ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве гидроакустического вооружения подводных лодок, а также при проведении подводных геологических и гидротехнических работ и в исследованиях Мирового океана.
Многофзшкциональные комплексы, решающие ряд задач, связанных общей целевой функцией, появились на рубеже 50-х - 60-х гг. в различных областях техники и в настоящее время имеют повсеместное распространение. Наибольшее число комплексов, созданных на базе систем радиоэлектроники и информатики, известно в военно-технической сфере и близких к ней гражданских областях. Так, широко известны комплексы управления полетом космических аппаратов, системы навигации 1, управления и контроля движения самолетов  2 , комплексные РЛС  3 , сейсморазведки  4 .
Гидроакустические комплексы (ГАК) являются основой информационной системы подводных лодок (ПД). ГАК ПЛ появились в начале 60-х гг., и все современные ПЛ комплектуются только ГАК. Типовая комплектация ГАК ПЛ состоит из следующих трактов, которые иногда называют гидроакустическими станциями
- шумопеленгования (ШП), решающего, в основном, задачи обнаружения ПЛ, надводных кораблей, торпед;
МПК GOl S 3/80,15/00
-гидролокации (ГЛ), работающего в активном режиме обнаружения подводных целей с большим эквивалентным радиусом;
-обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС), предназначенного для обнаружения работающих в различных диапазонах гидролокаторов;
-звуконодводной связи и опознавания;
-миноискания (МИ), одновременно выполняющего функции обнаружителя препятствий вблизи ПЛ.
Каждый тракт содержит акустическзто антенну. С излучающей антенной последовательно соединено генераторное устройство, а с приемной - аппаратура предварительной обработки. После предварительной обработки сигналы поступают на дальнейщую обработку в центральную вычислительную систему (ЦВС), где комплексируются потоки информации от различных трактов. Подготовленная информация поступает в систему отображения, регистрации, документирования и зшравления (СОРДиУ) и представляется оператору в буквенно-цифровом или графическом формате, сохраняется на периферийных устройствах, передается во внешние по отношению к ГАК системы.
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой полезной модели ГАК ПЛ является гидроакустический комплекс подводных лодок CSU 90 разработки фирмы STN Atlas Elektronik (ФРГ), который принят за прототип. Информация о ГАК-прототипе представлена в материалах  8-13 . ГАК ПЛ CSU 90 состоит из следующих основных трактов (гидроакустических станций):
-шумопеленгования,
ICjfy/
-связи,
-миноискания.
Тракт ШП ГАК-прототипа содержит основную носовую приемную антенну (в дальнейшем - основная носовая антенна), вьшолненную в виде цилиндра и формирующую статический веер характеристик направленности (ХН) в горизонтальной плоскости. С антенной соединена аппаратура предварительной обработки. В тракте ore имеется высокочастотная антенна, размещенная вьппе ограждения рубки, аппаратура предварительной обработки используется совместно с трактом ШП. Низкои среднечастотный диапазоны обеспечиваются аппаратурой тракта ШП. Тракт Г Л содержит генераторное устройство и последовательно соединенную излучающую антенну. Прием эхосигналов в частотном диапазоне тракта ГЛ осуществляется трактом ШП. Тракт связи не имеет собственной аппаратуры, в режиме излучения используется аппаратура тракта ГЛ, а в приеме - тракта ШП. Тракт МИ содержит приемо-излучающую антенну, последовательно соединенные с антенной генераторное устройство и анпаратуру предварительной обработки. Тракт МИ используется одновременно для обнаружения навигационных препятствий. Через общую щину в ГАК-прототипе осуществляется передача сигналов зшравления, происходит обмен информации между СОРДиУ, ЦВС, аппаратурой предварительной обработки различных трактов и генераторньщи устройствами. В ГАК CSU 90 имеются системы классификации, автоматизированная система контроля и поиска неисправностей, которые формируются программными средствами, а также тракт контроля помех и щумов и система вторичного электропитания.
Основная носовая антенна и антенна МИ находятся в носовом обтекателе, антенна тракта Г Л - в обтекателе ограждения рубки; аппаратура предварительной обработки и другая аппаратура размещены в прочном корпусе ГШ.
ГАК-прототип имеет следующие недостатки:
-размещение антенны ОГС вне основных корпусных конструкций ПЛ требует специального обтекателя, увеличивает гидродинамические  и в целом щумность носителя;
-антенны, используемые в тракте ОГС (высокочастотная и основная носовая), не оптимизированы по чувствительности и характеристикам направленности во всех диапазонах и секторах принимаемых сигналов;
-ограниченный частотный диапазон антенны тракта ГЛ, которая оптимизирована под мощные сигналы этого тракта, не дает возможность реализовать широкополосное излучение сигналов связи, а затенение рубочными конструкциями не обеспечивает излучение в кормовые углы;
-вся аппаратура предварительной обработки размещена в прочном корпусе ПЛ, что требует соответствующих внутренних объемов;
-антенна тракта МИ размещена выше крупногабаритной основной носовой приемной антенны, которая затеняет нижние сектора обзора; кроме того, антенна тракта МИ выполнена без возможности поворота ХН в вертикальной плоскости, что не позволяет отстроится от донной или поверхностной реверберации;
-основная носовая приемная антенна выполнена без возможности различения угла прихода сигналов в вертикальной плоскости, что затрудняет определение угломестной координаты цели, а также классификацию целей.
Задачей предлагаемой полезной модели - гидроакустического комплекса подводной лодки - является оптимальное построение ГАК, имеющего расширенные технические возможности, оптимальное размещение аппаратуры на носителе гидроакустичекого вооружения и, одновременно, устранение недостатков, присущих ГАК-прототипу. Эта задача решается следующим образом:
в гидроакустический комплекс, состоящий из трактов ШП, ГЛ, ОГС, связи и опознавания, МИ и обнаружения навигационных препятствий, системы классификации, автоматизированной системы контроля и поиска неисправностей, тракта контроля и измерения помех и шумов, центральной вычислительной системы, системы отображения, регистрации, документирования и управления, системы вторичного электропитания, причем тракт ШП содержит основнзю носовую прием-ную антенну, вьшолненную с возможностью формирования статического веера характеристик направленности в горизонтальной плоскости, и аппаратуру предвари-тельной обработки, последовательно соединенную с указанной антенной, тракт ГЛ содержит излучающую антенну, размещенную в ограждении рубки, и генераторное устройство, соединенное с антенной, а приемная часть тразста ГЛ является общей с трактом ШП, низко- и среднечастотная часть тракта ОГС является общей с трактом ШП, а высокочастотная часть содержит антенну, формирующую многолепестковзоо ХН в горизонтальной плоскости и соединенную с аппаратурой предварительной обработки тракта ШП, излучающая часть тракта связи в области низких и средних частот является общей с трактом ГЛ, а приемная часть - общей с трактом ШП, тракт миноискания содержит плоскую приемо-излучающую антенну, соединенную с генераторным устройством и аппаратурой предварительной обработки, при этом аппаратура предварительной обработки всех трактов и генераторные устройства соединены через общую информационную щину с центральной вычислительной системой и системой отображения, регистрации, документирования и управления, которая выполнена из двухдисплейных пультов с подключенными периферийными устройствами, введены новые признаки
у/
-в тракт связи и опознавания дополнительно введена излучающая ненаправленная широкополосная антенна, размещенная в носовом обтекателе, и генераторное устройство, последовательно соединенное с антенной;
-высокочастотная антенна тракта ОГС размещена в носовом обтекателе;
-в тракт ОГС введены размещенные в ограждении рубки высокочастотная антенна и щирокополосная антенна, обращенная апертурой в сторону кормовых углов, а также аппаратура предварительной обработики, соединенная с этими антеннами;
-основная носовая приемная антенна выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в днище носителя, с возможностью формирования статического веера характеристик направленности в вертикальной плоскости;
-аппаратура предварительной обработки приемных антенн, находящихся в носовом обтекателе, размещена в герметичной капсуле внутри основной носовой приемной антенны;
-антенна тракта миноискания вьшолнена с возможностью поворота характеристики направленности в вертикальной плоскости и установлена ниже основной носовой приемной антенны.
Техническими результатами использования введенных новых признаков для предлагаемой полезной модели, обоснованность которых представлена ниже, являются:
-з еньщение гидродинамических помех в месте расположения антенн, сохранение оптимальных обводов ПЛ и уменьшение её шумности, так как все акустические антенны ГАК ПЛ, в том числе и дополнительно вводимые, размещены в носовом обтекателе или в ограждении рубки;
//
связных сигналов, можно облучить больший сектор обзора, а дополнительное генераторное устройство повышает надежность работы тракта, укорачиваются коммуникации; эти факторы связаны с введением дополнительной антенны тракта связи и соединенного с антенной генераторного устройства;
-в тракте ОГС можно оптимизировать частотные характеристики чувствительности всего тракта в целом, разделив антенны по частотным поддиапазонам, т.к. диапазон сигналов, регистрируемых трактом ОГС, занимает полосу в десятки килогерц; повьппается вероятность обнаружения сигналов в кормовых углах, особенно опасных при торпедной атаке; эти технические результаты связаны с введением в.тракт ОГС дополнительных антенн;
-повьппаются классификационные характеристики ГАК, поскольку основная носовая приемная антенна вьшолнена с возможностью формирования веера характеристик направленности в вертикальной плоскости ;
-оптимизация с обводами ПЛ в месте установки антенны достигается за счет выполнения основной носовой приемной антенны в виде усеченного конуса;
-достигается экономия объемов внутри прочного корпуса ПЛ, что актуально для всех проектов за счет размещения многоканальной аппаратуры предварительной обработки внутри герметичной капсулы основной носовой приемной антенны;
-в тракте МИ обеспечивается отстройка от помех поверхностной реверберации, так
как антенна миноискания выполнена с возможностью поворота характеристики направленности в вертикальной плоскости ; отсутствует затенение рабочего сектора
углов в сторону дна, где производится поиск мин, так как антенна тракта расположена ниже основной носовой приемной антенны; имеется возможность обнаружения навигационных препятствий при плавании в надводном положении.
/
.е
I
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленной на фиг. 1 обобщенной структурной схемой. Для сопоставления на фиг.2 представлена обобщенная структурная схема ГАК-прототипа.
Тракт щумопеленгования (ШП) предлагаемого ГАК состоит из основной носовой приемной антенны 1, которая вьшолнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону днища ПЛ, и аппаратуры предварительной обработки 2, последовательно соединенной с антенной 1. Аппаратура 2 размещена в герметичной капсуле внутри основной носовой приемной антенны 1 (соединение антенны 1 с аппаратурой 2 показано на фиг. 1 пунктирной стрелкой). Устройства 1, 2 являются многоканальными, состоят из N  М каналов, где N - количество ХН (пространственных каналов) в горизонтальной плоскости, М - количество ХН (пространственных каналов) в вертикальной плоскости. Через общую шину 11 ГАК тракт ШП связан с ЦВС 9 и СОРДиУ 10.
В тракт ГЛ входят излучающая антенна 3 и последовательно соединенное с антенной 3 генераторное устройство 4. Эти устройства работают в режиме излучения, получая команды и параметры режима излучения от ЦВС 9 и СОРДиУ 10. Прием эхосигнапов от цели осуществляется антенной 1 и аппаратурой предварите-льной обработки 2 так же, как в тракте ШП.
В тракте ОГС имеются собственные высокочастотные акустические антенны 17, 18, расположенные в ограждении рубки, и высокочастотная антенна 5, расположенная в носовом обтекателе. С антеннами 17, 18 последовательно соединена аппаратура предварительной обработки 19; аппаратура предварительной обработки антенны 5 совмещена с аппаратурой 2. Низко- и среднечастотный диапазон сигнгшов тракта ОГС обеспечивается основной носовой приемной антенной 1 и, соответственно, аппаратурой 2.
//
Дополнительно введенная в состав тракта связи излучающая антенна 15 последовательно соединена с генераторным устройством 16, который управляется через шину 11 от ЦВС 9 и СОРДиУ 10. В тракте связи также задействована излучающая часть тракта ГЛ, описанная выще. Прием сигналов связи ведется на основную носовую приемную антенну 1 и далее аналогично тракту ШП. Анализ сигналов связи осуществляется в ЦВС 9.
В антенне тракта миноискания (МИ) имеется приемно-излучающая антенна 6 и соединенные с нею через переключатель прием/передача (не показан на фиг.1) генераторное устройство 7 и аппаратура предварительной обработки 8. Устройства 7, 8, как и в остальных трактах, через шину 11 соединены с ЦВС 9 и СОРДиУ 10. Поворот ХН антенны 6 в вертикальной плоскости, в зависимости от возможностей размещения аппаратной части на 11Л может быть выполнен путем механического поворота антенны или электронным сканированием 14,15.
Приемные антенны 1, 5, 17, 18 предназначены для преобразования энергии механических (акустических) колебаний в электрическую энергию; излучающие антенны 3, 15 - электрической энергии в механическую; антенна 6 является обратимой. Антенны заявляемой полезной модели не обладают спецификой, методы расчета характеристик таких антенн и конструкции известны 14. Вопросы формирования характеристик направленности также отражены в литературе 14, с.56-79, 15, с.3250.
В генераторных устройствах 4, 7 формируется импульсный сигнал необходимой мощности; сигналы управления параметрами сигнала формируются в СОРДиУ (поз. 10) и ЦВС (9). Блок-схемы генераторных устройств, их структура и методы формирования изложены, в частности, в книге 16, с.91-95.
Аппаратура предварительной обработки 2, 7, 19 вьшолняется на аналоговых или аналого-цифровых средствах. Типовыми функциями этой аппаратуры являются: усиление, фильтрация, частотно-временная обработка, преобразование данных из аналогового вида в цифровой. Эти вопросы освещены в книгах 16, с.99-106, 17, с.295-298.
Центральная вычислительная система 9 и система отображения, регистрации, документирования и управления 10 являются системами, которые реализуют свои функции во всех трактах и системах ГАК. ЦВС и СОРДиУ работают с данными в цифровом виде. Основу работы этих систем составляют алгоритмы обработки информации, реализуемые программными средствами. Алгоритмы обработки, в зависимости от конфигурации ГАК могут быть перераспределены между аппаратурой предварительной обработки (генераторными устройствами) и ЦВС. Так, формирование характеристик направленности может быть осуществлено в аппаратуре предварительной обработки в одной конфиг}фации ГАК, а в другой - осуществляться цифровыми методами в ЦВС. Аналогично по генераторным устройствам: в ЦВС может быть полностью сформирован импульсный сигнал с необходимыми параметрами, а в генераторном устройстве он будет только усиливаться по мощности; при другой реализации из ЦВС (или СОРДиУ) в генераторное устройство поступает только командное , содержащее необходимые параметры сигнала, который должен быть излучен.
ЦВС представляет собой совокупность универсальных процессоров и спец.процессоров и имеет структуру типа управляющей ЭВМ.
СОРДиУ состоит из двух пультов, в каждом из которых находятся два дисплея, органы управления (клавиатура, кнопки, гнезда). Структура пульта аналогична структуре локальной вычислительной сети. Программными средствами формируется
многооконное буквенно-цифровое и графическое отображение информации. К различными нортам пульта подключаются тиновые периферийные устройства: телефон, громкоговоритель, принтер, устройство залиси на магнито-оптический диск и проч. 16, с.108-112, 18,с.418-421.
На фиг.1, 2, не показана система контроля и измерения помех, аппаратура которой совмещена с аппаратурой соответствующих трактов. Не показанная на фиг. 1 и 2 система электропитания предназначена для преобразования напряжения стандартной корабельной сети в необходимые токи и напряжения радиоэлектронной аппаратуры ГАК.
Система классификации, автоматизированная система контроля и поиска неисправностей строятся полностью на программно-ориентированных средствах, алгоритмы описаны в книгах 17, с.353-388, 18, с.492-509.
Неречислим ряд основньсс , реализуемых программными средствами в ГАК:
-вторичная обработка информации, выявляющая тонкую структуру сигнала;
-принятие решения об обнаружении цели; автоматическое сопровождение цели;
-выявление классификационьгх и идентификационых признаков цели;
-анализ помехо-сигнальной ситуации;
-подготовка массивов данных к отображению, регистрации, документированию, передаче во внешние системы;
-формирование картин отображения;
-управление режимами работы ГАК и параметрами режимов;
-осуществление связей с внешними устройствами.
Как уже указывалось, работой ГАК управляют операторы, которые сидят за пультами СОРДиУ 10. Основной режим работы ГАК ПЛ - приемный, при этом работающими трактами являются тракты ШП, ОГС, связи. Тракты ГЛ и МИ, а также активная работа тракта связи включаются на излучение по командам из СОРДиУ. Приемные тракты работают одновременно и независимо друг от друга. Принятые сигналы через акустические антенны 1, 5, 17,18 поступают в аппаратуру предварительной
обработки 2, 19, расфильтровьюаются по частотным диапазонам, производится частотно-временная обработка 16,17. Далее принятые сигналы поступают в ЦВС 9, где программными средствами, на базе принятых в ГАК алгоритмов, произ-водится вторичная обработка сигналов так, как указано выше для программных средств. Сигналы от целей подвергаются обработке с помощью алгоритмов класси-фикации, определяются элементы движения и координаты целей, обобщаются данные, полученные от одной и той же цели различными трактами; в зависимости от выбранного Меню отображения и регистрации из обработанных данные формируют графическое и цифро-буквенное изображение на экранах СОРДиУ 10, данные пере-даются на периферические устройства. Оператор принимает решение о вьщелении целей для автоматического сопровождения и передает соответствующую команду. Данные о целях после их обобщения собираются в формуляр, передаваемый во внешние по отношению к ГАК устройства (на фиг.1 эта связь не показана). Сигналы, идентифицированные в качестве сигналов связи (или опознавания), подвергаются дешифровке и передаются во внешние устройства (связисту, на шифровальный пост ПЛ - в виде буквенно-цифровых символов, речевых символов).
По команде оператора из СОРДиУ производится активизация активных режимов ГАК - излучение в трактах гидролокации, связи, мршоискания. Тракты ГЛ и связи не работают в активном режиме одновременно, т.к. их частотные диапазоны
1
близки. Команда на излучение приходит в ЦВС 9 и обрабатывается. Конфигурация активного тракта может быть такой, что в ЦВС вырабатывается комплексная команда, содержащая коды параметров режима изл)ения, по шине 11 эта команда передается в генераторные устройства 4,7, 16, в которых производится формиро-вание мощного аналогового сигнала излучения, подаваемого в антенны 3, 6,15. При другой конфигурации в ЦВС 9 формируются массивы сигналов излучения, по шине 11 передаются в генераторные устройства 4, 7,16, где преобразуются в аналоговую форму, усиливаются по мопщости и передаются далее в антенны 3, 6,15. Прием эхосигналов тракта ГЛ и сигналов связи осуществляется аппаратурой тракта ШП (антенна 1, аппаратура предварительной обработки 2) так же, как и в самом тракте ШП. В тракте МИ прием эхосигнала производится антенной 6, которая с помощью переключателя прием/передача подсоединяется к аппаратуре предварительной обработке 8. Далее все принятые сигналы поступают через шину 11 в ЦВС 9, произ-водится их обработка, аналогичная обработке сигналов приемных трактов, но с учетом специфики сигналов активных режимов 16, с.119-141,18, с.397-401. Дан-ные эхосигналов режимов ГЛ и МИ представляются оператору ГАК в буквенно-цифровом или графическом виде аналогично сигналам приемных трактов .
Режимы контроля (поиск неисправностей, контроль шумов) включаются оператором с пульта, при этом ав оматически в процессе работы ГАК производится непрерывный контроль работы всех устройств, входящих в ГАК, информация появляется на экране СОРДиУ или в виде звукового сигнала только в случае обнаружения неисправности.
Заявляемая полезная модель гидроакустического комплекса подводной лодки может быть использована в качестве основы информационой системы наблюдения
современных дизельных и атомных подводных лодок, а также для исследовательских комплексов и подводньк танкеров.
Литература
1.ПатентРФ № 2154283. Комплексная информационная система навигации и наведения.
МПК G01 S 5/02. Заявл. 20.01.99, публ. 10.08.2000, Бюлл.22 2.Полезная модель № 13260. Спутниковая система посадки летательных аппаратов.
МПКОО S 3/02 Заявл. 14.10.99, публ.27.03.2000, Бюлл.9 3.Патент РФ № 2127436. Способ радиолокационного обнаружения и сопровождения
объектов, комплекс РЛС. МПК G01 S 13/04. Заявл. 03.03.98, публ. 10.03.99, Бюлл.7 4.Полезная модель Ка 14681. Система для морской сейсморазведки. МПК G01 V 1/38.
Заявл. 05.04.2000, публ. 10.08.2000, Бюлл-22
5.Sverker L. Gotland-class submarines. А new breed - Sea Technol., 1998, № 11, 25-31 б.Кожевников В. Гидроакустические средства французских ПЛАРБ - Зарубежное военное
обозрение, 1998, № 3, 48-50 7.Яценко И. Перспективы развития атомных многоцелевых подводных лодок - Зарубежное
военное обозрение, 2000, № 5, 45-51
8.STN Atlas Elektronik - Janes Navy Intemat, 1997, v.l02, № 5, Suppl., 5-5, 10-11 9.Atlas Submarine Sonar System CSU 90. Проспект фирмы STN Atlas Elektronik
GmbH, Bremen, Germany (прототип)
lO.Jacobsen K. Submarine combat systems - a users perspective - Naval Forces, 1998, K 1,8-16 11 .Atlas Submarine Combat System ISUS 90. Проспекг фирмы STN Atlas Elektronik GmbH,
Bremen, Germany 12.Class 212 Submarines. Проспект фирмы Howaldwerke-Deutche Werft AG. Kiel,
№ 5, 94-100 И.Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л., Судостроение,
1984 15.Самойлов Л.К. Электронное управление характеристиками направленности антенн.
Л., Судостроение, 1987 16.Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения,
Л., Судостроение, 1982
П.Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л., Судостроение, 1988 18.Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988
,