ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ НАДВОДНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована на нефтегазодобывающих платформах, на надводных кораблях, а также при исследованиях Мирового океана.
Активно-пассивные гидроакустические станции (ГАС) обычно содержат приемно-излучающую гидроакустическую антенну, излучающий и приемный тракты, соединенные с центральным вычислительным комплексом (ЦВК) и управляемые с пульта ГАС [1, 2, 3]. Некоторые из ГАС надводных кораблей и подводных лодок имеют выпускаемую длинномерную линейную антенну [1, 4, 5].
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой полезной модели гидроакустической станции является «Гидроакустическая станция для надводного корабля» по патенту на полезную модель [6], который принят за прототип. Устройство-прототип содержит ЦВК с пультом управления, тракт излучения с малогабаритной ненаправленной низкочастотной излучающей антенной и тракт приема с протяженной буксируемой антенной, выполненной как линейная многоканальная антенна. Излучающая и приемная антенны выпускаются на нужную глубину с помощью спуско-подъемного устройства (СПУ) и в рабочем положении располагаются горизонтально. Антенны соединены с приемным и излучающим трактами кабель-тросом. В излучающую антенну встроен датчик глубины для контроля возникновения кавитации.
Устройство-прототип обладает рядом недостатков, которые не позволяют использовать его при необходимости работы с неподвижного носителя, например, с буровой платформы, т.к. при работе обе антенны должны находиться в горизонтальном положении, а такое положение они занимают при спуске антенн, когда носитель движется. К основным недостаткам прототипа можно также отнести:
- излучающая низкочастотная антенна выполнена ненаправленной, поэтому невозможно осуществить направленное (секторное) излучение;
- у приемной антенны отсутствует направленность в вертикальной плоскости, что не позволяет определять глубину расположения цели при анализе эхосигнала;
- приемный и излучающий тракты в устройстве-прототипе полностью размещены на борту корабля-носителя, что увеличивает количество информационных каналов кабель-троса, а также габариты бортовой аппаратуры.
Основной задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение обнаружения цели с неподвижного носителя, определение координат цели, в том числе дистанции и глубины расположения, при сокращении числа информационных коммуникаций и повышении помехозащищенности.
Для решения поставленной задачи в гидроакустическую станцию надводного объекта, состоящую из аппаратуры, размещаемой на его борту и опускаемой при помощи кабель-троса, спуско-подъемного устройства (СПУ) и забортной аппаратуры (ЗБА), причем забортная аппаратура соединена через кабель-трос с бортовой аппаратурой, бортовая аппаратура (БА) содержит центральный вычислительный комплекс (ЦВК) с монитором и пультом управления, выполненный с возможностью подключения к периферийным и внешним устройствам, систему электропитания и генераторное устройство (ГУ), сигнальный вход/выход которого соединен с ЦВК, а силовой выход - с кабель-тросом, ЦВК соединен через кабель-трос с забортной аппаратурой; забортная аппаратура содержит первую и вторую гидроакустические антенны, причем первая гидроакустическая антенна выполнена как гибкая протяженная линейная приемная антенна, соединенная через первую многоканальную аппаратуру предварительной обработки (АПО1) и кабель-трос с ЦВК,
введены новые признаки, а именно
- первая гидроакустическая антенна в рабочем положении расположена вертикально, выполнена в виде цифровой фазированной антенной решетки с возможностью формирования статического веера характеристик направленности в вертикальной плоскости, и содержит многоканальный блок гидроакустических преобразователей (БГП) и последовательно соединенную с ним АПО1, герметизированные в едином конструктиве;
- вторая гидроакустическая антенна выполнена в виде многоканальной приемно-излучающей фазированной антенной решетки цилиндрической формы (ПИА) с возможностью формирования статического веера ХН, при этом ось ПИА в рабочем положении расположена вертикально,
- генераторное устройство выполнено многоканальным;
- дополнительно введены вторая аппаратура предварительной обработки (АПO2), выполненная многоканальной, первый блок ориентации (БО1), соединенный с каналом АПО2,и трансивер (ТС), причем входы АПО1 соединены с каналами БГП, а выходы - с первым входом ТС, входы АПО2 соединены с каналами ПИА, а выходы - со вторым входом ТС, а кабель-трос содержит силовые жилы и оптоволоконные жилы, оптоволоконные жилы кабель-троса соединены с выходами ТС, а силовые жилы кабель-троса - с каналами второй гидроакустической антенны.
Оптимальной является конструкция забортной аппаратуры, выполненная в виде трех модулей - верхнего, среднего и нижнего, причем верхний модуль механически и электрически соединен с кабель-тросом, средний модуль соединен механически и электрически с верхним и нижним модулями. Верхний модуль представляет собой цилиндр, на внешней поверхности которого установлены гидроакустические преобразователи, образующие ПИА, а во внутренний объем помещен герметичный контейнер, в котором размещены АПО1, БО1 и ТС. Средний модуль представляет собой первую гидроакустическую антенну, а нижний модуль является герметичным контейнером, содержит второй блок ориентации (БО2), соединенный с каналом АПО2, а также груз, предназначенный для удержания первой гидроакустической антенны в вертикальном положении.
Техническими результатами использования введенных новых признаков для предлагаемой полезной модели, обоснованность которых представлена ниже, являются:
- возможность работы с неподвижного носителя с использованием гидроакустической антенны, которая занимает вертикальное положение под действием груза (контроль вертикального положения осуществляется введенным блоком БО1); вертикальная антенна обеспечивает возможность точного определения глубины расположения цели, направленность определяется размером вертикальной антенны;
- обеспечение ненаправленного и направленного излучения в горизонтальной плоскости, что позволяет реализовать круговой и секторный обзор в активном режиме и повысить уровень давления в зондирующем сигнале, при этом направленность определяется диаметром второй гидроакустической антенны;
- уменьшение количества информационных каналов кабель-троса за счет использования оптоволоконных линий и формирования в каждом оптическом канале пакета сигналов различных каналов антенны и АПО;
- повышение помехозащищенности АПО и каналов кабель-троса за счет приближения каналов АПО к акустическим преобразователям первой и второй антенн, в том числе путем встраивания в тело второй антенны модулей АПО, а также за счет передачи информации по длинной линии (кабель-тросу) в виде оптических сигналов.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой приведена схема электрических соединений входящих в устройство элементов и фиг. 2 на которой представлено положение частей устройства при работе по прямому назначению, а в качестве объекта-носителя схематически представлена буровая платформа.
Предложенная ГАС содержит бортовую аппаратуру 1 (БА), расположенную на объекте-носителе, и забортную аппаратуру 2 (ЗБА), которые соединены кабель-тросом 3. Кабель-трос 3 содержит силовые жилы и оптоволоконные жилы (фиг. 1). ЗБА опускается с объекта-носителя на заданную глубину с помощью спуско-подъемного устройства (СПУ) (фиг. 2).
БА 1 состоит из соединенных между собой ЦВК 4 и генераторного устройства 5 (ГУ), причем каналы ГУ соединены с силовыми жилами кабель-троса 3. ЦВК 4 соединен с оптоволоконными жилами кабель-троса.
ЗБА 2 состоит из трех модулей - верхнего модуля 6 (ВМ), первой гидроакустической антенны, которая выполнена в виде вертикальной протяженной антенны 7 (ВПА) и представляет собой средний модуль (фиг. 2), и нижнего модуля 8 (НМ), выполненного в виде герметичного контейнера. Модули механически соединены фланцами (см. фиг. 2), а ВМ 6 соединен фланцем с кабель-тросом 3.
ВМ 6 (фиг. 1) содержит вторую гидроакустическую антенну 9, которая выполнена в виде приемно-излучающей цилиндрической антенны (ПИА), и герметичный контейнер 10 (ГК). ГК 10 содержит вторую аппаратуру предварительной обработки 11 (АПО2), первый блок ориентации 12 (БО1) и транссивер 13 (оптико-электронный преобразователь - ТС). АПО2 11 электрически соединена с ПИА 9, БО1 12 и ТС 13. БО1 12 предназначен для контроля ориентации ПИА 9 в горизонтальной плоскости.
Средний модуль ЗБА 2, представляющий собой первую гидроакустическую антенну, которая является цифровой фазированной антенной решеткой, содержит многоканальный блок гидроакустических преобразователей 14 (БГП), каждый канал которого соединен электрически с соответствующим каналом первой аппаратуры предварительной обработки 15 (АПО1). АПО1 15 электрически соединена с транссивером 13.
Нижний модуль 8 представляет собой второй герметичный контейнер, содержит второй блок ориентации 16 (БО2) и груз 17, предназначенный для удержания СМ 7 в вертикальном положении. БО2 16 соединен электрически с каналами АПО2 91 и предназначен для контроля ориентации СМ 7 в вертикальной плоскости.
БА 1 содержит также систему электропитания (не показана на фиг. 1 и 2), вход которой соединен с сетью электропитания объекта-носителя, а выходы - с ЦВК 4, ГУ 5, а также через силовые жилы кабель-троса 3 с АПО2 11, БО1 12, АПО1 15 и БО2 16.
Конструктивно ВМ 6 представляет собой цилиндр, закрытый крышками-фланцами, верхний фланец соединен с фланцем кабель-троса 3, а нижний - с верхним фланцем ВПА 7 (фиг. 2). На стенках цилиндра установлены гидроакустические преобразователи ПИА 9, а во внутренний объем цилиндра помещен ГК 10. Фланцы всех модулей ЗБА 2 соединены механически, через них проходят электрические соединения.
Конструктивные и иные характеристики отдельных узлов и элементов, составляющих ГАК, известны из литературы.
Антенна 9 является обратимой, предназначена для преобразования акустических сигналов в электрические (в приеме), электрических сигналов в акустические (при излучении). ВПА 7 конструктивно такая же, как гибкая протяженная буксируемая антенна. Сведения о конструкциях антенн 7 и 9 представлены в [5, 7, 8, 10].
Генераторное устройство 5 выполняет функции многоканального усилителя мощности, структура усиливаемого сигнала в каждом канале которого формируется ЦВК 4 [2].
Аппаратура предварительной обработки 11 и 15 выполняется на аналоговых или аналого-цифровых средствах. Основные функции АПО - усиление и фильтрация. В зависимости от построения схемы обработки в АПО может быть реализовано преобразование данных из аналогового вида в цифровой [1, 2].
Основные функции ЦВК 4 и входящих в состав ЦВК средств отображения, регистрации, документирования и управления, изложены в книге [1]. ЦВК работает с данными в цифровом виде. Содержанием его работы являются алгоритмы управления, формирования и обработки информации, реализуемые программными средствами. В зависимости от решаемых задач ЦВК может представлять собой многомашинный комплекс, состоящий из процессоров различных типов [1]. В ЦВК предусмотрены гнезда и порты для подключения периферийных устройств (микрофон, телефоны, принтер, внешняя память и т.п.).
Описание работы блоков ориентации 12 и 16 представлено в статье [9]. БО1 и БО2 идентичны по конструкции, разворот ПИА 9 контролируется магнитометром, а отклонение от вертикали ВПА 7 - трехкомпонентным акселерометром. Оба эти устройства входят в состав БО1/БО2.
Спуско-подъемное устройство представляет собой катушку-барабан, на которую наматывается кабель-трос 3.
Предлагаемое устройство предназначено для работы в стационарном положении объекта-носителя, которым может быть надводный корабль, находящийся в дрейфе, или морская платформа. В рабочем положении забортная аппаратура 6 с помощью спуско-подъемного устройства выпускается в воду (см. фиг. 2).
Работой станции управляет оператор, который размещается за пультом управления. Оператор выбирает необходимый режим работы, а также, в зависимости от гидролого-акустических условий, выбирает горизонт, на который подымает/опускает забортную аппаратуру. В случае выбора режима излучения зондирующий сигнал излучается с помощью ПИА 9, эхосигнал от цели принимается ПИА 9 и вертикальной приемной антенной (CM 7). Принятый ПИА 9 сигнал проходит первичную обработку в каналах АПО2 11, а принятый вертикальной антенной - в каналах АПО1 15. После АПО1, АПО2 сигналы поступают в транссивер 13, где преобразуются в оптические и по оптоволоконным жилам кабель-троса 3 поступают в ЦВК 4. Одновременно из БО2 12 в ЦВК поступает информация о положении ПИА 9, а из БО1 - о положении вертикальной антенны и в ЦВК учитываются соответствующие поправки. В ЦВК 4 выполняется вторичная обработка, состоящая в определении пеленга на цель, глубины расположения цели и дистанции до нее.
Таким образом, оказывается решенной задача подводного наблюдения [1], состоящая в обнаружении цели и определении ее координат. Данные в виде цифро-буквенной или иной информации поступают на монитор и предъявляются оператору.
Введение в ГАК новых существенных признаков обеспечивает заявленный технический эффект:
- возможность работы с неподвижного носителя;
- реализация направленного излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- формирование направленного приема в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что, вместе с определением угловых координат в обеих плоскостях и определением дальности до цели по эхосигналу полностью решает координатную задачу подводного наблюдения [1, 2];
- прием эхосигнала на две антенны позволяет осуществлять совместную обработку;
- уменьшение длины коммуникаций канал антенны - канал аппаратуры первичной обработки повышает помехозащищенность устройства в самом уязвимом месте; дополнительно повышает помехозащищенность использование передачи сигналов по длинной линии (кабель-тросу) через оптоволоконные каналы.
Полезная модель обеспечивает заявленный технический эффект и может использоваться с носителей, находящихся в стационарном положении при выполнении подводно-технических работ различного назначения, а также для исследовательских целей.
Источники информации
1 Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб: Наука, 2004.
2 Справочник по гидроакустике, 2-е изд. Л.: Судостроение, 1988.
3 Патент РФ на полезную модель №111308. Гидроакустический комплекс надводного корабля. МПК G01S 15/87.
4 Патент РФ №2502085. Гидроакустическая станция для надводного корабля. МПК G01S 17/02.
5 Патент РФ на полезную модель №104330. Гидроакустическая станция для надводного корабля. МПК G01S 15/88.
6 Патент РФ на полезную модель №67291. Гидроакустического станция надводного корабля. МПК G01S 15/89 (ПРОТОТИП).
7 Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л.: Судостроение, 1984.
8 Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Рубанов И.Л. Разработка гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной для освещения подводной обстановки. // Датчики и системы, 2008, №11, стр. 29-31.
9 Желтаков А.В., Семенова С.А. Система ориентации гидроакустической протяженной буксируемой антенны (ГПБА) // Подводные исследования и робототехника, 2011. №2 (12). С. 56-63
10 Патент РФ №2426146. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна. МПК G01S 7/52.