АВТОНОМНАЯ СТАНЦИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Полезная модель относится к гидроакустической технике, а более конкретно, к гидроакустическим системам.
Наблюдение за акустическими событиями в океанической среде может осуществляться с помощью автономных позиционных или дрейфующих станций гидроакустического наблюдения. Автономные станции гидроакустического наблюдения выполняют свои функции без участия операторов, а современное состояние техники позволяет осуществлять съем накопленной ими информации через длительные интервалы времени. Проблема состоит в выборе способа накопления первичной информации в универсальной форме позволяющей ее многоцелевое дальнейщее применение.
Известны океанографические буйковые станции якорного, поверхностного и дрейфующего типов (Г.О.Берто. Океанографические буи. Перевод с английского - Л.: Судостроение, 1979. - с. 113-182.), их конструкции очень разнообразны. Общим является то, что все они имеют поплавки, вынесенные приемные датчики и контейнер с электронной аппаратурой, связанные между собой кабелем.
Океанографические буйковые станции не предназначены для рещения гидроакустических задач приема и обработки гидроакустических сигналов, когда требуется обнаружение слабых сигналов, определение координат их источников и классификация источников сигналов.
Известны донные гидроакустические маяки (А.В. Богородский и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-с.241), содержащие якорь, приемноизлучающую гидроакустическую антенну и связанную через кабель электронную аппаратуру, размещаемую в контейнере.
Донные маяки предназначены для рещения частных задач приема и переизлучения гидроакустических сигналов в узком диапазоне частот для определения гидроакустических координат объекта в навигационных целях.
Наиболее близкой по техническому построению является «Автономная донная сейсмогидроакустическая станция, АДСС ( Выставочный проспект изделия ВПИИ геологии и минеральных ресурсов мирового океана, 190121, Санкт-Петербург,
Английский пр., 1, ВНИИ Океанологии, АО «Геоакустика, 103498, Москва, Зеленоград, Центральный пр., корп.401, ЦСДБ, АО «Геоакустика).
АДСС содержит сейсмогидроакустический донный антенный модуль из функционально связанных автономных регистраторов, выполненных из пьезоэлектрических приемников (гидрофоны и сейсмопреобразователи) со встроенными в них предварительными усилителями и электрически соединенными с ними, находящимися в герметичном контейнере, аналоговыми магнитографами на магнитной ленте, с блоком питания, а сейсмогидроакустический донный антенный модуль снабжен устройствами для постановки и снятия, также имеет сигнальные устройства для поиска всплывшего сейсмогидроакустического донного антенного модуля, АДСС также содержит бортовой вычислительный модуль для обработки на борту судна информации записанной на магнитную ленту. АДСС имеют время непрерывной регистрации до 10 суток, количество приемных каналов 6, частотный диапазон от 1 до 30 Гц, максимальная глубина моря в районе установки - 6000 м.
Основным недостатком устройства - прототипа является то, что накопление информации после предварительной обработки производится в форме исключающей возможность последующего оперативного формирования требуемых характеристик направленности.
Задачей полезной модели является обеспечение приема гидроакустической информации в широком диапазоне частот с архивацией информации после предварительной обработки непосредственно в гидроакустических регистраторах и с последующей отложенной обработкой этой информации с помощью вычислительного бортового модуля на борту судна или на берегу. Это позволит при обработке формировать характеристики направленности, оси которых наведены на источник сигнала, вести адаптивную обработку с подавлением мешающих сигналов и др.
Для решения поставленной задачи в автономную станцию гидроакустического наблюдения, состоящую из гидроакустического антенного модуля, вычислительного бортового модуля, устройства постановки и снятия гидроакустического антенного модуля, сигнальных устройств для поиска всплывщего гидроакустического антенного модуля, причем гидроакустический антенный модуль содержит N конструктивно объединенных гидроакустических регистраторов со встроенными в них предварительными усилителями и источником питания, а вычислительный бортовой модуль содержит устройство обработки информации, введены новые признаки, а
именно: гидроакустический антенный модуль содержит общую для всех гидроакустических регистраторов систему единого времени и систему определения ориентации, выходы которых соединены с дополнительными входами процессоров гидроакустических регистраторов, каждый гидроакустический регистратор выполнен в виде последовательно соединенных гидроакустического приемника давления, усилителя с фильтром, аналого-цифрового преобразователя, процессора и накопителя цифровой информации, причем гидроакустические регистраторы расположены в известных точках заданной поверхности, например участка сферы, и на расстояниях равных или меньших половины длины звуковой волны в водной среде на верхней границе рабочего диапазона частот, а вычислительный бортовой модуль содержит последовательно соединенные блок съема цифровой информации с накопителей гидроакустического антенного модуля, входы которого выполнены с возможностью соединения с N накопителями, и блок формирования характеристик направленности, также содержит параллельно соединенные обнаружитель сигнала, классификатор сигнала, определитель координат, выходы которых соединены со входами блока индикатора, а входы соединены с выходом блока формирования характеристик направленности, также содержит блок управления, синхровыходы которого соединены со всеми блоками вычислительного бортового модуля, также содержит блок питания, выходы которого соединены со всеми блоками вычислительного бортового модуля.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности гидроакустического наблюдения за счет обеспечения возможности пространственно-временной адаптации к гидроакустическим сигналам, обеспечение заданной вероятности правильного обнаружения, точности определения координат и вероятности правильной классификации путем отложенной бортовой (береговой) обработки, при которой имеются вычислительные ресурсы для оптимальной адаптивной обработки.
Поясним возможность достижения указанного результата.
Отложенная обработка потока первичных данных позволяет формировать не только одиночную диаграмму направленности, но и целый веер диаграмм, с целью выполнять пространственное обнаружение акустических событий по всему объему пространства. Только отложенная обработка создает возможность решения задач определения всех параметров сигналов в условиях снятия временных ограничений, а следовательно и ограничений касающихся вычислительных ресурсов.
3.яеб7// -30
Произведем оценку возможностей современных накопителей для демонстрации осуществимости системы. Пусть диапазон принимаемых частот составляет 5 - 7000 Гц. Здесь нижняя граница принимаемых частот определяется спектральным составом сигнала и требованием максимальной дальности наблюдениями за акустическими событиями. На низких частотах малы потери при распространении сигнала. В информационных технологиях нижняя граничная частота определяет минимальный размер блока данных - минимальную длительность эпохи анализа. Разрезание первичного потока данных на блоки длительностью менее периода нижней граничной частоты поведет к неустранимым потерям информации при ее дальнейшей обработке. В этих условиях:
Tmin  I/fn.(1)
Если н  5 Гц, тогда, Tmin  0.2 сек.
Верхняя граничная частота, при рациональном ее выборе, может способствовать повышению точности определения параметров сигналов, а значит и точности определения пространственных координат источника. Однако, энергетические потери при распространении на высоких частотах пропорциональны степени 3/2 от частоты. Весьма важно, что верхняя граничная частота непосредственно связана с частотой преобразования сигнала при представлении его в дискретной форме. В соответствии с теоремой отсчетов, частота преобразования должна, по крайней мере, вдвое превышать верхнюю граничную частоту диапазона. Этот фактор определяет минимально необходимое количество информации для регистрации потока первичных данных в единицу времени в битах. В соответствии с теоремой отсчетов во временной области, частота преобразований должна быть:
fnp( + 1. )(2)
Если в  7 000 Гц, тогда условию ( 2) будет удовлетворять с определенным
запасом частота fnp  16000Гц.
Типовые аналого-цифровые преобразователи представляют каждый отсчет четырьмя байтами. В этом случае, поток первичных данных при частоте отсчетов 16 кГц, в количественном выражении, составит  - 64 кбайт/сек. Отложенная обработка позволит накапливать массивы в сжатой, архивной форме. Кратность
4.((9
сжатия для типовых систем архивации составляет около 4. Значит, накопители должны будут фиксировать 64/4 16 кбайт/сек. Емкость современных коммерческих накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) составляет 40 Гбайт. Такой НЖМД позволит иметь кольцевой стек на 40 Гбайт/16кбайт  2 500 000 сек, что соответствует 694 часам, или более 28 суток. В то же время, прочтение даже самого большого диска для осуществления отложенной обработки потребует всего около 15 минут. Габариты НЖМД емкостью 40 Гбайт не превышают 100x180x35 мм.
Для осуществления возможности расшифровки накопленной информации, в частности построения диаграмм направленности, обнаружения и классификации событий, центральный процессор должен обеспечить синхронизацию начала эпох во временной области на каждом из периферийных приемных устройств. Это важно, в частности, при формировании диаграмм направленности. Для обеспечения устойчивости диаграмм направленности случайные ошибки начал эпох не должны превышать 0,01 периода высшей частоты диапазона.
At  0.01/ ъ( 3)
Для в  7000Гц, At  0.01/7000 1.43 МКС.
При использовании в гидроакустической автономной системе шины IEEE 1394, обмен сигналами производится на частотах около 10 Мбайт/сек. Это позволяет обеспечить необходимую точность синхронизации начала эпох анализа приемников с точностью не ниже 1/ (10 Мбайт/с) 0.1 мкс.
Съем информации, который производится каждые 10-20 суток, потребует определенных затрат времени и применения высокоскоростных информационных каналов. Считывание информации с жесткого магнитного диска с интерфейсом UDMA может производится со скоростью 50 Мбайт/с. За один час, таким образом, может быть считано 3600x50 180 Гбайт. Тогда накопитель емкостью 40 Гбайт будет прочитан за 60х(40/180) - 13,3 мин. Если для связи гидроакустического антенного модуля с вычислительным бортовым модулем в момент приема данных применять оптоволоконные кабели, то за такой же интервал времени может быть осуществлена перекачка информации накопленной на всех 20 - 60 гидроакустических регистраторах.
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1,2 и 3. На фиг.1 приведена блок-схема автономной станции гидроакустического наблюдения. На фиг.2 приведена
блок-схема гидроакустического регистратора. На фиг.З приведеиа блок-схема вычислительного бортового модуля обработки информации.
Автономная станция гидроакустического наблюдения (фиг.1) состоит из гидроакустического антенного модуля 1, содержащего функционально связанные гидроакустические регистраторы 2 образующие гидроакустическую антенну. Форма антенны определяется конкретной решаемой задачей. В данном примере, регистраторы могут быть размещены в точках поверхности сферического сегмента на расстояниях допускаемых конструкцией регистраторов, но равных или меньших половины длины звуковой волны в водной среде на верхней границе рабочего диапазона частот. Состоит также из вычислительного бортового модуля 3 обработки информации, устройства 4 для постановки и снятия гидроакустического антенного модуля, сигнального устройства 5 для поиска всплывшего гидроакустического антенного модуля. Гидроакустический регистратор (фиг.2) содержит последовательно соединенные: гидроакустический приемник давления 6, усилитель с фильтром 7, аналого-цифровой преобразователь 8, процессор 9, накопитель цифровой информации 10. Все гидроакустические регистраторы получают сигналы от системы единого времени 11. В каждый процессор поступают сигналы единой системы ориентации гидроакустического антенного модуля 12. Питание устройств гидроакустического антенного модуля обеспечивает источник 13.
Вычислительный бортовой модуль обработки информации (фиг.З), устанавливаемый на специальном судне, содержит последовательно соединенные блок съема цифровой информации с накопителей 14 и блок 15 формирования характеристик направленности, также содержит параллельно соединенные обнаружитель сигнала 16, классификатор сигнала 17, определитель 18 координат источника сигнала, входы которых соединены с блоком 15, а сигнальные выходы обнаружителя, классификатора и определителя координат соединены с индикатором 19. Блок управления 20, связан с блоком 14 съема информации, блоком 15 формирования характеристик направленности, обнаружителем сигнала 16, классификатором сигнала 17, определителем 18 координат и индикатором 19 через управляющие входы этих блоков. Все устройства обеспечиваются электропитанием от источника 21.
регистраторов 2 обычно выполняются цилиндрического типа силовой конструкции (А.В. Богородский и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984.- с.176-195). Гидроакустические антенны описаны в упомянутой книге на с. 198-205. Построение гидроакустичеких обнаружителей, классификаторов и определителей координат описано, например, в книге А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. -Л.: Судостроение, 1998.-552с.
Работа автономной станции гидроакустического наблюдения осуществляется следующим образом. Гидроакустический антенный модуль 1 вместе с устройством постановки и снятия 4 и сигнальным устройством для поиска всплывщего гидроакустического антенного модуля 5 опускается с помощью лебедки за борт судна на дно моря или на заданную глубину на якоре. После позиционирования гидроакустического антенного модуля 1, гидроакустические регистраторы 2 с помощью чувствительных элементов 6 принимают акустические сигналы и преобразуют их в электрическое напряжение, которое усиливается в усилителе 7 с полосовым фильтром, ограничивающим нижние и верхние рабочие частоты, преобразуется в числовую последовательность с помощью аналогово-цифрового преобразователя 8, в процессоре 9 производится дискретное преобразование Фурье. Каждая эпоха анализа снабжается сигналами от системы единого времени Ни признаками ориентации системы определения ориентации 12. С помощью процессора 9, блоки информации подвергаются информационному сжатию. В архивированной форме информация накапливается накопителем 10.
По заверщению работы автономной станции гидроакустического наблюдения, по команде управляющей системы устройства 4 для снятия гидроакустического антенного модуля 1, осуществляется отдача якоря с помощью размыкателя, например, состоящего из электромагнитного привода, обеспечивающего срабатывание пружинного бустерного механизма, который, в свою очередь, воздействует на щариковый замок, соединяющий обе части размыкателя.
Всплывщий гидроакустический антенный модуль находят, путем использования сигнального устройства 5 с радиолокационным поисковым ответчиком и проблесковым огнем, подключают к бортовому модулю обработки информации 3. Вычислительный бортовой модуль обработки информации 3 с помощью блока съема информации 14 осуществляет чтение цифровой информации с накопителей 10. Далее производится обработка информации, состоящая в формировании характеристик
7xfr///e0
направленности в блоке 15, в поиске и обнаружении сигналов в блоке 16, в классификации в блоке 17 и в определении координат в блоке 18. Данные о сигнале отображаются на индикаторе 19.
Результатом полезной модели является возможность накопления сведений в форме позволяющей, в режиме отложенной бортовой (береговой) обработки, проводить исчерпывающий анализ гидроакустических событий в доступной наблюдению пространственно-временной и частотной области.
8dCCiii6 9