Способ формирования характеристики направленности плоской, горизонтально расположенной многоэлементной излучающей антенны доплеровского лага

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Решаемая техническая проблема - уменьшение погрешности измерения собственной скорости судна и увеличение предельной глубины работы лага без увеличения цены и габаритов аппаратуры. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и уменьшении погрешности измерения абсолютной скорости судна при помощи доплеровского лага. Указанный технический результат достигается формированием четырехлучевой ХН излучающей антенны по схеме Янус без дополнительных максимумов за счет применения специального фазового распределения на элементах антенны, суть которого состоит в разбиении антенны, аналогично шахматной доске, условно на белые и черные квадраты, каждый из которых включает по четыре расположенных по углам квадрата излучающих элемента, при этом на все элементы белых квадратов и на все элементы черных квадратов подаются синфазные сигналы, с той лишь разницей, что сигналы, подаваемые на элементы черных квадратов, являются противофазными относительно сигналов, подаваемых на элементы белых квадратов. 4 ил.

 

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.

Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна.

Традиционно измерение абсолютной скорости судна обеспечивает доплеровский лаг (ДЛ) [1-7]. И хотя на надводных кораблях и судах вместо ДЛ все чаще используется спутниковая навигационная система, на подводных лодках и подводных аппаратах (обитаемых и необитаемых) ДЛ продолжает оставаться основным средством измерения абсолютной скорости.

Для повышения точности измерения скорости судна широко применяется схема «Янус» формирования одновременно двух симметричных, направленных в разные стороны характеристик направленности приемно-излучающей антенны (фиг. 1). Схема «Янус» обеспечивает [1]:

- устранение нелинейной зависимости скорости судна от доплеровской частоты;

- существенное уменьшение (в определенных пределах) погрешности измерения скорости, обусловленной изменением пространственной ориентации лучей при качке и статических наклонах судна (до 3-4°) без привлечения внешней информации;

- компенсацию погрешности, вызванной изменением угла прихода луча при смещении судна за время распространения сигнала;

- уменьшение влияния рефракционных искажений сигнала;

- увеличение в два раза скоростной чувствительности лага (по сравнению с односторонней схемой);

- снижение влияния вертикальной составляющей скорости судна на точность измерения горизонтальных составляющих и др.

Причем, как правило, на практике одновременно используются две схемы «Янус» во взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет повысить точность измерения двух проекций скорости судна (фиг. 1).

Для реализации двух схем «Янус» требуется одновременно формировать 4 разнонаправленные характеристики направленности (ХН) (фиг. 1). Это реализуется одним из двух способов [7]:

- путем использования комплекта из 4-х синфазных антенн, оси которых смещены относительно вертикали в соответствующие стороны;

- применением фазированной антенной решетки (ФАР) со специальным фазовым распределением сигналов на излучающих элементах.

Второй способ получил большее распространение, поскольку для формирования ХН той же ширины в нем используется только одна, а не четыре антенны, что существенно уменьшает габариты и стоимость.

При формировании четырехлучевой ХН на ФАР излучающую антенну принято разбивать на две подрешетки. Каждая подрешетка отвечает за формирование двухлучевой схемы Янус в одной плоскости [3, с. 214; 7]. Поскольку на точность измерения доплеровской частоты существенно влияет ширина основного лепестка ХН антенны [1], антенну обычно разбивают на пересекающиеся подрешетки. То есть (на примере линейной антенны) четные датчики относятся к одной подрешетке, а нечетные к другой. Благодаря этому, ширина основного максимума ХН остается такой же, как при формировании ХН с использованием всех датчиков антенны.

Однако этот способ имеет существенный недостаток: каждая подрешетка является разреженной, в результате чего, кроме двух основных максимумов (ОМ), в ХН каждой подрешетки появляются еще 4 побочных максимума того же уровня. На фиг. 2 [7] приведена расчетная ХН антенны, разбитой на две подрешетки, где:

ϕ - курсовой угол;

θ - вертикальный угол компенсации ХН;

R(ϕ, θ) - ХН антенны;

по оси X отложены значения sin(θ)cos(ϕ),

по оси Y отложены значения sin(θ)sin(ϕ).

В результате такого формирования ХН снижается помехоустойчивость антенны за счет:

- уменьшения в три раза коэффициента концентрации антенны при излучении;

- увеличения уровня помех, поскольку эхо-сигнал, вызванный сигналом, излученным в побочном направлении, является мешающим при приеме эхо-сигнала с основного направления.

Точность измерения скорости лагом и предельная глубина использования лага, в свою очередь, тем больше, чем больше помехоустойчивость антенны.

В качестве прототипа выбран описанный в работе [7] способ формирования четырехлучевой ХН доплеровского лага.

В прототипе ХН антенны формируется независимо во взаимно перпендикулярных плоскостях, для чего антенна разбивается на две подрешетки, работающие независимо каждая в своей плоскости. Результатом такого разбиения является прореживание антенной решетки, что приводит к образованию побочных максимумов высокого уровня в ХН (фиг. 2).

Решаемая техническая проблема - уменьшение погрешности измерения собственной скорости судна и увеличение предельной глубины работы лага без увеличения цены и габаритов аппаратуры.

Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости и уменьшение погрешности измерения абсолютной скорости судна при помощи доплеровского лага.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу формируется четырехлучевая ХН (по схеме «Янус» в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) излучающей антенны без дополнительных максимумов. Для этого от многоканального генераторного устройства на излучающие элементы горизонтально расположенной плоской антенны подаются сигналы возбуждения с фазовым распределением, показанным на фиг. 3, где:

белые квадраты соответствуют датчикам антенны с фазой сигнала 0°; закрашенные квадраты соответствуют датчикам антенны с фазой сигнала 180°;

квадраты с крестом означают отсутствие излучающего элемента в этом месте антенны.

Суть этого фазового распределения состоит в том, что антенна, аналогично шахматной доске, условно разбивается на белые и черные квадраты, каждый из которых включает четыре расположенных по углам квадрата излучающих элемента, при этом на все элементы белых квадратов подаются синфазные сигналы, которые являются противофазными относительно сигналов, подаваемых на элементы черных квадратов. При таком фазовом распределении каждый элемент антенны участвует в формировании ХН в обеих плоскостях, благодаря чему антенна не становится разреженной.

При использовании описанного распределения ХН будет иметь только четыре попарно симметричных относительно нормали к антенне полезных максимума (фиг. 4), в отличие от ХН антенны-прототипа, имеющей побочные максимумы.

Физическая реализуемость заявляемого метода подтверждена математическим моделированием. Расчетная ХН представлена на фиг. 4. Для наглядности при моделировании рассматривалась плоская антенна круглой формы, аналогичная антенне, описанной в прототипе [7]. Однако данный способ подходит для формирования ХН любых плоских антенн.

Таким образом, технический результат достигается за счет уменьшения бокового поля ХН антенны, что увеличивает точность измерения скорости и предельную глубину использования лага вследствие увеличения мощности излучения в полезных направлениях (4 основных максимума ХН) и повышения помехоустойчивости за счет уменьшения реверберационной помехи, обусловленной боковым полем излучающей антенны.

Источники информации

1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги. - Л.: Судостроение, 1990.

2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н. и др. Судовые измерители скорости. - Л.: Судостроение, 1978.

3. Гидроакустические навигационные средства / Под ред. В.В. Богородского. - Л.: Судостроение, 1983.

4. Богородский В.В. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. - Л.: Гидрометиздат, 1984.

5. Виноградов К.А., Новиков И.А. Гидроакустические навигационные системы и средства // Научно-технический журнал «Навигация и гидрография», ГНИНГИ МО РФ, 1999, №7.

6. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхо-сигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.

7. Мартынюк А.П., Казакова Е.В. Уточнение характеристик направленности фазированных антенных решеток доплеровских лагов // Гiдроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби дослiджень Свiтового океану), 2009, №6, с. 60-67.

Способ формирования характеристики направленности плоской, горизонтально расположенной многоэлементной излучающей антенны доплеровского лага, состоящий в формировании в многоканальном генераторном устройстве сигналов возбуждения и подаче их на излучающие элементы фазированной антенной решетки, отличающийся тем, что для формирования четырехлучевой характеристики направленности схемы «Янус» антенна, аналогично шахматной доске, разбивается на белые и черные квадраты, каждый из которых включает четыре расположенных по углам квадрата излучающих элемента, при этом на все элементы белых квадратов подаются синфазные сигналы, которые являются противофазными относительно сигналов, подаваемых на элементы черных квадратов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Достигаемый технический результат - повышение надежности обнаружения эхосигналов, отраженных от морского дна, при наличии во входном сигнале, кроме эхосигналов, отраженных от дна, также эхосигналов, отраженных от водных звукорассеивающих слоев.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым системам диагностической визуализации. Система формирует отображения спектральной допплерографии потока для анатомических местоположений, выбранных из изображения от цветового картирования потока и содержит зонд с массивом ультразвуковых преобразователей, формирователь лучей, который управляет направлениями, в которых лучи передаются зондом, допплеровский процессор, дисплей, на котором одновременно отображаются изображения цветового допплеровского картирования потока и спектральной допплерографии, пользовательский элемент управления, процессор положения и угла отклонения цветовой рамки, реагирующий на допплеровские сигналы для автоматического изменения положения цветовой рамки в изображении цветового допплеровского картирования потока относительно потока в кровеносном сосуде, когда пользователь манипулирует элементом управления, осуществляя перемещение из одного указанного положения в другое.

Изобретение относится к области морской навигации и судовождения по ведущему кабелю, а также к подводным навигационным системам с гидроакустическими маяками-ответчиками, и может быть использовано для разработки технических средств навигационного обеспечения, связи и управления надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания, преимущественно в арктических и прилегающих к ним акваториях, в частности на Северном морском пути (СМП).

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров положения объекта, обнаруженного на дне с использованием гидролокатора ближнего действия.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения высоты объекта над уровнем дна. Сущность: гидроакустический способ определения пространственных характеристик объекта, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени t, приема эхосигнала tэхо, определяется дистанция D до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука С, после излучения измеряют уровень объемной реверберации U0, определяют порог обнаружения Uпор., измеряют tнач время начала эхосигнала, при котором впервые амплитуда эхосигнала Аоб превысила порог Аоб>Uпор и определяют дистанцию D0=0,5 С tнач, измеряют момент времени последней амплитуды эхосигнала tпос, при котором минимальная амплитуда эхосигнала от объекта Аоб>Uпор, определяют момент времени начала тени tтени, при котором выполняется условие U0≥Атен и tтени>tпос, определяют момент времени окончания тени tкон.т, при котором Uпор>Аоб≥U0, определяют дистанцию до момента окончания тени Dтени=0,5 С tкон.т, определяют глубину от гидролокатора до дна Hдна, а высоту объекта определяют по формуле .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем классификации обнаруженных объектов гидролокатором освещения ближней обстановки.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработки гидроакустической аппаратуры, предназначенной для освещения подводной обстановки.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения глубины погружения приводняющегося объекта с использованием гидролокатора ближнего действия, установленного на движущемся носителе, относительно горизонта движения носителя.

Изобретение относится к области гидроакустических лагов, предназначенных для измерения скорости морского объекта. .

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения абсолютной скорости судна. Решаемая техническая проблема - уменьшение погрешности измерения собственной скорости судна и увеличение предельной глубины работы лага без увеличения цены и габаритов аппаратуры. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и уменьшении погрешности измерения абсолютной скорости судна при помощи доплеровского лага. Указанный технический результат достигается формированием четырехлучевой ХН излучающей антенны по схеме Янус без дополнительных максимумов за счет применения специального фазового распределения на элементах антенны, суть которого состоит в разбиении антенны, аналогично шахматной доске, условно на белые и черные квадраты, каждый из которых включает по четыре расположенных по углам квадрата излучающих элемента, при этом на все элементы белых квадратов и на все элементы черных квадратов подаются синфазные сигналы, с той лишь разницей, что сигналы, подаваемые на элементы черных квадратов, являются противофазными относительно сигналов, подаваемых на элементы белых квадратов. 4 ил.

Наверх