ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННОЙ, УСТРАНЯЮЩИЙ НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИХОДА СИГНАЛА Российский патент 2002 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в стационарных и корабельных гидроакустических комплексах (ГАК), в том числе в ГАК с гибкими линейными антеннами, буксируемыми за кораблем-носителем.

Опыт эксплуатации гидроакустических станций (ГАС) кораблей с буксируемыми линейными антеннами указывает на актуальность решения проблемной задачи раздельной пространственной фильтрации первичных (при шумопеленговании) и вторичных (при эхолокации) акустических полей объектов, находящихся в противоположных полупространствах относительно антенны.

Следует отметить существенную особенность ГАС, использующих линейные антенны. Этот класс приемных антенн, широко использующийся в гидроакустических системах, не позволяет осуществить раздельную пространственную фильтрацию акустических полей объектов, находящихся с обеих сторон относительно приемной антенны, без применения специальных мер. На индикаторах таких ГАС отображается информация, совмещенная с двух полупространств. При этом отсутствует принципиальная возможность в реальном масштабе времени определять истинные координаты объектов.

Специальные маневрирования, которые вынуждены выполнять корабли, буксирующие приемные однорядные антенны (см. патент [1]), только в самых простейших ситуациях позволяют решить эту задачу. Однако выполнение маневрирования связано не только с временными затратами, но и с появлением крайне нежелательных факторов, снижающих эффективность ГАС.

В настоящее время прилагаются значительные усилия для решения задачи раздельной пространственной фильтрации (определения левый-правый борт) объектов.

Так в патенте [1] на "Способ приема сигналов с устранением неоднозначности с использованием линейной акустической антенны" рассматривается обзор пространства при маневрировании носителя с помощью линейной антенны, которая перемещается по "деформированной" траектории типа "змейка", что приводит к изменению положения сформированного пространственного канала (ПК), в котором наблюдается сигнал. По углу отклонения этого ПК определяется направление на источник сигналов.

К существенным недостаткам метода можно отнести следующее:
- решение задачи возможно в простейших помехо-сигнальных ситуациях, т.е. при небольшом количестве объектов в зоне действия ГАС;
- при выполнении специального маневрирования (деформация прямолинейной траектории движения) повышается уровень гидродинамических помех на буксируемой антенне, что приводит к потере контактов по пороговым сигналам;
- затрачивается дополнительное время на выполнение специального маневрирования, что в определенных ситуациях может быть крайне нежелательным фактором.

Для решения задачи разделения объектов левого-правого борта привлекается также активный метод. Так французская фирма Thomson Sintra ASM [2] разработала корабельную ГАС SLASM, в которую для решения рассматриваемой задачи входят буксируемая протяженная приемная антенна и две излучающие антенны (по правому и левому бортам), которые работают на разных, но близких частотах. Незначительное различие в излучаемых частотах с левого и правого бортов позволяет идентифицировать отраженные сигналы и тем самым решить проблему неопределенности по бортам.

К недостаткам рассмотренной системы можно отнести следующие факторы:
- работа обеспечивается только в режиме эхолокации;
- создание однонаправленных (в одно полупространство) излучателей в области низких звуковых частот для рассматриваемой задачи, является сложной технической проблемой.

В патенте США [3] предложено техническое решение проблемы устранения неоднозначности (фильтрации сигналов на два полупространства) в виде линейной антенны гидрофонов, состоящей из трех параллельных рядов (триплетные гидрофоны), разнесенных от центра антенны на 1/3 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона. Плотность заполнителя среднего ряда антенны больше общей плотности заполнителя двух других рядов, что уменьшает возможность поворотов антенны вокруг продольной оси при буксировке. Три ряда в сечении образуют равносторонний треугольник в антенне.

По трем рядам гидрофонов формируется три одинаковых статических веера характеристик направленности (XН). В каждой из трех одноименных ХН вводится в специальном блоке сдвиг фазы (или временная задержка), обеспечивающий компенсацию набега фазы (или задержки) из-за разности хода сигнала между приемниками крайних рядов и центральным (нижним) рядом. Компенсация обеспечивается для двух альтернатив прихода сигнала: с правого или левого борта. Затем производится суммирование трех компенсированных ХН для двух альтернатив прихода сигнала. При этом правильно скомпенсированные ХН (для истинной альтернативы прихода сигнала) суммируются, а для ложной - вычитаются.

Таким образом, сторона прихода сигнала определяется по его амплитуде по двум каналам компенсации ХН.

Предусмотрена возможность учета поворота антенны вокруг продольной оси, для этого в линейную антенну встроены датчики угла вращения. Их показания учитываются при выработке компенсационных фазовых множителей.

К недостаткам системы следует отнести:
- сложность реализации, т.к. предполагается наличие трех рядов гидрофонов в системе;
- сложность компенсации разности хода сигнала для различных направлений статического веера ХН;
- возможность полной компенсации (с нулевым пространственным коэффициентом передачи) только для центральной частоты рабочего диапазона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемный тракт ГАС с линейной буксируемой антенной по патенту США [4].

Изобретение предусматривает наличие в приемном тракте ГАС буксируемой антенны, включающей группу ненаправленных гидрофонов, равномерно размещенных по всей длине антенны, а также блок ненаправленных гидрофонов, состоящий из первого и второго дополнительных преобразователей, каждый из которых включает в себя совокупность малых гидрофонов, а их суммарный выход рассматривается как выход одного из двух дополнительных преобразователей. Малые гидрофоны, образующие дополнительные преобразователи, размещены параллельно и симметрично относительно основных гидрофонов на ограниченной длине противоположных сторон внутренней стенки (оболочки) буксируемой антенны.

На базе группы ненаправленных гидрофонов, равномерно распределенных по всей длине антенны, с помощью первой М канальной системы формирования характеристик направленности (СФХН) образуется статический веер характеристик направленности.

На базе двух дополнительных преобразователей с помощью второй двухканальной СФХН формируются две характеристики направленности в форме кардиоиды с ориентацией их в противоположные полупространства (в сторону левого и правого бортов). Первый М канальный и второй двухканальный фильтры рабочих частот обеспечивают фильтрацию сигналов соответственно по выходу первой и второй СФХН. Формирование М пространственных каналов правого борта путем перемножения ХН статического веера на кардиоидные ХН дополнительных преобразователей и М каналов левого борта по выходу 2М интеграторов обеспечивается с помощью 2М перемножителей.

К недостаткам устройства-прототипа относится:
- недостаточное экранирование кардиоидными приемниками акустических полей с тыльного полупространства (фиг.4г), что при отношениях сигнал/помеха больше порогового не позволяет достоверно разделить объекты левого-правого борта (фиг.4а) и требует проведения дополнительных алгоритмических процедур, как правило, приводящих к нежелательным эффектам;
- низкая помехоустойчивость пространственных каналов левого и правого бортов, т.к. кардиоидные приемники расположены на небольшой части длины буксируемой антенны, образованной основной группой ненаправленных гидрофонов.

Задачей данного изобретения является создание приемного тракта ГАС с линейной антенной, обеспечивающего в реальном масштабе времени повышение достоверности и помехоустойчивости при определении истинного направления прихода сигналов с полупространств (левый или правый борт, передний или тыльный сектор обзора) при полном использовании волнового размера антенны.

Для решения поставленной задачи в приемный тракт гидроакустической станции с линейной антенной, устраняющий неоднозначность определения направления прихода сигнала, содержащий первую группу ненаправленных гидрофонов, равномерно размещенных по длине линейной антенны, выходы которых через соответствующие каналы первой М канальной системы формирования характеристик направленности соединены со входами первого М канального фильтра рабочих частот, блок ненаправленных гидрофонов, вторую систему формирования характеристик направленности, второй фильтр рабочих частот, 2М перемножителей и 2М интеграторов, введены новые признаки, а именно: блок ненаправленных гидрофонов выполнен в виде второй группы ненаправленных гидрофонов, идентичной первой группе ненаправленных гидрофонов, равномерно размещенных по длине линейной антенны, установленной параллельно первой группе ненаправленных гидрофонов на расстоянии 1<0,5λ_в от нее, где λ_в - длина волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона частот, вторая система формирования характеристик направленности и второй фильтр рабочих частот выполнены М канальными идентичными первым соответственно, в приемный тракт гидроакустической станции введены М фазосдвигающих на π/2 цепей и блок разделения сигналов по знаковому признаку, имеющий М входов и 2М выходов, при этом каждая пара выходов 1 и l', . ...L и L', М и М' первого и второго М канальных фильтров через фазосдвигающую на π/2 цепь соединена с соответствующими входами 1,....L,M перемножителя, а выход каждого из М перемножителей через соответствующий интегратор соединен с соответствующим входом блока разделения сигналов по знаковому признаку.

Предлагаемая структура приемного тракта гидроакустической станции позволяет достичь следующих технических результатов:
- обеспечивается решение в реальном масштабе времени с повышенной достоверностью основной задачи по разделению акустических полей объектов, находящихся в противоположных полупространствах относительно приемной антенны;
- обеспечивается возможность индикаторного наблюдения в более широких секторах обзора отдельно левого и правого бортов;
- повышается помехозащищенность всех ПК [от собственного шумоизлучения буксировщика антенны];
- повышается эффективность дальнейшей обработки сигналов, т.е. повышается достоверность индикаторного представления информации и увеличивается информативность вторичной обработки, в том числе, за счет устранения ложных пересечений трасс (эффект, обусловленный суммированием акустических полей двух полупространств);
- устраняется (по результатам теоретических исследований) необходимость проведения сложной и далеко не всегда эффективной процедуры центрирования индикаторного процесса в акустических полях помехи, близких к изотропным.

Это достигается тем, что за один цикл съема сигналов с выхода интеграторов формируется два сигнальных массива, один из которых характеризует сигналы левого борта, а второй - сигналы правого борта. Кроме того, эта задача решается с помощью всех приемников антенны.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4, где: на фиг.1 изображена структура предлагаемого приемного траста гидроакустической станции, устраняющая неоднозначность определения направления прихода сигнала.

На фиг.2 изображены XН двух сформированных симметричных относительно антенны ПК (левого-правого борта) с разнознаковыми коэффициентами пространственной передачи по выходу К-го интегратора.

На фиг. 3 изображены в трехмерной системе координат XН пространственных каналов нового приемного тракта ГАС с двухрядной линейной антенной.

На фиг. 4 представлены результаты моделирования - индикаторные картинки для приемного тракта по патенту - прототипу [4] с XН и новой структуры приемного тракта ГАС в одинаковых помехо-сигнальных ситуациях.

В состав приемного тракта ГАС (фиг.1) входит линейная приемная антенна 1, состоящая из первой 1а и второй 1б параллельных идентичных групп ненаправленных гидрофонов, равномерно размещенных по длине антенны. Первая и вторая группы гидрофонов разнесены на расстоянии 1<λ_в/2, где λ_в - длина волны в воде для верхней частоты рабочего диапазона. Соответствующие выходы первой группы гидрофонов соединены с одноименными входами первой СФХН 2, а выходы второй группы гидрофонов - с одноименными входами второй СФХН 2. Далее пара одноименных выходов 1 и 1',..., L и L',....M и М' с СФХН 2 и 2' соединена с соответствующими входами двух М канальных фильтров рабочих частот 3 и 3'. Выходы (l',...L',...M') второго М канального фильтра 3' через фазосдвигающие цепи 4 и выходы (1,...L,...M) первого М канального фильтра 3 соединены с соответствующими входами 1,...L,...M перемножителей 5, а выход каждого из М перемножителей через соответствующий интегратор 6 соединен с соответствующим входом блока разделения сигналов (БРС) по знаковому признаку 7. С блока БРС сигналы раздельно поступают на индикаторы левого и правого бортов (на фиг.1 индикаторы не указаны). В качестве индикаторов могут быть использованы любые индикаторы или рекордеры, используемые в гидроакустических станциях.

Все элементы, входящие в структуру предлагаемого тракта ГАС (фиг.1), известны и широко представлены в литературе. Ненаправленные гидрофоны, линейные антенны и принципы формирования ХН на базе указанных гидрофонов, размещенных равномерно по одной линии с использованием СФХН (компенсатора), достаточно подробно изложены в литературе [5, 6].

Конструктивно антенна может быть выполнена в единой шланговой оболочке, как указано в патенте США [4].

Блоки фильтров 3, фазовращающих звеньев 4, перемножителей 5, интеграторов 6 описаны в [7].

В качестве блока БРС, обеспечивающего разделение сигналов от объектов, находящихся в противоположных полупространствах относительно антенны, может быть (как один из вариантов) использован многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий аналоговые выходные сигналы интеграторов 6 в цифровой код, для последующей обработки в ЭВМ. Выходное разрядное слово АЦП, соответствующее уровню выходного сигнала интегратора (на момент отсчета), содержит знаковый разряд, определяющий полярность указанного сигнала [8] . В этом варианте, когда АЦП преобразует, например, сигнал L-го капала интегратора, то при наличии в знаковом разряде выходного слова АЦП признака "плюс" сигнал адресуется по L^Л каналу БРС (фиг.1), что соответствует левому борту с направлением на объект (например) 65^o относительно нормали к апертуре буксируемой АР (фиг.2). Если при преобразовании сигнала L-гo канала интегратора в знаковом разряде выходного слова АЦП имеется признак "минус", сигнал адресуется по L^П каналу БРС (фиг.1), что соответствует правому борту с направлением на объект 115^o относительно указанной нормали (фиг. 2). Аналогичная процедура разделения сигналов по знаковому признаку осуществляется по всем М выходным каналам каждого цикла съема сигналов с интеграторов, в результате чего получаются два сигнальных массива (по одному циклу обзора), обеспечивающих одновременное наблюдение раздельно в секторах обзора левого и правого бортов (фиг.4 б,в).

Итак, особенностью рассматриваемой структуры приемного тракта станции является изменение знака коэффициента передачи ПК в зависимости от полупространства относительно двухрядной линейной антенны, в котором находится источник акустического поля.

Знак коэффициента передачи произвольного ПК определяется его ХН, аналитическое выражение которой в рабочей полосе частот имеет следующий вид

где F_pc(ω) - энергетический спектр шумоизлучения объекта в точке приема;
d, N - расстояние между соседними приемниками вдоль антенны и их количество;
θ,α - углы в сферической системе координат, определяющие направление прихода плоской волны в пространстве;
θ_к - угол в горизонтальной плоскости между нормалью к апертуре антенны и направлением оси ПК;
l - расстояние между рядами антенны;
ω_н,ω_в - круговые частоты границ полосовых фильтров.

Анализ выражения (1) показывает, что знак (полярность) постоянной составляющей по выходу ПК, обусловленный принимаемым сигналом, определяется углом θ сомножителя и меняется (фиг.2) на углах θ = ±π/2 относительно нормали к апертуре антенны, т.е. при нахождении объекта шумоизлучения (или эхосигнала) с левого борта (или в переднем секторе обзора - для стационарных систем) на выходе соответствующего ПК (выход соответствующего интегратора) сигнал будет иметь положительную полярность.

При нахождении объекта в другом полупространстве относительно антенны, сигнал на выходе любого ПК (в котором находится объект) будет иметь отрицательную полярность.

Таким образом знаковый признак выходных сигналов ПК, выделяемый блоком разделения сигналов 7 (фиг.1), позволяет обеспечить в режиме шумопеленгования и эхолокации разделение (пространственную фильтрацию) общего информационного потока одного цикла обзора (состояние М интеграторов) на два сигнальных массива соответствующих полупространств с привязкой сигналов к истинным пеленгам (с точностью до ПК) на объекты.

Приемный тракт работает следующим образом.

Из гидроакустических сигналов, принятых первой группой ненаправленных гидрофонов (1, ...K,....N) антенны 1, с помощью первой СФХН 2 формируются М пространственных каналов статического веера ХП в определенном секторе обзора с последующей фильтрацией сигналов М канальным фильтром 3 в рабочей полосе частот. Из сигналов, принятых второй группой ненаправленных гидрофонов (1',. . ...K',...,N') антенны 1, с помощью второй СФХН 2 формируются М аналогичных пространственных каналов (с той же ориентацией каждого ПК в горизонтальной плоскости, что и с помощью первой СФХН) и последующей фильтрацией выходных сигналов со всех ПК вторым аналогичным М канальным фильтром, по всем выходам которого осуществляется сдвиг по фазе на π/2 всех спектральных компонент. Далее сигналы соответствующих (ориентированных в одинаковое направление) пар ПК (1 и 1',.,..L и L',.....М и М') поступают на соответствующие М перемножителей 5, выходные сигналы которых после интегрирования звеном 6 поступают на блок БРС, обеспечивающий получение сигнальных массивов отдельно с ПК левого и отдельно правого борта, функциональное описание которого дано ранее. После блока БРС сигналы с ПК левого и отдельно с ПК правого борта поступают на соответствующие индикаторы. Следует отметить, что фазосдвигающее звено 4 в соответствующем плече перемножителя 5 обеспечивает изменение знака сигнала с выхода интегратора при переходе источника первичного или вторичного акустических полей в противоположное полупространство относительно антенны, т.е. формируется знаковый признак (для любой спектральной компоненты рабочего диапазона частот при условии, что 1<λ_в/2), используемый в блоке БРС для пространственной фильтрации объектов. Таким образом приемный тракт (фиг.1) формирует условную плоскость, перпендикулярную ориентации двухрядной антенны (в идеальном случае при ориентации двух рядов антенны в горизонтальной плоскости указанная плоскость перпендикулярна горизонтальной плоскости). Все сигналы, находящиеся в этой плоскости, имеют коэффициент пространственной передачи, равный нулю. Этим обстоятельством объясняется определенная степень защищенности приемного тракта (антенны) от собственного шумоизлучения буксировщика при его прямолинейном движении, а также определенное подавление поля помех, обусловленное шумящей поверхностью.

В результате обработки акустического сигнала (фиг.1) на выходе каждого интегратора формируются характеристики направленности ПК левого и ПК правого бортов (фиг. 3) с разнознаковыми коэффициентами пространственной передачи, что позволяет обеспечить как панорамный обзор (индикаторное отображение в координатах "ПК"-"Время" - для шумопеленгования или "ПК"-"Дистанция" - для эхолокации) отдельно двух полупространств, так и определения по известным алгоритмам координат и элементов движения объектов.

Результаты математического моделирования работы приемных трактов шумопеленгаторных станций в одинаковых помехосигнальных ситуациях для предложенной структуры и для структуры прототипа с антенной, обеспечивающей экранирование одного из полупространств за счет формирования дополнительных кардиоидных приемников, представлены на фиг.4.

Индикаторная картина I обнаружителя с кардиоидным приемником в координатах "ПК"-"Время" представлена на фиг.4.

За счет значительной величины коэффициентов пространственной передачи кардиоидной ХН с тыльной стороны, на индикаторе наблюдаются не только объекты, находящиеся в одном из полупространств (трассы 1, 2, 3), но и объекты, расположенные в противоположном полупространстве (трассы 4, 5, 6), с соответствующим уровнем шумоизлучения (фиг.4). Оператор же воспринимает индикаторную картину буквально, естественно полагая, что осуществляет контакт с шестью объектами, находящимися в одном из полупространств, тем самым получает от системы информацию, которая существенным образом искажена.

Индикаторные картины II секторов обзора левого-правого борта (в тех же координатах, что и индикаторная картина I), использующие информационный поток по выходу интеграторов, после раздельной пространственной фильтрации объектов в соответствии с новой структурой приемного тракта ГАС (фиг.1) представлены на фиг.4.

По индикаторным картинам II видно, что новая структура приемного тракта разделяет объекты противоположных относительно приемной антенны полупространств, обеспечивая эффективную работу оператора, а также выдачу достоверной информации по координатам и элементам движения объектов.

Таким образом, предлагаемая структура приемного тракта ГАС обеспечивает с высокой достоверностью определение в режиме шумопеленгования и эхолокации однозначность направления на объекты.

Источники информации
1. Патент Франции 2727765 от 06.12.1994.

2. ГЦ ЦНИИ им. акад. А.Ц. Крылова. С.-Петербург Дайджест, 1994, вып.9, стр.68.

3. Патент США 5058082 от 15.10.1991.

4. Патент США 5220537 от 15.07.1993.

5. Свердлин Г. М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Судостроение, Ленинград, 1988, с.88-145.

6. Тюлин В.П. Теория акустического пеленгования. ВМА, Ленинград, 1954, с.124-148.

7. Зарайский В.А., Тюрин А.М. Теория гидролокации, ВМА, Ленинград, 1975, с.283-287, 390-402.

8. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. Москва, Машиностроение, 1986, с.20-29.

Изобретение относится к области гидроакустики. Достигаемым техническим результатом является повышение достоверности и помехоустойчивости приемного тракта гидроакустической станции с линейной антенной при определении истинного направления прихода сигналов с полупространств (левого или правого бортов, переднего или тыльного секторов обзора) при полном использовании волнового размера антенны. Для этого приемный тракт гидроакустической станции с линейной антенной выполнен в виде первой группы ненаправленных гидрофонов с М-канальной системой формирования характеристик направленности и М-канального фильтра рабочих частот, блока ненаправленных гидрофонов с второй системой формирования характеристик направленности и второго фильтра рабочих частот, а также 2М-канальных перемножителей и 2М-канальных интеграторов, блока ненаправленных гидрофонов, выполненного в виде второй группы ненаправленных гидрофонов, идентичной первой группе ненаправленных гидрофонов и установленной параллельно ей, второй системы формирования характеристик направленности и второго фильтра рабочих частот, выполненных М-канальными и идентичными первым, М фаз фазосдвигающих на π/2 цепей и блока разделения сигналов по знаковому признаку, имеющего М входов и 2М выходов, причем каждая пара выходов первого и второго М-канальных фильтров через фазосдвигающую на π/2 цепь соединена с соответствующими входами М-канального перемножителя, а выход каждого из перемножителей через соответствующий интегратор соединен со входом блока разделения сигналов по знаковому признаку. 4 ил.

Приемный тракт гидроакустической станции с линейной антенной, устраняющий неоднозначность определения направления прихода сигнала, содержащий первую группу ненаправленных гидрофонов, равномерно размещенных по длине линейной антенны, выходы которых через соответствующие каналы первой М-канальной системы формирования характеристик направленности соединены со входами первого М-канального фильтра рабочих частот, блок ненаправленных гидрофонов, вторую систему формирования характеристик направленности, второй фильтр рабочих частот, М перемножителей и М интеграторов, отличающийся тем, что блок ненаправленных гидрофонов выполнен в виде второй группы ненаправленных гидрофонов идентичной первой группе ненаправленных гидрофонов, установленных равномерно по длине линейной антенны, параллельно первой группе ненаправленных гидрофонов на расстоянии 1<0,5λ_В от нее, где λ_B - длина волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона, вторая система формирования характеристик направленности и второй фильтр рабочих частот выполнены М-канальными идентичными первым соответственно, при этом выходы ненаправленных гидрофонов второй группы соединены с одноименными входами второй системы формирования характеристик направленности, одноименные выходы второй системы формирования характеристик направленности соединены с соответствующими входами второго М-канального фильтра рабочих частот, в приемный тракт гидроакустической станции введены М фазосдвигающих на π/2 цепей и блок разделения сигналов по знаковому признаку, имеющий М входов и 2М выходов, при этом каждая пара выходов 1 и 1', . . . L и L', . . . М и М' первого и второго М-канальных фильтров рабочих частот через фазосдвигающую на π/2 цепь соединена с соответствующими входами 1, . . . L, . . . М перемножителей, а выход каждого из М перемножителей через соответствующий интегратор соединен с соответствующим входом блока разделения сигналов по знаковому признаку.