ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ КОНТРОЛЯ ВНЕШНЕЙ ОБСТАНОВКИ Российский патент 2016 года по МПК G01S15/04 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для контроля внешней обстановки вокруг охраняемых объектов, например, буровых платформ, гидротехнических сооружений, судов, а также для обнаружения и сопровождения подводных объектов, вторгающихся в контролируемую акваторию натурного водоема, например, в зону гидроакустического полигона, буровых платформ, судов.

Известно устройство станции контроля внешней обстановки аналогичного назначения, содержащее акустические приемники, установленные в земле в точках, расположенных на пути излучающих пучков, при этом в качестве источника звука в океане используется наклонная прибрежная часть земли, которая излучает пучки энергии на заданных частотах. Обработка отраженного сигнала позволяет осуществлять контроль подводной обстановки и обнаруживать подводные объекты в заданной области натурного водоема (Патент США N4183009, кл. 367-117 (Н04В 11/00), 1980 г.).

Недостатками этого устройства являются ограниченность его применения вблизи прибрежной зоны океана, а также невысокая чувствительность в связи с использованием отраженного (рассеянного) от объекта излучения.

Известна гидроакустическая станция контроля внешней обстановки, например, для обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую область натурного водоема, содержащая гидроакустические излучатели различных зон контролируемой водной акватории и приемники акустического сигнала, провзаимодействовшего с подводным объектом, а также блок определения местоположения, курса и скорости движения объекта по параметрам принятого сигнала (Патент США №4319349, МПК G01S 15/04, 1982 г.).

Недостатком устройства является малое соотношение сигнал/шум в принимаемом сигнале ввиду использования рассеянного излучения и отсутствия скрытности в процессе поиска нарушителя.

Известна гидроакустическая станция контроля внешней обстановки, например, для обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую область натурного водоема, содержащая гидроакустический излучатель различных зон контролируемой водной акватории и приемник акустического сигнала, провзаимодействовшего с подводным объектом, блок определения местоположения, курса и скорости движения объекта по параметрам принятого сигнала, а также систему отражателей, расположенных вдоль эллиптической поверхности, в фокусах которой размещены гидроакустический излучатель и гидроакустический приемник, причем последний выполнен с равномерной характеристикой направленности (Патент РФ №2150123, МПК G01S 3/80, G01S 15/04, 16.06.1999 г.).

Недостатком устройства является сложность расстановки системы отражателей в контролируемой области принимаемого сигнала, ввиду использования рассеянного излучения и отсутствия скрытности в процессе поиска нарушителя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому является известная гидроакустическая станция контроля внешней обстановки, включающая подводный модуль с излучающей и приемной антеннами, надводный блок обработки и визуализации, подводный кабель связи, соединяющий подводный модуль с надводным блоком обработки и визуализации, а также генератор и коммутатор, через который генератор подключен к излучающей и приемной антеннам (Ю.А. Корякин и др. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб.: Изд-во «Наука», 2004 г., стр. 340).

Недостатком известного устройства является малая скорость обзора пространства и невозможность получения трехмерного изображения.

Техническим результатом изобретения является увеличение скорости обзора пространства и обеспечение возможности получения трехмерного изображения.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической станции контроля внешней обстановки, включающей подводный модуль с излучающей и приемной антеннами, надводный блок обработки и визуализации, подводный кабель связи, соединяющий подводный модуль с надводным блоком обработки и визуализации, а также генератор, генератор выполнен многоканальным и вместе с излучающей и приемной антеннами размещен в едином подводном модуле, в который дополнительно введены блок многоотводных линий задержки, входы которого подключены к отдельным выходам многоканального генератора, блок сумматоров, входы которого подключены к соответствующим выводам блока многоотводных линий задержки, блок усилителей мощности, к входам которого подключены соответствующие выходы блока сумматоров, а выходы подключены к соответствующим элементам излучающей антенны, блок усилителей, подключенный к элементам приемной антенны, блок аналого-цифровых преобразователей, подключенный к выходу блока усилителей, блок управления, подключенный к выходу блока аналого-цифровых преобразователей и к входу многоканального генератора, и блок интерфейса, подключенный между выходом блока управления и надводным блоком обработки и визуализации, при этом надводный блок обработки и визуализации содержит последовательно соединенные блок распаковки сигналов, блок формирователей характеристик направленности, блок вычисления корреляционных функций и блок формирования акустического изображения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, а на Фиг. 2 - блок-схема блока обработки и визуализации.

Гидроакустическая станция контроля внешней обстановки содержит подводный модуль 1, включающий многоэлементные излучающую антенну 2 и приемную антенну 3. Элементы этих антенн располагаются таким образом, что формируемые ими лучи имеют узкую направленность во взаимно перпендикулярных плоскостях. Примерами таких антенн являются две взаимно перпендикулярные линейные антенны. Элементы одной из антенн могут также располагаться по окружности, ось которой совпадает с линией расположения элементов другой антенны. Подводный модуль содержит также блок усилителей мощности 4, подключенный к входам излучающей антенны 2, блок сумматоров 5, подключенный к входам блока усилителей мощности 4, блок многоотводных линий задержки 6, к входам которых подключены выходы многоканального генератора 7, последовательно соединенные с элементами приемной антенны 3 блок усилителей 8, блок аналого-цифровых преобразователей 9, блок управления 10, выходы которого подключены к входам многоканального генератора 7, и интерфейс Ethernet 11, который через подводный кабель связи 12 соединен с надводным модулем обработки и визуализации 13, который включает последовательно соединенные блок распаковки сигналов 14, формирователь характеристик направленности 15, блок вычисления корреляционных функций 16 и блок формирования акустического изображения 17.

Устройство работает следующим образом.

Подводный модуль 1 размещается в контролируемом водоеме и подключается посредством подводного кабеля связи 12 к надводному блоку обработки и визуализации 13. Блок управления 10 формирует на выходе многоканального генератора 7 сигналы излучения S_l(t), состоящие из независимых М-последовательностей. Число сигналов равно числу лучей L, формируемых излучающей антенной 2. В блоке многоотводных линий задержки 6 для каждого из этих сигналов формируются сдвинутые во времени копии сигналов. Число копий равно числу элементов излучающей антенны N. Величина временного сдвига приравнивается времени упреждения τ_li прихода сигнала с заданного направления на соответствующий элемент излучающей антенны:

$$S_{1,il}(t)=S_l(t-{\tau }_{il}),i=\overline{1,N},l=\overline{1,L},$$

В блоке сумматоров 5 выполняется сложение сформированных сигналов по всем элементам излучающей антенны для всех направлений ее компенсации:

$$S_{2,i}(t)={\displaystyle \sum _{l=1}^L{S}_{1,il}(t).}$$

Сформированные таким образом сигналы после усиления в блоке усилителей мощности 4 подключаются к соответствующим элементам излучающей антенны 2.

Сигналы с выхода элементов приемной антенны 3 раздельно усиливаются в блоке усилителей 8, оцифровываются в блоке аналого-цифровых преобразователей 9 и через блок управления 10, интерфейс Ethernet 11, по подводному кабелю 12 поступают на надводный модуль обработки и визуализации 13, выполненный на базе персонального компьютера с интерфейсом Ethernet.

Блок-схема обработки, выполняемой над принятыми сигналами, представлена на фиг. 2. Блок распаковки сигналов 14 осуществляет распаковку принимаемого сигнала на сигналы S_3,r(t) от отдельных элементов приемной антенны 3. В блоке формирователей характеристики направленности 15 производится суммирование этих сигналов с компенсацией их времени прихода на r-й приемный элемент с k-го направления:

$$S_{4,k}(t)={\displaystyle \sum _{r=1}^N{S}_{3,r}(t-{\tau }_{kr}).}$$

В блоке вычисления корреляционных функций 16 выполняется вычисление корреляционной функции сформированных сигналов с каждым из излученных сигналов S_l:

$$S_{5,kl}(\tau \text{})={\displaystyle \underset{t}{\int }{S}_{4,k}(t-\tau )\cdot S_l(t)}\cdot dt.$$

Сформированный сигнал позволяет выделить сигнал, рассеянный элементом трехмерного пространства, координаты которого определяются двумя углами, соответствующими направлениям компенсации приемной и излучающей антенн 2 и 3, и временем задержки, соответствующим дистанции. Модули корреляционных функций отображаются блоком формирования акустического изображения 17.

Таким образом, при каждой посылке зондирующего сигнала производится обзор всего пространства, причем размерность обзора пространства равняется трем, т.е. обеспечивается увеличение скорости обзора пространства и возможность контроля внешней обстановки с получением трехмерного изображения.

Использование: гидроакустика. Изобретение может быть использовано для контроля внешней обстановки вокруг охраняемых объектов, например, буровых платформ, гидротехнических сооружений, судов, а также для обнаружения и сопровождения подводных объектов, вторгающихся в контролируемую акваторию натурного водоема. Сущность: в гидроакустической станции контроля внешней обстановки, включающей подводный модуль с излучающей и приемной антеннами, надводный блок обработки и визуализации, подводный кабель связи, соединяющий подводный модуль с надводным блоком обработки и визуализации, а также генератор, генератор выполнен многоканальным и вместе с излучающей и приемной антеннами размещен в едином подводном модуле, в который дополнительно введены блок многоотводных линий задержки, входы которого подключены к отдельным выходам многоканального генератора, блок сумматоров, входы которого подключены к соответствующим выводам блока многоотводных линий задержки, блок усилителей мощности, к входам которого подключены соответствующие выходы блока сумматоров, а выходы подключены к соответствующим элементам излучающей антенны, блок усилителей, подключенный к элементам приемной антенны, блок аналого-цифровых преобразователей, подключенный к выходу блока усилителей, блок управления, подключенный к выходу блока аналого-цифровых преобразователей и к входу многоканального генератора, и блок интерфейса, подключенный между выходом блока управления и надводным блоком обработки и визуализации, при этом надводный блок обработки и визуализации содержит последовательно соединенные блок распаковки сигналов, блок формирователей характеристик направленности, блок вычисления корреляционных функций и блок формирования акустического изображения. Технический результат: увеличение скорости обзора пространства и обеспечение возможности получения трехмерного изображения. 2 ил.

Гидроакустическая станция контроля внешней обстановки, включающая подводный модуль с излучающей и приемной антеннами, надводный блок обработки и визуализации, подводный кабель связи, соединяющий подводный модуль с надводным блоком обработки и визуализации, а также генератор, отличающаяся тем, что генератор выполнен многоканальным и вместе с излучающей и приемной антеннами размещен в едином подводном модуле, в который дополнительно введены блок многоотводных линий задержки, входы которого подключены к отдельным выходам многоканального генератора, блок сумматоров, входы которого подключены к соответствующим выводам блока многоотводных линий задержки, блок усилителей мощности, к входам которого подключены соответствующие выходы блока сумматоров, а выходы подключены к соответствующим элементам излучающей антенны, блок усилителей, подключенный к элементам приемной антенны, блок аналого-цифровых преобразователей, подключенный к выходу блока усилителей, блок управления, подключенный к выходу блока аналого-цифровых преобразователей и к входу многоканального генератора, и блок интерфейса, подключенный между выходом блока управления и надводным блоком обработки и визуализации, при этом надводный блок обработки и визуализации содержит последовательно соединенные блок распаковки сигналов, блок формирователей характеристик направленности, блок вычисления корреляционных функций и блок формирования акустического изображения.