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

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.