Гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море
HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR DETECTING MOVING UNDERWATER SOUND SOURCE, MEASURING AZIMUTH ANGLE ON SOUND SOURCE AND SOUND SOURCE HORIZON IN SHALLOW SEA

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море в инфразвуковом диапазоне частот с помощью акустических приемников, координаты которых и угловое положение считаются известными.
Известен гидроакустический комплекс (Патент РФ №2476899, МПК, G01S 3/80, Н04В 10/00, опубл. 27.08.2013 г., бюлл. №6) для измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море в пассивном режиме, в котором используется многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс, содержащий N акустических комбинированных приемников, образующих донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну, в которой расстояние между комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников N=H/Δz (где Н-глубина моря), а каждый комбинированный приемник состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, телеметрический блок, вход которого соединен с выходом акустических комбинированных приемников, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования, модулятор и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, а также систему сбора, обработки и отображения информации, содержащую блок сбора обработки и отображения информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, вход которого соединен с выходом блока сбора обработки и отображения информации, и формирователь диаграммы направленности, вход и выход которого соединены со входом и выходом блока сбора обработки и отображения информации, а в систему сбора, обработки и отображения информации введены N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, блок определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, а выход соединен с первым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления азимутального угла, второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, а выход соединен со вторым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, причем усредненный азимутальный угол определяется формулой (1)
n
xn
yn
где ϕ, I, I - азимутальный угол и компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-у акустическому комбинированному приемнику, а за горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности.
Недостатком такого гидроакустического комплекса является сравнительно малая дальность действия в режиме обнаружения источника звука, обусловленная наличием шумов обтекания.
Известен также подводный планер для мониторинга векторных звуковых полей (Патент РФ на полезную модель №106880, МПК В63С 11/48, G01S 15/02, B63G 8/00 опубл. 27.07.2011 г.), состоящий из цилиндрического корпуса с носовым отсеком, несущих поверхностей, горизонтального киля, электронного блока управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, аккумуляторных батарей, системы управления плавучестью, набора датчиков, включающих гирокомпас, инклинометр и датчик глубины, носового отсека корпуса, выполненного сообщающимся с внешней средой и представляющего собой звукопрозрачный обтекатель, внутри которого расположена подвеска, выполненная двухзвенной и состоящая из звукопрозрачной рамки, внутри которой установлен акустический комбинированный приемник, и лонжей из эластичных и ограничительных нитей, соединяющих комбинированный акустический приемник с рамкой, а рамку с корпусом, причем акустический комбинированный приемник дополнительно соединен ограничительной нитью с натяжителем, установленным внутри корпуса. Такой гидроакустический комплекс также может быть использован для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море в пассивном режиме с помощью размещенного в нем акустического комбинированного приемника, координаты которого и угловое положение считаются известными. Мобильность подводного планера, оснащенного акустическим комбинированным приемником, также позволяют ему решать задачи обнаружения и определения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука с повышенной дальностью действия. Так азимутальный угол на источник звука может быть определен по формуле
а за горизонт источника звука можно взять показания датчика глубины, соответствующие максимуму горизонтального потока мощности, измеряемого комбинированным приемником. Повышенная дальность действия подводного планера в режиме обнаружения обусловлена снижением уровня шумов обтекания в режиме дрейфа. Такой измерительный комплекс является наиболее близким к заявленному изобретению.
Недостатком такого гидроакустического комплекса является недостаточно большая дальность действия, обусловленная наличием вибрационной помехи от бортовых электромеханических устройств, а также большая погрешность определения азимутального угла на источник звука по формуле (1) и горизонта источника звука на низких частотах, когда глубина моря h соизмерима с длиной волны λ. Большая погрешность определения азимутального угла на источник звука по формуле (2) объясняется тем, что эта формула применима в случае, если вектор интенсивности содержит только потенциальную составляющую, направленную от источника в точку приема. Однако в случае мелкого моря и низких частотах вектор интенсивности приобретает вихревую, знакопеременную составляющую, которая изменяет на обратное направление потока мощности в суммарном поле вектора интенсивности. Явление инверсии потока мощности приводит к существенному увеличению погрешности определения азимутального угла на источник звука в мелком море на низких частотах.
В основу заявленного изобретения поставлена задача устранить указанные недостатки размещенного на подводном планере известного гидроакустического комплекса, т.е. повысить точность определения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука на низких частотах, когда глубина моря h соизмерима с длиной волны λ, а также увеличить дальность его действия в режиме обнаружения.
Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическом комплексе для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море, включающем беспилотный подводный планер, содержащем цилиндрический корпус с носовым отсеком, несущие поверхности, горизонтальный киль, электронный блок управления с системой спутниковой навигации, записи и передачи информации, аккумуляторные батареи, систему управления плавучестью, набор датчиков, включающий гирокомпас, инклинометр и датчик глубины, причем носовой отсек корпуса, выполнен в виде сообщающегося с внешней средой звукопрозрачного обтекателя, внутри которого расположена подвеска, выполненная двухзвенной и состоящая из звукопрозрачной рамки, внутри которой установлен комбинированный приемник, и лонжей из эластичных и ограничительных нитей, соединяющих комбинированный приемник с рамкой, а рамку с корпусом, причем комбинированный приемник дополнительно соединен ограничительной нитью с натяжителем, установленным внутри корпуса, подводный планер снабжен системой управления дифферентом с возможностью обеспечения планеру погружения на заданную глубину с дифферентом на нос при отрицательной плавучести, близкой к нулевой, и всплытия с дифферентом на корму при положительной плавучести, близкой к нулевой, а также системой активного гашения собственной вибрационной помехи планера, которая содержит приемный пленочный пьезопреобразователь, смонтированный на внутренней поверхности корпуса планера, первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом приемного пленочного пьезопреобразователя, линейный усилитель с автоматической регулировкой усиления, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом линейного усилителя, инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом инвертора, излучающий пленочный пьезопреобразователь, смонтированный на внутренней поверхности корпуса планера, вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра. Гидроакустический комплекс снабжен системой цифровой обработки данных, которая включает в себя блок оцифровки и первичной обработки данных, вход которого соединен с выходами комбинированного приемника, блок выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N) во всех каналах комбинированного приемника, блок вычисления полного набора информативных параметров: квадрата звукового давления, шесть вещественных составляющих комплексного вектора интенсивности, три вещественных составляющих ротора вектора интенсивности, шесть вещественных составляющих комплексного вектора градиента давления для суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N) и помехи (N), вход которого соединен с выходом блока выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N), блок усреднения горизонтальных (х, у) компонент вектора интенсивности для суммарного случайного процесса сигнала плюс помеха (S+N), вход которого соединен с первым выходом блока вычисления полного набора информативных параметров, блок вычисления азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности, вход которого соединен со вторым выходом блока вычисления полного набора информативных параметров, блок усреднения азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока вычисления азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности, блок вычисления истинного азимутального угла на источник звука, первый вход которого соединен с выходом блока усреднения горизонтальных (х, у) компонент вектора интенсивности для суммарного случайного процесса сигнала плюс помеха (S+N), а второй вход соединен с выходом блока усреднения азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности, блок вычисления отношения сигнал-помеха (S/N) для полного набора информативных параметров, вход которого соединен с третьим выходом блока вычисления полного набора информативных параметров для суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N) и помехи (N), первый компаратор, вход которого соединен с выходом блока вычисления отношения сигнал-помеха (S/N) для вещественных составляющих ротора вектора интенсивности, второй компаратор, вход которого соединен с выходом блока вычисления отношения сигнал-помеха (S/N) для полного набора информативных параметров, блок спутниковой системы связи, первый вход которого связан с выходом блока вычисления истинного азимутального угла на источник звука, второй вход связан с выходом первого компаратора, третий вход связан с выходом второго компаратора, четвертый вход связан с выходом датчика глубины, причем за горизонт источника звука принимаются показания датчика глубины, соответствующие максимуму отношения сигнал помеха (S/N) на выходе первого компаратора, а в качестве признака обнаружения движущегося подводного источника звука принимается степень превышения максимума отношения сигнал-помеха (S/N) на выходе второго компаратора, принимаемая в качестве предварительно определенного порога обнаружения, над уровнем этой величины в поле фоновой шумовой помехи.
Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного изобретения позволяет создать гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника звука в мелком море, увеличить дальность действия гидроакустического комплекса за счет уменьшения собственных шумов системой активного гашения шумовой помехи, привлечения дополнительной информации и дополнительных измерений вещественных компонент ротора вектора интенсивности, а также за счет мониторинга коридора вероятного нахождения источника звука в режиме тишины (в режиме планирования во время погружения на заданный горизонт и последующего всплытия).
Новизна предлагаемого гидроакустического комплекса заключается в том, что в нем впервые предложена и реализована конструктивно и схемотехнически процедура активного гашения собственных шумов планера, процедура определения горизонта источника звука по измеренному значению вещественных компонент ротора вектора интенсивности, что в совокупности способствует повышению помехоустойчивости комбинированного приемника и увеличению дальности обнаружения подводных источников звука.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом. Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлены:
- система активного гашения собственных шумов планера (подсистема I),
- система цифровой обработки данных (подсистема II);
на фиг. 2 представлена схема пленочного пьезопреобразователя.
Система активного гашения собственных шумов планера (подсистема I на фиг. 1) включает в себя приемный пленочный пьезопреобразователь 1, смонтированный на внутренней поверхности корпуса планера, первый полосовой фильтр 2, вход которого соединен с выходом приемного пленочного пьезопреобразователя 1, линейный усилитель 3 с автоматической регулировкой усиления, вход которого соединен с выходом полосового фильтра 2, усилитель 4 мощности, вход которого соединен с выходом линейного усилителя 3, инвертор 5, вход которого соединен с выходом усилителя 4 мощности, второй полосовой фильтр 6, вход которого соединен с выходом инвертора 5, излучающий пленочный пьезопреобразователь 7, смонтированный на внутренней поверхности корпуса планера, вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 6.
Система цифровой обработки данных (подсистема II на фиг. 1) включает в себя блок 8 оцифровки и первичной обработки данных, вход которого соединен с выходами комбинированного приемника (КП), блок 9 выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N) во всех каналах комбинированного приемника, вход которого соединен с выходом блока 8 оцифровки и первичной обработки данных, блок 10 вычисления полного набора информативных параметров: квадрата звукового давления, шесть вещественных составляющих комплексного вектора интенсивности, три вещественных составляющих ротора вектора интенсивности и шесть вещественных составляющих комплексного вектора градиента давления для суммарного случайного процесса (S+N) и помехи (N), вход которого соединен с выходом блока 9 выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса (S+N), блок 11 усреднения горизонтальных компонент (х, у) вектора интенсивности для суммарного случайного процесса (S+N), вход которого соединен с первым выходом блока 10 вычисления полного набора информативных параметров для суммарного случайного процесса (S+N) и помехи (N), блок 12 вычисления азимутального угла для горизонтальной компоненты (х, у) ротора вектора интенсивности, вход которого соединен со вторым выходами блока 10 вычисления полного набора информативных параметров, блок 13 усреднения азимутального угла для горизонтальной (х, у) компоненты ротора вектора интенсивности для суммарного случайного процесса (S+N), вход которого соединен с выходом блока 12 вычисления азимутального угла для горизонтальной компоненты (х, у) ротора вектора интенсивности, блок 14 вычисления истинного азимутального угла на источник звука, первый вход которого соединен с выходом блока усреднения горизонтальных компонент вектора интенсивности, а второй вход соединен с выходом блока усреднения азимутального угла для горизонтальной (х, у) компоненты ротора вектора интенсивности для суммарного случайного процесса (S+N), блок 15 вычисления отношения сигнал-помеха (S/N) для полного набора информативных параметров, вход которого соединен с третьим выходом блока 10 вычисления полного набора информативных параметров для суммарного случайного процесса (S+N) и помехи (N), первый компаратор 16 вычисления максимального отношения (S/N) для трех вещественных составляющих ротора вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 15 вычисления отношения (S/N) для полного набора информативных параметров, второй компаратор 17 вычисления максимального отношения (S/N) для полного набора информативных параметров, вход которого соединен со вторым выходом блока 15 вычисления отношения (S/N) для полного набора информативных параметров, блок 18 спутниковой системы связи, первый вход которого связан с выходом блока 14 вычисления истинного азимутального угла на источник звука, второй вход связан с выходом первого компаратора 16, третий вход связан с выходом второго компаратора 17, четвертый вход связан с выходом датчика 19 глубины.
На фиг. 2 представлена схема пленочного пьезопреобразователя, приемного или излучающего, которые имеют одинаковую структуру. Пленочный пьезопреобразователь включает в себя поляризованную пьезопленку 20 на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) с нанесенными на ее поверхности электродами 21, герметизирующее покрытие 22, защитное покрытие 23, герморазъем 24, клеевое соединение 25 пленочного пьезопреобразователя с внутренней поверхностью корпуса 26 беспилотного подводного планера.
Гидроакустический комплекс работает следующим образом.
Для погружения планера на заданную глубину система управления плавучестью обеспечивает планеру небольшую отрицательную плавучесть, а система управления дифферентом обеспечивает дифферент на нос в пределах 30-40°. После этого планер погружается на заданную глубину в режиме дрейфа (в режиме тишины), обеспечивающем минимальный уровень шумов обтекания. При достижении заданной глубины, которая контролируется датчиком глубины, система управления плавучестью обеспечивает планеру небольшую положительную плавучесть, а система управления дифферентом обеспечивает дифферент на корму в пределах 30-40°. После этого планер всплывает на поверхность в режиме дрейфа (в режиме тишины), передает по системе спутниковой связи информацию по назначению и возвращается в исходную точку позиционирования своим ходом посредством маршевых двигателей. В последующем все операции погружения-всплытия-возвращения в исходную точку циклически повторяются. Режим погружения-всплытия, когда планер дрейфует по течению, является рабочим режимом (режимом тишины), когда шумы обтекания, которые являются помехой работе комбинированного приемника, минимизируются и остаются, в основном, только вибрационные помехи, связанные с работой бортовых электромеханических устройств. Эта вибрационная помеха преобразуется в электрический сигнал приемным пленочным пьезопреобразователем 1, смонтированным на внутренней поверхности планера. Пленочный пьезопреобразователь является широкополосным приемником сигнала акустической вибрационной помехи, обладает минимальной массой и легко монтируется на внутренней поверхности планера, не оказывая никакого влияния на его ходовые характеристики. С выхода приемного пленочного пьезопреобразователя 1 электрический сигнал поступает на вход полосового фильтра 2, полоса пропускания которого соответствует рабочему диапазону частот комбинированного приемника. С выхода полосового фильтра 2 сигнал поступает на вход линейного усилителя 3, снабженного системой автоматической регулировки усиления, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя 4 мощности. С выхода усилителя 4 мощности сигнал поступает на вход инвертора 5, который преобразует усиленный входной сигнал в сигнал, противоположный по фазе входному сигналу в рабочей полосе частот. Роль такого инвертора может играть, например, трансформатор напряжения. С выхода инвертора сигнал поступает на вход полосового фильтра 6, полоса пропускания которого соответствует рабочей полосе частот комбинированного приемника, с выхода которого усиленный и отфильтрованный сигнал поступает на вход излучающего пленочного пьезопреобразователя 7, который аналогичен приемному пленочному пьезопреобразователю 1. Излучающий пленочный пьезопреобразователь 7 монтируется на всей свободной внутренней поверхности планера. Излучающий пленочный пьезопреобразователь 7 является широкополосным излучателем, который воспроизводит без существенных искажений сигнал, поступающий на вход приемного пленочного пьезопреобразователя, но инвертирует его фазу на противоположную в рабочей полосе частот. По этой причине суммарное звуковое поле вибрационной помехи и инвертированного сигнала, поступающее на вход приемного пленочного пьезопреобразователя, будет стремиться к нулю, т.к. любое его отклонение от нулевого значения будет скомпенсировано инвертированным сигналом.
В процессе погружения-всплытия гидроакустические комбинированные приемники измеряют звуковое давление в гидрофоном канале и компоненты вектора градиента давления в векторных каналах и передают информацию в блок 8 оцифровки и первичной обработки данных, вход которого соединен с выходами комбинированного приемника. (КП). Первичная обработка данных сводится к вычислению комплексных амплитуд спектральных составляющих принятых сигналов в каналах комбинированного приемника методом быстрого преобразования Фурье. После первичной обработки данных сигналы поступают на вход блока 9 выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха (S+N) во всех каналах комбинированного приемника, вход которого соединен с выходом блока 8 оцифровки и первичной обработки данных. При работе комбинированного приемника в качестве обнаружителя слабых сигналов, как правило, достаточно подробная информация о шумовом поле помехи в реальном масштабе времени отсутствует. В простейшем случае можно предположить, что спектр шумовой помехи является сплошным, а спектр сигнала содержит дискретные составляющие, для выделения которых следует использовать методы спектрального анализа высокого разрешения. С учетом этого, можно предложить различные алгоритмы аппроксимации комплексной амплитуды соответствующей спектральной составляющей шумовой помехи, основанные только на предположении о «гладкости» сплошного спектра помехи. В качестве достаточно общего алгоритма выделения помехи (N) из суммарного процесса (S+N) можно использовать следующий алгоритм
0
2Δƒ - ширина окна Хэмминга.
0
0
N
0
S+N
0
где ƒ - средняя частота частотного канала, Δƒ - варьируемый параметр, примерно на порядок превышающий ширину дискретной составляющей Δƒ в спектре суммарного процесса (сигнал плюс шум), A(f, t), A(f, t), параметры звукового поля (звуковое давление, компоненты вектора градиента давления) для помехи (N) и для суммарного процесса (S+N), М число усредняемых спектральных отсчетов.
i
С выхода блока 9 выделения помехи (N) из суммарного случайного процесса (S+N) сигнал поступает в блок 10 вычисления полного набора информативных параметров A (i=1-16) для суммарного случайного процесса (S+N) и помехи (N) по формулам
1
2
x
3
y
4
z
5
x
6
y
7
z
8
x
9
y
10
z
11
1x
12
1y
13
1z
14
2x
15
2y
16
2z
2
2
2
2
2
2
2
A=|p|, A=ReI, A=ReI, A=ReI, A=ImI, A=ImI, A=ImI, A=|R|, A=|R|, A=|R|, A=g, A=g, A=g, A=g, A=g⋅A=g.
1
2
x
y
z
где р=р=ip-комплексная амплитуда звукового давления,  - комплексная амплитуда вектора градиента давления,  - комплексная амплитуда вектора интенсивности, R, R, R - компоненты ротора вектора интенсивности,
С первого выхода блока 10 сигналы поступает в блок 11 для усреднения горизонтальных компонент (х, у) вектора интенсивности для суммарного случайного процесса (S+N) в соответствии с алгоритмом
1
1
где Т - заранее определенный интервал усреднения, удовлетворяющий условию vT>>λ, v - предполагаемая скорость движения подводного источника звука, λ - длина волны. Усредненные компоненты вектора интенсивности определяют компоненты потенциальной составляющей вектора интенсивности:
Выделенные потенциальные составляющие вектора интенсивности поступают на первый вход блока 14 для вычисления азимутального угла на источник звука по формуле (2) по потенциальной составляющей вектора интенсивности.
Кроме того, сигналы со второго выхода блока 10 поступают на вход блока 12 вычисления азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности по формуле
Вычисленные в блоке 12 значения азимутального угла для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности усредняются в блоке 13 по алгоритму
2
2
где Т - заранее определенный интервал усреднения, удовлетворяющий условию vT>>λ, и поступают на второй вход блока 14 для вычисления истинного азимутального угла на источник звука по формуле
П
в
где I, I - потенциальная и вихревая составляющие вектора интенсивности,
Кроме того, сигналы с третьего выхода блока 10 поступают на вход блока 15 вычисления отношения сигнал-помеха (S/N) для полного набора информативных параметров по формулам
где знак 〈 〉 означает операцию усреднения по формулам (4).
С выхода блока 15 вычисленные отношения (S/N) для трех вещественных составляющих ротора вектора интенсивности поступают на вход первого компаратора 16, который определяет информативный параметр, которому соответствует максимальное отношение (S/N). Аналогично, со второго выхода блока 15 вычисленные отношения (S/N) для полного набора информативных параметров поступают на вход второго компаратора 17, который выбирает из полного набора информативный параметр, которому соответствует максимальное отношение (S/N). Вся полученная информация поступает в блок 18 спутниковой системы связи, первый вход которого соединен с выходом блока 14 вычисления истинного азимутального угла на источник звука, второй вход соединен с выходом первого компаратора 16, третий вход соединен с выходом второго компаратора 17, четвертый вход соединен с выходом датчика 19 глубины.