Способ взаимодействия подводного аппарата с обеспечивающим судном
METHOD FOR INTERACTION OF AN UNDERWATER VEHICLE WITH A SUPPORT WATERCRAFT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для осуществления взаимодействия обеспечивающего судна с подводным аппаратом (ПА), находящимся в сложных гидроакустических условиях (к примеру, под горизонтом слоя скачка (ГСС)), которые не позволяют из-за рефракционных явлений осуществлять прямое непосредственное взаимодействие, а также для обеспечения навигационной безопасности мореплавания ПА.
Задача, которая решается изобретением, заключается в прямом непосредственном взаимодействии ПА с обеспечивающим судном по гидроакустическому каналу, при нахождении ПА в неблагоприятных гидроакустических условиях. Излученный низкочастотный сигнал с обеспечивающего судна передается по приповерхностному подводному звуковому каналу (ППЗК). При этом ПА лоцирует приповерхностный слой моря высокочастотным (ВЧ) сигналом и за счет излученных с ПА ВЧ волн и излученных низкочастотных (НЧ) волн с обеспечивающего судна в ППЗК получает информацию в виде сигналов управления. При этом взаимодействие ВЧ и НЧ волн в ППЗК и образование комбинационных информационных волн возможно за счет нелинейного их взаимодействия в ППЗК.
Известен способ обнаружения, идентификации и определения пространственных координат объектов при всплытии подводного аппарата (патент RU 2308052 Российская Федерация. Способ обнаружения, идентификации и определения пространственных координат объектов при всплытии подводного аппарата / Бахарев С.А., патентообладатель Бахарев С.А. - №2005140955/28; заявл. 28.12.2005; опубл. 10.10.2007 бюл. № 28), заключающийся в том, что в предложенном способе дальнее обнаружение, идентификация и определение пространственных координат воздушных, надводных и подводных объектов, а также параметров морского волнения осуществляется по информации, содержащейся в акустических ВЧ волнах накачки, излученных с подводного аппарата и рассеянных на приповерхностном пузырьковом слое, глубинном пузырьковом слое и донном пузырьковом слое, в акустических НЧ волнах, формируемых в процессе движения объектов, а также в ВЧ комбинационных волнах, образованных в неоднородной морской среде за счет нелинейного взаимодействия гидроакустических ВЧ волн накачки и НЧ акустически волн.
К недостатку описанного аналога относится:
- низкая помехоустойчивость в результате рассеяния ВЧ сигнала на взволнованной морской поверхности и появления помеховых комбинационных частот.
Эти недостатки устранены другим известным способом, наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением, получившим название «Способ обнаружения морских объектов при всплытии подводного аппарата», использующегося для обеспечения навигационной безопасности его мореплавания и выбранного в качестве прототипа.
Сущность прототипа заключается в том, что с помощью n излучателей, расположенных на одинаковом угловом расстоянии на корпусе ПА и ориентированных определенным образом в пространстве, излучается ВЧ сигнал накачки на n частотах в нелинейную водную среду, при этом базовая частота ВЧ сигнала накачки соответствует резонансной частоте приповерхностного пузырькового слоя, затем этот сигнал, будучи промодулированным по амплитуде НЧ полезным сигналом, принимается с помощью n приемников, расположенных определенным образом на корпусе ПА, при этом направленность по приему формируется за счет волновых размеров каждого из n приемников и соответствующей ему частоты ВЧ сигнала накачки, из него выделяется НЧ полезный сигнал, а определение направления на источник НЧ гидроакустических излучений осуществляется по максимальному значению полезного сигнала путем последовательного подключения к решающему устройству каждого из n приемников (патент №2215304 Российская Федерация, МПК G01S15/04. Способ обнаружения морских объектов при всплытии подводного аппарата / Бахарев С.А., патентообладатель Бахарев С.А. - №2002102298/09; заявл. 25.01.2002; опубл. 27.10.2003 бюл. №30).
К недостаткам описанного прототипа относятся:
1. Низкая помехоустойчивость при наличии гидроакустических помех, вызванных шумами взволнованной морской поверхности.
2. Низкая помехоустойчивость способа из-за возникновения помеховых комбинационных частот при отражении ВЧ сигнала от колеблющейся поверхности моря.
На устранение данных недостатков направлено заявленное изобретение, технической задачей которого является создание нового способа взаимодействия обеспечивающего судна с ПА, находящимся в сложных гидроакустических условиях.
Реализация поставленной технической задачи позволяет добиться следующего технического результата:
- повышение помехоустойчивости при осуществлении взаимодействия ПА с обеспечивающим судном в условиях возникновения гидроакустических комбинационных помех, вызванных отражением дополнительно излученного ВЧ сигнала от взволнованной морской поверхности.
1
опор
1
опор
опор
раб
1
1
опор
раб
1
опор
раб
1
опор
раб
опор
раб
Для достижения указанного технического результата предложен «Способ взаимодействия подводного аппарата с обеспечивающим судном», с учетом постоянно изменяющейся помеховой обстановки в районе непосредственного взаимодействия, заключающийся в том, что сначала перед осуществлением непосредственного взаимодействия между ПА и обеспечивающим судном формируют и усиливают ВЧ сигнал накачки на резонансной частоте ω приповерхностного пузырькового слоя и излучают с помощью расположенного на ПА акустического излучателя в направлении поверхности водной среды. При этом излученный ВЧ сигнал накачки рассеиваясь на неоднородностях поверхности водной среды и приповерхностном пузырьковом слое, будучи промодулированным НЧ шумами морской среды и комбинационными частотами взволнованной морской поверхности, принимают с помощью приемника, расположенного на ПА, и используют как «опорную» амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) шумового поля водного пространства (помеха) на частоте Ω (ω±Ω), для последующей обработки в блоке усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот с целью выделения методом демодуляции НЧ шумов морской среды Ω («опорной» АЧХ шумового поля водного пространства), необходимых для записи в запоминающем устройстве и последующей подаче на первый вход адаптивного фильтра. В назначенное время осуществления взаимодействия с обеспечивающего судна ненаправленно излучают НЧ гидроакустические сигналы в ППЗК, при этом в водной среде формируют «рабочую» АЧХ водного пространства (сигнал) на частоте Ω. Одновременно с этим на ПА в блоке формирования и усиления ВЧ сигнала накачки формируют и усиливают ВЧ сигнал накачки на резонансной частоте ω приповерхностного пузырькового слоя и излучают вверх в направлении поверхности моря (приповерхностного подводного звукового канала) с помощью акустического излучателя, расположенного на ПА. В результате взаимодействия ВЧ сигнала накачки на резонансной частоте ω, будучи промодулированным НЧ сигналом «опорной» (помехой) на частоте Ω и «рабочей» (сигнал) на частоте Ω АЧХ водного пространства, принимают с помощью приемника, расположенного на ПА (ω±Ω±Ω). Принятый ВЧ сигнал накачки ω±Ω±Ω регистрируют для последующей обработки в блоке усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот с целью выделения методом демодуляции НЧ шумов морской среды - «опорной» АЧХ шумового поля водного пространства и НЧ сигналов - «рабочей» АЧХ водного пространства Ω±Ω.
опор
опор
раб
раб
Принципиальным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что «опорную» АЧХ шумового поля водного пространства (помеха) на частоте Ω используют для записи в дополнительно введенном запоминающем устройстве и далее подают на первый вход дополнительно введенного адаптивного фильтра, при этом на второй вход подают «рабочую» АЧХ водного пространства (сигнал) Ω±Ω, с выхода которого очищенный от шумов морской среды за счет адаптивной обработки полезный сигнал (низкочастотный сигнал) на частоте Ω (сигнал) подают на вход решающего устройства и далее на вход регистрирующего устройства для документирования информации.
При этом адаптивный фильтр, реализованный в заявленном способе, основан на принципе минимизации среднеквадратической ошибки помехи.
Такое конструктивное решение изобретения за счет отличительных признаков дало новые технические эффекты.
Использование адаптивного фильтра позволяет осуществлять прием и регистрацию «опорной» и «рабочей» АЧХ водного пространства на один приемник, а также осуществлять непосредственное взаимодействие ПА с обеспечивающим судном в условиях возникновения гидроакустических комбинационных помех при отражении ВЧ сигнала от взволнованной морской поверхности.
Запоминающее устройство необходимо для записи «опорной» АЧХ шумового поля водного пространства (помехи) и подачи на первый вход адаптивного фильтра. В результате появляется возможность подавления помеховых комбинационных частот, возникающих при отражении излученного ВЧ сигнала от колеблющейся морской поверхности, что позволяет повысить помехоустойчивость способа при осуществлении взаимодействия ПА с обеспечивающим судном.
Регистрирующее устройство используют с возможностью документирования принимаемой информации. Это обусловлено необходимостью дополнительной обработки информации и ее документирования.
Схема устройства взаимодействия подводного аппарата с обеспечивающим судном представлена на фиг.1.
На схеме представлено:
1. Блок формирования и усиления излучаемого ВЧ сигнала накачки
2. Излучатель
3. Приемник
4. Блок усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот
5. Запоминающее устройство
6. Адаптивный фильтр
7. Решающее устройство
8. Регистрирующее устройство
9. Корпус подводного аппарата
Все конструктивные элементы, такие как блок формирования и усиления излученного ВЧ сигнала накачки 1, излучатель 2, приемник 3, блок усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот 4, а также запоминающее устройство 5, адаптивный фильтр 6, решающее устройство 7 и регистрирующее устройство 8, соединены электрическими связями. Корпус подводного аппарата 9 со всеми перечисленными выше конструктивными элементами 1-8 соединен механическими связями.
В качестве устройства, формирующего сигналы, использован блок формирования и усиления излучаемого ВЧ сигнала накачки 1, позволяющий формировать и усиливать до необходимого уровня ВЧ электрический сигнал накачки, выход которого соединен с входом излучателя 2, служащего для преобразования поступающего ВЧ электрического сигнала накачки в акустический и его последующую передачу в водную среду. В качестве излучателя использован широко используемый в гидроакустике электроакустический преобразователь, установленный на корпусе ПА и ориентированный в пространстве в направлении поверхности моря. Прием излученного ВЧ акустического сигнала накачки будучи промодулированным НЧ акустическим сигналом осуществляется с помощью приемника 3 (установленного и направленного аналогичным образом, что и излучатель), с выхода которого электрический сигнал (преобразованный в приемнике из акустического) поступает на вход блока усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот 4, служащего для усиления до необходимого уровня поступающего сигнала и выделения НЧ составляющих сигнала методом демодуляции, выход которого последовательно подключен к входу запоминающего устройства 5, служащего для предварительной записи шумового поля водного пространства и последующей подачи на первый вход адаптивного фильтра 6. Параллельно выход блока усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот 4 соединен со вторым входом адаптивного фильтра 6, с выхода которого очищенный от шумов морской среды полезный сигнал поступает на вход решающего устройства 7, служащего для принятия решения. Выход решающего устройства 7 соединен с входом регистрирующего устройства 8 для документирования принимаемой информации.
Осуществление способа
1
опор
опор
опор
Для осуществления заявленного способа устройство взаимодействия подводного аппарата с обеспечивающим судном снабжено общепринятым стационарным источником питания, расположенным внутри корпуса ПА. Перед осуществлением взаимодействия ПА с обеспечивающего судна в блоке формирования и усиления излучаемого ВЧ сигнала накачки 1 производится формирование и усиление ВЧ сигнала накачки на резонансной частоте ω приповерхностного пузырькового слоя и его излучение вверх в направлении поверхности моря с помощью акустического излучателя 2, в качестве которого использован электроакустический преобразователь, широко используемый в гидроакустике. Рассеиваясь на неоднородностях поверхности водной среды и приповерхностном пузырьковом слое, ВЧ сигнал накачки, будучи промодулированным НЧ шумами морской среды и комбинационными частотами взволнованной морской поверхности образует «опорную» АЧХ шумового поля водного пространства (помеха) на частоте Ω (ω1±Ω), которая принимается с помощью приемника 3, имеющего аналогичное расположение и направленность, что и излучатель. Принятый ВЧ сигнал накачки (ω1±Ω) поступает на вход блока усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот 4, где происходит выделение НЧ шумов морской среды («опорной» АЧХ шумового поля водного пространства) методом демодуляции для последующей передачи на вход запоминающего устройства 5, в котором производится запись принятой «опорной» АЧХ, и последующей подачи на первый вход адаптивного фильтра 6.
раб
1
1
опор
раб
1
опор
раб
1
опор
раб
опор
раб
1
опор
раб
опор
раб
В назначенное время, обеспечивающее судно производит ненаправленное излучение НЧ гидроакустических сигналов в ППЗК, при этом в водной среде формируется «рабочая» АЧХ водного пространства (сигнал) на частоте Ω. Одновременно с этим на ПА в блоке формирования и усиления ВЧ сигнала накачки 1 на резонансной частоте ω ППС производится формирование и усиление ВЧ сигнала накачки и его излучение вверх в направлении поверхности моря с помощью акустического излучателя 2. В результате взаимодействия ВЧ сигнала накачки на резонансной частоте ω будучи промодулированного НЧ сигналом «опорной» (помехой) на частоте Ω и «рабочей» (сигнал) на частоте Ω АЧХ водного пространства принимается с помощью приемника 3, расположенного на ПА (ω±Ω±Ω). Принятый приемником 3 ВЧ акустический сигнал накачки ω±Ω±Ω преобразуется в электрический и подается на вход блока усиления и обработки принятого ВЧ сигнала комбинационных частот 4 для последующей обработки с целью выделения НЧ шумов морской среды – «опорной» АЧХ шумового поля водного пространства и НЧ сигналов – «рабочей» АЧХ водного пространства. Выделенные методом демодуляции НЧ составляющие помехи+сигнала Ω±Ω изВЧ сигнала ω±Ω±Ω подаются на второй вход адаптивного фильтра 6. На первый вход адаптивного фильтра 6 подается ранее записанная в запоминающем устройстве 5 «опорная» АЧХ шумового поля водного пространства Ω. С выхода адаптивного фильтра очищенный от помех за счет адаптивной обработки полезный сигнал Ω поступает на вход решающего устройства 7, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства 8 для осуществления документирования принимаемой информации.
Заявленный способ представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как реализуемое данным способом устройство позволяет организовать устойчивое взаимодействие по гидроакустическому каналу между обеспечивающим судном и подводным аппаратом при выполнении различного класса задач, таких как: оценка состояния подводных систем коммуникаций (трубопроводов, кабель трасс, нефтегазовых платформ), геологических и океанологических исследований, а также для обеспечения навигационной безопасности мореплавания ПА.
Заявленное решение не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние окружающей среды.
»
Таким образом, заявленный «Способ взаимодействия подводного аппарата с обеспечивающим судном является новым способом осуществления дистанционного взаимодействия обеспечивающего судна с ПА, находящимся в сложных гидроакустических условиях (к примеру, под ГСС).
Заявленный способ обладает следующим достоинством:
- увеличение помехоустойчивости предложенного способа за счет применения адаптивного фильтра.
Заявленный способ промышленно применим, так как для его осуществления используются широко распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.