ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС НАДВОДНОГО КОРАБЛЯ

Полезная модель относится к области гидроакустики.
Известны гидроакустические станции и комплексы надводного корабля (ГАС и ГАК НК), содержащие приемо-излучающую антенну, расположенную в бульбовом обтекателе в носовой части корабля (подкильный гидролокатор), и приемо-излучающую антенну, буксируемую за НК на заданной глубине (буксируемый гидролокатор). Антенна, расположенная в бульбовом обтекателе, наиболее эффективна в гидроакустических условиях приповерхностного звукового канала [1, 2]. Недостатками подкильных гидролокаторов является низкая эффективность поиска в неблагоприятных гидроакустических условиях, а именно при нахождении цели под слоем скачка скорости звука (при отрицательной рефракции). В таких условиях используется, как правило, буксируемый гидролокатор [1].
В известных ГАК НК используется так называемый метод моностатической ГЛ, при котором излучение и прием осуществляются только на подкильную, или только на буксируемую антенну, в зависимости от условий наблюдения.
Недостатком известных ГАК НК, работающих в режиме моностатической гидролокации, является низкая эффективность при поиске целей в неблагоприятных гидроакустических условиях, например, при маневрировании цели непосредственно вблизи слоя скачка скорости звука.
Известен ГАК НК [3], содержащий первую цилидрическую акустическую антенну, размещенную в буксируемом при помощи кабель-троса носителе, вторую цилиндрическую акустическую антенну, размещенную в бульбовом или подкильном обтекателе, тракт излучения, включающий последовательно соединенные задающий генератор, блок усилителей мощности, антенный коммутатор, первый и второй блок согласующих устройств, выходы которых через первый и второй коммутаторы приема-передачи соединены соответственно с первой и второй цилиндрическими акустическими антеннами, также содержащий первый тракт приема сигналов, включающий первую систему первичной обработки, вход которой через первый коммутатор приема-передачи соединен с выходом первой антенны, а выход соединен с первым входом системы вторичной обработки, второй тракт приема сигналов, включающий вторую систему первичной обработки, вход которой через второй коммутатор приема-передачи соединен с выходом второй антенны, а выход соединен с вторым входом системы вторичной обработки, также содержащий пульт управления и индикации, первый информационный вход которого подключен к выходу системы вторичной обработки, а выходы управления подключены к соответствующим входам тракта излучения, первого и второго трактов приема сигналов, при этом излучение и прием гидроакустических сигналов осуществляется либо первой приемо-излучающей антенной, расположенной в буксируемом при помощи кабель-буксира носителе, либо второй приемо-излучающей антенной, расположенной в бульбовом обтекателе. Недостатком известного ГАК НК является низкая эффективность при маневрировании цели непосредственно вблизи слоя скачка скорости звука (±10 м относительно горизонта СС3).
По количеству общих признаков известный ГАК НК наиболее близок к предлагаемой полезной модели и вследствие этого принят за прототип.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности действия ГАК НК при маневрировании цели вблизи слоя скачка скорости звука за счет использования метода бистатической гидролокации.
Для обеспечения указанного технического результата в известном ГАК НК, содержащем первую цилидрическую акустическую антенну, размещенную в буксируемом при помощи кабель-троса носителе, вторую цилиндрическую акустическую антенну, размещенную в бульбовом или подкильном обтекателе, тракт излучения, включающий последовательно соединенные задающий генератор, блок усилителей мощности, первый  второй антенные коммутаторы, первый и второй блок согласующих устройств, выходы которых через первый и второй коммутаторы приема-передачи соединены соответственно с первой и второй цилиндрическими акустическими антеннами, также содержащий первый тракт приема сигналов, включающий первую систему первичной обработки, вход которой через первый коммутатор приема-передачи соединен с выходом первой антенны, а выход соединен с первым входом системы вторичной обработки, второй тракт приема сигналов, включающий вторую систему первичной обработки, вход которой через второй коммутатор приема-передачи соединен с выходом второй антенны, а выход соединен с вторым входом системы вторичной обработки, также содержащий пульт управления и индикации, первый информационный вход которого подключен к выходу системы вторичной обработки, а выходы управления подключены к соответствующим входам тракта излучения, первого и второго трактов приема сигналов, введен блок вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации, вход которого соединен с информационным выходом пульта управления, а выход соединен с третьим входом системы вторичной обработки, при этом первый дополнительный выход пульта управления и индикации соединен с входами антенного коммутатора первой антенны и вторым коммутатором приема-передачи, а второй дополнительный выход пульта управления и индикации соединен с входами антенного коммутатора второй антенны и первым коммутатором приема-передачи.
В результате введения в состав ГАК НК блока вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации обеспечивается расчет дистанций в бистатическом режиме ГЛ для выдачи данных для отображения информации на экране пульта управления и индикации. Дополнительные выходы пульта управления и индикации обеспечивают либо излучение гидроакустических сигналов первой приемо-излучающей антенной и прием второй приемо-излучающей антенной, либо излучение второй приемо-излучающей антенной и прием первой приемо-излучающей антенной.
Использование бистатического режима ГЛ на НК является эффективным при поиске целей в неблагоприятных гидроакустических условиях, например при маневрировании цели непосредственно вблизи слоя скачка скорости звука.
Технический результат подтверждается расчетами и прямыми натурными экспериментами в морских условиях.
Как известно, дальность обнаружения в режимах ГЛ определяется, в том числе, такими факторами как давление излучения, коэффициент концентрации в приеме, уровень помех работе ГАК, эквивалентный радиус цели, а также ВРС3 и заглублением цели и буксируемой антенны.
Физическими предпосылками эффективности бистатической гидролокации с использованием подкильной и буксируемой антенн при наличии слоя скачка скорости звука являются следующие.
Цилиндрические подкильные антенны, как правило, имеют более высокий уровень давления излучения. При локации цели, находящейся ниже СС3, и прохождении звука через слой СС3 имеют место существенные потери звуковой энергии за счет рассеяния. Используя повышенную мощность излучения эти потери можно компенсировать. Но такие же потери будут иметь место и при приеме эхосигнала на подкильную антенну. Поэтому при приеме эхосигнала на буксируемую антенну, расположенную ниже СС3, можно получить более высокое отношение сигнал/помеха, учитывая, что уровень помех работе буксируемых антенн, в большинстве случаев, ниже, чем для подкильных.
Буксируемые антенны, как правило, имеют меньшие размеры, по сравнению с подкильными, и поэтому имеют меньший коэффициент концентрации в приеме и меньшую мощность излучаемых сигналов. При облучении цели буксируемой антенной, даже более низкой мощностью, за счет высокого коэффициента концентрации подкильных цилиндрических антенн в приеме удается получить более высокое отношение сигнал/помеха по сравнению приемом на буксируемую антенну, даже при более высоком уровне помех работе подкильной антенны.
Влияние указанных физических факторов подтверждается расчетами по известным методикам [2].
Таким образом, в каждом конкретном случае использования режима бистатической гидролокации требуется детальный учет всех факторов и выбор излучающей и приемной антенн на основе расчетов зон обнаружения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4, где приведены, соответственно, на Фиг.1 - блок-схема предлагаемого ГАК НК, на Фиг.2 - пример реализации блока расчета дистанции в режиме БГЛ, на Фиг.3 - типовой разрез скорости звука по глубине (ВРС3), на Фиг.4 (а, б, в) - расчетные зависимости дальности обнаружения цели от глубины ее погружения в мелком море (глубина моря принята равной 100 м) в условиях типового ВРС3, приведенного на фиг.3.
Предлагаемая полезная модель ГАК НК (фиг.1) содержит первую цилиндрическую акустическую антенну 1, размещенную в буксируемом носителе 2, вторую цилиндрическую акустическую антенну 3, размещенную в бульбовом обтекателе, тракт излучения 4, включающий последовательно соединенные задающий генератор 5, блок 6 усилителей мощности, первый 7 и второй 8 антенные коммутаторы, первый блок 9 и второй блок 10 согласующих устройств, при этом выходы антенных коммутаторов 7 и 8 соединены соответственно с входами первого 9 и второго 10 блоков согласующих устройств, первый 12 тракт приема сигналов, включающий последовательно соединенные первый блок 11 коммутации прием-передача, размещенный в буксируемом носителе 2, первую систему 13 первичной обработки и систему 14 вторичной обработки, причем первые информационные входы первого блока 11 коммутации прием-передача соединены с выходом первого блока 9 согласующих устройств, а вторые информационные входы подсоединены к выходам электроакустических преобразователей первой цилиндрической акустической антенны 1.
ГАК (фиг.1) также содержит второй тракт 15 приема сигналов, включающий последовательно соединенные второй блок 16 коммутации прием-передача, вторую систему 17 первичной обработки, выход которой соединен с вторым входом системы 14 вторичной обработки, при этом первые информационные входы второго блока 16 коммутации прием-передача соединены с выходом второго блока 10 согласующих устройств, а вторые информационные входы подсоединены к выходам электроакустических преобразователей второй цилиндрической акустической антенны 3.
ГАК также содержит пульт 18 управления и индикации, выходы управления которого подключены к соответствующим входам управления тракта 4 излучения, первого 12 и второго 15 трактов приема сигналов (на фиг.1 указанные связи не показаны ввиду общепринятого подхода к функциональному назначению пультов управления и с целью упрощения блок-схемы). В целях обеспечения работы ГАК в бистатическом режиме гидролокации первый выход управления пульта 18, соединенный с первым антенным коммутатором 7, подключен к входу управления второго блока 16 коммутации прием-передача, второй выход управления пульта 18, соединенный с вторым антенным коммутатором 8, подключен к входу управления первого блока 11 коммутации прием-передача.
Информационный выход пульта 18 управления и индикации соединен также с информационным входом блока 19 вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации, выход которого соединен с третьим входом системы 14 вторичной обработки.
Блок 19 вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации включает, например, ячейки 20 и 21 памяти и вычислитель 22.
При решении задач поиска ПЛ в сложных гидрологических условиях, например, вблизи слоя скачка скорости звука, целесообразно совместное использование АПГ и антенны в бульбовом (подкильном) обтекателе ГАК.
Работа предлагаемого ГАК в бистатическом режиме гидролокации.
По результатам замера распределения скорости звука по глубине в районе плавания и расчета зон обнаружения в бистатическом режиме гидролокации оператор определяет оптимальную глубину буксировки АПГ.
Затем с помощью корабельного спуско-подъемного устройства, используя кабель-буксир, закрепленный на буксируемом носителе 2, оператор опускает буксируемый носитель 2 на выбранную глубину. При этом в пульте управления 18 вырабатывается значение горизонтальной проекции расстояния между антеннами (L). Величина L поступает в блок 19 расчета дистанций из пульта управления в текущем режиме, она определяется скоростью корабля и длиной вытравленного кабель-буксира.
Для решения задачи обнаружения в бистатическом режиме гидролокации оператор устанавливает с помощью пульта 18 управления и индикации требуемые режимы излучения с использованием первой 1 или второй 3 антенны и соответствующие режимы обработки эхосигналов во втором 15 или первом 12 приемном тракте.
В зависимости от решаемой задачи оператор производит с помощью пульта 18 включение шкалы дистанции и типа зондирующих сигналов, формируемых задающим генератором 5. При этом в пульте управления 18 вырабатываются значения интервала обработки (Δt) и число отсчетов по дистанции N.
При работе тракта 4 излучения на первую цилиндрическую акустическую антенну 1 с помощью антенного коммутатора 7 выходы блока 6 усилителей мощности подключаются к выходам второго блока 9 согласующих устройств.
При запуске цикла излучение-прием начинается формирование зондирующих сигналов в задающем генераторе 5, которые усиливаются в блоке 6 усилителей мощности, далее через антенный коммутатор 7, второй блок 9 согласующих устройств, первый блок 11 коммутации прием-передача поступают на электроакустические преобразователи первой цилиндрической акустической антенны 1 и излучаются в водную среду.
излi
излi
После окончания излучения второй блок 16 коммутации прием-передача переключается на прием сигналов от антенны 3. Одновременно в пульте управления 18 вырабатывается признак начала отсчета дистанции и номер излучающей антенны A(i=1,2). Значения A, L, Δt, N и значение скорости звука «с» передаются в блок 19 расчета дистанции в режиме БГЛ.
В блоке 19 производится расчет текущего значения дистанции для приемной антенны буксируемого гидролокатора по формуле
n
где: t - текущее время от окончания излучения,
n
t=n∗Δt, n=1…N,
хн
Q - направления осей ХН (пространственных каналов) приемной антенны,
L - расстояние между акустическими центрами антенн,
c - скорость звука в воде.
Акустические сигналы (в том числе и эхосигналы цели) преобразуются акустическими преобразователями второй цилиндрической акустической антенны 3 в электрические сигналы и через блок 16 коммутации прием-передача поступают на вход системы 17 первичной обработки, где производится их усиление, фильтрация и аналого-цифровое преобразование сигналов.
В системе 17 первичной обработки сигналов [1, 4] также решаются задачи формирования пространственно-частотных спектров, максимизации отношения сигнал-помеха, выделение огибающих и пороговая обработка. Затем информация об обнаруженных сигналах поступает на вход системы 14 вторичной обработки.
В системе 14 вторичной обработки [1, 4] решаются задачи классификации обнаруженных сигналов, автоматического сопровождения целей, определения их координат и параметров движения, формирования трасс движения целей и их анализ, а также подготовка информации к отображению на экранах пульта 18 управления и индикации.
В отличие от моностатической в режиме бистатической гидролокации дистанция для каждой сигнальной отметки на интервале обработки в каждом пространственном канале определяется в блоке 19 расчета дистанции по формуле (1).
Пример реализации блока 19 приведен на Фиг.2.
излi
Блок 19 расчета дистанции может содержать вычислитель 22 и ячейки памяти 20 и 21, в которых с целью упрощения расчетов хранятся значения косинусов курсовых углов направлений пространственных каналов первой и второй антенн в режиме приема. В зависимости от параметра A в вычислитель 22 поступают данные из ячейки 20 или 21.
Работа предлагаемой полезной модели в бистатическом режиме гидролокации при излучении второй антенной 3 и приеме на первую цилиндрическую антенну 1 осуществляется аналогичным образом.
В качестве примера, иллюстрирующего эффективность работы предлагаемого ГАК НК в реальных гидроакустических условиях, на Фиг.4 приведены расчетные дальности обнаружения ПЛ в зависимости от глубины ее погружения при ВРС3, приведенном на Фиг.3. Исходные данные по техническим параметрам для подкильного и буксируемого гидролокаторов соответствуют характеристикам экспортного ГАК МГК-335ЭМ-03 [1]. Несложно заметить, что при глубине погружения цели Нц=30 м (что соответствует условию близости к СС3) при обнаружении ее при помощи приемо-излучающей антенны, расположенной в бульбовом обтекателе, дальность обнаружения составляет D=1639 м (Фиг.4а), при обнаружении цели с использованием приемо-излучающей антенны, расположенной в буксируемом носителе, заглубленном на 30 м, составляет 2848 м (Фиг.4б), при работе в бистатическом режиме - излучение антенной, распложенной в буксируемом носителе, а прием антенной, расположенной в бульбовом обтекателе, составляет 6540 м (Фиг.4в).
Таким образом, введение в состав ГАК НК блока 19 расчета дистанций и его информационных связей, а также дополнительных управляющих выходов пульта 18 управления и индикации обеспечивает возможность определения координат целей в бистатическом режиме гидролокации и в конечном итоге обеспечивает достижение заявленного технического результата.
В качестве буксируемого гидролокатора может использоваться также станция с излучателем, расположенным в буксируемом носителе, и приемной антенной, выполненной в виде гибкой протяженной буксируемой антенны (ГПБА) [1].
Источники информации:
1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В.. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. С-Петербург, Наука, 2004, с.191-197.
2. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. П., «Судостроение», 1981., с.130-141, 179-184.
3. Патент РФ на полезную модель №78954.
4. Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 144 с.