Излучающий тракт гидролокатора бокового обзора

        - 800 –  (для поиска крупных затонувших  объектов и               исследования мезорельефа);

      -   200 –  (для поиска малоразмерных  объектов);

         -   20 –  (уникальные ГБО для  исследования макрорельефа дна).

2.СТРУКТУРНАЯ  СХЕМА ГИДРОЛОКАТОРА

2.1 Разработка структурной схемы гидролокатора 

        Общие принципы построения ГБО  не отличаются от принципов  конструирования других гидроакустических  приборов. ГБО состоит из излучающего  и приемного тракта. Излучающий  тракт включает в себя блоки  синхронизации излучения и приемно-излучающую акустическую антенну и предназначен для формирования сигнала накачки и его излучения в среду лоцирования. Приемный тракт выполняет прием излучающего пакета, его усиление и обработку. Полученная информация из приемного тракта обрабатывается ЭВМ. Структурная схема  ГБО представлена на рис. 2.1. 

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема гидролокатора

            Работой системы управляет синхронизатор, который вырабатывает периодически повторяющиеся синхроимпульсы с заданным периодом следования, он  запускает схемы временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и развертку индикатора, начинающуюся одновременно с излучением зондирующего импульса. Синхронизатор вырабатывает  видеоимпульсы U₁. Далее сигнал U₁ подается на генератор радиоимпульсов. После генератора зондирующий сигнал U₂ через усилитель мощности поступает на коммутатор приема-передачи. Назначение коммутатора приема-передачи состоит в следующем – в режиме излучения пропускать зондирующий сигнал с выходного генераторного блока на гидроакустическую антенну, защищая при этом входные цепи приемного блока ГБО от перегрузки. А в режиме приема передавать с наименьшими потерями эхо-сигналы с антенны на вход приемного блока.

        Отраженный сигнал U₄ принимается гидроакустической антенной ГБО и через коммутатор приема-передачи подается на усилитель. Усилитель осуществляет одновременно частотную фильтрацию сигнала и увеличивает уровень полезных электрических сигналов до значений, значительно превышающих величину электрических наводок и шумов. На усилитель поступает сигнал с ВАРУ.Запуск схемы ВАРУ осуществляется от синхронизатора. Основной задачей блока ВАРУ является изменение коэффициента передачи приемного тракта ГБО таким образом чтобы уровень эхосигнала на выходе приемного блока зависел только от размера цели и не зависел от ее расстояния до гидроакустической антенны. Далее напряжение  с ВАРУ U₅ поступает на усилитель, усиленный эхо-сигнал U₆ поступает на детектор, с детектора сигнал U₇ поступает на блок аналогового цифрового преобразователя, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Вся информация обрабатывается и сохраняется с помощью ЭВМ, на которую поступают сигналы с блока синхронизации и АЦП.

3. Энергетический расчет гидролокатора бокового обзора.

      3.1 Оценка разрешающей  способности и  длительности импульсов

         Дальность действия гидроакустической  аппаратуры зависит от правильного  выбора частоты.

         В уравнение дальности входит  целый ряд параметров, зависящих  от частоты. Существует оптимальная частота, позволяющая, в зависимости от постановки задачи, минимизировать или максимизировать некоторые параметры [8].

         Выбираем рабочую частоту fpaб = 120 кГц.

         Длительность зондирующего импульса  определяется тем, что в нем  должно присутствовать 10...15 колебаний для создания стационарного режима работы преобразователя, так как акустическая антенна является колебательной системой с резонансными свойствами. Из выше сказанного получаем:

                                                                                                  (3.1)

      где N- количество колебаний в импульсе, t- длительность одного колебания, с.

                                           с;                          (3.2)                                                                    

                                       мкс.                               (3.3)

  Из этого следует, что мертвая зона будет:

                                        см.                              (3.4)

       3.2.Расчет акустической мощности антенны ГБО

      Для определения мощности излучаемого  сигнала воспользуемся формулой:

       ;                                     (3.5)

      Wa - акустическая мощность;

      Рпо - уровень помех;

      К - коэффициент осевой концентрации;

      Rэ - радиус эквивалентной сферы;

      рс - акустическое сопротивление воды;

       - коэффициент затухания,

      δ – коэффициент распознавания  сигнал/шум.

                                      ;                                      (3.6)

                                          ;

    - коэффициент надежности приема (минимально-допустимое отношение сигнал / помеха на входе индикатора). Выбираем равное 2;

      ∆F - полоса пропускания, Гц;

      Т- период, с. Время излучения сигнала  в среде.

                                        кГц;                          (3.7) 

                                          с.                      (3.8)

         Отсюда акустическая мощность, необходимая для обеспечения заданной дальности действия(280 метров), будет не менее чем:

                     .           (3.9)

  Удельную акустическую мощность можем рассчитать по формуле:

                                    Вт/ .                          (3.10)

   Рассчитанные параметры ГБО показаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1  Рассчитанные параметры ГБО

 

4 РАЗРАБОТКА  КОНСТРУКЦИИ  АНТЕННЫ  ГИДРОЛОКАТОРА

4.1 Расчет основных параметров антенны 

     Рассчитаем геометрические размеры гидроакустической антенны. Габаритные размеры излучающей поверхности антенны определим с помощью  следующей формулы:

     ,                                                                                           (4.1)

где а  – размер  антенны по вертикали;

b – размер антенны по горизонтали.

Определим длину волны излучения по  формуле:

     ,                                                                                                     (4.2)

где с  – скорость звука в среде, возьмем  равной 1500 м/с;

f_p – частота излучения согласно ТЗ.  

    м.

Подставив численные значения, получим:

- размер  антенны в вертикальной плоскости:

      м;

- размер  антенны в для горизонтальной  плоскости:

      м.

        В связи с тем, что пьезоэлемент  с такими размерами обладает  малой механической прочностью, составим такой элемент из дискретных элементов меньшего размера.

        Определим число элементов антенны: 

Число элементов в горизонтальной плоскости  определим из выражения:

      ,                                                                                                (4.3)

      .

Число элементов в вертикальной плоскости:      

        .

Получаем  размеры одного элемента антенны:     В = 0,018 м,  А = 0,018 м.

Так как  преобразователь без накладок является полуволновым, то высоту преобразователя найдем по формуле:

       ,                                                                                                 (4.4)

       м.

Технологический зазор между преобразователями выберем равным

Тогда длина антенны по горизонтали  будет равна:

        

По вертикали: M=0,018 м.

Зная  геометрические параметры антенны, найдем площадь излучающей поверхности антенны по формуле:

         м².

Итак, мы рассчитали необходимые размеры  нашей гидроакустической антенны, исходя из рабочей частоты и ширины ХН, заданных в техническом задании. 
 
 

4.2 Разработка конструкции и расчет основных параметров преобразователей антенны

         Вид механической колебательной системы преобразователя определяет главным образом рабочая частота ГАС, в состав которой входит проектируемая антенна.

        Для очень низких частот (примерно  до 2…3 кГц) пригодны пластинчатые и цилиндрические преобразователи, в которых используют изгибные колебания.

        Для звуковых и ультразвуковых  частот (до 25…30 кГц) целесообразно  использовать пульсирующие цилиндрические  преобразователи.

        Для частот выше 25…30 кГц успешно используют простые по конструкции и технологичные стержневые преобразователи.

        Учитывая вышесказанное, выбираем  для нашего случая стержневой  преобразователь [4].

        В качестве основного элемента  преобразователей выберем плоскую  прямоугольную пьезокерамическую пластину в режиме одностороннего излучения, так как этот режим, как известно, позволяет существенно увеличить мощность излучения в среду.

        Пьезоэлектрические преобразователи  могут быть рассчитаны на работу  с использованием продольного и поперечного пьезоэффекта. В первом случае направление колебаний (резонансный размер) совпадает с поляризующим полем (колебания в направлении электродов), во втором оно перпендикулярно направлению поля. Эффективность пьезоматериалов при продольном пьезоэффекте выше, чем при поперечном. Однако проектирование преобразователя, рассчитанного на работу с использованием продольного пьезоэффекта, сопряжено с затруднением, связанным с секционированием для снижения величины возбуждающего напряжения и увеличения электрической емкости. Поэтому мы будем использовать пьезокерамические элементы на поперечном пьезоэффекте [4].