Способ обнаружения и определения дистанции с помощью взрывного сигнала в гидроакустической локальной сетевой системе связи Российский патент 2019 года по МПК G01S15/06 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхо-сигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов в гидроакустической локальной сетевой системе связи. Взрывные источники, обладая большой мощностью и хорошей разрешающей способностью позволяет обеспечить освещение подводной обстановки в нужное время и в нужном месте.

Известен способ измерения дистанции по патенту РФ №2541699. Способ содержит излучение взрывного сигнала, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ и отображение на индикаторе. В соответствии с известным способом измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог, принимают сигнал прямого распространения, который превысил выбранный порог, определяют время приема сигнала прямого распространения от излучателя до приемника Т_прям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф_прям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема эхо-сигнала Т_эхо, измеряют спектр эхо-сигнала, определяют полосу спектральных составляющих превысивших порог Ф_эхо, определяют дистанция по формуле Д_изм = К (Ф_прям - Ф_эхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра при распространении.

Недостатком данного способа является то, что может иметь место большая ошибка измерения дистанции, связанная с коэффициентом частотного затухания в конкретном районе использования, значение которого не известно в точке приема.

Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу является гидроакустический способ измерения дистанции с использованием взрывного сигнала по патенту РФ №2546852. Способ содержит следующие операции: сигнал взрывного источника излучают на удалении от точки приема на фиксированной глубине и в фиксированное время Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляют статическим веером характеристик направленности, измеряют уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирают порог обнаружения, принимают сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, определяют направление прихода сигнала прямого распространения α₀, определяют время прихода сигнала прямого распространения Т_пр, рассчитывают дистанцию от точки приема до источника взрывного сигнала d = (Т_пр - Т_из)С, где С - скорость звука в воде, принимают эхо-сигнал, отраженный от объекта, определяют направление β₀ прихода эхо-сигнала, определяют время прихода эхо-сигнала Т_эс, определяют время распространения взрывного сигнала от источника до приемника t_c = (Т_эс - Т_из), определяют дистанцию распространения сигнала от источника до приемника и от цели до точки приема R_c = C*t_c, определяют разность углов (α₀ - β₀) между направлением «приемник - источник излучения» и направлением «приемник - цель», а дистанцию Д до цели определяют по формуле:

Этот способ позволяет получить оценку дистанции с погрешностью существенно меньше, чем предыдущий способ.

Недостатком этих способов является установка взрывных источников в морскую среду с установкой фиксированного времени применения, что не всегда может быть использовано для решения конкретных задач. При этом всегда необходимо связывать время установки и использования.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей взрывных источник с использованием локальной сетевой линии гидроакустической связи.

Техническим результатом является обеспечение освещения подводной обстановки в нужное время и в нужном месте.

Для обеспечения указанного технического результата в способ обнаружения и определения дистанции с помощью взрывного сигнала, содержащий излучение взрывного сигнала взрывным источником сигналов, прием основным обнаружителем эхо-сигнала от объекта, измерение уровня помехи по всем пространственным каналам, выбор порога обнаружения, фильтрацию эхо-сигнала, детектирование, интегрирование, пороговый анализ, определение направления α₀ на источник взрывного сигнала, определение направления β₀ эхо-сигнала на объект, расчет дистанции d от основного обнаружителя до источника взрывного сигнала, расчет дистанции Д от основного обнаружителя до объекта по формуле , где R_c - дистанция распространения взрывного сигнала от взрывного источника до объекта и далее до основного обнаружителя, и вывод информации на индикатор, введены новые признаки, а именно взрывной источник выполняют многоразовым, установленным в автономном корпусе с автономной аппаратурой приема и излучения, в известное время Т_из, излучают основным обнаружителем кодированный сигнал связи, принимают приемной аппаратурой взрывного источника кодированный сигнал связи, декодируют принятый сигнал связи последовательностью частотных фильтров, и, если коды совпадают, излучают ответный тональный сигнал короткой длительности автономной аппаратурой излучения взрывного источника, и запускает выпуск источника взрывного сигнала; основным обнаружителем определяют время приема взрывного сигнала прямого распространения Т_пр, направление на источник взрывного сигнала α₀ определяют после прихода ответного тонального сигнала, определяют время излучения взрывного сигнала по формуле Т_из.вс = Т_из + (Т_из - Т_пр)/2, дистанцию d от основного обнаружителя до источника взрывного сигнала рассчитывают по формуле d = С (Т_из - Т_из.вс)_, принимают эхо-сигнал взрывного источника, отраженный от объекта и определяют время Т_эхо его приема основным обнаружителем, определяют время Т_р._э распространения взрывного сигнала от взрывного источника до объекта и далее до основного обнаружителя Т_р.э = (Т_эхо - Т_из.вс), определяют R_с = Т_р.эС_зв, после чего определяют дистанцию до обнаруженного объекта.

Источник взрывного сигнала содержит несколько автономных зарядов, заключенных в оболочку, каждый из которых автономно приводится в действие при совпадении принятой кодовой посылки с установленным кодом.

Каждую кодовую посылку при каждом очередном излучении изменяют в новой последовательности, зафиксированной при очередном приеме и при излучении кодированного излучения.

Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения является обеспечение освещения подводной обстановки в нужное время, в нужном месте и увеличение срока службы установленного взрывного устройства за счет многоразового использования.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Установка взрывного источника обнаружения может производиться различными способами. При этом для нормального его использования необходимо точное знание координат установки источника, либо точное время излучения. В прототипе используется точное время излучения, что характерно для одноразового использования взрывного сигнала. Точное знание координат источника можно получить в том случае, если установка источника производится с поверхности, когда координаты установки могут быть точно определены. Однако, и в этом случае за счет свободного падения на большую глубину положение взрывного источника будет иметь случайную ошибку. Поэтому предлагается сформировать взрывной источник многоразового использования, который в своем составе содержит контейнер с одноразовыми зарядами связанный с гидроакустическим буем. Гидроакустический буй состоит из приемного устройства с дешифратором входного сигнала и исполнительного механизма, который связан с контейнером взрывного источника многоразового использования (КВИМИ). Такие гидроакустические буи с маяком ответчиком являются известными устройствами, которые находят свое применение в современных навигационных средствах. (В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов, Н.А. Толстякова, Г.В. Яковлев «Гидроакустические навигационные средства» Судостроение Л. 1983 г. стр. 71). Гидроакустический буй с КВИМИ может быть предварительно установлен в любое удобное время либо с надводного корабля, либо с подводной лодки. Для обзора пространства на больших дистанциях и во всех направлениях необходимо привести в действие КВИМИ, для чего используется одноразовая кодовая посылка, излучаемая с основного обнаружителя, установленного на надводном корабле или на подводной лодке в известное время Т_из. Необходимость одноразовой кодовой посылки обусловлена тем, что необходимо исключить срабатывание КВИМИ от случайных или преднамеренных простых сигналов. Кодовая посылка представляет собой набор нескольких сигналов высокой частоты, следующих в определенной последовательности. Высокая частота и малая мощность обеспечивает необходимую дальности прямого распространения для обнаружения кодового сигнала в известном районе установки. Для каждого КВИМИ закреплена своя последовательность изменения кодового сигнала. При получении кодового сигнала запроса КВИМИ включается излучение короткого сигнала ответа и одновременно включается механизма освобождения взрывного сигнала из контейнера. Излучение короткого сигнала необходимо для определения координаты положения и включения системы приема и обработки взрывного сигнала. Приемное устройство основного обнаружителя содержит антенну со статическим веером характеристик направленности, который позволяет принимать ответный сигнал КВИМИ, определять время приема сигнала Т_пр и направление принятого сигнала α₀, что обеспечит высокую точность определения положения координат КВИМИ и время выпуска источника взрывного сигнала из контейнера Т_из.вс = Т_из + (Т_из - Т_пр)/2. После чего, по известной процедуре, изложенной в прототипе, производится обнаружения эхо-сигнала от объектов и измерение дистанции и направления до обнаруженных объектов.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Гидроакустический автономный буй (ГАБ) 1, в состав которого входят последовательно соединенные антенна 2, блок 3 приемник с дешифратором, блок определения кода 4, блок ответного сигнала 5, исполнительный механизм 7, контейнер взрывного источника многоразового использования (КВИМИ) 6. Второй выход блока 4 через блок 5 ответного сигнала соединен с входом антенны 2.

Основной обнаружитель 8, в состав которого входят последовательно соединенные антенна 9, блок 10 приемник с системой формирования характеристик направленности (СФХН), спецпроцессор 11, блок 16 управления, отображения и формирования кодовой посылки, блок 17 блок излучения ответа на запроса, выход которого соединен со входом антенны 9. Спецпроцессор 11 содержит последовательно соединенные блок 12 измерения времени прихода сигналов Т_из, Т_вз.с, Т_эхо, блок 13 измерения углов прихода α⁰, β⁰, блок 14 определения координаты ГАБ, блок 15 определения дистанции, при этом вход спецпроцессора 11 является входом блока 12, а его выход, выходом блока 15. Спецпроцессор является известным устройством, который предназначен для обработки информации в цифровом виде и содержит последовательное решение задач, связанных с поступающей информацией. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную по частоте обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхо-сигналов и временных отсчетов, и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в литературе. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт - Петербург. « Наука.» 2004 г. Стр. 95-99, стр. 237-255). Использование цифровой техники позволяет оперативно обрабатывать информацию любой сложности на основе разработанных алгоритмов. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М. Мир. 1980 г. В качестве обнаружителя может быть использован любой гидроакустический комплекс, который применяется для повседневного использования на подводных лодках и надводных кораблях. Примеры, реализованных гидроакустических цифровые вычислительные комплексов и систем для подводных лодок и надводных кораблей, приведены на стр. 236-346 Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт - Петербург.« Наука.» 2004 г. В качестве гидроакустического автономного буя ГАБ могут быть использованы гидроакустические маяки ответчики, которые имеют возможности принимать сигнал запроса и формировать сигнал ответа. В этих же корпусах могут быть расположены КВИМИ контейнеры взрывных источников многоразового использования с исполнительным механизмом см. там же стр. 335, а также В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов, Н.А Толстякова, Г.В. Яковлев «Гидроакустические навигационные средства» Судостроение, Л., 1983 г., стр. 71.

Реализацию способа целесообразно продемонстрировать на примере работы устройства (фиг. 1). Основной обнаружитель приходит в район работы, где установлен ГАБ с КВИМИ. Оператору известны ориентировочные координаты постановки ГАБ и характеристики сигнала кодового запроса. Антенна 9 основного обнаружителя излучает кодовый сигнал, сформированный блоком 17 в известное время Т_из, который распространяется и принимается антенной 2 ГАБ 1, усиливается приемником с дешифратором 3 и поступает на блок 4, который определяет правильность последовательности поступившего кодового сигнала. При совпадении кодового сигнала со структурой дешифратора с выхода блока 4 сигнал поступает на исполнительный механизм 7 КВИМИ, освобождающий источник взрывного сигнала, который поднимается к поверхности. Одновременно поступает сигнал в блок 5, где формируется ответный сигнал на запрос основного обнаружителя, который сигнализирует о пространственном положении ГАБ 1 и выпущенном источнике взрывного сигнала. Ответный сигнал принимается основным обнаружителем, определяется время прихода ответного сигнала и направление прихода прямого сигнала. По этим данным рассчитывается время выпуска источника взрывного сигнала КВИМИ по формуле Т_из.вс = Т_из + (Т_из - Т_пр)/2. Источник взрывного сигнала поднимается к поверхности и на определенной глубине производится взрыв, который образует акустический сигнал большой мощности, распространяющийся равномерно по всем направлениям. После приема взрывного сигнала аппаратура основного обнаружителя переходит в режим приема и обработки эхо-сигналов от объектов, которые обнаружены при распространении взрывного сигнала. Отраженные эхо-сигналы принимаются антенной обнаружителя 9, обрабатываются приемником 10 с системой формирования характеристик направленности СФХН и передаются на спецпроцессор 11 обнаружителя, где производится цифровая обработка принятых эхо-сигналов Т_из, Т_пр и Т_эхо в блоке 12 спецпроцессора. В блоке 13 производится измерение углов прихода и определения направления прихода эхо-сигналов α⁰, β⁰. На основании этих данных в блоке 14 определяются точные координаты положения ГАБ 1. В блоке 15 спецпроцессора на основании произведенных измерений и промежуточных вычислений определяют дистанцию распространения сигнала от источника до объекта и от объекта до точки приема основным обнаружителем Rc=Tp.э Сзв, определяется разность углов (α₀-β₀) между направлением «приемник-источник излучения» и направлением «приемник-объект», определяется дистанция Д до объекта по формуле:

и их пространственные положения относительно положения обнаружителя по углам α₀ и β₀. Полученные параметры отображаются в блоке 16 основного обнаружителя.

Выше описана работа с использованием одного гидроакустического буя. Количество используемых для работы буев, может быть увеличено и они могут быть объединены единой локальной системой связи, что определяется конкретными задачами и районом их использования.

Таким образом, используя стандартные гидроакустические комплексы и контейнеры взрывных источников многоразового использования, а также гидроакустическую локальную сетевую систему связи с гидроакустическими буями, можно обеспечивать скрытное освещение подводной обстановки в нужное время и в нужном месте.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхо-сигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов в гидроакустической локальной сетевой системе связи. Взрывные источники, обладая большой мощностью и хорошей разрешающей способностью, позволяют обеспечить освещение подводной обстановки в нужное время и в нужном месте. Способ измерения дистанции содержит излучение взрывного сигнала взрывным источником сигналов, прием основным обнаружителем эхо-сигнала от объекта, фильтрацию эхо-сигнала, детектирование, интегрирование, пороговый анализ, определение дистанции Д по формуле , вывод информации на индикатор, взрывной источник выполняют многоразовым, установленным в автономном корпусе с автономной аппаратурой приема и излучения, в известное время Т_из излучают основным обнаружителем кодированный сигнал связи, принимают аппаратурой взрывного источника кодированный сигнал связи, декодируют принятый сигнал связи последовательностью частотных фильтров, излучают ответный тональный сигнал короткой длительности от взрывного источника, который подтверждает факт выпуска источника взрывного сигнала, определяют время приема взрывного сигнала прямого распространения Т_пр основным обнаружителем, измеряют скорость звука С_зв, определяют направление на источник взрывного сигнала α₀, определяют время излучения взрывного сигнала по формуле Т_из.вс = Т_из + (Т_из - Т_пр)/2, принимают эхо-сигналы взрывного источника, отраженные от объекта, и определяют время приема эхо-сигнала Т_эхо, определяют время Т_р._э распространения взрывного сигнала Т_р._э = (Т_эхо - Т_из.вс), определяют R_c дистанцию распространения от взрывного источника до отражателя и до основного обнаружителя R_с = T_р.э С_зв, определяют направление на эхо-сигнал от объекта β₀, после чего определяют дистанцию до обнаруженного объекта. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения и определения дистанции с помощью взрывного сигнала, содержащий излучение взрывного сигнала взрывным источником сигналов, прием основным обнаружителем эхо-сигнала от объекта, измерение уровня помехи по всем пространственным каналам, выбор порога обнаружения, фильтрацию эхо-сигнала, детектирование, интегрирование, пороговый анализ, определение направления α₀ на источник взрывного сигнала, определение направления β₀ эхо-сигнала на объект, расчет дистанции d от основного обнаружителя до источника взрывного сигнала, расчет дистанции Д от основного обнаружителя до объекта по формуле где R_c – дистанция распространения взрывного сигнала от взрывного источника до объекта и далее до основного обнаружителя, и вывод информации на индикатор, отличающийся тем, что взрывной источник выполняют многоразовым, установленным в автономном корпусе с автономной аппаратурой приема и излучения, в известное время Т_из излучают основным обнаружителем кодированный сигнал связи, принимают приемной аппаратурой взрывного источника кодированный сигнал связи, декодируют принятый сигнал связи последовательностью частотных фильтров, и, если коды совпадают, излучают ответный тональный сигнал короткой длительности автономной аппаратурой излучения взрывного источника, и запускают выпуск источника взрывного сигнала, основным обнаружителем определяют время приема взрывного сигнала прямого распространения Т_пр, направление на источник взрывного сигнала α₀ определяют после прихода ответного тонального сигнала, определяют время излучения взрывного сигнала по формуле Т_из.вс=Т_из+(Т_из - Т_пр)/2, дистанцию d от основного обнаружителя до источника взрывного сигнала рассчитывают по формуле d=С(Т_из - Т_из._вс), принимают эхо-сигнал взрывного источника, отраженный от объекта, и определяют время Т_эхо его приема основным обнаружителем, определяют время Т_р._э распространения взрывного сигнала от взрывного источника до объекта и далее до основного обнаружителя Т_р._э=(Т_эхо - Т_из._вс), определяют R_c=T_р._э С_зв, после чего определяют дистанцию до обнаруженного объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что источник взрывного сигнала содержит несколько автономных зарядов, заключенных в оболочку, каждый из которых автономно приводится в действие при совпадении принятой кодовой посылки с установленным кодом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждую кодовую посылку при каждом очередном излучении изменяют в новой последовательности, зафиксированной при очередном приеме и при излучении кодированного излучения.