ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в качестве гидроакустического оборудования подводных лодок различного назначения, а также при проведении подводных геологических и гидроакустических работ и исследований.
Гидроакустические комплексы (ГАК) являются основой информационного обеспечения подводных лодок. Типовой ГАК включает в себя следующие тракты (гидроакустические станции) и системы:
- шумопеленгования (ШП), решающий, в основном, задачи обнаружения подводных лодок и надводных кораблей;
- гидролокации (ГЛ), работающий в активном режиме обнаружения подводных целей на большом расстоянии;
- обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС), предназначенный для обнаружения работающих в различных диапазонах гидролокаторов;
- звуковой связи и опознавания;
- миноискания (МИ), выполняющий одновременно функции обнаружения препятствий вблизи подводной лодки;
- центральную вычислительную систему (ЦВС);
- систему отображения, регистрации, документирования и управления (СОРДУ).
В состав каждого тракта входят акустические антенны. С излучающими антеннами соединены генераторные устройства, а с приемными - устройства предварительной обработки.
Известен ГАК подводных лодок GSU 90, разработанный фирмой STN Atlas Electronic (ФРГ), содержащий тракты ШП, ГЛ, ОГС, связи и МИ, а также ЦВС, СОРДУ и общую шину.
Признаками, общими с заявляемой полезной моделью ГАК, являются все перечисленные составные части этого аналога.
Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, достигаемого в полезной модели, являются относительно высокий уровень гидродинамических помех и шумности лодки и отсутствие возможности независимой и одновременной работы трактов ГЛ и звуковой связи и опознавания, а также относительно узкий частотный диапазон связных сигналов.
От этих недостатков свободен ГАК, защищенный свидетельством РФ №20388 на полезную модель, МПК G01S 3/80, 15/00, 2001. Этот аналог содержит все составные части первого аналога, однако в его тракт связи и опознавания дополнительно введены излучающая ненаправленная широкополосная антенна и генераторное устройство, а в тракт ОГС -высокочастотная и широкополосные антенны и устройство предварительной обработки, при этом все акустические антенны размещены в носовом обтекателе или в ограждении рубки.
Все составные части этого аналога, как и составные части первого аналога, входят и в состав заявляемой полезной модели ГАК.
Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, достигаемого в полезной модели, являются следующие:
- ограниченный обзор основной антенны тракта ШП, обусловленный затемнением кормовых углов корпусом;
- ограниченные размеры основной носовой антенны не позволяют локализовать источники сигналов, частотный диапазон которых лежит ниже 0,8-1,0 кГц;
- единственная излучающая антенна тракта ГЛ имеет ограниченный, сравнительно узкий сектор облучения пространства в носовом отсеке;
- носовая излучающая антенна тракта связи и опознавания затенена корпусом, что исключает связь с корреспондентами в секторе кормовых углов;
- приему сигналов тракта ОГС на антенну с многолепестковой характеристикой направленности (ХН) препятствует конструкция носового обтекателя;
- сосредоточенная высокочастотная антенна тракта ОГС затеняется конструкцией ограждения рубки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является ГАК подводной лодки, защищенный патентом РФ №24736 на полезную модель, кл. G01S 15/00, 2002 г.Он содержит тракты основного и дополнительного ШП, тракт ОГС, тракт ГЛ, тракт связи и опознавания, тракт миноискания и обнаружения навигационных препятствий (МИ), ЦВС, СОРДУ и общую шину.
Тракт основного ШП содержит основную носовую приемную антенну, выполненную с возможностью формирования статического веера характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и первое устройство предварительной обработки, размещенное в капсуле внутри антенны.
Тракт дополнительного ШП содержит гибкую протяженную буксируемую антенну (ГПБА), кабель-трос, токосъемное устройство и устройство предварительной обработки.
Тракт ОГС содержит три приемных антенны и устройство предварительной обработки. Первая антенна размещена в носовой части ограждения рубки и имеет многолучевую ХН. Вторая антенна размещена в кормовой части ограждения рубки и является всенаправленной и высокочастотной. Третья антенна является широкополосной и ее блоки размещены в носовом обтекателе, в кормовой части ограждения рубки и по бортам подводной лодки.
Тракт гидролокации содержит рубочную носовую излучающую антенну, размещенную в носовой части ограждения рубки, две бортовые излучающие антенны, размещенные по обоим бортам подводной лодки, и генераторное устройство.
Тракт связи и опознавания содержит носовую излучающую антенну, размещенную в носовом обтекателе, кормовую излучающую антенну, размещенную в ограждении рубки, и генераторное устройство.
Тракт МИ содержит приемо-передающую антенну, выполненную с возможностью поворота ХН в вертикальной плоскости и размещенную в носовом обтекателе, генераторное устройство, переключатель «прием - передача» и устройство предварительной обработки.
Аппаратура СОРДУ выполнена из двухдисплейных пультов с подключенными периферийными устройствами, Входами и выходами она соединена непосредственно с ЦВС.
Через общую шину генераторные устройства и устройства предварительной обработки всех трактов соединены с ЦВС и СОРДУ.
Признаками, общими с признаками заявляемой полезной модели ГАК, являются все перечисленные составные части комплекса-прототипа и связи между ними.
Причиной, препятствующей достижению в комплексе-прототипе технического результата, достигаемого в заявляемой полезной модели, является относительно низкая скрытность работы комплекса.
Еще одной причиной, препятствующей получению указанного результата, является недостаточная дальность обнаружения подводных целей в режиме ГЛ.
Обе эти причины обусловлены тем, что антенны тракта ГЛ одновременно излучают сигнал практически во всех направлениях, хотя сам сигнал и импульсный. Дело в том, что все три антенны тракта ГЛ имеют достаточно широкие ХН, чтобы перекрыть в сумме сектор работы, за исключением кормовых углов. Это позволяет обнаружить излучение практически с любой стороны, что существенно повышает вероятность обнаружения подводной лодки. С другой стороны, большая ширина луча ХН антенны ведет к уменьшению ее коэффициента усиления, а следовательно и мощности излучаемого сигнала, а значит и дальности до цели, на которой эта мощность будет достаточна для ее уверенного обнаружения.
Технической задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является повышение скрытности работы ГАК и дальности обнаружения целей в режиме ГЛ.
Технический результат достигается тем, что в известном ГАК, защищенном патентом РФ №24736 на полезную модель, все излучающие антенны тракта ГЛ выполнены электронно управляемыми как по числу лучей ХН, так и по их ширине и направлению, при этом управляющие входы этих антенн через общую шину соединены с ЦВС и СОРДУ, число лучей ХН каждой из антенн на единицу больше числа сопровождаемых этой антенной целей, а их ширина минимально возможна, но достаточна для уверенного захвата и сопровождения цели, при этом один из лучей ХН имеет ширину, достаточную для захвата цели на сопровождение, и сканирует по углу в заданном секторе ответственности антенны, а остальные лучи ХН антенны сопровождают обнаруженные этой антенной цели.
Для достижения технического результата в известном ГАК, содержащем тракт основного ШП, тракт дополнительного ШП, тракт ОГС, тракт ГЛ, тракт связи и опознавания, тракт МИ, ЦВС, СОРДУ и общую шину, при этом аппаратура СОРДУ выполнена из двухдисплейных пультов с подключенными периферийными устройствами и соединена с ЦВС, тракт основного ШП содержит основную носовую приемную антенну, выполненную с возможностью формирования статического веера ХН в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и первое устройство предварительной обработки, размещенное в капсуле внутри антенны и соединенное своим входом непосредственно с выходом антенны, а выходом - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, тракт ОГС содержит первую антенну, размещенную в носовой части ограждения рубки и имеющую многолепестковую ХН, вторую антенну, размещенную в кормовой части ограждения рубки и являющуюся высокочастотной и всенаправленной, третью антенну, блоки которой размещены в носовом обтекателе, в кормовой части ограждения рубки и по бортам подводной лодки, являющуюся широкополосной, и второе устройство предварительной обработки, сигнальные входы которого соединены непосредственно с выходами соответствующих антенн тракта ОГС, а управляющий вход и выход - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, тракт ГЛ содержит рубочную носовую излучающую антенну, размещенную в носовой части ограждения рубки, две бортовые излучающие антенны, размещенные по обоим бортам подводной лодки, и первое генераторное устройство, выходы которого соединены с сигнальными входами соответствующих излучающих антенн тракта ГЛ, а управляющий вход - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, тракт связи и опознавания содержит носовую излучающую антенну, размещенную в носовом обтекателе, кормовую излучающую антенну, размещенную в ограждении рубки, и второе генераторное устройство, выходы которого соединены с сигнальными входами излучающих антенн тракта связи и опознавания, а управляющий вход - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, тракт МИ содержит приемо-передающую антенну, выполненную с возможностью поворота ХН в вертикальной плоскости и размещенную в носовом обтекателе, третье генераторное устройство, выход которого соединен со входом-выходом антенны тракта МИ через переключатель «прием - передача», а управляющий вход - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, и третье устройство предварительной обработки, вход которого соединен непосредственно с выходом приемо-передающей антенны, а выход - через общую шину с ЦВС и СОРДУ, тракт дополнительного ШП содержит ГПБА, через кабель-трос и токосъемное устройство соединенную со входом четвертого устройства предварительной обработки, соединенного своим выходом через общую шину с ЦВС и СОРДУ, все излучающие антенны тракта гидролокации выполнены электронно управляемыми как по числу лучей ХН, так и по их ширине и направлению, при этом управляющие входы этих антенн через общую шину соединены с ЦВС и СОРДУ, число лучей ХН каждой из антенн на единицу больше числа сопровождаемых этой антенной целей, а их ширина минимально возможна, но достаточна для уверенного захвата и сопровождения цели, при этом один из лучей ХН имеет ширину, достаточную для захвата цели на сопровождение, и сканирует по углу в заданном секторе ответственности антенны, а остальные лучи ХН сопровождают обнаруженные этой антенной цели.
Исследования заявляемого ГАК по патентной и научно-технической литературе показали, что совокупность вновь введенных особенностей выполнения антенн тракта ГЛ и новых связей вместе с остальными элементами и связями комплекса не поддается самостоятельной классификации. В то же время она не следует явным образом из уровня техники. Поэтому предлагаемый ГАК следует считать удовлетворяющим критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого ГАК.
Комплекс включает в себя тракты основного и дополнительного ШП, тракт ГЛ, тракт ОГС, тракт связи и опознавания, тракт МИ, ЦВС и СОРДУ и общую шину.
Тракт основного ШП содержит основную носовую приемную антенну 1 и устройство 2 предварительной обработки, последовательно соединенное с антенной 1. Устройство 2 размещено в герметичной капсуле внутри антенны 1 (соединение антенны 1 с устройством 2 показано на фиг. 1 пунктирной стрелкой). Антенна 1 и устройство 2 являются многоканальными и состоят из n×m каналов, где n - количество ХН (пространственных каналов) в горизонтальной плоскости, а m - количество ХН (пространственных каналов) в вертикальной плоскости. Через общую шину 3 комплекса устройство 2 тракта основного ШП связано с ЦВС 4 и СОРДУ 5.
Тракт дополнительного (низкочастотного) ШП содержит ГПБА 6, через кабель-трос 7 и токосъемное устройство (на фиг. 1 не показано) соединенную с устройством 8 предварительной обработки. Через общую шину 3 комплекса устройство 8 тракта дополнительного ШП связано с ЦВС 4 и СОРДУ 5.
Тракт ГЛ содержит рубочную носовую излучающую антенну 9, две бортовые излучающие антенны 10 и 11 и генераторное устройство 12. Антенна 9 размещена в ограждении рубки 13, а антенны 10 и 11 - по обоим бортам подводной лодки. Антенны 9, 10 и 11 являются электронно управляемыми. Их сигнальные входы соединены непосредственно с соответствующими выходами устройства 12, а управляющие входы - через общую шину 3 комплекса с ЦВС 4, как и управляющий вход устройства 12.
Тракт ОГС содержит антенны 14, 15, 16 и устройство 17 предварительной обработки. Антенна 14 имеет многолучевую ХН и расположена в носовой части ограждения рубки. Антенна 15 расположена в кормовой части ограждения рубки и является всенаправленной и высокочастотной. Антенна 16 является широкополосной, а ее блоки 16.1, 16.2, 16.3 и 16.4 размещены в носовом обтекателе 18, по бортам и в кормовой части ограждения рубки 13. Выходы антенн 14, 15 и 16 соединены непосредственно с соответствующими входами устройства 17, соединенного своим выходом через общую шину 3 комплекса с ЦВС 4 и СОРДУ 5.
Тракт связи и опознавания содержит носовую излучающую антенну 19, кормовую излучающую антенну 20 и генераторное устройство 21. Управляющий вход генератора 21 через общую шину 3 комплекса соединен с ЦВС 4, а первый и второй выходы - непосредственно со входами антенн 19 и 20 соответственно.
Тракт МИ содержит приемо-передающую антенну 22, генераторное устройство 23, переключатель «прием-передача» (на фиг. 1 не показан) и устройство 24 предварительной обработки. Антенна 22 размещена в носовом обтекателе 18 и выполнена с возможностью поворота ХН в вертикальной плоскости, ее вход-выход через переключатель «прием-передача» соединен с выходом устройства 23 и входом устройства 24. Управляющий вход устройства 23 и выход устройства 24 через обитую шину 3 комплекса соединены с ЦВС 4 и СОРДУ 5.
Кроме общей шины 3 комплекса между ЦВС 4 и СОРДУ 5 имеет место ряд непосредственных связей.
ЦВС 4 представляет собой совокупность универсальных процессоров и специальных процессоров и имеет структуру управляющей ЭВМ.
СОРДУ 5 состоит из двух пультов, каждый из которых имеет в своем составе два дисплея, органы управления (клавиатура, кнопки, гнезда). Структура пультов аналогична структуре персональной ЭВМ. К портам пультов подключены типовые периферийные устройства: телефон, громкоговоритель, принтер, рекордер, устройство записи на магнитно-оптический диск.
Работа предлагаемой полезной модели ГАК осуществляется следующим образом.
Приемные антенны 1, 6, 14, 15 и 16 выполняют преобразование энергии электрических (акустических) колебаний в механическую. Антенна 22 является обратимой.
В тракте ГЛ прием эхо-сигналов осуществляет антенна 1. В тракте связи и опознавания прием сигналов связи и эхо-сигналов также осуществляет антенна 1.
В генераторных устройствах 12, 21 и 23 формируется импульсный сигнал необходимой мощности для последующего усиления и излучения в качестве зондирующего сигнала антеннами 9, 10 и 11 тракта ГЛ, антеннами 19 и 20 тракта связи и опознавания и антенной 23 тракта МИ. Сигналы управления параметрами генерируемых сигналов формируются в СОРДУ 5 и ЦВС 4..
Устройства 2, 8, 17 и 24 предварительной обработки осуществляют предварительную обработку принятых сигналов, то есть их усиление, фильтрацию, частотно-временную обработку и преобразование из аналогового вида в цифровой.
ЦВС 4 и СОРДУ 5 являются системами, участвующими в работе всех трактов ГАК. Они работают с данными в цифровом виде. Основу работы этих систем составляют алгоритмы обработки информации, реализуемые программными средствами. Этими средствами осуществляются:
- полное формирование параметров импульсного сигнала, который затем в генераторных устройствах формируется и усиливается по мощности;
- формирование ХН управляемых антенн тракта ГЛ с учетом необходимости сканирования их лучей;
- вторичная обработка информации, выявляющей тонкую структуру сигнала;
- принятие решения об обнаружении цели;
- автоматическое сопровождение цели.
Работой ГАК управляют операторы, которые размещаются за пультами СОРДУ 5. Основной режим работы - приемный, при этом режиме работающими являются тракты основного и дополнительного ШП, ОГС, связи. Тракты ГЛ и МИ, а также режим «Активная работа» тракта связи включаются на излучение по командам из СОРДУ 5. Приемные каналы работают одновременно и независимо друг от друга. Принятые сигналы через антенны 1, 14, 15, 16, 6 поступают в устройства 2, 8, 17, 24, расфильтровываются по частотным диапазонам, производится их частотно-временная обработка. Далее принятые и обработанные сигналы через общую шину 3 поступают в ЦВС 4, где программными средствами на базе принятых в ГАК алгоритмов производится вторичная обработка сигналов. Определяются элементы движения и координаты целей, обобщаются данные, полученные от одной и той же цели различными трактами. Оператор принимает решение о выделении целей для автоматического сопровождения и передает соответствующую команду.
При наличии соответствующей команды оператора из СОРДУ 5 на включение основных активных режимов эта команда поступает в ЦВС 4 и обрабатывается. В ЦВС 4 вырабатывается комплексная команда, содержащая коды параметров режима излучения. По общей шине 3 эта команда передается в генераторное устройство 12 (21, 23), где производится формирование мощного импульсного сигнала излучения, подаваемого в антенны 9, 10, 11 (19, 20, 22).
При работе тракта ГЛ в активном режиме, благодаря электронному управлению антеннами в каждой из антенн 9, 10 и 11 один из лучей ее ХН имеет ширину, достаточную для уверенного захвата цели на сопровождение, и сканирует по углу в заданном секторе работы этой антенны. В случае наличия в этом секторе целей последние обнаруживаются сканирующим лучом и передаются на сопровождение. При этом сканирование «поискового» луча не прерывается, а формируется дополнительный луч ХН, ориентированный в направлении вновь обнаруженной цели. Этим лучом осуществляется сопровождение вновь обнаруженной цели. Его ширина зависит от дальности до цели, ее размеров и скорости движения в направлении, перпендикулярном направлению «подводная лодка - цель». Эта ширина определяется практическим путем. Она должна быть минимально возможной, но достаточной для уверенного сопровождения цели. С появлением каждой новой цели в новом направлении описанный процесс повторяется и формируется еще один луч ХН антенны, который устанавливается на сопровождение этой цели. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока все цели, находящиеся в зоне ответственности антенны, не окажутся сопровождаемыми соответствующими лучами ХН антенны.
Таким образом, при работе тракта ГЛ излучение зондирующего сигнала осуществляется несколькими узкими лучами (число лучей на единицу превышает число целей, а в случае нахождения целей на одном направлении, оно еще меньше). Этим предлагаемый комплекс существенно отличается от прототипа, в котором управление антеннами тракта ГЛ отсутствует. В тракте ГЛ прототипа ширина ХН каждой из антенн должна быть не менее чем ширина сектора ответственности антенны, иначе в части этого сектора цель вообще не может быть обнаружена.
В прототипе в режиме ГЛ излучение зондирующего сигнала осуществляется непрерывно во всем секторе ответственности антенн, поэтому это излучение может быть обнаружено с любого направления. В предлагаемом ГАК в большей части сектора ответственности антенны излучение отсутствует или осуществляется с большими перерывами. Это значительно снижает вероятность обнаружения излучения и определения координат его источника при использовании предлагаемого ГАК по сравнению с прототипом.
Кроме того, «поисковый» луч в предлагаемом ГАК имеет довольно узкую ХН, что позволяет сфокусировать всю энергию генераторного устройства в узком секторе, в котором находится облучаемая цель, что эквивалентно увеличению мощности облучающего цель сигнала по сравнению с прототипом, где ширина ХН антенны велика, и большая часть излучаемой энергии проходит мимо облучаемой цели.
Увеличение мощности облучающего цель сигнала приводит к увеличению дальности ее обнаружения.
Таким образом, предлагаемая полезная модель ГАК обеспечивает повышение скрытности работы комплекса и дальности обнаружения цели в режиме ГЛ по сравнению с прототипом.
Заявляемый ГАК достаточно легко реализуем. Антенны тракта ГЛ могут быть реализованы в соответствии с рекомендациями, приведенными в книге [Л.К. Самойлов. Электронное управление характеристиками направленности антенн. - Л.: Судостроение. - 1987]. Остальные устройства могут быть выполнены такими же, как соответствующие устройства прототипа.