CC BY
79
УДК 681.883.67
Ю. В. Белоус
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ, КАК ОПТИМАЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ДЛЯ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ТРАКТА СТАНЦИЙ МИНОИСКАНИЯ ПОДВОДНЫХ
ЛОДОК.
Опыт Великой Отечественной войны наиболее остро показал важность и необходимость такого класса боевых кораблей, как подводные лодки ( ПЛ). Важнейшим свойством ПЛ является скрытность их боевых действий. В связи с необходимостью обеспечения “скрытности“, развитие ПЛ шло в направлении увеличения максимально возможного времени непрерывного пребывания лодки в подводном положении. В настоящий момент, развитие техники позволило довести это время, приблизительно, до 1/4 года, что в свою очередь определило направление дальнейшего усовершенствования развития радиоэлектронных средств лодки. Лишь с помощью гидроакустики ПЛ может определить свое местоположение, осуществлять “осмотр” окружающего пространства, производить обнаружение целей и, в случае необходимости, обмениваться информацией. Современная гидроакустика создавалась несколькими поколениями отечественных и зарубежных ученых, инженеров и техников [ 1,2,3]. Развитие теории гидроакустики привело к необходимости дробления различных проблем, например, гидролокация, шумопеленгование, изучение влияния естественных шумов водной среды и т.д.
Одной из таких проблем являются гидролокаторы предназначенные для обнаружения малоразмерных целей, в частности мин. Для ПЛ минные заграждения являются очень опасной преградой. Самонаводящиеся мины способны “подстерегать” и в считанные минуты поражать ПЛ. Лишь своевременное обнаружение, до входа в зону реагирования мины, способно уберечь лодку от поражения. Такие объекты можно обнаружить лишь при помощи лоцирования водной среды гидроакустическим сигналом. При этом параметры гидролокатора должны обеспечивать необходимую дальность обнаружения мины с заданной степенью вероятности и должны быть оптимизированы по совокупности множества параметров. Необходимо, например,
обеспечение узкой диаграммы направленности излучения - это
позволяет снизить необходимую мощность излучения и вероятность обнаружения ПЛ противником, так как любое акустическое излучение лодки может быть запеленговано противником. Так же необходимо оптимизировать несущую частоту сигнала потому, что слишком высокочастотный сигнал быстро затухает в среде распространения и требует больших мощностей излучения, а слишком низкочастотный сигнал, хотя и требует меньших мощностей излучения и обладает меньшим коэффициентом затухания - может приводить к эффекту огибания, а не отражения волн от лоцируемого объекта. Возможно использование не тонального, а сложного сигнала, что при соответствующей обработке отраженного сигнала сильно увеличивает его информативность. Необходимо учитывать и свойства среды при распространении сигнала и возникающие вредные эффекты, например, ревербирация.
В настоящее время, единого решения задачи оптимизации работы всех трактов гидроакустических комплексов пока не разработано и возможна оптимизация лишь отдельных частей, применительно к различным задачам.
Рассмотрим, например, вопрос о выборе параметров зондирующего сигнала гидролокатора. Часть из них, такие как несущая частота и мощность, определяются решением уравнения дальности:
УИ - 2ПР + СЦ = УР + ПО
где:
УИ - уровень излучения;
ПР - потери при распространении;
СЦ - отношение интенсивности эхо-сигнала в 1 м от цели к интенсивности падающей звуковой волны;
УР - уровень реверберации на входе приемника;
ПО - порог обнаружения.
А форма сигнала выбирается на основе анализа его функции неопределенности:
0(х,ю) = |Ф(х,ю)|2
Функция неопределенности является мерой способности
гидролокатора различать отраженные посылки, если они отличаются по задержке, доплеровскому сдвигу и по ускорению источника сигнала.
Результаты математического исследования этих формул, в сфере вышеизложенных проблем [ 4 ], показывают необходимость использования зондирующего сигнала с большой базой (произведение ширены спектра сигнала на его длительность), что значительно повышает объем информации о лоцируемом объекте, уменьшает мертвую зону и увеличивает разрешение по дальности. При этом излучение должно производиться как можно в меньшем телесном угле, что позволит снизить необходимую мощность излучения и обеспечить скрытность ПЛ. Принципы линейной акустики не позволяют в полном объеме решить изложенные задачи, так как акустическая антенна будет иметь слишком большие линейные размеры, что не желательно в условиях ПЛ с дефицитом полезного пространства.
С моей точки зрения, поставленные задачи решаются оптимально с помощью нелинейной акустики, в частности сконструированной на основе этой теории параметрической антенны. Не малый вклад в развитие этого направления внесли исследования проводимые на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники ТРТУ под руководством профессора Тимошенко В. И. Принципы работы таких антенн хорошо изложены в книге [5].
В параметрической антенне (ПА) роль излучателя играет сама среда распространения волны, где происходит взаимодействие волн накачки. В результате этого, диаграмма направленности (ДН) таких антенн очень узка. Здесь не работает принцип построения линейных антенн: чем уже ДН - тем больше база антенн или ее размеры. То есть ПА, по сравнению с линейными антеннами, дает выигрыш по необходимым габаритным размерам. Ценным качеством ПА является практически полное отсутствие боковых лепестков в ДН. Это свойство позволит резко снизить вероятность обнаружения ПЛ противником, так как отсутствует излучение в ненужные области пространства,
а такие активные посылки могут быть запеленгованы противником, что приводит к потере скрытности. Принцип же построения линейных антенн исключает отсутствие боковых лепестков ДН. Еще одним ценным качеством ПА является возможность эффективного излучения гидроакустического сигнала в гораздо больших пределах по частоте, чем у линейных антенн. Это же, в свою очередь, позволяет ПА использовать сигнал с гораздо большей базой, что, как отмечалось выше, увеличивает информативность отраженного сигнала.
Все эти свойства позволяют, практически, реализовать требуемую параметрическую антенну, обладающую необходимой полосой рабочих частот, малыми габаритами, постоянной и гладкой характеристикой направленности на разных частотах, с уровнем излучения порядка нескольких десятков тысяч Паскаль.
К недостаткам параметрических антенн можно отнести низкий коэффициент полезного действия преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты. Коэффициент преобразования энергии не превышает нескольких процентов. Однако энергия волны разностной частоты концентрируется в очень узком телесном угле и получаемые уровни звукового давления вполне пригодны для работы.
На характеристики параметрической антенны влияет значительно больше параметров, чем на характеристики обычной антенны. Зависимость от некоторых из них носит сложный функциональный характер. Это обстоятельство затрудняет выбор оптимальных параметров при создании конкретной излучающей системы с заданными параметрами. Решением этой и многих других проблем связанных с параметрическими антеннами занимаются посредством проведения огромной научно-исследовательской и теоретической деятельности под руководством профессора Тимошенко В. И. на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники ТРТУ, чему свидетельствуют работы [ 8, 9 ] и др.
1.Тюрин А. М. Теоретическая акустика. Л., ВМА, 1971 г.
2.Урик Д. Р. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978 г.
З.Бреховских Л. М. Акустика океана. М., Наука, 1973 г.
4.Зарайский В. А., Тюрин А. М. Теория гидролокации Л., ВМА им. Гречко А. А., 1975 г.
5.Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. Л., Судостроение 1981 г.
6.Рисонин К. П., Минное оружие капиталистических государств. Журнал “Зарубежное военное обозрение” № 4 1985 г.
7.Серин А. Р. Противолодочные рубежи. Журнал “Морской сборник” № 7 1982 г.
8.Гринберг И. Э., Новиков Б. К. Расчет характеристики параметрической антенны в режиме самодетектирования. Прикладная акустика. Таганрог, 1983 г. Вып. 10 с.
9.Заграй Н. П., Голосов С. П. Поле параметрического излучателя при изменении формы области взаимодействия. Прикладная акустика. Таганрог 1985 г. Вып. 11.
