СИСТЕМА ГИДРОЛОКАЦИИ ЦЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОВОДЬЯ
SYSTEM FOR HYDROLOCATION OF TARGETS IN SHALLOW WATER CONDITIONS

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для обнаружения подводных целей в прибрежных мелководных областях.
Предложенная система гидролокации может быть использована при охране береговых объектов или судов на стоянке со стороны водной среды, контроле подводной обстановки и состояния подводных сооружений, входов в бухты и порты, мостов, каналов, акваторий гидро- и атомных станций.
Недостатком известных систем гидролокации для этих целей в условиях мелководья являются ограничения по дальности обнаружения целей, обусловленные значительным спадом энергии зондирующего сигнала и отраженных от цели сигналов при распространении в водном слое из-за поглощений в воде и при отражениях звука от дна и водной поверхности.
Поскольку указанные потери резко возрастают с частотой, одним из известных методов их уменьшения является снижение частоты зондирующего сигнала, однако при этом сложно обеспечить достаточно узкую ширину диаграммы направленности (ШДН) зондирующего излучения в вертикальной плоскости, необходимую для работы в условиях тонкого водного слоя при сохранении малых размеров излучающей антенны.
Для обеспечения узкой ШДН излучаемого сигнала на низкой частоте в параметрических гидролокаторах используют совместное излучение двух высокочастотных сигналов с разными частотами, например 200 и 250 кГц, для получения за счёт нелинейного преобразования частот в воде более низкочастотного сигнала излучения разностной частоты, в нашем случае 50 кГц [1]. В этом случае низкочастотный зондирующий сигнал разностной частоты сохраняет ту же ШДН, что и исходные зондирующие высокочастотные сигналы. В указанном примере ШДН излучающей антенны на разностной частоте получается в 4-5 раз более узкой, чем если бы антенна выполнялась для прямого излучения той же низкой частоты.
У параметрического гидролокатора, однако, есть существенный недостаток: при приеме гидролокатором отраженного от цели сигнала на разностной частоте обычно используется совмещенная с гидролокатором приемная антенна без указанного сужения ШДН и, соответственно, с потерей помехоустойчивости и дальности действия системы.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании системы параметрической гидролокации целей с простой реализацией и расширенной зоной действия, в которой компенсируются указанные потери, проявляющиеся при приеме отраженных от цели низкочастотных сигналов на совмещенную с гидролокатором приемную антенну.
Для решения поставленной задачи предложена система параметрической гидролокации, продольное низкочастотное зондирование водной толщи и прием отраженных от цели зондирующих сигналов. При этом для получения направленных низкочастотных зондирующих сигналов используют нелинейное преобразование частот в воде как при обычной параметрической гидролокации, а прием отраженных от подводных целей сигналов ведется на пространственно отнесенные от излучателя приемники с круговой характеристикой направленности в горизонтальной плоскости, располагаемые в секторе облучения между излучателем и удаленными целями.
Аналогов предложенной системе компенсации потерь помехоустойчивости параметрического гидролокатора при приеме отраженных от целей сигналов не обнаружено среди многочисленных патентов, относящихся к параметрическим гидролокаторам, направленных в основном на увеличение эффективности излучающей части (см., например, № RU 34302 U1, заявка №2007117525/22, № US 3952216 А и др.)
Предпосылкой возможности осуществления предлагаемой системы параметрической гидролокации целей являются известные физические процессы, сопровождающие распространение в воде акустических колебаний, используемых в активной гидролокации, в частности их быстрое затухание с расстоянием. Поэтому помещение приемников ближе к месту вероятного появления цели позволяет регистрировать более высокие уровни отраженных от цели сигналов или, что эквивалентно, обнаруживать цели на больших расстояниях от зоны наблюдения.
Сущность заявленной системы параметрической гидролокации целей поясняется следующими чертежами:
фиг.1 представляет взаимное расположение излучателя и отнесенных от излучателя приемников;
фиг.2 - оценка эффективности параметрического гидролокатора при излучении;
фиг.3 - оценка эффективности параметрической гидролокации при отнесении приемников отраженных от целей сигналов от излучателя.
Взаимное расположение излучателя и приемников, отнесенных от излучателя, показано на фиг. 1, вид сверху, где 1 - излучатель, создающий сектор облучения, выделенный штриховыми линиями на чертеже, 2 - линейка отнесенных от излучателя приемников, 3 - удаленная цель, например пловец-нарушитель, находящаяся за линией приемников в охраняемой зоне, 4 - электронный комплекс обработки данных (ЭК). ЭК состоит из соединенных между собой блоков излучения, приема сигналов и представления на экране монитора параметров обнаруженных целей (местоположение, скорость движения) и траекторий их движения в охраняемой зоне.
Система контролирует зону, расположенную за линией приемников на удалении от излучателя. При этом определение местоположения цели, обнаруженной линейкой приемников в этой удаленной области, определяется в ЭК по временам прихода на приемники прямых и отраженных от цели зондирующих сигналов относительно момента излучения зондирующего сигнала с учетом скорости звука в воде и известного положения излучателя и приемников на дне. В свою очередь указанная последовательная обработка сигналов в ЭК позволяет определять и отображать на экране монитора траектории и скорости движения целей.
Помещение линейки приемников в зону вероятного появления цели, ближе к цели по сравнению с обычной параметрической гидролокацией, при которой используется совмещенная с гидролокатором приемная антенна, позволяет регистрировать более высокие уровни отраженных сигналов от цели и обнаруживать цель за пределами расстояний, доступных при обычной параметрической гидролокации. Практическое же воплощение предложенной системы параметрической гидролокации достаточно просто в изготовлении и мало по стоимости, поскольку увеличение дальности обнаружения целей достигается введением относительно простых по конструкции и изготовлению приемников низкочастотных сигналов.
Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели, то есть в формулу изобретения включены существенные признаки.
Предложенная система параметрической гидролокации теоретически и экспериментально обоснована.
Учтем вначале потери по интенсивности низкочастотного зондирующего сигнала по сравнению с исходными высокочастотными составляющими, примерно в 4000 раз, вызванные нелинейным преобразованием частот. Учтем также потери низкочастотного зондирующего сигнала и высокочастотных составляющих, связанные с затуханием звука при распространении в тонком водном слое, вызванные поглощением энергии звука в водной среде и отражениями от дна и водной поверхности. Затем оценим увеличение дальности обнаружения целей за счет отнесения приемников отраженных от целей сигналов ближе к цели.
Учет указанных потерь в зависимости от расстояния r от излучателя как отношение интенсивностей звука на указанных частотах имеет вид
,
O
где β и β - коэффициенты затухания звука в водном слое, вызванного поглощением звука в воде и при отражениях от дна и водной поверхности, соответственно в указанной высокочастотной и низкочастотной областях.
O
Результаты расчета  в зависимости от r, для сравнения в мелкой и глубокой воде представлены на фиг.2. Здесь при расчетах использованы значения β для высоких частот и β для низкой частоты, соответственно 140 и 13 дБ/км для мелководных областей и 30 и 3 дБ/км для глубоководных областей. Видно, что с увеличением затухания звука, будь то поглощение в водной среде или потери при отражениях, эффективность применения низкочастотного излучения возрастает. Рост эффективности  для этих областей, при использованных в расчете коэффициентов затухания, наступает уже при расстояниях от излучателя 140 м, что свидетельствует об эффективности применения параметрической гидролокации в мелководных областях.
-2
-4
Увеличение дальности обнаружения целей за счет использования отнесенного приема отраженных от целей низкочастотных сигналов оценим, рассматривая пути прохода сигналов. Для отнесенных приемников это практически однократный проход зондирующего сигнала от излучателя до цели, если цель расположена рядом с приемником (I ~ r). Тогда как в обычном параметрическом гидролокаторе, приемник которого совмещен с излучателем, сигнал проходит путь от излучателя до цели и обратно, и спад с расстоянием интенсивности зондирующего сигнала происходит пропорционально четвертой степени расстояния до цели ( ~ r).
При сравнении отнесенных приемников и приемника, совмещенного с излучателем, необходимо также учесть различие их направленных свойств: совмещенного с излучателем, слабонаправленного низкочастотного приемника нелинейного преобразования частот (НПЧ) гидролокатора и отнесенных от излучателя всенаправленных приемников с круговой направленностью в горизонтальной плоскости. Задавая, с запасом, различие направленности приемников по мощности в 500 раз и учитывая рассмотренное различие путей прохода сигналов, эффективность предложенной системы параметрической гидролокации представим как отношение интенсивностей отраженных от цели сигналов, принимаемых отнесенными приемниками и совмещенным приемником, в зависимости от r
.
2
Полученная зависимость иллюстрируется фиг.3. Видно, что при заданном различии направленности приемников, совмещенного и отнесенных, использование отнесенного приема становится эффективным  уже при отнесении приемников от излучателя на расстояние 22 м и эффективность растет с расстоянием как r.
Экспериментальные испытания предлагаемой системы параметрической гидролокации были проведены в озере при толщинах водного слоя 2-3 м в условиях значительного поглощения энергии звука при отражениях от дна и водной поверхности. При частоте зондирующего сигнала 50 кГц максимальная дальность обнаружения целей приемником, совмещенным с излучателем, не превышала 150 м, тогда как прием отраженных от целей сигналов на приемники, отнесенные от излучателя, позволял увеличить дальность обнаружения подводных целей примерно в два раза.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение дальности обнаружения подводных целей в условиях мелководной среды и определение местоположения и параметров движения обнаруженной цели.
Литература
1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л., Судостроение, 1990, с.256.