RU2515133C1 - Spherical hydroacoustic antenna - Google Patents
Spherical hydroacoustic antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2515133C1 RU2515133C1 RU2012147941/28A RU2012147941A RU2515133C1 RU 2515133 C1 RU2515133 C1 RU 2515133C1 RU 2012147941/28 A RU2012147941/28 A RU 2012147941/28A RU 2012147941 A RU2012147941 A RU 2012147941A RU 2515133 C1 RU2515133 C1 RU 2515133C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- transducers
- spherical
- hydroacoustic
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано преимущественно в качестве пеленгационной антенны для гидроакустических систем подводной навигации с ультракороткой базой.The invention relates to the field of sonar and can be used mainly as a direction-finding antenna for sonar underwater navigation systems with an ultrashort base.
При разработке систем гидроакустической навигации с ультракороткой базой, выполняющих определение местоположения объекта навигации по угловым измерениям направления на гидроакустический маяк-ответчик из одной точки, в которой устанавливается пеленгационная антенна малых волновых размеров, основной является задача достижения наибольшей точности угловых измерений при стремлении к уменьшению массы, габаритов и сложности антенны.When developing sonar systems with an ultrashort base, which determine the location of the navigation object by angular direction measurements to the sonar beacon from one point where the direction-finding antenna of small wave sizes is installed, the main task is to achieve the greatest accuracy of angular measurements when striving to reduce weight, dimensions and complexity of the antenna.
В качестве способа повышения точности оценки горизонтального и вертикального угла прихода навигационного сигнала можно использовать методы сверхразрешения (Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - М.: Радио и связь, 2003), позволяющие оценивать направления на источники сигналов с угловым разрешением, большим чем ширина основного лепестка диаграммы направленности антенны, и заключающиеся в применении спектральных методов анализа корреляционной матрицы сигналов, принятых преобразователями антенны. Одним из методов сверхразрешения является метод MUSIC (Multiple Signal Classification) - метод многосигнальной классификации, позволяющий оценивать направления на несколько источников сигналов, принятых антенной одновременно. Результатом работы такого метода является пеленгационный рельеф (Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. - СПб.: ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 2011) - функция двух переменных (в случае определения направления в пространстве): горизонтального и вертикального углов направления на источник сигнала, имеющая максимумы соответствующие направлению на источники сигналов.As a way to increase the accuracy of estimating the horizontal and vertical angles of arrival of a navigation signal, superresolution methods can be used (Ratinsky MV Adaptation and superresolution in antenna arrays. - M.: Radio and Communications, 2003), which make it possible to estimate directions to signal sources with angular resolution , greater than the width of the main lobe of the antenna pattern, and consisting in the application of spectral methods for analyzing the correlation matrix of signals received by the antenna converters. One of the methods of superresolution is the MUSIC method (Multiple Signal Classification) - a multi-signal classification method that allows you to evaluate the directions to several signal sources received by the antenna at the same time. The result of the work of this method is a direction finding relief (G. Malyshkin. Optimal and adaptive methods for processing hydroacoustic signals. - St. Petersburg: JSC Concern TsNII Elektropribor, 2011) - a function of two variables (in the case of determining the direction in space): horizontal and vertical angles of direction to the signal source, having maxima corresponding to the direction to signal sources.
Однако, применение указанных методов анализа многомерного сигнала, принимаемого антенной, приводит к необходимости расстановки приемных преобразователей на поверхности антенны с расстояниями между соседними преобразователями, как можно более близкими к половине длины волны принимаемого сигнала. В случае если преобразователи в антенне находятся на расстояниях, больших чем указанные, в пеленгационном рельефе возникают ложные максимумы, не соответствующие направлениям на источники сигналов, что может привести к неверному определению направления на источник сигнала. В то же время для снижения взаимодействия элементов антенны по полю необходимо использовать преобразователи и элементы конструкции, имеющие малые волновые размеры, расстояния между центрами соседних элементов должно быть больше длины волны (Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. - Л.: Судостроение, 1984). Однако может быть достигнут компромисс в стремлении сократить количество преобразователей и получить пеленгационный рельеф без ложных максимумов. Данный компромисс заключается в подборе такого разреженного размещения преобразователей, которое дает приемлемое соотношение уровней истинных и ложных максимумов пеленгационного рельефа или диаграммы направленности антенны.However, the application of these methods of analysis of the multidimensional signal received by the antenna leads to the necessity of arranging the receiving transducers on the surface of the antenna with distances between adjacent transducers as close as possible to half the wavelength of the received signal. If the transducers in the antenna are at distances greater than those indicated, false maxima appear in the direction-finding relief that do not correspond to the directions to the signal sources, which can lead to an incorrect determination of the direction to the signal source. At the same time, to reduce the interaction of antenna elements across the field, it is necessary to use transducers and structural elements having small wave sizes, the distances between the centers of adjacent elements should be greater than the wavelength (Smaryshev M.D., Dobrovolsky Yu.Yu. Hydroacoustic antennas. - L .: Shipbuilding, 1984). However, a compromise may be reached in an effort to reduce the number of transducers and obtain a directional relief without false maxima. This compromise is the selection of such a sparse placement of the transducers, which gives an acceptable ratio of the levels of true and false maxima of the directional relief or antenna pattern.
Для систем гидроакустической навигации с ультракороткой базой требуется как можно больший охват возможных направлений прихода навигационного сигнала от маяка-ответчика. Даже, если объект навигации и маяк-ответчик имеют близкую глубину погружения, из-за гидроакустической рефракции и отражений от дна и поверхности воды (Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978) навигационный сигнал может прийти к антенне под значительным углом в вертикальной плоскости. Поэтому требуется антенна, способная охватить весь диапазон углов, не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости, при этом характеристика направленности антенны должна быть постоянна для всех направлений прихода сигнала. Всем указанным выше требованиям наилучшим образом удовлетворяет сферическая антенна.For sonar navigation systems with an ultrashort base, the greatest possible coverage of the possible directions of the arrival of the navigation signal from the transponder beacon is required. Even if the navigation object and the transponder beacon have a close immersion depth, due to hydroacoustic refraction and reflections from the bottom and surface of the water (Urik R.J. Fundamentals of hydroacoustics. - L .: Sudostroenie, 1978) a navigation signal can come to the antenna under a significant angle in the vertical plane. Therefore, an antenna is required that can cover the entire range of angles, not only in the horizontal, but also in the vertical plane, while the directivity of the antenna should be constant for all directions of signal arrival. All of the above requirements are best met by a spherical antenna.
Известна сферическая гидроакустическая антенна тракта шумопеленгования, содержащая сферический каркас, на который нанесено звукоизолирующее покрытие с равномерно размещенными на нем и жестко скрепленными каркасом гидроакустическими приемниками, количество которых достигает нескольких тысяч (см. описание изобретения к патенту США №4207621, МПК G01S 3/80, публикация 10.06.1980).Known spherical hydroacoustic antenna of the noise path, containing a spherical frame, which is applied soundproof coating with evenly placed on it and rigidly fastened by a frame hydroacoustic receivers, the number of which reaches several thousand (see the description of the invention to US patent No. 4207621, IPC G01S 3/80, publication 06/10/1980).
Недостатком известной антенны является зависимость чувствительности приемников от изменения гидростатического давления. Кроме того, изготовление такой антенны технологически сложно, поскольку требует закрепления на каркасе большого количества приемных элементов.A disadvantage of the known antenna is the dependence of the sensitivity of the receivers on changes in hydrostatic pressure. In addition, the manufacture of such an antenna is technologically difficult, since it requires fixing a large number of receiving elements on the frame.
Известна сферическая гидроакустическая антенна, имеющая сферический корпус, покрытый пластинами, на котором расположены гидрофоны. Пластины имеют форму равнобедренных трапеций и расположены в полосах, параллельных экватору сферического корпуса антенны. Антенна крепится к корпусу судна и имеет технологический вырез, предназначенный для постановки устройства крепления и лишенный преобразователей. Также лишена преобразователей часть сферического корпуса, диаметрально противоположная технологическому вырезу (см. описание изобретения к патенту Франции №2709909, МПК H04R 1/44, публикация 17.03.1995).Known spherical sonar antenna having a spherical body, covered with plates, on which hydrophones are located. The plates are in the form of isosceles trapezoids and are located in strips parallel to the equator of the spherical antenna body. The antenna is attached to the hull of the vessel and has a technological cutout intended for mounting the mounting device and devoid of converters. Also, the part of the spherical body diametrically opposite to the technological cut-out is devoid of converters (see the description of the invention to French patent No. 2709909, IPC H04R 1/44, publication March 17, 1995).
Недостатком известной антенны является высокий уровень бокового поля и неравномерность характеристик направленности в плоскостях, перпендикулярных экватору сферического корпуса антенны.A disadvantage of the known antenna is the high level of the lateral field and the uneven directional characteristics in planes perpendicular to the equator of the spherical antenna body.
Известна сферическая дифракционная гидроакустическая антенна, содержащая тонкостенную полую сферическую оболочку из металла и шести пьезоэлектрических преобразователей, расположенных снаружи на поверхности сферической оболочки, равномерно удаленных друг от друга по ее поверхности и прикрепленных к ней клеем по трем взаимно перпендикулярным осям с одновременным получением трехмерного пространства измерений и возможностью получить пеленг минимумом датчиков - пьезоэлектрических преобразователей (см. описание свидетельства РФ на полезную модель №4863, МПК H01Q 1/04, публикация 16.08.1997).Known spherical diffraction sonar antenna containing a thin-walled hollow spherical shell made of metal and six piezoelectric transducers located externally on the surface of the spherical shell, uniformly spaced from each other along its surface and attached to it with glue along three mutually perpendicular axes with simultaneous obtaining of a three-dimensional measurement space and the ability to obtain a bearing with a minimum of sensors - piezoelectric transducers (see the description of the certificate of the Russian Federation for utility model No. 4863, IPC H01Q 1/04, publication 16.08.1997).
Недостатками известной антенны является невозможность различить направления прихода сигналов от нескольких источников, воздействующих на антенну одновременно в одном и том же частотном диапазоне, а также ухудшение характеристик при многолучевом распространении гидроакустического, кроме того, использование клея для крепления пьезоэлектрических преобразователей снаружи корпуса антенны может привести к потере преобразователя при внешних механических воздействиях или температурных перепадах во время погружения антенны в воду.The disadvantages of the known antenna is the inability to distinguish the directions of arrival of signals from several sources acting on the antenna simultaneously in the same frequency range, as well as the deterioration of the characteristics of the multipath propagation of hydroacoustic, in addition, the use of glue for attaching piezoelectric transducers outside the antenna body can lead to loss transducer during external mechanical influences or temperature differences during immersion of the antenna in water.
Известна сферическая гидроакустическая антенна для гидролокатора, содержащая сферический корпус, имеющий круглое отверстие для крепления к носителю гидролокатора, на котором установлены пьезоэлектрические преобразователи по спирали, закрученной по часовой стрелке и начинающейся от точки А пересечения осью, проходящей через центр круглого отверстия и центр сферического корпуса, его наружной поверхности, а первый по порядку пьезоэлектрический преобразователь расположен вблизи точки А (см. описание изобретения к патенту РФ №2460092, МПК G01S 15/00, публикация 27.08.2012).A spherical sonar antenna for a sonar is known, comprising a spherical body having a circular hole for attachment to a sonar carrier, on which piezoelectric transducers are mounted in a spiral, twisted clockwise and starting from the point of intersection with an axis passing through the center of the round hole and the center of the spherical body, its outer surface, and the first in order piezoelectric transducer is located near point A (see description of the invention to RF patent No. 2460092, IPC G 01S 15/00, publication 08/27/2012).
Недостатком известной антенны, принятой за прототип, с точки зрения ее угловой разрешающей способности является то, что в режиме приема при формировании веера диаграмм направленности задействуется только часть преобразователей антенны, а размером плоского раскрыва, эквивалентного задействованной при приеме поверхности сферы, определяется ширина основного лепестка веера характеристик направленности, следовательно, для того, чтобы добиться высокого углового разрешения, необходимо увеличить размер антенны, а значит использовать в указанной конструкции большое количество преобразователей, что повышает конструктивную сложность антенны и ее массу.A disadvantage of the known antenna adopted as a prototype from the point of view of its angular resolution is that in the reception mode when forming a fan of the radiation patterns only a part of the antenna converters are used, and the width of the main lobe of the fan is determined by the size of the flat aperture equivalent to that involved in the reception of the surface of the sphere directivity characteristics, therefore, in order to achieve high angular resolution, it is necessary to increase the size of the antenna, and therefore use in Anna design a large number of transducers, thereby increasing the constructive complexity of the antenna and its mass.
Задачей заявляемого изобретения является создание сферической гидроакустической антенны, конструкция которой позволяет защитить пьезоэлектрические преобразователи от внешнего механического воздействия при небольшой массе антенны и получить пеленгационную характеристику, позволяющую определять направление на источник гидроакустического сигнала с высокой точностью при небольших размерах апертуры антенны.The objective of the invention is the creation of a spherical sonar antenna, the design of which allows to protect the piezoelectric transducers from external mechanical stress with a small mass of the antenna and to obtain a direction-finding characteristic that allows you to determine the direction to the source of the sonar signal with high accuracy at small sizes of the antenna aperture.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.The essence of the claimed invention is as follows.
Сферическая гидроакустическая антенна содержит тонкостенную полую сферическую оболочку, пьезоэлектрические преобразователи, опору для крепления антенны к носителю. Сферическая оболочка выполнена акустически прозрачной из пластика с равномерно расположенными отверстиями для заполнения оболочки водой при погружении антенны в воду, пьезоэлектрические преобразователи установлены на внутренней поверхности сферической оболочки.The spherical hydroacoustic antenna contains a thin-walled hollow spherical shell, piezoelectric transducers, a support for attaching the antenna to the carrier. The spherical shell is made of acoustically transparent plastic with evenly spaced openings for filling the shell with water when the antenna is immersed in water, piezoelectric transducers are installed on the inner surface of the spherical shell.
Преобразователи являются всенаправленными в рабочем диапазоне длин волн антенны и расположены двенадцатью группами таким образом, что центры групп находятся в вершинах вписанного в сферу икосаэдра на расстояниях, меньших либо равных 1,5 длинам волн максимальной частоты полосы принимаемого сигнала, каждая из двенадцати групп образована тремя преобразователями так, что акустический центр каждого преобразователя группы находится в вершине равностороннего треугольника с длиной стороны, равной половине длины волны максимальной частоты полосы принимаемого сигнала. Преобразователи расположены таким образом, что ось опоры антенны располагается перпендикулярно одной из граней икосаэдра и проходит через центр равностороннего треугольника, образуемого этой гранью.The transducers are omnidirectional in the working range of the antenna wavelengths and are arranged in twelve groups so that the centers of the groups are located at the vertices of the icosahedron inscribed in the sphere at distances less than or equal to 1.5 wavelengths of the maximum frequency of the received signal band, each of the twelve groups is formed by three transducers so that the acoustic center of each group transducer is located at the apex of an equilateral triangle with a side length equal to half the wavelength of the maximum frequency n received signal strength. The transducers are located in such a way that the axis of the antenna support is perpendicular to one of the faces of the icosahedron and passes through the center of an equilateral triangle formed by this face.
Это позволяет защитить пьезоэлектрические преобразователи от внешнего механического воздействия, снизить массу антенны, определять направления на источники гидроакустических сигналов с высокой точностью и разрешающей способностью при небольших размерах апертуры антенны.This allows you to protect the piezoelectric transducers from external mechanical stress, reduce the weight of the antenna, determine the directions to the sources of hydroacoustic signals with high accuracy and resolution with small sizes of the antenna aperture.
Защита пьезоэлектрических преобразователей от внешнего механического воздействия достигается благодаря заявленной схеме размещения гидроакустических преобразователей внутри оболочки антенны. Размещение преобразователей внутри сферической оболочки позволяет использовать оболочку в качестве обтекателя антенны. Применение акустически прозрачной оболочки позволяет избавиться от затенения оболочкой преобразователей, находящихся на стороне антенны, противоположной источнику сигнала, и тем самым при приеме сигнала с любого направления задействовать все преобразователи антенны. Расположение центров групп преобразователей в вершинах икосаэдра позволяет добиться такого размещения групп, что соседние группы преобразователей находятся на поверхности сферической оболочки на одинаковых расстояниях, что позволяет получить равномерную характеристику направленности. Расположение преобразователей такими группами, что внутри каждой группы акустические центры преобразователей находятся в вершинах равносторонних треугольников с длиной стороны, равной половине длины волны максимальной частоты полосы принимаемого сигнала, а расстояние между соседними центрами групп не превышает 1,5 длин волн максимальной частоты полосы принимаемого сигнала, позволяет не допустить ложных максимумов в пеленгационном рельефе при низких отношениях сигнал/шум. Расположение преобразователей антенны таким образом, что ось опоры антенны располагается перпендикулярно одной из граней икосаэдра, и проходит через центр равностороннего треугольника, образуемого этой гранью, совпадая с осью антенны, являющейся диагональю куба, на котором построен икосаэдр, позволяет при креплении опоры к сферическому корпусу антенны не удалять преобразователи, мешающие креплению опоры к оболочке, и обеспечить равномерность характеристики направленности антенны. Акустическая прозрачность антенны и заявленная схема размещения преобразователей позволяют добиться эффективного применения метода MUSIC для анализа сигналов, принятых антенной, и тем самым определять направления на источники гидроакустических сигналов с высокой точностью и разрешающей способностью.Protection of piezoelectric transducers from external mechanical stress is achieved thanks to the claimed arrangement of sonar transducers inside the antenna shell. Placing the transducers inside the spherical shell allows the shell to be used as a radome around the antenna. The use of an acoustically transparent sheath allows one to get rid of the shading by the sheath of the transducers located on the side of the antenna opposite to the signal source, and thereby, when receiving a signal from any direction, use all the antenna converters. The location of the centers of the groups of transducers at the vertices of the icosahedron makes it possible to arrange the groups so that the neighboring groups of transducers are on the surface of the spherical shell at equal distances, which allows to obtain a uniform directivity characteristic. The location of the transducers in such groups that within each group the acoustic centers of the transducers are at the vertices of equilateral triangles with a side length equal to half the wavelength of the maximum frequency of the band of the received signal, and the distance between adjacent centers of the groups does not exceed 1.5 wavelengths of the maximum frequency of the band of the received signal, allows to prevent false maxima in the direction finding relief at low signal-to-noise ratios. The location of the antenna converters in such a way that the axis of the antenna support is perpendicular to one of the faces of the icosahedron, and passes through the center of an equilateral triangle formed by this face, coinciding with the axis of the antenna, which is the diagonal of the cube on which the icosahedron is built, allows for mounting the support to the spherical body of the antenna Do not remove the transducers that interfere with the mounting of the support to the shell, and ensure that the directivity of the antenna is uniform. The acoustic transparency of the antenna and the claimed arrangement of the transducers make it possible to effectively use the MUSIC method to analyze the signals received by the antenna, and thereby determine the directions to the sources of hydroacoustic signals with high accuracy and resolution.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приводится изображение конструкции заявленной антенны с диаметром сферы, равным 160 мм, длиной ребра икосаэдра 84,1 мм, расстояниями между акустическими центрами пьезоэлектрических преобразователей, равными 25 мм, что соответствует половине длины волны акустического сигнала на частоте 30 кГц при скорости распространения звука в воде, равной 1500 м/с, оболочка для наглядности показана полупрозрачной, линиями условно показаны ребра икосаэдра, в вершинах которого находятся центры групп преобразователей, где цифрой 1 обозначена полая тонкостенная сферическая акустически прозрачная заполняемая водой оболочка; 2 - цилиндрические пьезоэлектрические преобразователи; 3 - отверстия для заполнения антенны водой; 4 - опора для крепления антенны к носителю; 5 - группа преобразователей, акустические центры которых расположены в вершинах равностороннего треугольника;The essence of the claimed invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a design image of the claimed antenna with a sphere diameter of 160 mm, an icosahedron rib length of 84.1 mm, and distances between the acoustic centers of piezoelectric transducers equal to 25 mm, which corresponds to half the wavelength of the acoustic signal at a frequency of 30 kHz at a speed of sound propagation in water equal to 1500 m / s, the shell is shown translucent for clarity, the edges of the icosahedron, at the vertices of which a cent s groups of transducers, wherein the numeral 1 denotes a hollow thin-walled spherical shell filled by an acoustically transparent water; 2 - cylindrical piezoelectric transducers; 3 - holes for filling the antenna with water; 4 - support for mounting the antenna to the carrier; 5 - a group of transducers whose acoustic centers are located at the vertices of an equilateral triangle;
на фиг.2 приводится пеленгационный рельеф, построенный с помощью анализа методом MUSIC (Multiple Signal Classification) сигналов, одновременно принятых моделью заявленной антенны от трех источников, имеющих одинаковую мощность излучения в полосе 25-30 кГц в условиях воздействия пространственно-изотропной помехи в виде белого гауссового шума с отношением сигнал/шум -10 дБ в полосе частот полезных сигналов, где цифрой 6 обозначен локальный максимум, соответствующий источнику сигнала с угловыми координатами 40° в горизонтальной плоскости и -50° в вертикальной плоскости; 7 - локальный максимум, соответствующий источнику сигнала с угловыми координатами 120° в горизонтальной плоскости и 40° в вертикальной плоскости; 8 - локальный максимум, соответствующий источнику сигнала с угловыми координатами 300° в горизонтальной плоскости и 10° в вертикальной плоскости.figure 2 shows the directional relief constructed using the MUSIC method (Multiple Signal Classification) of signals simultaneously received by the model of the claimed antenna from three sources having the same radiation power in the band 25-30 kHz under the influence of spatially isotropic interference in the form of white Gaussian noise with a signal-to-noise ratio of -10 dB in the frequency band of useful signals, where the
Сферическая гидроакустическая антенна содержит: полую тонкостенную сферическую акустически прозрачную заполняемую водой оболочку 1, пьезоэлектрические преобразователи 2, отверстия 3 для заполнения корпуса водой, опору 4 для крепления антенны к носителю.A spherical hydroacoustic antenna contains: a hollow thin-walled spherical acoustically transparent shell filled with water 1, piezoelectric transducers 2, holes 3 for filling the housing with water, a support 4 for attaching the antenna to the carrier.
Антенна работает следующим образом: звуковые волны от М источников сигналов возбуждают механические колебания N=36 пьезоэлектрических преобразователей 2 антенны, на выходах которых возникают электрические сигналы. Из-за акустической прозрачности сферического корпуса 1 антенны в формировании электрических сигналов, содержащих информацию о направлении на конкретный источник акустического сигнала, участвуют все преобразователи антенны.The antenna works as follows: sound waves from M signal sources excite mechanical vibrations N = 36 of the piezoelectric transducers 2 antennas, at the outputs of which electrical signals arise. Due to the acoustic transparency of the spherical body 1 of the antenna, all antenna converters participate in the formation of electrical signals containing information about the direction to a specific source of the acoustic signal.
Ввиду пространственного разнесения преобразователей сигналы связанных с ними каналов антенны имеют фазовые задержки, на основе которых оцениваются направления на источники сигналов, для чего сигналы преобразователей антенны усиливают, оцифровывают, вычисляют их комплексную огибающую и заносят в память вычислительной машины блоками, из каждого блока оцифрованных сигналов преобразователей формируют матрицу Xfr размером N×L, где N - количество преобразователей в антенне, L - длина блока с сигналом, по матрице X строят выборочную оценку корреляционной матрицы
где fr - номер блока, Kfr - количество блоков сигнала, участвующих в усреднении.where fr is the block number, K fr is the number of signal blocks involved in averaging.
С антенной связывают трехмерную прямоугольную систему координат OXYZ, ориентированную таким образом, что ее центр О совмещен с центром сферической антенны, ось OZ направлена вниз. Направление на каждый источник сигнала задают горизонтальным и вертикальным углами α и ε соответственно. Горизонтальный угол α отсчитывается от положительного направления оси ОХ по часовой стрелке, если смотреть на плоскость OXY сверху. Вертикальный угол 8 отсчитывается от плоскости OXY вниз.A three-dimensional rectangular coordinate system OXYZ is connected to the antenna, oriented in such a way that its center O is aligned with the center of the spherical antenna, the axis OZ is directed downward. The direction to each signal source is set by the horizontal and vertical angles α and ε, respectively. The horizontal angle α is counted from the positive direction of the OX axis clockwise when viewed from the OXY plane. The
Принимая допущение, что помеха пространственно изотропна и является белым Гауссовым шумом с нулевым средним, выполняют вычисление матрицы собственных векторов U и матрицы собственных значений Λ оценочной корреляционной матрицы
где
для М - источников сигналов, имеющих горизонтальные и вертикальные углы направления в пространстве: α1,ε1,…,αM,εM, Н - символ Эрмитова сопряжения комплекснозначной матрицы,for M - sources of signals having horizontal and vertical angles of direction in space: α 1 , ε 1 , ..., α M , ε M , H - Hermite symbol of conjugation of a complex-valued matrix,
- направляющий вектор антенны, характеризующий воздействие сигнала одного источника на несущей частоте f0 с направления, задаваемого горизонтальным углом α и вертикальным углом ε на N преобразователей антенны.- the antenna direction vector characterizing the effect of a single source signal at a carrier frequency f 0 from the direction specified by the horizontal angle α and vertical angle ε on N antenna converters.
Для подтверждения работоспособности заявленной антенны указанным методом был построен пеленгационный рельеф для сигналов, одновременно принятых моделью заявленной антенны от трех источников, имеющих одинаковую мощность излучения в полосе 25-30 кГц. Первый источник сигнала с угловыми координатами α=40° в горизонтальной плоскости и ε=-50° в вертикальной плоскости; второй источник сигнала с угловыми координатами α=120° в горизонтальной плоскости и ε=40° в вертикальной плоскости; третий источник сигнала с угловыми координатами α=300° в горизонтальной плоскости и ε=10° в вертикальной плоскости. Сигналы принимались в условиях воздействия пространственно-изотропной помехи в виде белого Гауссового шума с отношением сигнал/шум - 10 дБ в полосе частот полезных сигналов. Результат моделирования показан на фиг.2, где цифрой 6 обозначен локальный максимум, соответствующий первому источнику сигнала, 7 -локальный максимум, соответствующий второму источнику сигнала, 8 -локальный максимум, соответствующий третьему источнику сигнала. По графику на фиг.2 видно, что пеленгационный рельеф не имеет ложных максимумов, локальные максимумы точно соответствуют направлениям на источники сигналов.To confirm the operability of the claimed antenna by the indicated method, a direction-finding relief was constructed for signals simultaneously received by the model of the claimed antenna from three sources having the same radiation power in the band 25-30 kHz. The first signal source with angular coordinates α = 40 ° in the horizontal plane and ε = -50 ° in the vertical plane; a second signal source with angular coordinates α = 120 ° in the horizontal plane and ε = 40 ° in the vertical plane; the third signal source with angular coordinates α = 300 ° in the horizontal plane and ε = 10 ° in the vertical plane. The signals were received under the influence of spatially isotropic interference in the form of white Gaussian noise with a signal-to-noise ratio of 10 dB in the frequency band of useful signals. The simulation result is shown in figure 2, where the
Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.Thus, the objective of the invention can be considered solved.
Заявленное изобретение позволяет защитить пьезоэлектрические преобразователи от внешнего механического воздействия, снизить массу антенны, определять направления на источники гидроакустических сигналов с высокой точностью и разрешающей способностью при небольших размерах апертуры антенны.The claimed invention allows to protect piezoelectric transducers from external mechanical stress, reduce the weight of the antenna, determine the directions to the sources of hydroacoustic signals with high accuracy and resolution with small sizes of the antenna aperture.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012147941/28A RU2515133C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Spherical hydroacoustic antenna |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012147941/28A RU2515133C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Spherical hydroacoustic antenna |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2515133C1 true RU2515133C1 (en) | 2014-05-10 |
Family
ID=50629701
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012147941/28A RU2515133C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Spherical hydroacoustic antenna |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2515133C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2707574C1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-11-29 | Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" | Hydroacoustic underwater antenna |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1235936A (en) * | 1967-11-03 | 1971-06-16 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Improvements in transmitting or receiving arrays |
FR2709909A1 (en) * | 1984-12-21 | 1995-03-17 | Sintra | Hydraulic acoustic antenna with a spherical support |
RU2153685C2 (en) * | 1988-09-16 | 2000-07-27 | Государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Hydroacoustic antenna |
RU104732U1 (en) * | 2010-12-03 | 2011-05-20 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | MULTI-FREQUENCY HYDROACOUSTIC RECEIVING ANTENNA DEVICE |
RU2460092C1 (en) * | 2011-05-27 | 2012-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Spherical hydroacoustic antenna for sonar |
-
2012
- 2012-11-13 RU RU2012147941/28A patent/RU2515133C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1235936A (en) * | 1967-11-03 | 1971-06-16 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Improvements in transmitting or receiving arrays |
FR2709909A1 (en) * | 1984-12-21 | 1995-03-17 | Sintra | Hydraulic acoustic antenna with a spherical support |
RU2153685C2 (en) * | 1988-09-16 | 2000-07-27 | Государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Hydroacoustic antenna |
RU104732U1 (en) * | 2010-12-03 | 2011-05-20 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | MULTI-FREQUENCY HYDROACOUSTIC RECEIVING ANTENNA DEVICE |
RU2460092C1 (en) * | 2011-05-27 | 2012-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Spherical hydroacoustic antenna for sonar |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Jan Egil Kikebо, CURVED AND SPHERICAL ARRAYS, Cand.Scient.Thesis, University of Oslo, Department of Informatics, 15.08.2002, p.33-37, 44, 45, 71, 72, фиг. 3.9 и 3.10. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2707574C1 (en) * | 2019-03-29 | 2019-11-29 | Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" | Hydroacoustic underwater antenna |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hawkes et al. | Acoustic vector-sensor beamforming and Capon direction estimation | |
Hassanien et al. | A generalized Capon estimator for localization of multiple spread sources | |
US7372774B1 (en) | System for detecting, tracking, and reconstructing signals in spectrally competitive environments | |
US7839721B1 (en) | Modal beam processing of acoustic vector sensor data | |
CN112083430B (en) | Sidelobe suppression method suitable for orbital angular momentum three-dimensional imaging sonar | |
Sun et al. | Improving the performance of a vector sensor line array by deconvolution | |
CN105301580A (en) | Passive detection method based on split array cross-spectrum phase difference variance weighing | |
Blomberg et al. | Adaptive beamforming applied to a cylindrical sonar array using an interpolated array transformation | |
RU2515179C1 (en) | Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions | |
CN110736976B (en) | Method for estimating performance of sonar beam former of any array | |
Broumandan et al. | Direction of arrival estimation of GNSS signals based on synthetic antenna array | |
US6894642B2 (en) | Doubly constrained robust capon beamformer | |
RU2515133C1 (en) | Spherical hydroacoustic antenna | |
US7675819B2 (en) | Volumetric passive sonobuoy array of polyvinylidene fluoride (PVDF) wires | |
Clark et al. | Localization of radiating sources along the hull of a submarine using a vector sensor array | |
CN113624330B (en) | Combined volumetric array for measuring radiation noise of underwater target and measuring method | |
US20210018619A1 (en) | Multiple Frequency Side-Scan Sonar | |
Bardhan et al. | Experimental observation of direction-of-arrival (DOA) estimation algorithms in a tank environment for sonar application | |
Adhikari et al. | Sparse Arrays for Sonar | |
Diarra et al. | Comparison of different optimized irregular sparse 2D ultrasound arrays | |
Ma et al. | The effect of elevation angle on bearing estimation for array beamforming in shallow water | |
Young et al. | Performance evaluation of far field patterns for radio astronomy applications through the use of the Jacobi-Bessel series | |
Ferat et al. | Mid‐to High‐Frequency Ambient Noise Anisotropy and Notch‐Filling Mechanisms | |
Ulrey et al. | Optimum element distribution for circular adaptive antenna systems | |
RU2439602C2 (en) | Apparatus and method for determining direction of audio source by diver |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151114 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20161120 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20171206 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |