Излучающий тракт гидролокатора бокового обзора

ВВЕДЕНИЕ 

        К гидролокационным устройствам  можно отнести большое разнообразие  комплексов: гидролокаторы с острой  диаграммой направленности, эхолоты,  гидролокаторы бокового обзора, гидролокаторы кругового обзора, опускаемые с вертолета, буксируемые  гидролокаторы, гидроакустические радиобуи, береговые станции акустической пеленгации и обработки эхо-сигналов. В настоящее время с помощью гидролокаторов успешно решаются как задачи военного назначения, так и сугубо мирные, гражданские: поиск, обнаружение и классификация подводных объектов, обеспечение связи между объектами, обнаружение и изучение подводных месторождений, обеспечение безопасности плавания и т.д. Локация бокового обзора (ЛБО) является важной составной частью  методического комплекса геологической съемки шельфа. Ее применение наиболее эффективно при картировании литологических разностей донных осадков, при геоморфологических исследованиях, поисках полезных ископаемых, а также при изучении коренных пород при условии их обнаженности. ЛБО наиболее рационально проводить как часть комплексных исследований, включающих непрерывное сейсмоакустическое профилирование, геолокацию, электроразведочные методы, подводное фотографирование. Геологический пробоотбор легкими техническими средствами и геолого-геоморфологическое эхолотированне являются обязательными методами сопровождения локации бокового обзора. ЛБО не обладает абсолютными возможностями при проведении геологопоисковых работ. По этой причине не всегда целесообразно охватывать ею всю площадь картирования, достаточно провести исследования только на ключевых участках, где возможно сгущение сети профилей вплоть до получения сплошных монтажей фотосхем. Локация бокового обзора является оперативным методом получения информации непосредственно в процессе морских геологосъемочных работ, что позволяет с ее помощью управлять ходом исследований, добиваясь их оптимизации.

        В дипломном проекте представлена разработка гидролокатора бокового обзора (ГБО), произведен обзор существующих аналогов, разработана структурная схема гидролокатора. Произведен расчет энергетической дальности действия, разработана конструкция гидроакустической антенны, произведен расчет усилителя мощности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 

1.1. Назначение гидролокатора бокового обзора 

        Гидролокатор бокового обзора (ГБО)  предназначен для получения сплошных  акустических изображений (сонограмм)  поверхности дна акваторий по  ходу судна.

    Следует отметить, что ГБО должен решать существенно различные задачи. Если в первом случае объектом локации является  дно океана, то в другом основной целью является искомый объект на фоне дна, которое, обладая большим многообразием форм рельефа, играет роль постоянно присутствующего источника помех при обнаружении объектов искусственного происхождения.

       Гидролокатор применяется для  детальных геологических и инженерно-геологических  изысканий, контроля состояния  подводных сооружений, поиска затонувших  объектов, прямых поисков выходов  газообразных углеводородов и  россыпей твердых полезных ископаемых.  

1.2.  Принцип действия гидролокатора бокового обзора 

        Действие ГБО основано на принципе активной эхолокации. На рис. 1.1 приведена принципиальная схема съемки морского дна с помощью гидролокатора бокового обзора, где V – скорость судна;  Н – высота антенны над поверхностью морского дна; R – наклонная дальность;  Х – линия пути;  Y – направление строки сонограммы;  d_X, d_Y – соответственно продольная и поперечная    составляющие      разрешающей    способности   гидролокатора;

θ_r – угол раскрытия диаграммы гидролокатора в горизонтальной плоскости. 
 

.  

Рисунок 1.1 – Схема локации ГБО  

        Диаграмма направленности приемопередатчика имеет малый (порядка 1—2°) угол в горизонтальной плоскости и довольно большой (40—60°) — в вертикальной. Приемопередающая антенна ГБО периодически излучает короткие ультразвуковые импульсы давления, основная энергия которых распространяется в направлении дна в пределах сформированной диаграммы направленности. Излучение акустической энергии осуществляется перпендикулярно истинному курсу судна по одну или по обе стороны от него.

Антенна периодически излучает короткие ультразвуковые импульсы, которые распространяются в направлении дна в соответствии с диаграммой направленности. Фронт падающей волны последовательно достигает участков озвучиваемой полосы, сигнал отражается и рассеивается этими участками во всех направлениях (в том числе и в направлении на приемную антенну). Отраженные сигналы принимаются,  усиливаются и регистрируются в виде оптических сигналов переменной плотности на специальном регистраторе, осуществляющим построчную запись принятых сигналов на движущемся носителе с электро- или фоточувствительной основой. Момент начала каждой строки на записи соответствует моменту излучения, направление развертки строки перпендикулярно направлению движения ленты, скорость развертки и скорость движения ленты жестко связаны с максимальной дальностью и скоростью судна V. При движении судна и непрерывной работе ГБО, на дне последовательно озвучиваются узкие полосы (строки), которые построчно регистрируются на носителе записи. Получаемая запись представляет собой изображение участка поверхности дна в акустических лучах [1].

        ГБО работает на фиксированной частоте и в этом смысле является когерентной системой. Дно в этом случае представляет собой совокупность элементарных рассеивателей, каждый из которых имеет определенную диаграмму направленности. Суперпозиция сигналов этих вторичных источников и образует, в конечном счете, изображение дна. Вследствие когерентности процесса это изображение будет не сплошным, а точечным.

        Поскольку антенна движется со  скоростью V, то процесс приема эхосигнала не является точно обратным процессу озвучивания: взаимное расположение диаграмм направленности элементарных отражателей и антенны меняется в пространстве в течение времени приема сигнала одной посылки. При достаточно большой скорости движения судна V возможно пропадание эхосигналов от дна, которые не успевают попасть в телесный угол раскрыва диаграммы направленности антенны. Таким образом, скорость буксирования V определяет угол раскрыва диаграммы направленности θ_r [1]. 

1.3. Обзор существующих аналогов 

        Гидроакустические системы бокового  обзора являются в настоящее  время общепризнанным средством для проведения гидрографических работ, решения экологических, геологических, инженерных и других задач.

        Большое количество различных  типов выпускаемых серийно ГБО  объясняется сравнительно узкой  их специализацией. Применение прибора  для тех или иных целей  определяет такие его  основные параметры как производительность и разрешающая способность, которые в свою очередь определяют рабочую частоту и размеры антенн, а, следовательно, и конструкцию всего прибора.

       Основные характеристики некоторых отечественных и зарубежных ГБО, часто используемых при проведении инженерно-геологических исследований в Мировом океане, приведены в таб. 1.1 [11].

      Таблица 1.1  Основные характеристики отечественных и зарубежных ГБО

Продолжение  таблицы 1.1

        Рассмотрим гидролокатор бокового обзора NIO GLORIA. Этот гидролокатор работает на необычно низкой для ГБО рабочей частоте (6,5кГц) и каждые 30 сек. просматривает полосу шириной 22 км. Такая дальность может быть получена при глубинах моря более 2000м. Одновременно просматривается полоса только с одной стороны антенны. Для обзора формируется диаграмма направленности шириной 2° в горизонтальной и 20° в вертикальной плоскостях. Акустическая  антенна состоит из 144 преобразователей, изготовленных из цирконата свинца и расположенных на алюминиевой раме высотой 1,25 м и длиной 5 м. Рама с антенной может дистанционно по командам с судна, разворачиваться вокруг продольной горизонтальной оси на 240°, что позволяет повернуть рабочую поверхность антенны вправо или влево и придать ей нужную ориентацию относительно горизонтальной плоскости.

        Антенна размещается в центральной  секции цилиндрического буксируемого  корпуса, изготовленного из стекловолокна, имеющего длину 15 м, массу в воздухе 6,7 т и в воде 3,5 т. Так как звук проходит путь, равный удвоенной максимальной дальности действия ГБО (44 км), примерно за 30 сек, то антенна должна сохранять свое положение в пространстве. Допустимое отклонение оси диаграммы направленности за это время из-за рыскания или по другим причинам не должно превышать 0,5°. Такая стабильность обеспечивается применением в буксируемом корпусе автономной системы успокоения качки и системы электронной стабилизации положения оси диаграммы направленности антенны в пространстве.

        Кабель-буксир, обеспечивающий четырехкратный запас прочности, имеет около 80 токоведущих жил для подачи напряжения, питающего антенну, передачи сигналов и команд. Рассматриваемый ГБО обеспечивает получение необходимой геологической информации при скорости буксировки 6-8 узлов.

       С ростом возможностей вычислительной техники, в настоящее время стала возможной цифровая обработка в миллисекундном и секундном интервалах, необходимых для сравнительно низкочастотных акустических сигналов. Это резко улучшило условия достижения в гидроакустике преимущества сложных сигналов и многоканальной компьютерной обработки, предсказываемых теорией сигналов и теорией информации [8].  

1.4 Современное состояние  гидролокаторов бокового  обзора

       Совершенствование поисково-обследовательских ГБО  происходит по нескольким направлениям. Исследуются способы повышения угловой разрешающей способности ГБО с помощью динамической фокусировки антенны, с использованием синтеза антенной апертуры, либо путем введения в состав ГБО дополнительного высокочастотного тракта. Последний способ используется достаточно широко: в составе некоторых ГБО имеется тракт с рабочей частотой в несколько сотен кГц (до 500 кГц), предназначенный в первую очередь для классификации целей.

     Технические параметры ГБО различного назначения существенно различаются. Применение прибора для тех или иных целей  определяет такие его  основные параметры как производительность и разрешающая способность, которые в свою очередь определяют рабочую частоту и размеры антенн, а, следовательно, и конструкцию всего прибора. Так, ГБО, предназначенные для обеспечения подводных работ в районах континентального шельфа, обладают высокой разрешающей способностью при ограниченной дальности действия. Их рабочая частота до 300 кГц. ГБО для геологических исследований имеют полосу обзора до 1000—1500 м и работают на частотах порядка нескольких десятков килогерц. ГБО, предназначенные для геологических исследований в глубоком море, работают на низких частотах.[11]

       Большинство современных ГБО  конструктивно  выполняются в виде буксируемых  систем, что дает возможность использовать их с надводных носителей. В таких конструкциях акустические антенны устанавливаются на буксируемом носителе, электрическая и механическая связь которого с судном-буксировщиком осуществляется через кабель-трос. Как правило, в буксируемом носителе, кроме антенн размещаются предварительные усилители и согласующие устройства. Генератор и индикатор размещаются на судне. Современные ГБО с некоторой долей условности можно подразделить на три класса в зависимости от ширины полосы обзора