Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна
Аннотация
В данной работе обсуждается проблема контроля характеристик гидроакустических приемных антенн многолучевого эхолота. Гидроакустические средства, такие как гидролокатор бокового обзора, профилограф, эхолот, многолучевой эхолот, активно применяются для дистанционного определения параметров сред в целях рационального природопользования. В статье рассматривается методика контроля фазо-частотных характеристик приемных антенн многолучевых эхолотов. Исследуемая методика позволяет проводить измерения фазо-частотных характеристик антенн в гидроакустическом бассейне, размер которого меньше длины ближнего поля приемной антенны.
Ключевые слова: Рациональное природопользование, многолучевой эхолот, исследование дна, гидроакустика
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 фазо-частотных характеристик на примере приемных антенн многолучевых эхолотов. Фазо-частотная характеристика каналов приемной антенны имеет некоторую неравномерность, которая может привести к ошибкам при синтезировании характеристики направленности приемной антенны. Поэтому необходимо осуществлять контроль неравномерности фазо-частотных характеристик каналов приемной антенны [1, 2].
Измерение фазо-частотных 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 радио-импульсов, 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 φn – фаза сигнала на выходе n-ого канала, ω – круговая частота, t – время, k=2π/λ – волновое число, xn– расстояние от источника до n-ого канала, φкn– сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом.
Тогда разность фаз между двумя каналами антенны определяется по формуле:
;2
где φn – фаза сигнала на выходе n-ого канала, φm – фаза сигнала на выходе m-ого канала, k=2π/λ – волновое число, xn – расстояние от источника до n-ого канала, xm – расстояние от источника до m-ого канала, φкn– сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом,φкm– 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, φ=k(xn-xm). Для учета этого сдвига необходимо определить разность хода лучей (xn-xm). 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 φn/2-1 – разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, φn/2-n – разность фаз между центральным и последним каналом, φ1-n– разность фаз между крайними каналами.
Рисунок 4 — Результат измерения фазо-частотной характеристики многоканальной приемной антенны,где кривая 1– экспериментальная, кривая 2 – теоретическая, кривая 3 – расчетная.
Формула (5) получена из следующих соотношений:
6
где φn/2-1 – разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, φn/2-n – разность фаз между центральным и последним каналом, φ1-n– разность фаз между крайними каналами, φn – фаза сигнала на выходе n-ого канала, φn/2 – фаза сигнала на выходе центрального канала, φ1 – фаза сигнала на выходе 1-ого канала, φкn– сдвиг фаз, вносимый n-ым каналом, φкn/2 – сдвиг фаз, вносимый центральным каналом, φ1 – сдвиг фаз, вносимый 1-ым каналом.
На рисунке 4 приведены результаты результат измерения фазо-частотной 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 фазо-частотных характеристик многоканальных антенны. Результаты, полученные при апробировании методики контроля фазо-частотных 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.
Литература
1.Колесников А.Е. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983.
2.Боббер Р. Гидроакустические измерения. (пер. с англ.) М.: Мир, 1974.
3/Кириченко И.А., ПивневП.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.