Способ гидролокационного обнаружения высокоскоростного малоразмерного объекта
METHOD FOR SONAR DETECTION OF HIGH-SPEED SMALL-SIZE OBJECT

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности гидролокации (ГЛ), и может быть использовано при обнаружении подводных и надводных высокоскоростных малоразмерных объектов (ВМО), например, скоростных - в том числе и частных - катеров и моторных яхт, быстроходных надводных и подводных буксировщиков различного назначения, число которых непрерывно растет, морских животных (дельфинов, касаток) и т.д.
Все эти ВМО создают серьезную проблему для навигации, особенно в узкостях и прибрежных зонах.
Среди частых причин возникновения аварий в первую очередь следует отметить неблагоприятные погодные условия и столкновения судов. В мировом флоте ежегодно происходит более 7000 столкновений только крупных судов. В среднем ежегодно терпит аварию в виде столкновения каждое пятнадцатое судно. Интенсификация судоходства, развитие малого судостроения, увеличение количества частных малоразмерных быстроходных катеров усиливают напряженность на водных путях и усложняет условия судоходства, что приводит к росту аварийности на море [1].
Кроме того, следует учитывать, что морские пираты используют ВМО для нападения на суда [2].
Предлагаемый способ может обеспечивать навигационную безопасность плавания, особенно при обнаружении быстроходных малоразмерных катеров в случае неудовлетворительной радиолокационной обстановки, обусловленной непреднамеренными помехами от осадков и низкой облачности, от волнения, помехами, вызванными боковыми лепестками диаграммы направленности антенны, характерными для ближней зоны (3-4 мили), а также для отождествления отметок от ложных и многократных отражений.
В теории поиска известен способ поиска объекта, содержащий излучение в рабочую среду - воздух в радиолокации и воду в гидроакустике - сигнала и прием отраженного от объекта поиска сигнала (эхосигнала) [3,4].
В гидролокации известен способ обнаружения объекта, содержащий излучение в воду гидроакустического сигнала и прием эхосигнала, отраженного от объекта поиска, при этом излучение и прием сигналов производится соответственно излучателем и приемником, входящими в состав одной и той же гидроакустической станции (ГАС) [5].
Известен способ гидролокационного обнаружения объекта, содержащий излучение в воду импульсного зондирующего сигнала дискретной приемо-излучающей антенной в ненаправленном - как обеспечивающем наиболее быстрый обзор пространства - режиме, прием дискретной приемо-излучающей антенной со статическим веером характеристик направленности (ХН) отраженного от цели эхосигнала с его доплеровской фильтрацией, уточнение координат цели путем излучения той же дискретной приемо-излучающей антенной сигнала в направленном режиме в направлении объекта и приема эхосигнала от него и его доплеровской фильтрацией для лучшего выделения на фоне реверберационных помех. Этот способ реализован в ГАС AN/SQS-56[6].
Известный способ основан на эффекте Доплера [7], при его реализации в обоих режимах излучения используют импульсные зондирующие сигналы одинаковой частоты ƒ, а в режиме приема - доплеровскую фильтрацию эхосигнала [8,9], позволяющую определить скорость объекта и повысить помехоустойчивость приемника к реверберационной помехе [10]. Измеренная доплеровская скорость объекта используется для классификации объекта как высокоскоростного или неподвижного (малоподвижного).
Описанный способ наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и количеству общих признаков.
Недостатками известного способа являются:
- малая дальность обнаружения объекта, особенно в ненаправленном режиме;
- возможность пропуска объекта - особенно малоразмерного или маневрирующего.
Оба этих недостатка могут привести к аварийным ситуациям, особенно при малых курсовых углах, при которых время до столкновения минимально.
Первый недостаток объясняется тем, что ВМО обладает невысокой отражательной способностью.
Известно, что к параметрам гидролокации относится отражающая способность объекта - так называемая сила цели (СЦ), определяемая как [11]
э/с
п/в
где I - интенсивность эхо-сигнала от объекта; I - интенсивность падающей волны (обе приводятся к 1 м от акустического центра объекта).
э/с
Величина I зависит от волновых размеров объекта, и для ВМО на низких частотах она мала.
Именно поэтому, гидролокаторы, предназначенные для поиска малоразмерных целей, являются высокочастотными (для гидролокаторов ближнего действия рабочие частоты могут составлять до 100 кГц и выше).
С другой стороны, дальность обнаружения цели ограничивается условиями распространения звука в море, в первую очередь его затуханием, характеризующемся коэффициентом затухания α, равном по известной формуле Торпа [12]
где α - коэффициент затухания, дБ/км; ƒ - частота, кГц.
Из формулы (2) следует, что чем выше частота излучения, тем больше затухание сигнала, и, соответственно, меньше дальность обнаружения цели.
Так, для ƒ=6кГц α=0,2 дБ/км; для ƒ=10 кГц α=0,4 дБ/км; ƒ=20кГц α=1,2 дБ/км [13].
Кроме того известно, что изменение частоты эхосигнала, вызванное эффектом Доплера, равно [7]
где Δƒ - изменение частоты эхо сигнала от движущегося объекта, Гц; ƒр - рабочая частота источника излучения, кГц; ΔV - скорость изменения расстояния между движущимся объектом и ГАС, узлы; 0,69 - постоянная Доплера, Гц /узел *кГц.
Из формулы (3) видно, что непосредственное понижение частоты доплеровского гидролокатора мало влияет на изменение частоты эхосигнала от объекта.
Известно также, что дальность действия ГАС в режиме эхопеленгования прямо пропорциональна коэффициенту концентрации излучателя γ [13], при этом коэффициент концентрации направленной антенны всегда больше коэффициента концентрации ненаправленной антенны [14]. Поэтому дальность действия гидролокатора при первичном обнаружении объекта в ненаправленном режиме на частоте ƒ меньше, чем его дальность действия на втором этапе поиска - при работе на той же частоте в направленном режиме, что также ограничивает дальность обнаружения объекта и может быть причиной его пропуска.
Задачей изобретения является повышение эффективности обнаружения ВМО.
Технический результат заключается в увеличении дальности и надежности обнаружения ВМО предлагаемым способом гидролокации.
Для достижения указанного технического результата в известный способ гидролокационного обнаружения объекта, содержащий излучение в воду дискретной приемо-излучающей антенной в ненаправленном режиме импульсного зондирующего сигнала, прием дискретной приемо-излучающей антенной со статическим веером ХН отраженного от цели эхосигнала и предварительное определение вероятных координат объекта, излучение дискретной приемо-излучающей антенной импульсного зондирующего сигнала на частоте ƒ в направленном режиме в направлении объекта и прием дискретной приемо-излучающей антенной эхосигнала от него с использованием доплеровской фильтрации с уточнением координат объекта, введены новые операции, а именно:
- прием в ненаправленном режиме производят без доплеровской фильтрации;
- при приеме протяженного эхосигнала, длительность импульсов которого превышает длительность импульсов зондирующего сигнала, принимают решение, что источником эхосигнала является кильватерный след [15];
- направленное излучение направляют в головную часть кильватерного следа, имеющую наибольшую интенсивность эхосигнала;
- уточненные координаты объекта определяют как координаты головной части КС.
Наилучший результат достигается в случае, если:
- в ненаправленном режиме излучают сложный широкополосный сигнал, а прием осуществляют путем согласованной фильтрации;
1
1
- излучение и прием в ненаправленном режиме производят на частоте ƒ, удовлетворяющей условию ƒ≤0,65ƒ.
Технический результат достигается за счет использования при первичном обнаружении цели в ненаправленном режиме составляющей эхо-сигнала от кильватерного следа объекта поиска.
Известно, что реальные подвижные объекты, обнаруживаемые при помощи гидроакустических средств, содержат составляющие эхосигнала как от тела объекта, так и от его кильватерного следа.
Движущийся в водной среде объект сопровождается кильватерной струей - кильватерным следом (КС) - полосой насыщенной пузырьками воздуха вспененной воды, образованной движителем - например, винтами, - объекта [16, 17]. На умеренном расстоянии за кормой объекта - как правило, меньшем, чем длина объекта - образующиеся потоки жидкостей перемешиваются, возникает турбулентное движение, в котором скорости движения во всех направлениях примерно одинаковы [16], вследствие чего можно полагать, что эхосигнал от струи, в отличие эхосигнала от подвижного объекта, имеет нулевой доплеровский сдвиг, что и позволяет при его приеме не применять доплеровскую фильтрацию.
При маневрировании за судном кильватерная струя представляет собой протяженную цель с характерными признаками поверхностной реверберации и, соответственно, большую длительность эхосигнала от нее, чем длительность зондирующего импульса [18], тогда как корпус ВМО представляет собой сосредоточенную цель с длительностью эхосигнала от нее равной длительности зондирующего импульса.
В связи с тем, что происходит неизбежное всплытие и разрушение со временем воздушных пузырьков, время существования кильватерной струи может составлять до 45 минут [19], при этом неизбежно происходит спад интенсивности кильватерной струи от более «молодой» части струи к более «старой», поэтому на индикаторе ГАС можно наблюдать картину протяженной отметки с равномерным спадом интенсивности и значительно превосходящей по протяженности саму отметку от корпуса ВМО. Кильватерная струя на индикаторе может выглядеть как достаточно протяженный объект. С приходом нескольких эхо-сигналов определяется направление движения объекта и, соответственно, головная («молодая») часть кильватерной струи, находящаяся ближе всего к самому объекту и двигающаяся со скоростью объекта. Определение вероятного местонахождения (координат) объекта производится путем определения координат головной части кильватерной струи, а именно ее ближайшей к направлению движения объекта оконечности. Отметим, что четких зависимостей СЦ КС от частоты в диапазоне 15-60 кГц экспериментально не наблюдалось [18].
Известно, что сила цели (СЦ) подвижного объекта, как правило, меньше, чем СЦ от его кильватерного следа. Так, даже для такой крупногабаритной цели, как транспорт, при траверзном ракурсе на частоте ƒ=24 кГц СЦ корпуса транспорта = 5 дБ [16], а СЦ его кильватерного следа = 17 дБ [20].
ВМО при опасном маневрировании на встречных курсах можно представить телом с полусферической носовой частью радиуса а на носовых курсовых углах. Аппроксимируя носовую оконечность катера (при длине 12 м) сферой диаметром 2а=1,5 м имеем по формуле [21]:
СЦ корпуса катера равна - 2,5 дБ, тогда как СЦ его КС на частоте 24 кГц составляет около 3 дБ при скорости 6 узл [20].
При возрастании скорости объекта поиска СЦ его КС будет иметь существенно большие значения, при этом СЦ корпуса не меняется - см. (4).
Например, при увеличении скорости хода даже тихоходного надводного объекта - подводной лодки на поверхности моря - с 6 до 9,5 узл. уровень СЦ ее КС увеличивается на 13 дБ [18].
Выигрыш в обнаружении ВМО за счет предварительного обнаружения эхо-сигнала от его КС объясняется следующим образом.
Известно так называемое уравнение активной гидролокации для моностатического гидролокатора [22]
где УИ, дБ - уровень излучения; ПР, дБ - потери при распространении; УП, дБ - уровень собственных помех; ПН, дБ - показатель направленности в режиме приема; ПО, дБ - порог обнаружения (пороговое соотношение сигнал/помеха).
Из уравнения активной гидролокации (5) следует, что при данных ПР, УП, ПН, ПО обнаружения цели при увеличении силы цели может быть произведено либо при меньшем значении уровня излучения, либо на больших расстояниях за счет компенсации увеличения ПР.
Дополнительный выигрыш может быть получен за счет использования сложного широкополосного зондирующего сигнала при лоцировании КС объекта. Известно, что при отсутствии доплеровского частотного сдвига эхо-сигнала эффективность обнаружения тем выше, чем выше сложность (база) сигнала [23].
При этом, для временной обработки информации используется, так называемый оптимальный фильтр - фильтр, согласованный с комплексной огибающей эхо-сигнала [24].
Поэтому, наилучший результат наблюдается при излучении в ненаправленном режиме сложного зондирующего сигнала (шумоподобного или частотно-модулированного сигнала), длительностью и способом обработки которого будет определяться точность оценки координат цели по эхосигналу от головной части кильватерного следа.
Выигрыш за счет оптимальной фильтрации сложного сигнала достигается снижением порога обнаружения в уравнении (5), а именно величина ПО может уменьшаться до 7 дБ [25].
1
Дальнейшим повышением эффективности способа может быть снижение частоты при ненаправленном излучении для лоцирования КС до частоты ƒ. Потери на распространение в уравнении гидролокации (5) составляют [26]:
где r - расстояние, км, α - рассчитывается по формуле Торпа (2).
Несложно заметить, что снижение частоты, и, соответственно уменьшение коэффициента затухания α, уменьшает потери на распространение ПР и позволяет обнаружить цель - КС объекта - на большем расстоянии r.
Так, например, при частоте в направленном режиме гидролокации 30 кГц и работе в ненаправленном режиме по КС на частоте 15 кГц (данных на более низких частотах в литературе недостаточно), для 15 кГц на дистанции 3 км величина 2ПР=33 дБ, а для 30 кГц ПР=68 Дб. Очевиден выигрыш в обнаружении КС за счет снижения частоты.
Известно, что формула Торпа (2) в широком диапазоне частот, обычно и используемом в гидроакустике, допускает следующую аппроксимацию [27]:
1
из которой следует, что для того, чтобы коэффициент затухания на частоте ƒ был, как минимум, в два раза ниже, чем на частоте ƒ, частоты должны удовлетворять соотношению
1
1
Отметим, что приведенное выше соотношение позволяет при практической реализации способа использовать как одну широкополосную приемо-излучающую антенну с эталонами частот ƒ и ƒ, так и две приемо-излучающие антенны с рабочими частотами ƒ и ƒ соответственно.
1
Сущность предлагаемого способа поясняется Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4, где на Фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ, на Фиг. 2 - в общем виде взаимное расположение носителя устройства, реализующего способ, объекта поиска - высокоскоростного малоразмерного объекта (цели) 22, кильватерного следа 23, головной части кильватерного следа 24, а также направление излучения сигналов и приема эхосигналов устройством; на Фиг. 3 - зоны обнаружения в различных режимах, где 25 - зона обнаружения в ненаправленном режиме на частоте ƒ, 26 - зона обнаружения в ненаправленном режиме на частоте ƒ, 27 - зона обнаружения в направленном режиме на частоте ƒ на Фиг. 4 - распределение интенсивности эхосигнала от различных участков КС, при этом по оси абсцисс отложено расстояние от кормы ВМО L.
Устройство (гидролокатор) 1, реализующее способ (Фиг. 1), содержит низкочастотный канал 2 и доплеровский канал 3, каждый из которых содержит свою дискретную приемо-излучающую антенну ПИУ 4 и 5 соответственно, и комплект бортовой аппаратуры.
В комплект бортовой аппаратуры НЧ канала 2 входят коммутатор приема-передачи (КП) 6, усилитель мощности (УМ) 7, первый формирователь ХН (УФХН) 8, генератор зондирующего импульса (ГИ) 9; входные усилители (УВ) 10; второй формирователь ХН (УФХН) 11; пульт управления и индикации (ПУИ) 12.
В комплект бортовой аппаратуры допплеровского канала 3 гидролокатора 1 входят коммутатор приемо-передачи (КП) 13, усилитель мощности (УМ) 14; генератор зондирующего импульса (ГИ) 15; доплеровская гребенка фильтров (ДФ) 16; усилители входного сигнала (УВС) 17; формирователь ХН (УФХН) 18; пульт управления и индикации (ПУИ) 19.
Кроме того в состав НЧ канала 2 входит также модуль выдачи координат вероятного местонахождения цели (МВК) 20.
Все блоки и м:одули (включая приемо-излучающие антенны) являются типовыми, хорошо известны и широко применяются в современной гидроакустической технике.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
1
1
Надводный корабль (НК) 21, вооруженный устройством (гидролокатором), реализующим способ, (Фиг. 1), прибыв в район поиска, начинает поиск (обнаружение) объекта 22, излучая НЧ каналом в ненаправленном режиме импульсный зондирующий сигнал частоты ƒ с целью обнаружения кильватерного следа 23 объекта 22 (Фиг. 2), при этом (Фиг. 3) зона обнаружения 25 в ненаправленном режиме на частоте ƒ из-за меньших потерь при распространении (ПР) больше, чем зона обнаружения 26 в ненаправленном режиме на частоте ƒ, а в ряде случаев - и чем зона обнаружения 27 в направленном режиме на частоте ƒ.
После приема эхосигнала от кильватерного следа 23 объекта 22 (фиг. 2) производят определение вероятного местонахождения (координат) цели при помощи определения направления на максимальное значение интенсивности эхосигнала от КС (Фиг. 4), которые при помощи модуля выдачи координат вероятного местонахождения цели 20 передаются на доплеровский канал гидролокатора 3 (Фиг. 1). Последний излучает в направленном режиме в направлении головной части 24 кильватерного следа 23 объекта 22 поиска (цели) импульсный зондирующий сигнал частоты ƒ, а также принимает эхосигнал от нее, по которому и определяются уточненные координаты ВМО как координаты головной части КС (Фиг. 2).
Таким образом, применение при излучении в ненаправленном режиме НЧ сигнала увеличивает дальность обнаружения ВМО, а выбор в качестве объекта обнаружения кильватерного следа ВМО за счет увеличения силы цели повышает надежность обнаружения ВМО.
Источники информации
1. Расследование аварий и инцидентов на море [Электронный ресурс] // STUDOPEDIA.RU. URL: http://studopedia.ru/8_59310_rassledovaniy-avariy-i-intsidentov-na-more.html (Дата обращения: 16.10.2019).
2. Тактика пиратских действий пиратских группировок при нападении на торговое судно [Электронный ресурс] // IZOBATA.RU. 2019. URL: http://izobata.ru/taktika-piratskix-deistvij-piratskix-gruppirovok-pri-napadenii-na-torgovoe-sudno/ (Дата обращения: 16.10.2019).
3. Емельянов Л.А., Абчук В.А., Лапшин В.П., Суздаль В.Г. Теория поиска в военном деле. М., Воениздат, 1961, с. 76-120.
4. Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов. М., Сов. Радио, 1977, с. 183-210.
5. Хортон Дж. Уоррен. Основы гидролокации. Л., Судпромгиз, 1961, с. 405-417.
6. Применение цифровой обработки сигналов. Под редакцией Э. Оппенгейма, М., Мир, 1980, с. 428-436.
7. Хортон Дж. Уоррен. Основы гидролокации. Л., Судпромгиз, 1961, с. 450-455.
8. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л., ВМОЛУА, 1984, с. 332-333.
9. Сапрыкин В.А., Рокотов С.П. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов. Часть II., Петродворец, ВВМИРЭ им. А.С. Попова, 1991, с. 147.
10. Хортон Дж. Уоррен. Основы гидролокации. Л., Судпромгиз, 1961, с. 336.
11. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 35, 257-259.
12. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 130.
13. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л., Судостроение, 1981, с. 211.
14. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л., Судостроение, 1981, с. 30-33.
15. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1972, с. 338-340
16. Физические основы подводной акустики. М., Советское радио, 1955, с. 593-599, 635-636.
17. Физические основы подводной акустики. М., Советское радио, 1955, с. 585.
18. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 274-275.
19. Физические основы подводной акустики. М., Советское радио, 1955, с. 601-602.
20. Физические основы подводной акустики. М., Советское радио, 1955, с. 703.
21. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 306, 316, 330.
22. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 34-39
23. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л., ВМОЛУА, 1984, с. 359
24. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л., ВМОЛУА, 1984, с. 275.
25. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 408-409.
26. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 194-198
27. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. Л., «Судостроение», 1976, с. 118-120