НАВИГАЦИОННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ОСВЕЩЕНИЯ БЛИЖНЕЙ ОБСТАНОВКИ Российский патент 2004 года по МПК G01S15/00 G01S7/52 

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, классификации якорных мин и других навигационно-опасных объектов, а также при проведении исследований Мирового океана.

Известна активная гидроакустическая станция (ГАС) AN/SQS-56, разработанная Raytheon Company (США) [1, 2], являющаяся типичным представителем современных ГАС обнаружения и содержащая приемопередающую антенную систему, коммутатор приема-передачи, генераторное устройство зондирующего сигнала с формирователем диаграммы направленности в излучении и усилителем мощности, независимые тракты: тракт приема и обнаружения активного режима, тракт приема и обнаружения пассивного режима со своим формирователем диаграммы направленности, тракт сопровождения, тракт сигналов прослушивания и цифровую вычислительную машину с пультом оператора, дисплеем и периферийными устройствами.

Недостатком такой станции являются наличие всего 2 режимов: обнаружение и сопровождение; погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в воде; отсутствие режима классификации обнаруженных целей, отсутствие комплексирования аппаратуры для разных режимов, а также возможности документирования гидроакустической информации в реальном режиме времени.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по структуре, выбранным за прототип, является гидроакустическая станция миноискания (ГАСМ) фирмы Plessey Naval System типа PMS-58 [3]. Гидроакустическая станция содержит приемопередающую антенную систему, коммутатор приема-передачи, генераторное устройство, тракт предварительной обработки и цифровую вычислительную систему с пультом оператора, монитором и периферийными устройствами. ГАСМ выполняет следующие функции: поиск мин; классификацию якорных мин; классификация донных мин; оформление карты морского дна. Излучение и прием гидроакустического сигнала выполняет фазированная антенная решетка. Генераторное устройство содержит формирователь диаграммы направленности и предназначено для формирования зондирующего сигнала. Коммутатор приема-передачи обслуживает избирательно одну из трех частей антенной решетки и соединяет ее в режиме излучения с генераторным устройством и в режиме приема с предварительными усилителями. Тракт предварительной обработки состоит из К модулей канального процессора, каждый модуль которого обрабатывает сигналы по 8 каналам. Модули канального процессора обеспечивают прием, согласованную фильтрацию, сжатие динамического диапазона и преобразование в цифровую форму. Оцифрованные данные по оптическому интерфейсу поступают в цифровую вычислительную систему (ЦВС). Обработка данных в ЦВС осуществляется модулями векторного процессора, которые предназначены для формирования ДН при приеме и первичной обработки информации и модулем видеогенератора, который подготавливает и обрабатывает данные для отображения на мониторе. Модуль управляющего процессора обеспечивает функции контроля и управления ГАСМ с пульта оператора и связан через интерфейсы с генераторным устройством и внешними потребителями.

Недостатком такой станции являются возможность обнаружение только мин и миноподобных объектов, погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в воде, и необходимость установки дополнительных ГАС при необходимости расширения решаемых задач.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей гидроакустической станции за счет ведения в НГАС ОБО двух ЦВС и дополнительных трактов: тракта измерения скорости звука, цифроаналогового тракта прослушивания и тракта предварительной обработки, выполненного как комплексный управляемый тракт предварительной обработки ГАС, что делает способным НГАС ОБО решать не только традиционные задачи ГАСМ и ГАС обнаружения и сопровождения, но и обеспечивать более эффективное решение задач обнаружения навигационно-опасных объектов, расширить возможности цифровой обработки и отображения гидроакустической информации. Кроме того, НГАС ОБО обеспечивает работу в режимах учебно-тренировочном и гидрологических расчетов.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в ГАСМ, содержащую приемопередающую двухмерную антенную систему, соединенную через коммутатор приема-передачи с трактом предварительной обработки, генераторное устройство, выходы которого подключены ко входам коммутатора приема-передачи, и первую цифровую вычислительного систему (ЦВС 1), соединенную с выходами тракта предварительной обработки двумя параллельными интерфейсами, дополнительно введены вторая цифровая вычислительная система (ЦВС 2), тракт измерения скорости звука в морской воде (ИСЗ) и цифроаналоговый тракт прослушивания, причем два выхода ЦВС 1 соединены с двумя входами ЦВС 2, третий выход ЦВС 1 подключен к цифроаналоговому тракту прослушивания, третий вход ЦВС 2 соединен с трактом ИСЗ, ЦВС 2 подключена к тракту предварительной обработки, выход управления ЦВС 2 подключен к управляющему входу генераторного устройства, остальные выходы ЦВС 2 являются выходами на периферийные устройства, а тракт предварительной обработки выполнен в виде многоканального тракта комплексной предварительной обработки и содержит последовательно соединенные усилительное устройство, квадратурный демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, уплотнитель данных и контроллер, подключенный ко всем входящим в тракт предварительной обработки блокам.

На фиг.1 приведена обобщенная структурная схема заявляемой НГАС ОБО, где приняты следующие обозначения:

1 - антенная система;

2 - коммутатор приема-передачи;

3 - тракт предварительной обработки;

4 - генераторное устройство;

5 - ЦВС 1;

6 - ЦВС 2;

7 - тракт измерения скорости звука в морской воде;

8 - цифроаналоговый тракт прослушивания;

9 - усилительное устройство;

10 - квадратурный демодулятор;

11 - аналого-цифровой преобразователь;

12 - уплотнитель данных;

13 - контроллер.

На фиг.2 приведена обобщенная структурная схема ГАСМ - прототипа изобретения, где приняты следующие обозначения:

1 - антенная система;

2 - коммутатор приема-передачи;

3 - тракт предварительной обработки;

4 - генераторное устройство;

5 - ЦВС 1.

Антенная система 1 представляет собой двумерную фазированную антенную решетку из K×N акустических преобразователей [1, с.74-82].

Коммутатор приема-передачи 2 может быть выполнен по диодно-трансформаторной схеме вместе с предварительными усилителями [4, с.69-73].

Тракт 3 предварительной обработки выполнен в виде тракта комплексной предварительной обработки и содержит последовательно соединенные усилительное устройство 9, квадратурный демодулятор 10, аналого-цифровой преобразователь 11, уплотнитель данных 12 и контроллер 13.

Генераторное устройство 4 содержит генератор зондирующего сигнала, устройство формирования характеристик направленности и усилители мощности и выполнено традиционно [1, с.91-99].

ЦВС 1 представляют собой совокупность универсальных и специальных процессоров и имеет структуру многопроцессорной ЭВМ цифровой обработки сигналов.

ЦВС 2 представляют собой универсальную управляемую ЭВМ управления, обработки видеоизображения с возможностью формирования информации на 2 мониторах и интерфейсами обмена с внешними системами.

Тракт 7 измерения скорости звука в морской воде содержит акустическую базу, датчик температуры и преобразователь скорости звука в частоту и выполнен согласно полезной модели РФ по заявке №2001116355/20(017269).

Цифроаналоговый тракт 8 прослушивания представляет собой классическую схему ЦАП и усилителя мощности.

Заявляемая НГАС ОБО работает следующим образом. Излучение зондирующих сигналов и прием эхо-сигналов осуществляется двумерной антенной системой 1 В генераторное устройство 4 из ЦВС 2 по интерфейсу управления поступают команды управления и режимов излучения. Сформированные зондирующие импульсы поступают на многоканальный усилитель мощности, где усиливаются и через коммутатор приема-передачи 2 поступают на антенную систему 1, где преобразуются в акустические сигналы. Акустические эхо-сигналы принимаются антенной системой 1, преобразуются в электрические и через коммутатор приема-передачи 2 поступают для предварительной обработки в тракт 3. Аппаратура тракта 3 является общей для всех комплексных режимов НГАС ОБО и способна изменять свои характеристики при изменении режимов работы ГАС под управлением оператора с пульта ЦВС 2. В тракте 3 в усилительном устройстве 9 сигналы каждого канала усиливаются, фильтруются в требуемой полосе, подвергаются сжатию динамического диапазона при помощи ВАРУ, с помощью РРУ обеспечивается согласование с динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразования. В квадратурном демодуляторе 10 производится перенос спектра сигнала с выделением синусно-косинусных квадратурных составляющих, после чего сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь 11. С выхода аналого-цифрового преобразователя сигналов поступают на уплотнитель данных 12, где производится упаковка данных для передачи по двум параллельным интерфейсам в ЦВС 1. Контроллер 13 принимает команды от ЦВС 2, управляет работой тракта 3 и передает контрольную и диагностическую информацию в ЦВС 2.

В заявленной НГАС ОБО обработка гидролокационной информации разделяется на этап первичной обработки, выполняемой на этапе одного обзора и этап вторичной обработки, выполняемой на нескольких обзорах.

На этапе первичной обработки решаются следующие задачи:

формирование статистического веера характеристик направленности в вертикальной плоскости (ВП) и горизонтальной плоскости (ГП);

согласованная фильтрация;

предварительная обработка со стационаризацией сигнала по дистанции;

адаптивное формирование порогов обнаружения и сопровождения;

полуавтоматическое (с участием оператора) или автоматическое обнаружение точечных и локально-протяженных объектов;

измерение координат обнаруженных отметок;

формирование формуляров обнаруженных отметок и выдача их на вторичную обработку;

формирование индикаторных массивов гидроакустической информации.

На этапе вторичной обработки сигналов решаются следующие задачи:

полуавтоматический или автоматический захват обнаруженных целей на сопровождение и завязка траекторий;

автоматическое сопровождение целей, формирование и сглаживание траекторий целей, формирование информации о параметрах движения целей;

автоматическое определение навигационно-опасных по параметрам движения и относительным координатам целей;

формирование автоматических решений по классу обнаруженной цели;

формирование формулярной информации по сопровождаемым целям;

сброс целей с сопровождения.

Обработка гидролокационной информации происходит по следующему алгоритму.

На вход ЦВС 1 из комплексного тракта предварительной обработки поступают отсчеты комплексной огибающей сигналов с К×N датчиков. В ЦВС 1 производится формирование L диаграмм направленности. Формирование характеристик направленности (ХН) ведется методом взвешенного суммирования соответствующих отсчетов от К датчиков, расположенных на одной вертикали в антенне.

где x_n,k - одномоментные комплексные отсчеты огибающей для n-го датчика яруса K;

у_n,L - диаграмма направленности в вертикальной плоскости для n-го датчика в направлении L;

w_n,L - комплексный весовой коэффициент яруса К в направлении L.

Формирование ХН в горизонтальной плоскости производится в спектральной области для каждого из L направлений по вертикали. За один цикл зондирования формируется заданное число характеристик направленности в секторе обзора (курсовой веер). Сначала производится накопление выборки из М точек по каждому из датчиков, причем выборки перекрываются. Затем производится вычисление спектрограммы методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Значение спектрального отсчета получается по формуле

где у_L,n(m) - комплексные отсчеты диаграммы по L-направлению по вертикали датчика n;

Z_L,n(m) - значение спектрального отсчета на частоте m L-направления;

М - длина выборки.

Собственно диаграммоформирование производится вычислением взвешенной суммы отсчетов для одинаковой частоты по N каналам. Номера дискрет для вычисления сумм зависят от длительности зондирующего импульса. Формирование ведется по следующей формуле:

где G_n(i) - значение спектрального отсчета на частоте k для ХН номер i;

Z_n(k) - значение спектрального отсчета на частоте k для датчика n;

W_n(k,i) - весовой коэффициент для датчика n на частоте k для ХН номер i;

N - количество датчиков в антенне.

Затем производится возврат во временную область с отбрасыванием “лишних” точек. Возврат производится вычислением обратного преобразования Фурье от сформированных характеристик направленности по горизонтали по формуле

где G_n(k) - комплексные отсчеты диаграммы по горизонтали от датчика n;

Z_n(m) - значение отсчета в момент времени m для датчика n;

М - длина выборки.

По сформированным характеристикам направленности производится коррекция амплитуды. Коррекция производится путем домножения на константу, зависящую от направления в пространстве, и обеспечивает учет изменения коэффициента концентрации в зависимости от положения ХН.

Далее производится согласованная с излучаемым сигналом фильтрация и вычисление модуля. При осуществлении фильтрации производится умножение в каждом пространственном канале временной выборки комплексных дискрет z_n(m) на импульсные характеристики h(k) для пространственных каналов основного веера ХН. Суммирование результатов перемножения осуществляется на длительности существования сигнала (Т-дискрет)

где h(k) - импульсные характеристики согласованного фильтра;

Т - длина импульсной характеристики.

Полученные значения Y_n(m) сохраняются для дальнейшего их использования и реализации алгоритма обработки полученного на этапе диаграммоформирования гидролокационного изображения.

На следующем этапе производится прореживание полученной информации. При прореживании сигнала применяется принцип "максимальный из N". Прореженные сигналы направляются на подготовку к индикации на монитор 1 в ЦВС 2 и для дальнейшей обработки.

В ЦВС 1 выполняется двумерная медианная фильтрация в каждом из L направлений скользящей апертурой, производится оценивание неизвестных параметров помех, стационаризация гидролокационного изображения, формирование порогов обнаружения и автоматического сопровождения.

Массивы данных направляются на подготовку к индикации на экране монитора 2 в ЦВС 2 и в блок автоматического обнаружителя в ЦВС 1. В блоке автоматического обнаружителя выполняются расчеты по заданному алгоритму обнаружения. На обнаруженные цели производится заполнение формуляров. Подготовленные формуляры обнаруженных целей с номером передаются на сопровождение и классификацию по команде оператора (в ручном режиме) или автоматически. Данные обнаружения используются для определения координат целей и угла места прихода лучей от них. Для уточнения координат по курсовому углу используется суммарно-разностный метод.

В ЦВС 1 выполняется прореживание для индикации и подготовка индикационных массивов и осуществляется подготовка формуляров для передачи в систему отображения, регистрации, документирования и управления (СОРДиУ). Для уточнения скорости выбранного объекта производится формирование единственной диаграммы направленности для угла наклона, задаваемым из СОРДиУ. Уточнение скорости производится по максимуму значения взаимокорреляционной функции между спектром сформированной диаграммы направленности и набором спектров фильтров, настроенных каждый на свою частоту. Также спектр сформированной диаграммы направленности переносится вниз для перевода во временную область и выдачу на цифроаналоговый тракт 8 прослушивания, предназначенный для формирования сигнала прослушивания из цифровых эхо-сигналов любого выбранного канала.

Для обеспечения работы алгоритмов из СОРДиУ передаются необходимые управляющие параметры.

В ЦВС 2 из ЦВС 1 по двум цифровым интерфейсам поступают гидроакустические данные, прошедшие первичную и вторичную обработку В ЦВС 2 осуществляется:

управление режимами работы НГАС ОБО;

формирование массивов гидроакустической информации для систем отображения, регистрации и документирования;

формирование формуляров и таблиц классификационных признаков;

формирование сигналов управления при постановки цели на автоматическое сопровождение и решения задачи классификации;

формирование информационных массивов и обмен ими с внешними информационными системами.

С тракта 7 на ЦВС 2 поступает информация для использования в гидрологических расчетах.

Комплексные режимы учебно-тренировочный и гидрологических расчетов не имеют своего отдельного тракта и реализуются с использованием аппаратуры комплексного тракта предварительной обработки и соответствующего функционального программного обеспечения.

Гидроакустическая навигационная станция освещения ближней обстановки обладает рядом достоинств, которые при малых массогабаритных характеристиках и стоимости позволяют обнаруживать, классифицировать объекты не только в активном режиме, но и в режиме шумопеленгования (пассивном режиме), а режим гидрологических расчетов совместно с трактом измерения скорости звука в морской воде обеспечивает по вертикальному распределению скорости звука построение лучевой картины с целью оптимизации положения ХН в ВП и прогнозирования зон контакта. Учебно-тренировочный режим позволяет проводить тренировочные учения по управлению НГАС ОБО.

Активный режим обнаружения способен решать следующие задачи: обеспечение прохода судна через проливы и узкости; обеспечение определения границ минных заграждений, состоящих из якорных мин; обеспечение определения проходов в минных заграждениях; уклонение от минных банок; безопасность всплытия; навигация подо льдом, обнаружение и классификация якорных мин, одиночных или групп, во время операций под водой; обнаружение подводных объектов и надводных объектов, навигационных и ледовых препятствий, полыней и разводий впереди по курсу судна; отображение на цветном индикаторе: береговой кромки при проходе через узкости и подходе к берегу; нижней поверхности льда, полыней и разводий при плавании подо льдом; автоматическое сопровождение до Р целей одновременно.

Пассивный режим гидроакустической станции не может существовать одновременно с активным режимом и предназначен для решения следующих задач: обнаружение надводных кораблей и подводных лодок; выдача в информационную систему истинного или относительного пеленга на цель; обеспечение необходимыми данными для удержания места ПЛ в ордере; автоматическое сопровождение до 20 обнаруженных объектов; прослушивание сигнала через громкоговоритель, головные телефоны или удаленные внешние аудиосистемы.

Литература

1. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. Л.: Судостроение, 1982, с.138-142.

2. Применение цифровой обработки. /Под редакцией Э.Опепенгейма. М.: Мир, 1980, с.429-431.

3. Intemation Defend Revue, 10, 1991, р.279-284.

4. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции. Л.: Судостроение, 1982.

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 ГАСМ, 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 (ИСЗ) и цифроаналоговый тракт прослушивания, содержит усилительное устройство, квадратурный демодулятор аналого-цифровой преобразователь, уплотнитель данных и контроллер. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки (НГАС ОБО), содержащая двумерную приемопередающую антенную систему, соединенную через коммутатор приема-передачи с трактом предварительной обработки, генераторное устройство, выходы которого подключены ко входам коммутатора приема-передачи и первую цифровую вычислительную систему (ЦВС 1), соединенную с выходами тракта предварительной обработки двумя параллельными интерфейсами, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительно вторая цифровая вычислительная система (ЦВС 2), тракт измерения скорости звука в морской воде (ИСЗ) и цифроаналоговый тракт прослушивания, причем два выхода ЦВС 1 соединены с двумя входами ЦВС 2, третий выход ЦВС 1 подключен к цифро-аналоговому тракту прослушивания, третий вход ЦВС 2 соединен с трактом ИСЗ, ЦВС 2 подключена к тракту предварительной обработки, выход управления ЦВС 2 подключен к управляющему входу генераторного устройства, остальные выходы ЦВС 2 являются выходами на периферийные устройства.2. НГАС ОБО по п.1, отличающаяся тем, что тракт предварительной обработки выполнен в виде многоканального тракта комплексной предварительной обработки и содержит последовательно соединенные усилительное устройство, квадратурный демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, уплотнитель данных и контроллер, подключенный ко всем входящим в тракт предварительной обработки блокам.