RU2617795C1 - Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus - Google Patents

Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus Download PDF

Info

Publication number
RU2617795C1
RU2617795C1 RU2015157421A RU2015157421A RU2617795C1 RU 2617795 C1 RU2617795 C1 RU 2617795C1 RU 2015157421 A RU2015157421 A RU 2015157421A RU 2015157421 A RU2015157421 A RU 2015157421A RU 2617795 C1 RU2617795 C1 RU 2617795C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
receiver
cardioid
frequency
channel
signals
Prior art date
Application number
RU2015157421A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Николаевич Антонов
Валерий Геннадьевич Костромитинов
Анатолий Николаевич Ракитин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ
Priority to RU2015157421A priority Critical patent/RU2617795C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2617795C1 publication Critical patent/RU2617795C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: invention relates to methods for solving the problem of broadband reception the narrow-band (relative to the reception band frequency) acoustic signals with a priori unknown center frequency of the spectrum by a compact receiver cardioid (CNs) in a wide range of working angles amid interfering noise centered on corner. The main result achieved when using the proposed method is a significant increase in depth of the dip in the characteristic of the receiver orientation in a direction of interfering noise in the operating band of the reception channel frequencies. Additional results include: reduction in requirements for the identity of the active elements of the characteristics that make up a cardioid receiver, reducing the requirements for receiver assembly in the manufacture precision and simplification of the whole procedure of tuning the receiver while maintaining a large depth of the dip in the CN. The method is based on splitting by the procedure complex FFT receiving broad band signals at the output of the first and second elements forming the cardioid receiver into a plurality of narrowband channels. When setting up the receiver for the direction in which the failure should be provided in the CN, formed a table containing the complex coefficients for the center frequency of each narrowband channel, equal treatment of complex values of the output signals of the first and second channels. When a signal of the failure XH multiplication received second channel signal to the corresponding complex factor ensures precise alignment of the amplitude and phase cardioid receiver outputs of the first and second channels for the center frequency of each narrow frequency band, which is divided into the source a wide range of operating frequencies.
EFFECT: resulting in a cardioid XH shaper for calculating difference values of output signals of the first and second channels is achieved a substantial increase in depth of the dip at any frequency XH broadband reception channel.
5 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к гидроакустике, в частности к способам решения задачи широкополосного приема гидроакустических сигналов с помощью малогабаритного приемника в широком диапазоне рабочих углов на фоне мешающей помехи, сосредоточенной по углу. Для решения этой задачи часто используются гидроакустические приемники с кардиоидной характеристикой направленности (ХН), у которых провал в ХН ориентируется в направлении на источник помехи.The proposed method relates to hydroacoustics, in particular to methods for solving the problem of broadband reception of hydroacoustic signals using a small receiver in a wide range of working angles against a background of disturbing noise concentrated in the corner. To solve this problem, sonar receivers with a cardioid directivity characteristic (CI) are often used, in which the dip in the CI is oriented in the direction of the interference source.

Широко известен способ формирования кардиоидной характеристики направленности приемника, состоящего из пары активных элементов (см., например, Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник, изд. Судостроение, Л., 1986 г.). Известен "Способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны" (см. патент №2169439, опубликован 20.06.2001), в котором использование кардиоидных характеристик направленности группы элементов звукопрозрачной многоэлементной антенны обеспечивает хорошую направленность основного (узкого) лепестка диаграммы за счет подавления чувствительности антенны в тыльном направлении и позволяет отказаться от использования крупногабаритных акустических экранов, закрывающих тыльное направление приема.The method of forming a cardioid directivity pattern of a receiver consisting of a pair of active elements is widely known (see, for example, Smaryshev M.D., Dobrovolsky Yu.Yu. Hydroacoustic antennas. Reference, ed. Sudostroenie, L., 1986). The known "Method for forming the directivity characteristics of a hydroacoustic antenna" (see patent No. 2169439, published 06/20/2001), in which the use of cardioid directivity characteristics of a group of elements of a translucent multielement antenna provides good directivity of the main (narrow) lobe of the diagram by suppressing the sensitivity of the antenna in the back direction and eliminates the use of large-sized acoustic screens that cover the rear direction of reception.

Известна "Гидроакустическая антенна и способ обработки сигналов в ней" (см. патент №2466420, опубликован 10.11.2012 г.), в которой кардиоидные характеристики направленности элементов используются для подавления структурной помехи от носителя, на котором размещена антенна.Known "Hydroacoustic antenna and a method of processing signals in it" (see patent No. 2466420, published November 10, 2012), in which the cardioid directivity of the elements are used to suppress structural interference from the carrier on which the antenna is located.

В приведенных патентах речь идет о характеристиках узконаправленных многоэлементных (крупногабаритных) антенн, предназначенных для работы в сравнительно узких диапазонах частот. В таких антеннах глубина провала в кардиоидной характеристике направленности практически не зависит от разброса характеристик отдельных активных элементов, поскольку разбросы чувствительности отдельных элементов даже в достаточно широкой полосе частот усредняются по множеству используемых в антенне активных элементов.The cited patents refer to the characteristics of narrowly targeted multi-element (large) antennas designed to operate in relatively narrow frequency ranges. In such antennas, the depth of dip in the cardioid directivity characteristic is practically independent of the spread in the characteristics of individual active elements, since the sensitivity spreads of individual elements even in a fairly wide frequency band are averaged over the set of active elements used in the antenna.

Наиболее близким прототипом по сути предлагаемого способа формирования кардиоидной характеристики направленности является классический способ, изложенный в книге Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. В самоходных необитаемых подводных аппаратах приемный канал часто выполняется в виде буксируемого двухэлементного приемника и двух каналов обработки выходных сигналов элементов приемника, обеспечивающих прием сигналов из задней полусферы. Провал в ХН ориентирован в направлении на подводный аппарат, буксирующий приемник. Реализованный способ иллюстрируется фиг. 1 и включает в себя выполнение следующих операций:The closest prototype in essence of the proposed method for the formation of a cardioid directivity is the classical method described in the book Smaryshev MD, Dobrovolsky Yu.Yu. Hydroacoustic antennas. Directory. In self-propelled uninhabited underwater vehicles, the receiving channel is often made in the form of a towed two-element receiver and two channels for processing the output signals of the receiver elements, which provide signals from the rear hemisphere. The dip in the XI is oriented towards the underwater vehicle towing the receiver. The implemented method is illustrated in FIG. 1 and includes the following operations:

- усиления в двух каналах обработки выходных сигналов с двух активных элементов, образующих приемник и разнесенных в пространстве на расстояние, равное четверти длины волны акустического сигнала на выбранной частоте рабочего диапазона;- amplification in two channels for processing output signals from two active elements forming the receiver and spaced in space by a distance equal to a quarter of the wavelength of the acoustic signal at the selected frequency of the operating range;

- сдвига фазы сигнала 2-го канала обработки путем его задержки на четверть периода частоты сигнала на выбранной частоте рабочего диапазона;- phase shift of the signal of the 2nd processing channel by delaying it by a quarter of the period of the signal frequency at the selected frequency of the operating range;

- выравнивания сигналов по амплитуде в каналах обработки в рабочей полосе частот;- equalization of signals in amplitude in the processing channels in the working frequency band;

- формирования разностного сигнала на вычитающем устройстве;- the formation of a differential signal on a subtracting device;

- амплитудно-частотной коррекции чувствительности всего приемного канала по выходу (по разностному сигналу), исключающей частотную зависимость чувствительности канала в рабочем диапазоне частот.- amplitude-frequency correction of the sensitivity of the entire receiving channel by the output (by the difference signal), excluding the frequency dependence of the channel sensitivity in the working frequency range.

Источником помехи, мешающей приему, обычно является сам аппарат, буксирующий приемник и, очень часто, буксируемые прямо за ним излучатели. Провал в ХН, направленный на источник помехи, одновременно с разнесением по пространству приемника и источника помехи в данном случае обеспечивает возможность одновременного ненаправленного излучения и приема сигналов из задней полусферы во время движения подводного аппарата. Увеличение глубины провала в ХН дает возможность уменьшения необходимого расстояния между приемником и излучателями с сохранением необходимого запаса по устойчивости аппарата к самовозбуждению, т.е. уменьшения необходимой длины кабель-троса. В свою очередь, уменьшение длины кабель-троса улучшает массогабаритные характеристики аппарата, повышает его надежность и, самое главное, уменьшает необходимые усилия буксировки и дает возможности улучшения скоростных характеристик прибора в целом. Таким образом, глубина провала в ХН приемника прямо влияет на основные ТТХ прибора. Требуемая ширина рабочей полосы частот, в которой производятся прием и излучение, часто очень велика и доходит до 2 и более октав. В этой полосе частот к приемнику предъявляется требование реализации максимально достижимой глубины провала в ХН в направлении на источник помехи. Сказанное подтверждает актуальность задачи поиска способов синтеза кардиоидной ХН приемника с максимальной глубиной провала, обеспечиваемого в широком диапазоне рабочих частот.The source of interference that interferes with reception is usually the apparatus itself, which tows the receiver and, very often, emitters towed directly behind it. The failure in the HN, aimed at the source of interference, simultaneously with the separation in space of the receiver and the source of interference in this case provides the possibility of simultaneous non-directional radiation and reception of signals from the rear hemisphere during the movement of the underwater vehicle. An increase in the depth of the dip in the HN makes it possible to reduce the necessary distance between the receiver and emitters while maintaining the necessary margin for the stability of the apparatus to self-excitation, i.e. reducing the required cable length. In turn, reducing the length of the cable cable improves the overall dimensions of the device, increases its reliability and, most importantly, reduces the necessary towing forces and makes it possible to improve the speed characteristics of the device as a whole. Thus, the depth of dip in the receiver XN directly affects the main performance characteristics of the device. The required width of the working frequency band in which reception and radiation are made is often very large and reaches 2 or more octaves. In this frequency band, the receiver is required to implement the maximum achievable dip depth in the XN in the direction of the interference source. The aforementioned confirms the relevance of the task of finding methods for synthesizing a cardioid CN receiver with a maximum dip depth provided in a wide range of operating frequencies.

При реализации известного способа синтеза кардиоидной ХН широкополосного приемника в рабочем диапазоне частот выбирается частота, для которой определяется значение необходимой задержки сигнала во 2-м канале обработки, соответствующее четверти периода этой частоты. На этой частоте после выполнения операции выравнивания чувствительности каналов путем регулировки усиления в каналах достигается максимальная глубина провала в ХН за счет полной компенсации выходного сигнала после вычитания.When implementing the known method for the synthesis of a cardioid CN of a broadband receiver in the operating frequency range, a frequency is selected for which the value of the necessary signal delay in the 2nd processing channel corresponding to a quarter of the period of this frequency is determined. At this frequency, after performing the operation of equalizing the sensitivity of the channels by adjusting the gain in the channels, the maximum dip depth in the XI is achieved due to the complete compensation of the output signal after subtraction.

Существенный недостаток традиционного способа синтеза кардиоидной ХН заключается в том, что при отклонениях частоты входного сигнала от выбранной частоты, на которой обеспечивается полная компенсация разностного выходного сигнала, достигаемая глубина провала уменьшается из-за неидентичности частотных характеристик электроники каналов обработки и, главным образом, из-за неидентичности в рабочей полосе частотных характеристик чувствительности активных элементов, образующих приемник. Различия чувствительности элементов приемника в широкой полосе частот носят случайный характер и изменяются от образца к образцу. В результате для получения приемлемых ХН кардиоидных широкополосных приемников приходится при изготовлении собственно приемника осуществлять тщательный подбор по чувствительности элементов, образующих приемник, и использовать сложные способы дополнительной коррекции чувствительности в рабочей полосе частот, выравнивающей при настройке чувствительность элементов. При серийном изготовлении приемников с использованием этих операций на краях рабочего диапазона шириной 2,4 октавы глубина провала ХН уменьшается на 8-10 дБ по сравнению с глубиной провала на выбранной частоте компенсации.A significant drawback of the traditional method for the synthesis of cardioid CN is that when the input signal frequency deviates from the selected frequency, which provides full compensation of the differential output signal, the achieved dip depth decreases due to the non-identical frequency characteristics of the processing channel electronics and, mainly, for non-identity in the working band of the frequency characteristics of the sensitivity of the active elements forming the receiver. The differences in the sensitivity of the receiver elements in a wide frequency band are random and vary from sample to sample. As a result, in order to obtain acceptable CVs of cardioid broadband receivers, it is necessary to carefully select the sensitivity of the elements making up the receiver in the manufacture of the receiver itself and use sophisticated methods for additional sensitivity correction in the working frequency band, which evens out the sensitivity of the elements during tuning. In the serial production of receivers using these operations at the edges of the operating range with a width of 2.4 octaves, the depth of the dip in the XN decreases by 8-10 dB compared to the depth of the dip at the selected compensation frequency.

Предлагаемый способ синтеза кардиоидной ХН иллюстрируется фиг. 2.The proposed method for the synthesis of cardioid CN is illustrated in FIG. 2.

Сигналы, подаваемые на входы 1-го и 2-го АЦП, являются сигналами с выходов кардиоидного приемника, образованного двумя приемными элементами, разнесенными на расстояние, равное 1/4 длины волны для выбранной частоты рабочего диапазона. После выполнения АЦП и комплексного БПФ сигналов с выходов элементов приемника для произвольной спектральной составляющей сигнала в первом и втором каналах обработки имеем:The signals supplied to the inputs of the 1st and 2nd ADCs are signals from the outputs of a cardioid receiver formed by two receiving elements spaced apart by a distance equal to 1/4 of the wavelength for the selected frequency of the operating range. After performing the ADC and complex FFT signals from the outputs of the receiver elements for an arbitrary spectral component of the signal in the first and second processing channels, we have:

(1) на вых. 1 кан. -

Figure 00000001
,(1) at the exit. 1 can -
Figure 00000001
,

(2) на вых. 2 кан. -

Figure 00000002
,(2) at the exit. 2 can -
Figure 00000002
,

где А - амплитуда, ω - круговая частота, r - расстояние между элементами приемника, α - угол прихода сигнала, С - скорость звука.where A is the amplitude, ω is the circular frequency, r is the distance between the elements of the receiver, α is the angle of arrival of the signal, C is the speed of sound.

Для формирования провала в ХН в заданном направлении необходимо выровнять сигналы по амплитуде и довернуть фазу сигнала второго канала обработки на угол, обеспечивающий нулевой результат при вычитании сигналов 1-го и 2-го каналов в заданном направлении. Требуемое выравнивание и фазировка сигналов в каналах при выбранном направлении компенсации (при α=180°) достигается умножением комплексной спектральной составляющей сигнала второго канала обработки на комплексный коэффициент, равный отношению (1) к (2), т.е.To form a dip in the optic wave in a given direction, it is necessary to equalize the signals in amplitude and turn the phase of the signal of the second processing channel to an angle that provides a zero result when subtracting the signals of the 1st and 2nd channels in a given direction. The required equalization and phasing of the signals in the channels for a selected compensation direction (at α = 180 °) is achieved by multiplying the complex spectral component of the signal of the second processing channel by a complex coefficient equal to the ratio of (1) to (2), i.e.

Figure 00000003
Figure 00000003

Выполнив умножение спектральной составляющей (2) на коэффициент (3) и вычитая произведение из (1), получим на выходе разностного канала сигнал:Performing the multiplication of the spectral component (2) by the coefficient (3) and subtracting the product from (1), we obtain the signal at the output of the difference channel:

Figure 00000004
Figure 00000004

Из (4) получаем для ХН:From (4) we obtain for XN:

Figure 00000005
Figure 00000005

На фиг. 3 приведен пример расчета идеализированных (когда чувствительность первого элемента приемника Α1(

Figure 00000006
) не зависит от частоты) ХН в линейном масштабе для диапазона частот с шириной в 2,4 октавы. Расстояние между элементами приемника выбрано равным 8 мм, что соответствует
Figure 00000007
периода частоты, равной 46,875кГц. Коэффициенты вида (3) для заданного направления компенсации формируются в ПЗУ при настройке в виде таблицы для центральных частот каждого канала БПФ. Т.е. выполнение БПФ входного сигнала 2-го канала обработки необходимо производить сразу с домножением результата БПФ на набор коэффициентов типа (3).In FIG. Figure 3 shows an example of calculating idealized (when the sensitivity of the first receiver element is Α 1 (
Figure 00000006
) does not depend on frequency) ХН on a linear scale for a frequency range with a width of 2.4 octaves. The distance between the elements of the receiver is chosen equal to 8 mm, which corresponds to
Figure 00000007
a frequency period of 46.875 kHz. Coefficients of the form (3) for a given direction of compensation are generated in the ROM when configured in the form of a table for the center frequencies of each FFT channel. Those. FFT of the input signal of the 2nd processing channel must be performed immediately with the multiplication of the FFT result by a set of coefficients of type (3).

Способ формирования таблицы комплексных коэффициентов вида (3) иллюстрируется фиг. 4. Для формирования таблицы комплексных коэффициентов, учитывающих все отклонения амплитудно-фазовых характеристик 2-го канала обработки относительно 1-го, выполняются следующие операции. С помощью настроечной аппаратуры генерируется последовательность импульсных тональных сигналов с устанавливаемым при настройке периодом повторения и с дискретным изменением частоты (последовательно от импульса к импульсу). Дискретность изменения частоты должна строго соответствовать дискретности по частоте БПФ, выполняемого в каналах обработки в процессе работы приемного канала (т.е. центральные частоты каналов БПФ должны соответствовать частотам генерируемых импульсов). Эта последовательность используется в качестве входного сигнала для акустической аппаратуры, облучающей настраиваемый кардиоидный приемник. Настраиваемый приемник ориентируется в пространстве в направлении, где должен быть провал в ХН. В процессе облучения приемника в режиме настройки для отстробированных во времени сигналов 1-го и 2-го каналов обработки (для каждого принятого импульса) выполняют БПФ такой же длины, как и в реальной работе, выполняют комплексное деление спектральных выборок 1-го канала обработки на спектральные выборки 2-го канала и запоминают в памяти таблицу комплексных коэффициентов вида (3). В режиме реальной работы эта таблица используется для корректировки результатов выполнения БПФ для сигнала 2-го канала обработки.A method of forming a table of complex coefficients of the form (3) is illustrated in FIG. 4. To create a table of complex coefficients that take into account all the deviations of the amplitude-phase characteristics of the 2nd processing channel relative to the 1st, the following operations are performed. Using the tuning equipment, a sequence of pulsed tones is generated with a repetition period set during tuning and with a discrete change in frequency (sequentially from pulse to pulse). The discreteness of the frequency change must strictly correspond to the discreteness in the frequency of the FFT performed in the processing channels during the operation of the receiving channel (i.e., the central frequencies of the FFT channels must correspond to the frequencies of the generated pulses). This sequence is used as input for acoustic equipment irradiating a tunable cardioid receiver. The tunable receiver is oriented in space in the direction where the dip in the XN should be. In the process of irradiating the receiver in the tuning mode for time-gated signals of the 1st and 2nd processing channels (for each received pulse), FFTs of the same length as in real work are performed, a complex division of the spectral samples of the 1st processing channel by spectral samples of the 2nd channel and store in the memory a table of complex coefficients of the form (3). In real mode, this table is used to adjust the results of the FFT for the signal of the 2nd processing channel.

Из (5) видно, что, в отличие от прототипа, неравномерность чувствительности предлагаемого кардиоидного приемника в диапазоне частот зависит от неравномерности чувствительности только первого элемента A1(

Figure 00000006
). Кроме того, из фиг. 3 видно, что, как и в прототипе, чувствительность кардиоидного приемника в рабочем секторе углов зависит от частоты. При заданной геометрии приемника для частот ниже частоты, для которой выбрано расстояние между элементами приемника r, его чувствительность на максимуме ХН (в направлении 0°) с приближением к нижней границе частотного диапазона изменяется примерно на минус 6 дБ по закону:From (5) it is seen that, in contrast to the prototype, the non-uniformity of the sensitivity of the proposed cardioid receiver in the frequency range depends on the non-uniformity of the sensitivity of only the first element A 1 (
Figure 00000006
) In addition, from FIG. 3 shows that, as in the prototype, the sensitivity of the cardioid receiver in the working sector of the angles depends on the frequency. For a given receiver geometry for frequencies below the frequency for which the distance between the receiver elements r is chosen, its sensitivity at the maximum ХН (in the direction of 0 °) with approaching the lower boundary of the frequency range changes by about minus 6 dB according to the law:

Figure 00000008
Figure 00000008

Эта дополнительная неравномерность кардиоидного канала по выходу, в отличие от прототипа, компенсируется в частотной области умножением на вещественные коэффициенты таблицы коррекции (коэффициенты К2).This additional unevenness of the cardioid channel in output, in contrast to the prototype, is compensated in the frequency domain by multiplying by the material coefficients of the correction table (K 2 coefficients).

Кардиоидная ХН формируется фактически в частотной области. В то же время выход кардиоидного канала чаще всего используется во временной области. Поэтому после выполнения коррекции спектра сигнала 2-го канала с помощью комплексных коэффициентов и вычитания значений спектральных выборок 2-го канала из значений выборок 1-го канала необходимым является выполнение для разностного сигнала операции ОБПФ с целью формирования выходного сигнала кардиоидного канала во временной области. БПФ входных сигналов и ОБПФ выходного разностного сигнала необходимо выполнять с перекрытием во времени на половину длины обрабатываемого в одном цикле БПФ массива временных выборок и с использованием взвешивания массива входных выборок временным окном в виде полупериода функции Sin2(x). Эта процедура позволяет устранить периодические (с периодом, равным длине БПФ) искажения выходного сигнала в виде щелчков.Cardioid CN is formed in fact in the frequency domain. At the same time, the output of the cardioid channel is most often used in the time domain. Therefore, after performing correction of the spectrum of the signal of the 2nd channel using complex coefficients and subtracting the values of the spectral samples of the 2nd channel from the values of the samples of the 1st channel, it is necessary to perform the IFFT operation for the difference signal in order to form the output signal of the cardioid channel in the time domain. The FFT of the input signals and the IFFT of the output difference signal must be performed with time overlap by half the length of the array of time samples processed in one FFT cycle and by weighting the array of input samples with a time window in the form of a half-period of the Sin 2 (x) function. This procedure eliminates periodic (with a period equal to the FFT length) distortion of the output signal in the form of clicks.

Использование предлагаемого способа позволяет получить следующие технические результаты:Using the proposed method allows to obtain the following technical results:

- достигается автоматическая компенсация различий чувствительности активных элементов, образующих кардиоидный приемник, и электронных элементов первого и второго каналов обработки в широкой полосе частот; этот факт позволяет при изготовлении приемника исключить подбор по чувствительности активных элементов приемника с сохранением большой глубины провала ХН;- automatic compensation is achieved for differences in the sensitivity of the active elements forming the cardioid receiver and the electronic elements of the first and second processing channels in a wide frequency band; this fact allows the manufacture of the receiver to exclude the selection of the sensitivity of the active elements of the receiver while maintaining a large depth of dip XN;

- достигается автоматическая компенсация погрешности установки требуемого расстояния между элементами приемника (равного

Figure 00000007
длины волны на выбранной частоте диапазона) при его изготовлении; это существенно с учетом того, что жесткое крепление элементов приемника перед вулканизацией недопустимо из-за необходимости обеспечения независимых друг от друга колебаний элементов приемника (акустической развязки), а при мягком креплении при вулканизации возможны смещения элементов, т.е. погрешность в величине расстояния между элементами, требующая подстройки величины задержки сигналов второго канала, обеспечивающей максимальную глубину провала ХН;- automatic compensation of the error in setting the required distance between the elements of the receiver (equal to
Figure 00000007
wavelength at the selected frequency of the range) during its manufacture; this is significant given that the rigid fastening of the receiver elements before vulcanization is unacceptable due to the need for independent oscillations of the receiver elements (acoustic isolation), and with soft fastening during vulcanization, element displacements are possible, i.e. an error in the magnitude of the distance between the elements, requiring adjustment of the delay value of the signals of the second channel, providing the maximum depth of the dip of the CN;

- из состава аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, исключается регулируемая линия задержки, обеспечивающая подстройку величины задержки сигнала 2 канала обработки на 1/4 периода;- from the composition of the apparatus that implements the proposed method, the adjustable delay line is excluded, providing the adjustment of the delay value of the signal of the 2 processing channels for 1/4 period;

- способ коррекции конечной чувствительности кардиоидного приемного канала позволяет учесть индивидуальные особенности изменений в широкой полосе частот чувствительности активных элементов, использованных в акустическом приемнике.- the method of correction of the final sensitivity of the cardioid receiving channel allows you to take into account the individual characteristics of changes in a wide frequency band of the sensitivity of the active elements used in the acoustic receiver.

Настройка приемного канала, реализующего предлагаемый способ, выполняется в два этапа:Setting up the receiving channel that implements the proposed method is performed in two stages:

первый этап: приемник ориентируется в бассейне провалом в ХН в направлении на широкополосный излучатель; электронная аппаратура приемника включается в режим формирования таблицы комплексных коэффициентов; с помощью контрольной аппаратуры и излучателя приемник облучается последовательностью тональных импульсов с частотами, равными центральным частотам полос, на которые делится весь рабочий диапазон с помощью БПФ; в результате в ПЗУ приемника формируется требуемая таблица комплексных коэффициентов (таблица K1);first stage: the receiver is guided in the pool by a dip in the CN in the direction of the broadband emitter; the receiver's electronic equipment is switched on in the mode of forming a table of complex coefficients; using the control equipment and the emitter, the receiver is irradiated with a sequence of tonal pulses with frequencies equal to the center frequencies of the bands into which the entire operating range is divided using FFT; as a result, the required table of complex coefficients is formed in the ROM of the receiver (table K 1 );

второй этап: приемник ориентируется на излучатель максимумом ХН (направление 0°); в таблицу коррекции чувствительности приемника (таблица К2) записываются равномерные значения чувствительности; приемник вновь облучается последовательностью импульсов на разных частотах (как на первом этапе) и по выходу приемника снимается таблица чувствительности приемника в рабочем диапазоне частот, на основе которой формируется таблица коррекции, которая заносится в таблицу К2, с помощью которой конечная чувствительность приемника выравнивается в рабочем диапазоне частот.second stage: the receiver focuses on the emitter with a maximum of ХН (direction 0 °); in the receiver sensitivity correction table (table K 2 ) uniform sensitivity values are recorded; the receiver is again irradiated with a sequence of pulses at different frequencies (as in the first stage) and at the output of the receiver the sensitivity table of the receiver is removed in the working frequency range, on the basis of which a correction table is formed, which is entered in table K 2 , with which the final sensitivity of the receiver is aligned in the working frequency range.

Предлагаемая технология настройки исключает весьма трудоемкие процедуры настройки корректоров и линии задержки, используемые при настройке прототипа с существенно более высоким конечным результатом.The proposed tuning technology eliminates the very time-consuming procedures for adjusting the correctors and the delay lines used when setting up the prototype with a significantly higher final result.

На фиг. 5 представлены типовые примеры ХН буксируемого кардиоидного приемника в широком диапазоне частот, полученные при использовании предлагаемого способа в реальной аппаратуре. Провал в ХН формировался на направлении 0°, масштабная сетка нанесена через 5 дБ, частоты указаны в правом углу диаграмм. Из диаграмм видно, что в широкой полосе частот достигаемая глубина провала в направлении источника помехи не превышает уровня минус 20 дБ. В аппаратуре, где реализован классический способ формирования ХН, выбранный в качестве прототипа, на краях частотного диапазона глубина провала уменьшается до значений минус 10÷12 дБ.In FIG. 5 presents typical examples of the towed cardioid receiver CN in a wide frequency range obtained using the proposed method in real equipment. The dip in the CN was formed in the direction of 0 °, the scale grid was plotted after 5 dB, the frequencies are indicated in the right corner of the diagrams. It can be seen from the diagrams that in a wide frequency band the achieved dip depth in the direction of the interference source does not exceed minus 20 dB. In equipment that implements the classical method of forming CN selected as a prototype, at the edges of the frequency range, the depth of the dip decreases to minus 10 ÷ 12 dB.

Перечень чертежейList of drawings

Фиг. 1. Известный способ реализации кардиоидной ХН.FIG. 1. A known method for the implementation of cardioid CN.

Фиг 2. Предлагаемый способ синтеза кардиоидной ХН.Fig 2. The proposed method for the synthesis of cardioid CN.

Фиг 3. Результаты расчета идеализированных ХН в линейном масштабе.Fig 3. The results of the calculation of idealized CNs on a linear scale.

Фиг 4. Способ формирования таблицы комплексных коэффициентов.Fig 4. The method of forming a table of complex coefficients.

Фиг. 5. Характеристики направленности, полученные при реализации способа.FIG. 5. The directional characteristics obtained during the implementation of the method.

Claims (1)

Способ формирования кардиоидной характеристики направленности широкополосного гидроакустического приемного канала для необитаемого подводного аппарата, заключающийся в том, что выходные сигналы с двух активных элементов кардиоидного приемника усиливают в двух каналах обработки, фазу сигнала одного из каналов обработки сдвигают с помощью линии задержки на четверть периода для выбранной частоты рабочего диапазона и выравнивают амплитуды сигналов в двух каналах обработки, формируют разностный сигнал и осуществляют амплитудно-частотную коррекцию чувствительности всего кардиоидного приемного канала по выходу, отличающийся тем, что, выполняя операции аналого-цифрового преобразования и быстрого преобразования Фурье сигналов в каналах обработки, весь рабочий диапазон частот каждого канала обработки разбивают на множество частотных каналов, количество которых определяется длиной выполняемой в обоих каналах обработки процедуры преобразования Фурье, операции выравнивания амплитуд сигналов в двух каналах обработки и сдвига фазы сигнала одного из каналов обработки выполняют в каждом частотном канале выбранного канала обработки корректировкой результата преобразования Фурье с использованием таблицы постоянных, записанных в аппаратуру при настройке комплексных коэффициентов, равных отношению комплексных частотных отсчетов сигналов, принятых в процессе настройки двумя каналами обработки при облучении кардиоидного приемника сигналами на дискретных частотах, обусловленных длиной использованной процедуры преобразования Фурье, с направления, в котором должен быть провал в характеристике направленности приемного канала, а перед оконечными процедурами обратного преобразования Фурье и цифроаналогового преобразования выходного сигнала формируют разностный сигнал каналов обработки и с использованием таблицы действительных коэффициентов корректируют чувствительность широкополосного гидроакустического приемного канала.A method of forming a cardioid directivity characteristic of a broadband sonar receiving channel for an uninhabited underwater vehicle, namely, that the output signals from two active elements of a cardioid receiver are amplified in two processing channels, the signal phase of one of the processing channels is shifted by a quarter of the period for the selected frequency using the delay line operating range and equalize the amplitudes of the signals in two processing channels, form a differential signal and perform amplitude-often the output sensitivity correction of the entire cardioid receiving channel, characterized in that, performing the operations of analog-to-digital conversion and fast Fourier transform of signals in the processing channels, the entire working frequency range of each processing channel is divided into many frequency channels, the number of which is determined by the length performed in both the processing channels of the Fourier transform procedure, the operation of equalizing the amplitudes of the signals in two processing channels and the phase shift of the signal of one of the processing channels in In each frequency channel of the selected processing channel, the result of the Fourier transform is adjusted using a table of constants recorded in the equipment when setting complex coefficients equal to the ratio of the complex frequency samples of the signals received during tuning by two processing channels when the cardioid receiver is irradiated with signals at discrete frequencies due to the length the Fourier transform procedure used, from the direction in which the dip in the response direction should be nnosti reception channel and before terminal procedures inverse Fourier transform and digital to analog converting the output signal form the differential signal processing channels and using a table of valid coefficients corrected sensitivity wideband sonar receiving channel.
RU2015157421A 2015-12-31 2015-12-31 Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus RU2617795C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157421A RU2617795C1 (en) 2015-12-31 2015-12-31 Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157421A RU2617795C1 (en) 2015-12-31 2015-12-31 Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2617795C1 true RU2617795C1 (en) 2017-04-26

Family

ID=58643298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015157421A RU2617795C1 (en) 2015-12-31 2015-12-31 Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2617795C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USH1171H (en) * 1990-12-21 1993-04-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Cardioid beamformer with noise reduction
RU2169439C1 (en) * 1999-11-15 2001-06-20 Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Method of formation of directivity characteristic of hydroacoustic antenna
RU2178572C2 (en) * 1999-10-06 2002-01-20 Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Receiving antenna of surveillance sonar
US6473363B1 (en) * 1989-07-24 2002-10-29 Thales Underwater Systems Sonar direction finding
US8638640B2 (en) * 2009-11-11 2014-01-28 David Alan Brown Acoustic transducers for underwater navigation and communication

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6473363B1 (en) * 1989-07-24 2002-10-29 Thales Underwater Systems Sonar direction finding
USH1171H (en) * 1990-12-21 1993-04-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Cardioid beamformer with noise reduction
RU2178572C2 (en) * 1999-10-06 2002-01-20 Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Receiving antenna of surveillance sonar
RU2169439C1 (en) * 1999-11-15 2001-06-20 Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Method of formation of directivity characteristic of hydroacoustic antenna
US8638640B2 (en) * 2009-11-11 2014-01-28 David Alan Brown Acoustic transducers for underwater navigation and communication

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8223989B2 (en) Signal processing system and method for calibrating channel signals supplied from an array of sensors having different operating characteristics
CN105355210B (en) Preprocessing method and device for far-field speech recognition
US20020131580A1 (en) Solid angle cross-talk cancellation for beamforming arrays
US9094752B2 (en) Apparatus and method for generating directional sound
US9363598B1 (en) Adaptive microphone array compensation
CN107579784B (en) Multichannel broadband amplitude-phase correction method and device
Yang et al. Robust wideband adaptive beamforming with null broadening and constant beamwidth
EP2932732A1 (en) System and method for coherent processing of signals of a plurality of phased arrays
CN1267444A (en) Method for electronically selecting dependency of output signal from spatial angle of acoustic signal impingement and hearing aid apparatus
CN103954938A (en) Multi-sub-band reception synthetic method for SAR echo signals
CN109597041B (en) Segmented linear frequency modulation waveform design method based on coherent FDA
CN109040913B (en) Beam forming method of window function weighting electroacoustic transducer transmitting array
CN108845294B (en) Broadband emission self-adaptive beam forming method based on sub-band linear multi-constraint minimum variance criterion
RU2617795C1 (en) Method for formation of cardioid response of a wide band gidroacustical receiver channel for an uninhabited underwater apparatus
CN109188366A (en) Broadband emission Adaptive beamformer method based on subband maximum signal noise ratio principle
RU2407026C1 (en) Location finding method of narrow-band radio signals of short-wave range
JP2011058886A (en) Device for obtaining underwater video image and acquisition method
JP4072149B2 (en) Distributed aperture antenna device
Rashida et al. High Resolution Wideband Acoustic Beamforming and Underwater Target Localization using 64-Element Linear Hydrophone Array
KR20160119323A (en) Method and apparatus for designing frequency-spatial filter with variable bandwidth
CN110018466B (en) MUSIC beam forming method based on molecular array preprocessing
CN109917358B (en) Target detection method based on interference blocking algorithm
RU2293449C1 (en) Mode of forming of a frequency independent characteristic of a direction with a working sector of a multi-element underwater acoustic receiving circuolar antenna
AU2022267857A1 (en) A method and system for directional processing of audio information
Liao et al. Design of near-field wideband frequency invariant circular antenna arrays based on spatial response variation constraint

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180101

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190409