ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С ГИБКОЙ ПРОТЯЖЕННОЙ БУКСИРУЕМОЙ АНТЕННОЙ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована при проектировании новых и модернизации имеющихся гидроакустических станций (ГАС) с гибкой протяженной буксируемой акустической антенной (ГПБА) для гидроакустических комплексов (ГАК) подводных лодок (ПЛ).
ГАС с ГПБА входит в состав всех типовых комплектаций современных ГАК ПЛ [1-7] и предназначена для обнаружения целей в режиме шумопеленгования (ШП). Тактико-технические характеристики ГАС с ГПБА, принципы ее построения, работы и состав станции приведены, например в [1, с.54-66, 191-197]. Следует отметить, что в некоторых комплексах задача обнаружения целей с помощью ГПБА решается не с помощью самостоятельной станции, а соответствующим режимом функционирования, с использованием общих приборов комплекса.
В качестве примера могут служить ГАС с ГПБА типа ТВ-16 (затем ТВ-23 и ТВ-29), входящие в состав ГАК ПЛ AN/BQQ-5, AN/BQQ-6 [1, с.312-317].
Другим примером может служить ГАС с ГПБА гидроакустического комплекса в составе АСБУ BSY-2, США, принятого на вооружение в 1995 г. [1, с.317].
Ряд подводных лодок Германии, Швеции и некоторых других стран комплектуются гидроакустическим комплексом CSU 90 разработки и производства фирмы STN Atlas Elektronik (Германия). ГАС с ГПБА в ГАК CSU 90 является наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к предлагаемой полезной модели и принята за прототип. Информация о ней представлена в материалах [1-3].
Акустическая антенна (ГПБА) рассматриваемой станции через кабель-буксир и токопереход спуско-подъемного устройства последовательно соединена с аппаратурой предварительной обработки сигналов (АПО). После предварительной обработки принятые шумовые сигналы цели поступают в блок основной обработки сигналов режима ШП, входящий в цифровой вычислительный комплекс (ЦВК). Это может быть ЦВК самостоятельной ГАС, входящей в состав ГАК. В современных и перспективных комплексах информация от всех станций обрабатывается в едином ЦВК. Поэтому блок основной обработки сигналов режима ШП может входить составной частью в общий ЦВК ГАК. В этом блоке осуществляется пространственная и частотно-временная обработка сигналов, реализуется автоматическое сопровождение целей, их классификация, и др. После обработки в ЦВК информация представляется на пульте управления и индикации в буквенно-цифровом или графическом виде.
Устройство-прототип (и аналоги) имеют следующие недостатки, обусловленные отсутствием в них режима гидролокации (ГЛ).
1) При обнаружении цели в режиме ШП с помощью ГАС с ГПБА измерение дистанции до цели с высокой точностью не обеспечено, эта задача решается только в режиме ГЛ.
2) Поиск цели в ГАС с ГПБА ГАК ПЛ обычно, по соображениям обеспечения скрытности, выполняется только в режиме ШП. Однако, учитывая малую величину шумности современных ПЛ, в ряде гидрологоакустических условий и тактических ситуаций целесообразно осуществлять поиск целей в режиме ГЛ (причем дальность
обнаружения станцией ПЛ-цели в режиме гидролокации существенно превосходит дальность обнаружения станцией ПЛ-цели в режиме ШП). При этом следует также учесть повышение потенциала станции благодаря большой величине коэффициента концентрации на низких частотах ГПБА, осуществляющей прием эхо-сигналов.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей ГАС с ГПБА с целью устранения в ней указанных выше недостатков.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение станцией следующих существенных дополнительных функций:
- определение в режиме ГЛ дистанции до цели, обнаруженной в режиме ШП;
- обеспечение поиска цели в режиме ГЛ.
Для обеспечения указанного технического результата в гидроакустическую станцию с ГПБА для ГАК ПЛ, содержащую ГПБА, кабель-буксир, токопереход, АПО, блок основной обработки сигналов режима ШП, пульт управления и индикации, причем преобразователи ГПБА станции подсоединены через кабель-буксир и токопереход к входам АПО, выходы АПО подсоединены к входам блока основной обработки сигналов режима ШП, блок основной обработки сигналов режима ШП выполнен на базе средств цифровой техники и входит в цифровой вычислительный комплекс (ЦВК), причем выходы этого блока соединены с первым входом пульта управления и индикации,
введены новые отличительные признаки, а именно:
- введена корпусная излучающая антенна, расположенная в кормовой части ПЛ, многоканальное генераторное устройство (ГУ) и блок основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ;
- выход АПО дополнительно подключен к входу блока основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ;
- выходы многоканального ГУ подключены к преобразователям корпусной излучающей антенны;
- выходы блока основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ подключены к второму входу пульта управления и индикации;
- вход многоканального ГУ подсоединен к третьему выходу пульта управления и индикации.
Указанные технические результаты достигаются введением в станцию излучающей антенны, расположенной в кормовой части корпуса ПЛ, и многоканального генераторного устройства, что обеспечивает излучение зондирующих сигналов. Благодаря такому расположению излучающей антенны, зондирующие сигналы излучаются в пределах кормового сектора обзора. Прием эхо-сигналов, как и шумовых сигналов режима ШП, производится ГПБА, т.е. в пределах сектора, границы которого совпадают с границами сектора поиска в режиме ШП. Обработка эхо-сигналов производится введенным в ЦВК блоком основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ. Таким образом, в станции с ГПБА для ГАК ПЛ обеспечивается режим гидролокации.
В данной полезной модели предлагается излучающая антенна, расположенная на корпусе ПЛ. Следует отметить, что возможен и буксируемый вариант излучающей антенны.
Благодаря низким рабочим частотам введенного режима ГЛ и большой величине коэффициента концентрации на этих частотах современных ГПБА, в ряде районов Мирового океана режим ГЛ обеспечивает обнаружение ПЛ-целей на существенно больших дальностях, нежели режим ШП. Расчеты показывают, например, что в некоторых условиях для ГАС с ГПБА одного из ГАК ПЛ дальность обнаружения ПЛ-цели в режиме ГЛ в три раза превышает дальность обнаружения такой цели в режиме ШП.
Обеспечение ГАС с ГПБА в режиме ГЛ в ряде районов Мирового океана большей дальности обнаружения цели, нежели в режиме ШП, дает возможность станции решать новые тактические задачи.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, на которой представлена блок-схема предлагаемой ГАС с ГПБА ГАК ПЛ.
Станция содержит гибкую протяженную буксируемую антенну 1, кабель-буксир 2, токопереход 3, аппаратуру 4 предварительной обработки сигналов, блок 5 основной обработки сигналов режима ШП и блок 6 основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ, объединенные в ЦВК 7, пульт 8 управления и индикации, многоканальное генераторное устройство 9 и излучающую антенну 10. Преобразователи антенны 1 подсоединены через кабель-буксир 2 и токопереход 3 к входам АПО 4, выходы АПО 4 подсоединены к входу блока 5 основной обработки сигналов режима ШП и входу блока 6 основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ в ЦВК 7, выходы блока 5 основной обработки сигналов режима ШП и блока 6 основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ подсоединены соответственно к первому и второму входам пульта 8 управления и индикации, третий выход пульта 8 подсоединен к входу многоканального генераторного устройства 9, выход этого устройства подсоединен к преобразователям излучающей антенны 10.
Приемная антенна 1 предназначена для преобразования энергии механических (акустических) колебаний в электрическую энергию; излучающая антенна 10 - для преобразования электрической энергии в механическую. Антенны заявляемой полезной модели не обладают спецификой, методы расчета характеристик таких антенн и конструкции известны [4-7]. Вопросы формирования характеристик направленности также отражены в литературе [7, с.56-79].
Излучающая акустическая антенна 10 может быть реализована, в частности, на базе низкочастотных электромагнитных преобразователей, разработанных и испытанных в целях проведения томографии океана [13].
В многоканальном генераторном устройстве 9 формируется зондирующий сигнал необходимой мощности; сигналы управления параметрами сигнала формируются в пульте 8 управления и индикации. Блок-схемы генераторных устройств, их структура и методы формирования зондирующих сигналов изложены, в частности, в [8, с.91-95, 12].
Токопереход 3 предназначен для передачи сигналов от кабель-буксира ГПБА к входам АПО.
Аппаратура 4 предварительной обработки сигналов выполняется на аналоговых или аналого-цифровых средствах. Типовыми функциями этой аппаратуры являются: усиление, фильтрация, преобразование сигналов из аналогового вида в цифровой. Эти вопросы освещены в книге [8, с.99-106].
Блок 5 основной обработки сигналов в режиме ШП и блок 6 основной обработки эхо-сигналов в режиме ГЛ в ЦВК 7 с помощью цифровых методов осуществляют первичную обработку информации (пространственную и частотно-временную фильтрацию сигналов) и вторичную обработку (автоматическое сопровождение цели - АСЦ, классификацию целей, выработку данных целеуказания оружию). ЦВК 7 представляет собой совокупность универсальных процессоров и спецпроцессоров и имеет структуру типа управляющей ЭВМ [9].
Пульт 8 управления и индикации использует принятый в современных информационных системах, в т.ч. в гидроакустических комплексах, дисплейный метод управления и реализует свои функции во всех трактах ГАК [11]. Структура пульта 8 управления и индикации аналогична структуре персональной ЭВМ. Программными средствами формируется многооконное буквенно-цифровое и графическое отображение информации. К различными портам пульта подключаются типовые периферийные устройства: телефон, громкоговоритель, принтер, рекордер, устройство
записи на магнито-оптический диск, а также входы/выходы общекорабельных систем, с которыми ГАК обменивается информацией [8, с.108-112; 9; 10, с.418-421; 11].
На фигуре 1 не показаны некоторые типовые системы современных гидроакустических станций и комплексов: система контроля и измерения помех, датчики которой распределены по акустическим антеннам, а аппаратура совмещена с аппаратурой соответствующих трактов; автоматизированная система контроля и поиска неисправностей; система гидролого-акустических расчетов. Эти системы выполняются полностью на программно-ориентированых средствах ЦВК 7, алгоритмы их работы описаны, например, в [10, с.492-509].
Работа станции осуществляется следующим образом.
Рассмотрим вначале работу в режиме ШП.
Акустические сигналы помехи и шумов цели преобразуются преобразователями ГПБА 1 в электрические сигналы, после чего поступают через кабель-буксир 2 и токопереход 3 на входы АПО 4. В АПО 4 производится усиление сигналов, формирование рабочей частотной полосы тракта и преобразование сигналов в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АПО 4 поступают в ЦВК 7, на вход блока 5 основной обработки сигналов режима ШП. В этом блоке осуществляется первичная обработка информации - формирование статического веера характеристик направленности, в каждом пространственном канале реализуется формирование частотных поддиапазонов, выделение сигналов дискретных составляющих и сплошной части спектра, пороговый анализ и другие известные операции [1, с.53-65]. В этом блоке осуществляется также вторичная обработка информации - автоматическое сопровождение обнаруженных целей, их классификация, подготовка и выдача данных целеуказания, подготовка информации для отображения на экране пульта 8 управления и индикации. Наблюдая на его экране кадры отображения информации, прослушивая сигналы цели с помощью наушников, оператор принимает решение об обнаружении цели, выдаче данных целеуказания (ЦУ) во внешние системы и выдает их с помощью соответствующих органов управления. При определении дистанции до цели оператор включает режим ГЛ.
Работа в режиме ГЛ.
В многоканальном ГУ 9 производится формирование зондирующего сигнала и усиление его мощности. С выходов многоканального ГУ 9 зондирующий сигнал поступает на преобразователи излучающей антенны 10 станции. Преобразователи антенны 10 осуществляют преобразование электрической энергии зондирующих сигналов в акустическую, сигналы излучаются в водную среду. Акустические сигналы помехи и эхо-сигналы от цели преобразуются преобразователями ГПБА 1 в электрические сигналы, после чего через кабель-буксир 2 и токопереход 3 поступают на входы АПО 4. В АПО 4 производится усиление эхо-сигналов, формирование рабочей частотной полосы тракта и преобразование сигналов в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АПО поступают в ЦВК 7, на вход блока 6 основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ. В этом блоке осуществляется первичная обработка информации - формирование веера характеристик направленности, в каждом пространственном канале реализуется согласованная фильтрация эхо-сигналов в доплеровских каналах, выделение огибающей принятого сигнала, пороговый анализ и другие известные операции [1, 7, 8-10]. В режиме измерения дистанции формируется одна характеристика направленности, ось которой устанавливается в направлении на цель, выработанном в режиме ШП. В блоке 6 основной обработки эхо-сигналов режима ГЛ осуществляется также вторичная обработка информации - автоматическое сопровождение обнаруженных целей, их классификация, выдача данных целеуказания, подготовка информации для прослушивания и отображения на экране пульта 8 управления и индикации. Наблюдая на его экране кадры отображения информации, прослушивая сигналы цели с помощью наушников, оператор принимает решение о
выдаче данных целеуказания (ЦУ) во внешние системы и выдает их с помощью соответствующих органов управления пульта 8 управления и индикации.
Заявляемая полезная модель ГАС с ГПБА для ГАК ПЛ может быть использована для разрабатываемых и модернизируемых ГАК ПЛ.
Литература
1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб: Наука, 2004
2. STN Atlas Elektronik - Jane's Navy Internat., 1997, v.102, №5, Suppl., pp.1,2-5,11
3. Atlas Submarine Sonar System CSU 90. Проспект фирмы STN Atlas Elektronik GmbH, Bremen, Germany (прототип)
4. TSM 2233. Sonar System for Submarine. Проспект фирмы Thomson Marconi Sonar, France
5. Яценко И. Перспективы развития атомных многоцелевых подводных лодок - Заруб. военное обозрение, 2000, №5, 45-51
6. Кожевников В. Гидроакустические средства французских ПЛАРБ - Заруб. военное обозрение, 1998, №3, 48-50
7. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л., Судостроение, 1984
8. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. Л., Судостроение, 1982
9. Патент РФ №2207620. Цифровой вычислительный комплекс для обработки сигналов в гидроакустических системах. МПК G01S 15/00, G06F 15/16. Заявл. 11.03.2001, публ. 27.06.2003
10. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988
11. Полезная модель №24331. Пульт управления аппаратуры морской техники МПК G01S 7/524. Заявл. 24.12.2001, публ. 27.07.2002
12. Патент РФ №2195687. Гидроакустический передающий тракт. МПК G01S 7/524, 15/00. Заявл. 05.03.2001, публ. 27.06.2001
13. Пенкин С.И. Разработка низкочастотных излучателей и их применение в технических системах для акустической томографии океана. Сб. «Морские технологии». 2001. Вып.4, стр.149-166. Владивосток. Дальнаука.