Устройство для акустического обнаружения подводных объектов

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначено для обнаружения подводных объектов (в частности подводных пловцов), в районах с высоким уровнем реверберационных помех, обусловленных мелководьем, сложным рельефом дна, волнением водной поверхности. Устройство содержащее гидроакустическое оборудование, характеризуется тем, что последнее выполнено в виде гидроакустической приемо-излучающей системы, установленной на платформе в море, включающей направленную излучающую антенну и не менее трех идентичных и соосно направленных приемных антенн с разнесенными в плоскости фронта излученного сигнала по вертикали и по горизонтали фазовыми центрами, электрически связанных с выносными усилителями излучаемых и принятых сигналов, и соединенными магистральным кабелем связи с пультом управления, установленным на берегу и содержащим блок питания выносных усилителей, блоки фазовых детекторов, управляющую и регистрирующую электронно-вычислительную машину, включающую вычислительный блок цифровой обработки информации, устройство отображения информации и блок управления, при этом выходы приемных усилителей через магистральный кабель связи соединены со входами фазовых детекторов горизонтального и вертикального пеленгования, выходы которых соединены со входами вычислительного блока цифровой обработки информации, один выход которого соединен со устройства отображения информации, а другой выход через блок управления соединен с усилителем мощности излучаемых сигналов, при этом в него введен модуль вторичной обработки сигналов, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами вычислительного блока цифровой обработки информации, а соответствующие выходы модуля вторичной обработки информации соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначена для обнаружения подводных объектов (в частности подводных пловцов), в районах с высоким уровнем реверберационных помех, обусловленных мелководьем, сложным рельефом дна, волнением водной поверхности.

Известно устройство для обнаружения вторжения на охраняемую морскую акваторию (Заявка RU 2000120890, МПК 7 G01S 15/04; опубл. 2002.09.20). Устройство содержит стационарно установленные на определенной дистанции гидроакустические излучатель и приемник, выход которого через усилитель соединен с излучателем, который в свою очередь через цепь обратной связи соединен с приемником, а также индикатор, подключенный к выходу приемника или усилителя, дополнительно содержит блок автоматической регулировки усиления, включенный в цепь обратной связи усилителя, при этом гидроакустический приемник выполнен ненаправленным.

Недостатком данного изобретения является невысокая помехоустойчивость обнаружения.

Известна навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки (Патент RU 2225991, МПК⁷ G01S 15/00, G01S 7/52; опубл. 20.03.2004). Изобретение относится к области навигационных гидроакустических станций освещения ближней обстановки (НГАС ОБО) и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов в сложных условиях, обнаружения объектов и их автоматического сопровождения, определения и классификации якорных мин и других объектов, а также при проведении гидротехнических исследований Мирового океана. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей гидроакустической станции. Сущность изобретения состоит в том, что в станцию, содержащую двумерную приемопередающую антенную систему, коммутатор приема-передачи с трактом предварительной обработки, генераторное устройство, и первую цифровую вычислительного систему (ЦВС 1), введены: вторая цифровая вычислительная система (ЦВС 2), тракт измерения скорости звука в морской воде (ИС3) и цифроаналоговый тракт прослушивания, содержит усилительное устройство, квадратурный демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, уплотнитель данных и контроллер.

Недостатком данного изобретения является невысокая помехоустойчивость обнаружения, связанная с недостаточным ограничением воздействия реверберации, уменьшающее пространственное разрешение при приеме в пределах допустимого минимального пространственного объема волнового пакета эхо-сигнала.

Известно изобретение «Акустическое заграждение» (заявка US 2004141419, опубл. 2004-07-22), в которой описаны методы и устройство для обнаружения подводного нарушителя, проникнувшего внутрь защищаемой зоны. Датчики гидролокационной системы состоят из множества гидролокационных модулей, которые разделены и находятся вдоль границы защищаемой зоны. Модули состоят из преобразователей (антенн), которые имеют перекрывающиеся между собой области. Модули собирают информацию по времени, которая затем обрабатывается. Центральный процессор получает данные от датчиков посредством телеметрической связи, обрабатывает данные, полученные с множества модулей для обнаружения цели, оценки траектории, классификации и решения о подачи сигнала тревоги на основании установленного порога. Решаются задачи уменьшения цены, уменьшения энергопотребления, повышения мобильности, тем самым система может быть перестроена для работы с другой геометрией.

Недостатком данного изобретения является невысокая помехоустойчивость обнаружения, связанная с недостаточным ограничением воздействия реверберации.

Известно наиболее близкое изобретение к заявляемой полезной модели, т.е. прототип, способ обнаружения подводных объктов и устройство для его осуществления с использованием метода пространственно-фазовой обработки сигналов (Патент RU 2271551, опубл. 10.03.2006 г.). Устройство обнаружения подводных объектов облучает гидроакустическим сигналом подводное контролируемое пространство, принимает отраженные от объекта сигналы на раздельные приемные гидроакустические антенны, осуществляющие обзор контролируемого подводного пространства в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, характеризуется тем, что определяет в каждый момент времени в течении цикла излучение-прием углы прихода отраженных сигналов в горизонтальной и в вертикальной плоскостях путем определения разности фаз между парами сигналов, принятых соответствующими парами приемных антенн с разнесенными в горизонтальной и в вертикальной плоскостях фазовыми центрами в плоскости фронта отраженного сигнала, определяет для каждого момента приема текущие гистограммы плотности распределения углов прихода сигнала в обеих плоскостях, путем определения времени пребывания наблюдаемого угла приема в каждом интервале углов в секторах характеристик направленности приемных антенн за время длительности излученного сигнала, определяют максимумы плотности гистограмм этих распределений, по которым путем их перемножения определяют текущие реализации значений максимумов двумерной плотности распределения углов прихода отраженных сигналов в плоскости фронта принимаемого сигнала, и по этим реализациям, усредненным за несколько циклов излучение-прием, определяют реализацию текущих порогов обнаружения, и по превышению максимума гистограммы плотности распределения угла прихода принимаемого сигнала над порогом судят об обнаружении подводного объекта.

В предлагаемом устройстве ограничение воздействия реверберации достигается за счет организации пространственной обработки сигнала.

Недостатком этого устройства является невысокая помехоустойчивость обнаружения, связанная с недостаточным ограничением воздействия реверберации, снижение разрешения за счет акустических помех от местных подводных отражающих предметов.

Задача полезной модели - повышение помехоустойчивости и разрешения за счет учета влияния помех от местных подводных отражающих предметов на эффективность функционирования устройства.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство введен модуль вторичной обработки информации, причем соответствующие выходы вычислительного блока цифровой обработки информации соединены с соответствующими входами модуля вторичной обработки информации, а соответствующие выходы модуля вторичной обработки информации соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

Для достижения технического результата в устройство для акустического обнаружения подводных объектов, содержащее гидроакустическую приемо-излучающую систему, установленную на платформе в воде, включающую направленную излучающую антенну и по меньшей мере, три идентичных и соосно направленных приемных антенны с разнесенными в плоскости фронта излученного сигнала по вертикали и по горизонтали фазовыми центрами, электрически связанными с выносными усилителями излучаемых и принимаемых сигналов, и соединенными магистральным кабелем связи с пультом управления, установленным на берегу и содержащим блок питания выносных усилителей, блоки фазовых детекторов, управляющую и обрабатывающую электронно-вычислительную машину, включающую вычислительный блок цифровой обработки информации, устройство отображения информации и блок управления, при этом выходы приемных усилителей через магистральный кабель связи соединены со входами фазовых детекторов горизонтального и вертикального пеленгования, выходы которых соединены со входами вычислительного блока цифровой обработки информации, один выход которого соединен со входом устройства отображения информации, а другой выход через блок управления соединен с усилителем мощности излучаемых сигналов, введен модуль вторичной обработки сигналов, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами вычислительного блока цифровой обработки информации, а соответствующие выходы модуля вторичной обработки информации соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

Кроме того, модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью обнаружения целей по траекторному анализу, заключающемуся в объединении в траекторию повторяющихся результатов точечных замеров координат целей на фоне помеховых отметок.

Кроме того, модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью бинарного накопления, использующего фактор регулярной повторяемости, соответствующей повторяемости превышения порога первичной системы обработки, эхо-сигналов целей и местных предметов от посылки к посылке зондирующего сигнала на определенном временном интервале в реализации процесса с использованием типового решающего правила в устройствах бинарного накопления «m» из «n».

Кроме того, модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью оценки местоположения цели, ее радиальной скорости и направления перемещения в последнем цикле перед выдачей на сопровождение и экстраполирования оценки местоположения на следующий цикл обработки.

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг.1 изображена структурная схема, поясняющая принцип действия модуля вторичной обработки информации.

На фиг.2 изображена блок-схема устройства для акустического обнаружения подводных объектов.

Устройство для акустического обнаружения подводных объектов (фиг.2) состоит из гидроакустического устройства 1, установленного в воде в составе приемоизлучающей гидроакустической системы 2, блока электроники 4, гермомуфты 13, закрепленные на платформе 3. Приемоизлучающая гидроакустическая система состоит из одной илучающей направленной антенны 5 и трех направленных приемных антенны 6, 7, 8. Компоновка антенн выполнена так, что оси характеристик направленности всех антенн параллельны, а приемные антенны установлены так, что могут обеспечить пространственный прием двумя группами антенн с разнесенными фазовыми центрами в плоскости, перпендикулярной осям характеристик направленности. Пара приемных антенн 6 и 8 формирует приемную группу с разнесенными фазовыми центрами в горизонтальной плоскости, а пара антенн 7 и 8 - в вертикальной, общей антенной в группах является антенна 8. Разнесение фазовых центров в обеих группах одинаковое 4, что на рабочей частоте сигнала 50 кГц составляет 12 см. Такой же размер имеют апертуры антенн, что обеспечивает их ширину характеристики направленности на уровне 0,7 от осевого максимума 15° в обеих плоскостях.

В блоке электроники размещены выносные усилители в составе: усилитель мощности излучаемых сигналов 9 и усилители принятых сигналов 10, 11 и 12. Усилители 9, 10, 11 и 12 через гермомуфту 13 электрически связаны магистральным кабелем 14 с пультом управления 15, размещенным на берегу. Пульт управления 15 состоит из корпуса 16, внутри которого размещены блок питания выносных усилителей 17, блоки фазовых детекторов 19 и 20, определяющие фазовые углы задержек прихода сигналов от приемных антенн 6 и 7 относительно сигналов, принятых опорной антенной 8, Фазовые детекторы реализованы аппаратными средствами, обеспечивающими погрешность измерения фазового угла на уровне типовых фазометров ~=10° (В.Б.Пестряков, Радиотехнические системы, М., Радио и Связь, 1985 г. с.291), что в пересчете на величину пространственного угла при приеме устройством в секторе характеристики направленности 15° составляет 0,05 град.

Фазовые детекторы своими выходами соединены с информационными входами вычислительного блока цифровой обработки информации на ПЭВМ 21. На выходе ПЭВМ 21 выделяются сигналы от цели, которые подаются на модуль вторичной обработки информации 23. Выход модуля вторичной обработки информации 23 связан с устройством отображения информации 24, на котором формируется трасса от подводного объекта. Выход ПЭВМ 21 посредством блока управления 19 связан с усилителем мощности 9 излучаемого сигнала.

Устройство взаимодействует с компьютером через стандартный аппаратный интерфейс ПЭВМ 19 - вход Ethernet 10/100 Base-TX сетевой карты, которые входят в состав устройства (на чертеже не показаны). Регистрирующая и вычислительная функции устройства по получению и обработке информации реализуется в системе с ПЭВМ 21 с помощью управляющей программы.

Учитывая большие временные затраты на опознание отметок местных предметов, модуль вторичной обработки информации на начальном этапе должен решать задачу селекции эхосигналов, отраженных от местных предметов. Эта задача может решаться методом бинарного накопления (бинарного интегрирования), использующего фактор регулярной повторяемости (соответствующей последовательности превышения порога первичной системы обработки) эхо-сигналов целей и местных предметов от посылки к посылке зондирующего сигнала на определенном временном интервале в реализации процесса. При этом используется типовое решающее правило в устройствах бинарного интегрирования «m» из «n» (фиг.1).

Для обнаружения эхо-сигналов от местных предметов в каждом пространственном канале импульсно-дальномерного тракта вся дистанция зондирования разбивается на М дискрет. По истечению n периодов излучения сигналов в каждом дискрете дистанции осуществляется проверка решающего правила по накопленной в ней информации. В результате формируется массив операторов селекции эхо-сигнала местных предметов.

Для обнаружения эхо-сигналов от местных предметов, принимаются следующие параметры: М=256, а решающее правило «4» из «8». После формирования карты местных предметов в массивах отметок, обнаруженных по выходу первичной обработки, сформированные операторы селекции используется для исключения из потока информации выбросов, обусловленных местными предметами.

Процедура предварительного обнаружения эхо-сигналов целей (фиг.1) аналогична обнаружению эхо-сигналов от местных предметов. С той лишь разницей, что формируется не оператор селекции, а оператор разрешения на проход информации с первичной обработки на устройство траекторией обработки. Число дискрет по дистанции в этом случае значительно меньше М=32, решающее правило остается таким же.

В результате исключения из массива информации, идущей с выхода первичной обработки, отметок местных предметов уровень ложных тревог после предварительного обнаружения на этапе вторичной обработки снижается на порядок.

Процедура траекторией обработки заключается в «завязке» траектории по простейшему критерию типа «2» из «2» по любой вновь обнаруженной отметке, не попавшей в стробы уже сопровождаемых (обнаруженных) траекторий, путем формирования в районе этой отметки строба, длительность которого определяется вследствие априорной неопределенности по скорости движения цели, максимальной скоростью движения обнаруживаемых целей, и поиска в следующем цикле зондирования отметок, попавших в этот строб.

По каждой из попавших в строб отметок «завязывается» траектория и осуществляется экстраполяция положения строба на следующий период зондирования.

Проверка подтверждения сформированной траектории осуществляется путем накопления статистики «n» посылок зондирующего сигнала и применения критерия вида «m» из «n». Для снятия с анализа (обнаружения) используется критерий «к» пропусков подряд.

По результатам испытаний траекторией обработки в натурных условиях выбрано решающее правило «4» из «8», а критерий сброса - 5 пропусков подряд.

Выходной информацией вторичной отработки является оценка местоположения цели, ее радиальной скорости и направление перемещения в последнем цикле перед выдачей на сопровождение и экстраполированная оценка местоположения на следующий цикл обработки. Эта информация используется для решения задач сопровождения цели определения параметров их движения и для решения задач классификации.

Экспериментальное доказательство достижения поставленной полезной моделью задачи получено при проведении натурных испытаний опытных образцов станций обнаружения подводных пловцов.

Таким образом, устройство для акустического обнаружения подводных объектов, использующее пространственно-фазовую обработку сигналов и модуль вторичной обработки сигналов существенно (в три-четыре раза) уменьшает воздействие реверберации, увеличивает эффективность обнаружения пеленгуемых подводных объектов путем повышения помехоустойчивости и разрешения устройства, тем самым увеличивая вероятность правильного обнаружения и снижения вероятности ложной тревоги.

1. Устройство для акустического обнаружения подводных объектов, содержащее гидроакустическую приемоизлучающую систему, установленную на платформе в воде, включающую направленную излучающую антенну и по меньшей мере, три идентичных и соосно направленных приемных антенны с разнесенными в плоскости фронта излученного сигнала по вертикали и по горизонтали фазовыми центрами, электрически связанными с выносными усилителями излучаемых и принимаемых сигналов, и соединенными магистральным кабелем связи с пультом управления, установленным на берегу и содержащим блок питания выносных усилителей, блоки фазовых детекторов, управляющую и обрабатывающую электронно-вычислительную машину, включающую вычислительный блок цифровой обработки информации, устройство отображения информации и блок управления, при этом выходы приемных усилителей через магистральный кабель связи соединены со входами фазовых детекторов горизонтального и вертикального пеленгования, выходы которых соединены со входами вычислительного блока цифровой обработки информации, один выход которого соединен со входом устройства отображения информации, а другой выход через блок управления соединен с усилителем мощности излучаемых сигналов, отличающееся тем, что в него введен модуль вторичной обработки сигналов, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами вычислительного блока цифровой обработки информации, а соответствующие выходы модуля вторичной обработки информации соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

2. Устройство для акустического обнаружения подводных объектов по п.1, отличающееся тем, что модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью обнаружения целей по траекторному анализу, заключающемуся в объединении в траекторию повторяющихся результатов точечных замеров координат целей на фоне помеховых отметок.

3. Устройство для акустического обнаружения подводных объектов по п.2, отличающееся тем, что модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью бинарного накопления, использующего фактор регулярной повторяемости, соответствующей повторяемости превышения порога первичной системы обработки, эхо-сигналов целей и местных предметов от посылки к посылке зондирующего сигнала на определенном временном интервале в реализации процесса с использованием типового решающего правила в устройствах бинарного накопления «m» из «n».

4. Устройство для акустического обнаружения подводных объектов по п.1, отличающееся тем, что модуль вторичной обработки информации выполнен с возможностью оценки местоположения цели, ее радиальной скорости и направления перемещения в последнем цикле перед выдачей на сопровождение и экстраполирования оценки местоположения на следующий цикл обработки.