Акустическая антенная решетка с электронным управлением

Н.П. Красненко, А.С. Раков, Д.С. Раков, Д.А. Шендрик. Акустическая антенная решетка
53
УДК 534.2
Н.П. Красненко, А.С. Раков, Д.С. Раков, Д.А. Шендрик
Акустическая антенная решетка с электронным управлением
лучом диаграммы направленности
Рассмотрена мощная акустическая антенная решетка с электронным управлением лучом диаграммы направленности. Приводятся eё характеристики. Описан принцип работы устройства.
Приведены результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: антенная решетка, диаграмма направленности, управление лучом, звуковое
давление, дальность действия, звуковое вещание.
Рассмотренные в предыдущих работах разработанные мощные акустические антенные решетки
для звуковой связи в атмосфере [1,2] имеют один существенный недостаток. А именно то, что
направлять данные устройства на цель наведения приходится за счет поворота антенной решетки в
ручном режиме. Для ликвидации этого недостатка был предложен вариант электронного управления
лучом диаграммы направленности. В качестве опытного макета для реализации данной идеи была
использована модель излучающей системы АИ-40, которая состоит из 40 электроакустических излучателей с индивидуальными усилителями. В качестве системы управления было написано специальное программное обеспечение для ПК, а также использованы следующие электронные модули:
отладочная плата AD5380 Evaluation Board и отладочная плата Altera Cyclone II FPGA Starter
Development Kit.
Общие сведения об управлении лучом диаграммы направленности антенной решетки.
Принцип работы фазированной антенной решетки с электронным управлением лучом сводится к
тому, что луч, формируемый парой элементов, может быть отклонен на угол α от перпендикуляра к
базе при условии, что фаза колебаний в одном элементе по отношению к другому будет равна [3]
2πΔl
sin(α) ,
φ=
(1)
λ
где Δl – расстояние между двумя элементами; λ – длина волны.
Существует три основных способа формирования отклонения луча диаграммы направленности:
с частотным качанием луча, с применением фазовращателей и применением линии задержки.
В первом случае фаза между элементами формируется за счет изменения частоты на Δf. Величина угла отклонения задается в следующем виде:
⎛ L λ Δf ⎞
(2)
α = arcsin ⎜
⎟,
⎝ Δl λl f 0 ⎠
где L – длина участка линии между излучающими элементами; λl – длина волны колебаний в линии.
Во втором случае применяются фазовращатели, которые формируют необходимый сдвиг фаз Δφ
на каждом элементе антенной решетки. Соответственно угол отклонения равен
⎛ Δϕλ ⎞
(3)
α = arcsin ⎜
⎟.
⎝ 2πΔl ⎠
В третьем случае применяется линия с переменной величиной задержки сигнала во времени.
Так, угол отклонения луча диаграммы направленности вычисляется как
⎛ ct ⎞
(4)
α = arcsin ⎜ d ⎟ ,
⎝ Δl ⎠
где td – разность в задержке сигналов, возбуждающих соседние элементы.
Принцип работы разработанного макета акустической антенной решетки. В разработанном макете акустической антенной решетки с электронным управлением лучом диаграммы направленности был использован метод с применением линии задержки. В данном случае для отклонения
луча по азимуту решетка излучателей, исходя из своей конструкции, разбивалась на вертикальные
группы излучателей. Потом вносилась задержка в сигнал, формируемый генератором, который поДоклады ТУСУРа, № 3 (29), сентябрь 2013
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
54
td=1D td=2D
td=3D
td=4D
td=5D
td=6D
td=0D td=1D td=2D
td=3D
td=4D
td=5D
td=6D td=7D
td=0D td=1D td=2D
td=3D
td=4D
td=5D
td=6D td=7D
td=1D td=2D
td=3D
td=4D
td=5D
td=6D
td=2D
td=3D
td=4D
td=5D
td=3D
td=4D
5-я группа
излучателей
8-я группа
излучателей
td=5D
7-я группа
излучателей
td=4D
6-я группа
излучателей
td=3D
3-я группа
излучателей
td=2D
2-я группа
излучателей
td=4D
1-я группа
излучателей
td=3D
4-я группа
излучателей
дается на крайнюю левую линию излучателей, равную 0×D, на следующую 1×D и так с шагом D до
крайней правой линии (рис. 1).
Рис. 1. Схема разбиения антенной решетки на группы излучателей
На рис. 2 представлена блок-схема осуществления управления лучом диаграммы направленности.
PC
Файл настроек +
задержка каждого
канала
Файл настроек +
Задержка каждого канала
Altera Cyclone II FPGA
Starter Development Kit
AD5380
Evalution Board
Altera Cyclone II FPGA
Starter Development Kit
FPGA
EP2C20
AD5380
Evaluation Board
ЦАП
AD5380
FPGA
EP2C20
Задержка 0…400 мкс
control.exe
ЦАП
AD5380
цап 0
Задержка 0..400 мкс
control.exe
RS-232
ph0
ph1
...
Control
Control
RS-232
RS-232
ph39
RS-232
ph0
ph1
….
40 линий
задержки
сигнала
генератора
ph39
40 линий
задержки
ЦАП1
... сигнала
генератора
ЦАП0
ЦАП39
Генератор
1..3 кГц
цап 0
цап 1
…
ЦАП 0..39
ЦАП0
ЦАП1
цап 1
IDC40
...
…
IDC 40
PC
14 бит
цап 39
ЦАП39
цап 39
Генератор
1...3 кГц
40 ЦАП с независимым
формированием сигналов
Рис. 2. Структурная схема управления лучом диаграммы направленности
Система, предназначенная для формирования сорока (40) независимых сигналов в полосе
1...3 кГц, состоит из отладочной платы AD5380 Evaluation Board [4], отладочной платы Altera Cyclone II FPGA Starter Development Kit [5] и компьютера управления. Управление работой системы
производится с компьютера через порт RS-232 (Serial Port). Генерация сигнала, задержка сигнала во
времени и управление ЦАП осуществляются в микросхеме ПЛИС Altera Cyclone II EP2C20. Преобразование 14-битных цифровых данных в аналоговую форму происходит в микросхеме ЦАП
AD5380. Для проверки акустической решетки в качестве источника сигнала используется генератор
гармонического колебания с частотой 1…3 кГц на основе алгоритма Direct Digital Synthesis (DDS).
Линия задержки сигнала генератора реализована на основе регистра сдвига с изменяемой длиной,
что позволяет изменять вносимую задержку в диапазоне 0…400 мкс. Все сорок (40) цифровых потоков с линий задержки объединяются в один, так как микросхема AD5380 использует мультиплекДоклады ТУСУРа, № 3 (29), сентябрь 2013
Н.П. Красненко, А.С. Раков, Д.С. Раков, Д.А. Шендрик. Акустическая антенная решетка
55
сированную 14-битную шину данных для загрузки значений всех сорока (40) каналов ЦАП. Аналоговые сигналы с сорока (40) каналов ЦАП выдаются на разъем IDC40, что позволяет использовать
стандартный 40-проводный шлейф от жесткого диска типа IDE/ATA.
Результаты испытаний. Испытания разработанного макета мощной акустической антенной
решетки проводились на полигоне ТУСУРа (п. Аникино). Блок-схема эксперимента приведена на
рис. 3. В качестве дополнительного оборудования при приеме сигналов использовался шумомер
1-го класса точности фирмы Bruel&Kjer марки Mediator 2238.
Микрофон
Антенная
решетка
Ноутбук
Источник питания
Шумомер
Рис. 3. Блок-схема проведения эксперимента
Антенная решетка устанавливалась на возвышенной площадке, так что ось антенной решетки
была на высоте 6 м над уровнем Земли. Микрофон располагался в дальней зоне на расстоянии 20 м
от антенной решетки и также на высоте 6 м. Данное расположение микрофона и антенной решетки
позволяло исключить максимальное влияние подстилающей поверхности на распространяющуюся
звуковую волну. Эксперимент проводился при отсутствии ветра, а также при минимальном фоновом
окружающем шуме. С помощью программного обеспечения задавались необходимые сведения об
угле поворота луча диаграммы направленности, а также данные о рабочей частоте, после этого эта
информация подавалась с ноутбука на отладочную плату Altera Cyclone II FPGA Starter Development
Kit и далее через отладочную плату AD5380 Evaluation Board сигнал подавался на антенную решетку. Для построения экспериментальной диаграммы направленности, антенная решетка поворачивалась дискретно в секторе от минус 90 до 90° с шагом 5°. С помощью микрофона и шумомера для
каждого угла поворота антенной решетки фиксировалось значение уровня звукового давления. Эксперимент проводился для диапазона частот от 1500 до 3000 Гц. Причем на каждой из частот излучения акустического сигнала использовалось несколько значений угла поворота луча диаграммы
направленности. Все измеренные значения звукового давления заносились в журнал проведения
эксперимента и после обрабатывались на компьютере.
Полученные экспериментальные данные после их оцифровки сравнивались с теоретическими
расчётами, выполненными в среде Matlab. В качестве примера на рис. 4 и 5 показаны результаты
экспериментальных исследований и теоретических расчетов для двух частот и разных углах поворота луча диаграммы направленности. Как видно из приведенных ниже графиков, способ осуществления поворота луча диаграммы направленности, осуществленный с помощью линии задержки,
дал хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных.
Из рис. 5 видно то, что у решетки появляется вторичный главный максимум. Это объясняется
тем, что используемые единичные излучающие элементы имеют собственную диаграмму направленности, а согласно [6] формирование вторичного главного максимума возможно, когда сектор
сканирования превышает удвоенную ширину диаграммы направленности единичного элемента.
Также следует отметить, что на частоте 2,2 кГц дает значительный вклад в формирование диаграммы направленности межэлементное расстояние в антенной решетке, равное 85 мм.
Доклады ТУСУРа, № 3 (29), сентябрь 2013
56
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Рис. 4. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований угла поворота
луча диаграммы направленности для частоты 1525 Гц и угла поворота 13°
Рис. 5. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований угла поворота
луча диаграммы направленности для частоты 2288 Гц и угла поворота 32°
Заключение. В статье был рассмотрен способ управления лучом диаграммы направленности
фазированной акустической антенной решетки, осуществленный с помощью создания линий задержки сигнала. Показана принципиальная возможность электронного сканирования лучом в акустической антенной решетке, что позволяет увеличить эффективность их использования и расширить область применения. Результаты экспериментальных исследований показали хорошую
согласованность с теоретическими данными.
Литература
1. Технические средства для исследования приземной атмосферы и распространения звуковых
волн / Н.П. Красненко, А.Н. Кудрявцев, Д.С. Раков, П.Г. Стафеев // Оптика атмосферы и океана. –
2012. – Т. 25, № 2. – С. 158–164.
2. Мощные излучающие акустические антенные решетки / Н.П. Красненко, А.С. Раков,
Д.С. Раков, Ц.Д. Сандуков // Приборы и техника эксперимента. – 2012. – №3. – C. 129–130.
3. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / В.В. Васин, О.В. Власов,
В.В. Григорин-Рябов и др. – М.: Советское радио, 1970. – 680 с.
4. Cyclone II FPGA Starter Development KitURL [электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html, свободный (дата обращения:
28.09.2013).
5. AD5380 Evaluation Board [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.analog.com/
ru/evaluation/eval-ad5380/eb.html, свободный (дата обращения: 28.09.2013).
Доклады ТУСУРа, № 3 (29), сентябрь 2013
Н.П. Красненко, А.С. Раков, Д.С. Раков, Д.А. Шендрик. Акустическая антенная решетка
57
6. Ерохин Г.А. Антенно-фидерные устройства / Г.А. Ерохин, Г.Н. Кочержевский, Н.Д. Козырев. –
М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.
_____________________________________________________________________________________
Красненко Николай Петрович
Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. радиотехнических систем ТУСУРа,
вед. науч. сотрудник Института мониторинга климатических и экологических систем
Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН)
Тел.: 8 (382-2) 49-24-18
Эл. почта: krasnenko@imces.ru
Раков Александр Сергеевич
Мл. науч. сотрудник ИМКЭС СО РАН
Моб. тел.: 952-888-57-78
Эл. почта: dipol@ngs.ru
Раков Денис Сергеевич
Канд. техн. наук, мл. науч. сотрудник ИМКЭС СО РАН
Тел.: 8 (382-2) 49-24-18
Эл. почта: rakov@imces.ru
Шендрик Данил Александрович
Аспирант ИМКЭС СО РАН
Моб. тел.: 903-951-16-08
Эл. почта: sda@iprium.ru
Krasnenko N.P., Rakov A.S., Rakov D.S., Shendrik D.A.
An acoustic phased array with digital beamforming
A powerful acoustic phased array with digital beamforming is discussed. The characteristics of the system are
shown. The principle of operation is described. The results of the field test are given.
Keywords: antenna array, pattern, beam steering, sound pressure, range, sound broadcasting.
_________________________________________________________________________________________
Доклады ТУСУРа, № 3 (29), сентябрь 2013