ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ НАДВОДНОГО КОРАБЛЯ
HYDROACOUSTIC STATION FOR SURFACE SHIP

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических станциях надводных кораблей для проведения акустического мониторинга окружающей водной среды.
Известны активно-пассивные гидроакустические станции (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА) для надводных кораблей (НК) [1], которые структурно состоят из трех основных частей:
- буксируемой части, включающей излучающую акустическую секцию (ИАС), размещенную в буксируемом носителе (БН) и предназначенную для формирования акустической подсветки объекта, и приемную акустическую секцию (ПАС) или гибкую протяженную буксируемую антенну, отдаленную от БН и обеспечивающую прием отраженных акустических сигналов от изучаемых объектов,
- бортовой части, содержащей комплект цифровой и аналоговой аппаратуры обработки полученной информации, генераторное устройство и систему электропитания ГАС,
- кабель-буксиров, соединяющих НК с БН и БН с ГПБА и обеспечивающих их совместную буксировку на удалении от корабля, а также передачу с борта корабля по токопроводящим жилам (ТПЖ) кабеля силового напряжения для обеспечения питания подводной аппаратуры, передачу переменных электрических сигналов от генераторного устройства для работы акустического излучателя в БН и передачу из ГПБА на НК электрических сигналов акустических приемников.
Известна ГАС [2], где отсутствует буксируемый носитель, а ИАС включена в состав ГПБА и последовательно соединена с ПАС, причем выполнена в размер наружного диаметра ГПБА. Система силового электропитания подводной аппаратуры в виде первичных электрических преобразователей расположена на борту НК, а генераторное устройство включено в состав ИАС ГПБА, причем также выполнена в размер диаметра ГПБА. Вход акустических излучателей ИАС соединен с выходом генераторного устройства, вход генераторного устройства соединен с выходом электрических накопителей, которые соединены с помощью ТПЖ кабель-буксира с первичными электрическими преобразователями.
Известна ГАС [3], где излучающая и приемная акустические секции расположены последовательно друг с другом в составе ГПБА и конструктивно выполнены в одном диаметре. Электрический накопитель, генераторное устройство и акустический излучатель последовательно соединены между собой и также расположены в ИАС. В приемной акустической секции ГПБА акустические приемники последовательно соединены с усилителями, многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а в качестве телекоммуникационного канала передачи данных использована волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).
Указанная ГАС наиболее близка к предлагаемой заявке на изобретение по количеству общих признаков и взята в качестве прототипа.
Применение ВОЛС в составе ГАС с буксируемой антенной, за счет малости потерь сигнала в волоконном световоде на рабочей длине волны оптического излучения и за счет применения цифрового способа передачи данных, позволяет многократно увеличивать длину кабель-буксира и позиционировать ГПБА в области, свободной от акустических шумов собственного корабля-носителя. Снижение уровня собственных шумов позволяет увеличить отношение сигнал/шум и способствовать решению задачи увеличения дальности обнаружения сигналов от цели. Однако ограничивающим фактором увеличения длины комбинированного кабель-буксира является наличие в нем токопроводящих жил, диаметр которых должен увеличивается с увеличением длины самого кабеля, что будет приводить к увеличению диаметра и веса кабель-буксира.
Таким образом, недостатком ГАС, выбранной в качестве прототипа, является ограничение возможности постановки ГПБА на больших удалениях от НК и буксировки ее в зоне с минимальным уровнем собственных акустических шумов корабля.
Задачей изобретения является обеспечение возможности постановки ГПБА на больших дальностях от НК, где уровень собственных шумов корабля минимален.
Техническим результатом предложенного устройства ГАС с ГПБА для надводного корабля является:
- уменьшение диаметра кабель-буксира,
- уменьшение размеров конструкции спускоподъемного устройства,
- уменьшение энергопотребления ГАС с ГПБА.
Для достижения указанного технического результата в гидроакустическую станцию для надводного корабля с гибкой протяженной буксируемой антенной, содержащую бортовую часть (БЧ) ГАС, включающую вычислительный комплекс, соединенный с бортовой частью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), и источник питания, а также содержащую кабель-буксир, соединяющий БЧ ГАС с ГПБА и включающий волоконный световод ВОЛС, при этом ГПБА состоит из пассивной акустической секции (ПАС), расположенной в хвостовой части ГПБА и содержащей акустические приемники, электронные блоки предварительной обработки и ВОЛС ГПБА, и из излучающей акустической секции (ИАС), расположенной перед ПАС и содержащей последовательно соединенные накопитель электрической энергии, преобразователь питающих напряжений, генератор и акустический излучатель; причем преобразователь питающих напряжений соединен по питанию с электронными блоками ПАС, а волоконный световод ВОЛС кабель-буксира оптически соединен с одной стороны с волоконным световодом ВОЛС ГПБА, а с другой стороны - с волоконным световодом бортовой части ВОЛС, введены новые признаки, а именно в БЧ ГАС введен бортовой оптический блок, содержащий мощные лазеры непрерывного излучения, электрические входы которых соединены с источником питания, и волоконный сумматор оптического излучения, входные волоконные световоды которого оптически соединены с выходными волоконными световодами мощных лазеров непрерывного излучения, в состав ИАС введен антенный оптический блок, содержащий оптически связанные между собой волоконный световод, оптическую коллимирующую систему и матрицу фотоприемных элементов, а электрический выход матрицы фотоприемных элементов подключен к входу электрического накопителя энергии, причем оптический блок выполнен в размер диаметра ГПБА, а в состав кабель-буксира введен дополнительный волоконный световод, который со стороны бортовой части ГАС оптически связан с выходным волоконным световодом сумматора, а со стороны ГПБА оптически связан с волоконным световодом оптического блока, при этом волоконные световоды бортового и антенного оптических блоков и дополнительный волоконный световод кабель-буксира выполнены способными передавать мощное оптическое излучение.
Целесообразность технического решения, заключающегося в преобразовании электрической энергии в оптическую на борту корабля, доставка ее по световоду кабель-буксира, способному передавать мощное оптическое излучение, и последующее обратное преобразование оптической энергии в электрическую в антенном оптическом блоке, объясняется следующими причинами:
- величина потерь оптической мощности в кварцевом световоде мала (теоретический уровень потерь в кварцевом световоде десятые доли дБ/км),
- высокая оптическая прочность материала световодов позволяет передавать большие мощности с использованием световодов малого диаметра,
- для передача мощности по световоду принципиально требуется лишь один один канал (световод), в то время как при передачи электрической энергии требуется два канала (два электрических проводника).
Таким образом, кабель-буксир с волоконным световодом канала ВОЛС и волоконным световодом канала передачи оптической мощности может иметь принципиально меньший диаметр. Увеличение длины кабель-буксира будет сопровождаться минимальным приростом оптических потерь в обоих волоконных каналах, при этом диаметр кабель-буксира будет оставаться неизменным, так как диаметры световодов изменяться не будут. В случае же увеличения длины комбинированного кабель-буксира диаметр волоконного световода ВОЛС будет оставаться неизменным, а увеличение длины ТПЖ приведет к увеличению электрического сопротивления жил, что может быть устранено только увеличением их поперечного сечения, и в итоге будет приводить к увеличению диаметра кабель-буксира. В результате, замена ТПЖ на волоконный световод приводит к уменьшению диаметра кабель-буксира и обеспечению возможности постановки ГПБА на больших отдалениях от корабля носителя, с использованием лебедки спускоподъемного устройства (СПУ) меньших габаритов и массы, при этом общее энергопотребление ГАС при постановке ГПБА будет уменьшаться.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображен надводный корабль с ГАС с ГПБА в момент постановки ГПБА в рабочее положение, и фиг.2 (а, б), показывающей схему ГАС с блоками формирования оптической мощности на НК, передачи ее по волоконному кабель-буксиру и обратного преобразования в электрическую мощность в ИАС ГПБА.
С помощью лебедки спускоподъемного устройства 8 (фиг.1), на барабан которой уложен волоконный кабель-буксир 1, осуществляется спуск ГПБА и ее буксировка на требуемом отдалении от надводного корабля. ГПБА включает в себя излучающую акустическую секцию 2 и приемную акустическую секцию 3. Корабельная аппаратура гидроакустической станции содержит вычислительный комплекс 4, бортовой оптический блок 5, бортовую часть ВОЛС 6 и электрический источник питающих напряжений 7.
Связующим элементом бортовой части (фиг. 2 а) и антенной части (фиг. 2 б) ГАС с ГПБА является волоконный кабель-буксир 1. Бортовая часть ГАС (фиг. 2а) включает в себя вычислительный комплекс 4, последовательно соединенный с бортовой частью ВОЛС 6, которая оптически соединена со связным световодом 13 волоконного кабель-буксира 1. Источник питания 7 обеспечивает подачу электрических напряжений на вычислительный комплекс 4, на бортовую часть ВОЛС 6 и на бортовой оптический блок 5, включающий в себя мощные лазеры непрерывного излучения 9 и волоконный сумматор 10. Выходной световод 11 сумматора оптически соединен со световодом 12, обеспечивающим передачу мощного оптического излучения и входящим в состав кабель-буксира 1. Пассивная акустическая секция 3 (фиг. 2.6), включающая в себя акустические приемники 22, блок аналого-цифрового преобразования 23, блок управления и уплотнения сигналов 24 и антенную часть ВОЛС 25, и излучающая акустическая секция 2, включающая в себя антенный оптический блок 14, накопитель электрической энергии 18, преобразователь питающих напряжений 19, генератор 20 и акустический излучатель 21, вместе образуют гибкую протяженную буксируемую антенну. Антенный оптический блок 14 содержит последовательно оптически соединенные световод 15, передающий мощное оптическое излучение, оптическую коллимирующую систему 16 и матрицу фотоприемных элементов 17. Антенный и бортовой оптические блоки 14 и 5 соединены между собой световодом 12, передающим мощное оптическое излучение и являющимся составной частью кабель-буксира 1.
Практическое исполнение блоков, составляющих основу акустической приемной части ГАС с ГПБА (блоки 4, 7, 22, 23, 24), известно из практики гидроакустики, например [4].
Блоки 18, 19, 20, 21 акустической излучающей части приведены в [2].
Блоки ВОЛС 6, 13, 25 аналогичны блокам прототипа.
Достижение заявленного технического результата базируется на использовании следующих технических решений:
- новых типов волоконных световодов 11,12, 15, обладающих высоким уровнем порога оптической прочности, малыми оптическими потерями в инфракрасном диапазоне длин волн, малым диаметром световедущей жилы, и благодаря этим свойствам входят в состав оптического кабель-буксира,
- малогабаритных модулей на основе мощных полупроводниковых лазеров 9, имеющих высокий коэффициент полезного действия при преобразовании электрической энергии в оптическую и эффективный ввод излучения в световод [6],
- волоконно-оптических компонентов, как то: волоконный сумматор 10, коллиматор оптического излучения 16, способных с малыми потерями осуществлять трансформацию световых потоков большой мощности [7],
- фотоприемных элементов 17 с высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования оптической мощности в электрический ток [8].
Работа представленной ГАС с ГПБА осуществляется следующим образом. От источника питания 7 (фиг. 2а) подается питание на вычислительный комплекс 4 и бортовую часть ВОЛС 6, в результате чего управляющие команды из вычислительного комплекса через бортовую часть ВОЛС 6 по световодам 13 линии связи в составе кабель-буксира 1 поступают в аппаратуру антенной части ВОЛС. Одновременно от источника 7 электрическое питание подается в бортовой оптический блок 5 для включения мощных лазеров 9, оптический выход которых сопряжен с волоконными световодами. Далее световоды лазеров объединяются с помощью волоконного сумматора 10 в общий световод 11. Излучение большой мощности по выходному световоду 11, оптически соединенному с волоконным световодом 12, также способным передавать оптическую мощность и входящим в состав кабель-буксира 1, попадает в антенный оптический блок 14, находящийся в хвостовой части ИАС ГПБА. В оптическом блоке световод 12 кабель-буксира оптически сопрягается со световодом 15 антенного оптического блока, который в свою очередь оптически связан с коллимирующей оптической системой 16. Мощное излучение после коллимирующей системы попадает на фотоприемную матрицу 17, где преобразуется в электрический ток, который обеспечивает зарядку накопителя электрической энергии 18. Далее, преобразователем питающих напряжений 19 обеспечивается подача питающих напряжений следующим потребителям: генератору 20, блоку аналого-цифрового преобразователя 23, блоку управления и уплотнения сигналов 24 и антенной части ВОЛС 25. При получении по ВОЛС команды на включение режима акустического излучения блоком 24 запускается генератор 20, обеспечивающий работу акустического излучателя 21 и посылку звукового импульса. Отраженный от объекта эхо-сигнал принимается акустическими приемниками 22, из электрического аналогового вида преобразуется в цифровой вид в блоке аналого-цифрового преобразования 23, мультиплексируется по времени в блоке управления и уплотнения сигналов 24, с помощью антенной части ВОЛС 24 преобразуется в оптический вид и по волоконному световоду 13 кабель-буксира 1 направляется на НК в бортовую часть ВОЛС 6, преобразуется в электрический вид и поступает в вычислительный комплекс 4, где и осуществляется обработка принятых акустических сигналов.
Технический результат подтверждается прямым макетированием. В качестве примера для доставки потребителям в ГПБА электрической мощности постоянного тока 100 Вт на расстояние 1 километр по электрическим ТПЖ в кабель-буксире используется 2 электрические жилы диаметром 0,6 мм каждая, в изоляции диаметром 3,5 мм при этом электрические потери составляют 3 дБ, то есть на входе кабеля должно быть 200 Вт электрической мощности.
Эквивалентная электрическая мощность может быть доставлена в ГПБА, если использовать одиночный волоконный световод из заготовки типа SWU с диаметром световедущей жилы 0,125 мм и наружным диаметром 0,25 мм по защитному полимерному покрытию с потерями 1 дБ/км на длинах волн излучения в инфракрасном диапазоне. Если учесть основные составляющие потерь в оптическом тракте передачи оптической мощности, как-то: эффективность преобразования электрической мощности в оптическую у полупроводниковых лазерных модулей - 70% (потери 1,1 дБ), потери в световоде кабель-буксира - 1 дБ и коэффициент полезного действия матрицы фотоприемных элементов на преобразование мощности оптического излучения в электрическую - 80% (потери 1 дБ), то итоговая цифра потерь составит 3,1 дБ, что потребует применения четырех модулей на основе полупроводниковых лазеров оптической мощностью 50 Вт каждый. То есть для доставки одинаковой электрической мощности в ГПБА потребуется всего один световод диаметром 0,25 мм вместо двух проводников диаметром 3,5 мм каждый.
Таким образом, схема ГАС с ГПБА с преобразованием электрической энергии в оптическую и передача ее по волоконному световоду позволяет применять кабель-буксир меньшего диаметра. В состав кабель-буксира войдут всего два волоконных световода: один это волоконный световод линии связи ВОЛС с наружным диаметром световода 0,25 мм, и второй это волоконный световод для передачи оптической мощности с таким же наружным диаметром. Конструкция кабель-буксира будет с минимальным внутренним наполнением и, соответственно, с минимально возможным наружным диаметром, который определяется теперь только размерами силовых элементов конструкции кабеля, формирующими прочностные свойства кабель-буксира.
В результате ГАС с ГПБА с бортовым и антенным оптическими блоками формирования и преобразования мощного оптического излучения и кабель-буксиром с волоконным световодом доставки оптической мощности позволяет существенно уменьшая диаметр кабель-буксира, увеличивать его длину, уменьшать габариты СПУ и энергопотребление при постановке и выборке ГПБА. Осуществлять постановку ГПБА на больших удалениях от НК, обеспечивая тем самым отстройку от собственных помех корабля и большую дальность обнаружения эхо-сигнала, тем самым успешно решая поставленную задачу.
Источники информации
1. М.Я.Андреев, С.Н.Охрименко, И.Л.Рубанов. Разработка гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной для освещения подводной обстановка/Датчики и Системы. 2008, №11, стр.29-31.
2. М.Я.Андреев, В.В.Клюшин, С.В.Козловский, И.Л.Рубанов, Б.Н.Боголюбов. Гидроакустическая станция для надводного корабля, патент на полезную модель №104330.
3. James A. Theriaulta, Frederick D. Cotarasb, D. Linas Siurnac. Towed integrated active-passive sonar using a horizontal projector array sound source: re-visiting a Canadian technology for littoral applications Proc. Undersea Defence Technology Conference, Europe, April 2007.
4. А.П.Евтютов, А. Е. Колесников, Е.А.Корепин и др. Справочник по гидроакустике, 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1988.
5. www. heraeusguarzglas.com. Heraeus Quarzglas GmbH & Co, KG Fiber.
www.ipgphotonics.com.
6.  IPG Photonics Corporation, USA High power laser module.
7. www. pulsarmicrowave.com/products/power_dividers/4-way_high_power.htm Pulsar Microwave Corporation, USA.
www.ru-expo.ru.
8.