Гидроакустический комплекс мониторинга и освещения подводной обстановки

Полезная модель относится к многофункциональным системам освещения подводной обстановки, включая мониторинг различных физических процессов в водной среде. Комплекс мониторинга и освещения подводной обстановки состоит из забортного и бортового модулей. Забортный модуль включает акустические приемные и излучающие многоэлементные антенны. В бортовом модуле располагается аппаратура формирования и обработки сигналов, центральная вычислительная система, система обработки, регистрации, документирования и управления, а также спутниковая навигационная система и спутниковая система ИНМАРСАТ. Дополнительно в заявленный комплекс может быть включена система гидроакустической связи и телеметрии. Все блоки и системы комплекса охвачены автоматизированной системой технической диагностики. Полезная модель может быть использована при мониторинге и освещении подводной обстановки техногенных систем, расположенных на шельфе, для охраны объектов и для других систем гражданского и военного назначения.

Полезная модель относится к многофункциональным системам освещения подводной обстановки, включая мониторинг различных физических процессов в водной среде.

Многофункциональные комплексы, решающие ряд задач, связанных общей целевой функцией, в настоящее время имеют повсеместное распространение. Наибольшее число известных комплексов создано на базе систем радиоэлектроники, вычислительной техники, информатики, связи. Комплексы используются в военно-технической сфере и близких ей по научно-техническому оснащению гражданских областях [1-5]. Принципиально комплексы являются информационными системами, имеющими собственные датчики контролируемых физических полей, аппаратуру формирования и обработки сигналов и аппаратуру передачи обработанных сигналов в другие системы (при необходимости). Комплексы могут иметь возможность обмениваться информацией с датчиками, не относящимися к комплексу. Общая структура информационных комплексов, осуществляющих мониторинг водной среды, изложена в статье [1]. Специфика информационных комплексов, ориентированных на получение информации из водной среды состоит том, что информационные характеристики получают в процессе обработки и регистрации акустических сигналов.

Известны способы и устройства, которые решают различные задачи освещения подводной обстановки и мониторинга подводной обстановки. Так, полезные модели [3, 6] предназначены, в основном, для исследований дна в шельфовой зоне; система, описанная в патенте [4], состоит из совокупности гидрофонов, располагаемых по контуру водного района, предназначена для информации о несанкционированном проникновении подводного объекта в охраняемую зону; система, представленная в [7], является донной станцией, передающей по радиоканалу информацию от датчиков акустических сигналов.

Наиболее близким по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемой полезной модели является морской геоакустический комплекс, описание которого приведено в [3]. Это устройство принято за прототип.

Устройство-прототип предназначено для обследования шельфовой зоны и состоит из забортного и бортового модулей, соединенных кабель-тросом. Забортный модуль располагается в буксируемом теле и содержит акустические антенны, аппаратуру предварительной обработки (АПО), генераторное устройство (ГУ), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, интерфейсы для передачи (или приема) информации бортового модуля, а также устройства местного электропитания. В бортовом модуле расположена основная аппаратура обработки и формирования сигналов, выполняемая на базе средств вычислительной техники (центральная вычислительная система - ЦВС), устройства отображения информации, управления, документирования, аппаратура спутниковой навигационной системы, а также бортовое устройство электропитания.

Устройство-прототип [5] имеет ряд недостатков, которые связаны со следующими основными факторами:

- поскольку устройство предназначено для исследования шельфовой зоны, обзор пространства ограничен сравнительно узким сектором; внутри сектора обзора не предусматривается возможность управления лучом диаграммы направленности (ДН) для локализации объекта наблюдения; как следствие, объекты вне сектора обзора не обнаруживаются;

- системы устройства-прототипа (эхолот, гидролокатор бокового обзора и др) по своему назначению выполнены как узкополосные, что не дает возможности излучать и обрабатывать широкополосные сигналы, имеющими преимущества перед узкополосными сигналами;

- из-за необходимости размещения в буксируемом теле ограниченных габаритов аппаратура является высокочастотной и маломощной, что дает возможность наблюдать за подводными объектами, расположенными на небольших расстояниях;

- отсутствует аппаратура передачи данных на внешние объекты.

Анализ требований, предъявляемых к системам мониторинга и наблюдения за подводной обстановкой [1] в районах стационарных и подвижных морских буровых платформ, электростанций, в том числе атомных, при охране объектов специального назначения показывает, что система должна обеспечивать круговой обзор, обнаруживать и отслеживав подводные объекты на значительных дистанциях, оперативно обмениваться информацией со сторонними объектами и с системами управления, в том числе на государственном уровне.

Устройство-прототип, являющееся в значительной части узкоспециализированным, эти общие требования не обеспечивает.

Задачей представляемой полезной модели является расширение функциональных характеристик при мониторинге и наблюдении за подводной обстановкой.

Основными техническими результатами использования предлагаемого устройства являются:

- обеспечение кругового обзора пространства;

- обеспечение работы с широкополосными сигналами в активном и пассивном режимах;

- обеспечение связи и обмена информацией со сторонними системами, а также связи с водолазами, подводными аппаратами.

Для достижения заявляемого технического результата в комплекс, содержащий бортовой и забортный модули, причем бортовой модуль включает центральную вычислительную систему (ЦВС), систему обработки, регистрации данных и управления (СОРДиУ) и аппаратуру спутниковой навигационной системы (АНС), соединенные системными шинами, забортный модуль, включающий акустические антенны и аппаратуру предварительной обработки, а также содержащий генераторное устройство (ГУ) и систему электропитания, введены новые признаки, а именно:

- акустические антенны забортного модуля включают приемную акустическую антенну (АП) и излучающую многоэлементную акустическую антенну (АИ);

- приемная акустическая антенна состоит из антенных модулей, выполненных многоэлементными и многоканальными, причем каждый из выполнен с возможностью независимого управления диаграммами направленности (ДН), а общий раскрыв приемной акустической антенны может быть смонтирован в виде плоской или выпуклой поверхности; каждый из элементов антенного модуля включает последовательно соединенные электроакустический приемник и блок предварительной обработки, конструктивно объединенные и через системную шину соединенные с ЦВС;

- излучающая многоэлементная акустическая антенна состоит из широкополосных акустических излучателей;

- ГУ расположено в бортовом модуле, выполнено многоканальным и соединено с ЦВС;

В бортовой модуль дополнительно введены:

- аппаратура приема/передачи информации спутниковой системы ИНМАРСАТ. соединенная по каналу Манчестер с ЦВС;

- автоматизированная система технической диагностики, реализуемая на программно-аппаратных средствах комплекса.

Кроме того, для увеличения обзора пространства в режиме излучения излучающая многоэлементная акустическая антенна может быть выполнена в виде излучающих антенных модулей.

Для обмена информацией по гидроакустическому каналу с водолазами, выполняющими подводно-технические и исследовательские работы, с подводными аппаратами и иными информационными системами может быть введена система гидроакустической связи и телеметрии, соединенная по системной шине с ЦВС и состоящая из приемно-излучающей антенны (АС), расположенной в водной среде, коммутатора прием/передача (КПП) и приемно-излучающего тракта, расположенных в бортовом модуле комплекса.

Введенные в устройство новые признаки делают возможным осуществлять следующие функции

- реализовать круговое наблюдение (360°) в режиме приема за счет выполнения приемной акустической антенны АП в виде модулей, каждый из которых может контролировать заданный сектор пространства;

- осуществлять одновременный контроль нескольких объектов, расположенных в различных секторах пространства за счет независимого формирования и управления диаграммой направленности (ДН) каждого модуля АП; за счет формирования статического веера ДН каждым модулем антенны АП увеличивается скорость локализации обнаруживаемого объекта;

- использовать широкополосные сигналы в режимах приема и излучения, причем каждый из модулей антенн АП и АИ может независимо работать в различных частотных диапазонах, а модули АИ, кроме того, формировать зондирующие сигналы различной формы, оптимальной для конкретной помехо-сигнальной ситуации;

- осуществлять обмен информацией со сторонними системами с помощью морского терминала ИНМАРСАТ (международная сеть, обеспечивающая обмен речевой и телеметрической информацией с помощью специализированной спутниковой системы);

- разделение акустических антенн на приемную (АП) и излучающую (АП) позволяет оптимизировать их характеристики (см., напр., [8]), т.к. высокочувствительные акустические приемники принципиально отличаются конструктивно от мощных широкополосных акустических излучателей;

- конструктивное соединение приемника и блока АПО повышает помехоустойчивость, укорачивает линию передачи сигнала от приемника к АПО, повышает надежность, ремонтопригодность и обслуживание;

- введение автоматизированной системы технической диагностики (АСТД), охватывающей все элементы комплекса, дает возможность контролировать их исправную работу, локализовать неисправности и своевременно их устранять.

В случае выполнения излучающей антенны АИ в виде многоканальных модулей, заявленный комплекс позволяет зондировать пространство в заданном (произвольном) направлении.

Предлагаемый комплекс, при дополнении его системой гидроакустической связи и телеметрии, позволяет реализовать связь, прием/передачу телеметрической информации (в том числе сигналов управления) по гидроакустическому каналу при работе с водолазами, подводными аппаратами и иными объектами, в частности датчиками физических полей (например, датчиками температуры, солености, радиационного фона и т.д.).

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема заявляемой полезной модели.

Комплекс состоит из забортного модуля 1 и бортового модуля 2.

Забортный модуль 1 состоит из приемной акустической антенны (АП) 3 и излучающей многоэлементной акустической антенны (АИ) 4.

Приемная акустическая антенна 3 выполнена в виде отдельных антенных модулей 5, каждый из которых состоит из элементов (каналов) 6, включающих электроакустические приемники 7 и аппаратуру 8 предварительной обработки (АПО).

Излучающая многоэлементная акустическая антенна 4 также выполнена из отдельных излучающих антенных модулей 9, каждый из которых состоит из электроакустических излучателей 10.

Бортовой модуль 2 включает центральную вычислительную систему (ЦВС) 11, систему 12 обработки, регистрации, документирования и управления (СОРДиУ), многоканальное генераторное устройство (ГУ) 13, аппаратуру 14 спутниковой навигационной системы (АНС) и аппаратуру 15 приема/передачи информации спутниковой системы ИНМАРСАТ. Устройства, входящие в бортовой модуль, соединены системными шинами 16.

Автоматизированная система технической диагностики (АСТД) выполняется на аппаратно-программных средствах заявленного комплекса, указанных на фиг.1. Контроль информации и управление АСТД осуществляются из СОРДиУ.

АСТД и система электропитания, расположенные в бортовом модуле, на фиг.1 не показаны.

Система 17 гидроакустической связи и телеметрии состоит из приемно-излучающей антенны (АС) 18, которая находится в водной среде, и расположенных в бортовом модуле приемно-излучающего тракта 19 и переключателя 20 прием/передача (КПП).

Рассмотрим работу заявленного комплекса, которая может осуществляться в режимах приема акустических сигналов, излучения и приема эхосигналов, режиме связи и обмена телеметрической информацией.

При приеме акустических сигналов от объекта, расположенного в каком-либо секторе пространства, этот сигнал фиксируется одной из ДН статического веера, формируемого антенным модулем. После предварительной обработки в АПО 8 (усиление, фильтрация в широкой полосе) по системной шине 16 сигнал поступает в ЦВС 11 (аналого-цифровое преобразование осуществляется в оконечных каскадах блоков АПО 8). где выполняется его анализ, определяются признаки (направление прихода, частотный диапазон, классификационные признаки и др.), далее информационный массив передается в СОРДиУ 12, где принимается решение о визуализации в заданной форме сигнала на мониторе (временная диаграмма, цифро-буквенная информация, в виде графика и т.п.).

По команде из СОРДиУ 12 информация через аппаратуру ИНМАРСАТ 15 передается внешним системам. Приходящая из аппаратуры ИНМАРСАТ информация отражается на мониторе СОРДиУ. Данные о местоположении носителя комплекса, поступающие через аппаратуру спутниковой навигационной системы (АНС) 14, визуализуются в отдельном окне на мониторе СОРДиУ.

Излучение акустических сигналов осуществляется с помощью антенны АИ 4. По сигналу управления их СОРДиУ 12 в ЦВС 11 синтезируется зондирующий сигнал заданного спектрального состава и длительности. Этот сигнал передается в многоканальное генераторное устройство 13 и далее на излучатели 10 антенны АИ 4. Эхосигнал от объекта принимается приемной антенной АП.

Система 17 гидроакустической связи и телеметрии может работать в режиме речевой связи, которая осуществляется при работе с водолазами и с управляемыми подводными аппаратами, а также в режиме обмена информацией с неуправляемыми информационными системами (неуправляемые подводные аппараты, датчики физических характеристик морской среды и др.).

При передаче речевого сигнала по гидроакустическому каналу оператор комплекса в микрофон наговаривает текст, который передается через приемно-излучающий тракт 19 (где усиливается, модулируется, при необходимости кодируется), КПП 20 и антенну АС 18 выбранному абоненту. Прием речевого сигнала осуществляется с помощью антенны АС 18, КПП 20, приемно-излучающего тракта 19 (при приеме выполняются процессы, обратные излучению, т.е. сигнал усиливается, фильтруется, демодулируется и, при необходимости, декодируется). Далее речевой сигнал поступает в наушники (телефон) оператора. В зависимости от комплектации микрофон и наушники могут входить в состав тракта 19 или в состав СОРДиУ 12 (на фиг.1 не показаны).

При необходимости послать сигнал в режиме телеметрии (управления, контроля, аварийный и проч.) оператор органами управления СОРДиУ 12 вызывает режим работы с выбранным абонентом, вводит необходимые исходные данные (мощность, частота и т.п.) или вызывает их из банка данных; далее эти данные попадают в ЦВС 11, преобразуются и виде массива передаются с помощью тракта 19, через КПП 20 и антенну 18 в водную среду. Прием сигнала телеметрии осуществляется с помощью антенны АС 18, КПП 20, тракта 19, после чего сигнал поступает в ЦВС 11, где обрабатывается и передается в СОРДиУ 12. Далее в зависимости от используемой программы обработки сигнал может представляться оператору в виде цифро-буквенной и иной информации, регистрироваться (например, распечатываться на принтере), запоминаться в устройстве консервации, передаваться с помощью аппаратуры ИНМАРСАТ 15 внешним потребителям информации. Периферийные устройства документирования и консервации на фиг.1 не показаны.

Контроль и диагностика систем, устройств и блоков заявленного комплекса осуществляется АСТД в автоматическом режиме с использованием аппаратно-программных средств комплекса, а также по команде оператора комплекса, который запускает соответствующие программы с пульта СОРДиУ 12. Результаты проверок и другая информация, относящаяся к работе АСТД, выдается на монитор СОРДиУ в цифро-буквенном или графическом формате.

Таким образом, достигается заявленный технический эффект, заключающийся в значительном расширении функциональных характеристик системы.

Полезная модель может быть использована при мониторинге и освещении подводной обстановки техногенных систем, расположенных на шельфе, для охраны объектов и для других систем гражданского и военного назначения.

Список источников информации

1. Лобковский А., Зацепин А., Ковачев С.И др. Технология многоуровневого мониторинга в целях информационного обеспечения безопасности морской добычи нефти и газа - Технологии ТЭК, 2007. 4

2. Иванов А., Островский А. Применение средств технической радиолокации для мониторинга морской добычи и транспортировки нефти - Технологии ТЭК, 2003. 6

3. Свидетельство РФ на полезную модель 38233. Морской геоакустический комплекс «МАК». МПК G01V 1/38, G05D 27/00. Публ. 27.05.2004

4. Пат. США 72333544. Harbor fence (Система акустической охраны гавани). МПК В63G 9/00, G01S 15/04. Публ. 14.06.2007

5. Заявка на изобретение 2004138959. Способ оперативного мониторинга за состоянием океана. МПК G01V 1/00. Публ. 10.06.2006

6. Свидетельство РФ на полезную модель 16406. Многофункциональный технологический комплекс для исследований шельфа. МПК G01V 1/38, G05D 27/00. Публ. 27.12.2000

7. Пат. РФ на полезную модель 86003. Автономная радиогидроакустическая система для мониторинга акустических сигналов на шельфе. МПК G01Н 3/00. Публ. 20.08.2009

8. Справочник по гидроакустике / под ред. А.Е.Колесникова. Л.: Судостроение, 1988

1. Гидроакустический комплекс мониторинга и освещения подводной обстановки, содержащий бортовой модуль, включающий центральную вычислительную систему (ЦВС), систему обработки, регистрации данных и управления и аппаратуру спутниковой навигационной системы, соединенные системными шинами, забортный модуль, включающий акустические антенны и аппаратуру предварительной обработки, а также содержащий генераторное устройство (ГУ) и систему электропитания, отличающийся тем, что забортный модуль включает приемную акустическую антенну, состоящую из антенных модулей, выполненных многоэлементными и многоканальными, причем каждый из антенных модулей выполнен с возможностью независимого управления характеристиками направленности, а общий раскрыв приемной антенны может быть смонтирован в виде плоской или выпуклой поверхности при этом каждый из элементов антенного модуля содержит последовательно соединенные электроакустический приемник и блок предварительной обработки, конструктивно объединенные и через системную шину соединенные с ЦВС, также содержит излучающую многоэлементную акустическую антенну, состоящую из широкополосных акустических преобразователей и соединенную с ГУ, выполненным многоканальным, соединенным с ЦВС и расположенным в бортовом модуле, причем в бортовой модуль дополнительно введены аппаратура приема/передачи информации спутниковой системы ИНМАРСАТ, соединенная по каналу Манчестер с ЦВС, и автоматизированная система технической диагностики, реализуемая на программно-аппаратных средствах комплекса.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что излучающая многоэлементная акустическая антенна выполнена в виде излучающих антенных модулей.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введена система гидроакустической связи и телеметрии, соединенная по системной шине с ЦВС и состоящая из приемно-излучающей антенны, расположенной в водной среде и соединенной с коммутатором прием/передача и приемно-излучающим трактом, расположенными в бортовом модуле комплекса.