Многодиапазонная гибкая протяженная буксируемая антенна

 

Изобретение относится к линиям передачи информации в гидроакустической аппаратуре шумопеленгования. Многодиапазонная гибкая протяженная буксируемая антенна с линиями передачи информации гидроакустической станции содержит ряд объединенных в едином шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь и усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна i из М субантенн, где i=1,2,...М-1, поделена на эквидистантных групп с числом приемных каналов в группе K_i, _i+1, где N _i - число приемных каналов субантенны, где K _i, _i+1 - отношение верхних частот субантенн i и i+1, на выходе групп подключены суммирующие усилители, выходы которых соединены с входами бортовой аппаратуры обработки приемных каналов субантенны i+1. Техническим результатом изобретения является сокращение приемных каналов и уменьшение длины антенны каждой субстанции. 2 ил.

Предлагаемая многодиапазонная гибкая протяженная буксируемая антенна (ГПБА) с линиями передачи информации относится к области гидроакустической аппаратуры, а более конкретно к области гидроакустической аппаратуры шумопеленгования.

В последнее время у нас и за рубежом в военной гидроакустике развивается направление, связанное с созданием гидроакустических станций (ГАС) шумопеленгования с ГПБА для подводных лодок (ПЛ) и надводных кораблей (НК). Такие ГАС имеют ряд преимуществ, важнейшее из которых - возможность реализации антенн большой апертуры для обнаружения сигналов целей на инфразвуковых и низких звуковых частотах, что позволяет повысить эффективность гидроакустического вооружения ПЛ и НК. Ближайшими аналогами предлагаемому изобретению являются гибкие протяженные буксируемые антенны ГАС с ГПБА, описанные в работе Гурвич А.А., Гусев Н.М., Яковлев Г.В. "Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами" в журнале "Судостроение за рубежом", №10, Л.: Судостроение, 1984.

Рабочий диапазон таких ГАС широк и перекрывает несколько октав. С целью выровнять параметры обработки в столь широком диапазоне частот его делят на несколько поддиапазов (обычно 2-3), а ГПБА, соответственно, - на несколько субантенн. Каждая из субантенн представляет собой линейную эквидистантную антенную решетку гидроакустических преобразователей, распложенных с шагом, равным половине длины волны на верхней частоте поддиапазона субантенны. Свойства таких антенных решеток описаны в книге Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. "Гидроакустические антенны", справочник, Л.: Судостроение, 1984, с.151-171.

Информация, принятая гидроакустическими преобразователями ГПБА, усиливается в предварительных усилителях и передается на бортовую аппаратуру для обработки и выделения полезных сигналов по линиям связи.

В простейшем случае для передачи сигналов используется связь по проводам - проводным линиям в шланге ГПБА и жилам кабель-буксира. Последовательно соединенные гидроакустический преобразователь, предварительный усилитель и линия связи образуют приемный канал ГПБА. При большом числе приемных каналов, достигающем нескольких сотен, используют системы передачи с уплотнением каналов (системы частотного уплотнения, ИКМ-системы и др.), обеспечивающие передачу многоканальной информации по маложильному кабель-буксиру. Требование к системам передачи информации ГПБА очень жесткие - по весогабаритным показателям и требуемому электропитанию. Можно считать, что создание многоканальной системы передачи информации в ГПБА является узким местом и в основном определяет достижение необходимых параметров ГАС с ГПБА. Поэтому сокращение числа передаваемых каналов ГПБА является остро необходимой проблемой в этой области.

Сокращение габаритов самой ГПБА, в частности, ее длины при сохранении требуемых акустических характеристик антенны является также важной задачей, так как облегчает решение проблем размещения и эксплуатации ГПБА на ПЛ и НК - носителях.

Многодиапазонная ГПБА с линиями передачи информации, содержащая несколько субантенн, строится по принципу независимых субантенн, объединенных только конструктивно единым шлангом. При этом как число приемных каналов ГПБА в целом, так и ее длина получаются суммированием числа каналов и длин субантенн. В частности, известна двухдиапазонная ГПБА, описанная в статье в журнале "Yournal of the Acoustical Society of America", V.72, №3, p.983-992, Sept 1982, используемая в Центре научных исследований по проблемам ПЛО ВМС НАТО для измерения шумов морской среды. Антенна содержит две объединенных в едином шланге линейных эквидистантных субантенны по 40 гидроакустических преобразователей в каждой, предварительные усилители и линии для передачи сигналов к бортовой аппаратуре от каждого гидроакустического преобразователя. В одной субантенне гидроакустические преобразователи разнесены на 49 см друг от друга, в другой субантенне - на 147 см; эти расстояния соответствуют половинам длин волн на частотах 1500 и 500 Гц, соответственно, которые являются верхними частотами поддиапазонов субантенн. Такое техническое решение принято нами в качестве прототипа.

К недостаткам многодиапазонных ГПБА, построенных по указанному принципу, следует отнести то, что они имеют большое число каналов, информацию от которых необходимо передавать на бортовую аппаратуру носителя, а также увеличенную длину. Как уже указывалось, число каналов ГПБА в этом случае является суммой числа каналов субантенн, а длина ГПБА - суммой длин входящих субантенн.

Целью изобретения является сокращение количества приемных каналов ГПБА и уменьшение длины ГПБА путем использования приемных каналов субантенн в качестве части приемных каналов более низкочастотных субантенн, имеющих большую длину и включающих в себя высокочастотные субантенны.

Поставленная цель достигается тем, что в известной многодиапазонной ГПБА, содержащей М объединенных в едином шланге линейных эквидистантных субантенн, каждая i-я субантенна (i=1,2,...,М-1) делится на эквидистантных групп с числом приемных каналов в группе K_i, _i+1, где N _i - число приемных каналов субантенны, K _{i, i+1} - отношение верхних частот субантенн i и i+1, на выходы групп подключаются суммирующие усилители, выходы которых соединены с входами бортовой апаратуры обработки приемных каналов субантенны i+1.

Сущность предлагаемой многодиапазонной ГПБА состоит в следующем. Каналы субантенны самого высокочастотного поддиапазона передаются на бортовую аппаратуру, параллельно уже на борту их сигналы суммируются в группы, фазовые центры которых расположены с шагом, равным шагу расположения каналов субантенны следующего более низкочастотного поддиапазона и используются в качестве приемных каналов этой субантенны. При этом число каналов низкочастотной субантенны, передаваемых на борт, уменьшается на величину где N_I - число каналов высокочастотной антенны, а K₁₂ - отношение требуемого шага приемных каналов низкочастотной субантенны к шагу высокочастотной субантенны (обычно, это отношение верхних частот субантенн). Длина ГПБА равна уже не сумме длин субантенн, а только длине низкочастотной субантенны. При этом чем больше субантенн, тем в большей степени сокращается длина ГПБА.

Авторам и заявителю не известны технические решения с перечисленной совокупностью отличительных признаков, поэтому предлагаемое техническое решение многодиапазонной протяженной буксируемой антенны с линиями передачи информации соответствует критерию "существенные отличия".

Существо предлагаемого изобретения поясняется следующими фигурами графического изображения:

фиг.1 - блок-схема многодиапазонной протяженной буксируемой антенны в соответствии с прототипом;

фиг.2 - блок-схема предлагаемой многодиапазонной ГПБА.

Наименования блоков приведены ниже.

Предлагаемая многодиапазонная гибкая протяженная буксируемая антенна с линиями передачи информации состоит (на примере трехдиапазонной ГПБА) из (см. фиг.2) субантенны 7 высокочастотного I поддиапазона, содержащей N _I гидроакустических преобразователей 1, расположенных с шагом где λ_BI - длина акустической волны на верхней частоте f_BI высокочастотного поддиапазона, предварительных усилителей 2 и линий передачи информации 3. Приемные каналы этой субантенны подключены к входам аппаратуры обработки. Параллельно эти каналы группами по K₁₂ подключены к входам суммирующих усилителей 4, выходы которых используются в качестве выходов приемных каналов субантенны 6 более низкочастотного II поддиапазона. Субантенна II поддиапазона содержит гидроакустических преобразователей 1, расположенных с шагом где λ_BII - длина акустической волны на верхней частоте f_BII этого поддиапазона, предварительных усилителей 2 и линий связи 3. Выходы N _II приемных каналов II поддиапазона подключены к входам аппаратуры обработки. Параллельно эти каналы группами по K ₂₃ подключены к входам суммирующих усилителей 4, выходы которых используются в качестве выходов субантенны 5 самого низкочастотного III поддиапазона. Субантенна III поддиапазона содержит гидроакустических преобразователей 1, расположенных с шагом где λ_BIII - длина акустической волны на верхней частоте f_BIII этого поддиапазона, предварительных усилителей 2 и линий связи 3. Выходы N _III приемных каналов III поддиапазона подключены к входам аппаратуры обработки.

Блоки, из которых состоит предлагаемая многодиапазонная протяженная буксируемая антенна, реализуются на практике.

Особенности конструкции, свойства и использование протяженных буксируемых антенн изложены в статье Гурвич А.А., Гусев Н.М., Яковлев Г.В. "Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами" в журнале "Судостроение за рубежом", №10, Л.: Судостроение, 1984.

Блок 1 (фиг.2) - гидроакустический преобразователь, служит для приема акустических сигналов и их преобразования в электрические сигналы. В протяженных буксируемых антеннах используются цилиндрические преобразователи из пьезокерамики. Конструкция и параметры таких преобразователей приведены в книге "Подводные электроакустические преобразователи". Справочник, под редакцией В.В.Богородского, Л.: Судостроение, 1983, 91 с., рис.5.4.

Блок 2 (фиг.2) - предварительный усилитель. В качестве такого усилителя используется малошумный усилитель, разработанный для усиления сигналов от пьезоэлектрического преобразователя. Такой усилитель имеет высокое входное сопротивление, малые габариты и потребляемую мощность, что позволяет встроить его в оболочку ГПБА. Схема усилителя приведена в книге Полевые транзисторы и их применение, А.Н.Игнатов, М.: Радио и связь, 1984, рис.4.II.

Блок 3 (фиг.2) - линия связи, обеспечивающая передачу сигналов с предварительного усилителя на бортовую аппаратуру обработки.

В простейшем случае (так сделано в прототипе) этот блок реализуется в виде пары жил, проложенных в оболочке антенны, и пары жил многожильного кабель-буксира, с помощью которого производится буксирование антенны.

При большом числе каналов в протяженной буксируемой антенне в качестве линий связи используется многоканальная система передачи информации с уплотнением каналов.

Именно для ГПБА, где предъявляются жесткие требования к весогабаритным параметрам аппаратуры, получили применение системы передачи с частотным разделением каналов. Такая система описана в книге Основы построения систем передачи ЕАСС, В.Г.Дурнев, В.Д.Стандрик, М.: Радио и связь, 1985, 38 с., рис.3.6.

Блок 4 (фиг.2) - суммирующий усилитель, обеспечивающий суммирование сигналов групп каналов высокочастотной субантенны, а также осуществляющий подбор необходимого коэффициента передачи суммарного канала, используемого в качестве приемного канала низкочастотной субантенны. Схема такого суммирующего усилителя с использованием операционного усилителя в интегральном исполнении представлена в книге Электроника - от теории к практике, Дж.Э.Фишер, Х.Б.Гетланд, М.: Энергия, 1980, 221 с., рис.6.44.

Предлагаемая многодиапазонная ГПБА с линиями передачи информации работает следующим образом. Сигналы, принятые гидроакустическими преобразователями 1 субантенны 7 поддиапазона I, усиливаются и отфильтровываются в предварительных усилителях 2 и передаются по линиям связи 3 на бортовую аппаратуру обработки. Параллельно N_I выходных сигналов с линий связи этой субантенны делятся на групп по K₁₂ сигналов в группе и суммируются в каждой группе в суммирующих усилителях 4, здесь где f_BII - верхняя частота следующего поддиапазона. Субантенна следующего более низкочастотного II поддиапазона 6 содержит гидроакустических преобразователей 1, сигналы с которых через соответствующие предварительные усилители 2 и линии связи 3 передаются на бортовую аппаратуру обработки. К ним присоединяются сигналов с выходов суммирующих усилителей 4 от субантенны 7. Таким образом, на бортовую аппаратуру обработки поступают N_II сигналов эквивалентной субантенны II поддиапазона. Параллельно N_II выходных сигналов субантенны 6 II поддиапазона делятся на групп по K₂₃ сигналов в группе и суммируются в каждой группе в суммирующих усилителях 4, здесь где f_BIII - верхняя частота самого низкочастотного III поддиапазона. Субантенна 5 низкочастотного III поддиапазона содержит гидроакустических преобразователей 1, расположенных с шагом где λ_BIII - длина акустической волны на верхней частоте f_BIII низкочастотного поддиапазона, сигналы с которых через соответствующие предварительные усилители 2 и линии связи 3 передаются на бортовую аппаратуру обработки. К ним присоединяются сигналов с выходов суммирующих усилителей 4 от субантенны 6. Таким образом, на бортовую аппаратуру обработки поступают N_III сигналов эквивалентной субантенны III поддиапазона. Коэффициентами усиления суммирующих усилителей 4 добиваются равенства коэффициентов передачи всех каналов субантенн.

В общем случае при наличии М поддиапазонов и субантенн в составе ГПБА выигрыш в числе приемных каналов предлагаемой многодиапазонной ГПБА составит

где N_о - выигрыш в уменьшении числа приемных каналов;

N_i - требуемое число приемных каналов субантенны i-ого поддиапазона;

- отношение верхних частот i-ого и i+1-го поддиапазонов.

Уменьшение длины ГПБА составит

где L_i - длины субантенны.

Технический эффект от использования изобретения заключается в следующем: известные многодиапазонные ГПБА с линиями передачи информации и в том числе прототип имеют большое число каналов (десятки и сотни) и большую длину (свыше сотни метров), что приводит к трудностям в их создании, размещении на ПЛ- и НК-носителях, эксплуатации и, в конечном счете, невозможности добиться требуемых показателей эффективности. Предлагаемое изобретение позволяет существенно сократить как число приемных каналов, так и длину ГПБА.

Использование предлагаемой многодиапазонной гибкой протяженной буксируемой антенны в одном из изделий, разработанном на нашем предприятии, при числе поддиапазонов и субантенн М=3 и числе требуемых каналов в каждом из поддиапазонов N _I=N_II=N_III=48 позволило уменьшить число каналов на N_o =28, и уменьшить длину ГПБА на более чем 100 метров.

Таким образом, цель, поставленная в изобретении, полностью достигается.

Наименование блоков на чертежах:

1. гидроакустический преобразователь;

2. предварительный усилитель;

3. линия связи;

4. суммирующий усилитель;

5. субантенна III поддиапазона;

6. субантенна II поддиапазона;

7. субантенна I поддиапазона.

Формула изобретения

Многодиапазонная гибкая протяженная буксируемая антенна, содержащая ряд объединенных в едином шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, причем каждый гидроакустический преобразователь, его предварительный усилитель и линия передачи последовательно соединены, образуя приемный канал, отличающаяся тем, что, с целью сокращения количества приемных каналов и уменьшения длины антенны, каждая i-я субантенна поделена на эквидистантных групп с числом приемных каналов в группе K_i, _i+1, где N _i - число приемных каналов субантенны, K _{i, i+1} равно отношению верхних частот субантенн i и i+1, причем на выходы групп подключены суммирующие усилители, выходы которых соединены с входами бортовой аппаратуры от i+1 субантенны.

РИСУНКИ