СПОСОБ И СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ ГИДРОЛОКАЦИИ
METHOD AND SYSTEM OF DETECTING OBJECTS DURING HYDROLOCATION

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для обнаружения объектов в воде в условиях мелководья, таких как прибрежные морские области, речные русла, водные каналы, озера.
Предложенный способ и система могут быть использованы в мелководных областях при проведении подводных работ, контроле состояния подводных сооружений и подводной обстановки в портах, при поисковых и спасательных работах, осуществлении охраны сооружений на берегу со стороны водной среды от подводных пловцов-нарушителей или подводных сооружений, проложенных под водой кабелей, коллекторов, трубопроводов, судов на стоянке, нефтяных платформ, входов в порты, мостов, каналов, акваторий гидростанций, а также для контроля рыбьих скоплений в устьях рек, при проведении научных исследований, в том числе биологических.
Недостатком традиционных методов гидролокации для этих целей в условиях мелководья, когда излучатель зондирующих акустических сигналов и приемник отраженных сигналов от объектов в воде совмещены, являются ограничения по дальности обнаружения объектов, обусловленные спадом с расстоянием энергии прямого и отраженного от объекта зондирующего сигнала из-за расхождения фронта волны и значительным рассеянием зондирующего сигнала при отражении от объекта, а также поглощением энергии звука при распространении в воде.
Учет этих эффектов для интенсивности сигнала I, регистрируемого в точке приема, имеет вид (см. В.Н.Тюлин. Основные явления, связанные с распространением акустических волн в морской среде. В.-М. Акад. корабл. им. А.Н.Крылова, Л. 1956):
где r - расстояние до объекта;
Э
S - эффективная площадь рассеяния объекта;
β - затухание звука в воде.
Из этого выражения следует, что даже без учета поглощения звука в воде энергия принятого сигнала спадает пропорционально четвертой степени расстояния до объекта, в то время как спад энергии прямого зондирующего сигнала, падающего на объект, происходит пропорционально второй степени расстояния до объекта.
Выражение не учитывает рефракционные эффекты (отклонение от прямолинейного распространения) при распространении звука в водном слое из-за неравномерного прогрева воды по глубине и вызываемой этим изменчивости скорости звука в водном слое, которые также в основном приводят к снижению дальности обнаружения объектов из-за касания звуковыми лучами дна и водной поверхности, а также из-за образования так называемых зон акустической тени вдоль трассы распространения, в которых энергия зондирующего сигнала или отраженного сигнала резко спадает.
В мелководных областях к этим эффектам добавляются другие - высокий уровень естественного шума водной среды и помех из-за отражений сигнала от водной поверхности и дна. В результате приходящий, особенно с дальнего расстояния, сравнительно слабый полезный сигнал, отраженный от объекта, теряется на фоне помех.
Этим объясняется то, что предельные дальности обнаружения объектов при гидролокации в условиях мелководья обычно не превышают 100-300 м и зависят как от уровня помех во время наблюдений, так и от формы распределения скорости звука в водном слое по глубине. При этом отсутствует возможность постоянного контроля дальности и ее изменений при работе гидролокатора, если в водном слое нет объектов, отражающих зондирующие сигналы.
Из уровня техники известны решения по активной гидролокации, позволяющие исключить влияние помех и влияние распределения скорости звука в водном слое. Например, способ обнаружения подводных объектов описан в патенте РФ №2161319, предназначенный для обнаружения пловцов-нарушителей, пересекающих узкую активную зону контроля, образуемую вертикально излучаемыми зондирующими сигналами. Для расширения зоны действия системы предлагается регистрировать отраженные от объекта сигналы как совмещенным с излучателем приемником, так и отнесенными от него приемниками соседних гидролокаторов.
Принципиальными недостатками вертикального зондирования водной толщи, помимо ограниченной ширины охраняемого рубежа, не превышающей по величине значения глубины в зоне охраны, является необходимость в большом числе приемоизлучателей в цепочке, устанавливаемых на дно с дискретностью, равной также значению глубины. Кроме того, у таких систем не контролируются обширные зоны у дна и у водной поверхности.
В изобретении по патенту США №5305286 описана рубежная система охраны, организованная также путем наращивания числа гидролокаторов вдоль охраняемого рубежа для увеличения длины рубежа, но с излучением зондирующего сигнала вдоль водного слоя.
Данное решение представляется сложным по изготовлению и использованию и неоправданно дорогим.
В изобретении по патенту США №5237541 описана организация оперативного мониторинга мелководной среды путем опускания в воду с вертолета гидролокатора и буев-приемников сигналов, отраженных от объектов в воде.
Данное решение, посвященное оперативному развертыванию системы обнаружения объектов в водной среде, в условиях, когда положение гидролокатора в водном слое нестабильно и частично компенсируется использованием приемников, вынесенных от излучателя, неприемлемо для использования с той же целью в стационарных условиях гидролокации в мелководных областях, однако оно может быть принято в качестве наиболее близкого по технической сущности аналога в части пространственного разнесения приемников от излучателя при гидролокации.
Известны также иженерно-геофизические методы акустического зондирования водной среды в шельфовых областях - методы отраженных, преломленных и рефрагированных волн - применяемые для выявления структуры донных осадков (см. Сейсморазведка. Справочник геофизика. М., Недра, 1981. 464 с.), при которых излучатель акустических сигналов и приемники сигналов, отраженных от донных структур, располагаются в водной толще и разделены в пространстве.
Данные методы, применяемые для зондирования осадков на шельфе, в которых принципиально используются сравнительно низкие частоты для обеспечения проникновения акустического сигнала в грунт и специальные методы обработки принимаемых сигналов для выявления слоистой структуры осадков, неприемлемы для зондирования водной толщи и обнаружения в ней объектов, однако в части используемого принципа разделения в пространстве излучателя и приемников они также могут представлять аналоги предлагаемому способу и системе.
Также технические решения по обнаружению подводных объектов раскрыты в патентах РФ №2177626, №2092802, №2298203, №2038615, №2280266, №2208811, №2158430, №2154841, №2010456, опубликованных в заявках РФ №95111058, №2001111935, 200311457.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании способа и системы с простой реализацией и расширенной областью применения, позволяющих обнаруживать объекты и определять их местоположение в водной толще на расстояниях, превышающих предельные дальности обнаружения объектов при гидролокации в сложных условиях мелководных областей с изменяющейся гидрологией, высоким уровнем помех и значительным поглощением звука при распространении.
Для решения поставленной задачи предложен способ обнаружения объекта в водной толще и определения его местоположения, включающий продольное волновое зондирование водной толщи, прием и обработку отраженных от объекта зондирующих сигналов. При этом излучение зондирующих сигналов осуществляют, по меньшей мере, одним излучателем с известными координатами, расположенным в зоне наблюдения, а прием отраженных от объекта зондирующих сигналов проводят на совмещенный с излучателем приемник и/или на несколько приемников с известными координатами, пространственно вынесенных от излучателя в зоны вероятного появления объекта. Вынесенные от излучателя приемники располагают в околодонной области и/или непосредственно на дне. Осуществляют регистрацию времени прихода на приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов и определяют местоположение объекта. При этом местоположение объекта в зоне действия приемника, совмещенного с излучателем, определяют по принципам активной гидролокации, а в зоне расположения вынесенных от излучателя приемников - по различиям времен прихода на приемники отраженного от объекта зондирующего сигнала с учетом известных координат излучателя, приемников и скорости звука в воде, например, с использованием компьютерного моделирования.
Также предложена система для обнаружения объекта в водной толще и определения его местоположения по вышеприведенному способу, содержащая, по меньшей мере, один излучатель зондирующих сигналов и приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов, которые вместе с излучателем соединены с электронным комплексом управления системой и обработки данных.
Приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов и электронный комплекс управления системой и обработки данных служат для приема и обработки отраженных от объекта зондирующих сигналов с совмещенного с излучателем приемника и/или нескольких приемников, пространственно вынесенных от излучателя и расположенных в околодонной области и/или непосредственно на дне.
Электронный комплекс управления системой и обработки данных состоит из ряда соединенных между собой электронных блоков, обеспечивающих управление системой, излучение и прием отраженных зондирующих сигналов, а также сбор, обработку, передачу и представление данных по обнаружению объекта в водной толще и определения его местоположения, контроль прохождения зондирующих сигналов в облучаемую зону и сигнализацию о несанкционированном появлении объекта.
Целесообразно, чтобы излучатель зондирующих сигналов имел узкую ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости, а приемник, совмещенный с излучателем, имел в продольном направлении узкую ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Желательно, чтобы вынесенные от излучателя приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов имели широкую диаграмму направленности с целью обеспечения локации всей водной толщи, в которой распространяются зондирующие сигналы.
Предусмотрены следующие варианты определения местоположения объекта: - одновременно в зоне действия приемника, совмещенного с излучателем (по принципам активной гидролокации), и в зоне расположения вынесенных приемников; - только в зоне вынесенных приемников, где оно определяется, например, решением геометрической задачи в горизонтальной плоскости по принципам триангуляции, например, с использованием компьютерного моделирования по различиям времен прихода на приемники отраженного от объекта зондирующего сигнала для известного положения приемников в плоскости дна с учетом скорости звука в воде.
Вариант выполнения системы, когда используются только излучатель и вынесенные приемники, предназначен для контроля не всей облучаемой зоны, а некоторого достаточно широкого рубежа, занимаемого вынесенными от излучателя приемниками. Такая система может быть использована для контроля подводной обстановки на дальних подступах к охраняемым объектам, например при охране опор мостов или судов на стоянке.
При использовании системы для охраны узких прямолинейных каналов, например водоподводящих и водоотводящих каналов АЭС, когда достаточно однокоординатное определение местоположения обнаруженного объекта, отпадает необходимость в распределении вынесенных приемников на плоскости, а достаточно их разместить по оси канала с удалением от излучателя.
Рассмотренные варианты практического воплощения предложенного способа и системы достаточно просты в изготовлении и имеют невысокую стоимость по сравнению с решением задач по дальнему обнаружению объектов под водой и по охвату зоны контроля большой площади традиционными методами активной гидролокации за счет наращивания числа зон контроля.
Предпосылкой возможности осуществления предложенного способа являются известные физические процессы, сопровождающие распространение в водной среде ультразвуковых колебаний, используемых в активной гидролокации, в частности их быстрое затухание с расстоянием, поэтому для обнаружения объектов в воде в условиях помех важно, чтобы приемник отраженных от объекта зондирующих сигналов, обычно существенно более слабых по сравнению с воздействующими на объект зондирующими сигналами, находился на близком от объекта расстоянии для уверенной регистрации отраженных от объекта сигналов.
Действительно, как следует из приведенного выше выражения для интенсивности регистрируемого гидролокатором отраженного от объекта сигнала, его энергия, даже без учета поглощения звука в воде, спадает пропорционально четвертой степени расстояния до объекта, в то время как снижение энергии падающего на объект зондирующего сигнала происходит пропорционально второй степени расстояния до объекта. Поэтому вынесение приемников в зону вероятного (ожидаемого) появления объекта позволяет регистрировать существенно более высокие уровни отраженных от объекта сигналов или, что эквивалентно, обнаруживать объект в зонах акустической тени, где зондирующий сигнал сильно ослаблен, и за пределами максимальных расстояний, доступных традиционным методам гидролокации, при которых излучатель зондирующих сигналов и приемник отраженных от объекта зондирующих сигналов совмещены.
Сущность заявленного способа и системы поясняется фиг. 1-2:
фиг.1 - вариант структурной схемы системы по предлагаемому способу;
фиг.2 - вариант практического выполнения системы обнаружения объекта в водной среде с приемниками, установленными на дне.
В основе предлагаемого способа лежит пространственное разделение излучателя, зондирующего контролируемое водное пространство, и приемников, регистрирующих сигналы, отраженные от объектов в воде, при их расположении на более близких от объектов расстояниях по сравнению с расстояниями от излучателя до объектов, при этом местоположение обнаруженного объекта определяется по различиям времен прихода на приемники отраженного от объекта зондирующего сигнала и технической возможности разрешать малые временные интервалы.
При осуществлении предлагаемого способа предпочтительным является использование излучателя зондирующих сигналов с узкой шириной диаграммы направленности излучаемого сигнала в вертикальной плоскости для снижения помех из-за отражений излучаемого сигнала от водной поверхности и дна и предметов на дне, что особенно критично для мелководных областей. При этом излучение в горизонтальной плоскости может быть организовано в широком секторе для озвучивания сразу всей контролируемой зоны или путем сканирования сектора в горизонтальной плоскости узким лучом. Предпочтительно также, чтобы и приемник, совмещенный с излучателем, имел в продольном направлении узкую ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости для снижения принимаемых реверберационных помех.
Что касается приемников отраженных от объекта сигналов, вынесенных от излучателя в зону ожидаемого появления объекта, то они должны быть ненаправленными для обеспечения возможности приема отраженных от объекта сигналов, приходящих с любого направления.
При оценке необходимой погрешности определения местоположения обнаруженного объекта необходимо исходить из того, что она определяется как наибольшая из двух величин: погрешность определения местоположения приемников на дне при их установке и погрешность определения времени прихода сигналов на приемники Δt, связанная с погрешностью по расстоянию через скорость звука в воде С:
Δr=C•Δt
Из этих двух погрешностей наименьшей является та, которая определяется временем прихода сигналов на приемники. В случае обычно применяемых корреляционных методов приема отраженных от целей сигналов, в которых принимаемые сигналы согласуются с излучаемым сигналом для выделения сигналов из шума, она имеет порядок 0,1 мс, что эквивалентно погрешности по расстоянию 0,15 м, а наибольшей является погрешность определения координат приемников, которая составляет не менее 1-2 м, чем и определяется общая погрешность системы.
Предложенные способ и система осуществляются в соответствии со структурной схемой системы, приведенной на фиг.1. Она включает следующие элементы:
1 - излучатель зондирующих сигналов и совмещенный с ним приемник отраженных от объекта зондирующих сигналов;
2, 3, 4,…,n - вынесенные приёмники отражённых от объекта зондирующих сигналов;
5 - электронный блок излучения зондирующих сигналов и совмещенного с излучателем приема отраженных от объекта сигналов;
6, 7, 8,…, N - электронные блоки вынесенного приёма отражённых от объекта сигналов;
9 - электронный комплекс обработки данных.
В соответствии с этой схемой в зоне наблюдений в воде устанавливают излучатель 1 зондирующих сигналов и совмещенный с ним приемник отраженных от объекта зондирующих сигналов или только излучатель и пространственно разнесенные друг от друга приёмники 2-4 отраженных от объекта зондирующих сигналов, вынесенные от излучателя на необходимые расстояния для обнаружения объекта в зонах акустической тени или на расстояниях, превышающих максимально достижимые для приема на приемник, совмещенный с излучателем. Вынесенные приемники укладываются на дно или устанавливаются рядом с дном, для каждого из них при установке определяются координаты их местоположения. В блоке 5 приемника, совмещенного с излучателем, и в приёмных блоках 6-8 вынесенных приемников осуществляется приём отражённых от объекта зондирующих сигналов с передачей данных в электронный комплекс обработки данных 9. Далее решается задача определения местоположения обнаруженного объекта путём сопоставления разностей времен прихода на вынесенные приемники отраженных от объекта зондирующих сигналов.
Заметим, что при выборе места установки вынесенных приемников необходимо учитывать, что максимально достижимые расстояния, на которых может быть обнаружен объект, изменяются в широких пределах. Эти изменения вызываются в основном изменениями погодных условий и сезонными колебаниями температуры воздуха, которые приводят к локальным изменениям скорости звука в воде из-за неравномерного прогрева водного слоя. Очевидно, вынесенные приемники должны устанавливаться с учетом диапазона изменения максимальных расстояний для обеспечения всесезонной и всепогодной работы системы. То же относится к обеспечению обнаружения объекта в зонах акустической тени, местоположение которых также изменяется в зависимости от сезонных и погодных условий.
Поступающие на вынесенные приемники прямые зондирующие сигналы, как и эхосигналы от неподвижных целей, например от подводных сооружений и предметов на дне, если их рассматривать как мешающие, легко распознаются в электронном комплексе обработки данных по признаку нахождения в одном и том же месте и вычитаются, если это необходимо, из поступающего массива данных известными способами.
Однако их можно использовать для постоянного контроля дальности прохождения зондирующих сигналов в облучаемую зону и ее изменения в процессе работы системы, особенно если в водном слое нет объектов, отражающих зондирующие сигналы. Такой контроль также может быть организован на основе электронного комплекса управления системой и обработки данных 9.
В качестве примера на фиг.2 приводится схема варианта практического выполнения системы (вид сверху), предназначенной для охраны бухты от пловцов-нарушителей со стороны водной среды. Здесь 1 - излучатель зондирующих сигналов и совмещенный с ним приемник отраженных от объектов воде зондирующих сигналов, 2-4 - вынесенные от излучателя приёмники отраженных сигналов, установленные на дне, 10 - объект-нарушитель в зоне вынесенных приемников и 11 - объект-нарушитель в зоне действия приемника, совмещенного с излучателем. Схема отражает выбранный принцип гидролокации - пространственное разделение излучателя, который зондирует все контролируемое водное пространство, и приемников, регистрирующих сигналы, отраженные от объекта-нарушителя в воде. При этом зона действия приемника, совмещенного с излучателем, ограничена сравнительно близкими расстояниями от излучателя, а приемники, вынесенные от излучателя, обеспечивают обнаружение объектов в воде в зонах акустической тени и за пределами расстояний, достижимых для приемника, совмещенного с излучателем, а также служат для контроля прохождения зондирующих сигналов в облучаемую зону при отсутствии объектов в водном слое.
Как видно из фиг.2, объект-нарушитель в общем случае находится на разных расстояниях от вынесенных приемников и поэтому отраженный от него зондирующий сигнал достигает каждый из них в разное время, что используется в системе для определения местоположения объекта относительно приемников, местоположение которых известно. Задача по определению местоположения объекта решается тогда в электронном комплексе обработки данных с использованием алгоритма триангуляции, геометрическая интерпретация которого иллюстрируется на фиг. 2 на примере трех вынесенных приемников, в зоне которых находится наблюдаемый объект, где стрелками показаны направления распространения отраженных от объекта сигналов на приемники.
Техническим результатом настоящего изобретения является осуществление оперативного обнаружения объекта в мелководной среде и определение его местоположения.