СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГИДРОЛОКАЦИИ С ФУНКЦИЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ
PARAMETRIC SONAR SYSTEM WITH FUNCTION FOR ACQUIRING ACOUSTIC IMAGE OF TARGETS

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для обнаружения подводных целей в водной среде и получения их акустического изображения.
Предложенная система гидролокации может быть использована при охране береговых объектов или судов на стоянке со стороны водной среды, контроле подводной обстановки и состояния подводных сооружений, входов в бухты и порты, мостов, каналов, акваторий гидро и атомных станций. Основное назначение системы - обнаружение, сопровождение обнаруженных объектов в водной среде и их идентификация за счет получения акустического изображения обнаруженных объектов в водной среде, где оптические методы не эффективны.
Известны технические решения предназначенных для этих целей гидролокаторов-звуковизоров [1], которые обнаруживают объекты в воде и получают их акустическое изображение. Недостатком известных гидролокаторов-звуковизоров являются ограничения по дальности обнаружения целей, обусловленные применением в этих приборах высокочастотного акустического излучения. Обычно это работа на частотах в сотни кГц. На столь высоких частотах зона действия прибора, особенно в мелководных прибрежных областях, ограничена расстояниями, не превышающими 20-40 м, что обусловлено значительным поглощением энергии звука в воде на высоких частотах. В результате использование таких устройств встречает затруднения, например в системах охраны, где требуется предварительное обнаружение нарушителя на дальних расстояниях, приемлемых для принятия необходимых мер противодействия.
Поскольку указанные потери энергии звука резко возрастают с частотой, одним из известных методов их уменьшения является снижение частоты зондирующего сигнала, однако при этом сложно обеспечить необходимую четкость акустического изображения.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании системы гидролокации с простой реализацией и расширенной зоной действия, в которой компенсируется этот недостаток гидролокатора-звуковизора, проявляющийся при необходимости предварительного дальнего обнаружения и сопровождения целей в воде, а затем получения на сравнительно близких расстояниях акустического изображения обнаруженного объекта.
Для решения поставленной задачи предложена система параметрической гидролокации, включающая продольное звуковое зондирование водной толщи и прием отраженных от цели зондирующих сигналов [2]. При этом для дальнего обнаружения целей в воде используют совместное излучение двух исходных высокочастотных сигналов с разными частотами, например 400 и 450 кГц, для получения за счет нелинейного преобразования частот в воде низкочастотного сигнала излучения разностной частоты, в нашем случае 50 кГц, а для получения акустического изображения обнаруженных в воде объектов на сравнительно близких расстояниях от излучателя используют исходные высокочастотные сигналы.
Предпосылкой возможности осуществления системы являются известные физические процессы, сопровождающие распространение в воде акустических колебаний, используемых в активной гидролокации, в частности их быстрое затухание с расстоянием. Поэтому использование низкочастотной составляющей зондирующих сигналов позволяет регистрировать более высокие уровни отраженных от цели сигналов или, что эквивалентно, обнаруживать цели на больших расстояниях от зоны наблюдения, а использование исходных высокочастотных составляющих зондирующих сигналов для получения акустического изображения обнаруженных объектов позволяет обеспечить необходимую четкость изображения.
Сущность заявленной системы гидролокации целей поясняется рисунками:
фиг.1 - взаимное расположение излучателя и низкочастотного и высокочастотного приемников гидролокатора;
фиг.2 - оценка эффективности высокочастотной и низкочастотной составляющих зондирующего сигнала параметрического гидролокатора при излучении.
Состав и взаимное расположение излучателя и приемников гидролокатора показано на фиг.1, вид сверху, где 1 - излучатель исходных высокочастотных зондирующих акустических сигналов и образованных из них за счет нелинейного преобразования частот в воде низкочастотных зондирующих сигналов, создающий сектор облучения, выделенный штриховыми линиями на рисунке, 2 - приемник отраженных от цели низкочастотных зондирующих сигналов, 3 - приемник отраженных от цели исходных высокочастотных зондирующих сигналов, 4 - электронный комплекс обработки данных (ЭК), 5 - удаленная цель, например пловец-нарушитель, находящаяся в охраняемой зоне. ЭК состоит из соединенных между собой блоков излучения, приема сигналов и представления на экране монитора параметров обнаруженных целей (местоположение, скорость движения), траекторий их движения в охраняемой зоне и акустическое изображения обнаруженного объекта.
Система контролирует две зоны в пространстве перед излучателем - дальнюю зону, облучаемую низкочастотной составляющей зондирующего сигнала, и сравнительно близкую к излучателю зону, облучаемую исходными высокочастотными составляющими зондирующего сигнала.
При этом определение местоположения объекта, обнаруженного в дальней области, определяется в ЭК по временам и направлениям прихода на низкочастотный приемник гидролокатора отраженных от объекта зондирующих сигналов относительно момента излучения зондирующего сигнала с учетом скорости звука в воде и известного положения излучателя и приемника на дне. В свою очередь указанная последовательная обработка сигналов в ЭК позволяет сопровождать обнаруженный объект в зоне облучения, определять и отображать на экране монитора его траекторию и скорость движения.
В свою очередь, по мере приближения обнаруженного объекта к месту излучения попадание его в зону облучения исходными высокочастотными составляющими зондирующего сигнала позволяет формировать в ЭК акустическое изображение объекта по углам и временам прихода на высокочастотный приемник гидролокатора отраженных от объекта зондирующих сигналов относительно момента излучения зондирующего сигнала с учетом скорости звука в воде.
Преимуществом предлагаемой системы по сравнению с обычными гидролокационными средствами является совмещение в одном приборе нескольких взаимно дополняющих функций, распределенных во времени и пространстве - дальнего обнаружения объектов, их непрерывного сопровождения вплоть до возможности их идентификации на сравнительно близких расстояниях и, в итоге, получения акустического изображения обнаруженного объекта на расстояниях приемлемых для принятия необходимых мер противодействия. Практическое же воплощения предложенной системы параметрической гидролокации достаточно просто в изготовлении и мало по стоимости, поскольку увеличение функций достигается введением в известный параметрический гидролокатор относительно простого по конструкции и изготовлению приемника высокочастотных сигналов, формирующего акустическое изображение обнаруженного объекта с использованием известных принципов [1].
Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели, то есть в формулу изобретения включены существенные признаки.
Предложенная система параметрической гидролокации теоретически и экспериментально обоснована.
o
Считаем, что при нелинейном преобразовании частот в воде интенсивность низкочастотного зондирующего сигнала I уменьшается по сравнению с интенсивностью исходных высокочастотных составляющих I примерно в 4000 раз. Учтем также потери низкочастотного зондирующего сигнала и исходных высокочастотных составляющих, связанные с затуханием звука при распространении в воде, вызванные поглощением энергии звука в водной среде.
o
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Сравним обе составляющие зондирующего сигнала параметрического гидролокатора, высокочастотную и низкочастотную, при их распространении на расстояние r от излучателя. Обозначая отношение I к I через
, с учетом потерь можно записать:
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>∼</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0,2</mn><msub><mi>β</mi><mi>o</mi></msub><mi>r</mi></mrow></msup><mo>/</mo><mn>4000</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0,2</mn><mi>β</mi><mi>r</mi></mrow></msup></mrow>
,
o
где β и β - коэффициенты затухания звука в водном среде, соответственно для высоких и низких частот,
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
o
Результаты расчета
в зависимости от r представлены на фиг.2. Здесь при расчетах использованы значения β для частот 400-450 кГц и β для разностной частоты 50 кГц, соответственно 140 и 13 дБ/км. Видно, что на малых расстояниях, менее 140 м, энергия высокочастотной составляющей превосходит энергию низкочастотной составляющей, что позволяет ее использовать для получения акустического изображения при подходе объекта на близкое расстояние. На больших расстояниях энергия низкочастотной составляющей превосходит энергию высокочастотной составляющей, что позволяет ей преодолевать значительные расстояния в воде и обнаруживать объекты на дальних подступах.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение дальности обнаружения подводных целей с последующим получением акустического изображения обнаруженного объекта, достигаемое относительно простыми и недорогими средствами.
Литература
1. Грегуш П. Звуковидение. - М.: Мир, 1982.
2. Зарембо Л.К. Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. М.: МГУ, 1984, 104 с.