УСТРОЙСТВО МАСКИРОВКИ ПОДВОДНОГО ШУМА РЫБОЛОВЕЦКОГО СУДНА (ВАРИАНТЫ)

Устройство маскировки подводного шума рыболовецкого судна (варианты)
Полезная модель относиться к гидроакустике и может быть использована на судах рыбопромыслового флота.
Шумы рыболовецкого судиа отпугивают рыбу (Е.В. Шишкова. О реакции рыб на звук в шумовых спектрах траулера - «Рыбное хозяйство, 1957, JV И; Ericson G. J. Связь между частотными составляющими шума, производимого рыболовными судами и их уловом - JASA, 1979, 66, № 1, р.296-299). Целесообразно эти шумы замаскировать под те или иные звуки, создаваемые морскими обитателями, например, под звуки ухаживания, под звуки нерестовой миграции, под звуки скопления в косяки, под звуки проявления пишевого инстинкта и др. (Г. Винн. Биологическое значение звуков, издаваемых рыбами. - В кн.: Морская биоакустика.- Л.: Судостроение, 1969, с. 239 - 261).
Известно устройство для маскировки шума торпеды, примененное японцами во время второй мировой войны, содержащее тракт излучения в виде генератора, усилителя мощности и электроакустического подводного преобразователя, создаюшего в воде спектр шума, который близок к спектру шума косяка рыб (А.П. Сташкевич. Акустика моря - Л.: Судостроение, 1966, с.313). Недостатком этого устройства является то, что оно маскирует объект только под один вид звуков морских обитателей, в то время как эти звуки различны в разных акваториях и в разное время суток.
В качестве устройства-прототипа целесообразно использовать полезную модель «Устройство маскировки подводного щума рыбопромыслового судна по заявке Nz 2001118404 (решение ФИПС о выдаче свидетельства от 01.10.2001 г.). Это устройство содержит гидроакустический приемник, усилитель, блок памяти звуков маскировки, банк звуков обитателей моря, блок выбора звуков маскировки, цифроаналоговый преобразователь, генератор звуков маскировки, блок переменной временной задержки, двухканальный усилитель мощности, первый и второй гидроакустические излучатели, также содержит устройство управления.
Недостатками устройства-прототипа являются необходимость иметь банк звуков обитателей моря, заполнение которого сопряжено с необходимостью заблаговременного набора сведений о звуках рыб в разных акваториях, в разное время суток.
Задачей полезной модели является обеспечение маскировки подводного шума рыболовецкого судна под звуки обитателей моря без априорного банка данных об этих звуках. Возможны варианты реализации устройства выполненные с использованием многоэлементных гидроакустических антенн.
Для решения поставленной задачи в первом варианте устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна, как и в уст :10йстве-прототипе, содержащем гидроакустический приемник, аналого-цифровой )еобразователь (АЦП), блок временной задержки, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), усилитель мощности, два излучателя звуков маскировки, введены новые признаки, а именно: гидроакустический приемник выполнен в виде шлроакустической антенны из электроакустических преобразователей образующих две полубазы, введены формирователи характеристик направленности пол у б аз антенны, формирователи суммарной и разностной характеристик направленности полу баз антенны, также введен вычитатель, первый и второй входы которого соединены с выходами формирователей суммарной и разностной xapaKieiiiicTHK направленности полубаз антенны, а первый выход вычитателя соединен со входом усилителя мощности, введены параллельно соединенные п-1 блоко временной задержки, п-2 излучателей звуков маскировки, также введен индикатор, соединенный со вторым выходом вычитателя, также введен блок сканирования направлениями максимумов характеристик направленности, соединенный с фор.и1рователями характеристик направленности полубаз антенны.
В том случае, когда предполагается использование многоэлементной приемной гидроакустической антенны, либо к(1И(|)01змной антенны, поверхность которой имеет сложную форму, предпочтите, п.н ее выполнять формирование характеристик направленности и управление ими с помощью аппаратнопрограммных модулей спектральной обработки.
АЦП сигналов электроакустических преобразователей, блок временной задержки, ЦАП, усилитель мощности, два излучателя звуков маскировки, для выполнения обработки сигналов гидроакустического приемника выполненного в виде многоэлементной гидроакустической антенны, в устройство дополнительно введены анализатор взаимного спектра, параллельно соединенные блок памяти коспектра и блок памяти квадратурного спектра, спектральный вычитатель, входы которого соединены с выходами блоков памяти коспектра и квадратурного спектра, а первый выход спектрального вьиитателя через ЦАП соединен со входом усилителя мощности, дополнительно введены параллельно соединенные п-1 блоков временной задержки, п-2 излучателей звуков маскировки, также введен индикатор соединенный со вторым выходом спектрального вычитателя, также введен блок сканирования направлениями максимумов характеристик направленности, соединенный с формирователями характеристик направленности полубаз антенны.
Технический результат в предлагаемых вариантах полезных моделей достигается благодаря направленным свойствам приемной антенны эффективно воспринимающей дальнее (с плоским фронтом) поле звуков обитателей моря и подавляющей гидроакустические (изотропные) помехи, как от шумов моря, так и судового происхождения. Поэтому звуки обитателей моря, принятые направленной приемной гидроакустической антенной, и сущесгвенно очищенные от помех могут быть ретранслированы. За счет этого удается замаскировать рыболовецкое судно под звуки обитателей моря, в основном под 3Byiai косяков рыб.
На фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна.
На фиг. 2 приведена блок-схема второго варианта устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна.
Первый вариант устройства маскировки Г1о;1водного шума рыболовецкого судна содержит гидроакустическую антеппу из электроакустических преобразователей 1, АЦП 2, первый и второй (1)ормирователи характеристик направленности полубаз антенны 3.1 и 3.2, формирователи суммарной 4.1 и разностной 4.2 характеристик направленности амгепны, вычитатель 5, ЦАП 6, усилитель мощности 7, п блоков временных задержек 8.1, 8.2, ..., 8.П и п+1
3.
излучателей звуков маскировки 9.1, 9.2, ..., 9.П+1, также содержит блок сканирования направлениями максимумов характеристики направленности 10, соединенный с первым и вторым формирователями характеристик направленности полубаз антенны, также содержит индикатор И, вход которого соединен с выходом вычитателя 5, также содержит блок управления 12, соединенный со всеми блоками устройства.
Второй вариант устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна содержит многоэлементную приемную гидроакустическую антенну из электроакустических преобразователей 13, АЦП сигналов электроакустических преобразователей 2, первый и второй формирователи характеристик направленности полубаз антенны 3.1 и 3.2, анализатор взаимного спектра 14, блоки памяти коспектра и квадратурного спектра 15 и 16, спектральный вычитатель 17, цифро-аналоговый преобразователь 6, усилитель мощности 7, п блоков временных задержек 8.1, 8...., 8.п, п+1 излучателей звуков маскировки 9.1, 9..., 9.П+1, также содержит блок сканирования максимумов характеристик направленности 10, также содержит индикатор 11, вход которого соединен с выходом спектрального вычитателя 17, также содержит блок управления 12, соединенный со всеми блоками устройства.
Работа первого варианта устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна осуществляется следующим образом. Гидроакустическая антенна 1 осуш;ествляет прием сигналов и помех и с помощью электроакустических преобразователей переводит акустические колебания в воде в электрические напряжения. С помощью АЦП 2 электрические сигналы представляются в дискретном цифровом виде, первый и второй формирователи характеристик направленности 3.1 и 3.2 образуют аддитивные характеристики направленности полубаз антенны B,/(f,e), где f - частота; 0 - угол, отсчитываемый от
перпендикуляра к центру апертуры антенны. Сигналы от удаленных шумов косяка рыб приходят в виде волн с плоским фронтом. Тогда, если шум косяка рыбы имеет энергетический спектр в акустическом центре косяка рыб G(f), то при формировании суммарной характеристики направленности на выходе блока 4.1 будет наблюдаться энергетический спектр от шума косяка рыб
«(/.)
где R - расстояние до косяка рыб;
, 2Я-/
к - волновое чнсло, к  --, с - скорость звука в морской среде;
d - расстояние между акустическими центрами полубаз антенн.
На выходе блока 4.2 разностной характеристики направленности будет наблюдаться разностный энергетический спектр от шума косяка рыб
G(f.в)  BЬ(f.,в)..(2)
4Лл /2tfTK 2. 2.J
Из соотношений (1) и (2) видно, что при наведении с помощью блока сканирования характеристик направленности 10 на удаленный косяк рыб, то есть при угле   О суммарная характеристика направленности на выходе блока 4.1 в этом направлении
имеет максимум по сигналу G(/,  0)  -, а разностная характеристика
направленности по сигналу на выходе блока 4.2 G(/,5  0)0. Видно, что при вычитании в блоке 5 по суммарной характеристике направленности будет регистрироваться сигнал плюс помеха, а по разностной характеристике направленности только помеха. Если энергетический спектр помех на каждой полубазе антенны С„(/), то на выходе блока 4.1
G:(S}С„(/)+С„(/)+2С„(/)
(/)
а на выходе блока 4.2
G.(f}G«(/)+G«(/)-2G,,(/)
K(f}
где А(/) - коэффициент концентрации полубазы антенны. На выходе вычитателя 5 энергетический спектр помех
с;(/)о;(/)-о.(/)512М.(5)
:-nU.
зтЫ kd
(3)
sinA:uf
(4) kd
, j 1  ,
Так как у направленной гидроакустической антенны , «1 и,
следовательно, без потерь сигнала уровень помех существенно снижен, т.е. обеспечивается повышение отношения сигнал/помеха.
Таким образом, с помощью блока 10, направив ХН на удаленный косяк рыб и наблюдая на индикаторе 11 шум удаленного косяка рыб, можно на выходе блока 5 снизить уровень помех. Далее, можно ретранслировать шум косяка рыб, для чего этот шум усиливается в усилителе мощности 7 и излучается гидроакустическими излучателями звуков маскировки 9.1, 9,2, ..., 9.П+1. За счет блоков задержки 8.1, 8.2, ..., 8.П обеспечивается неполная когерентность излучаемых шумов. При выборе нормированных коэффициентов корреляции от 0.15 до 0.8 создается как бы непрерывный протяженный шум вдоль линии гидроакустических излучателей звуков маскировки (смотрите например: Радиовещание и электроакустика - Под редакцией М.В. Шлице - М.: Радио и связь с. 58). Для искажения дискретных составляющих щума винта создаются биения с тем, чтобы, как и в устройствепрототипе, этот щум воспринимался как сигналы китообразных.
Итак, первый вариант полезной модели полностью рещает поставленную задачу.
Работа второго варианта устройства маскировки подводного шума рыболовецкого судна осуществляется следующим образом. Сигналы - щум косяка рыб - принимаются и преобразуются многоэлементной приемной гидроакустической антенной 13, дискретизация и квантование сигналов с выходов электроакустических элементов антенны производится в блоке 2, в блоках 3.1 и 3.2 формируются характеристики направленности полубаз антенны, и передача их на анализатор взаимного спектра 14. На выходе анализатора 14 формируется взаимный спектр от удаленного источника щума - рыбного косяка, от которого приходят волны с плоским фронтом.
G,,(f,e}  (f,.(6)
В блоке 15 запоминается коспектр
В блоке 16 запоминается квадратурный спектр
Qn(f,ff}  (f,в)sш(kdsmв}.(8) Видно, что при в  0
а квадратурный спектр сигнала
ei2(/.o)o(10)
на всех частотах.
Помехи в изотропном поле помех
S,(f,0  0)Q,(f,e  Q)  .(11)
где K(f) - коэффициент концентрации полубаз.
Таким образом, в блоке 17 после спектрального вычитания, т. е. на каждой из частот
f, формируется сигнал
5,2(/,  0)-а2(/,  0)  ,(12)
а составляющая помех минимизируется.
Из сопоставления формул (1) и (7) видно, что коспектр имеет более острый основной лепесток характеристики направленности. Из сопоставления формул (2) и (8) видно, что квадратурный спектр имеет узкую прорезь в характеристике направленности.
Таким образом, и второй вариант устройства успешно решает поставленную задачу.
Построение блоков, входящих в варианты устройства известно из практики гидроакустики. Гидроакустические антенны из электроакустических преобразователей описаны в книге М.Д. Смарышев, Ю.Ю. Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник - Л.: Судостроение, 1984, с. 304. Построение анализатора взаимного спектра описано в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов - М.: Мир, 1978, с. 457 - 463. Передающий тракт может включать либо единый усилитель мощности, либо может выполняться в виде усилителей мощности для каждого из излучателей звуков маскировки. В усилителе мощности частотные характеристики выбираются таким коспектр сигнала имеет вид S,,(f,e  Q),(9)
образом, чтобы скомпенсировать искажения из-за частотных характеристик приемных трактов и искажения в среде распространения.