CC BY
58
УДК 534.222.2
В.Ю. Волощенко, АЛ. Волощенко
АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМЫ БЛИЖНЕГО ПОДВОДНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Предложено для обеспечения безопасного взлета и приводнения в гидроавиации производить мониторинг приповерхностного слоя взлетно-посадочной полосы гидроаэродрома с использованием параметрических гидроакустических средств ближнего подводного наблюдения. Рассмотрены как конструкция приемоизлучающего антенного устройства, обеспечивающего многочастотный эхопоиск в мелководном объеме, так и варианты размещения на дне акватории. Построение многоканального приемного тракта многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения исключает потери энергии сигнала, неизбежные при сканировании, позволяет сузить полосу пропускания, что делает тракт более , -.
Многопозиционная система ближнего подводного наблюдения; параметрическая из, .
V.Y. Voloshchenko, А.Р. Voloshchenko
THE SCANNER FOR MULTIITEM SYSTEM OF NEAR UNDERWATER
SUPERVISION
The parametric short-range sonar surveillance system for the hydroacoustic monitoring of shallow-water seadrome for an amphibian aircraft's safety take-off and water landing regimes is suggest. The engineering design of combined all-around looking multifrequency antenna units and their arrangement on the bottom of seadrome's water area are considered. Construction of a multichannel reception path of multiitem system of near underwater supervision excludes losses of energy of a signal, inevitable at scanning, allows to narrow a pass-band that does a path by more noiseproof, eliminates hindrances of mutual influence next ground devices.
Multiposition short-range sonar surveillance system; parametric transmitting arrayl; the seadrome.
В настоящее время достаточно перспективна задача разработки концепции гидроаэродромов долговременного базирования и речных трасс амфибийной транспортной системы, разгружающей региональные пассажирские и грузовые транспортные потоки на территориях субъектов Южного федерального округа, обладающего значительными естественными и искусственными водоемами (реки, озера, водохранилища, морской шельф), которые пригодны для взлета и приводнения гидроавиации в течение длительного сезонного интервала. Оперативность гидроакустического мониторинга летного бассейна гидроаэродрома, обеспечивающего безопасность взлетно-посадочных мероприятий, определяется способом обзора водного объема мелководной акватории, техническая реализация которого требует проектирования как конструкции приемоизлучающей антенны, так и гидроакустической системы ближнего подводного наблюдения [1]. Способы кругового обзора с электронным сканированием основного лепестка ХН как приемной, так и излучающей антенн позволяют осуществлять обследование (по азимуту - всенаправленное, а в угломестной плоскости - с необходимой пространственной изби-)
эхопоиска и осуществимы при использовании интерференционной многоэлементной антенны с цилиндрической (сферической) формой приемоизлучающей поверхности [2]. К недостаткам использования многоэлементных интерференционных антенн как с цилиндрической, так и со сферической апертурой следует отне-
сти следующее: 1) наличие радиотехнических устройств (линий задержки, фазовращателей и др.) усложняет тракты локатора и уменьшает его к.п.д. за счет потерь, вносимых их электрическими цепями; 2) фазовая компенсация посредством использования фазоуправляющих радиотехнических устройств постоянна во всех направлениях, что приводит к увеличению уровня бокового поля, и, соответственно, к снижению коэффициента концентрации антенны; 3) уменьшение надежности локатора за счет увеличения числа электроакустических преобразователей, сопутствующих дополнительных узлов электроизоляции, экранировки, герметизации и т.д., а также усложнения конструкции антенны вследствие применения большого числа кабельных вводов; 4) использование оптимального распределения возбуждения элементов антенны сопровождается наличием амплитудных и фазовых ошибок в каналах электронных трактов, что увеличивает уровень излучения бокового поля; 5) неремонтопригодность многоэлементной антенны при выходе из строя части электроакустических преобразователей; 6) рабочий диапазон частот антенн ограничен полосой пропускания резонансных электроакустических преобразователей; 7) для многоэлементной антенны с цилиндрической апертурой существует оптимальный компенсируемый раскрыв - рабочий сектор в азимутальной плоскости = 120°, величина которого определяется коэффициентом использования площади антенны, а в угломестной плоскости сектор сканирования ограничен; 8) использование нескольких устройств активной локации, снабженных однотип-,
взаимного влияния; 9) ограничением для изготовления как сферических, так и цилиндрических антенн с рабочими сигналами ультразвукового диапазона является необходимость расположения фазовых центров отдельных элементов на расстояниях, близких к ^2, т.е. половине длины волны излучаемого ультразвука.
В [3] предложено гидроакустическое антенное устройство, обеспечивающее круговой обзор в азимутальной плоскости с помощью нескольких обратимых поршневых электроакустических преобразователей с одинаковыми плоскими ,
кольцеобразной несущей конструкции определенного диаметра. Каждый электро-
, , формирует в заданном направлении эхопоиска «индивидуальный» главный мак, ,
друг на друга основных лепестков на определенном уровне относительной амплитуды (0,9; 0,8; 0,7; и т.д.) в азимутальной плоскости образует «всенаправленный» основной лепесток результирующей ХН гидроакустического антенного устройства. Отличительной особенностью устройства является то, что с его помощью сканирование направления эхопоиска осуществляется за счет последовательного переключения с помощью электронного коммутатора режимов «излучение-прием» заданного количества преобразователей, плоские апертуры которых аппроксимируют внешнюю боковую поверхность кольцеобразной несущей конструкции. В [3]
: 20 -
троакустических преобразователя с круглой плоской апертурой диаметром 0,4 м
каждый и шириной основного лепестка ХН по уровню 0,7 $0,7 =18° на рабочем
сигнале с частотой 12,5 кГ ц, акустические оси которых выходят из геометрического центра кольцевой несущей конструкции, а излучающие поверхности - аппроксимируют внешний периметр боковой поверхности кольцевой конструкции с диаметром более 2 м. Г идроакустическое антенное устройство позволяет эффективно использовать излучаемую в каждом направлении акустическую энергию, обеспечивает однозначность регистрации дистанции и «индивидуального» направления
на объект эхопеленгования, однако одновременное использование нескольких « » -водного наблюдения на мелководной, но протяженной акватории будет осложнено помехами взаимного влияния. Конструкция антенного устройства не позволяет осуществлять изменение положения сектора обзора в угломестной плоскости, что существенно ограничивает эксплуатационные возможности при использовании в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения, так как оставляет без акустической «подсветки» обширную зону непосредственно над донным гидроакустическим антенным устройством.
Перспективным подходом к конструированию многочастотного донного антенного устройства и разработке локационных устройств многопозиционной системы является практическое использование нелинейных эффектов, возникающих в ,
перераспределяется по спектру. Известна акустическая локационная система ближнего действия [4], в которой эффект самовоздействия, возникающий в результате нелинейного изменения упругих свойств водной среды в приосевой области пучка мощной волны накачки с частотой /, проявляется в искажении формы ее волнового профиля при распространении к рассеивающей поверхности, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2/, 3/,........, и/. Ло-
катор позволяет получить оператору в результате обработки в и -канадьном приемном тракте нескольких вторичных гидроакустических полей, образованных рассеянными колебаниями кратных частот, большой объем первичных данных о подводной обстановке одновременно на нескольких частотах. Еще большего расширения рабочего диапазона частот приемоизлучающих антенных устройств можно достигнуть, если использовать для возбуждения каждого г-го электроакустического преобразователя, где г = (1 + т), «индивидуальный» бигармонический электрический сигнал с частотами /., /2;, находящимися в его полосе пропускания, т.е. для
каждого из т направлений эхопоиска использовать параметрический режим генерации зондирующих полигармонических сигналов, включающих «оригинальные»
наборы =| /2г ~ /1. I , /+= /21 + /,2/21, 2/.,......, и/21,и/и(и = 2, 3,....)
НЧ и ВЧ спектральных составляющих, формирующихся в нелинейной водной среде при распространении мощных сигналов накачки с частотами /1г, /2г [5]. Для
т
размеров (°/Л >2, где О - диаметр апертуры, Л - длина волны излучаемого сиг) , которой сформированы несколько приемоизлучающих поверхностей, образующих в азимутальной плоскости несколько находящихся друг над другом кольцевых рядов из поршневых апертур (ширина каждого ряда - диаметр, а периметры -суммы диаметров поршневых преобразователей, укладывающихся на длине каж-), -ческого центра полусферы и, соответственно, фазового центра несущей конструк-.
естественных (некомпенсированных) результирующих ХН приемоизлучающего антенного устройства, у которых основные лепестки узки по углу места, но всена-правлены по азимуту, а неравномерность по давлению определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7 и т.д.) перекрывания главных максимумов ХН соседних поршневых электроакустических преобразователей. Преобразователи соединены в пределах каждого кольцевого ряда линиями электрических коммуника-
ций как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с выхо-
( ) ( ) излучателями волн накачки для «виртуальных» параметрических антенн.
Антенное устройство [6] позволяет осуществлять «широкополосное акустическое облучение» (% =| Д. - Д ^ /1,., Д, Д = Д + Д., 2Д., 2Д ,.3Д,3Д...) подводного пространства акватории при синфазном электрическом возбуждении кольцевых рядов электроакустических преобразователей сигналами бигармониче-
ской накачки /2г, /и «индивидуального» спектрального состава, входящими в их
полосу пропускания (г - количество одинаковых диапазонов, т.е. шаг изменения частот волн накачки, в сумме составляющих полосу пропускания электроакустиче-). -стического приемоизлучающего антенного устройства для случая использования в качестве излучающих элементов круглых плоских поршневых электроакустических
преобразователей [3]. Ширина основного лепестка ви (в градусах) на заданном относительном уровне (Я = 0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) ХН круглого поршня определяется его волновым размером О Л (О - диаметр преобразователя, Л = с0 / / - длина волны акустического сигнала с частотой / , распространяющегося со скоростью С0 в воде) и может быть рассчитана по формуле вк = %'ЛО, где уровням Я = 0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента X = 58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0. Если акустические оси соседних круглых плоских поршневых преобразователей с резонансной частотой / = 250 кГц (Л = 6 мм) как в угломестной, так и в азимутальной плоскостях разнесены на одинаковый угол вя =8°, а относительный уровень перекрывания их основных лепестков Я = 0,7 (х = 58,5), то диаметр преобразователя определяется соотношением О = Х'Л/вЯ , откуда
° ~ 0,059 м. В то же время диаметр преобразователя О и диаметр несущей полусферической конструкции й могут быть связаны соотношением й = О/ъ (вк/2) = хЛ (ви )• ви, откуда й ~ 0,63 м. Оценить количество т круглых плоских поршневых преобразователей диаметром О , размещаемых на полусфере диаметром й , можно определив отношение соответствующих площадей преобразователя Бпр =#• О2/4 и полусферы ^^^жры=2- (п• й2/4). После соответствующих преобразований получим, что в рассматриваемом случае расчетное количество преобразователей определяется углом разнесения акустических осей соседних электроакустических преобразователей, т.е. т = 2/tg2 (вя/2) = 409. Однако учет наличия площадей зазоров между вплотную размещенными по поверхности полусферы приемоизлучающим апертурами преобразователей дает коэффициент = 0,7, что снижает т = 286.
Количество используемых круглых плоских электроакустических преобразователей можно сократить, применив другой подход при их размещении по полусферической поверхности - формирование горизонтальных кольцевых рядов, в которых не соблюдается «меридиональность» рядов, причем для эхопоиска на мелководной, но обширной акватории, это целесообразно, так как позволит изменять положение в угломестной плоскости узкого, но всенаправленного - в азимутальной плоскости результирующего основного лепестка ХН поршневых преобразователей, входящих в горизонтальный кольцевой ряд. Так, для описанного выше
варианта конструкции длина окружности нижнего кольцевого ряда составляет 1,98 , 0,059
элементов - 33, причем для последующих десяти «вышележащих» потребуется 32, 29, 25, 23, 18, 12, 9, 6, 3 соответственно, что вместе составит 192 преобразователей. Пусть полоса пропускания электроакустического преобразователя составляет 10 % от его резонансной частоты, т.е. 25 кГц; тогда в пределах частотного диапазона (237,5-262,5 кГц) не представляет труда формировать сигналы бигармони-
ческой накачки: /\, /2, кГц - 237,5, 262,5; 238, 262; 238,5, 261,5; .с шагом 500
( , ), генерацию в водной среде «новых» спектральных составляющих (25+2x25+2x25): разностной частоты - 25; 24; 23; .... 1 (кГ ц), вторых гармоник - 475, 525; 476, 524;
.... 499, 501 (кГц), третьих гармоник - 712,5, 787,5; 714, 786; .....748,5; 751,5
( ), 125
компонент. Учитывая геометрию несущей конструкции многочастотного гидроакустического приемоизлучающего донного антенного устройства, можно предложить следующее распределение спектрального состава регистрируемых вторичных гидроакустических полей - чем меньше дальность эхопоиска, тем выше частота рабочего сигнала, т.е. по мере увеличения угла места соответствующих акустических осей узких круговых основных лепестков результирующих ХН-групп
, , регистрировать более высокочастотные эхосигналы, что актуально при решении задачи подводного наблюдения, например, на акватории взлетно-посадочной полосы летного бассейна гидроаэродрома (р^меры взлетно-посадочной полосы: длина -2500 м, ширина -200 м, глубина~от 3 до 6 м). Для оперативного осуществления мониторинга данного водного объема можно использовать «частотную окраску» зондируемых водных слоев при изменении угла места при эхопоиске, что исключит помехи взаимного влияния при одновременной работе трех донных приемоизлучающих антенных устройств, расположенных вдоль оси используемой взлетно-
.
рабочих спектральных компонент по кольцевым рядам А, В, С, Б, Е, Б, О, Н, I, I, К (снизу вверх) в трех донных антенных устройствах соответственно: сигналы разностной частоты - нижние ряды А ( угол места +4°) - 5, 7, 9 (кГц); ряды В фгол места +12°) - 11, 13, 15 (кГц); ряды С (угол места +20°) - 17, 19, 21 (кГц); сигналы исходных волн накачки - ряды Б (угол места +28°) - 247,5, 246,5, 245,5 (кГц); ряды Е (угол места +36°) - 244,5, 243,5, 242,5 (кГц); ряды Б - (угол места+44°) - 252,5,
253.5, 254,5 (кГц); ряды О (угол места +52°) - 255,5, 256,5, 57,5 (кГц); сигналы
вторых гармоник волн накачки - ряды Н (угол места +60°) - 495, 493, 491 (кГц); ряды I (угол места +68) - 489, 487, 485 (кГц); ряды I (угол места 76°) - 511, 513, 515 (кГц); сигналы третьих гармоник - ряды К (верхние +84°) - 742,5, 739,5, 736,5 ( ), « » ( +90°) -
766.5, 769,5, 772,5 ( ).
, « » -тов в трех соседних частях водного объема взлетно-посадочной полосы можно использовать многочастотные приемоизлучающие донные антенные устройства многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения. Конструкция приемоизлучающего донного антенного устройства позволяет так расположить главные максиму-« »,
сформированных групп - кольцевых рядов, что они образуют в пространстве «совместные» основные лепестки (узкие и «р^ночастотные» - по углу места, но всенаправ-
- ) ,
азимутальной плоскости определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7;
0,6; 0,5; . .) -
щих групп преобразователей. Статически сформированные лепестки результирующей ХН-приемоизлучающего антенного устройства равномерно перекрывают как угломестную, так и азимутальную плоскости обзора, что позволяет оператору береговой гидроакустической службы гидроаэродрома непрерывно «просматривать» все окружаю, ,
,
как по направлениям, так и по частоте регистрируемых и обрабатываемых эхосигна-лов, которые поступают в «индивидуальные» приемные каналы в течение полного времени своего существования. Такое построение многоканального приемного тракта многопозиционной системы ближнего подводного наблюдения исключает потери , , -, , соседних донных приемоизлучающих устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волощенко В.Ю., Волков С.В., Волощенко АЛ., Долбня Л.А. Многопозиционная система наблюдения за состоянием акватории летного бассейна гидроаэродрома / Сб. докладов VIII науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2010». Ч. 1. - М.: ЦАГИ, 2010.
- С. 169-172.
2. . . : . - .:
Судостроение,1978. - 192 с.
3. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. - М.: Пищ. пром., 1978. - 312 с.
4. Пат. № 75060 РФ G01S 15/00 Акустическая локационная система ближнего действия / Волощенко В.Ю. и др. (РФ). - ОАО ТНТК им. Г.М. Бериева (РФ). - №2008109361/22; Заявл. 11. 03. 2008; Опубл. 20.07. 2008, Бюл № 20. - 6 с.
5. . ., . . -
него подводного наблюдения (Ч. 1). - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.
6. . ., . . -щее антенное устройство // Пол. решение от 24.01.2011 г. о выдаче патента по заявке № 2010149910/28(072080).
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. АЛ. Жорник.
Волошенко Вадим Юрьевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371794.
Кафедра инженерной графики и компьютерного дизайна; к.т.н.; доцент.
Волошенко Александр Петрович
Тел.: +78634371795.
Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; магистрант. Voloshchenko Vadim Yur’evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 88634371794.
The Department of Engineering Drawing and Computer Design; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Voloshchenko Alexandr Petrovich
Phone: +78634371795.
The Department of Hydroacoustics and Medical Engineering; Undergraduate.
