ГИДРОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ КРУГОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

ГИДРОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ КРУГОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНБ1Х ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
Предложенная полезная модель относится к области гидроакустической техники, a более конкретно к устройству корабельных гидролокационных станций (ГЛС), нредназначенных для обнаружения подводных объектов, движущихся с небольшой скоростью: подводных пловцов, водолазов, морских животных, крупных рыб и стай мелких рыб.
Известны гидролокационные станции (гидролокаторы) надводных кораблей, предназначенные для обнаружения движущихся биологических обьектов, например, рыбопоисковые гидролокаторы типа «Сарган-ГМ, «Прибой-101, «Таймень 1; 2.
Известны также гидролокаторы обнаружения рыб и подводных объектов по патенту США 3, гидролокаторы по изобретениям Японии 4, 5, ГЛС обнаружения подводных пловцов Sea Guardian Swimmer Detection Sonar 6. Все перечисленные ГЛС работают в режиме секторного обзора, и именно с этим связан их основной недостаток - потеря информации о движущемся объекте в процессе обзора подводного пространства.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом, который выбран в качестве прототипа, является рыбопоисковый гидролокатор «Угорь, имеющий кроме секторного еще и режим одновременного кругового обзора 2, стр. 140...153.
МПК G01S 15/02
в состав гидролокатора входят:
-приемо-излучающая гидроакустическая антенна, состоящая из ненаправленных пьезоэлектрических преобразователей, объединенных в и идентичных поясов;
-переключатель «излучение- прием ;
-генераторное устройство;
-тракт приема, включающий аппаратуру обработки принятых сигналов и пульт управления с электронным индикатором.
В гидролокаторе «Угорь в режиме одновременного кругового обзора антенна ненаправленно излучает акустические зондирующие сигналы в горизонтальной плоскости, то есть за одну посылку гидролокатор облучает все подводное пространство, окружающее судно. При этом в генераторном устройстве формируется импульс мощностью до 7,5 кВт, который через переключатель «излучение- прием поступает на антенну, где электрическая энергия преобразуется в акустическую и излучается в водную среду.
В режиме приема осуществляется электронное круговое сканирование диаграммы направленности (ДН) в горизонтальной плоскости с больщой частотой вращения. Наклон ДН изменяется электронным способом путем коммутации поясов антенны в переключателе «излучение- прием. Обнаружение объектов производится оператором по текущей информации, получаемой в каждом 1щкле «излучение- прием, без ее накопления на экране двухкоординатного электронного индикатора.
К недостаткам данного гидролокатора можно отнести:
-неэффективное использование потребляемой электроэнергии в режиме излучения из-за ненаправленного облучения окружающего пространства;
-потеря информации об эхосигналах от объектов при их приеме на вращающуюся с большой частотой в горизонтальной плоскости диаграмму направленности;
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков ГЛС-прототипа и достижение следующих технических результатов: снижение потерь энергии при излучении и повьппение отношения сигнал /помеха в режиме приема, а также увеличение достоверности обнаружения и классификации подводных движущихся объектов.
Для достижения указанных технических результатов в гидролокационной станции кругового обзора для обнаружения подводных движущихся объектов, содержащей гидроакустическую цилиндрическую антенну из пьезоэлектрических преобразователей, объединенных в п идентичных поясов, переключатель «излучение-прием, генераторное устройство, тракт приема, включающий устройство обработки принятых сигналов и пульт управления с электронным индикатором, при этом входы управления генераторного устройства, переключателя «излучение-прием и устройства обработки принятых сигналов соединены с соответствующими выходами управления пульта управления, введены новые признаки, а именно: все пьезоэлектрические преобразователи гидроакустической цилиндрической антенны выполнены направленными, при этом каждый пояс содержит т пьезоэлектрических преобразователей, расположенных равномерно по окружности пояса с интервалом 2TiR/m и соединенных при излучении
параллельно, каждый пояс развернут вокруг своей оси относительно соседнего пояса так, что акустическая ось диаграммы направленности каждого /-того преобразователя одного пояса смещена относительно акустической оси диаграммы направленности iтого преобразователя соседнего пояса на угол ф  2ж/тп, вход каждого пояса через переключатель «излучение- прием, вьшолненный w-позиционным, соединен при излучении с выходом генератора, а при приеме выходы каждого из т преобразователей каждого пояса соединены через и-позиционный переключатель «излучение- прием, выполненный в режиме приема т-канальным, с соответствующими информационными входами устройства обработки принятых сигналов, вьщолненного также /и-канальным.
т информационных выходов устройства обработки соединены с соответствующими т входами введенного в тракт приема блока памяти, содержащего k ячеек памяти для запоминания по каждому из т каналов в п положениях переключателя «излучение- прием принятых эхосигналов, дискретизированных по / элементам дистанции, Ьпп выходов блока памяти соединены с соответствующими Ъпп входами двухкоординатного электронного индикатора, выполненного Ьип-канальным.
При переходе к новой элементной базе, тракт приема, включающий устройство обработки принятых сигналов, блок памяти и пульт управления с электронным индикатором, вьшолнен на цифровой вычислительной технике.
Таким образом, заявленные технические результаты достигнуты путем замены ненаправленного излучения и приема эхосигналов вращающейся диаграммой направленности на параллельно-последовательное излучение и прием эхосигналов веером статических ДН, а также накопления и представления информации об обнаруженных подводных обьектах на многоканальном электронном индикаторе.
Сущность полезной модели поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1 и видом информации, отображаемой на экране электронного индикатора, представленным на фиг. 2.
Предлагаемая полезная модель содержит гидроакустическую цилиндрическую антенну 1 из пьезоэлектрических преобразователей обьединенных в и-идентичных поясов, генераторное устройство 2, я-позиционный переключатель «излучение- прием 3, тракт приема 4, включающий устройство обработки принятых сигналов 5, блок памяти 6, пульт управления 7 с электронным индикатором 8.
Гидроакустическая антенна 1 предназначена для преобразования электрических сигналов, поступающих на нее в режиме излучения от генераторного устройства в акустические сигналы, и для преобразования принимаемых акустических сигналов в электрические, которые подаются в тракт приема.
В предложенной ГЛС гидроакустическая антенна конструктивно нредставляет собой цилиндр, собранный из шести (л) поясов, по окружности которых равномерно расположены восемь (т) пьезоэлектрических преобразователей. Каждый из этих приемо-излучающих преобразователей, являющихся направленным, формирует отдельный пространственный канал. Ширина ДН каждого пьезоэлектрического преобразователя на рабочей частоте составляет по горизонтали 7,5°, по вертикали 20°.
Угол между акустическими осями восьми ДН каждого пояса составляет 45°, при этом каждый пояс развернут вокруг своей оси относительно соседнего пояса на угол 7,5°. Таким образом, гидроакустическая антенна формирует в круговом горизонтальном секторе веер из 48 (тп), перекрывающихся на уровне 0,7 статических ДН.
Реализуемая ширина ДН в вертикальной плоскости обеспечивает обзор водного слоя до заданной глубины, что исключает необходимость изменения угла наклона ДН.
Генераторное устройство 2 предназначено для формирования, усиления и регулирования мощности зондирующих импульсов в соответствии с управляющими сигналами, поступающими из пульта управления 7 и поочередной подаче усиленных электрических импульсов на пояса антенны.
Описание состава генераторного устройства приведено в 2 на стр. 153, при этом в нашем случае в качестве источника энергии использован емкостной накопитель с частичным разрядом, описание которого известно, например из 7, стр. 240...247.
Переключатель «излучение- прием 3 в соответствии с управляющими сигналами, поступающими из пульта управления 7 производит поочередное подключение каждого пояса гидроакустической антенны 1 к выходу генераторного устройства 2 в режиме излучения и к восьми входам устройства обработки принятых сигналов 5 в режиме приема. Устройство переключателя «излучение- прием известно, например из 8 стр. 77...80.
Тракт приема 4 предназначен для частотно-временной обработки сигналов, поступающих в режиме приема от гидроакустической антенны 1, накопления и отображения их на электронном индикаторе 8. Устройство приемного тракта гидролокационной станции кругового обзора известно и описано, например в 8 на стр. 99... 132.
При переводе элементной базы тракта приема на цифровую вычислительную технику аналого-цифровое преобразование сигналов, их ввод в ЦВМ и обработка в цифровом виде производится согласно принципам, описанным в 9 на стр. 32...42 и в 10 настр. 389...436.
Устройство обработки принятых сигналов 5 предназначено для усиления, частотного преобразования спектра и фильтрации принятых сигаалов. Принципы и устройства, реализующие указанную обработку известны, например из 8, стр. 112...115.
Введенный в тракт приема 4 блок памяти 6, являющийся оперативным запоминающим устройством ЦВМ, предназначен для накопления эхосигналов при параллельном приеме по восьми пространственным каналам, формируемым пьезоэлектрическими преобразователями каждого пояса антенны 1, в шести положениях переключателя «излучение- прием 3, переключающего каждый пояс антенны на прием после каждого цикла излучения. При этом для накопления эхосигналов, дискретизиррованных по 500 (/) элементам дистанции, по каждому из 48 пространственных каналов в блоке памяти отводится пятнадцать (К) ячеек. Выходы каждой из 720 (kmn) ячеек блока памяти 6 соединены с соответствующими входами электронного индикатора 8.
Электронный индикатор кругового обзора 8 является двухкоординатным индикатором с яркостной отметкой и служит для отображения информации, поступающей из блока памяти 6, а также классификации, определения дистанции и курсового угла всех отображенных на нем объектов, находящихся в пределах дальности действия ГЛС.
построения электронного индикатора кругового обзора известны, например из 8, стр. 130... 133. В рассмотренном случае 720-канальный электронный индикатор кругового обзора обеспечивает отображение обнаруженного объекта отдельными яркостными отметками, соответствующими каждому эхосигнгшу, приходящему в каждом из 15 циклов «излучение-прием по каждому из 48 пространственных каналов.
Для изображения отметок эхосигналов по шкале дистанций в электронном индикаторе ГЛС по каждому из 720 каналов, расположенных по оси абсцисс, реализуется 500 (/) элементов разрешения по оси ординат.
ГЛС работает следующим образом.
Перед включением излучения задаются его параметры: шкала дистанций, тип и длительность зондирующего сигнала, мощность излучения, после чего запускается цикл «излучение-прием. Генераторное устройство 2 формирует электрический импульс с рабочей частотой заполнения и подает его через коммутатор «излучение- прием на гидроакустическую антенну 1, где он преобразуется в акустический сигнал, излучаемый в водную среду.
Сигнал  одновременно восемь пьезоэлектрических преобразователей одного пояса. При наличии в зоне обзора ГЛС объектов, отраженные от них эхосигналы в смеси с помехами принимаются теми же восемью пьезоэлектрическими преобразователями и преобразуются в электрические сигналы, поступающие через коммутатор «излучение-прием 3 на восемь входов устройства обработки принятых сигналов 5. В нем принятые сигналы усиливаются, преобразуются по частоте, фильтруются, переводятся в цифровой вид и подаются на восемь входов блока памяти 6.
После запоминания принятых и обработанных реализаций сигналов в восьми соответствующих ячейках блока памяти 6 переключатель «излучение- прием 3 подключает к выходу генераторного устройства 2 следуюпщй пояс антенны 1 и начинается новый цикл «излучение- прием. В результате пятнадцатикратного последовательного
переключения шести поясов антенны 1 с излучения на прием в ячейках блока памяти 6 накапливается 720 реализаций эхосигналов, дискретизированных по 500 элементам дистанции.
Для отображения информации по каждому из 48 направлений наблюдения, соответствующим курсовым углам в секторе 0°±180°, на экране электронного индикатора 8 отводится 48 вертикальных полос, состоящих из пятнадцати линий. При этом эхосигналы, отраженные от объекта, индицируются на линии яркостными отметками (фиг. 2).
Набор полного кадра информации на экране электронного индикатора 8 по 48 направлениям осуществляется последовательно за пятнадцать циклов «излучение- прием, дальнейшее обновление информации производится в текущем режиме: после каждого нового цикла «излучение- прием удаляется информация начального цикла, оставшаяся на экране информация сдвигается и на освободившемся месте отображается информация, полученная в последнем цикле и так далее.
В результате, при параллельно-последовательном круговом обзоре пространства, реализуемом в заявленной полезной модели, обеспечивается одновременное обнаружение всех подвижных и неподвижных отражающих объектов и отображение эхосигналов от них на экране электронного индикатора в виде протяженных групп (трасс) яркостных отметок. Трассы формируются из яркостных отметок, соответствующих эхосигналам от объектов, накопленным в блоке памяти на протяжении пятнадцати циклов «излучение-прием и отображаемым на экране индикатора в соответствии с направлениями на объекты и дистанциями до них.
Из фиг. 2 видно, что трассы от неподвижных объектов вида «б имеют горизонтальное положение, а трассы от подвижных объектов вида «о имеют наклон, характер которого зависит от величины и направления изменения дистанции до объекта. Они могут легко обнаруживаться и классифицироваться оператором ГЛС.
Таким образом задача, поставленная в заявляемой полезной модели вьшолнена, так как по сравнению с прототипом в предложенной ГЛС за счет параллельнопоследовательного кругового обзора с использованием веера статических диаграмм направленности обеспечивается уверенное обнаружение и достоверная классификация движупщхся объектов, а также в два раза снижена мощность излучения и энергопотребления.
Источники информации
1.Логинов К.В. «Электро-навигационные и рыбопоисковые приборы, М.: Легкая и пищевая промьшшенность, 1983
2.Тикунов А.И. «Рыбопоисковые приборы и комплексы. Л.: Судостроение, 1989
3.Патент США № 5142505 по кл. G 01 S 15/87
4.Патент Японии № 4-64433 по кл. G 01 S 7/52
5.Патент Японии № 3-16628 по кл. G 01 S 7/52
6.ГАС обнаружения подводных пловцов Sea Guardian Swimmer Detection Sonar, каталог-справочник JANES 1999 (раздел Janes Underwater Warfare System)
7.РОПШСКИЙ В.Ю. «Электропитание радиоустройств, Л.: Энергия, 1970
8.Колчеданцев А.С. «Гидроакустические станции. Л.: Судостроение, 1982
9.Рокотов С.П., Титов М.С. «Обработка гидроакустической информации на судовых ЦВМ, Л.: Судостроение, 1979
10.«Применение цифровой обработки сигналов ц/р Э. Оппенгейма, М.: Мир, 1980