RU2417383C1

RU2417383C1 - Flexible elongated hydroacoustic digital cable antenna

Info

Publication number: RU2417383C1
Application number: RU2010105838/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Максимович Баронкин (RU); Владимир Максимович Баронкин; Алексей Викторович Гладилин (RU); Алексей Викторович Гладилин; Всеволод Анатольевич Пирогов (RU); Всеволод Анатольевич Пирогов
Original assignee: Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-04-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: proposed antenna comprises load bearing cable, power supply cable and communication cable, sensitive elements and electronic units arranged spaced along antenna. Note here that each electronic unit is connected to power supply cable and comprises low-noise amplifier, ADC and data preparation and transmission units, all being arranged on pcb. Outputs of low-noise amplifiers are connected with appropriate outputs of sensitive elements while outputs of data preparation and transmission units are connected with communication line. The latter is provided with sections of chord round-core elements arranged along the axis. Load bearing element is located at antenna center. Sensitive elements are made up of long cable sections made from elastic piezo electric material with length equal to that of chord elements. Power supply and transmission cables are made up of two twisted conductors. Note here that power supply cable, communication cable, sensitive element cable and cores of card element feature diametre equal to that of load bearing element and are arranged uniformly and twisted around thereof. Electronic units PCBs are arranged between chord elements and sections of cable from elastic piezo electric material, while all antenna elements are encased in outer sealing cable envelopment.

EFFECT: reduced hydrodynamic interferences and ease of use.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких буксируемых антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок.The invention relates to the field of hydroacoustics, in particular to hydroacoustic navigation systems for underwater vehicles, and can be used in the development of flexible towed antennas in noise detection systems of surface ships and submarines.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которой расположен силовой элемент в виде якоря-фала с концевым телом, датчики курса и глубины, антенные модули в виде расположенных вдоль оси гидрофонов из пьезокерамики, соединенные с блоком фильтрации и усиления, блоки частотного или временного уплотнения и линию связи. (Ю.А.Корякин и др. ФГУП «ЦНИИ» Морфизприбор», Корабельная гидроакустическая техника, изд-во «Наука» Санкт-Петербург, 2004 г., стр.191-193).A device is known for a flexible long hydroacoustic antenna containing an outer sealed sheath of polyvinyl chloride, inside of which there is a power element in the form of an anchor-halyard with an end body, heading and depth sensors, antenna modules in the form of piezoceramic hydrophones located along the axis, connected to the filtering and amplification unit , blocks of frequency or temporary consolidation and a communication line. (Yu.A. Koryakin and others. FSUE TsNII Morphizpribor, Ship hydroacoustic equipment, Nauka publishing house St. Petersburg, 2004, pp. 191-193).

Недостатками известного устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.The disadvantages of the known device are inconvenience in operations of setting up and sampling the antenna due to the large diameter and weight, instability to shock loads due to the fragility of piezoceramics, and the need to use a large number of communication channels.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, в которой сокращено количество каналов передачи информации за счет того, что она содержит ряд объединенных в одном шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь, усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна поделена на определенное число эквидистантных групп с определенным числом приемных каналов в группе (Патент РФ №1840453 А1, МПК G01S 7/52, 2006 г.).A device is known for a flexible long hydroacoustic antenna, in which the number of information transmission channels is reduced due to the fact that it contains a number of linear equidistant subantennas combined in one hose, each of which includes hydroacoustic transducers whose phase centers are located at a distance equal to half the wavelength of the upper subantenna range frequencies, pre-amplifiers and information transmission lines to on-board equipment, with each converter, amplifier and transmission line oedineny sequentially forming a receiving channel, and each subantenna divided into a certain number of equidistant groups with a certain number of reception channels in the group (RF Patent №1840453 A1, IPC G01S 7/52, 2006 YG).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.The disadvantages of this device are the inconvenience in the operations of setting and sampling the antenna due to the large diameter and weight, instability to shock loads due to the fragility of piezoceramics.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является известная гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна, содержащая силовой элемент в виде кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полихлорвинила, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные малошумный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом вход малошумного усилителя соединен с выходом чувствительного элемента, а выход блока подготовки и передачи информации соединен с линией связи, причем кабель питания и кабель линии связи выполнен в виде единого кабеля из двух витых пар проводников, кевларовый трос прикреплен к этому кабелю на скользящей посадке, чувствительные элементы выполнены в виде пьезокерамических цилиндров, платы электронных блоков размещены в металлических корпусах, на кабель надет армированный рукав, который склеен с ним с использованием термообжатия, места присоединения проводов к жилам кабеля вместе с чувствительным элементом, корпусом электронного блока и концами рукава залиты эластичным полимерным компаундом, поверх которого размещена термоусадочная трубка (Цифровая кабельная антенна, Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, Изд-во ИПФ РАН, 2002 г., стр.50-57).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the proposed device is a well-known flexible extended hydroacoustic digital cable antenna containing a power element in the form of a Kevlar cable, a power cable and a communication line cable with PVC insulation, sensitive elements and electronic units located with a certain interval along the antenna, and each electronic unit is connected to the power cable and contains series-connected malos located on the board an amplifier, an analog-to-digital converter, and an information preparation and transmission unit, wherein the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the sensing element, and the output of the information preparation and transmission unit is connected to a communication line, the power cable and communication line cable being made as a single cable from two twisted pairs of conductors, a Kevlar cable is attached to this cable on a sliding fit, sensitive elements are made in the form of piezoceramic cylinders, electronic unit boards are placed in metal cases Sah, a reinforced sleeve is put on the cable, which is glued with it using heat compression, the connection points of the wires to the cable conductors, together with the sensing element, the electronic unit body and the ends of the sleeve, are filled with an elastic polymer compound, over which a heat-shrink tube is placed (Digital cable antenna, Proceedings IAP RAS, Nizhny Novgorod, IAP RAS Publishing House, 2002, p. 50-57).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, наличия выступающих за пределы кабеля гидрофонов и крепления силового элемента снаружи кабеля, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также повышенный уровень гидродинамических шумов из-за малого продольного размера чувствительных элементов.The disadvantages of this device are the inconvenience during antenna installation and sampling operations due to the large diameter and weight, the presence of hydrophones protruding beyond the cable and the fastening of the power element outside the cable, shock resistance due to the fragility of piezoceramics, and an increased level of hydrodynamic noise due to for the small longitudinal size of the sensitive elements.

Техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является снижение уровня гидродинамических шумов, повышение стойкости к ударным нагрузкам, повышение удобства при операциях постановки и выборки антенны.The technical result achieved by the proposed invention is to reduce the level of hydrodynamic noise, increase resistance to shock loads, increase convenience during operations of setting and sampling the antenna.

Технический результат достигается за счет того, что гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна, содержащая силовой элемент в виде троса, кабель питания и кабель линии связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные малошумный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, снабжена размещенными вдоль оси отрезками кордовых элементов в виде круглых жил, силовой элемент размещен в центре антенны, чувствительные элементы выполнены в виде протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала, имеющих длину, равную длине отрезков кордовых элементов, кабель питания и кабель линии связи выполнены каждый из двух витых проводников, при этом кабель питания, кабель линии связи, кабель чувствительного элемента и жилы отрезков кордового элемента выполнены одинакового диаметра с силовым элементом, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками кордовых элементов и отрезками кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю герметизирующую кабельную оболочку, при этом платы электронных блоков выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией закрученных отрезков кордовых элементов отрезков кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала.The technical result is achieved due to the fact that a flexible long hydroacoustic digital cable antenna containing a power element in the form of a cable, a power cable and a communication line cable, sensitive elements and electronic units located at a certain interval along the antenna, with each electronic unit connected to a power cable and it contains a low-noise amplifier, an analog-to-digital converter, and a unit for preparing and transmitting information sequentially connected to the board, and the inputs of low-noise devices luminaires are connected to the corresponding outputs of the sensitive elements, and the outputs of the information preparation and transmission units are connected to the communication line, equipped with segments of cord elements arranged in the form of round cores placed along the axis, the power element is placed in the center of the antenna, the sensitive elements are made in the form of long cable lengths from an elastic piezoelectric material having a length equal to the length of the segments of the cord elements, the power cable and the communication line cable are each of two twisted conductors, while the cable l the power supply, the communication line cable, the cable of the sensing element and the cores of the segments of the cord element are made of the same diameter with the power element, are arranged around it uniformly around the circumference and are twisted around its axis, electronic boards are located in the intervals between the segments of the cord elements and the cable lengths from the elastic piezoelectric material blocks, and all antenna elements are placed in an external sealing cable sheath, while the boards of electronic blocks are made twisted along the longitudinal axis in in accordance with the geometry of the twisted segments of the cord elements of the cable segments of an elastic piezoelectric material.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен вертикальный разрез отрезка антенны и виды ее справа и слева со снятой частью внешней кабельной оболочки, на фиг.2 для большей наглядности представлена упрощенная схема отрезка антенны, развернутой на плоскость. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна содержит чувствительные элементы 1, выполненные в виде протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, кабель линии связи 2, кабель питания 3, отрезки кордовых элементов 4 в виде круглых жил, силовой элемент в виде троса 5, внешнюю герметичную кабельную оболочку 6, в которую помещены все элементы антенны, платы 7, на которых размещены электронные блоки, включающие последовательно соединенные малошумный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и блок подготовки и передачи информации 10, при этом входы усилителей 8 подключены к соответствующим выходам протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала 1, а выходы блоков подготовки и передачи информации 10 подключены к входам кабеля линии связи, причем силовой элемент 5, кабель питания 3, кабель линии связи 2, кабель чувствительного элемента 1 и жилы отрезков кордового элемента 4 выполнены одинакового диаметра с силовым тросом, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, а в промежутках вдоль оси антенны между отрезками кордовых элементов 4 и отрезков чувствительных элементов 1 расположены платы электронных блоков 7 (на фиг.2 показаны условно). Для уменьшения внешнего диаметра антенны платы электронных блоков также могут быть выполнены закрученными вдоль продольной оси антенны в соответствии с геометрией скрученных отрезков кордовых элементов 4 и чувствительных элементов 1.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a vertical section of a segment of the antenna and views of it on the right and left with the removed part of the outer cable sheath, figure 2 for greater clarity presents a simplified diagram of a segment of the antenna, deployed on a plane. A flexible long hydroacoustic digital cable antenna contains sensitive elements 1 made in the form of long cable lengths made of elastic piezoelectric material located at a certain interval along the antenna, a communication line cable 2, a power cable 3, pieces of cord elements 4 in the form of round conductors, a power element in in the form of a cable 5, an external hermetic cable sheath 6, in which all the elements of the antenna are placed, boards 7 on which electronic units are placed, including small connected in series a noise amplifier 8, an analog-to-digital converter 9 and an information preparation and transmission unit 10, while the inputs of the amplifiers 8 are connected to the corresponding outputs of the long cable lengths from elastic piezoelectric material 1, and the outputs of the information preparation and transmission units 10 are connected to the inputs of the communication line cable, moreover, the power element 5, the power cable 3, the cable of the communication line 2, the cable of the sensing element 1 and the cores of the segments of the cord element 4 are made of the same diameter with the power cable, are located around it equal measured circumferentially and twisted around its axis, and in the intervals along the axis of the antenna between the segments of the cord elements 4 and the segments of the sensing elements 1 are the boards of electronic units 7 (shown in Fig. 2 conventionally). To reduce the outer diameter of the antenna, the boards of the electronic units can also be made twisted along the longitudinal axis of the antenna in accordance with the geometry of the twisted segments of the cord elements 4 and sensitive elements 1.

Устройство работает следующим образом. При расположении антенны в воде на чувствительные элементы 1 падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта электрические сигналы на их выходах. Эти сигналы усиливаются соответствующими малошумящими усилителями 8, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 9 и передаются через блоки подготовки и передачи информации 10 по линии связи 2 к бортовой аппаратуре обработки. Расположение троса 5 в центре и скручивание вокруг него кордовых элементов 4, пьезоэлектрического кабеля 1, кабеля питания 2 и кабеля линии связи 3 позволяют расположить платы 7 с электронными блоками в центральных частях антенны и обеспечить нанесение внешней герметизирующей оболочки 6 по кабельной технологии, что позволяет изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля и снизить существенно гидродинамические помехи.The device operates as follows. When the antenna is located in water, acoustic waves fall on the sensitive elements 1, creating electric signals at their outputs due to the piezoelectric effect. These signals are amplified by the corresponding low-noise amplifiers 8, digitized by analog-to-digital converters 9 and transmitted through the blocks for the preparation and transmission of information 10 via communication line 2 to the on-board processing equipment. The location of the cable 5 in the center and twisting around it of the cord elements 4, the piezoelectric cable 1, the power cable 2 and the cable of the communication line 3 allows you to place the board 7 with electronic units in the Central parts of the antenna and to ensure the application of the external sealing sheath 6 by cable technology, which allows to manufacture an antenna without protruding parts in the form of a single cable and reduce significantly hydrodynamic interference.

Достоинства антенны проявляются при ее эксплуатации также за счет использования чувствительных элементов 1, выполненных в виде протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала, которые при движении воды относительно антенны или антенны относительно воды имеют за счет протяженности на порядок и более низкие гидродинамические шумы, т.к. радиус корелляции этих помех меньше длины отрезков чувствительных элементов, и гидродинамические помехи усредняются. За счет эластичности пьезоэлектрического материала (пьезокомпозита - смеси пьезокерамического порошка и эластичного связующего материала или эластичного пьезоэлектрика, например поливинилиденфторида (ПВДФ)) антенна менее подвержена по сравнению с хрупкой пьезокерамикой угрозам разрушения при силовых воздействиях на нее, а также допускает существенно меньший радиус обратимого изгиба (до 0,3 м) и может наматываться на барабан меньшего радиуса. За счет меньшей плотности эластичных пьезоматериалов антенна легче и может иметь в несколько раз меньший диаметр, чем антенны на основе пьезокерамики, занимая при той же длине в несколько раз меньший объем. При использовании более легких и тонких антенн при буксировке требуется меньшая сила, а следовательно, достаточны маломерные суда для работы с такими антеннами, что составляет большую экономию средств на соответствующие дорогостоящие геофизические работы.The advantages of the antenna are also manifested during its operation due to the use of sensitive elements 1 made in the form of long cable lengths made of elastic piezoelectric material, which, when the water moves relative to the antenna or antenna relative to the water, have an order of magnitude lower hydrodynamic noise, because . the correlation radius of this interference is less than the length of the segments of the sensitive elements, and the hydrodynamic interference is averaged. Due to the elasticity of the piezoelectric material (piezoelectric composite - a mixture of piezoelectric powder and an elastic binder or elastic piezoelectric, such as polyvinylidene fluoride (PVDF)), the antenna is less susceptible to destruction threats when it is subjected to brittle piezoelectric ceramics, and also allows a significantly smaller radius of reversible bending ( up to 0.3 m) and can be wound on a drum of a smaller radius. Due to the lower density of elastic piezoelectric materials, the antenna is lighter and can have several times smaller diameter than antennas based on piezoceramics, occupying several times less volume with the same length. When using lighter and thinner antennas when towing, less force is required, and therefore, small vessels are sufficient to work with such antennas, which is a big cost savings for the corresponding expensive geophysical work.

Claims

1. A flexible long hydroacoustic digital cable antenna containing a power element in the form of a cable, a power cable and a communication line cable, sensitive elements and electronic units located at a certain interval along the antenna, each electronic unit being connected to the power cable and contains sequentially placed on the board connected by a low-noise amplifier, an analog-to-digital converter and a unit for preparing and transmitting information, while the inputs of the low-noise amplifiers are connected to the corresponding outputs real elements, and the outputs of the information preparation and transmission units are connected to the communication line, characterized in that it is equipped with segments of cord elements arranged in the form of round cores arranged along the axis, the power element is located in the center of the antenna, the sensitive elements are made in the form of long cable segments made of elastic piezoelectric of material having a length equal to the length of the segments of the cord elements, the power cable and the communication line cable are each of two twisted conductors, while the power cable, the line cable with ides, the cable of the sensing element and the strands of the segments of the cord element are made of the same diameter with the power element, are arranged around it uniformly around the circumference and twisted around its axis, electronic components are located in the intervals between the segments of the cord elements and the cable lengths of the elastic piezoelectric material, and all elements the antennas are housed in an outer cable sheath.

2. The flexible long hydroacoustic digital cable antenna according to claim 1, characterized in that the circuit boards of the electronic units are twisted along the longitudinal axis in accordance with the geometry of the twisted segments of the cord elements and cable segments of an elastic piezoelectric material.