Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных направлений изучения океана является проведение комплексных исследований на больших акваториях в системе единого времени. В настоящее время широкое распространение получили методы акустической томографии, которые по своей сути являются крупномасштабными.
Для реализации измерительных схем акустической томографии необходимо использовать достаточно большое число излучающих и приемных систем, расположенных на границах исследуемой области, что усложняет техническую реализацию метода. Дискретность измерительной томографической сети определяет пространственную разрешающую способность трансмиссионной томографии.
В связи с этим представляется целесообразным использование методов мобильной томографии, в которой зондирующее излучение (прием) создается буксируемыми на заданных горизонтах и траекториях адаптивными многоэлементными акустическими антенными системами.
Создание систем пространственной фильтрации и направленного излучения для реализации измерительной системы мобильной томографии сводится к решению задачи синтеза гидроакустических антенн на носителях обтекаемой формы.
В отечественной и зарубежной литературе опубликовано большое количество работ по синтезу гидроакустических и радиолокационных антенн, в том числе с использованием ограничительных энергетических функционалов. При решении задач синтеза антенн, расположенных на поверхности криволинейных экранов, в основном находят применение схемы устойчивых методов решения некорректных задач, основанные на регуляризации по А.Н. Тихонову. Все эти методы по своей сути являются вариационными, а эффективность их применения зависит от оптимальности выбора вычислительного алгоритма и мощности применяемых ап-
4 паратных и программных средств.
Применение методов регуляризации в антенном синтезе, по нашему мнению, является устранением "следствия", а не "причин", породивших некорректность задач расчета антенн по заданной диаграмме направленности. Полученные таким образом решения не поддаются аналитическим исследованиям и не дают ответа на один из главных вопросов: какие факторы являются определяющими для согласованного выбора исходных данных в постановке задачи. Однако эти вопросы имеют особую актуальность при проектировании антенн с ограниченной реактивностью, когда необходимо находить компромисс между требованиями к реактивности антенн и точности реализации заданных диаграмм направленности.
Таким образом, для создания высокоэффективных гидроакустических антенн для систем мобильной томографии актуальными являются разработка устойчивых методов расчета слабореактивных систем пространственной фильтрации и излучения и аналитических методов исследования разработанных алгоритмов, дающих ясную физическую интерпретацию получаемых решений.
Цель работы - разработка корректных методов решения и аналитических методов исследования задач синтеза гидроакустических антенн с ограниченной реактивностью, расположенных на буксируемых подводных носителях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
Выявлены причины возникновения некорректности при расчете антенных систем rio заданным диаграммам направленности.
-
Разработана корректная постановка задач синтеза гидроакустических антенн по заданным диаграммам направленности, приводящая к аналитическим точным устойчивым решениям для непрерывных функций возбуждения антенн с замкнутой аналитической поверхностью.
-
Разработаны и исследованы аналитические методы решения задач
5 синтеза антенн по заданным диаграммам направленности, приводящие к получению единственного точного устойчивого решения для непрерывно- » го распределения функции возбуждения на излучающей поверхности заданных волновых размеров.
-
Разработан аналитический метод исследования процессов преобразования энергии функции возбуждения колебательной скорости излучающей поверхности в поле давления, позволяющий объяснить природу процессов, влияющих на реактивность ближнего поля, и выявить предельные возможности антенн различной конфигурации при формировании заданного дальнего поля.
-
Разработаны оптимизационные методы решения и аналитические методы исследования задач синтеза антенн с ограниченной реактивностью.
Научная новизна и положения, выдвигаемые на защиту:
-
Разработаны устойчивые методы решения общей задачи синтеза антенн с аналитической замкнутой поверхностью в корректной постановке.
-
Сформулированы критерии, позволяющие определить минимальные волновые размеры антенн, которыми возможно с наперед заданной погрешностью сформировать нереализуемые заданные диаграммы направленности.
-
Впервые применен аппарат передаточных функций для аналитического исследования энергетических характеристик и избирательных свойств антенных систем, позволяющий выявить факторы, определяющие реактивность ближнего поля, и предельные возможности антенн в формировании заданного дальнего поля.
-
Разработаны методы решения задач оптимизационного синтеза антенн с ограниченной реактивностью в корректной постановке.
-
Разработаны устойчивые методы решения задач синтеза неэквидистантных антенных решеток, расположенных на цилиндрических и сфе-
рических экранах с учетом дифракции.
Научная и практическая значимость диссертации
Проведенные исследования показали плодотворность подхода, при котором, прежде чем переходить к разработке методов расчета и проектирования антенных систем, выясняется сущность и факторы, определяющие природу происходящих процессов.
Применение аппарата передаточных функций преобразования колебательной скорости излучающей поверхности антенны в поле давления водной среды позволяет объяснить причины, обуславливающие уровень реактивной энергии, сосредоточенной в ближнем поле антенны.
' Предложенные в диссертации энергетические характеристики описывают сущность физических процессов, происходящих на поверхности акустически непрозрачных антенн при преобразовании энергии возбуждения в энергию, излучаемую в водную среду.
Установлено, что согласованный выбор волновых размеров проектируемой антенны, количества суммируемых гармоник в реализуемой диаграмме направленности и величины коэффициента усиления передаточной функции на поверхности антенны позволяет получить решение задачи синтеза с минимальной реактивностью.
Разработанные в диссертации методы решения могут быть использованы при проектировании систем пространственной фильтрации и направленного излучения не только для гидроакустических, но и радиолокационных антенн любой конфигурации.
Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательскую работу "ЗВУК", выполняемую по Государственному оборонному заказу РФ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах /1-18/ и были представлены на:
4 Всесоюзной конференции "Мировой океан", 1983г., г.Владивосток; Юбилейной научно-технической конференции, посвящен-
7 ной 70-летию ДВПИ, 1988 г., г. Владивосток; Всесоюзной школе-семинаре "Технические средства и методы освоения океана", 1989г., г. Ге- » ленджик; Всесоюзной школе по техническим средствам и методам исследования Мирового океана, 1991г., г. Москва; Дальневосточной научно-технической конференции по судовой радиоэлектронике, 1993г., г. Владивосток; конференции, посвященной 100-летию со дня рождения докт. техн. наук профессора Тюлина, 1994г., г. Владивосток; 4 и 5 Дальневосточных акустических конференциях 1986 и 1989 гг., г. Владивосток; международной конференции "Современные технологии и предпринимательство: региональные проблемы АТР", 1994г., г.Владивосток; международной научно-технической конференции по использованию результатов конверсии науки в ВУЗах Сибири (СИБКОНВЕРС - 95), 1995г., г.Томск; международной научно- методической конференции "Развитие системы высшего образования на Дальнем Востоке на основе интеграции высшей школы и академической науки, международного сотрудничества", 1997г., г. Владивосток.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 63 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 138 страниц и включает 73 рисунка. В приложении представлен акт о внедрении результатов диссертации в научно-исследовательскую работу "ЗВУК", выполняемую по Государственному оборонному заказу РФ.
