Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна

Многообразие задач подводных поисковых работ, условия работы на мелководье, в реках, озерах и на больших глубинах выявляет необходимость в разработке и изготовлении многообразия гидроакустических комплексов для исследования морского дна и гидроакустических антенных систем к ним. Проблемы, решаемые такими гидроакустическими комплексами, это: картографирование дна и донных осадков, поиск объектов на дне и в придонных грунтах, мониторинг инженерных сооружений, геологические и гидрографические работы. Характеристики гидроакустических комплексов и гидроакустических антенн определяются поставленными задачами.

Основу данных комплексов составляют гидроакустические антенны, эхолоты, гидролокаторы бокового обзора, акустические профилографы, выпуск которых остается довольно трудоемким и дорогим не только из-за трудоемкости технологических операций, но и из-за трудностей измерениям и контроля основных электроакустических параметров, от которых в первую очередь зависит качество изделия и его основные технические характеристики, а соответственно и характеристики всего комплекса.

Рассматривается методика контроля фазочастотных характеристик на примере приемных антенн многолучевых эхолотов. Фазочастотная характеристика каналов приемной антенны имеет некоторую неравномерность, которая может привести к ошибкам при синтезировании характеристики направленности приемной антенны. Поэтому необходимо осуществлять контроль неравномерности фазочастотных характеристик каналов приемной антенны [1, 2].

Измерение фазочастотных характеристик многоканальной гидроакустической приемной антенны с использованием УСУ «Имитационно-натурный гидроакустический комплекс» в рамках приоритетного направления «Рациональное природопользование». Структурная схема измерительной установки приведена на рисунке 1, где 1 — генератор радиоимпульсов, 2 — усилитель мощности, 3 — Фазометр, 4 — излучатель гидроакустический, 5 — Осциллограф, 6 — многоканальная приемная антенна.

Рисунок 1 — Структурная схема измерительной установки.

Рисунок 2 — Геометрия измерений разности фаз между каналами приемной антенны Дополнительный излучатель и приемная антенна устанавливаются на поворотных устройствах бассейна на расстоянии 3,45 м. С помощью ПВУ акустические оси антенн совмещаются, контроль при этом осуществлялся по уровню и фазовому сдвигу сигнала между каналами приемной антенны с помощью осциллографа 5. Далее измеряется разность фаз между соседними каналами антенны, а затем между опорным (канал 1) и остальными каналами антенны. Геометрия эксперимента показана на рисунке 2, где И — излучатель гидроакустический, П — приемная антенна.

Из рисунка 2 видно, что расстояние от фазового центра источника до каналов приемной антенны не одинаково, что приводит к возникновению фазового сдвига между каналами антенны, обусловленного пространственным набегом фаз. Поэтому при определении разности фаз между каналами антенны необходимо вводить поправку, величина которой зависит от расстояния между каналами антенны и от расстояния между антенной и источником.

Фаза сигнала на выходе n-ого канала определяется по формуле:

; (1).

где ц_n — фаза сигнала на выходе n-ого канала, щ — круговая частота,.

t — время,.

k = 2р/л — волновое число,.

x_nь — расстояние от источника до n-ого канала, ц_кn — сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом.

Тогда разность фаз между двумя каналами антенны определяется по формуле:

; (2).

где ц_n — фаза сигнала на выходе n-ого канала, ц_m — фаза сигнала на выходе m-ого канала,.

k = 2р/л — волновое число,.

x_n — расстояние от источника до n-ого канала,.

x_m — расстояние от источника до m-ого канала, ц_кn — сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом, ц_кm — сдвиг фаз, вносимый m-ым каналом.

Рисунок 3 — Геометрия измерений разности фаз между каналами приемной антенны Из формулы 2 видно, что между каналами антенны присутствует фазовый сдвиг, обусловленный пространственным набегом фаз, ц = k (x_n-x_m). Для учета этого сдвига необходимо определить разность хода лучей (x_n-x_m). Разность хода лучей от источника до n-ого и m-ого каналов антенны, находится из геометрических соотношений (рисунок 3), где ОА — расстояние от источника до центра приемной антенны, ОВ и ОС — расстояние от источника до n-ого и m-ого каналов антенны, ВС — расстояние между фазовыми центрами n-ого и m-ого каналов антенны.

Расстояние между фазовыми каналами антенны и расстояние от источника. Тогда разность хода лучей определяется по формуле:

(3).

Подставив выражение (3) в (2) получим формулу для расчета разности фаз между двумя каналами антенны с учетом пространственного набега фаз.

; (4).

Чтобы совместить акустические оси приемной антенны и дополнительного излучателя, необходимо добиться соотношения разности фаз между крайними и центральным элементом в соответствии с формулой:

; (5).

где ц_n/2−1 — разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, ц_n/2-n — разность фаз между центральным и последним каналом, ц_1-n— разность фаз между крайними каналами.

фазочастотный гидроакустический антенна эхолот морской.

Рисунок 4 — Результат измерения фазочастотной характеристики многоканальной приемной антенны, где кривая 1- экспериментальная, кривая 2 — теоретическая, кривая 3 — расчетная.

Формула (5) получена из следующих соотношений:

(6).

где ц_n/2−1 — разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, ц_n/2-n — разность фаз между центральным и последним каналом, ц_1-n— разность фаз между крайними каналами, ц_n — фаза сигнала на выходе n-ого канала, ц_n/2 — фаза сигнала на выходе центрального канала, ц₁ — фаза сигнала на выходе 1-ого канала, ц_кn— сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом, ц_кn/2 — сдвиг фаз, вносимый центральным каналом, ц₁ — сдвиг фаз, вносимый 1-ым каналом.

На рисунке 4 приведены результаты результат измерения фазочастотной характеристики многоканальной приемной антенны. Антенна состоит из 32 каналов, работающих на частоте 100 кГц.

Из всего вышесказанного можно следует, что с помощью приведенной выше методики, можно производить контроль фазочастотных характеристик многоканальных антенны. Результаты, полученные при апробировании методики контроля фазочастотных характеристик с помощью УСУ «Имитационно-натурный гидроакустический комплекс», могут быть полезны при проектировании гидроакустических антенн с управляемыми характеристиками [3].

Работа выполнена при поддержке при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 годы» ГК № 14.518.11.7068, Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., соглашение № 14.А18.21.1284.

• 1. Колесников А. Е. Акустические измерения. — Л.: Судостроение, 1983.
• 2. Боббер Р. Гидроакустические измерения. (пер. с англ.) М.: Мир, 1974.
• 3. Кириченко И. А., Пивнев П. П. Алгоритм управления направленными свойствами акустических антенн с криволинейной излучающей поверхностью // Известия ЮФУ. Технические науки. — Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2012. — № 9 (134). — С. 207−210.