ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НАДВОДНЫХ КОРАБЛЕЙ

Предложение относится к области гидроакустической техники и предназначено для совершенствования средств гидроакустического вооружения надводных кораблей.
Известен гидроакустический комплекс (ГАК) для надводных кораблей (НК) с низкочастотной приемно-излучающей антенной, размещенной в бульбовом обтекателе. Такой комплекс предназначен для поиска подводных лодок в дальней зоне (ДЗ) акустической освещенности в режиме гидролокации и обнаружения торпед на больших дистанциях в режиме шумопеленгования. Бульбовые обтекатели акустических антенн нашли широкое применение при проектировании НК. Это объясняется тем, что такие обтекатели повышают мореходные качества НК и обеспечивают эффективную экранировку антенны от основного источника собственных помех - винтовых шумов - корабельным корпусом (см., например, Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль. Л.: Судостроение. 1967 г. Стр. 39-45, а также сборник «Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России». Т.2. РАН. С.-Петербургский научный центр. С.-Петербург: «Наука». 2002 г. Стр. 426, 427.).
В состав комплекса входят:
приемно-излучающая низкочастотная крупногабаритная акустическая антенна с пьезоэлектрическими преобразователями, предназначенная для излучения зондирующих сигналов в режимах гидролокации 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 коммутаторы прием-передача (КПП), предварительные усилители, системы первичной и вторичной обработки информации;
пульт управления комплексом и индикации принятых и обработанных сигналов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом является гидроакустический комплекс AN/SQS-26 (США). Описание данного комплекса и его
основной приборный состав приведены, например, в книге Роберта Дж.Урика «Основы гидроакустики», пер. с англ., Л.: Судостроение, 1978 г., стр. 23, 24.
Комплекс содержит низкочастотную цилиндрическую антенну диаметром 4,8 м, высотой 1,66 м. Частота резонанса преобразователей антенны лежит в пределах нескольких килоГерц. Комплекс осуществляет поиск подводных лодок и надводных кораблей в режимах гидролокации, шумопеленгования, классификации, поиск торпед в режиме шумопеленгования.
Недостатком гидроакустического комплекса-прототипа и других известных гидроакустических комплексов подобной структуры является то, что они не решают задач освещения ближней обстановки, которые весьма актуальны для современных и перспективных гидроакустических комплексов для надводных кораблей. К ним относятся следующие задачи: поиск торпед в пассивном и активном режимах, поиск ПЛ в мертвой зоне основного гидролокатора комплекса, поиск миноподобных объектов, поиск затонувших объектов, обеспечение навигационной безопасности.
Задачи освещения ближней обстановки могут решаться путем включения в состав гидроакустических средств НК ряда специализированных гидроакустических станций. Однако такое решение имеет ряд недостатков: потребуется размещение на НК дополнительных антенн, обтекателей и аппаратной части; требуются также дополнительные операторы-гидроакустики, что усложняет и удорожает проектирование и эксплуатацию корабля.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей комплекса.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является обеспечение гидроакустическим комплексом задач освещения ближней обстановки при минимизации затрат.
Для достижения указанного технического результата в гидроакустический комплекс для надводных кораблей, содержащий размещенную в бульбовом обтекателе низкочастотную цилиндрическую акустическую антенну с m низкочастотными электроакустическими преобразователями, тракт излучения, включающий последовательно соединенные задающий генератор и блок из m усилителей мощности, а также блок из m каналов согласующих устройств дальней зоны, также содержащий тракт приема сигналов дальней зоны, включающий последовательно соединенные блок из m каналов коммутации прием-передача дальней зоны, блок из m каналов предварительных усилителей дальней зоны, систему первичной
обработки дальней зоны и систему вторичной обработки, также содержащий пульт управления и индикации, первый и второй выходы управления которого подсоединены соответственно ко входам управления тракта излучения и тракта приема сигналов дальней зоны, а первый информационный вход подсоединен к информационному выходу тракта приема сигналов дальней зоны, причем m выходов блока из m каналов согласующих устройств дальней зоны подсоединены к первыми входам блока из m каналов коммутации прием-передача дальней зоны, вторые m входов блока из m каналов коммутации прием-передача дальней зоны подсоединены к m выводам низкочастотных электроакустических преобразователей введены новые признаки, а именно: в бульбовом обтекателе размещена дополнительная цилиндрическая акустическая антенна тракта освещения ближней обстановки (ОБО) с n высокочастотными электроакустическими преобразователями, в гидроакустический комплекс введен тракт ОБО, включающий последовательно соединенные блок из n каналов согласующих устройств тракта ОБО, блок из n каналов коммутации прием-передача тракта ОБО, блок из n каналов предварительных усилителей тракта ОБО и систему первичной обработки тракта ОБО, в тракт излучения введен антенный коммутатор, m входов которого подсоединены к m выходам блока из m усилителей мощности, m первых выходов подсоединены к m входам блока из m каналов согласующих устройств дальней зоны, n вторых выходов подсоединены к n входам блока из n каналов согласующих устройств тракта ОБО, выход системы первичной обработки тракта ОБО связан со вторым входом системы вторичной обработки тракта приема сигналов дальней зоны, третий выход управления и второй информационный вход пульта управления и индикации дополнительно подсоединены соответственно ко входу управления и информационному выходу тракта ОБО.
Достижение указанного технического результата предлагаемой полезной моделью основано на следующих предпосылках.
Ппри решении задач ОБО требуется обнаружение как крупных объектов (ПЛ, затонувшие суда и другие затонувшие объекты), так и малых объектов (торпеды, миноподобные объекты). Известно, что в гидролокаторах, предназначенных для поиска указанных малых объектов, традиционно используется высокая рабочая частота. Однако использование высоких частоты для тракта ОБО препятствует созданию достаточно прочного бульбового обтекателя. В результате проведенных при участии авторов исследований (статья Шендерова Е.Л., Школьникова И.С. и др. «Экспериментальные исследования частотной зависимости отражающей
способности малоразмерных объектов». Научно-технический сборник «Гидроакустика». ЦНИИ «Морфизприбор». 2004. Вып.5, стр. 46-52.), а также анализа литературных источников, было показано, что для поиска малоразмерных объектов могут быть использованы сравнительно низкие рабочие частоты. В качестве примера можно привести предназначенную для поиска торпед ГАС АМТ-21, США, разработанную фирмой Raytheon Compani Electronik System (см. сборник Jane′s Underwater Warfare Systems, 1999-2000). В данной станции значения рабочих частот составляют 12 кГц и ниже.
Проведенные расчеты показали, что для целей гидролокации малых объектов возможно применение в тракте ОБО сравнительно невысокого значения рабочей частоты. При этом разработка конструкции бульбового обтекателя, имеющего достаточную прочность и обеспечивающего достаточную звукопрозрачность в диапазоне частот как основного режима комплекса, так и режимов тракта ОБО, не вызывает технических трудностей.
Обеспечение других задач тракта ОБО, связанных с обнаружением крупных объектов, не требует применения высоких рабочих частот.
Необходимые значения дальности действия тракта ОБО во всех его рабочих режимах обеспечиваются благодаря следующим факторам:
высокому энергетическому потенциалу тракта ОБО, обусловленному значительными размерами акустической антенны тракта;
большой мощности тракта излучения рассматриваемого класса гидроакустических комплексов;
малому уровню шумов в бульбовом обтекателе современных и перспективных НК.
Таким образом, предлагаемая полезная модель решает поставленную задачу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема гидроакустического комплекса для надводных кораблей с акустической антенной, размещенной в бульбовом обтекателе.
Предлагаемая полезная модель (см. фиг.1) содержит низкочастотную цилиндрическую акустическую антенну с m низкочастотными электроакустическими преобразователями 1, тракт излучения 2, включающий последовательно соединенные задающий генератор 3 и блок из m усилителей мощности 4, блок из m каналов согласующих устройств дальней зоны 5 и антенный коммутатор 13, тракт приема сигналов ДЗ 6, включающий последовательно соединенные блок из m каналов
КПП ДЗ 7, блок из m каналов предварительных усилителей сигналов ДЗ 8, систему первичной обработки ДЗ 9 и систему вторичной обработки 10, пульт управления и индикации 11, первый и второй выходы которого подключены соответственно ко входам управления тракта излучения и тракта приема дальней зоны, а первый информационный вход подсоединен к информационному выходу тракта приема дальней зоны, причем m выходов блока из m каналов согласующих устройств дальней зоны подсоединены к первым входам блока из m каналов коммутации прием-передача ДЗ, вторые из m входов блока из m каналов коммутации прием-передача ДЗ подсоединены к m выводам низкочастотных электроакустических преобразователей антенны 1, цилиндрическую акустическую антенну тракта ОБО с n высокочастотными электроакустическими преобразователями 12, тракт ОБО 14, включающий последовательно соединенные блок из n каналов согласующих устройств тракта ОБО 15, блок из n каналов КПП тракта ОБО 16, блок из n каналов предварительных усилителей тракта ОБО 17 и систему первичной обработки тракта ОБО 18, причем m входов антенного коммутатора 13 подсоединены к m выходам блока из m усилителей мощности 4, m первых выходов коммутатора 13 подсоединены к m входам блока из m каналов согласующих устройств ДЗ 5, n вторых выходов коммутатора 13 подсоединены к n входам блока из n каналов согласующих устройств тракта ОБО 15, выход системы первичной обработки тракта ОБО 18 связан со вторым входом системы вторичной обработки 10, третий выход управления и второй информационный вход пульта управления и индикации 11 подсоединены соответственно ко входу управления и информационному выходу тракта ОБО.
Акустические антенны 1 и 12 модели могут комплектоваться, например, стержневыми электроакустическими преобразователями, хорошо освоенными и широко применяемыми в отечественных и зарубежных гидроакустических комплексах, в т.ч. в указанных выше частотных диапазонах. Принципы построения стержневых преобразователей и акустических антенн изложены, например, в книге А.П.Евтютова и др. «Справочник по гидроакустике», Л., Судостроение, 1988 г., стр. 201-353.
Разработка тракта излучения, блока предварительных усилителей, устройств тракта приема, пульта управления и индикации не встречает технических трудностей, поскольку не требует оригинальных технических решений. Так, например, принципы построения устройств тракта излучения, пульта управления и индикации, предварительных усилителей и устройств обработки информации
тракта приема в режимах гидролокации и шумопеленгования гидроакустической станции приведены в указанном выше «Справочнике по гидроакустике», стр. 18-59, 382-475; в книге «Применение цифровой обработки сигналов» под ред. Э.Оппенгейма, М., изд. «Мир», 1980 г., стр. 389-478. В этой книге подробно описываются устройства приемно-излучающего тракта гидроакустической станции для надводного корабля DE-1160-AN/SQS-56 (стр. 428-433).
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 рабочей частоте гидролокации тракта ОБО. Длительность этих сигналов выбирается меньше длительности сигналов, предназначенных для поиска крупноразмерных целей. Техническая реализация дополнительного источника не встречает технических трудностей. При формировании зондирующих сигналов цифровыми методами, как это выполняется в современных комплексах, потребуется лишь дополнительная программа.
Для обеспечения усиления мощности зондирующих сигналов в полосе частот низкочастотной локации и в полосе частот тракта ОБО, 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 полосу частот низкочастотной локации и полосу частот тракта ОБО. При необходимости в каждом канале усиления мощности могут быть предусмотрены два фильтра и коммутатор, включающий с помощью сигналов управления, поступающих от пульта управления и индикации комплекса 11, тот или иной фильтр.
Алгоритмы первичной - пространственно-временной - обработки сигналов в системе 18 и алгоритмы вторичной обработки целей тракта ОБО в блоке 10, соответствующие задачам тракта, известны и принципиально не отличаются от аналогичных алгоритмов пространственно - временной обработки при поиске целей в дальней зоне. 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 11 комплектуется органами управления: для переключения комплекса из режима поиска целей в дальней зоне в режим поиска целей тракта ОБО, 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.
Для решения задачи поиска цели в дальней зоне акустической освещенности оператор-гидроакустик включает на пульте 11 соответствующий режим. Далее работа комплекса осуществляется так, как это, например, описано в книге А.П.Евтютова и др. «Справочник по гидроакустике», Л., Судостроение, 1982 г., стр. 9, 10.
Работа комплекса при решении им задач освещения ближней обстановки осуществляется следующем образом.
Основной режим комплекса при освещении ближней обстановки - режим активной гидролокации. В этом режиме производится обнаружение ПЛ в пределах мертвой зоны гидролокатора дальнего поиска, обнаружение затонувших и миноподобных объектов, фиксация границ узкости, проходимой НК (в целях обеспечения навигационной безопасности), а также выработка целеуказания по торпеде. Параллельно с режимом активной гидролокации функционирует режим шумопеленгования, в котором происходит обнаружение торпеды по ее шумоизлучению.
Для решения задач освещения ближней обстановки оператор-гидроакустик производит на пульте 11 соответствующие переключения.
Далее им устанавливаются необходимые параметры комплекса и тракта ОБО. При этом коммутатор антенн 13 подключает усилители мощности блока 4 к блоку согласующих устройств тракта ОБО 15. Оператором затем производится запуск тракта излучения 2.
При поиске ПЛ, затонувших и миноподобных объектов тракт излучения 2 осуществляет формирование зондирующих сигналов режима гидролокации, соответствующего режиму ОБО при поиске указанных объектов, с помощью задающего генератора 3. Сигналы задающего генератора усиливаются усилителями мощности блока 4 и через коммутатор антенн 13, согласующие устройства блока 15, КПП в блоке 16 подаются на приемно-излучающую антенну 12. 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 12 и преобразуется в электрические сигналы, поступающие в тракт ОБО 14 на входы КПП блока 16 и далее на входы предварительных усилителей блока 17. Усиленный и отфильтрованный сигнал подвергается в предварительных усилителях аналого-цифровому преобразованию и в цифровом виде поступает на систему первичной обработки тракта ОБО 18. В этой системе реализуются алгоритмы пространственно-временной обработки эхо-сигналов от целей. Формируется, например, веер характеристик направленности в пределах сектора поиска. В каждом пространственном канале осуществляется оптимальная фильтрация сигналов. Затем формируются массивы для отображения на экранах индикаторов и поступают в пульт 11. Параллельно с пространственно-временной обработкой эхо-сигналов, в системе 18 осуществляется автоматизированный режим классификации цели по совокупности выделяемых из эхо-сигнала признаков.
При фиксации отметки цели на экране индикатора оператор включает алгоритм автоматического сопровождения цели (АСЦ), реализуемый программно в системе 10. При выработке алгоритмом АСЦ координат и параметров движения цели с требуемым уровнем погрешности данные поступают на блок 11 для использования по назначению
При поиске и сопровождении торпед поиск производится по их шумоизлучению в режиме шумопеленгования. Принимаемые антенной 12 шумовые сигналы поступают в тракт ОБО 14 на входы КПП блока 16 и далее на входы предварительных усилителей блока 17. Усиленный и отфильтрованный сигнал подвергается в предварительных усилителях аналого-цифровому преобразованию и в цифровом виде поступает на систему первичной - пространственно-временной - обработки тракта ОБО 18. Сигналы в каждом пространственном канале системы 18 обрабатываются в оптимальной полосе частот. При классификации целей из шумового сигнала выделяются признаки, характерные для малоразмерных целей. В системе 10 осуществляется автоматическое сопровождение обнаруженной цели. Сигналы режима ШП отображаются на одном из экранов пульта 11. При выработке пеленга с требуемыми ошибками включается режим гидролокации, с помощью которого производится выдача данных целеуказания. Работа в режиме гидролокации тракта ОБО при поиске торпеды аналогична описанной выше при поиске ПЛ, миноподобных и затонувших объектов.
При фиксации границ узкости, проходимой НК, тракт излучения 2 осуществляет формирование зондирующих сигналов режима гидролокации, соответствующего режиму ОБО при фиксации границ узкости, с помощью задающего генератора 3. Далее процесс излучения зондирующих сигналов и обработки принимаемых сигналов аналогичен рассмотренному выше. Отличие состоит в отсутствии необходимости автоматического сопровождения, а также в параметрах кадра, отображающего информацию на экране индикатора пульта 11. В данном случае на кадре отображается карта местности, на которой наносится траектория движения НК в узкости и ее границы.
При необходимости задачи поиска затонувших и миноподобных объектов и фиксации границ узкости могут быть совмещены во времени. Поиск ПЛ в узкости не производится по очевидным причинам.
Расчеты показали, что объем аппаратной части комплекса, реализуемого по предлагаемой полезной модели, увеличивается незначительно - на четыре типовых стойки, что позволяет считать задачу полезной модели решенной.