Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна Текст научной статьи по специальности «Физика»

Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна

С.П. Тарасов, В.И. Тимошенко, В.А. Воронин, И.А. Кириченко, П.П. Пивнев, Г.В. Солдатов, А.П. Волощенко, А.С. Эсси-Эзинг, В.А. Обыденная, Д.А. Франчук

Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения

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.

П

Рисунок 1 — Структурная схема измерительной установки

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. Г еометрия 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 п-ого канала определяется по формуле:

(рп = шґ + кхп + (рКп; 1

где фп - фаза сигнала на выходе п-ого канала, Ш - круговая частота, Ї - время, к=2п/А -волновое число, хп- расстояние от источника до п-ого канала, фкп- сдвиг фаз, вносимый п-ым каналом.

Тогда разность фаз между двумя каналами антенны определяется по формуле:

Фп Фт Н*п ) + Фкп Фк т; 2

где фп - фаза сигнала на выходе п-ого канала, фт - фаза сигнала на выходе т-ого канала, к=2п/А - волновое число, хп - расстояние от источника до п-ого канала, хт - расстояние от источника до т-ого канала, фкп- сдвиг фаз, вносимый п-ым каналом,фкт- сдвиг фаз, вносимый т-ым каналом.

С

В

А

Рисунок 3 — Г еометрия измерений разности фаз между каналами приемной антенны.

Из формулы 2 видно, что между каналами антенны присутствует фазовый сдвиг, обусловленный пространственным набегом фаз, ф=к(х„-хт). Для учета этого сдвига необходимо определить разность хода лучей (хп-хт). Разность хода лучей от источника до п-ого и т-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 п-ого и т-ого каналов антенны, ВС - расстояние между фазовыми центрами п-ого и т-ого каналов антенны.

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

хп — хт = V ОА2 + АС2 — V ОА2 + АВ2 3

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

Фп — Фт = &^ОА2 + АС2 — V ОА2 + АВ2) + фкп — фкт; 4

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

Фп/2-П — Фп/2-1 _ ^1-П; 5

где фп/2-1 - разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, фп/2-п - разность фаз между центральным и последним каналом, ф1-п- разность фаз между крайними каналами.

БО

40

ч ЗО

■ті

&

-в-

А

В ю и

■ТІ

о

-10

-20

г 1 1-

Г- \ 1 1 \

>- і/ % ч. \

1 Д —ї 1 у \

1 7І -4 \

г л Г > V л \ ■X '■

Ь'і и +- г і ■ \ —> —!*-

г , -■ ■р*— ’ + +

V- I / ■V ■ / V У I —і ■

-1

V-

1 0 1 ь и ь : и 2

Н омЕр частотного канапа

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:

Г Фп/2-1 = Фп/2 — Фі = кхп/2 — кхг + фкп/2 — Фі

I Фп/2-п = Фп/2 — Фп = кхп/2 — кхп + фкп/2 — Фп 6

| Фі-п = Фі-Фп = кх1 - кхп + Фі-Фп V кхі = кх2

где ф„/2-і - разность фаз сигнала между центральным и первым каналом, фп/2-п - разность фаз между центральным и последним каналом, ф 1-п- разность фаз между крайними каналами, фп - фаза сигнала на выходе п-ого канала, фп/2 - фаза сигнала на выходе центрального канала, ф 1 - фаза сигнала на выходе 1-ого канала, фкп - сдвиг фаз, вносимый п-ым каналом, фкп/2 - сдвиг фаз, вносимый центральным каналом, ф 1 - 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 научнотехнологического 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

¡.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.