ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

  Главная       Учебники - Морское дело      Системы, приборы и устройства подводного поиска

 поиск по сайту     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

Глава III ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Первоочередная задача, стоящая перед подводными средствами поиска, заключается в обнаружении, опознавании и классификации объектов поиска. В этом смысле система обнаружения, выполняющая данные операции, является определяющей в вопросе выбора принципа построения систем подводного поиска. Все остальные задачи, решаемые этими системами (обозначение обнаруженного объекта и т. д.), без выполнения операций обнаружения, опознавания или классификации совершенно бесцельны и никакое успешное их решение не в состоянии повысить эффективность системы.

В главе рассматриваются принципы построения и приводятся краткие сведения о конкретных системах подводного поиска, основанных на использовании различных по способу действия систем обнаружения. Отмечаются тенденции развития и совершенствования систем обнаружения.



3.1. Системы обнаружения с использованием гидроакустического поля

Гидролокация в настоящее время позволяет реализовать наибольшие дальности обнаружения в поисковых системах. Поскольку дальность обнаружения непосредственно определяет ширину полосы обнаружения, то она является одним из основных параметров, характеризующих качество системы. Дальность зависит от многих и не всегда точно известных факторов (особенно гидрологических), поэтому можно определить лишь расчетное значение ее. Посредством гидроакустического поля могут быть обнаружены активные (излучающие звуковые сигналы) объекты поиска и пассивные (не излучающие), но обладающие свойствами локальной неоднородности относительно данного поля.

Обнаружение пассивных объектов может быть произведено посредством только активных гидролокационных систем. Энергетическая дальность обнаружения в этом случае, т. е. дальность обнаружения, определяемая энергетическими соотношениями, может быть найдена из выражения для контрастности сигнала на фоне помехи (2.28).

 

Оптимальной считается такая частота, при которой достигается наибольшая дальность обнаружения. В отдельных случаях оптимальная частота находится не из условий распространения звукового колебания в воде, а из других условий, например из условий формирования отраженного от объекта сигнала.

Если реверберационная помеха превышает шумовую, то расчет энергетической дальности ведется из условия реверберационной помехи. Маскирующее действие реверберации зависит от ее вида и частотной зависимости коэффициента обратного отражения грунта и объема воды. Метод определения дальности обнаружения в условиях воздействия реверберационной помехи аналогичен рассмотренному выше, но для каждого конкретного случая зависимость типа (3.1) находится отдельно, так как наблюдается многомерная зависимость сигнала и реверберации от частоты.

Активные (звучащие) объекты, например акустический отметчик, более эффективно обнаруживаются пассивными системами обнаружения. Энергетическая дальность обнаружения в этом случае также находится из условия контраста сигнала на фоне помехи. Помехой здесь является только шумовая помеха, а сигнал, излучаемый объектом, может быть определен из выражения (2.21).

 

Выражения (3.1) и (3.3) дают лишь представление о подходе к обоснованию расчетной дальности. В каждом конкретном случае могут быть получены несколько иные выражения, так как условия распространения звуковых волн и коэффициенты концентрации приемо-излучающих антенн могут быть отличными от принятых. Кроме того, в мелководных районах моря характер распространения звука значительно отличается от принятого, что приводит к иным зависимостям, чем зависимости (2.21), (2.24) — (2.27). В выражениях (3.1) и (3.3) не учитывалось также расположение источника звука относительно грунта. Все это может существенно повлиять на расчетную дальность обнаружения.

Активные гидроакустические системы позволяют обнаруживать присутствие объекта в полосе поиска, определять расстояние и направление на него, т. е. полностью выполнять задачу по обнаружению объекта. Пассивные системы также позволяют обнаруживать объект в полосе поиска и определять направление на него, но определение расстояния до объекта с помощью этих систем затруднительно. Расстояние все же можно определить расчетным путем по пересечению пеленгов, полученных одновременно с разнесенных в пространстве пассивных систем. В активных системах расстояние до объекта определяется по времени задержки прихода эхо-сигнала от объекта относительно момента излучения зондирующего импульса. Направление на объект определяется по ориентации в пространстве оси диаграммы направленности приемника. Для повышения точности пеленгации объекта используются узкие диаграммы направленности, а для обеспечения обнаружения объекта в требуемом угле обзора производится сканирование пространства наблюдения. Сканирование пространства может осуществляться механическим или электронным способом. Простейший способ механического сканирования состоит в повороте акустической антенны в пределах полного угла обзора. Блок-схема гидроакустической системы обнаружения с механическим сканированием показана на рис. 3.1. К основным недостаткам механического сканирования относятся: относительно низкая скорость сканирования, сложность герметизации приемо-излучающих элементов при размещении системы на глубоководных носителях, конструктивная сложность выполнения поворотного устройства при больших линейных размерах акустических антенн. Более прогрессивным способом сканирования считается электронное сканирование. Один из способов этого вида сканирования состоит в том, что изменение ориентации оси диаграммы направленности осуществляется последовательным подключением к приемной аппаратуре различным образом ориентированных приемников (рис. 3.2).

Недостатком этого способа является вынужденная громоздкость антенны.

При другом способе электронного сканирования поворот диаграммы направленности достигается за счет поворота фазы сигнала в цепи одного из двух идентичных приемников (рис. 3.3) таким образом, чтобы принятые от объекта сигналы под углом а к нормали при подаче на сумматор были бы в одной и той же фазе.

 

Острота диаграммы направленности определяется разнесением приемников. При увеличении / острота диаграммы растет, но при этом, как следует из (3.5), увеличивается и разность фаз, что затрудняет фазирование принятых сигналов. К основным недостаткам этого способа относятся: трудность обеспечения сканирования в широком угле обзора и возможность возникновения значительных боковых лепестков диаграммы направленности.

Сканирование пространства может быть шаговым и непрерывным [23, 24]. При шаговом сканировании изменение ориентации диаграммы направленности осуществляется дискретно (шагами). При каждом шаге производится излучение зондирующего импульса и прием эхо-сигнала — в случае активных гидролокационных систем и прием сигнала от активного объекта в течение времени, необходимого для анализа этого сигнала, — в случае пассивных систем. Шаговое сканирование очень часто не удовлетворяет требованиям по быстродействию, особенно при высоких скоростях перемещения носителя СПП. При непрерывном сканировании пространства изменение ориентации диаграммы направленности происходит непрерывно в течение времени, равного длительности излученного зондирующего импульса, или в течение времени, соответствующего одному циклу обследования пространства. Первый вид непрерывного сканирования назван внутриимпульсным, второй — циклическим. При внутри-импульсном сканировании за время поступления эхо-сигнала на приемник просматривается весь сектор обзора. Данный метод позволяет сочетать быстродействие с высокой разрешающей способностью. Циклическое сканирование осуществляется при непрерывном характере излучения. В случае активных гидролокационных систем циклическое сканирование возможно только при периодическом изменении частоты излучаемого колебания. Акустическое колебание с изменяющейся частотой, например линейно от f1 до f2, излучается в широком Секторе обзора, а приемник с узкой характеристикой направленности сканирует этот сектор в течение одного цикла изменения частоты. Если приемную часть гидролокатора выполнить по типу рис. 3.3 и использовать широкополосный фазовращатель с фиксированным углом поворота фазы во всем диапазоне частот, то в соответствии с формулой (3.5) при изменении частоты принимаемого колебания будет изменяться угол а, т. е. будет происходить сканирование пространства.
 


Определенный интерес также представляет способ циклического сканирования, основанный на частотном преобразовании эхо-сигналов [30, 38]. Как и в предыдущем случае, излучается колебание с изменяющейся частотой. Прием отраженных от объекта сигналов ведется на два независимых разнесенных приемника, каждый из которых подключен к самостоятельной приемной аппаратуре. В результате частотной модуляции принятых эхо-сигналов происходит преобразование их частотного спектра. Частота колебания на выходе модулятора определяется частотой, поданной с излучателя (для обоих приемников одинаковая), и частотой эхо-сигнала (зависит от скорости изменения частоты генератора и расстояния до объекта). Разность частот на выходе модулятора позволяет определить величину отклонения направления на обнаруженный объект от нормали к базе приемников.

В случае если объект находится на нормали, то на выходе модуляторов будут одинаковые частоты колебаний. По сумме частот измеряется среднее расстояние до объекта. На рис. 3.4 показана блок-схема гидролокатора, работающего по такому принципу [38]. Преимущество подобных гидролокаторов состоит в быстродействии, высокой потенциальной разрешающей способности, широком секторе обзора и в отсутствии боковых лепестков.

Оценка ориентации диаграммы направленности приемников на объект производится по характерным особенностям принятых сигналов. Существуют три основных метода оценки: амплитудный, фазовый и фазо-амплитудный. Амплитудный метод заключается в том, что оценка направленности оси диаграммы осуществляется по максимуму или минимуму сигнала на выходе приемной аппаратуры. Сущность фазового метода сотоит в том, что разность фаз сигналов, принятых двумя независимыми приемниками, соответствует величине отклонения оси диаграммы от направления на объект. Более широкое применение находит фазо-амплитудный метод. Два сигнала, различные по фазе, преобразуются в два синфазных напряжения с амплитудами, пропорциональными фазам сигналов. В данном методе реализуется точность фазового и простота оценки амплитудного метода.

 

Рис. 3.4. Блок-схема гидролокатора с изменяющейся частотой
излучения:
1 — приемники; 2 — излучатель; 3 — приемная аппаратура; 4 — излучающая аппаратура; 5 — модуляторы; 6 — генератор; 7 — вычитающее устройство; 8 — суммирующее устройство; 9—фазовый детектор; 10—индикатор дальности; 11 — индикатор направления на объект



Для обследования неоднородностей морского дна, залежей полезных ископаемых и отдельных объектов, скрытых поверхностными слоями грунта, применяются специальные типы эхолотов с узкой многолепестковой диаграммой направленности [38]. Ширина диаграммы в направлении диаметральной плоскости носителя обычно не превышает 1,5°, а в перпендикулярной к ней плоскости около 15°. Запись эхо-сигналов на ленте самописца воссоздает картину геологического разреза дна с выявлением скрытых в нем неоднородностей и включений.

 

Совершенно обособленную группу зарубежных гидролокаторов составляют гидролокаторы бокового обзора [12]. Эти системы позволяют детально обследовать обширные районы дна и создать точные и непрерывные карты его. Все предметы на дне океана, озера или реки воспроизводятся рельефно с сохранением их формы и расположения. С помощью гидролокаторов бокового обзора могут выполняться все виды поисковых работ, проводиться научные исследования морского дна и его картографирование. Системы картографирования могут рассматриваться как аналог СПП. Действительно, для составления детальных карт дна система должна обнаруживать и фиксировать не только все локальные отклонения рельефа грунта, но также и все предметы, находящиеся на нем. На рис. 3.5 показана типичная запись карты участка дна, сделанная гидролокатором бокового обзора.


В гидролокаторах данного типа формируется узкая (как правило, аг меньше Г) в горизонтальной плоскости и широкая (до ав = 30-50°) в вертикальной плоскости диаграмма направленности [12]. Такая узконаправленная диаграмма ориентируется перпендикулярно диаметральной плоскости носителя (рис. 3.6) и позволяет при его движении последовательно обследовать полосу грунта шириной В. Импульсы звуковой энергии «высвечивают» узкие полоски дна в пределах диаграммы направленности. При этом от дна и лежащих на нем объектов происходит отражение эхо-сигналов. В каждый конкретный момент времени эхо-сигнал образуется от участка грунта, площадь которого в отдельных случаях может быть быть не более AS = 0,1 м2. Положение и форма объекта на полученной карте представляют точное масштабное изображение реальных соотношений, так как они связаны с временем прохождения зондирующего импульса .до объекта и временем возвращения эхо-сигнала. Расстояние до обнаруженного объекта и пеленг на него могут быть определены непосредственно по карте. Яркость графической записи зависит от отражательной способности грунта и объекта. Оценка высоты выступающей над грунтом части объекта может быть произведена по величине «тени» от него. Такой метод не обладает высокой точностью и позволяет создать лишь общее представление о высоте объекта, его размерах и положении.

 

 

содержание   ..  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..