ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ПОДКИЛЬНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ ДЛЯ НАДВОДНЫХ КОРАБЛЕЙ

Предложение относится к области гидроакустической техники и предназначено для совершенствования средств гидроакустического вооружения надводных кораблей.
Известны гидроакустические комплексы для надводных кораблей (НК) с подкильной приемно-излучающей антенной, предназначенные для поиска подводных и надводных крупноразмерных объектов в общем случае в режимах гидролокации, шумопеленгования, обнаружения гидроакустических сигналов, классификации. В частных случаях комплекс может не иметь некоторых из упомянутых режимов. К крупноразмерным объектам отнесем цели типа подводных лодок и надводных кораблей, имеющих эквивалентный радиус (5 - 10)м и более (см., например, книгу А.П.Сташкевича «Акустика моря. Л,: «Судостроение, 1966г. Стр. 325 - 331). Сведения о параметрах гидроакустических комплексов для НК, состоящих на вооружении в США, Великобритании, ФРГ и других странах НАТО, приведены, например, в JANES WEAPON SYSTEMS, 1987-1988Г.Г., p.p. 451, 597, 607 - 608, 610 - 611.
в состав этих комплексов входят:
приемно-излучающая акустическая антенна с
пьезоэлектрическими преобразователями, имеющими один резонанс, предназначенная для излучения зондирующих сигналов в режимах гидролокации и звукоподводной связи и приема сигналов во всех рабочих режимах;
тракт излучения зондирующих сигналов, включающий задающий генератор, усилители мощности и устройства согласования с акустической антенной;
тракт приема сигналов, включающий предварительные усилители, устройства пространственно-временной обработки информации;
пульт управления комплексом и индикации принятых и обработанных сигналов.
Так, например, к ним относится комплекс AN/SQS-23 (США). Этот комплекс содержит подкильную акустическую цилиндрическую антенну диаметром 2,4м, высотой 1м. Частота резонанса преобразователей антенны лежит в пределах (4,5 - 5,5)кГц. Комплекс осуществляет поиск подводных лодок и надводных кораблей в режимах гидролокации и шумопеленгования (см. Простаков А.Л. Гидроакустические средства флота. М.: Воениздат. 1974г. Стр.8 13) .
Комплекс AN/SQS-26 (США) содержит акустическую цилиндрическую антенну диаметром 4,8м, высотой 1,66м. Частота резонанса преобразователей антенны лежит в пределах (3 - 4)кГц. Комплекс осуществляет поиск подводных лодок и надводных кораблей в режимах гидролокации и шумопеленгования
(см. Простаков А.Л. Гидроакустические средства флота. М.: Воениздат. 1974г. Стр.13 - 18).
Комплекс AN/SQS-53 (США) является модернизацией комплекса AN/SQS-26 и, наряду с режимами г-,.лролокации и шумопеленгования, может работать в режиме классификации целей и звукоподводной связи.
Комплекс 2016 (Великобритания) содержит акустическую цилиндрическую антенну с частотой резонанса преобразователей около 5кГц. Комплекс осуществляет поиск подводных лодок, надводных кораблей в режимах гидролокации, шумопеленгования, классификации. Реализуется также поиск торпед в режиме шумопеленгования.
Недостатком приведенных выше и других известных
гидроакустических комплексов с подкильной акустической антенной является то, что они не решают задачи поиска торпед или полностью, или в объеме, требуюшемся сегодня, учитывая параметру современных торпед и современного противоторпедного оружия НК. Цели типа торпеды относятся к малоразмерным целям, имеющим величины эквивалентного радиуса в пределах (0,1 - 0,5)м. (см. книгу Роберта Дж. Урика «Основы гидроакустики, пер. с англ., Л.: «Судостроение, 1978г., стр. 330).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом является гидроакустический комплекс для надводных кораблей с подкильной антенной AN/SQS-56 (США) , Описание данного комплекса приведено, например, в JANES WEAPON SYSTEMS, 1987-1988г.г.; в «Справочнике по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988г., стр.24 - 25, а также в книге «Применение цифровой обработки сигналов.
(Р/5/,а
под ред. Э.Оппенгейма, пер. с англ., М.: изд. «Мир, 1980г., стр. 428 - 431.
Комплекс содержит подкильную акустическую цилиндрическую антенну диаметром 1,22м, высотой 0,97м. Преобразователи антенны имеют частоту резонанса в пределах (б - 8,4)кГц. Комплекс осуществляет поиск подводных лодок и надводных кораблей в режимах гидролокации, шумопеленгования, классификации.
Помимо акустической антенны, комплекс содержит тракт излучения, включающий задающий генератор, усилители мощности и устройства согласования; тракт приема, включающий предварительные усилители и цифровой вычислительный комплекс; пульт управления и индикации.
Акустическая антенна комплекса предназначена для преобразования электрических сигналов, поступающих на нее от тракта излучения в режиме гидролокации, в акустические сигналы, и для преобразования принимаемых акустических сигналов рабочих режимов в электрические сигналы, которые подаются на тракт приема.
Тракт излучения предназначен для формирования зондирующих сигналов режима гидролокации необходимой мощности. Задающий генератор тракта излучения формирует зондирующие сигналы требуемого вида - тональные и сложные сигналы. Необходимый для излучения уровень мощности зондирующих сигналов устанавливается с помощью усилителей мощности. Согласующие устройства тракта излучения осуществляют согласование выходного сопротивления усилителей мощности и сопротивления акустических преобразователей антенны.
€ /5/,ПГ
Тракт приема предназначен z.n приема с:.:гналоБ, поступаюи; от акустической антенны в рабочих режимах комплекса, и их пространственно-временной обработки. Предварительные усилители тракта приема осуществляют усиление, фильтрацию и аналогоцифровое преобразование сигналов, поступающих от акустической антенны. Цифровой вычислительный комплекс (ЦЗК) тракта приема осуществляет оптимальную пространственно-временную обработку принятых сигналов в рабочих режимах гидроакустического комплекса.
Пульт управления и индикации предназначен для формированная сигналов управления комплексом, в соответствии с положением органов управления пульта, устанавливаемым операторомгидроакустиком; передачи этих сигналов в тракт излучения и в тракт приема; отображения на индикаторных устройствах информационных сигналов, вырабатываемых трактом приема комплекса.
Недостатком данного гидроакустического комплекса, как и рассмотренных выще известных комплексов, является то, что он не обеспечивает рещение задачи поиска торпед.
Режим поиска торпед для целей противоторпедной защиты НК может осуществляться путем включения в состав гидроакустического комплекса НК специальной гидроакустической станции. Однако этот путь имеет ряд недостатков. Увеличится объем аппаратной части гидроакустического комплекса. Потребуется размещение на НК дополнительной антенны и аппаратной части, что усложняет и удорожает проектирование корабля. Потребуется
./rr
дополнительный пульт управления и дополнительный операторгидроакустик .
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение гидроакустическим комплексом НК с подкильной приемно-излучающей антенной, дополнительно к задаче обнаружения крупноразмерных целей, задачи поиска малоразмерных объектов, например, торпед. Для решения поставленной задачи в гидроакустический комплекс для надводных кораблей, осуществляющий поиск подводных и надводных объектов, содержащий подкильную приемно-излучающую акустическую антенну с пьезоэлектрическими преобразователями,
вход которой соединен с выходом тракта излучения и входом тракта приема, а также пульт управления и индикации, информационный вход которого подключен к информационному выходу тракта приема, а входы управления пульта, трактов излучения и приема соединены между собой, введены новые признаки, а именно:
преобразователи акустической антенны выполнены
двухрезонансными, причем частота первого резонанса находится в интервале частот, оптимизированном для поиска крупноразмерных объектов, частота второго резонанса находится в интервале частот, оптимизированном для поиска малоразмерных объектов, рабочая полоса частот трактов излучения и приема охватывает оба этих интервала частот, а пульт управления и индикации обеспечивает поиск крупноразмерных и малоразмерных объектов.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является обеспечение гидроакустическим комплексом для надводных кораблей поиска и обнаружения
малоразмерных целей, в частности, торпед, без существенного увеличения аппаратной части и стоимости комплекса.
Достижение указанного технического результата предлагаемой полезной моделью основано на следующих предпосылках.
Известна зависимость значения оптимальной рабочей частоты режима гидролокации и границ оптимального частотного диапазона режима шумопеленгования гидроакустических комплексов от заданной величины дистанции обнаружения цели, - см., например, книгу А.П.Сташкевича «Акустика моря. Л,: «Судостроение, 19ббг., стр. 334 - 338; книгу Роберта Дж. Урика «Основы гидроакустики, лер. с англ.. Л.: «Судостроение, 1978г., стр. 422 - 425; книгу В.А.Зарайского и А.М.Тюрина «Теория гидролокации, изд. Военноморской орденов Ленина и Ущакова Академии, Ленинград, 1975г., стр. 452,453. В этих работах показано, что зависимость значения оптимальной рабочей частоты режима гидролокации и средней частоты оптимального частотного диапазона режима
шумопеленгования от заданной величины дистанции обнаружения цели имеет вид:
Гопт  (1)
Здесь:
Гопт - значения оптимальных частот; R - заданная величина дистанции обнаружения цели;
А,k - постоянные коэффициенты, причем (А,k)  0. Из (1) следует, что значения оптимальных частот режимов гидролокации и шумопеленгования обратно пропорциональны значению заданной дистанции обнаружения цели.
w /J/ ..
в упомянутых выше книгах А.П.Сташкевича (стр.339) и Роберта Дж. Урика (стр.426)приводятся также выражения для расчетов дальности действия режима гидролокации с учетом параметров гидролокатора и цели. Из этих известных выражений следует, что при прочих равных условиях дальность действия гидролокатора пропорциональна величине эквивалентного радиуса цели. Показано также, что характерные значения эквивалентных радиусов крупноразмерных объектов, к которым относятся подводные лодки и надводные корабли, существенно - на порядок и более - превышают значения эквивалентных радиусов малоразмерных целей, к которым относятся торпеды. Таким образом, дальность обнаружения малоразмерных целей при прочих равных условиях существенно меньще дальности обнаружения крупноразмерных целей. Поэтому, учитывая выражение (1), режим гидролокации при поиске, малоразмерных целей, в частности, торпед, должен работать на более высоких рабочих -частотах, нежели при поиске крупноразмерных целей, - подводных лодок и надводных кораблей.
Необходимость увеличения значения оптимальной рабочей частоты, режима гидролокации при поиске малоразмерных целей ло сравнению с ее значением при поиске крупноразмерной цели определяется также тем обстоятельством, что, для обеспечения условий формирования эхо-сигнала при лоцировании цели, значение величины эквивалентного радиуса должно в несколько раз превышать длину волны рабочей частоты цели. Это обстоятельство обосновывается в упомянутых выше книгах (А.П.Сташкевич. «Акустика моря. Л,: «Судостроение, 19ббг., стр. 326;
,5ir
Роберт Дж. Урик. «Основы гидроакустики, пер. с англ., Л.: «Судостроение, 1978г., стр.309.).
Из выражений для расчета дальности в режиме
шумопеленгования, приведенных з упомянутых книгах, следует, что в условиях НК дальность обнаружения торпед в этом режиме невелика и, согласно выражению (1), оптимальные частоты режима шумопеленгования при поиске торпед превышают значения частот первого резонанса.
Следует учесть также, что рабочие частоты зондируюших сигналов гидролокаторов самонаведения, размешаемых в торпедах, сушественно выше частот резонанса преобразователей антенн известных гидроакустических комплексов НК, в связи с чем рабочая полоса частот режима обнаружения сигналов гидроакустического комплекса при поиске торпед также должна превышать частоты первого резонанса.
Таким образом, предлагаемая полезная модель решает поставленную задачу эффективного поиска малоразмерных целей, в частности, торпеды, поскольку в модели предусматривается дополнительный второй резонанс, соответствующий более высоким значениям рабочих частот рассмотренных выше режимов гидроакустического комплекса НК.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема гидроакустического комплекса для надводных кораблей.
Предлагаемая полезная модель (см. фиг.1) содержит подкильную акустическую антенну 1; тракт излучения 2, включающий задающий генератор 3, усилители мощности 4 и согласующие
,9.
устройства 5; тракт приема с, вкльочающий предварительные усилители 7 и цифровой вычислительный комплекс 8; пульт управления и индикации 9, подклгоченный к трактам излучения и приема, а тракты излучения и приема подключены к акустической антенне.
Акустическая антенна 1 модели состоит из двухрезонансных акустических пьезоэлектрических преобразователей. Первый резонанс соответствует частотам рабочих режимов комплекса, оптимизированных для поиска крупноразмерных целей; второй резонанс выше первого и соответствует рабочим частотам рабочих режимов, оптимизированных для поиска малоразмерных целей. Предлагаемая акустическая антенна может быть разработана,
например, с использованием двухрезонансных акустических преобразователей, описанных в патенте Российской Федерации 2131173 от 10.12.97г. на «Гидроакустический излучатель. В материалах патента показано, что значение частоты второго резонанса может плавно меняться и устанавливаться в несколько раз больше значения частоты первого резонанса. Показано также, что частота первого резонанса может иметь значение, соответствующее оптимальным частотам поиска крупноразмерных объектов, в частности, значениям рабочих частот гидроакустических комплексов-прототипов, указанных выше. Из материалов патента следует, что размеры двухрезонансного преобразователя определяются значением частоты первого, низкочастотного, резонанса. Поэтому размеры акустической антенны предлагаемой полезной модели ненамного отличаются от размеров
акустической антенны только с одним первым резонансом. Так, диаметр дзухрезонансной антенны превышает диаметр антенны
с одним резонансом лишь на 20%; высота новой.антенны равна высоте антенны с одним резонансом.
Для обеспечения формирования зондирующих сигналов режима гидролокации комплекса для поиска малоразмерных целей, задающий генератор 3 тракта излучения 2 содержит, например, дополнительный источник тональных и сложных сигналов, частотные характеристики которых соответствуют частоте второго резонанса антенны. Длительность этих сигналов выбирается меньще длительности сигналов, предназначенных-для поиска крупноразмерных целей. Техническая реализация дополнительного источника не встречает технических трудностей. При формировании зондирующих сигналов цифровыми методами требуется дополнительная программа в ЦБК.
Для обеспечения усиления мощности зондирующих сигналов в полосе частот первого и второго резонансов, усилители мощности 4 тракта излучения 2 выполняются с соответствующей величиной полосы пропускания. Для этого, например, фильтры, входящие в состав усилителей мощности, разрабатываются с величиной полосы пропускания, включающей частоты первого и второго резонансоз. При больщом расхождении значений частот первого и второго резонансов, в каждом канале усиления мощности могут быть предусмотрены два фильтра, соответствующие частотам первоГо и второго резонансов, и коммутатор, включающий с помощью сигналов управления, поступающих от пульта управления и индикации комплекса 9, тот или иной фильтр.
Согласующие устройства 5 тракта излучения 2 разрабатываются с целью обеспечения согласования усилителей мощности 4
с акустической антенной 1 на частотах первого и второго резонансоз. При больщом расхождении значений этих частот могут быть предусмотрены два устройства согласования и комглутатор.
Фильтры предварительных усилителей 7 тракта приема б разрабатываются с величиной полосы пропускания, включающей частоты первого и второго резонансов. Аналого-цифровой преобразователь на выходе предварительных усилителей имеет частоту дискретизации, превышающую, согласно известной теореме Котельникова, в 3 раза наивысшую частоту полосы пропускания фильтров.
В состав задач программного обеспечения цифрового вычислительного комплекса 8 тракта приема б, включаются дополнительно задачи пространственно - временной обработки сигналов при поиске малоразмерных целей во всех рабочих режимах комплекса: гидролокации, шумопеленгования, обнаружения гидроакустических сигналов, классификации. Алгоритмы, соответствующие новым задачам, известны и принципиально не отличаются от аналогичных алгоритмов пространственно - временной обработки при поиске крупноразмерных целей. Различие заключается в частотных диапазонах обрабатываемых сигналов; некоторых классификационных признаках; особенностях фильтрации параметров траекторий целей при их автоматическом сопровождении: траектории маневрирования крупноразмерных целей (например, подводной лодки) могут отличаться от траектории маневрирования малоразмерных целей (например, торпеды).
Пульт управления и индикации 9 комплектуется органами управления: для переключения комплекса из режима поиска крупноразмерных целей в режим поиска малоразмерных целей, и обратно; для управления комплексом при поиске тех или иных целей. Состав и характеристики индикаторных устройства пульта не зависят от параметров цели.
Таким образом, техническая реализация комплекса по предлагаемой полезной модели не встречает трудностей.
Работа комплекса осуществляется следующим образом.
Поскольку заранее появление в зоне действия комплекса той или иной цели неизвестно, оператор-гидроакустик включает на пульте 9 попеременно режимы поиска малоразмерных и крупноразмерных целей. При включении режима поиска малоразмерных целей, им устанавливаются параметры всех рабочих режимов комплекса и производится запуск тракта излучения режима гидролокации 2. Тракт излучения 2 осуществляет формирование зондирующих сигналов режима гидролокации, соответствующих малоразмерным целям, т.е. в полосе частот второго резонанса преобразователей антенны, с помощью  задающего  генератора 3. Сигналы задающего генератора усиливаются усилителями мощности 4 и через согласующие усилители 4 подаются на подкильную приемноизлучающую антенну 1. Преобразователи антенны осуществляют преобразование электрической энергии зондирующих сигналов в акустическую, происходит излучение сигналов в водную среду. При наличии цели отраженный от нее сигнал (эхо-сигнал) принимается акустическими преобразователями антенны 1 и преобразуется в электрические сигналы, поступающие в приемный тракт б на входы
предварительных усилителей 7. Усиленный и отфильтрованный сигнал подвергается в предварительных усилителях аналого-цифровому преобразованию и в цифровом виде поступает на вход цифрового вычислительного комплекса (ЦБК) 8. В ЦБК реализуются алгоритмы пространственно-временной обработки эхо-сигналов малоразмерных целей. Формируется, например, веер характеристик направленности в пределах сектора поиска. Б каждом пространственном канале осуществляется оптимальная фильтрация сигналов в полосе частот второго резонанса преобразователей акустической антенны. Затем формируются массивы для отображения на экранах индикаторов пульта 9. Параллельно с пространственно-временной обработкой эхо-сигналов, в ЦБК 8 осуществляется автоматизированный режим классификации цели по совокупности выделяемых из эхо-сигнала признаков, соответствующих малоразмерньм целям.
При фиксации отметки цели на экране индикатора оператор включает алгоритм автоматического сопровождения цели (АСЦ). При выработке алгоритмом АСЦ координат и параметров движения цели с требуемым уровнем погрещности, окончании процесса классификации цели, осуществляется выдача данных в приборы управления стрельбой НК.
При работе комплекса в режиме щумопеленгования принимаемые антенной 1 щумовые сигналы поступают на вход приемного тракта б и далее в ЦБК 8 для пространственно-временной обработки. Сигналы в каждом пространственном канале ЦБК обрабатываются в полосе частот второго резонанса преобразователей антенны. Далее работа в режиме шумопеленгования аналогична работе в режиме
гидролокации. При классиф :кации целей из шумового сигнала выделяются признаки, характерные для малоразмерных целей.
При работе комплекса в режимеобнаружения гидроакустических сигналов малоразмерных целей, зондирующие сигналы гидролокаторов целей, например, гидролокаторов самонаведения торпед, воспринимаются акустической антенной 1, обрабатываются в приемном тракте 6 в полосе частот, соответствующей второму резонансу преобразователей. В ЦБК 8 реализуются алгоритмы измерения параметров принятых зондирующих сигналов (длительность, частота, период повторения) и совместно с алгоритмами режима классификации формируются данные о классе цели.
При включении режима поиска крупноразмерных целей работа комплекса имеет следующие отличия от его работы при поиске малоразмерных целей.
С помощью пульта управления 9 -оператор-гидроакустик устанавливает параметры рабочих режимов для поиска крупноразмерных целей: например, соответствующие щкалы дальности, длительность зондирующих сигналов, величину излучаемой акустической мощности сигналов режима гидролокации; величину рабочей полосы частотной характеристики в пространственных каналах ЦБК и время осреднения щумовых сигналов режима щумопеленгования.
Тракт излучения 2 осуществляет формирование зондирующих сигналов режима гидролокации, соответствующих крупноразмерным целям, в полосе частот первого резонанса преобразователей антенны.
ЫйО /с,
в каждом пространственном канале ЦБК 8 осуществляется оптимальная фильтрация эхо-сигналов (режим гидролокации)
и шумовых сигналов (режим шумопеленгования) в полосе частот первого резонанса преобразователей акустической антенны.
При классификации целей из эхо-сигналов и шумовых сигналов цели выделяются признаки, характерные для крупноразмерных целей.
В режиме обнаружения гидроакустических сигналов зондирующие сигналы гидролокаторов крупноразмерных целей, например, гидролокаторов подводных лодок, обрабатываются в приемном тракте 6 в полосе частот,-соответствующей первому резонансу преобразователей акустической антенны.
Расчеты показали, что объем аппаратной части комплекса, реализуемого по предлагаемой полезной модели, несущественно отличается от объема аппаратного состава комплекса для НК с подкильной антенной, имеющей один резонанс, и предназначенного для поиска крупноразмерных объектов. Увеличение объема не превышает 1-2 типовых стоек.
JdO VS/.лТ