Исследование и разработка параметрических антенн для изучения модулированных сигналов разностной частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ПУБЛИКАЦИЙ,ПОСВЯЩЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯМ ПРОЦЕССОВ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН.

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА В РЕШЯЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ./

3.1.Постановка задачи о взаимодействии сигналов со сложным спектральным составом в параметрической антенне./

3.2.Решение уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова для сигнала накачки с произвольным законом шдуляции. /?

3.3.Режим излучения амплитудно-модулированных сигналов накачки.№

3.4.Режим излучения сигнала накачки с утловой модуляцией.3i

3.5 .Выводы.о

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В РЕКИМЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ.

4.1.Основные задачи экспериментальных исследований.

4.2.Особенности методики экспериментальных исследований.

4.3.Схема проведения исследований.

4.4.Исследование параметрической антенны в режиме излучения амплитудно-модулированных колебаний.

4.5.Экспериментальное исследование параметрической антенны в режиме излучения частотно-модулированных сигналов.

4.6.Исследование влияния особенностей пространственных характеристик параметрической антенны на спектр генерируемого ею сигнала.

4.7. Выводы.

5« РАЗРАБОТКА И ИССВДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО

ПАРА1ШРЙЧЕСК0Г0 ГИДРОЛОКАТОРА.

5.1•Общие вопросы разработки параметрических пщюлокаторов. .т

5.2.Выбор базового варианта для построения широкополосного параметрического гидролокатора.

5.3.Структурная схема широкополосного исследовательского параметрического гидролокатора многофункционального назначения ПГЛ-5М и описание принципа действия его работы.

5.4.Основные технические характеристики широкополосного параметрического гидролокатора ПГЛ-5М и результаты их экспериментального исследования. .№

В последние десятилетия гидроакустические средства приобретают все большее значение для освоения Мирового океана.являющегося мощным потенциальным источником биологических ресурсов и колоссальных запасов минерального сырья.С их помощью решаются задачи поиска,обнаружения и распознавания подводных объектов и косяков рыбы, обеспечения безопасности судовождения.измерения глубин, исследование рельефа дна, поиска полезных ископаемых, передачи телеметрической информации по гидроакустическому каналу, исследования гидрофизических и гидробиологических характеристик морей и многие другие.

Успехи,достигнутые современной радиолокацией,теорией передачи и обработки сигналов,радиотехниной и техникой цифровых методов обработки информации,приводят к повышению требований к гидроакустическим средствам, расширению круга решаемых ими задач, поиску новых методов их построения.

Среди технических параметров,к которым предъявляются все более высокие требованиям первую очередь нужно упомянуть дальность действия гидроакустических средств,помехоустойчивость,информационную емкость канала,разрешающую способность по углу и по дальностй.Удовлетворение повышенных требований возможно с помощью применения сложных сигналов и сигналов с широкополосными видами модуляции [i,2,з].Однако,серьезным препятствием использованию широкополосных сигналов в традиционном линейном режиме излучения является узкополосность излучающих систем и зависимость ширины диаграммы направленности от рабочей частоты.

В то же время существуют параметрические излучающие системы, обладающие рядом существенных преимуществ, к которым можно отнести:- возможность создания узкой частотно-независимой диаграммы направленности при малых апертурах;- отсутствие или низкий уровень боковых "лепестков" в диаграмме направленности;- широкий диапазон излучаемых частот.

Успехи,достигнутые нелинейной гидроакустикой в области исследования, разработки и применения параметрических антенн в устройствах активной локации, делают очевидным факт эффективности использования параметрических излучающих систем не только в "традиционном" параметрическом режиме доследованию которого посвящено подавляющее количество работ [i], но и в режиме излучения широкополосных модулированных сигналов, который может применяться для увеличения дальности действия гидроакустических систем,повышения их разрешающей способности по дальности, а также при классификации отражающих объектов по частотной зависимости коэффициента отражения и др.

Следует,однако,иметь в виду,что параметрические антенны,обладая целым набором уникальных свойств,имеют и определенные характерные особенности,среди которых в первую очередь хочется отметить специфическую амплитудно-частотную характеристику и наличие достаточно протяженной зоны перед преобразователем,в пределах которой происходит нелинейное взаимодействие сигналов накач-ки.Зона взаимодействия является частью параметрической антенны и для низкочастотных параметрических антенн её протяженность может достигать значений,превышающих расстояние до лоцируемых объектов. Очевидно,что вопросы разработки параметрических антенн для гидролокационных систем,использующих режим излучения модулированных сигналов разностной частоты,не могут решаться без учета влиятия амплитудно-частотных и пространственных характеристик на процесс генерации сигнала.

Достоинства и особенности параметрических излучающих антенн способствовали появлению большого количества исследований теоретического и экспериментального характера и публикаций по результатам этих исследований. Несмотря на это,сведения об исследованиях и разработке параметрических гидролокационных систем,использующих режим излучения модулированных сигналов разностной частоты носят,как правило,отрывочный,односторонний, а иногда и противоречивый характер.

Учитывая актуальность вопроса исследования режима излучения параметрической антенной модулированных сигналов разностной частоты и важность решаемой задачи автором диссертационной работы была поставлена цель исследовать характеристики параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты и разработать параметрический гидролокатор,использующий широкополосный режим излучения.

Диссертация состоит из шести разделов, списка цитируемой литературы и приложения.

Во втором разделе диссертационной работы представлен обзор публикаций,посвященных проблемам исследования процессов нелинейного взаимодействия широкополосных сигналов и характеристик параметрических антенн, а также публикаций,касающихся вопросов разработки и использования гидролокаторов,использующих широкополосный режим излучения. На основании выполненного обзора сформулированы задачи диссертационной работы,необходимые для решения поставлени нои цели.

В третьем разделе проводится теоретическое исследование особенностей работы параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты. На основании решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова для сигнала накачки с произвольным законом модуляции сигнала накачки рассматриваетсярежим излучения сигнала разностной частоты с амплитудной и утло-вой модуляцией. Проведен анализ полученных выражений,на основе которых затем производится исследование работы параметрической антенны в режиме излучения конкретных видов амплитудной и частотной модуляции,а также амплитудной,частотной и фазовой манипуляции. Для кавдого вида манипуляции или модуляции рассматриваются различные методы формирования сигнала накачки,исследуются вопросы частотных искажений спектра сигнала разностной частоты и зависимости от вариации параметров сигнала и пространственных характеристик параметрической антенны,Приведены выражения,пригодные для расчета спектральных,энергетических или временных характеристик рассматриваемых типов сигнала.Уделяется внимание вопросам оптимизации выбора параметров сигнала накачки.

С целью подтверждения полученных теоретических результатов проведена серия экспериментов.

Результаты экспериментальных исследований приводятся в четвертом разделе работы,Здесь же рассматривается структурная схема экспериментальной установки,принцип её работы и методика проведения экспериментальных исследований.Исследования проводились для различных сигналов разностной частоты,при различных методах их формирования^ варьированием параметров сигналов в широких пределах. Основное внимание уделялось исследованию влияния особенностей характеристик параметрической антенны на спектр широкополосных модулированных сигналов разностной частоты.

Экспериментальные исследованиям анализ и сравнение с результатами теории показали правомерность применения рассмотренной теоретической модели для расчета характеристик параметрической антенны в режиме излучения широкополосных модулированных сигналов разностной частоты.

В пятом разделе рассматриваются вопросы разработки и исследования широкополосного параметрического гидролокатора многофункционального назначения 1JTJI-5M.lipоизводигея выбор базового варианта для построения на его основе требуемого устройства.Приводится структурная схема и описание принципа действия гидролокатора, его основные технические характеристики и результаты исследования излучающего тракта в традиционном параметрическом и широкополосном режимах работы.

Б шестом разделе сформулированы основные результаты выполненных исследований и выводы по работе,демонстрирующие целесообразность применения широкополосного режима в гидролокации.

В диссертации защищаются основные научные положения- полученные теоретически и подтвержденные экспериментально зависимости параметров модулированного сигнала разностной частоты от формы сигнала накачки,расстояния от излучателя и угла наблюдения;- аналитические выражения для расчета параметров сигнала разностной частоты с амплитудной,частотной и фазовой модуляцией и манипуляцией;- режимы формирования сигнала накачки для генерации параметрической антенной модулированного сигнала разностной частоты с требуемыми параметрами;- внедрение в разработанный широкополосный параметрический гидролокатор ПГЛ-ЬМ режимов противофазной частотной модуляции компонент сигнала накачки и работы на участках спада амплитудно-частотной характеристики исходного преобразователя для достижения высокой широкополосноети линейно-часготно-модулированных сигналов разностной частоты и частичного подавления паразитной амплитудной модуляции.

В приложении представлена справка о внедрении результатов работы.

Приводится список литературы,содержащий 63 наименования.г. ОБЗОР ШэЛИКАЩИ, ШСВШдЕННШ. ИСОВДОВАНИШПРОЦЕССОВ НШНШНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШРОКОШДОСНШ. СИГНАЛОВ И МРАКГЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕННГидроакустическая аппаратура является одним из основных источников информации о подводном мире. Все возрастающие требования, предъявляемые к параметрам гидроакустических средств, заставляют совершенствовать уже имеющуюся гидроакустическую аппара- *разрабатывать новые ее типы, искать новые принципы создания гидроакустических приборов.

Одним из важных направлений повышения эффективности использования гидроакустических средств является повышение разрешающей способности и точности определения координат, совершенствование и разработка систем классификации подводных объектов, увеличение дальности действия. Успешное решение этих проблем возможно осуществить с помощью применения широкополосных сигналов 1сложных сигналов). Однако, "традиционные" методы излучения акустических сигналов существенно ограничивают полное использование локационных или информационных возможностей применяемых сигналов и методов их обработки.

Одним из наиболее важных направлений развития нелинейной акустики является разработка теории параметрических излучающих антенн и разработка гидроакустической аппаратуры с их использованием. Параметрические антенны, обладая рядом уникальных свойств, позволяют, используя широкополосные и сверхширокополосные сигналы, решать круг задач, которые пока невозможно решить с помощью применения "традиционных" линейных излучающих систем [i].

Впервые теоретическая модель параметрического излучателя была предложена Вестервельгом. Кроме того, идея создания параметрических излучающих систем была высказана советскими исследователяb], O.B. Руденко и С.И. Coll]. Следует сказать, чтоми В.А. Зверевым и А.И. Калачевым. Исследования основных свойств нелинейных эффектов и параметрических излучающих систем проводились у нас в стране, в США, Англии, Франции, Дании, Норвегии, Японии и т.д. Многочисленные результаты теоретических и экспериментальных исследований обобщены в работах Б.К. Новикова, U.B. Руденко, В.И. Тимошенко [i], Л.К. Зарембо и В.А. Красильникова [б], Г.А. Остроумова [?], К,А. Наугольных луяна [э], Р. Бейера [ю] Н. Хобека теоретические и экспериментальные исследования носили глубокий, разносторонний характер. В работе М.С. Рыбачека £lki] произведен обзор работ, посвященных методам расчета характеристик параметрических излучателей звука, приводятся методика расчета и результаты экспериментального исследования измерительных параметрических акустических излучателей типа НАН • Вопросам разработки аппаратуры на основе эффекта нелинейного взаимодействия посвящены работы В.А. Воронина [хз] и С.Д. Тарасова [Х4]. Своеобразный итог определенному этапу развития теоретических и экспериментальных исследований, а также вопросов разработки и применения различных гидроакустических устройств, разработанных на принципе нелинейных явлений, подводит монография Б.К. Новикова, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко [l].

Несмотря на гот факт, что количество публикаций, имеющих отношение к вопросам разработки, исследования, применения или теории параметрических излучателей, исчисляется уже сотнями [i], исследование вопросов нелинейного взаимодействия широкополосных сигналов и работы параметрических антенн в режиме широкополосного излучения носит пока весьма скромный характер.

К одной из первых работ, рассматривающих режим модулированного излучения разностной частоты с помощью параметрической антенны, можно отнести работу [lb], в которой авторы рассматривают экспериментальные исследования работы параметрической антенны в режиме излучения амплитудно-модулированного по гармоническому закону сигнала разностной частоты,В раооте [la] приводятся данные экспериментального исследования частотно-модулированных по гармоническому закону сигналов разностной частоты. Обе эти работы не затрагивают вопросов расчета характеристик сигнала разностной частоты и влияния пространственных характеристик параметрической антенны на его формирование.

Большие успехи в решении вопросов взаимодействия волн конечной амплитуды и теории параметрических излучателей достигнуты советскими учеными. Академиком Р.В.1охловым и его учениками предложен новый подход в решении задач нелинейной акустики. Решения уравнения Аохлова-Заболотской-Кузнецова [l] для взаимодействия звуковых пучков позволяют описывать динамику формирования поля разностной частоты с учетом всех основных факторов и параметров, влияющих на работу параметрических антенн. На основе этого метода Б.К.Новиковым в работах [l6,I7] проведен теоретический анализ осооенностей генерации сигнала разностной частоты при произвольной форме огибающей сигнала накачки. Эта работа послужила началом разработки методов расчета сигнала разностной частоты при конкретных видах модуляции.

В зарубежной литературе также имеется незначительное число публикаций, посвященных вопросам теории, исследования и разработки параметрических излучателей широкополосных сигналов и исследованию нелинейного взаимодействия сигналов со сложным спектральным составом££Н ].

Б работе [itij приводятся результаты экспериментального исследования взаимодействия периодического сигнала конечной амплитуды, распространяющегося по трубе, с шумом. Ширина полосы шумовых сигналов составляла 1+3 октавы с центром в области и,7+1,^ кГц.Уровень источника сигнала лежал в диапазоне 140*151 дБ. Использовалась вычислительная процедура, основанная на решении Эрншоу, в которой было учтено поглощение на стенках трубы.вии достаточно узкополосного шума (полоса 1*10 кГц) с сигналом конечной амплитуды в воде. Приводится методика расчета взаимодействия изотропного щума с направленным высокочастотным излучением в рамках теории Бестервельта.

Экспериментальные и теоретические работы в этом направленииуказанные исследования Д.А. Вебстера, Д.Т. Блэкстока, Т.К. Стзн-Тона, F.T. Бейера, Б.А. Красильникова, О.Б. Руденко, А.С. Чиркина относятся к области исследования нелинейных взаимодействий с целью применения их в параметрических приемных системах, авиационной акустике и т.д.

Б области исследования работы параметрической антенны в режиме излучения широкополосных сигналов существует ряд публикаций, описывающих результаты разработки, исследования и испытания конкретных устройств, как правило гидролокаторов, использующих в одном из режимов широкополосные виды сигналов.

Сотрудниками Бирмингемского университета разработан сканирую,ощий параметрический гидролокатор, у которого узкая {.1 ) диаграмма направленности поворачивается в пространстве с одновременным сканированием по частоте. Нижняя граничная частота сигнала равна 135 кГц, девиация частоты равна 60 кГц, частоты накачки - в области 400 кГц, акустическая мощность - 720 ВтБ работе Мюира Т.Дж. [23] проводится исследование в рамках модели Бестервельта вопроса о генерации сигнала разностной частоты при излучении сигнала накачки с произвольным законом огибающей. Полученное соотношение рассматривается применительно к случаюБ работе авторами рассматривается вопрос о взаимодейстпроводятся и у нас в стране. К ним можно отнестиОднакосамодемодуляции импульса накачки. Там же упоминается о принципиальной возможности излучения сложных сигналов параметрической антенной и проводится общее для теории сигналов соотношение выигрыша в помехоустойчивости при переходе параметрической системы из "традиционного" режима в широкополосный.

В работе [24] приводится описание параметрического гидролокатора с частотно-модулированными сигналами,предназначенного для прецизионного профилирования дна и батиметрических исследований с высокой разрешающей способностью. Широкополосность антенны позволяет увеличивать помехоустойчивость за счет корреляционной обработки используемых сложных сигналов.

Сотрудниками университета Тронхейна разработан макет эхолота для исследования донных отложений [25]. С целью повышения разрешающей способности излучались или короткие радиоимпульсы, или длинные фазоманипулированные сигналы.В приемном тракте про-изводиласть корреляционная обработка.

Большая теоретическая и экспериментальная работа проделана сотрудниками кафедры электрогидроакустики и ультразвуковой техники Таганрогского радиотехнического института им.В,Д.Калмыкова под руководством доктора технических наук, профессора В.И.Тимошенко. В работах [i, 12, 17, 26*33, 52*60 ] часть которых проведена с участием автора, описываются результаты экспериментального исследования работы параметрической антенны в режиме излучения широкополосных сигналов и для некоторых конкретных типов сигналов приводятся модели расчета,основанные на решении уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова в рамках квазиоптического приближения.Указывается на необходимость учета влияния особенностей пространственных характеристик параметрической антенны на искажение спектра сигнала разностной частоты.

Проведенный обзор публикаций,посвященных исследованию нелинейного взаимодействия широкополосных сигналов и работы параметрической антенны в режиме их излучения, а также использованию этого явления в гидролокации при разработке новых типов устройств и систем, позволяет сделать определенные выводы.

Повышенный интерес к проблеме построения гидроакустических систем привел к появлению большого числа публикаций,в которых содержатся различного характера сведения о режимах работы параметрических антенн,конструкциях преобразователей накачки,исследуются фазовые,амплитудные,частотные и пространственные характеристики, предпринимаются попытки оптимизации построения параметрических излучающих антенн для решения тех или иных задач,проводятся работы по увеличению эффективности нелинейного пре образ ования£64,62].

Успехи,достигнутые радиолокацией и гидроакустикой в области применения широкополосных и сложных сигналов для повышения эффективности использования систем обнаружения,локации и связи, а также бурное развитие цифровых методов обработки информации делает весьма актуальной проблему использования параметрических излучающих систем в качестве излучающих трактов гидролокаторов.Благодаря уникальным свойствам характеристик параметрических антенн целесообразно их применение в качестве излучающих трактов широкополосных гидроакустических систем.

Однако,несмотря на актуальность вопроса и целесообразность проведения в этом направлении исследований,работ,всесторонне и глубоко рассматривающих работу параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты, довольно мало.Они,как правило,носят отрывочный,прикладной характер, либо односторонне касаются центральных вопросов стоящей проблемы. При таком состоянии проблемы оказывается невозможным проводить поиск в направлении оптимизации выбора режима параметрической антенны, вида модуляции,методов формирования сигнала накачки с целью обеспечения использования преимуществ широкополосного режима излучения для решения тех или иных задач прикладного характера.

Учитывая актуальность создания широкополосных низкочастотных направленных излучающих вист ем и антенн, перспективы ость использования принципов нелинейной гидроакустики для решения этой задачи, целью диссертации является исследование работы параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разност-. ной частоты и разработка параметрического гидролокатора,использующего широкополосный режим излучения.

Исходя из поставленной цели можно сформулировать следующие задачи диссертационной работы:- на основании решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузне-цова провести анализ работы параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты;- теоретически и экспериментально исследовать работу параметрической антенны в режиме излучения сигналов разностной частоты с амплитудной модуляцией;- теоретически и экспериментально исследовать характеристики параметрической антенны в режиме излучения сигналов разностной частоты с угловой модуляцией;- теоретически и экспериментально исследовать параметрическую антенну в режиме излучения сложных сигналов разностной частоты;- разработать установку и методику.экспериментального исследования параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты;-экспериментально исследовать влияние пространственных характеристик параметрической антенны на спектр генерируемого ею сигнала;-разработать широкополосный параметрический гидролокатор и исследовать его излучающий тракт в режиме излучения широкополосных сигналов.

3. ПАРАМЕТРИЧЕС1САЯ АНТЕННА В РЕМЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ3,1.Постановка задачи о взаимодействии сигналов со сложным спектральным составом в параметрической антеннеКак указывалось в предыдущей главе,исследование параметрических антенн проводилось рядом авторов. Как правило, объектами их исследования были характеристики параметрической антенны или отдельные виды сигналов,излучаемых параметрической антенной.Причем исследование излучения параметрической антенной некоторых типов модулированных сигналов проведено,в основном,экспериментально.

Несмотря на разнообразие методов формирования сигнала накачки, граничное условие для звукового давления на поверхности излучателя всегда можно представить в виде. -Цг -Ч*где р(£=0,С) звуковое давление на поверхности преобразователянакачки;A^^ife) - сигнал накачки частоты со своей амплитудой, законом модуляции и несущей частотой; £ - координата распространения; % - время;1 - поперечная координата (в цилиндрической системе);J (X) - распределение амплитуды звукового давления по поверхности преобразователя. Очевидно,что и сигнал разностной частоты,формируемый параметрической антенной,будет иметь в общем случае сложный спектральный состав.

В таком случае можно говорить об излучении сигнала разностной частоты со сложным спектральным составом параметрической антенной посредством взаимодействия в нелинейной среде нескольких сигналов накачки со сложными спектральными составами.Одним из наиболее универсальных методов расчета поля волны разностной частоты,генерируемой параметрической антенной,является решение уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова [i], описывающее распространение ограниченных звуковых пучков в нелинейной диссипативной среде. При этом учитывается влияние нелинейности,дифракционной расходимости пучка и диссипации. Решая его для случая нелинейного взаимодействия нескольких сигналов со сложным спектральным составом, рассмотрим вопрос об излучении модулированных сигналов разностной частоты.

В дальней зоне выражение (3.7) можно преобразовать к видуФ(й,г,гугда 8: = ikt}9<;к t Pi «вопи Jdj1*В(П) у(3.9)В " t/z Угол наблюдения; к- волновое число сигнала накачки;т-% безразмерное соотношение, характеризующее режим работы параметрической антенны [i]. Для предельных значений параметра В(С1)« I решение (3.9) принимает видФ(П,Е,г)" |iШсо 7(3.10)В этом случае спектр сигнала разностной частоты в дальней зоне параметрической антенны зависит от угла наблюдения. На оси (вй') амплитуды спектральных составляющих сигнала разностной частоты пропорциональны Л2. Для В>ч>1 спектр сигнала разностной частоты пропорционален Л.

Таким образом, дутем решения уравнения 1охлова-Заболотской-Кузнецова возможно рассчитать (в рамках указанных приближений) различные режимы работы параметрической антенны при сложных законах модуляции волн накачки.

Следует,однако,отметить,что метод последовательных приближений, с помощью которого производилось решение уравнения (3.2), применим только при слабых волнах накачки (до образования ударного фронта), Существует метод усреднении [i 17],позволяющий проводить решение (3.2) и после образования разрывов (при любых числах Рейнольдса), однако в области образования разрывов происходит "ограничение" огибающей сигнала накачки,что приводит к искажению сигнала разностной частоты и к снижению энергетических показателей параметрической антенны.В связи с этим в области больших чисел Рейнольдса работа параметрической антенны в ракше излучения модулированных сигналов разностной частоты малоэффективна и в дальнейшем не рассматривается.

3.3.Режим излучения амплитудно-модулированных сигналов накачкиКак известно из теории передачи информации [34], монохроматические (смодулированные) сигналы имеют информационную емкость, близкую к 0. При амплитудной модуляции (манипуляции) информационная емкость передачи дискретных сообщенийс = Af (3.12)где - полоса частот,.занимаемая модулированным сигналом. Из (3.12) видно,что для повышения информационной емкости сообщений следует использовать широкополосные сигналы.Рассмотрим работу параметрической антенны в режиме излучения широкополосных амплитудно-модулированных сигналов разностной частоты.

3.3.2. Рассмотрим простейший случай К={ /4, излучения смодулированных колебаний. Для квадрата огибающей имеемсогласно (3.16)Аг(Х) = ZAz010+ cosaz). (3.17)В ближней зоне параметрической антенны на оси будем иметьMMli-expifJ]. ладВ дальней зоне параметрической антенны на оси будем иметьiAl аг0.Чъ п ?(г'гу 8j>0Cfr тйг'Выражения (3.18) и (3.19) полностью совпадают с решением уравнения (3.2) для случая излучения сигнала накачки в виде биений двух синусоидальных колебаний с разными, но близкими частотами 6, 12J, что показывает адекватность принятой нами модели расчета характеристик параметрической антенны для сложных сигналов.

3.3.5,Своеобразным,но в то же время неоспоримым подтверждением прямой зависимости спектрального состава сигнала разностной частоты от спектрального состава квадрата огибающей накачки,а не от спектрального состава самого сигнала накачки.является случайк*** At(x):(l + mcosnM с); • mcosC\Mt).

Несмотря на то,что амплитудный спектр сигнала накачки имеет такой же вид, как и в случае,рассмотренном в пункте 3,3.4,, квадрат огибающей сигнала накачки согласно выражению (3.16) можно представить какAB(t) = Az0 {(f + mcosflM0£f (У-mco$flwt)2 ++ 2(1 - mzco$2flMz) cos Пг) = = 2A* {(<+mWfl 't) + (4 - mz co$2flMz) cos fit}.

Рпик fm)to ---0 Otf Of 0/5 (0Рис.ЗЛ. Зависимость пик-фактора сигнала накачки от коэффициента модуляции при синфазной модуляции (кривая I), при модуляции одной компоненты сигнала накачки (кривая 2) и отношение пиковых давлений сигналов разностной частоты в этих случаях при одинаковом пиковом давлении сигнала накачки (кривая 3).

В области П для квадрата огибающей накачки имеет место соотношениеАгЮ--(-^)Агв (1+jjf ей 2 Л Mi) cos fit.

Рассмотрение случаев более сложных по спектральному составу широкополосных сигналов разностной частоты,излучаемых параметрической антенной,можно продолжить для случаев многокомпонентной модуляции и модуляции каждой составляющей сигнала накачки с различной глубиной и частотами.Имеется общее выражение (3.16),с помощью которого несложно проводить соответствующие расчеты.Однако при амплитудной модуляции пик-фактор [34] сигнала накачки существенно больше единицы,а при сложных законах модуляции,как правило, еще больше,что делает применение более сложных режимов работы параметрической антенны энергетически неоправданным.

3.4. Режим излучения сигнала накачки сКак было отмечено в предыдущем пункте,пик-фактор сигнала накачки при излучении амплитудно-модулированных сигналов разностной частоты составляет величину порядка 1,6 и более.Применение режима излучения частотно-модулированных сигналов позволяет снизить пик-фактор до 1,42. Кроме того,паразитная псевдо-фазовая модуляция сигнала разностной частоты при излучении параметрической антенной амплитудао-модулированного колебания препятствует увеличению информационной емкости сигнала при передаче сообщений.Применение частотно-модулированных колебаний позволяет не только увеличить информационную емкость сигнала за счет увеличения полосы частот, но и получить при излучении более высокий коэффициент использования мощности выходного каскада излучающего тракта,а при приеме -выигрыш в ослаблении помех по сравнению с ашлитуцно-модужрован-ным сигналом, составляющий [Зб]угловой модуляцией(3.32)где fep - среднеквадратичное значение относительного действия помехи; <$" - девиация частоты; Fmax максимальная частота модуляции. Как отмечалось в работе [35], излучение частотно-модулированного сигнала накачки не приводит к генерации волны разностной частоты параметрической антенной.При излучении же сигнала накачки в виде опорного монохроматического колебания в сумме с частотно-модулированным при определенных условиях [I] генерация волны разностной частоты в виде частотно-модулированного колебания имеет место.

3.4.I.Рассмотрим в начале общий случай излучения сигнала накачки в виде двух колебаний с угловой модуляцией.р(г = о,t) = A4cos[(ott + %(г)]+Агт[сс>гъ+Щг)], (3.3з)ГД0 р(2sOft) - звуковое давление на поверхности преобразователя;- амплитуда волны с частотой Оп ; 9}j(t) - закон модуляции фазы сигнала частоты 60^. При рассмотрении будем исходить из уже упомянутого предположения, что сигнал накачки является достаточно узкополосным, т.е.

В таком случае (3.33) удобнее представить в видеp(i-o,t)-Af [cosa,v- cosyCz) - sincofas'uiVi(t)+ + f[cos«2t • cosset) - sin q2t-3LnVe( t)]}, o-34'гдеК--А.

В соответствие с этим рассмотрим несколько режимов работы параметрической антенны при излучении сигналов накачки с угловой модуляцией.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подробные выводы по результатам выполненных исследований приведены в конце каждого раздела диссертации.Подводя общий итог диссертационной работы,можно сделать следующие основные выводы и заключения:

- проведено исследование работы параметрической антенны в режиме излучения широкополосных и сложных сигналов и разработан параметрический гидролокатор,использующий режим излучения широкополосных сигналов;

-решена задача излучения параметрической антенной широкополосных сигналов; получены выражения для формы сигнала разностной часt> о тоты и его спектра при излучении параметрической антенной сигнала накачки в виде суммы двух модулированных сигналов с произвольными законами амплитудной или угловой модуляции; рассмотрены различные варианты методов формирования сигналов накачки для получения сигнала разностной частоты с указанными видами модуляции; отмечено влияние особенностей амплитудно-частотной характеристики параметрической антенны на характер и степень искажения спектра сигнала разностной частоты: для амплитудно-модулированных сигналов разностной частоты характерна паразитная псевдо-чразовая модуляция, носящая,как правило, квадратичный характер в зависимости от величины разностной частоты в дальней зоне и лшейный характер в ближней зоне параметрической антенны, степень которой увеличивается с ростом относительной ширины спектра сигнала; при излучении частотно-модулированных сигналов накачки в ЧМ сигнале разностной частоты возникает паразитная амплитудная модуляция,носящая такой же характер в зависимости от величины разностной частоты,что и паразитная псевдо-фазовая модуляция при амплитудно-модулированных сигналах; для манипулированных сигналов разностной частоты характерно наличие "выбросов" в моменты манипуляции,амплитуда которых зависит от полосы пропускания излучающей системы и скорости нарастания (спада) фронтов;

- разработана экспериментальная установка и методика исследования параметрической антенны в режиме излучения широкополосных и сложных сигналов;

- теоретически и экспериментально исследована работа параметрической антенны в режиме излучения амплитудно-модулирован-ных сигналов разностной частоты; экспериментальные исследования подтвердили обоснованность теоретических утверждений и позволили установить основные закономерности режима излучения параметрической антенной амплитудно-модулированных сигналов разностной частоты: сохранение параметров модуляции при оптимальном выборе о о режима излучения сигнала накачки, низким уровень нелинейных искажений сигнала, наличие и влияние паразитной псевдо-фазовой модуляции; теоретически и экспериментально исследована работа параметрической антенны в режиме излучения частотно-модулированных сигналов; экспериментальные исследования подтверждают теоретические утверждения и позволяют установить основные закономерности режима излучения параметрической.антенной частотно-модулированных сигналов разностной частоты; сохранение параметров модуляции при оптимальном выборе режима излучения сигнала накачки, отсутствие нелинейных искажений, наличие и влияние паразитной амплитудной модуляции; теоретически и экспериментально исследована работа параметрической антенны в режиме излучения сложных сигналов: линейно-част отно-модулированных, квадратично-частотно-модулированных и, теоретически, гиперболически-частотно-модулированных; отмечены условия оптимизации параметров сигналов для обеспечения возможности их согласованной фильтрации; экспериментальные исследования подтверждают теоретические зависимости энергетических соотношений в спектре сигнала разностной частоты,обусловленные влиянием паразитной амплитудной модуляции;

- экспериментальное исследование влияния пространственных характеристик на спектр генерируемого ею сигнала разностной частоты подтверждает полученные теоретические закономерности и позволяет сделать обобщающие выводы: в большинстве реальных параметрических излучающих систем зависимость искажений спектра сигнала разностной частоты в ближней и дальней зоне параметрической антенны различная,в ближней зоне на оси спектр претерпевает линейное искажение в зависимости от величины разностной частоты,плавно переходящее в близкое к квадратичному при увеличении угла наблюдения ш перемещении по оси параметрической антенны по направлению к дальней зоне,в дальней зоне характер искажения спектра сигнала разностной частоты от угла практически не зависит и имеет частотную зависимость,близкую к квадратичной;

- на основании проведенных исследований разработан широкополосный параметрический гидролокатор многофункционального назначения ПГЛ-5М; исследованы основные характеристики используемых в нем параметрических антенн в "традиционном" параметрическом режиме и в режиме излучения широкополосных сигналов;

- результаты проведенных исследований внедрены в научно-исследовательскую работу предприятия п/я Г-4897 с экономическим эффектом 12,84 тыс.руб.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Владимиру Ивановичу Тимошенко за руководство и постоянное внимание и помощь в работе, научному консультанту кандидату физико-математических наук Борису Константиновичу Новикову за помощь в решении поставленных задач, а также сотрудникам кафедры электрогидроакустики и ультразвуковой техники Таганрогского радиотехнического института им.В.Д.Калмыкова за помощь в изготовлении приборов и проведении исследований и экспериментов.

1.Новиков Б.К., Руденко 0.В.,Тимошенко В.И.Нелинейная гидроакустика.Л., Судостроение, 1981.2.3арайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л., Военно-морская имени орденов Ленина и Ушакова Академия, 1975.

2. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М., Сов.радио,1970.

3. Westervelt Р.З. Parametric End-Fire Array,-1 Acoust. Soc. Amer., I960,32, p. 934.

4. Westervett P. J. Parametric Acoustic Array, 1 Acoust. Soc. Amer., 1963,35, p 535 -537.б.Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М., Наука, 1966.

5. Остроумов Г.А. Основы нелинейной акустики. Л.,ЛГУ,1967.

6. Наугольных К.А.Поглощение волн конечной амплитуды.В кн. Мощные ультразвуковые поля.Под ред.Розенберга Л.Д.,М.,Наука, 1968.

7. Руденко О.В.,Солуян С.И.Теоретические основы нелинейной акустики.М.,Наука,1975.

8. Рыбачек M.С.Исследование взаимодействия акустических волн и разработка параметрического излучателя звука.-Авторефер. дисс.на соискание ученой степени канд.техн.наук, ЛЭТИ, 1978.

9. Воронин В.А. Исследование,разработка и внедрение нелинейного параметрического приемно-излучающего комплекса. Авто-реф.дисс.на соискание ученой степени канд.техн. наук, ЛЭТИ,1980.

10. Тарасов С.П.Исследование и разработка параметрических антенн для гидролокации с учетом влияния плоских отражающих границ. Автореф.дисс.на соискание ученой степени канд.техн.наук, ЛЭТИ.1982.

11. Данченко П.В,,Тимошенко В.И. 0 возможности преобразования спектра гидроакустического сигнала за счет нелинейного взаимодействия колебаний в жидкости. В кн.Прикладная акустика.Вып.1,1. Таганрог,1968, с.39-44.

12. Новиков Б.К. Взаимодействие акустических волн и теория параметрических излучателей ультразвука. Автореф.дисс. на соискание ученой степени канд.физ.-мат.наук,МГУ,1976.

13. Исследование возмолшости создания устройств для гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры на основе эффекта нелинейного взаимодействия.Отчет по НИР II3II0 (промежуточный), №77004125, ТРТИ,Тимошенко В.И. ,Гурский В.В. и др.,Таганрог,ТРТИ,том.1,1978.

14. D. A. WeSster, Т. Btachtock. СоШпеаг interaction of noise with a finite- amplitude tone lAooust.

15. Society America, /973,vol. 63, W3, pp. 687- 633.i9 .Stanton Т.К. Beyer R.T, The interaction of soundwith noise in water. J. Acoust Soc. Amer,/573, v,64, M9pp. 1667 4670.

16. Красильников B.A. ,Руденко O.B. ,Чиркин А.С.Поглощение слабого звукового сигнала,вызванное взаимодействием с шумом.

17. Акустический журнал,21,с.80-81,1975.

18. Руденко О.В.,Чиркин А.С. Теория нелинейного взаимодействия монохроматических и шумовых волн в слабо диспергирующей среде, ЖЭТФ,40,с.945-949,1975

19. University of BirmLnaham, Department of

20. Electronic and ШсЫса1 cnainerlno, Memorandum fi 20?, 196k, p. 82.

21. Pettersen P., Hovem 1M., Lovik AKnudsenT.

22. A new suS- Soiiom profiling sonar using a nonlinear sound source.- Radio and £Eeetron. Eng., 1975, v.W, p. 105-Hi.

23. Исследование возможности создания устройств для гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры на основе эффекта нелинейного взаимодействия. Отчет по НИР II3II0 )ЕБ-634062,ТРТИ, Тимошенко В.И.,Гурский В.В. и др. Таганрог,ТРТИ,1977,том I и П.

24. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Учебное пособие.ч.1.Таганрог, ТРТИ,1978.

25. Новиков Б.К.,Рыбачек М.С.,Тимошенко В.И. Амплитудные и пространственные характеристики параметрических излучателей. -В кн.-Прикладная акустика.Вып.У1, Таганрог, 1976, с.31-43.

26. Новиков Б.К. Некоторые вопросы оптимизации параметрических излучателей звука. В кн. Прикладная акустика ,вып.У1, Таганрог, ТРТИ,1978, с.17-23.

27. Исследование возможности создания устройств для гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры на основе эффекта нелинейного взаимодействия. 0тчет по НИР II3II0, 1Ш-713105,ТРТИ, Тимошенко В.И,,Гурский В.В. и др., Таганрсг>Е978.

28. Арсланов М.З., Рябков В.Ф, Радиоприемные устройства,М., Сов.радио,1972.

29. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении.Л., Судостроение, 1982.

30. Блинова ЛЛ., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М.,Изд.стандартов,1971.

31. ЗЭ.Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения.М. ,пер.с англ., Мир,1974.

32. Воллернер Н.Ф. Аппаратурный спектральный анализ сигналов, М.,Сов. радио, I977-.

33. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. I.,Энергия, 1978.

34. Бродский А.Д.Дан В.Л. Краткий справочник по математической обработке результатов измерений.М.,Стандартгиз, I960.

35. Гурский В.В., Тарасов С.П. Экспериментальные исследования нелинейного взаимодействия сигналов со сложным спектрсм. В кн. Прикладная акустика. Вып.У1,ТРТИ,Таганрог,1978.

36. Шахгилъдян В.В. ,Ляховкин А.А.Фазовая автоподстройка час-тоты.М., "Связь",1966.

37. Рыбачек М.С. Новые направления практического использования параметрических излучателей в рыбопоисковой технике. В кн. Акустические методы исследования океана.Л.,Судостроение, 1981, с.20-26.

38. Гренчихин В.А.,Гринберг И.Э, Селин Е.П., Рыбачек М.С. Практическое применение явления самодетектирования акустического импульса в рыбопоисковой технике. В кн.Акустические методы исследования океана. Вып.353, Л., Судостроение, 1981, с.43-48.

39. Рыжов В.П. Использование одноканального Фурье-преобразования для спектрального анализа случайных процессов.Изв.вузов, "Радиоэлектроника", №3, 1972.

40. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М. ,Физматгиз, 1962.

41. Гурский В.В. Исследование излучения широкополосных сигналов параметрическим излучателем. В кн. Акустические методыисследования океана, вып.353, Л., Судостроение, 1981, с.49-53.

42. Гривцов В.В., Гурский В.В., Дорошко А.В., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Исследова?ше параметрических излучателей в устройствах активной локации.Труды УТ н.т. конференции по информационной акустике, М., Акустический институт АН СССР,I981,с.23-28.

43. Гончаренко В.Р. ,Еловенко В.А.,Гурский В.В. ,Котляров В.В. Экспериментальные исследования модели параметрического гидролокатора в лабораторных условиях. В кн. Акустические методы исследования океана, Л., Судостроение, 1981, с.27-34.

44. Воронин В.А.,Гурский В.В., Тарасов С.Hi,Тимошенко В.И. Использование параметрического локатора для поиска подводных объектов,находящихся под слоем грунта. В кн. Акустические методы исследования океана. Л., Судостроение, 1980, с.5-12.

45. Гурский В.В.-,Тарасов С.П. Излучение широкополосных сигналов параметрическим излучателем. В кн. Акустические методы исследования океана. Л., Судостроение, 1979. с.94-98.

46. Воронин В.А., Гурский В.В. ,Котляров В.В. Дарасов С.П., Тимошенко В.И. Использование параметрических приборов в морской геологии. В кн. Акустические методы исследования океана. Л., Судостроение, 1979, с.79-85.

47. Кабаков Л.С., Сидько В.М., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Параметрический локатор для работы на мелководье. В кн. Акустические методы исследования океана. Л., Судостроение, 1981,с.354.

48. Гривцов В.В.,Тарасов О.Л. ,Лосикун А. Д. Некоторые результаты испытаний параметрического гидролокатора. В кн. Прикладная акустика, вып.УИ, Таганрог, 1979, с.31-40.

49. Ивлиев С.В. Применение параметрических антенн в гидроакустике., Судостроение за рубежом, 6(2Ю),19В4,с. 238-244.

50. Singh at , Zornig .: С. /Sinthesis of arSitaru broad band signals for q parametric Qrrau, J.A.SA, 1982, v. 72,№1,

51. Руководитель работы, ь ^ /J завкафедрой УГАиУЗТ, Д ) д.т.н., профессор

52. Работа внедрена на предприятиинаучно-исследовательской работы от 3U.I2.T980r.номер и дата акта или другого документа, подтверждающего акт внедрения)

53. Результат внедрения: (рекомендации, метод, методика, программа, установка для испытаний, серийный, опытный или макетный образцы, эскизный, технический или рабочий проект)

54. Достигнутые технические результаты (преимущества)

55. Фактическое^ использование результатов работы начато с 19ЬЦ г.экономический эффект 12,84тыс. руб.

56. V Начальник планового отдела1. Ч: ч //или гл. бухгалтер)19 81 г.п. ТРТИ. Зак. № 542. Тир. 500 экз. 1983 г.