автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Методы расчета и исследования гидроакустических систем пространственной фильтрации и направленного излучения, расположенных на буксируемых подводных носителях

, ^ На правах рукописи

<л. сч-

Сальникова Евгения Николаевна

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЯ 1ДРО АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ И НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА БУКСИРУЕМЫХ ПОДВОДНЫХ НОСИТЕЛЯХ

Специальность 05.08.06 - физические поля корабля, океана и атмосферы и их взаимодействие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Владивосток- 1997

Работа выполнена в НИИ Океанотехники при Дальневосточном государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ю. Н. Кульчин

Официальные оппоненты: доктор физико- математических наук,

Ведущая организация: Институт физики и информационных

технологий Дальневосточного государственного университета

Защита диссертации состоится 11 декабря 1997 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 064. 01. 01 Дальневосточного государ' ственного технического университета по адресу: 690600, Владивосток, ул Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ.

Автореферат разослан " 3 а " октября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор И. Н. Каневский

кандидат технических наук Ю. Н. Моргунов

кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, основаннь1е 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-

*

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:

1. Выявлены причины возникновения некорректности при расчете антенных систем iio заданным диаграммам направленности.

2. 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.

3. Разработаны и исследованы аналитические методы решения задач

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.

4. 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.

5. Разработаны оптимизационные методы решения и аналитические методы исследования задач синтеза антенн с ограниченной реактивностью.

Научная новизна и положения, выдвигаемые на защиту:

1. Разработаны устойчивые методы решения общей задачи синтеза антенн с аналитической замкнутой поверхностью в корректной постановке.

2. Сформулированы критерии, позволяющие определить минимальные волновые размеры антенн, которыми возможно с наперед заданной погрешностью сформировать нереализуемые заданные диаграммы направленности.

3. 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.

4. Разработаны методы решения задач оптимизационного синтеза антенн с ограниченной реактивностью в корректной постановке.

5. 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 доя 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-

ной 70-летию ДВПИ, 1988г., 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертационной работы, определено содержание исследований, приведены данные о структуре работы, представлены новые научные положения, выдвигаемые на защиту.

«

В первом разделе рассмотрены особенности расчета гидроакустических антенн, расположенных на носителях обтекаемой формы, приведены условия существования устойчивого аналитического точного решения за-

дач анализа и синтеза, определена основная терминология и сформулирс ваны задачи диссертации.

В подразделе 1.1 проведено сопоставление решения задачи анализ поля излучения для излучающих антенн цилиндрической и сферическо] конфигурации и показано, что структуры конечных выражений решени] не отличаются от решений дая любых антенн, излучающая поверхност которых совпадает с поверхностью постоянной координаты в соответ ствующей координатной системе, в которой, в свою очередь, волново уравнение Гельмгольца допускает разделение переменных относительн! этих координат. При этом меняются только собственные функции уравне ния Гельмгольца, а структура решения сохраняется, причем комплексны амплитуды гармоник давления В^ с точностью до постоянного множител и с использованием оператора П, можно записать в виде

р. МЮ а)

Здесь Л|- собственная функция уравнения Гельмгольца, записанного в со ответствующей криволинейной системе координат, П - оператор: дл граничных условий Дирихле на поверхности антенны - (¡1= 1, а ^ - ком плексные амплитуды гармоник распределения давления на поверхност]

антенны, для граничных условий Неймана - О , а ^ - ком

плексные амплитуды гармоник распределения нормальной составляюще! колебательной скорости на поверхности антенны.

В подразделе 1.2 проведено сравнение конечных выражений реше ний задач синтеза для цилиндров и зонированных сфер, и показано, что ] общем виде коэффициенты гармоник ^ решений задач синтеза для антеш любой конфигурации, поверхности которых совпадают с поверхность« постоянной координаты в соответствующей координатной системе, с точ носгью до фазового множителя запишутся

Ь^.ПЛ/ка), (2)

где д - известные коэффициенты заданного распределения давления в дальнем поле, оператор =(/^п) при определении гармоник Ь; распределения нормальной составляющей колебательной скорости поверхности антенны, П = 1- при определении гармоник Ь^ распределения давления на поверхности антенны, ^ - собственные функции уравнения Гельм-гольца в соответствующей координатной системе.

Доказано, что принадлежность к классу интегрируемых в квадрате функций (1л) заданных диаграмм направленности является требованием необходимым, но недостаточным для существования физически реализуемого решения общей задачи синтеза для непрерывных функций возбуждения на поверхности антенны. Сформулировано условие существования и единственности решений общих задач синтеза в виде

, ЗА. 4 (кг) ,2

|2<«>- (3)

физический смысл которого сводится к конечности энергии на излучающей поверхности.

В подразделе 1.3 предложено оценивать энергетические характеристики антенных систем с помощью импеданса и локальной реактивности как функций координат поверхности, что дает возможность оценить долю реактивности, вносимую каждым участком излучающей поверхности в ближнее поле антенны, и определить энергетически оптимальное расположение антенной системы на поверхности носителя.

Второй раздел посвящен разработке аппроксимационного метода решения задач синтеза антенн с замкнутой аналитической поверхностью, исследованы вопросы, связанные с погрешностью аппроксимации заданных диаграмм направленности точно реализуемыми, сформулированы критерии, позволяющие определить минимальные волновые размеры ан-

тенн, которыми можно с наперед заданной погрешностью сформировать нереализуемые диаграммы направленности.

В подразделе 2.1 предложен способ аппроксимации заданных диаграмм направленности, не отвечающих условию (3), позволяющий Я(ф,б)еЬ2 вводить в более узкий класс функций Вье Ьз, для которых существует единственное точное решение общих задач синтеза антенн.

С этой целью в диссертации был использован метод взвешенного суммирования, который сводится к тому, что точные гармоники Фурье В] заданной диаграммы направленности заменяются аппроксимированными В^ вида

В', = с,В>, • (4)

где

о]= 1/а|Л^(ка)|, (5)

а - нормирующая константа, определяемая из минимизации среднеквадратичной погрешности аппроксимации заданной диаграммы К(ф,6)е1л реализуемой - Я*(ср, 9) еВь, Л7 j (ка) - производная по аргументу от собственной функции уравнения Гемльгольца для антенн соответствующей конфигурации, ка - волновой размер антенны.

Приведены результаты исследования ст, .множителя для сферических и цилиндрических антенн в зависимости от волнового размера антенны и количества суммируемых гармоник. Получены аналитические выражения дом среднеквадратичной погрешности аппроксимации заданной диаграммы направленности аппроксимированной и нормирующей константы а.

В подразделе 2.2 предложена и обоснована методика выбора оптимальных волновых размеров антенных систем в зависимости от типа заданных и точно нереализуемых диаграмм направленности. Проведено исследование зависимости среднеквадратичного отклонения замены заданных диаграмм направленности диаграммами, для которых существует

и

единственно точное устойчивое решение общей задачи синтеза для четырех типов заданных однолепестковых диаграмм направленности * (секторной П-образной, косинусоидальной, параболической, степенной).

Угол полуширины раскрыва для всех исследованных диаграмм направленности был выбран фиксированным и равным 30*, 10*, 5° и 2* на уровне -ЗдБ и нуля диаграммы направленности.

Проведенные численные исследования показали, что начиная с некоторого номера дальнейшее увеличение количества суммируемых гармоник в аппроксимирующей диаграмме направленности не ведет к уменьшению среднеквадратичной погрешности отклонения реализуемой диаграммы направленности от заданной. При постановке задачи синтеза необходимо выбирать согласованные значения минимально допустимого значения среднеквадратичной погрешности и волнового размера антенны в зависимости от типа заданной нереализуемой диаграммы направленности.

В подразделе 2.3 сформулирована и решена в корректной постановке общая задача синтеза для цилиндрических и зонированных сферических антенн. При использовании разработанного алгоритма решения общих задач дифракционного синтеза структуры математических выражений амплитуд гармоник искомых функций возбуждения для антенн любой аналитической формы идентичны и равны гармоникам Фурье точно заданных диаграмм направленности, умноженным на фазовый множитель, определяемый конфигурацией и волновым размером синтезируемой антенны. Приведены результаты вычислительного эксперимента решения общей задачи синтеза цилиндрических антенн для исследованных типов диаграмм направленности и различных волновых размеров антенн.

В разделе 3 исследованы энергетические свойства антенн с замкнутой аналитической поверхностью с использованием аппарата передаточной функции системы "непрозрачная антенна - водная среда", дан анализ происходящих процессов, а также проведено исследование возможности создания слабореактивных антенных систем.

В подразделе 3.1 предлагается оценивать реактивность решения задачи синтеза в два этапа. На первом этапе для учета вклада каждого участка излучающей поверхности в формирование дальнего поля антенны предпочтительнее рассматривать не интегральную характеристику распределения интенсивности на поверхности антенны, а дифференциальную вида

1«п{1(5)} х(Б)

ЯеДО)} г<5)

где у - локальная реактивность антенны. На втором этапе при сравнении получаемых решений для различных антенн и типов диаграмм направленности удобнее использовать интегральную оценку локальной реактивности Ь вида

Ь^гфсЮ, (7)

Б

Введенные энергетические характеристики позволяют судить об эффективности каждого отдельного участка активной поверхности, а также дают возможность корректировать функцию возбуждения колебательной скорости и расположение излучающих (приемных) участков на поверхности антенной системы с точки зрения допустимых реактивности и погрешности отклонения от заданной диаграммы направленности. Особо следует отметить тот случай решения общей задачи синтеза, когда на поверхности антенны есть участки, где г(Б)< 0. В режиме излучения это может привести к выходу из строя генераторных устройств, т.к. подводимая к этим участкам энергия будет уходить на компенсацию переизлученной с других участков энергии. При оценке реактивности классическими методами такие участки на поверхности антенны могут выпадать из поля зрения разработчика.

Проведены исследования решений общей задачи синтеза для вышеперечисленных заданных типов диаграмм направленности с точки зрения получения наименьшей реактивности. Показано, что простейшим спосо-

бом уменьшения реактивности является подбор типа диаграммы направленности, в частности, из исследованных диаграмм направленности наименьшей реактивностью при фиксированном ка обладает косинусои-дальная. С ростом волнового размера реактивность антенны убывает.

В подразделе 3.2 предложен аналитический метод исследования энергетических свойств антенн с учетом дифракционных эффектов на их поверхности.

Суть разработанного метода заключается в том, что процесс формирования поля давления излучающей антенны представляется как преобразование энергии нормальной составляющей колебательной скорости системой, состоящей из непрозрачной антенны и водной среды; выясняется, какой вклад каждая гармоника Фурье функции возбуждения колебательной скорости вносит в поле давления на поверхности антенны, в апертуре - на расстоянии 1 длины волны и в зоне Фраунгофера.

Дальнейшее сравнение вида передаточной функции для этих трех областей дает возможность судить о перераспределении активной и реактивной составляющих энергии с поверхности антенны в ближнее поле и дальнейшей трансформации в дальнее поле.

В частности, для цилиндрической антенны передаточная функция определится в виде

Оп(ка) = Оп(ка,кг)ехр{&1(ка,кг)}) (8)

где амплитудная и фазовая характеристики передаточной функции определяются соответственно выражениями

Оп (ка.кг) = | НЙ> (кг)/|НЙ>' <ка)|, (9)

(

?п(ка,кг)=агё{Н(п1)(кг)}-аг8{Н(п1) (ка)} + я/2. (10)

Для дальнего поля выражения (9) и (10) преобразуются к виду

Ой (ка) = 1/|нй)'(ка)|, (11)

Е^(ка) = -аг2{ Нпо>'(ка)}- (п-1)гс/2; (12)

на поверхности антенны-

С{{ (ка) =|н[Р (ка)|/|Н(п1}'(ка)|, (13)

I

ёЯ(ка)=аге{н2)(ка)}-агё{н[,1) (ка)} + л/2, (14)

где верхние индексы обозначают соответственно дальнее поле и поверхность антенны, Н®(ка),Нц^ (ка) - соответственно цилиндрическая функция Ханкеля первого рода и ее производная по аргументу.

Из сравнительного анализа численных исследований амплитудной характеристики передаточной функции на поверхности антенны и в дальнем поле для различных волновых размеров следует, что кроме избирательных свойств, на поверхности антенны передаточная функция обладает еще и усилительными свойствами, причем максимальному усилению подвержены гармоники с номерами, численно близкими к волновому размеру антенны. Крутизна среза амплитудной характеристики передаточной функции на поверхности антенны меньше, чем для дальней зоны. Следовательно, есть все основания полагать, что отличия в пропускной способности между и О" в зависимости от номера гармоники п определяют уровень реактивности антенны конкретного волнового размера. Передаточная характеристика на поверхности антенны не только преобразует гармоники функции возбуждения в гармоники давления без подавления, но и усиливает те из них, для которых п не менее ка. Однако не вся энергия, преобразованная таким образом, переходит в энергию дальнего поля. Это подтверждает поведение амплитудной характеристики передаточной функции в апертуре цилиндрической антенны, т.е. на расстоянии одной длины волны от поверхности антенны, где усилительные свойства амплитудной характеристики передаточной функции полностью отсутствуют.

Представляя гармоники диаграммы направленности через гармоники функции возбуждения, умноженные на передаточную функцию для дальнего поля в виде

Ап=о£(ка)ехр{ё£(ка)}ап, (15)

формально можно утверждать, что процесс трансформации гармоник Фурье функции возбуждения в гармоники дальнего поля антенны заключается в прохождении через фильтр с передаточной характеристикой (11), при этом "неподавленными", как показали численные исследования, трансформируются гармоники с номерами от -[ка] до [ка].

Следовательно, для формирования диаграммы направленности цилиндрической антенной волнового радиуса ка гармоники Фурье функции возбуждения а„ должны быть равны заданным гармоникам диаграммы направленности Оп, умноженным на фазовую характеристику передаточной функции с обратным знаком с целью нейтрализации дифракционных эффектов на излучающей непрозрачной поверхности антенны при трансформации гармоник возбуждения в гармоники дальнего поля. Тогда при

ап=а-1Опехр{-8Д(ка)}, (16)

где а - некоторая нормирующая положительная константа,

Ап -а~'Сп(ка)Оп (17)

и реализуемая диаграмма направленности цилиндрической антенной волнового радиуса ка определится выражением

Я(ф)= £ -7^7-ехр(тср). (18)

п=-Н

ор1

а

нЕР'(ка)

Полученные результаты полностью совпадак^г с результатами решения общей задачи синтеза аппроксимационным методом, выполненным в разделе 2, при этом метод аппроксимации заданной ди-

аграммы направленности реализуемой, выбранный в большей степени интуитивно, получил аргументированное обоснование благодаря использованию аппарата передаточных функций.

В подразделе 3.3 показана возможность создания слабореактивных антенн заменой акустически жестким экраном той части поверхности, где локальная реактивность превышает некоторую наперед заданную величину. Проведенные исследования показали также, что выбор оптимального, с точки зрения коэффициента усиления амплитудной характеристики передаточной функции, количества суммируемых гармоник позволяет получить решение общей задачи синтеза, обладающее минимальной реактивностью.

В разделе 4 разработаны устойчивые методы расчета задач оптимизационного синтеза антенн с ограниченной реактивностью, синтеза неэк-видисгантных антенных решеток для цилиндрических и сферических антенн с учетом дифракции, а также приведены результаты численного эксперимента для задач оптимизационного синтеза цилиндрических антенн с ограниченной реактивностью.

В подразделе 4.1 сформулированы и решены следующие задачи для цилиндрических антенн: 1- синтез антенн с ограниченной реактивностью, 2-смешанная задача синтеза и 3- синтез неэквидистантных антенных решеток с ограниченной реактивностью с учетом дифракции. Исходным для всех этих задач является решение интегрального уравнения Фредгольма первого рода относительно неизвестной функции У(а,сро)

Я*(Ф) = (1/2я) { I ^-,У(а'Ф0)ехр ш(ф-<ро)<1фо. (19)

МП="Ы н£) (ка) Устойчивость решений этих задач обеспечивается тем, что в качестве заданных в (19) используются диаграммы направленности К*(ф), принадлежащие классу функций Вь..

Решение интегрального уравнения Фредгольма первого рода (19)

сводится к решению системы 2N+t линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных гармоник функции возбуждения ат

а~11(п_1)Апехр{^нй)'(ка)]}=<1/2п) £ат |ехрКт-п)срос1<ро,

где Ап- гармоники Фурье точно заданной диаграммы направленности.

Для первой из задач исходным, которое в дальнейшем оптимизируется, принимается решение общей задачи синтеза для непрерывной функции возбуждения на поверхности антенны. Суть оптимизации сводится к определению колебательной скорости и области расположения излучающих участков на поверхности антенны [срД, удовлетворяющих ограничениям, наложенным на локальную реактивность 7(Б) (6).

Таким образом, в отличие от общей задачи синтеза, в задачах синтеза с ограниченной реактивностью определяется не только функция возбуждения колебательной скорости, но и геометрия расположения излучающих участков на поверхности антенны в зависимости от ограничений, наложенных на реактивность ближнего поля.

Во второй задаче заданными являются диаграмма направленности и распределение колебательной скорости на части поверхности антенны. На остальной части поверхности определяется комплексная функция возбуждения при заданных ограничениях на точность и реактивность.

Для третьей задачи исходными являются диаграмма направленности и геометрические размеры полосковых элементов, на поверхности каждого из которых колебательная скорость должна быть постоянна. Такая постановка наиболее полно отвечает практическим запросам разработчиков антенн. При этом границы оптимизируемых параметров весьма сужены. Возможно лишь решать задачу оптимизации геометрии расположения излучающих участков и собственно функции возбуждения, так как геометрия и размеры носителя являются жестко заданными. Причем оба эти параметра взаимосвязаны и проводить их раздельную оптимизацию не

имеет смысла. Это и является основным отличием разработанных в диссертации методов от существующих до настоящего времени. Разработанный метод и алгоритм решения задач оптимизационного синтеза, проиллюстрированный на примере цилиндрических антенн, может быть применен для любых антенн замкнутой геометрии, поверхность которых совпадает с координатной поверхностью одной из координатных систем. Первым этапом решения задачи оптимизационного синтеза является решение общей задачи синтеза, т.е. задачи для непрерывного распределения колебательной скорости на всей поверхности тела замкнутой геометрии.

В подразделе 4.2 сформулированы и решены следующие задачи синтеза для сферических зонированных антенн: 1- с ограниченной реактивностью, 2- смешанная задача синтеза, 3- неэквидистантных антенных решеток с ограниченной реактивностью с учетом дифракции.

Как и для случая цилиндрических антенн, сформулированные выше задачи для сферических антенн с ограниченной реактивностью сводятся к решению интегрального уравнения Фредгольма первого рода относительно неизвестной функции возбуждения и области ее определения на поверхности антенны в зависимости от ограничений, наложенных на локальную реактивность (6)

К (9)= I X ^^-, и;5т8оРт(со5Эо)с1сро, (20)

(ка)

где ь[п (ка) - производная по аргументу от сферической функции Ханке-ля первого рода, Рт(соз9о) - полиномы Лежандра порядка т.

Решение интегрального уравнения Фредгольма первого рода, в свою очередь, сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), свободными членами которой являются гармоники Фурье диаграммы направленности, для которой существует точное устойчивое решение общей задачи синтеза.

В подразделе 4.3 представлены результаты численного исследования решений задач оптимизационного синтеза цилиндрических антенн с ограниченной реактивностью методом " синтез - анализ". Показано, что согласованный выбор постановки задачи в части волновых размеров проектируемой антенны, количества суммируемых обобщенных гармоник в реализуемой диаграмме направленности и уровня коэффициента усиления передаточной функции на поверхности антенны позволяют получить решение с минимальной реактивностью.

Основные результаты работы

Доказано, что некорректность задач синтеза антенн обусловлена неполным соответствием физической и математической моделей, заключающемся в том, что при математической постановке задачи в граничных условиях для дальнего поля не конкретизировано, антенной какой геометрии и какого волнового размера необходимо сформировать заданную диаграмму направленности.

Установлено, что антенна заданной конфигурации может формировать только определенный класс диаграмм направленности, который, с одной стороны, входит в класс функций 1л, а с другой - полностью определяется волновыми размерами и формой излучающей поверхности или экрана, на котором расположены активные элементы антенны.

Установлено, что поведение амплитудной характеристики передаточной функции для дальней зоны полностью определяет предельные возможности антенны в плане формирования той или иной диаграммы направленности. Исследование передаточной функции на ранней стадии проектирования антенных систем позволяет определить границы выбора типа и волновых размеров антенн с точки зрения наложенных ограничений на точность реализации заданных диаграмм направленности и допустимой реактивности.

Введенные энергетические характеристики, зависящие от координат излучающей поверхности, позволяют не только оптимизировать уровень

реактивности ближнего поля, но и выявить наиболее "реактивные" участки на излучающей поверхности, которые при форсированных режимах работы могут привести к выходу из строя не только антенной системы, но и генераторных устройств.

Проведенные исследования показали, что высокие требования одновременно к точности реализации заданных диаграмм направленности и уровню реактивности антенны находятся в противоречии. В этой связи при проектировании антенн необходимо находить компромиссные соотношения между ограничениями на реактивность и точностью реализации заданных диаграмм направленности.

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.

Аппарат передаточных функций может быть успешно использован для исследования и оценки энергетических свойств антенн с излучающими поверхностями, не являющимися аналитическими.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Сальникова E.H., Стаценко Л.Г. Перспективы использования гидроакустических средств при промышленном освоении шельфовой зоны// Труды ДВГТУ. Вып. 3, сер. 7.- Владивосток, 1993.-С.25-29.

2. Сальникова E.H. К вопросу постановки обратных задач сейсмометрии// Тезисы докладов 32 научно-технической конференции/ ДВПИ.-Владивосток, 1992.

3. Сальникова E.H. Разработка основ построения систем пространственной фильтрации для мобильной акустической трансмиссионной томографии океана// Современное состояние и перспективы развития теории и прикладных вопросов гидроакустики (к 300 -летию Российского флота).* Владивосток, 1996.-С. 67-70.

4. Кульчин Ю.Н., Сальникова E.H. О природе возникновения некорректности в обратных задачах антенного синтеза/ ДВГТУ.-Владивосток, 1997. -19 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.07.1997, № 2444-В97.

5. Сальников Б.А., Сальникова E.H. Об устойчивости задач анализа и синтеза гидроакустических антенн// Акустические методы и средства исследования океана. Ч.2/ДВНЦ АН СССР.-Владивосток, 1986.

6. Сальников Б.А., Сальникова E.H. Формирование заданных акустических полей сферическими антеннами больших волновых размеров// Направленные и фокусирующие акустические системы. 4.2/ ДВО АН СССР,- Владивосток, 1989.

7. Сальникова E.H. Универсальный метод решения задач синтеза для антенн с замкнутой геометрией// Труды ДВГТУ.-Владивосток, 1996.

8. Сальников Б.А., Сальникова E.H., Черненко В.А. Энергетический синтез антенных решеток в цилиндрических экранах// Методы и средства гидрофизических исследований океана/ ДВГУ,- Владивосток, 1992.-С.157-160.

9. Кульчин Ю.Н., Сальникова E.H. Дифракционный синтез антенн с криволинейной замкнутой аналитической поверхностью/ ДВГТУ.-Владивосток, 1997.-14 е.- Деп в ВИНИТИ 17.07.1997, № 2445-В97.

10. Сальникова E.H., Стаценко Л.Г. Адаптивная антенная решетка для подводных исследований// Проблемы освоения новой техники для освоения шельфа/ ИПФ АН СССР,- Горький, 1986.

11. Сальникова E.H. Фазовый синтез антенных решеток в цилиндрическом экране// Тезисы докладов Юбилейной научно-технической конференции, посвяшенной 70-летию ДВПИ.-Владивосток, 1988.

12. Гриценко Е.Ю., Сальникова E.H. Антенная система ГБО// Технические средства и методы освоения океанов и морей. Т.1- М.: АН СССР, 1989,-С.49.

13. Гриценко Е.Ю., Сальникова E.H., Стаценко Л.Г. Приемный тракт

многофункциональной акустической системы подводного аппарата/у Технические средства и методы освоения океанов и морей. T.l.-М.: АН СССР, 1989.

14. Сальников Б.А., Сальникова E.H. Синтез неэквидистантных антенных решеток в цилиндрических экранах// Тезисы докладов Юбилейной научно-технической конференции, посвяшенной 70-летию ДВПИ,-Владивосток, 1988.

15. Сальников Б.А., Сальникова E.H. Учет влияния и коррекция реальных граничных условий в антеннах с независимым возбуждением элементов// Направленные и фокусирующие акустические системы. Ч. 1.- Владивосток: ДВО АН СССР, 1989.

16. Сальников Б.А., Сальникова E.H. Формирование акустических полей сферическими антеннами с импедансными граничными условиями// Тезисы докладов Всесоюзной школы по техническим средствам и методам исследования Мирового океана. Т.1 ,-М.: АН СССР, 1991.

17. Кульчин Ю.Н., Сальникова E.H. Аппарат передаточных функций в исследовании и разработке слабореактивных гидроакустических антенн для систем мобильной томографии океана// Труды международной научно-методической конференции "Развитие системы высшего образования на Дальнем Востоке на основе интеграции высшей школы и академической науки, международного сотрудничества".- Владивосток, 1997.

18. Косов А. В., Орлов В. Ю., Сальников Б. А., Сальникова E.H., Солопов Н.В., Чередниченко А.И. Компьютерное моделирование для системы поиска и обнаружения нарушений фоновой структуры океана методами трансмиссионной томографии// Труды международной научно-методической конференции "Развитие системы высшего образования на Дальнем Востоке на основе интеграции высшей школы и академической науки, международного сотрудничества".-Владивосток, 1997.