Гидролокатор кругового обзора автономного необитаемого подводного аппарата
SONAR EQUIPMENT OF AUTONOMOUS UNINHABITED UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к гидроакустической технике, в частности к бортовой аппаратуре поисковых автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) легкого и среднего класса модульного исполнения.
Поисковые работы в водной среде характеризуются проведением сложных мероприятий и являются одной из актуальных задач. Применение АНПА для поиска подводных объектов является важным направлением, эффективность которого во многом зависит от технических возможностей гидролокационных средств, входящих в состав системы технического зрения аппарата.
Известны гидролокационные станции (гидролокаторы) бокового (ГБО) и переднего обзора (ГПО) АНПА, например, АНПА AUSS (Advanced Unmanned Search System) (Автономные подводные роботы: системы и технологии / М.Д. Агеев, Л.В. Киселев, Ю.В. Матвиенко и др.; под общ. ред. М.Д. Агеева; [отв. ред. Л.В. Киселев]; Ин-т проблем морских технологий. - М.: Наука, 2005 г., стр. 15-16). ГБО предназначен для предварительного обзора района поиска и целеуказания, ГПО - для допоиска и более детального обследования обнаруженных объектов.
Известны также другие поисковые гидролокационные средства, предназначенные для использования на АНПА (http://www.auvac.org). Все перечисленные устройства с учетом типовой схемы их размещения обеспечивают обнаружение объектов, расположенных главным образом в полупространстве под АНПА, и именно с этим связан их основной недостаток - наличие непросматриваемой зоны над аппаратом.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по своему назначению, технической сущности и достигаемым результатам является гидролокатор кругового обзора (ГКО) TVSS (Toroidal Volume Search Sonar) (патент США N 5,506,812, опубликованный 9.04.1996 г.). Гидролокатор-прототип содержит цилиндрический корпус с носовой оживальной частью, блок электроники, излучающую и приемную гидроакустические антенны. Вход излучающей антенны и выход приемной антенны соединены с соответствующими выходом и входом блока электроники. Излучающая антенна выполнена в виде цилиндрического пьезоэлектрического преобразователя, а приемная антенна - в виде цилиндрической антенной решетки, содержащей т пьезоэлектрических преобразователей, при этом антенны установлены соосно и вблизи друг друга на цилиндрической поверхности корпуса гидролокатора. Гидролокатор-прототип выполнен в виде буксируемого необитаемого подводного аппарата (НПА).
Гидролокатор-прототип производит всенаправленное (круговое) излучение акустического зондирующего сигнала в вертикальной плоскости (ВП). При этом в блоке электроники формируется электрический сигнал, который поступает на излучающую гидроакустическую антенну, где электрическая энергия преобразуется в акустическую и излучается в водную среду.
В режиме приема эхо-сигналы в смеси с помехой принимаются пьезоэлектрическими преобразователями приемной гидроакустической антенны и преобразуются в электрические сигналы, поступающие в блок электроники. В нем принятые сигналы подвергаются предварительной обработке и далее передаются на носитель буксируемого НПА, где отображаются в виде кадра информации по т направлениям наблюдения в секторе 360°.
Обнаружение объектов производится оператором визуально или автоматически на основе дешифрования кадров информации, получаемых в каждом цикле «излучение-прием». При этом обзор пространства в ВП происходит за счет распространения в водной среде акустических зондирующих сигналов, а в направлении движения - за счет поступательного движения буксируемого НПА.
Недостатками гидролокатора-прототипа являются:
- возможные пропуски (необнаружения) донных и придонных объектов, расположенных в стороне от гидролокатора, из-за появления вблизи границы раздела сред в каждой из боковых характеристик направленности (ХН) в режиме приема непросматриваемого слоя;
- при этом большое количество пьезоэлектрических преобразователей в приемной антенне, и как следствие, сложность аппаратуры приемного тракта.
Задача изобретения состоит в обеспечении эффективного поиска объектов в водной среде.
Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности обнаружения донных и придонных объектов и упрощении аппаратуры приемного тракта.
Для достижения технического результата в ГКО, содержащий цилиндрический корпус с носовой оживальной частью, блок электроники, излучающую и приемную гидроакустические антенны, при этом вход излучающей антенны и выход приемной антенны соединены с соответствующими выходом и входом блока электроники, введены новые признаки, а именно:
- ГКО выполнен в виде отсечного модуля полезной нагрузки АНПА легкого или среднего класса модульного исполнения;
- блок электроники, излучающая и приемная гидроакустические антенны выполнены в виде конструктивно и функционально законченной антенной системы, установленной по оси ГКО в его носовой оживальной части, которая представляет собой съемный заполненный водой звукопрозрачный обтекатель;
- введен шаговый привод, выполненный с возможностью поворота антенной системы в секторе 360° вокруг оси ГКО, причем шаговый привод механически присоединен к антенной системе, а его электрический вход подключен к соответствующему выходу блока электроники;
- излучающая антенна выполнена в виде цилиндрического пьезоэлектрического преобразователя с одним активным сегментом, а приемная антенна - в виде линейной антенной решетки, при этом излучающая и приемная антенны установлены с углом наклона 20° к оси антенной системы.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6.
На фиг. 1 изображены заявляемый гидролокатор и АНПА, где 1 - заявляемый гидролокатор, 2 - АНПА, 3 - корпус гидролокатора, 4 - обтекатель, 5 - антенная система.
На фиг. 2 изображен заявляемый гидролокатор в разрезе, где 6 - шаговый привод, 7 - вращающийся коллектор, 8 - вал, 9 - подшипник скольжения опоры, 10 - сальник, 11 - муфта, 12 - соединительный узел, 13 - электрический вывод.
На фиг. 3 изображена антенная система, где 14 и 15 - излучающая и приемная гидроакустические антенны, 16 - корпус антенной системы.
На фиг. 4 изображена структурная схема заявляемого гидролокатора, где 17 - блок электроники, 18 - аппаратура управления и цифровой обработки сигналов (АУЦОС), 19 - генераторное устройство (ГУ), 20 - аппаратура предварительной обработки сигналов (АПОС), 21 - вторичный источник электропитания (ВИП).
На фиг. 5 изображен обзор пространства заявляемым гидролокатором при поиске подводных объектов, где 22 - озвученный объем водной среды, 23 и 24 - донный и придонный объекты, 25 - объект, находящийся в толще воды.
На фиг. 6 изображен кадр информации, где 26 и 27 - гидролокационные отметки (ГЛО) донного и придонного объектов, 28 - ГЛО объекта, находящегося в толще воды, 29 и 30 - акустические тени донного и придонного объектов.
Заявляемый гидролокатор 1 (фиг. 1 и 2) конструктивно состоит из корпуса 3 цилиндрической формы, выполненного силовым, и съемного обтекателя 4, заполняемого забортной водой. В обтекателе 4 размещается антенная система 5, а в корпусе 3 крепится шаговый привод 6 и размещается вращающийся коллектор 7. Антенная система 5 и вращающийся коллектор 7 установлены на валу 8, причем последний установлен в подшипнике 9 скольжения опоры, впрессованном в переднюю торцевую крышку корпуса 3. Во избежание попадания забортной воды в корпус 3, уплотнение вала 8 осуществляется сальником 10. Выходной вал шагового привода 6 посредством муфты 11 присоединен к валу 8. На задней части корпуса 3 имеется соединительный узел 12 и установлен электрический вывод 13 для обеспечения герметичной стыковки и электрического соединения заявляемого устройства 1 с другим отсечным модулем АНПА 2.
Антенная система 5 (фиг. 3) выполнена в виде конструктивно и функционально законченного устройства и содержит излучающую 14 и приемную 15 гидроакустические антенны, корпус 16 и блок 17 электроники (на фиг. 3 не показан). Конструктивно блок 17 электроники состоит из несущей рамы и электронных модулей, размещенных в корпусе 16. Функционально блок 17 электроники (фиг. 4) состоит из АУЦОС 18, ГУ 19, АПОС 20 и ВИП 21. Один из выходов АУЦОС 18 подключен к входу ГУ 19, выход которого соединен с входом излучающей гидроакустической антенны 14, а другой выход - через вращающийся коллектор 7 к входу шагового привода 6. Один из входов АУЦОС 18 подключен к выходу АПОС 20, вход которого соединен с выходом приемной гидроакустической антенны 15. Электропитание и управление заявляемым гидролокатором 1 осуществляется от системы энергообеспечения (СЭ) и системы управления (СУ) (на фиг. 4 не показаны) АНПА 2, соединенных через вращающийся коллектор 7 с соответствующими входами ВИП 21 и АУЦОС 18.
АНПА 2 представляет собой поисковый аппарат легкого или среднего класса модульного исполнения. Конкретными примерами подходящих аппаратов являются, но не ограничиваются ими, АНПА Gavia компании Teledyne Gavia, Remus 600 компании Hydroid Kongsberg и многие другие.
Корпус 3 обеспечивает защиту расположенной внутри него аппаратуры от внешних воздействующих факторов. В качестве материала для изготовления корпуса 3 применяется алюминиевый сплав. Обтекатель 4 предназначен для защиты антенной системы 5 от набегающего потока воды и снижения гидродинамических помех, а также от случайных ударов о грунт и корпус носителя АНПА 2. Обтекатель 4 является съемным, имеет криволинейную форму, выполнен из звукопрозрачного в рабочей полосе частот материала, например, стеклопластика и не вызывает искажения ХН излучающей 14 и приемной 15 гидроакустических антенн. Габариты корпуса 3 и обтекателя 4 обеспечивают необходимый объем для размещения аппаратуры заявляемого гидролокатора 1.
АУЦОС 18 предназначена для информационного обмена с СУ АНПА 2, формирования временной диаграммы работы заявляемого гидролокатора 1 и контроля его технического состояния, генерации сигналов и команд, задающих работу ГУ 19, АПОС 20 и шагового привода 6, и формирования веера статических ХН. ГУ 19 предназначено для формирования электрических сигналов с требуемыми значениями напряжения, частоты и скважности, необходимых для возбуждения излучающей гидроакустической антенны 14. АПОС 20 обеспечивает усиление, полосовую фильтрацию, сжатие динамического диапазона и преобразование электрических сигналов, поступающих от приемной гидроакустической антенны 15, в цифровой вид и далее их квадратурную демодуляцию с цифровым смешиванием. ВИП 21 обеспечивает преобразование напряжения электропитания, поступающего от СЭ АНПА 2, в напряжения необходимые для электропитания аппаратуры заявляемого гидролокатора 1.
Принципы построения составных частей блока 17 электроники, а также методы обработки, реализуемые в них известны и описаны (Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - П.: Судостроение, 1986. 272 с), (Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 144 с.).
Излучающая гидроакустическая антенна 14 предназначена для преобразования электрических сигналов, поступающих на нее от ГУ 19, в акустические зондирующие сигналы. Приемная гидроакустическая антенна 15 предназначена для преобразования принимаемых акустических сигналов в электрические, которые подаются в АПОС 20.
Излучающая гидроакустическая антенна 14 выполнена в виде цилиндрического пьезоэлектрического преобразователя с одним активным сегментом. Он может быть собран из трапецеидальных пьезоэлектрических преобразователей, электрически объединенных в один канал, или представляет собой цилиндр, собранный из кольцевых пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых механически разделен минусовым электродом на активный и пассивный сегменты. Ширина ХН антенны 14 составляет в плоскости наименьшего размера 20°, в плоскости наибольшего размера 30-50°.
Приемная гидроакустическая антенна 15 представляет собой линейную антенную решетку. Ширина, перекрывающихся в секторе 30-50°, статических ХН веера антенны 15 составляет в плоскости наименьшего размера 20°, в плоскости наибольшего размера 1-2° (в зависимости от центральной рабочей частоты гидролокатора и длины активной поверхности антенны).
Излучающая 14 и приемная 15 гидроакустические антенны установлены на корпусе 16 с углом наклона 20° к оси антенной системы 5.
Шаговый привод 6 обеспечивает поворот антенной системы 5 в секторе 360° вокруг оси заявляемого гидролокатора 1 с заданным угловым шагом. В качестве шагового привода используется модель D4247 компании Электропривод.
Вращающийся коллектор 7 обеспечивает электрическое соединение антенной системы 5 с СЭ и СУ АНПА 2 и шаговым приводом 6, вращающихся относительно друг друга. В качестве вращающегося коллектора используется модель с полой осью МТ01224 компании MOFLON.
Поясним достижимость технического результата.
Установка излучающей и приемной гидроакустических антенн под углом 20° к оси антенной системы позволяет получить «тенеграфическое» изображение объекта, выступающего над дном, и окружающей объект донной обстановки, а также зоны акустической тени, образующейся за объектом. Зона акустической тени является информативным классификационным признаком, который позволяет обнаруживать множество донных и придонных объектов, а также выделить из этого множества искомый объект или объект заданного класса, что и определяет эффективность заявляемого гидролокатора. Кроме того, установка антенн под заданным углом обеспечивает требуемую геометрию упрежденного обзора и оптимальные с точки зрения улучшения соотношения сигнал/помеха коэффициенты обратного донного рассеяния.
Использование приемной линейной антенной решетки с механическим поворотом позволяет обеспечить круговой обзор в ВП и при этом значительно сократить количество пьезоэлектрических преобразователей в антенне по сравнению с цилиндрической антенной решеткой. Количество пьезоэлектрических преобразователей в антенной решетке может быть вычислено по формулам
- для цилиндрической антенной решетки
- для линейной антенной решетки
где R - радиус активной поверхности цилиндрической антенны, м; L - длина активной поверхности линейной антенны, м; Δ - шаг между пьезоэлектрическими преобразователями, м.
Ц
Л
Например, при R=0,16 м, L=0,32 м, Δ=0,7λ=0,00525 м, где λ - длина волны в среде на рабочей частоте гидролокатора, м, для цилиндрической и линейной антенных решеток получаем, согласно (1) и (2), N=192 и N=61. Видно, что использование линейной антенной решетки позволяет уменьшить общее число пьезоэлектрических преобразователей в антенне примерно в три раза.
Заявляемый гидролокатор работает следующим образом (фиг. 5).
После подачи электропитания от СЭ АНПА 2 и при поступлении команд управления от СУ АНПА 2 запускается цикл «излучение-прием». По сигналу от АУЦОС 18 ГУ 19 формирует электрический сигнал и подает его на излучающую гидроакустическую антенну 14, где он преобразуется в акустический зондирующий сигнал, излучаемый под углом 20° к оси антенной системы 5. При наличии в озвученном объеме 22 водной среды донного 23 или придонного 24 объектов, или объекта 25, находящегося в толще воды, эхо-сигналы от них в смеси с помехой принимаются приемной гидроакустической антенной 15, и преобразуются в электрические сигналы, поступающие в АПОС 20. В ней принятые сигналы усиливаются, фильтруются, сжимаются, оцифровываются, подвергаются квадратурной демодуляции с цифровым смешиванием и подаются в АУЦОС 18, где осуществляется формирование веера статических ХН с последующей его передачей в СУ АНПА 2 для записи на накопитель. Далее по команде от АУЦОС 18 шаговый привод 6 поворачивает антенную систему 5 вокруг оси заявляемого гидролокатора 1 и начинается новый цикл «излучение-прием».
В результате последовательного поворота антенной системы 5 в СУ АНПА 2 накапливается кадр информации (фиг. 6) по m направлениям наблюдения в секторе 360°. Далее в СУ АНПА 2 по сформированному кадру информации осуществляется выделение ГПО 26, 27 и 28, соответствующих донному 23 и придонному 24 объектам и объекту 25, находящемуся в толще воды. О наличии или отсутствии объектов 23 и 24 можно судить по акустической тени 29 донного и 30 придонного объектов, ее форме и размерах, объекта 25 - по превышению амплитуды эхо-сигнала порогового уровня.
При этом обзор пространства в ВП в секторе 360° происходит за счет последовательного облучения водной среды, а в направлении движения - за счет поступательного движения АНПА 2.
Таким образом, заявляемый гидролокатор обеспечивает поиск объектов в водной среде. Использование приемной линейной антенной решетки позволяет уменьшить количество пьезоэлектрических преобразователей в антенне, и как следствие, упростить аппаратуру приемного тракта, а введение в устройство шагового привода обеспечивает круговой обзор в ВП. Возможность получения «тенеграфического» изображения позволяет повысить эффективность обнаружения донных и придонных объектов, и это позволяет считать, что технический результат достигнут.