СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
SYSTEM FOR DETECTING AND RECORDING HYDROACOUSTIC AND HYDRODYNAMIC EFFECTS

Изобретение относится к области гидроакустики и гидродинамики в части обнаружения и регистрации естественного гидродинамического поля Мирового океана, гидроакустических и гидродинамических полей, создаваемых движением подводных и надводных объектов, в том числе в инфразвуковом диапазоне от нуля до 1 Гц.
Параметры естественного гидродинамического поля Мирового океана, обусловленные морскими течениями, приливами, отливами, волнением моря и т.д., носят случайный характер и используются в основном для обеспечения судовождения.
Гидродинамические поля подвижных объектов - это закономерные возмущения естественного гидродинамического поля Мирового океана в виде внутренних волн водной среды. Параметры этих волн можно определить на фоне естественного поля в каждый момент времени и использовать в вычислительных программах по идентификации подвижных объектов и определению их пространственного положения.
Гидроакустические низкочастотные воздействия в пределах от нуля до 1 Гц и далее обнаруживаются и регистрируются на фоне естественного гидродинамического поля аналогично параметрам гидродинамического поля подвижных объектов и могут быть использованы при идентификации объектов по имеющимся сигнатурам в этом диапазоне частот.
Известно устройство для измерения уровней давления гидроакустических полей плавсредства по заявке №97121656 на выдачу патента РФ на изобретение с датой приоритета от 11.12.1997, содержащее гидроакустическое рабочее средство измерений с приемной частью, подключенной выходом к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре и гидроакустический излучатель. Приемная часть гидроакустического рабочего средства измерений расположена соосно преобразователю гидроакустических направленных волн между гидроакустическим излучателем и плавсредством. Приемная часть гидроакустического рабочего средства измерений механически связана с преобразователем излучателя гидроакустических направленных волн.
Известен стационарный измерительный гидроакустический комплекс (варианты) по патенту РФ №2220069 с датой приоритета 06.12.2001, содержащий носитель аппаратуры, выполненный в виде буя положительной плавучести и расположенными внутри него гидроакустическими измерительными преобразователями и аппаратурой преобразования измерительной информации, а также связанное с носителем аппаратуры с помощью гибкого кабель-троса спускоподъемное устройство, выполненное в виде заякоренного короба. При этом спускоподъемное устройство связано с надводным центром управления с расположенными в нем блоками питания и регистрирующей аппаратурой с помощью магистрального кабеля.
Известны гидроакустические измерительные стационарные системы, содержащие заякоренное универсальные спуско-подъемное устройство, кинематически связанное через кабельную связь с носителем аппаратуры положительной плавучести, включающем в себя измерительные гидрофоны, причем кабельная линия связи электрически соединена через магистральный кабель с надводным центром управления (патент РФ №222069, патент РФ №2172272, патент РФ №2319637 с датой приоритета 29.05.2006).
Известна гидроакустическая измерительная система по патенту РФ №2258325 с датой приоритета 05.03.2004, которая относится к области гидроакустики и может быть использована для измерений параметров шумоизлучения надводных и подводных плавсредств. Гидроакустическая система содержит носитель аппаратуры с расположенным внутри его широкополосный гидроакустическое рабочее средство измерений, электрически связанное через кабельную линию связи с надводным центром управления, обработки и регистрации. Система содержит якорный груз, механически связанный дополнительным тросом с основанием носителя аппаратуры. Широкополосное гидроакустическое рабочее средство измерений может быть выполнено в виде нескольких комбинированных приемников, работающих в различных частотных диапазонах. Гидроакустическая система дополнительно содержит буй положительной плавучести с прикрепленными к нему дополнительными якорным грузом и концом несущего троса.
Известна гидроакустическая измерительная система по патенту РФ №2199835 с датой приоритета 28.12.2000, относится к области гидроакустики и может быть использована для измерения параметров шумоизлучения надводных и подводных плавсредств в диапазоне рабочих частот как ультразвуковых, так и инфразвуковых диапазоны. Гидроакустическая система, содержащая носитель аппаратуры, выполненный в виде поплавка с расположенными внутри приборным контейнером и широкополосным гидрофоном, а также якорный груз, связанный тросом с основанием носителя аппаратуры, и линия связи носителя аппаратуры с надводными средствами обработки, регистрации и управления. Линия связи с тросом объединены в кабельную связь. Измерительная информация после предварительной обработки в приборном контейнере транслируется по кабельной линии связи в надводный или береговой центр, где производится регистрация информации и ее окончательная обработка.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство для измерения уровней давления гидроакустических полей плавсредства по патенту РФ №2141740 с датой приоритета 24.03.1998 и может быть использовано для обследования гидроакустических полей надводных и подводных плавсредств. Устройство содержит гидроакустическое рабочее средство измерений с приемной частью, подключенной выходом к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре и гидроакустический излучатель.
Недостатками вышеуказанных запатентованных решений является узкий рабочий диапазон измеряемых акустических воздействий от 5 Гц до 7-8 Гц, сложность конструкции и низкая помехозащищенность рабочего средства измерения, электрической и информационной кабельной линии связи приемной части с обрабатывающей и регистрирующей аппаратурой.
Техническими задачами заявляемого изобретения являются расширение диапазона обнаружения гидроакустических и гидродинамических воздействий с частотой от нуля до 1 Гц и далее, упрощение системы обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий в целом.
Техническими результатами являются расширение частотного диапазона обнаружения и регистрации от нуля до 1 Гц и далее, а также обеспечение высокой помехозащищенности, низкой чувствительности к внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна и корпуса приемного модуля, что делает практически невозможным обнаружение приемного модуля на глубине водоема, и, кроме того, передаваемая по линии связи информация является первичной, не пригодной для использования в результате подслушивания. Дополнительным техническим результатом следует отметить упрощение заявляемой системы ввиду отсутствия необходимости применения электронных блоков и электропитания для работы чувствительного элемента системы, размещенного в месте контроля.
Технические результаты обеспечиваются за счет измерения угловой скорости движения корпуса приемного модуля, выполненного в виде корпуса с размещенными внутри него чувствительным элементом датчика угловой скорости в виде катушки с изотропным одномодовым оптоволокном длиной до 25 км и ответвителя и связанного посредством волоконно-оптического кабеля с оптоэлектронным модулем для передачи оптических импульсов. Оптоэлектронный модуль содержит корпус, в котором размещены лазерный источник света, фотоприемник, регистратор, преобразователь и источник питания. Оптоэлектронный модуль выполнен с возможностью получения и передачи аналоговой или цифровой информации в вычислитель по линии связи.
На фигуре 1 представлена схема системы обнаружения гидроакустических и гидродинамических воздействий.
На фигуре 2 - схема размещения системы обнаружения гидроакустических и гидродинамических воздействий.
На фигуре 3 - спектрограмма акустических шумов Белого моря, полученная на испытаниях системы обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий.
Приемный модуль 1 размещают в натурном водоеме и закрепляют его с помощью якоря 2 на дне водоема. В качестве измеряемого параметра используется угловая скорость движения корпуса приемного модуля 1, закрепленного в месте контроля на якоре 2 с поплавком 3. Приемный модуль выполнен в виде корпуса, с размещенным внутри него чувствительным элементом датчика угловой скорости в виде катушки 5 с изотропным одномодовым оптоволокном длиной до 25 км, и ответвитель 6.
Приемный модуль 1 связан, посредством волоконно-оптического кабеля для приема и передачи оптических импульсов, с регистрирующей и обрабатывающей аппаратурой, в качестве которой используется оптоэлектронный модуль 7. Оптоэлектронный модуль 7 включает в себя корпус 8, лазерный источник света 9, фотоприемник светового потока 10, регистратор 11, преобразователь 12 и источник питания 13, и размещается на суше или стационарном плавсредстве на расстоянии до 30 км и более от места контроля. При этом оптоэлектронный модуль 7 выполнен с возможностью получения и передачи аналоговой или цифровой информации в вычислитель 14 по стандартной линии связи.
Система для обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий реализуется следующим образом.
Из оптоэлектронного модуля 7 в приемный модуль 1 поступают световые импульсы, которые с искажением, обусловленным колебанием корпуса приемного модуля 1, поступают из приемного модуля 1 в фотоприемник 10, затем в регистратор 11, находящиеся в оптоэлектронном блоке 7. После регистратора 11 информация в аналоговом виде поступает в преобразователь 12, где из аналоговой может превращаться в дискретную информацию, которая дальше поступает в вычислитель 14. В вычислителе 14 происходит классификация характера колебаний, при необходимости идентификация объекта и определение параметров локализации (местоположения) объекта.
Катушка 5 в корпусе 1 содержит изотропное одномодовое волокно повышенной длины (до 25 км) и в совокупности с аппаратурой, размещенной в корпусе 8, реализует высокочувствительный датчик угловой скорости движения корпуса 4 относительно неподвижной точки якоря 2. Угловое движение корпуса 4 дает информацию как о линейном горизонтальном перемещении воды, так и о низкочастотных динамических колебаниях водной среды в диапазоне от 0 до 1 Гц и далее. Параметры такого движения водной среды получают в дальнейшем в вычислителе 14 после обработки измеренной информации об угловом движении корпуса 4. Сигналы между приемным модулем 1 и оптоэлектронным модулем 7 в виде световых импульсов передаются по волоконно-оптическому кабелю.
Выполнение приемного модуля в виде корпуса с размещенным внутри него чувствительным элементом датчика угловой скорости в виде катушки с изотропным одномодовым оптоволокном длиной до 25 км и ответвителем, с возможностью связи с оптоэлектронным модулем для передачи оптических импульсов; выполнение оптоэлектронного модуля в виде корпуса, в котором размещены лазерный источник света, фотоприемник, регистратор, преобразователь и источник питания, с возможностью передачи и получения цифровой информации в вычислитель по волоконно-оптическому кабелю, обеспечивает расширение частотного диапазона обнаружения от нуля до 1 Гц и далее, высокую помехозащищенность системы и низкую чувствительность к внешним электромагнитным воздействиям.
Экспериментальное подтверждение диапазона измерений и точности заявленной системы получено в сентябре 2014 года на Государственном центральном морском полигоне, где проведены по согласованной программе ОАО «НПО автоматики» и в/ч 09703, с выпуском отчета, натурные испытания разработанной ОАО «НПО автоматики» системы обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий, на основе измерения угловой скорости корпуса приемного модуля. В частности, на фиг. 3 приведены полученные на этих испытаниях результаты измерений естественного фонового шума Белого моря в диапазоне частот от 0 до 2000 Гц. Из спектрограммы следует, что регистрируемый сигнал в полосе частот от нуля до 1 Гц (инфразвук Белого моря) превышает сигнал в полосе частот около 100 Гц практически на 50 дБ, чем подтверждается высокая чувствительность заявленной системы обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий в полосе инфранизких частот 0÷1 Гц.
Проведенными испытаниями подтверждена также высокая чувствительность при измерении предлагаемой системой приливов и отливов в акватории Белого моря.