf) - длина волны; µ - угол между направлением рассеяния и направлением на источник сигнала (для случая обратного рассеяния µ=0°). Предположим, что малая сфера облучается полигармоническим зондирующим сигналом, содержащим как высшие гармоники, так и субгармоники основного тона с частотой f. Тогда выражение для силы цели малой неподвижной жесткой сферы на единичном расстоянии (z=1 метр) от ее «акустического центра» для рабочих локационных сигналов с длиной волны λ_(nf)=λ_(f)/n (для гармоник n=2, 3, …, а для субгармоник n=1/2, 1/3,…) устройства будет иметь вид

где радиус сферы и длина волны λ_(nf)=λ_(f)/n используемого локационного сигнала должны иметь одинаковые единицы измерений. Из соотношения следует, что при n=2 сила цели увеличится на (+12 дБ) (увеличение частоты сигнала), а при n=1/2 сила цели снизится на (-12 дБ) (уменьшение частоты сигнала) относительно исходной величины силы цели на частоте f. Таким образом, если полигармонический ультразвуковой сигнал падает на нерезонансные рассеиватели, геометрические размеры которых соответствуют области релеевского рассеяния, то обратное рассеяние будет более сильным для высокочастотных компонент сигнала (на величину 40×lgn, где n- номер используемой гармоники), что даст возможность увеличения эффективности обнаружения «акустически малозаметных» препятствий с помощью многопозиционных гидроакустических систем, обладающих режимом ближнего подводного наблюдения за счет снижения помех взаимного влияния по гидроакустическому каналу.

Задачей данной полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет осуществления широкополосного эхопоиска объектов в полусферической области водного пространства мелководной акватории с помощью локатора, снабженного многочастотным донным гидроакустическим приемоизлучающем антенным устройством, что позволяет оператору устройства в процессе подводного наблюдения осуществлять квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям «излучение-прием», так и по спектральному составу «акустической подсветки» (по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала).

Технический результат полезной модели заключается в получении уточненной информации в широкой полосе рабочих частот как о обнаруженных целях и характеристиках их движения (пеленг, дальность, скорость), так и о общей обстановке на акватории (глубина, направление и скорость течения водных масс, высота, скорость и направление движения ветровых волн, толщина льда и т.д.), что позволит расширить эксплуатационные возможности многопозиционной системы подводного наблюдения на мелководной акватории при использовании многочастотных донных гидроакустических приемоизлучающих антенных устройств.

Технический результат достигается тем, что в гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство, содержащее одинаковые поршневые электроакустические преобразователи достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры. λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединены линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) трактов излучения (приема) локатора, и эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции кольцевой формы, образуя общую приемоизлучающую цилиндрическую поверхность, т.е. кольцевой ряд в азимутальной плоскости из поршневых апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся по его длине), причем, акустические оси преобразователей выходят из общего геометрического и, соответственно, фазового центра кольцевой несущей конструкции; волновые размеры электроакустических преобразователей позволяют формировать в азимутальной плоскости эхопоиска естественную (некомпенсированную) результирующую характеристику направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которой основной лепесток узок - по углу места, но всенаправлен - по азимуту, а неравномерность по давлению - определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей, дополнительно введены аналогичные электроакустические преобразователи для размещения которых используется несущая конструкция полусферической формы, на которой сформированы несколько усеченно-конических приемоизлучающих поверхностей, расположенных над приемоизлучающей цилиндрической поверхностью и образующих в азимутальной плоскости несколько находящихся друг над другом кольцевых рядов из поршневых апертур (ширина каждого ряда - диаметр, а периметры - суммы диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся на длине каждого кольцевого ряда), что позволяет формировать в угломестной плоскости эхопоиска дополнительные естественные (некомпенсированные) результирующие характеристики направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которых основные лепестки узки - по углу места, но всенаправлены - по азимуту, а неравномерность по давлению - определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей, причем, преобразователи соединены в пределах каждого кольцевого ряда линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) дополнительных трактов излучения (приема) локатора, а акустические оси преобразователей выходят из геометрического центра полусферы и, соответственно, фазового центра несущей конструкции; опирающейся на периметр кольцевой приемоизлучающей цилиндрической поверхности, расположенной в азимутальной плоскости, причем, спектральный состав полигармонических зондирующих сигналов всех кольцевых рядов определяется как полосой пропускания электроакустических преобразователей, так перераспределением по спектру акустической энергии мощного сигнала накачки, т.е. нелинейными эффектами (самовоздействие, взаимодействие), возникающими в водной среде при распространении многокомпонентных акустических волн конечной амплитуды, позволяя оператору локатора в процессе подводного наблюдения осуществлять квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям, так и по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала.

На фиг.1 представлена конструкция многочастотного гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства (пять кольцевых рядов в угломестной плоскости), на рис.2 - схема размещения предлагаемых устройств многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения на дне акватории, например, летного бассейна взлетно-посадочной полосы гидроаэродрома, на которой обозначены: 1 - взлетно-посадочные полосы, выбираемые в соответствии с направлением ветра («озвучиваемая» заштрихована), 2 - летный бассейн в масштабе, 3 - направление ветра; 4 - донные приемоизлучающие антенные устройства (концентрические окружности - дальность действия на разных частотах)

Проведем расчет конструкции многочастотного гидроакустического приемоизлучающего антенного устройства для случая использования в качестве излучающих элементов круглых плоских поршневых электроакустических преобразователей (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с.9-19). Ширина основного лепестка θ_R (в градусах) на заданном относительном уровне (R=0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) характеристики направленности круглого поршня определяется его волновым размером D/λ (D - диаметр преобразователя, λ=c₀/f - длина волны акустического сигнала с частотой f, распространяющегося со скоростью c₀ в воде) и может быть рассчитана по формуле θ_R=χ·λ/D, где уровням R=0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента χ=58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0. Если акустические оси соседних круглых плоских поршневых преобразователей с резонансной частотой f=250 кГц (λ=6 мм) как в угломестной, так и в азимутальной плоскостях разнесены на одинаковый угол θ_R=8°, а относительный уровень перекрывания их основных лепестков R=0,7 (χ=58,5), то диаметр преобразователя определяется соотношением D=χ·λ/θ_R, откуда D≈0,059 м. В то же время диаметр преобразователя D и диаметр несущей полусферической конструкции d могут быть связаны соотношением d=D/tg(θ_R/2)=χ·λ/tg(θ_R)·θ_R, откуда d≈0,63 м. Оценить количество m круглых плоских поршневых преобразователей диаметром D, размещаемых на полусфере диаметром d, можно определив отношение соответствующих площадей преобразователя S_пр=π·D²/4 и полусферы S_{полусферы}=2·(π·d²/4). После соответствующих преобразований получим, что в рассматриваемом случае расчетное количество преобразователей определяется углом разнесения акустических осей соседних электроакустических преобразователей, т.е. m=2/tg²(θ_R/2)≈409. Однако учет наличия площадей зазоров между вплотную размещенными по поверхности полусферы приемоизлучающим апертурами преобразователей дает коэффициент ≈0,7, что снижает m≈286.

Количество используемых круглых плоских электроакустических преобразователей можно сократить, применив другой подход при их размещении по полусферической поверхности - формирование горизонтальных кольцевых рядов, в которых не соблюдается «меридиональность» рядов, причем, для эхопоиска на мелководной, но обширной акватории, это целесообразно, так как позволит изменять положение в угломестной плоскости узкого, но всенаправленного - в азимутальной плоскости результирующего основного лепестка характеристик направленности поршневых преобразователей, входящих в горизонтальный кольцевой ряд. Так, для описанного выше варианта конструкции длина окружности нижнего кольцевого ряда составляет 1,98 м, что при диаметре преобразователя 0,059 м, дает размещаемое количество элементов - 33, причем, для последующих десяти «вышележащих» потребуется - 32, 29, 25, 23, 18, 12, 9, 6, 3 соответственно, что вместе составит 192 преобразователей. Пусть полоса пропускания электроакустического преобразователя составляет 10% от его резонансной частоты, т.е. 25 кГц; тогда в пределах частотного диапазона (237,5 кГц - 262,5 кГц) не представляет труда формировать сигналы бигармонической накачки: f₁, f₂, кГц - 237,5, 262,5; 238, 262; 238,5, 261,5; … с шагом 500 Гц изменения значений (приращение, убывание соответственно), что обеспечит генерацию в водной среде «новых» спектральных составляющих (25+2×25+2×25): разностной частоты - 25; 24; 23;…1 (кГц), вторых гармоник - 475, 525; 476, 524; … 499, 501 (кГц), третьих гармоник - 712,5, 787,5; 714, 786; … 748,5; 751,5 (кГц), причем, общее количество только этих сигналов составит 125 частотных компонент. Учитывая геометрию несущей конструкции многочастотного гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства, которая определяет дальность эхопоиска с помощью горизонтальных кольцевых рядов, можно предложить следующее распределение спектрального состава регистрируемых вторичных гидроакустических полей - чем меньше дальность эхопоиска, тем выше частота рабочего сигнала, т.е по мере увеличения угла места соответствующих акустических осей узких круговых основных лепестков результирующих характеристик направленности групп электроакустических преобразователей, составляющих кольцевые ряды, следует регистрировать более высокочастотные эхосигналы, что актуально при решении задачи подводного наблюдения, например, на акватории взлетно-посадочной полосы летного бассейна гидроаэродрома (см. фиг.2 - заштрихованная область). Так, специальная гидроакустическая аппаратура для подводного наблюдения на мелководной прибрежной акватории (размеры взлетно-посадочной полосы: длина ~2500 м, ширина ~200 м, глубина ~ от 3 м до 6 м), размещаемая на береговых постах, включает в себя девять многочастотных гидроакустических приемоизлучающих донных антенных устройств 4, из которых для эхопоиска притопленных объектов при подготовке к выполнению взлетно-посадочных мероприятий и имеющемся направлении ветра используются три, причем, большим глубинам установки приемоизлучающих донных антенных устройств - соответствует более низкочастотный набор зондирующих сигналов, а малым глубинам установки - более высокочастотный эхопоиск. Для оперативного осуществления мониторинга данного водного объема можно использовать «частотную окраску» зондируемых водных слоев при изменении угла места при эхопоиске, что исключит помехи взаимного влияния при одновременной работе трех донных приемоизлучающих антенных устройств. В данном случае можно предложить следующее распределение рабочих спектральных компонент по кольцевым рядам 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (снизу вверх) в трех донных антенных устройствах:

сигналы разностной частоты - 1 (нижние - угол места +4°) - 5, 7, 9 (кГц); 2 (угол места +12° вверх) - 11, 13, 15 (кГц); 3 (угол места +20° вверх) - 17, 19, 21 (кГц);

сигналы исходных волн накачки - 4 (угол места +28°) - 247,5, 246,5, 245,5 (кГц); 5 (угол места +36°) - 244,5, 243,5, 242,5 (кГц); 6 - (угол места +44°) - 252,5, 253,5, 254,5 (кГц); 7 (угол места +52°) - 255,5, 256,5,.… 257,5 (кГц);

сигналы вторых гармоник волн накачки - 8 (угол места +60°) - 495, 493, 491 (кГц); 9 (угол места +68°) - 489, 487, 485 (кГц); 10 (угол места 76°) - 511, 513, 515 (кГц);

сигналы третьих гармоник - 11 (верхние +84°) - 742,5, 739,5, 736,5 (кГц), один «вертикально смотрящий» (угол места +90°) -766,5, 769,5, 772,5 (кГц).

Схема размещения многочастотных гидроакустических донных приемоизлучающих антенных устройств многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения на акватории летного бассейна гидроаэродрома для обеспечения безопасности выполнения взлета и приводнения гидросамолета показана на фиг.2 в масштабе «1 клетка - 100 метров». Положение необходимой летной полосы 1 в летном бассейне 2 для приводнения гидросамолета против ветра (стрелка 3) отмечено штриховкой между двумя сплошными параллельными линиями. Как видно из фиг.2, предусмотрено еще несколько возможных направлений летных полос (параллельные прямые, между которыми расположена штрихпунктирная линия). Как следует из чертежа, подводный объем взлетно-посадочной летной полосы 1, на которую планируется приводнение гидросамолета, предварительно зондируется с помощью трех многочастотных донных приемоизлучающих антенных устройств 4, работающих в одном из описанных выше режимов. Окружностями на фиг.2 отмечены границы предполагаемых зон подводного наблюдения для соответствующих сигналов: - -• • - волна разностной частоты, ― волна накачки, --- вторая гармоника накачки, -•- третья гармоника накачки. Исключение помех взаимного влияния при осуществлении режима ультразвукового круглосуточного мониторинга водного объема гидроаэродрома может быть обеспечено аналогичным образом при использовании многочастотных приемоизлучающих донных антенных устройств 4, расположенных по периметру летного бассейна 2.

Функционирование многочастотного гидроакустического донного приемоизлучающего антенного устройства происходит следующим образом. Круглые плоские поршневые электроакустические преобразователи являются обратимыми полуволновыми, активный элемент каждого из которых состоит из пьезокерамического диска с резонансной толщиной l=c_ст/2f, где с_ст - скорость звука в стержне, f - резонансная частота его толщинных колебаний (см. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И.Тимошенко. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - с.599). Каждый преобразователь снабжен элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, прошел проверку в лабораторных условиях и имеет измеренную полосу пропускания, т.е. известен частотный диапазон эффективного преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Это позволяет провести сортировку преобразователей на группы с близкими параметрами для формирования горизонтальных кольцевых рядов, включающих в себя необходимое количество параллельно соединенных электроакустических преобразователей, которые размещены на несущей конструкции полусферической формы, причем, последние устанавливаются в заданном порядке на дне акватории. В качестве основы для разработки многоканальной береговой электронной аппаратуры, соединенной с помощью многожильных кабелей с гидроакустическими приемоизлучающими антенными устройствами, может быть взят параметрический излучающий тракт гидролокатора для обнаружения заиленных объектов и трубопроводов, в состав которого входят формирователь сигнала накачки в виде сорока восьми частотно-модулированных компонент, а также многоканальные усилитель мощности и приемный тракт (см. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004, с.247-252). В качестве альтернативного варианта реализации формирователя сигналов накачки излучающего тракта, который объединяет возможности цифровой и вычислительной техники, может быть использован аппаратурно-программный комплекс синтезатора сигнала накачки на базе ПЭВМ типа IBM, что обеспечивает задание, ввод, корректировку значений параметров генерируемого сигнала в интерактивном режиме и генерацию сигналов накачки с заданными значениями параметров (см. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004, с.243-247). В настоящее время достаточно подробно рассмотрены вопросы разработки параметрических гидролокаторов для необитаемых подводных аппаратов, буксируемых судном, а также глубоководных зондов, погружаемых с неподвижного судна, общей особенностью которых является аппаратурное разделение на две части: бортовой (надводный) и погружаемый (подводный) блоки, связанных с помощью многожильного кабеля длиной до 2000 м (см. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004, с.252-268, 293-302). Современные микропроцессорные средства позволяют для каждого горизонтального кольцевого ряда («пояса-параллели») всех донных приемоизлучающих антенных устройств, запрограммировать «индивидуальный» набор параметров излучения и приема: момент излучения в требуемом направлении эхопоиска, длительность зондирующего импульса, значения частот бигармонической накачки f_2i, f_1i, входящих в полосу пропускания электроакустических преобразователей, а также регистрируемую спектральную компоненту из набора частот F_i=|f_2i-f_1i|, f_1i, f_2i, f_+i=f_2i+f_1i, 2f_1i, 2f_2i, 3f_1i, 3f_{2i …} принимаемого и регистрируемого полигармонического эхосигнала (см. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004, с.243-247).

Итак, из тракта излучения локатора многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения, снабженного отдельным приемоизлучающим донным устройством, по кабелю через герметичный ввод (вывод) поступают импульсы переменного бигармонического электрического напряжения накачки, частоты колебаний которого находятся в полосе пропускания резонансного полуволнового электроакустического преобразователя, в силу пьезоэлектрических свойств стержень будет изменять свои размеры с частотами, равными частотам приложенного напряжения, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания излучаются в нелинейную водную среду и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн конечной амплитуды, спектральный состав которых перераспределяется как «вверх», так и «вниз» по спектру, т.е. формируются полигармонические зондирующие сигналы, «индивидуальный» спектральный состав которых зависит от направления эхопоиска в угломестной плоскости. При эхолокации кольцевые ряды донных приемоизлучающих устройств, включающие в себя необходимое количество параллельно соединенных электроакустических преобразователей, преобразуют подаваемые на них импульсы электрической энергии и излучают импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. Полигармонический импульс ультразвуковой энергии распространяется в водной среде и при наличии на его пути объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды, происходит отражение акустических колебаний от него, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле полигармонического эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу электроакустического преобразователя, в результате чего на них вырабатывается переменное полигармоническое импульсное электрическое напряжение, поступающее через герметичный вывод (ввод) по кабелю в приемный тракт локатора.

Рассмотрим осуществление актуальной задачи подводного наблюдения на акватории взлетно-посадочной полосы летного бассейна гидроаэродрома (см. фиг.2 - заштрихованная область). В данном случае специальная гидроакустическая аппаратура для подводного наблюдения на мелководной прибрежной акватории (размеры взлетно-посадочной полосы: длина ~2500 м, ширина ~200 м, глубина ~ от 3 м до 6 м) - многопозиционная система ближнего подводного наблюдения, размещаемая на береговых постах, задействует для эхопоиска притопленных объектов при подготовке к выполнению взлетно-посадочных мероприятий и имеющемся направлении ветра три многочастотных гидроакустических приемоизлучающих донных антенных устройств 4. Три многочастотных гидроакустических приемоизлучающих антенных устройства 4 могут обеспечить одновременный «сверхразночастотный» круговой обзор (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) при синфазном электрическом возбуждении групп полуволновых электроакустических преобразователей сигналами бигармонической накачки «индивидуального» спектрального состава. Акустические оси нескольких концентрических групп преобразователей образуют семейство конических поверхностей с общей вершиной в центре полусферической несущей конструкции, а излучающие поверхности составляют кольцевые ряды, аппроксимирующие соответствующие участки полусферы. Рассмотрим «индивидуальный» спектральный состав электрических сигналов бигармонической накачки, используемых для возбуждения групп электроакустических преобразователей, образующих кольцевые ряды 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (снизу вверх) в трех донных антенных устройствах, расположенных в заштрихованной области акватории по ходу движения гидросамолета, т.е. противоположно направлению ветра (стрелка 3). Итак, электроакустические преобразователи первого гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства (на рис.2 снизу слева) возбуждаются электрическими сигналами бигармонической накачки с частотами 247,5 и 252,5 кГц, 244,5 и 255,5 кГц, 241,5 и 258,5 кГц, что позволяет за счет приема и обработки указанных ниже спектральных составляющих полигармонического эхосигнала осуществлять квантованный как по частоте, так и по направлению круговой обзор (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) начальной части водного пространства взлетно-посадочной полосы, что определяется расположением акустических осей соответствующих групп электроакустических преобразователей, т.е. кольцевых рядов относительно фазового центра:

1, угол места +4°, рабочая частота 5 кГц;		2, +12°, 11 кГц;
3, +20°, 17 кГц;	4, +28, 247,5 кГц;	5, +36, 244,5 кГц;
6, +44°, 252,5 кГц;	7, +52°, 255,5 кГц;	8, +60°, 495 кГц;
9, +68°, 489 кГц;	10, +76°, 511 кГц;	11, +84°, 742,5 кГц;
12, +90°, 766,5 кГц.

Электроакустические преобразователи второго гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства (на рис.2 в центре) возбуждаются электрическими сигналами бигармонической накачки с частотами 246,5 и 253,5 кГц, 243,5 и 256,5 кГц, 240,5 и 259,5 кГц, что позволяет за счет приема и обработки указанных ниже спектральных составляющих полигармонического эхосигнала осуществлять квантованный как по частоте, так и по направлению круговой обзор (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) средней части водного пространства взлетно-посадочной полосы, что определяется расположением акустических осей соответствующих групп электроакустических преобразователей, т.е. кольцевых рядов относительно фазового центра:

1, угол места +4°, рабочая частота 7 кГц;		2, +12°, 13 кГц;
3, +20°, 19 кГц;	4, +28, 246,5 кГц;	5, +36, 243,5 кГц;
6, +44°, 253,5 кГц;	7, +52°, 256,5 кГц;	8, +60°, 493 кГц;
9, +68°, 487 кГц;	10, +76°, 513 кГц;	11, +84°, 739,5 кГц;
12, +90°, 769,5 кГц.

Электроакустические преобразователи третьего гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства (на рис.2 вверху справа) возбуждаются электрическими сигналами бигармонической накачки с частотами 245,5 и 254,5 кГц, 242,5 и 257,5 кГц, 239,5 и 260,5 кГц, что позволяет за счет приема и обработки указанных ниже спектральных составляющих полигармонического эхосигнала осуществлять квантованный как по частоте, так и по направлению круговой обзор (узкий - по углу места, но всенаправленный - по азимуту) оконечной части водного пространства взлетно-посадочной полосы, что определяется расположением акустических осей соответствующих групп электроакустических преобразователей, т.е. кольцевых рядов относительно фазового центра:

1, угол места +4°, рабочая частота 9 кГц;		2, +12°, 15 кГц;
3, +20°, 21 кГц;	4, +28, 245,5 кГц;	5, +36, 242,5 кГц;
6, +44°, 254,5 кГц;	7, +52°, 257,5 кГц;	8, +60°, 491 кГц;
9, +68°, 485 кГц;	10, +76°, 515 кГц;	11, +84°, 736,5 кГц;
12, +90°, 772,5 кГц.

Таким образом, для эхопоиска объектов в трех соседних частях водного объема взлетно-посадочной полосы используется многопозиционная система ближнего подводного наблюдения с гидроакустическими приемоизлучающими донными антенными устройствами, позволяющими за счет пространственного распределения по полусферической поверхности необходимого количества унифицированных электроакустических преобразователей накачки параметрических антенн, осуществлять в нелинейной водной среде одновременный «сверхширокополосный» круговой обзор. Конструкция приемоизлучающего донного антенного устройства позволяет так расположить главные максимумы характеристик направленности «отдельных», но соседних электроакустических преобразователей в пределах сформированных групп - кольцевых рядов, что они на рабочих сигналах образуют в пространстве «совместные» основные лепестки (узкие и «разночастотные» - по углу места, но всенаправленные - по азимуту) результирующих характеристик направленности, неравномерность по давлению которых в азимутальной плоскости определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; …) перекрывания «отдельных» соседних главных максимумов в пределах соответствующих групп преобразователей. Статически сформированные лепестки результирующей характеристики направленности приемоизлучающего антенного устройства равномерно перекрывают как угломестную, так и азимутальную плоскости обзора, что позволяет непрерывно «просматривать» все окружающее пространство, определять пеленги и дистанции до всех целей, находящихся в зоне обзора, причем, осуществлено квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям, так и по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала. Следовательно, в результате применения предлагаемых устройств, снабженных «индивидуальными» приемно-излучающими трактами, каналами обработки эхосигналов оператор береговой гидроакустической службы гидроаэродрома получает информацию о целях, находящихся в секторах, охваченных отдельными лепестками, «разночастотные» эхосигналы поступают в каждый канал в течение полного времени своего существования. Такое построение многоканального приемного тракта исключает потери энергии сигнала, неизбежные при сканировании, позволяет сузить полосу пропускания, что делает тракт более помехоустойчивым, устраняет помехи взаимного влияния соседних донных приемоизлучающих устройств, используемых в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения.

Claims (1)

1. Многочастотное гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство, содержащее одинаковые поршневые электроакустические преобразователи достаточных волновых размеров (D/λ>2, где D - диаметр апертуры, λ - длина волны излучаемого сигнала накачки), которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, соединены линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) трактов излучения (приема) локатора, и эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции кольцевой формы, образуя общую приемоизлучающую цилиндрическую поверхность, т.е. кольцевой ряд в азимутальной плоскости из поршневых апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся по его длине), причем акустические оси преобразователей выходят из общего геометрического и соответственно фазового центра кольцевой несущей конструкции; волновые размеры электроакустических преобразователей позволяют формировать в азимутальной плоскости эхопоиска некомпенсированную результирующую характеристику направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которой основной лепесток узок - по углу места, но всенаправлен - по азимуту, а неравномерность по давлению определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей, отличающееся тем, что в антенное устройство дополнительно введены аналогичные электроакустические преобразователи, для размещения которых используется несущая конструкция полусферической формы, на которой сформированы несколько усеченно-конических приемоизлучающих поверхностей, расположенных над приемоизлучающей цилиндрической поверхностью и образующих в азимутальной плоскости несколько находящихся друг над другом кольцевых рядов из поршневых апертур (ширина каждого ряда - диаметр, а периметры - суммы диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся на длине каждого кольцевого ряда), что позволяет формировать в угломестной плоскости эхопоиска несколько дополнительных некомпенсированных результирующих характеристик направленности приемоизлучающего антенного устройства, у которых основные лепестки узки - по углу места, но всенаправлены - по азимуту, а неравномерность по давлению определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов характеристик направленности соседних поршневых электроакустических преобразователей, причем преобразователи соединены в пределах каждого кольцевого ряда линиями электрических коммуникаций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выходами (входами) дополнительных трактов излучения (приема) локатора, а акустические оси преобразователей выходят из геометрического центра полусферы и соответственно фазового центра несущей конструкции, опирающейся на периметр кольцевой приемоизлучающей цилиндрической поверхности, расположенной в азимутальной плоскости, причем спектральный состав полигармонических зондирующих сигналов всех кольцевых рядов определяется как полосой пропускания электроакустических преобразователей, так перераспределением по спектру акустической энергии мощного сигнала накачки, т.е. нелинейными эффектами (самовоздействие, взаимодействие), возникающими в водной среде при распространении многокомпонентных акустических волн конечной амплитуды, позволяя оператору локатора многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения в процессе обследования подводного пространства осуществлять квантование секторов обзора в угломестной плоскости как по направлениям, так и по частоте регистрируемого и обрабатываемого эхосигнала.