МУЛЬТИСТАТИЧЕСКАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
MULTISTATIC ACOUSTIC SYSTEM AND SYSTEM OF SUBMERSIBLE CRAFT POSITION MONITORING

Настоящее изобретение относится к мультистатической гидроакустической системе, в которой связь между излучающей базой и приемными базами, отвечающими за обнаружение эхосигналов, осуществляют акустическим способом. Данная система, в частности, позволяет преодолеть недостатки, связанные с применением радиосвязи или спутниковой связи, которую обычно используют для синхронизации функций излучения и приема. Такая система, в частности, предназначена для применения в подводных аппаратах в режиме погружения.
Важной особенностью мультистатических гидроакустических систем является физическое расстояние между излучающей базой, которая является источником гидроакустического импульса, и приемными базами, отвечающими за обнаружение и локацию эхосигналов. Преимущество таких систем, в частности, состоит в их гибкой и модульной архитектуре, сложность которой устанавливают применительно к географическим и эксплуатационным условиям. Подобный мультистатический гидролокатор (гидроакустическая станция) может в зависимости от обстоятельств иметь переменное число приемных баз. С другой стороны, такая архитектура требует наличия средства связи между излучающей базой, которое синтезирует и излучает гидроакустические импульсы, и приемными базами, которые принимают эхосигналы. В частности, чтобы обеспечивать когерентное обнаружение, приемным базам должны быть известны параметры системы. Такие параметры включают, например, данные о типе излучаемого импульса, частоте излучения, интервале повторения или иные данные, касающиеся момента излучения. Через такое средство связи также проходит другая информация, такая как положение излучающей базы и приемных баз, которая позволяет осуществлять привязку измерений моментов поступления эхосигналов.
Широко распространенным средством установления связи между излучающей базой и приемными базами является радиосвязь, например, по линиям высокочастотной или спутниковой связи.
Как правило, осуществляют передачу информации двух типов:
- контекстную информацию, касающуюся природы излучаемого импульса (кодировки, длительности и т.д.), положения излучающей базы, общей конфигурации гидроакустической системы, или иную фактическую информацию,
- синхронизирующую информацию, которая позволяет точно установить момент излучения гидроакустического импульса и рассчитать расстояние между объектами, от которых отразился эхосигнал, и приемными базами.
Далее в описании такая информация именуется режимной информацией. Преимущество использования линии радиосвязи заключается в возможности осуществлять одновременную передачу большого количества информации при наличии достаточной полосы пропускания излучаемого сигнала. С другой стороны, при определенных обстоятельствах линию радиосвязи становится сложно или даже невозможно использовать. Это, в частности, относится к подводным лодкам в состоянии погружения. Радиосвязь не используют также в тех случаях, когда, например, это исключено условиями эксплуатации в целях снижения заметности объекта.
Задачей изобретения является преодоление данных недостатков за счет использования мультистатической гидроакустической системы, в которой обмен оперативной информацией между излучающей базой и приемными базами осуществляют при помощи акустического сигнала.
Одним из преимуществ предложенной в изобретении системы является то, что она действует независимо от глубины погружения излучающей базы и приемных баз и, следовательно, применима на подводных лодках в режиме погружения. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в возможности передачи оперативной информации в режиме реального времени. Такую информацию передают одновременно с гидроакустическими импульсами. Акустический сигнал, содержащий оперативную информацию, и гидроакустический импульс может быть передан одной излучающей базой, при этом оба сигнала разделены временным интервалом Δt, величина которого может меняться и указана в оперативной информации. Кроме того, такая информация может быть зашифрована.
Соответственно в настоящем изобретении предлагается мультистатическая акустическая система, содержащая по меньшей мере излучающую базу, имеющую средства излучения гидроакустических импульсов и средства передачи режимной информации приемной базе, а также приемную базу, имеющую средства для приема эхосигналов и средства обработки эхосигналов, служащие для обработки принимаемых эхосигналов таким образом, чтобы определить положения объектов. В излучающей базе средство передачи режимной информации включает модулятор, генерирующий модулированный акустический информационный импульс, который модулирует при помощи режимной информации, закодированной кодирующим устройством, излучающая база также включает суммирующее устройство для суммирования информационного импульса и гидроакустического импульса, создаваемого управляющим устройством, и включает гидроакустический излучатель и общую акустическую антенну, которые служат для излучения суммарного сигнала в среду распространения. Приемная база включает разделитель, предназначенный для разделения эхосигналов и информационных импульсов, поступающих с общей антенны, также имеет демодулятор и декодирующее устройство для восстановления режимной информации, необходимой для настройки приемника гидролокатора (акустической системы).
В частных вариантах выполнения системы гидроакустический импульс и информационный импульс разделены временным интервалом (Δt), который зависит от режима работы системы и известен приемным базам и длительность которого передается приемным базам вместе с режимной информацией.
Гидроакустический импульс и информационный импульс излучаются непосредственно друг за другом.
Модуляция информационного импульса модулирующим сигналом, содержащим режимную информацию, осуществляется посредством цифрового кодирования, а в одном из частных вариантов - посредством кодирования со скачкообразной перестройкой фазы или частоты.
Информационный импульс и гидроакустический импульс могут передаваться посредством одного излучателя, выполненного с возможностью последовательного излучения обоих указанных импульсов.
Момент излучения гидроакустического импульса определяется на основе момента приема информационного импульса приемными базами и режима работы. В одном из частных вариантов момент излучения гидроакустического импульса определяется на основе периода его излучения, содержащегося в режимной информации.
Система может содержать средство шифрования режимной информации.
В настоящем изобретении также предлагается система контроля положения автономных подводных аппаратов, включающая мультистатическую акустическую систему.
Другие особенности и преимущества изобретения будут понятны из описания изобретения, проиллюстрированного на фиг.1-3, на которых:
на фиг.1 проиллюстрирована мультистатическая гидроакустическая система, известная из уровня техники,
на фиг.2 - система согласно настоящему изобретению,
на фиг.3 - структура акустического сигнала, излучаемого системой согласно настоящему изобретению.
Фиг.1-3 служат в качестве иллюстрации, имеющей целью облегчить описание изобретения. Они не налагают ограничений на структуру или вариант осуществления системы, предложенной в настоящем изобретении.
На фиг.1 проиллюстрирована обычная мультистатическая гидроакустическая система, известная из уровня техники.
Она состоит из излучающей базы и одной или нескольких приемных баз. Для ясности на фиг.1 показана лишь одна приемная база.
Излучающая база 11 в основном состоит из двух блоков: блока излучения гидроакустического импульса и блока передачи оперативной (режимной) информации. Двумя названными блоками управляет гидроакустическое управляющее устройство 12.
Блок излучения гидроакустического импульса включает в себя гидроакустический излучатель 13 и акустическую (излучающую) антенну 14.
Блок передачи режимной информации включает в себя радиопередатчик 15 и антенну 16.
Симметричным образом каждая приемная база 17 состоит из блока приема эхосигналов 113, отражаемых объектами 114, которые находятся в зоне действия гидроакустического излучения 112. Такой блок, в свою очередь, включает акустическую (приемную) антенну 18 и пассивный гидроакустический приемник 19 (гидролокатора).
Приемная база 17 также содержит блок приема оперативной информации, который включает антенну 110 и радиоприемник 111.
Как показано на фиг.1, у такой структуры существуют очевидные недостатки. В частности, использование линии 115 электрической радиосвязи для связи между излучающей базой и приемными базами неизбежно предполагает, что по меньшей мере элементы 16 и 20 остаются на поверхности. Таким образом, такая система едва ли приемлема с базами 11 и 17, базирующимися на находящихся на глубине подводных аппаратах. Кроме того, даже в режиме эксплуатации сложно осуществлять остронаправленное радиоизлучение в такой мере, чтобы излучающая база была способна поддерживать связь с несколькими приемными базами. Таким образом, связь излучающей базы с приемными базами зависит от излучения, чувствительного к метеорологическим условиям, недостаточно скрытного и обнаружимого враждебными элементами. Таким образом, возникает серьезная угроза создания активных преднамеренных радиопомех или возникновения сбоев. Такое отсутствие скрытности, которое обнаруживает присутствие системы, может сделать ее неэффективной.
Кроме того, система, подобная проиллюстрированной на фиг.1, отличается сложностью структуры, в которой для передачи оперативной информации необходим выделенный канал связи (с радиопередатчиком 15 и антенной 16), независимый от излучения гидроакустического импульса.
На фиг.2 схематически представлена основная структура системы, предложенной в настоящем изобретении. Как и система, проиллюстрированная на фиг.1, она состоит из излучающей базы 21 и обычно нескольких приемных баз 22. Однако, в отличие от системы, проиллюстрированной на фиг.1, излучающая база 21 поддерживает связь с приемными базами 22 по линии акустической связи. Таким образом, режимную информацию и гидроакустический импульс передают по одному каналу.
Для этого в излучающей базе 21 предусмотрен модулятор 23, позволяющий генерировать модулированный акустический (информационный) импульс 210. Такой импульс модулируют при помощи режимной информации, закодированной кодирующим устройством 24. Кодирование информации заключается, например, в создании двоичного сообщения, содержащего число битов, необходимое для отображения информации. Модулятор 23 позволяет модулировать акустический импульс при помощи сигнала, состоящего из двоичного сообщения. Модуляцию осуществляют, например, методом скачкообразной перестройки частоты или фазы. Модулированный акустический импульс, содержащий режимную информацию, также называют информационным импульсом.
Излучающая база 21 также включает суммирующее устройство 25, позволяющее вычислять сумму информационного импульса и гидроакустического импульса 211, создаваемого управляющим устройством 12. Наконец, оно включает гидроакустический излучатель 13 и акустическую антенну 14, которые служат для излучения суммарного сигнала 212 в среду распространения.
Аналогичным образом структуру каждой приемной базы приспосабливают к условиям приема режимной информации и эхосигналов по одному каналу приема. Для этого в приемном устройстве предусмотрена общая акустическая антенна 18, которая преобразует принимаемые сигналы в электрические сигналы 214. Принимаемые сигналы, с одной стороны, содержат информационные сообщения, передаваемые излучающей базой посредством прямого излучения 215, а с другой стороны - эхосигналы 113, отраженные объектами 114, которые могут находиться в зоне действия гидроакустического излучения 112. Приемная база также включает разделительное устройство (разделитель) 26, позволяющее разделять эхосигналы и информационные импульсы. Оно также имеет демодулятор 27 и декодирующее устройство (декодер) 28 для восстановления режимной информации, необходимой для настройки пассивного гидролокатора 19 таким образом, чтобы оптимизировать прием эхосигналов. Наконец, оно включает средство 29 обработки, служащее для обработки принимаемых эхосигналов таким образом, чтобы определить положение объектов 114.
В одном из вариантов структуры, когда акустическая антенна состоит их нескольких гидрофонов, некоторые из гидрофонов специально выделены для приема информационных импульсов. В таком случае антенна приемной базы разделена на два блока. В развитие данной структуры, пути приема информационных импульсов и эхосигналов могут быть полностью разделены, в случае чего приемная база включает разделительное устройство 26.
Как показано на фиг.2, конструктивным преимуществом системы, предложенной в настоящем изобретении, является отсутствие линии электрической радиосвязи и, следовательно, применимость такой системы в условиях полного погружения. Данная система также позволяет передавать режимную информацию и эхосигнал по одному каналу и тем самым обеспечивать согласованность обоих сигналов по времени.
Система, предложенная в изобретении, может быть дополнена средством шифрования/дешифрования, связанным со средством 24 кодирования и средством 28 декодирования режимной информации. Такие средства служат для предотвращения непосредственного чтения режимной информации посторонними лицами.
На фиг.3 в форме диаграммы в общих чертах представлена структура сигнала, который используют в системе, предложенной в настоящем изобретении. Излучающая база 21 излучает показанный на фиг.3 сигнал, который адресован приемным базам. В частности, сигнал включает информационный импульс 31, который содержит режимную информацию, и имеет прямой путь 215 прохождения, показанный на фиг.2.
Излучаемый сигнал также включает собственно гидроакустический импульс 32. На фиг.3 показано, что оба импульса, образующие излучаемый сигнал, разделены временным интервалом Δt. Такой временной интервал позволяет, в частности, различным приемным базам, входящим в систему, принимать и декодировать информационный импульс до приема отраженного гидроакустического импульса. Приемные базы используют режимную информацию, которую содержит информационный импульс, для настройки приемников в зависимости от формы излучаемого импульса.
Длительность интервала Δt может меняться в зависимости от применения. Например, его предварительно задают для каждого режима работы, и он известен приемным базам. Его фиксируют во время работы системы и передают приемным базам в качестве режимной информации. Длительность интервала Δt ограничена, в частности, временем, необходимым приемным базам для самонастройки перед приемом отраженных гидроакустических импульсов и учета протяженности соответствующих путей акустических сигналов.
В конкретном варианте осуществления может быть даже предусмотрен нулевой интервал Δt. В таком случае оба импульса следуют непосредственно друг за другом.
Как показано на фиг.3, в системе, предложенной в настоящем изобретении, излучающая база излучает составной сигнал, образованный двумя импульсами с различной структурой.
Гидроакустический импульс представляет собой импульс обычной, общеизвестной формы. Например, это может быть импульс с фиксированной частотой или импульс с иной модуляцией определенного типа.
В свою очередь, информационный импульс модулируют определенным образом. Модулирующий сигнал отображает полный набор передаваемой режимной информации. Она состоит, например, из конкатенации данных, относящихся к режимной информации, которые преобразованы в двоичную форму. Такие конкатенированные данные образуют слово или кадр данных, состоящие из заданного числа битов в зависимости от характера передаваемой информации.
Информационный импульс модулируется таким сигналом при помощи цифрового модулирующего устройства, например, типа модема. Как указано ранее, в качестве модулирующего кода используют, например, кодирование методом скачкообразной перестройки частоты фазы или частоты, скачкообразной перестройки фазы и частоты или любым другим методом цифрового кодирования.
Длительность информационного импульса зависит от объема режимной информации, передаваемой приемным базам. На практике длительность информационного импульса составляет порядка нескольких секунд. Такая длительность, которая соответствует времени, необходимому для передачи от нескольких сот до нескольких тысяч битов информации, совместима с обычными полосами пропускания гидроакустических излучателей. Таким образом, в предложенной в изобретении системе преимущественно не требуется использовать определенное средство излучения. Так, например, излучатель с полосой пропускания 1 кГц способен передавать информационный импульс длительностью в 1 секунду с режимной информацией длиной около 1 килобит.
Далее со ссылкой на фиг.2 и фиг.3 описана работа системы, предложенной в настоящем изобретении. Излучающая база излучает сигнал, состоящий из двух импульсов: информационного импульса 31 и гидроакустического импульса 32. Излучающая база представляет собой, например, активную гидроакустическую станцию подводной лодки. Информационный импульс принимают непосредственно приемные базы. Каждая из приемных баз известным способом дополнительно оборудована средством, позволяющим определять ее положение относительно излучающей базы. Каждая приемная база осуществляет декодирование режимной информации. Такая информация включает, в частности, значение Δt временного интервала, который разделяет момент излучения информационного импульса и момент излучения гидроакустического импульса. При известном значении Δt приемные базы могут определять момент излучения информационного импульса и измерять задержку между излучаемым импульсом и моментом поступления эхосигнала. Таким образом, совокупность приемных баз действует как активный мультистатический гидролокатор.
На фиг.2 излучающая база показана состоящей из одного гидроакустического излучателя, при этом информационный импульс и гидроакустический импульс излучает один излучатель 13. Данное решение представляет собой экономичный вариант осуществления с точки зрения размера и стоимости. Вместе с тем, оно не является ограничением, и, естественно, при необходимости иметь два отдельных излучателя, используют два различных акустических излучателя.
В одном из вариантов осуществления системы момент излучения гидроакустического импульса определяют по моменту приема информационного импульса. Приемные базы, например, обнаруживают огибающую информационного импульса и фиксируют момент излучения гидроакустического импульса в зависимости от момента приема информационного импульса и временного интервала Δt.
В другом варианте осуществления предусмотрена предварительная синхронизация приемных и излучающих баз. Таким образом, в режимной информации обобщена информация, указывающая точный период излучения гидроакустического импульса, за счет чего приемные базы могут определять момент излучения гидроакустического импульса.
Благодаря структуре излучаемого сигнала система является параметризированной и, следовательно, легко адаптируемой. В частности, при помощи информации, передаваемой в информационном импульсе, можно изменять настройку в режиме реального времени. В зависимости от переданной информации возможно, например, изменять частоту излучения гидроакустического импульса, тип его модуляции или значение интервала Δt, который разделяет информационный импульс и гидроакустический импульс, что тем самым затрудняет защиту от такого эхолокатора. Также возможно, как это проиллюстрировано на фиг.2, шифровать режимную информацию до ее модуляции. Это делает невозможным доступ к параметрам режима системы при отсутствии дешифровального ключа.
Описанный выше режим излучения предусматривает систематическое излучение сигнала, состоящего из двух импульсов. Такой сигнал, в частности, необходим в тех случаях, когда желательно иметь возможность изменять определенную режимную информацию после каждого излучения. Вместе с тем, могут быть предусмотрены более простые режимы работы, в которых рабочие параметры остаются неизменными на протяжении относительно долгого времени. В этом случае, например, возможно предусмотреть систему, в которой излучаемый сигнал иногда состоит из информационного импульса, за которым следует импульс излучения, а иногда, просто из импульса излучения. Также возможно предусмотреть систему, в которой излучаемый сигнал состоит из информационного импульса, за которым следует несколько импульсов излучения. В зависимости от применения системы, предложенной в настоящем изобретении, могут быть предусмотрены различные схемы излучения.
Как указано ранее, система, предложенная в настоящем изобретении, рассчитана, в частности, на реализацию в мультистатической гидролокационной станции, которая осуществляет гидролокацию эхосигналов, отраженных от объектов, находящихся в контролируемой зоне. Однако такое применение не является единственным, которое может быть предусмотрено, и ни в коей мере не ограничивающим применение системы. Например, также возможно использовать систему для определения положения автономных подводных аппаратов. При таком применении системы излучающая база находится на автономном подводном аппарате, а приемные базы, например, установлены на надводных судах.