Гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука и измерения его координат
HYDROACOUSTIC COMPLEX FOR DETECTING A MOVING UNDERWATER SOUND SOURCE AND MEASURING ITS COORDINATES

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения движущегося подводного источника звука и измерения его координат в мелком море в активно-пассивном режиме с помощью акустических комбинированных приемников.
Общеизвестен способ определения азимутального угла и угла места подводного источника звука (Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике. М: Наука, 1989. 223 с.). В этом способе с помощью комбинированного приемника, содержащего канал звукового давления и три векторных канала, измеряются три компоненты вектора интенсивности, а азимутальный угол на источник звука и угол места в локальной координатной системе, связанной с комбинированным приемником, определяются формулами
(1)
(2),
x
y
z
где φ, θ - азимутальный угол и угол места, I, I, I - компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности.
Однако погрешность определения азимутального угла и угла места по формулам (1)-(2) достаточно велика, и особенно, в условиях мелкого моря и низких частот. Объясняется это тем, что комбинированный приемник является точечным приемником с дипольной характеристикой направленности в векторных каналах, а его помехоустойчивость, которая также влияет на погрешность определения азимутального угла и угла места по формулам (1)-(2), невелика и оценивается в 5-6 дБ. Однако в условиях мелкого моря и низких частот вектор интенсивности приобретает вихревую составляющую, которая существенно влияет на компоненты суммарного вектора интенсивности и на их отношение. Следовательно, она влияет и на погрешность определения азимутального угла и угла места по формулам (1)-(2), которые справедливы только для условий свободного пространства (глубокого моря), когда вектор интенсивности содержит только потенциальную составляющую. Кроме того, данный способ не позволяет определять дистанцию до источника звука и, следовательно, его координаты.
,
Известен также гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука, измерения пеленга на источник звука и горизонта источника звука в мелком море (Патент РФ №2739000, МПК G01S 15/04, приоритет 15.06.2020 г.), 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, число приемников N=H/Δz (где Н - глубина моря). 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, N-канальную подсистему определения горизонта источника, содержащую N-канальный блок сбора и первичной обработки информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, N-канальный блок интеграторов, вход которого соединен с первым выходом блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности, блок определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока интеграторов, а выход соединен с первым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных. За горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, N-канальную подсистему пеленгования, содержащую N-канальный блок формирования М пространственных каналов в каждом из N каналов, причем М=360°/Δφ, где Δφ - заданная погрешность определения пеленга, MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок формирования отношения сигнал-помеха (ОСП) по всем информативным параметрам, MN-канальный компаратор, N-канальный блок формирования время-углового распределения (ВУР) в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, N-канальный блок формирования (ВУР) в географической системе координат, блок формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, выход которого соединён со вторым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальную подсистему обнаружения содержащую N-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), N-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, N-канальный компаратор, выделяющий в каждом канале информативный параметр, которому соответствует максимальное значение , выход которого соединён с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, в котором существенно увеличена помехоустойчивость, дальность обнаружения источника звука и определения его угловых координат.
Данный комплекс является наиболее близким к заявленному изобретению и принят в качестве прототипа. Недостатком этого гидроакустического комплекса является невозможность определения дистанции до источника звука в пассивном режиме, а следовательно, невозможность определения его координат.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. разработать гидроакустический комплекс, позволяющий решать и проблему обнаружения, и проблему определения координат подводного источника звука в условиях мелкого моря и низких частот.
Для достижения указанной задачи  гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука и измерения его координат содержит 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. Число приемников N=H/Δz (где Н - глубина моря). Каждый комбинированный приемник состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, первый 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. Система  включает в себя N-канальную подсистему определения горизонта источника, содержащую N-канальный блок сбора и первичной обработки информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, N-канальный блок интеграторов, вход которого соединен с первым выходом блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности, блок определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока интеграторов, а выход соединен с первым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, причем за горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности. В комплекс включены N-канальная подсистема пеленгования, содержащая N-канальный блок формирования М пространственных каналов в каждом из N каналов, причем М=360°/Δφ, где Δφ - заданная погрешность определения пеленга, MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок формирования отношения сигнал-помеха (ОСП) по всем информативным параметрам, MN-канальный компаратор, N-канальный блок формирования время-углового распределения (ВУР) в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, N-канальный блок формирования (ВУР) в географической системе координат, блок формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, выход которого соединён со вторым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальную подсистему обнаружения, содержащую N-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), N-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, N-канальный компаратор, выделяющий в каждом канале информативный параметр, которому соответствует максимальное значение , выход которого соединён с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, В комплекс дополнительно введены подсистема активной подсветки, подсистема корреляционного приёмника, второй телеметрический блок, подсистема наведения и исполнительные механизмы.
Подсистема активной подсветки включает в себя тракт излучения, содержащий синхронизатор, блок формирования фазоманипулированного сигнала, вход которого соединён с выходом синхронизатора, усилитель мощности, вход которого соединён с выходом блока формирования фазоманипулированного сигнала, блок согласования, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, волноводный пьезоэлектрический преобразователь, работающий в режиме излучения – приёма, вход которого соединён с выходом блока согласования, антенный коммутатор, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, измеритель углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, а выход измерителя углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя, второй выход блока формирования фазоманипулированного сигнала, выход синхронизатора и выход антенного коммутатора соединены со вторым входом первого телеметрического блока, причём волноводный пьезоэлектрический преобразователь конструктивно совмещён с донной вертикально ориентированной антенной.
Подсистема корреляционного приёмникавключает в себя корреляционный приёмник, первый вход которого соединён с выходом антенного коммутатора, а второй вход соединён с выходом блока формирования фазоманипулированного сигнала, измеритель дистанции, первый вход которого соединён с выходом синхронизатора, второй вход соединён с выходом корреляционного приёмника,а выход соединён с четвёртым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.
Второй телеметрический блок включает в себя модулятор, вход которого соединён с выходом блока наведения, генератор несущей частоты, вход которого соединён с выходом модулятора, 2-х жильный кабель, вход которого соединён с выходом генератора несущей частоты, демодулятор, вход которого соединён с выходом 2-х жильного кабеля.
Подсистема наведения  включает в себя измеритель углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, селектор, вход которого соединён с выходом блок формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, компаратор, первый вход которого соединён с выходом измерителя углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, а второй вход соединён с выходом блока формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, блок наведения, вход которого соединён с выходом компаратора.
Исполнительные механизмы содержат горизонтальные двигатели левого и правого бортов, при этом вход горизонтального двигателя правого борта соединён через второй телеметрический блок с первым выходом блока управления, а вход горизонтального двигателя левого борта соединён через второй телеметрический блок со вторым выходом блока управления.  Характеристика направленности волноводного пьезоэлектрического преобразователя ориентируется подсистемой наведения по измеренному пеленгу на подводный источник звука.
В заявляемом гидроакустическом комплексе существенными признаками, общими с прототипом, являются:
- донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна, содержащая  N акустических комбинированных приемников, в которой расстояние между комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, число приемников N=H/Δz (где Н - глубина моря),
- 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,
- система сбора, обработки и отображения информации, которая включает в себя N-канальную подсистему определения горизонта источника, содержащую N-канальный блок сбора и первичной обработки информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, N-канальный блок интеграторов, вход которого соединен с первым выходом блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности, блок определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока интеграторов, а выход соединен с первым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, причем за горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности,
- N-канальная подсистема пеленгования, содержащая N-канальный блок формирования М пространственных каналов в каждом из N каналов, причем М=360°/Δφ, где Δφ - заданная погрешность определения пеленга, MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), MN-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок формирования отношения сигнал-помеха (ОСП) по всем информативным параметрам, MN-канальный компаратор, N-канальный блок формирования время-углового распределения (ВУР) в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, N-канальный блок формирования (ВУР) в географической системе координат, блок формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, выход которого соединён со вторым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных,
- N-канальная подсистема обнаружения, содержащая N-канальный блок формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), N-канальный блок формирования набора информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок усреднения информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, N-канальный компаратор, выделяющий в каждом канале информативный параметр, которому соответствует максимальное значение , выход которого соединён с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.
В заявляемом гидроакустическом комплексе отличительными существенными признаками являются:
- подсистема активной подсветки, включающая в себя тракт излучения, содержащий синхронизатор, блок формирования фазоманипулированного сигнала, вход которого соединён с выходом синхронизатора, усилитель мощности, вход которого соединён с выходом блока формирования фазоманипулированного сигнала, блок согласования, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, волноводный пьезоэлектрический преобразователь, работающий в режиме излучения – приёма, вход которого соединён с выходом блока согласования, антенный коммутатор, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, измеритель углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, а выход измерителя углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя, второй выход синхронизатора, второй выход блока формирования фазоманипулированного сигнала и выход антенного коммутатора соединены со вторым входом первого телеметрического блока, причём волноводный пьезоэлектрический преобразователь конструктивно совмещён с донной вертикально ориентированной антенной,
-
подсистема корреляционного приёмника,включающая в себя корреляционный приёмник, первый вход которого соединён с выходом антенного коммутатора, а второй вход соединён с выходом блока формирования фазоманипулированного сигнала, измеритель дистанции, первый вход которого соединён с выходом синхронизатора, второй вход соединён с выходом корреляционного приёмника, авыход соединён с четвёртым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных,
-
подсистема наведения, включающая в себя измеритель углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя, селектор, вход которого соединён с выходом блок формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, компаратор, первый вход которого соединён с выходом измерителя углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, а второй вход соединён с выходом блока формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, блок наведения, вход которого соединён с выходом компаратора,
-
второй телеметрический блок, включающий в себя модулятор, вход которого соединён с выходом блока наведения, генератор несущей частоты, вход которого соединён с выходом модулятора, 2-х жильный кабель, вход которого соединён с выходом генератора несущей частоты, демодулятор, вход которого соединён с выходом 2-х жильного кабеля,
-
исполнительные механизмы,включающие в себя горизонтальные двигатели правого  и левого бортов, при этом вход правого горизонтального  двигателя соединён через второй телеметрический блок с первым выходом блока управления, а вход горизонтального двигателя левого борта соединён через второй телеметрический блок со вторым выходом блока управления,
-  характеристика направленности волноводного пьезоэлектрического преобразователя ориентируется подсистемой наведения по измеренному пеленгу на подводный источник звука.
Заявляемое техническое решение может быть использовано для обнаружения движущегося подводного источника звука и измерения его координат в мелком море с помощью акустических комбинированных приемников, координаты которых и угловое положение считаются известными, и излучателя подсветки, характеристика направленности которого ориентируется системой наведения по измеренному пеленгу на подводный источник звука.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом - не только обнаруживать подводный источник звука, но и определять его координаты.
Следовательно, заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна, конструктивно совмещённая с волноводным пьезоэлектрическим преобразователем подсистемы активной подсветки. На фиг. 2 представлена схема волноводного пьезоэлектрического преобразователя и фрагмент его соединения с герметичным контейнером, в котором размещается волноводный пьезоэлектрический преобразователь и подсистема активной подсветки. На фиг. 3 представлена укрупнённая блок-схема гидроакустического комплекса. На фиг.4 представлены блок – схемы отдельных подсистем комплекса.
Заявленный гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося подводного источника звука и измерения его координат содержит донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну (I), подсистему активной подсветки (II), размещённую в герметичном контейнере с волноводным пьезоэлектрическим преобразователем, телеметрический блок (III), систему (IV) сбора, обработки и передачи информации, второй телеметрический блок (V), исполнительные механизмы (VI) системы наведения (двигатели правого и левого борта).
Донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна (I) образуется посредством N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника градиента давления и соединенных с ним усилителей (на чертеже не показаны). Антенна (I) (фиг. 1) включает в себя плавучесть 1, оптоволоконный кабель–трос 2, комбинированные приёмники в обтекателях 3, разъёмы 4. Конструктивно антенна совмещена с герметичным контейнером 5, на котором размещены двигатели правого и левого борта 6, фронтальный фланец 7 для крепления волноводного пьезоэлектрического преобразователя, звукопрозрачный обтекатель 8 волноводного пьезоэлектрического преобразователя. Кабельные зажимы 9 служат для крепления кабель - троса 2 к донному якорю 10. Оптоволоконный кабель–трос 2 поступает в береговой пост 11.
В схему волноводного пьезоэлектрического преобразователя (фиг.2), работающего в режиме излучения – приёма,  входят следующие элементы: однородная часть 12 волновода, неоднородная часть 13 волновода с элементами крепления, соединительная муфта 14 с узлом герметизации, секционированный пьезоэлектрический преобразователь 15, тыльная накладка 16, фронтальный торец 7 герметичного контейнера подсистемы активной подсветки комплекса. Конструктивные особенности и технические характеристики волноводных излучателей подробно описаны в работе (Ю.В. Мальцев, С.Е. Прокопчик, Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника. 2010 г. №2(10), с.51-71).
На укрупнённой блок-схеме (фиг. 3) гидроакустического комплекса показаны  следующие подсистемы:
-
подсистема активной подсветки (II) включает в себя синхронизатор 17, блок 18 формирования фазоманипулированного сигнала, вход которого соединён с выходом синхронизатора, усилитель мощности 19, вход которого соединён с выходом блока формирования фазоманипулированного сигнала, блок 20 согласования, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, волноводный пьезоэлектрический преобразователь 21, вход которого соединён с выходом блока согласования, антенный коммутатор 22, вход которого соединён с выходом усилителя мощности, измеритель углового положения 23 волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости;
-
первый телеметрический блок (III) включает в себя делители напряжения 24, аналого-цифровую преобразующую схему 25, единую схему 26 электронного мультиплексирования, модулятор 27 и оптический излучатель 28, связанный оптической линией связи 29 с оптическим ресивером 30;
-
система сбора, обработки и передачи информации (IV) включает в себя N-канальный блок 31 сбора и первичной обработки информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера 30, N-канальную подсистему 32 определения горизонта источника, N-канальную подсистему 33 пеленгования, N-канальную подсистему 34 обнаружения, подсистему корреляционного приёмника 35 и подсистему наведения 36;
-
N-канальная подсистема 32 определения горизонта источника включает в себя N канальный блок 37 вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 31 сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок 38 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока 31 сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок 39 формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока 37 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока 38 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, N-канальный блок 40 интеграторов, вход которого соединен с первым выходом блока 39 формирования направленности по вертикальному потоку мощности, блок 41 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 40 интеграторов, устройство 42 доступа к цифровым сетям передачи данных, первый вход которого соединен с выходом блока 41 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности;
-
N-канальная подсистема 33 пеленгования включает в себя N-канальный блок 43 формирования М пространственных каналов в каждом из N каналов, причем М=360°/Δφ, где Δφ - заданная погрешность определения пеленга, вход которого соединен с выходом N-канального блока 31 сбора и первичной обработки информации, MN-канальный блок 44 формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 43 формирования М пространственных каналов, MN-канальный блок 45 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 43 формирования М пространственных каналов, MN-канальный блок 46 формирования набора информативных параметров для помехи (П), вход которого соединен с выходом MN-канального блока 45 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), MN-канальный блок 47 усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), вход которого соединен с выходом MN-канального блока 44 формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), MN-канальный блок 48 усреднения информативных параметров для помехи (П), вход которого соединен с выходом MN-канального блока 46 формирования набора информативных параметров для помехи (П), MN-канальный блок 49 формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, вход которого соединен с выходами блоков 47, 48 усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П) и помехи (П), MN-канальный компаратор 50, вход которого соединен с выходом MN-канального блока 49 формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, N-канальный блок 51 формирования время - углового распределения (ВУР) в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, вход которого соединен с выходом MN-канального компаратора 50, компас 52 N-го канала, N-канальный блок 53 формирования (ВУР) в географической системе координат, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока 51 формирования (ВУР) в локальной системе координат, а второй вход соединен с выходом компаса 52 N-го канала, блок 54 формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, вход которого соединен с выходом N-канального блока 53 формирования (ВУР) в географической системе координат, а выход соединен со вторым входом устройства 42 доступа к цифровым сетям передачи данных;
-
N-канальная подсистема 34 обнаружения включает в себя N-канальный блок 55 формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 31 сбора и первичной обработки информации, N-канальный блок 56 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 31 сбора и первичной обработки информации, N-канальный блока 57 формирования набора информативных параметров для помехи (П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 56 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), N-канальный блок 58 усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 55 формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П), N-канальный блок 59 усреднения информативных параметров для помехи (П), вход которого соединен с выходом N-канального блока 57 формирования набора информативных параметров для помехи (П), N-канальный блок 60 формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, вход которого соединен с выходами блоков 58, 59 усреднения информативных параметров для суммарного процесса (С+П) и помехи (П), N-канальный компаратор 61, вход которого соединен с выходом N-канального блока 60 формирования (ОСП) по всем информативным параметрам, выделяющий в каждом канале информативный параметр, которому соответствует максимальное значение , выход которого соединен с третьим входом устройства 44 доступа к цифровым сетям передачи данных;
-
подсистема корреляционного приёмника 35включает в себя корреляционный приёмник 62, первый вход которого соединён с выходом антенного коммутатора 22, а второй вход соединён с выходом блока 18 формирования фазоманипулированного сигнала, измеритель дистанции 63, первый вход которого, соединён с выходом корреляционного приёмника 62, второй вход соединён с выходом блока 17 синхронизатора, а выход соединён с четвёртым входом устройства 42 доступа к цифровым сетям передачи данных;
-
подсистема наведения 36, содержит измеритель 23 углового положения волноводного излучателя, селектор 64, вход которого соединён с выходом блок 54 формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, компаратор 65, первый вход которого соединён с выходом измерителя 23 углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, а второй вход соединён с выходом блока 54 формирования (ВУР) гидроакустического комплекса, блок наведения 66, вход которого соединён с выходом компаратора 65;
- второй телеметрический блок (V) включает в себя модулятор 67, вход которого соединён с выходом блока 66 наведения, генератор несущей частоты 68, вход которого соединён с выходом модулятора 67, 2-х жильный кабель 69, вход которого соединён с выходом генератора несущей частоты 68, демодулятор 70, вход которого соединён с выходом 2-х жильного кабеля 69;
- исполнительные механизмы (VI), включают в себя горизонтальный двигатель правого борта 71, вход которого соединён с первым выходом демодулятора 70, горизонтальный двигатель левого борта 72, вход которого соединён со вторым выходом демодулятора 70.
Гидроакустический комплекс работает следующим образом.
х
y
z
x
y
z
Звуковая волна, излучаемая источником звука, принимается акустическими комбинированными приемниками, образующими донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну (I). Все сигналы с выходов акустических приемников поступают на вход телеметрического блока (II), а после прохождения через делители напряжения 24, аналого-цифровую преобразующую схему 25 и единую схему 26 электронного мультиплексирования преобразуются в поток цифровой информации, поступающей через модулятор 27, оптический излучатель 28 и оптическую линию 29 связи на оптический ресивер 30. С выхода оптического ресивера 30 информация поступает в цифровом виде на вход блока 31 сбора, обработки и отображения информации, находящегося в системе III сбора, обработки и отображения информации. В блоке 31 сбора и первичной обработки информации сигналы вновь разделяются по отдельным каналам звукового давления и компонент вектора градиента давления (или вектора колебательной скорости). После применения быстрого преобразования Фурье (БПФ) сигналы поступают в виде соответствующих спектральных плотностей звукового давления р(ω, r(t)), компонент вектора колебательной скорости ν(ω, r(t)), ν(ω, r(t)), ν(ω, r(t)) и компонент вектора градиента давления g(ω, r(t)), g(ω, r(t)), g(ω, r(t)) в соответствующие подсистемы для последующей обработки.
z
С выхода блока 31 сигналы поступают на вход подсистемы 32 определения горизонта источника в N канальный блок 37 вычисления вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности I(ω, r(t)) и в N канальный блок 38 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости с последующим формированием односторонне направленных вертикальных потоков мощности в N канальном блоке 39. Для формирования потоков мощности, направленных в сторону отрицательной оси z (от морского дна в сторону поверхности моря) используется алгоритм
,
p,n
ν,n
где μ, U чувствительность канала звукового давления и канала вертикальной компоненты вектора колебательной скорости для n-го комбинированного приемника соответственно. Этот поток мощности не содержит потока мощности в поле помехи, направленного в сторону положительной оси z (от поверхности моря в сторону морского дна). Сформированные в блоке 39 односторонне направленные потоки мощности усредняются в N канальном блоке интеграторов 40, а затем подаются на вход блока 41 выбора максимального по уровню сигнала. Сигнал максимального уровня подается на первый вход устройства 42 устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, а за горизонт источника принимается горизонт комбинированного приемника, которому соответствует максимальный уровень вертикальной компоненты вещественной составляющей вектора интенсивности.
x.n
y,n
α
β
m
Кроме того, сигналы с выхода блока 31 поступают в подсистему 33 пеленгования на вход блока 43 формирования М пространственных каналов в каждом из N каналов. В этом блоке происходит преобразование горизонтальных компонент вектора интенсивности ν(ω, r(t)), ν(ω, r(t)), измеренных в локальной системе координат (х,у), связанной с n-ым комбинированным приемником, в компоненты ν(ω,r(t)), ν(ω,r(t)) в повернутой на угол φ системе координат (α, β) по формулам (4)
,
m
где φ=(m-1)Δφ, m=1-М, Δφ - заданная погрешность определения пеленга. С выхода блока 43 сигналы поступают на вход MN-канального блока 44 формирования набора из 13 информативных параметров для суммарного процесса (С+П) по формулам (5)
- вещественная и мнимая составляющие комплексного вектора интенсивности.
Сформированные в блоке 44 информативные параметры полностью характеризуют структуру односторонне направленных потоков мощности в плоскости (n,z) в каждом пространственном канале с учетом присутствия вихревой составляющей вектора интенсивности. Вихревая составляющая вектора интенсивности вносит существенный вклад в суммарное поле вектора интенсивности в условиях мелкого моря и низких частот. Сигналы с выхода блока 43 поступают на вход MN-канального блока 45 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П). В качестве достаточно общего алгоритма выделения помехи (П) из суммарного процесса (С+П) можно использовать следующий алгоритм
0
2Δƒ - ширина окна Хэмминга.
0
0
П
0
С+П
0
где ƒ - средняя частота частотного канала, Δƒ - варьируемый параметр, примерно на порядок превышающий ширину дискретной составляющей Δƒ в спектре суммарного процесса (сигнал плюс помеха), А(f, t), А(f, t), параметры звукового поля (звуковое давление, компоненты вектора колебательной скорости и вектора градиента давления) для помехи (П) и для суммарного процесса (С+П), L число усредняемых спектральных отсчетов.
i
С выхода блока 45 выделения помехи (П) из суммарного случайного процесса (С+П) сигналы поступают в MN канальный блок 46 вычисления полного набора информативных параметров A (i=1-13) для помехи (П) по формулам (5). Сформированные в блоках 44, 46 наборы информативных параметров для суммарного процесса (С+П) и для помехи (П) усредняются во временной области окном Хэмминга в MN канальных блоках 47, 48 соответственно и поступают на вход MN канального блока 49 определения отношения сигнал-помеха (ОСП) по каждому информативному параметру.
max
n
Сформированные в блоке 49 значения (ОСП) по каждому информативному параметру поступают на вход MN канального компаратора 50, в котором выбирается информативный параметр, которому соответствует максимальное значение (ОСП) из набора 13 информативных параметров. Использование набора информативных параметров, а не одного параметра, как в случае приемника звукового давления, позволяет существенно увеличить значение (ОСП) в каждом пространственном канале и, соответственно, уменьшить погрешность определения азимутального угла в каждом пространственном канале. Сигналы с выхода MN канального компаратора 50 поступают на вход N канального блока 51 формирования время - углового распределения (ВУР) принятых сигналов во всем диапазоне изменения азимутальных углов в локальной системе координат, связанной с каждым приемником. Эти сигналы поступают на вход блока 53 формирования (ВУР) принятых сигналов в географической системе координат во всем диапазоне изменения усредненных пеленгов на шумящий объект, на второй вход которого поступают сигналы от N блоков-компасов 52. Компасы 52 определяют положение локальной системы координат n-го приемника относительно географической системы координат по формулам
n
n0
max,n
где φ - пеленг на шумящий объект в географической системе координат, φ - угловое положение оси Х локальной системы координат n-го приемника относительно севера по показаниям n-го компаса. Сигналы с выхода блока 53 поступают на вход блока 54 усреднения пеленгов. Усредненный пеленг в блоке 54 определяется по формулам усреднения с весом, а в качестве весовых коэффициентов используются значения (ОСП).
Усредненные пеленги в виде усредненного (ВУР) поступают на второй вход устройства 42 доступа к цифровым сетям передачи данных.
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
1
2x
15
2y
16
2z
1
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Кроме того, сигналы с выхода N канального блока 31 поступают в подсистему обнаружения 34 на вход N канального блока 55 формирования набора информативных параметров для суммарного процесса (С+П) и на вход N канального блока 56 выделения из текущих значений суммарного случайного процесса (С+П) текущих значений помехи (П), с выхода которого сигналы поступают на вход N канального блока 57 формирования набора информативных параметров для помехи (П). В подсистеме обнаружения полный набор 16 информативных параметров формируется из следующих величин: B=|p|, B=I, В=I, B=I, B=Q, B=Q, B=Q, B=rotI, B=rotI, B=rotI, B=g, B=g, В=g, B4=g, B=g, B=g, p=p+ip, g=g+ig,
где g-компоненты вектора градиента давления.
max
max
Сигналы с выхода блоков 55, 57 усредняются во временной области окном Хэмминга в блоках 58, 59 и поступают на вход N канального блока 60 формирования (ОСП) по всем информативным параметрам. С выхода блока 60 сигналы поступают на вход N канального компаратора 61, в котором выбирается информативный параметр, которому соответствует максимальное значение (ОСП). На выходе N канального компаратора формируется 3D-сонограмма в координатах частота в заданном рабочем диапазоне частот – время - нормированный уровень сигнала (дБ). Информация в виде 3D-сонограмм для каждого комбинированного приемника подается на третий вход устройства 42 доступа к цифровым сетям передачи данных, а решение об обнаружении принимается путем сравнения с пороговым значением (ОСП) максимального (ОСП), вычисленного в одном из каналов N-канального компаратора.
Кроме того, подсистема активной подсветки (II), излучает периодически сложный фазоманипулированный сигнал, который, отражаясь от подводного источника звука, принимается тем же волноводным пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в режиме приёма, и через антенный коммутатор поступает на вход корреляционного приёмника 62, первый вход которого соединён с выходом антенного коммутатора 22, а второй вход соединён с выходом блока 18 формирования фазоманипулированного сигнала. Корреляционная обработка заключается в вычислении взаимной корреляционной функции между принятым сигналом звукового давления и электронной копией излучённого сигнала. С выхода корреляционного приёмника сигнал поступает на первый вход измерителя дистанции 63, второй вход которого соединён с выходом блока 17 синхронизатора, а выход соединён с четвёртым входом устройства 42 доступа к цифровым сетям передачи данных. За искомое время распространения сигнала, излучённого волноводным пьезоэлектрическим преобразователем, принимается половина времени прихода максимума импульсной характеристики, сформированной на выходе корреляционного приёмника. За искомое расстояние до обнаруженного подводного объекта принимается произведение половины времени распространения сигнала на заранее определённую эффективную скорость распространения звука в морской среде.
0
0
0
Кроме того, сигналы с выхода блока 54 формирования (ВУР) гидроакустического комплекса поступают в подсистему наведения 36 на вход селектора 64. С помощью селектора оператор выбирает на мониторе конкретный подводный объект, пеленг на который поступает в цифровом виде на первый вход компаратора 65, где он сравнивается с показанием измерителя 23 углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости, сигнал от которого поступает в цифровом виде на второй вход компаратора. Разностный сигнал с выхода компаратора поступает на вход блока наведения 66. В этом блоке вырабатывается напряжение, пропорциональное разности показаний измерителя углового положения волноводного пьезоэлектрического преобразователя в горизонтальной плоскости φ и измеренного пеленга на источник φ. В случае, если разность (φ-φ)˃0, сигнал с блока наведения через второй телеметрический блок поступает на горизонтальный двигатель 71 правого борта. В случае, если разность (φ-φ)˂0, сигнал с блока наведения через второй телеметрический блок поступает на горизонтальный двигатель 72 левого борта. Таким образом, волноводный пьезоэлектрический преобразователь наводится по результатам пеленгования на выбранный обнаруженный подводный объект и измеряет в активном режиме расстояние до него.
Использование в заявленном гидроакустическом комплексе волноводного пьезоэлектрического преобразователя с рабочей частотой (1-2)кГц, излучающего сложные фазоманипулированные сигналы, и корреляционного приёмника для их приёма и корреляционной обработки позволяет при прочих равных условиях определить пеленг,  угол места  и дистанцию до источника подводного  источника звука,  следовательно и его координаты.