Гидроакустическая станция подводной лодки с гибкой протяженной буксируемой антенной Российский патент 2022 года по МПК G01S15/87 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в конструкциях различных гидроакустических систем, использующих выпускаемые на кабеле датчики акустических сигналов.

В современных гидроакустических комплексах подводных лодок (ПЛ) имеются, как правило, гидроакустические станции (ГАС) с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004 (п. 2.1.2)], длина которой составляет десятки и сотни метров. ГАС с ГПБА состоит из буксируемой и бортовой частей. Буксируемая часть представляет собой фазированную антенную решетку (ФАР), содержащую гермоблок с модулем формирования данных (МФ) и соединенную с кабель-буксиром. Сигнал от цели, принятый ГПБА, через МФ и кабель-буксир передается в бортовую аппаратуру ГАС, где происходит обработка информации и представление оператору. В состав ГАС может включаться устройство постановки и выборки ГПБА (УПВ), которое предназначено для выпуска/подъема ГПБА с кабель-буксиром. При этих операциях выпускаемая часть наматывается/сматывается на катушку УПВ. Устройство, обеспечивающее передачу информации от буксируемой к бортовой части ГАС, называют токопереходом. Поскольку при выпуске/подъеме катушка вращается, токопереход в современных ГАС с ГПБА представляет собой систему контактов, скользящих по ламелям [1], обеспечивая электрическое соединение, которое должно быть герметизировано.

Известны технические решения, обеспечивающие передачу электрических сигналов между подвижным и неподвижным контактами. Наибольшее количество таких решений относится к электродвигателям в которых имеются статор и ротор [Патент РФ №9660. Многоканальное токосъемное устройство. МПК H01R 39/00. Заявл. 29.07.1998, публ. 16.04.1999; Патент РФ №2611566. Двигатель постоянного тока со скользящими контактами. МПК Н02К 99/00. Заявл. 12.01.2015, публ. 28.02.2017; Патент РФ №2667889. Многосекционный двигатель постоянного тока с кольцевыми скользящими контактами. МПК Н02К 23/05, 25/00. Заявл. 31.07.2017, публ. 25.09.2018]. Скользящее соединение достигается за счет механического контакта между щетками и кольцевым электродом. Для более устойчивого соединения щетки подпружинивают. В многоканальном устройстве [Патент РФ №9660. Многоканальное токосъемное устройство. МПК H01R 39/00. Заявл. 29.07.1998, публ. 16.04.1999] имеется несколько щеток, каждая из которых контактирует со своим кольцом, насаженным на общий вал. Контакт осуществляется в герметизированном корпусе. Общим недостатком таких устройств является быстрый износ щеток и контактов, искрение (что порождает электромагнитные помехи), загрязнение контактирующих поверхностей продуктами износа щеток и колец. Для устранения этих недостатков предлагаются различные износостойкие и мягкие материалы, а также специальные конструкции для выноса продуктов износа из зоны контактов.

Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам является линия связи, предложенная в патенте на полезную модель [Патент РФ №102586. Волоконно-оптическая линия связи для активно-пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной. МПК В63В 21/66, G02B 6/00. Заявл. 28.10.2010, публ. 10.03.2011]. Устройство-прототип предназначено для обеспечения связи в ГАС с ГПБА. ГАС состоит из аппаратуры, расположенной на борту носителя, и выпускаемой с помощью УПВ буксируемой аппаратуры. К бортовой аппаратуре относятся модули обработки информации (МО), выполненные на базе цифровой вычислительной техники. Буксируемая аппаратура состоит из соединенной с кабель-буксиром ГПБА с МФ, обеспечивающим формирование массива цифровых данных. Кабель-буксир через токопереход соединен с бортовой аппаратурой ГАС.

При постановке/выборке ГПБА с кабель-буксиром (буксируемая часть) сматывается/разматывается с катушки УПВ. Линия связи между бортовой и опускаемой частями ГАС осуществляется с помощью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), включающей вращающийся оптический переход, конструктивно расположенный в УПВ. Преимуществом ВОЛС является возможность передачи цифровых данных с высокой скоростью.

Основным отличительным признаком прототипа от известных технических решений является введение дополнительного световода по всей оптической трассе, т.к. при единственном световоде имеется риск его обрыва при постановке/выборке ГПБА, а также при буксировке, т.е. при использовании ГПБА по основному назначению. Ненадежность оптической линии связи остается и при дублирующем световоде. Кроме того, блок токоперехода с вращающимся оптическим переходом требует герметичности и специальной физико-химической обработки (вакуумирование, очистка и пр.) для реализации передачи информации через вращающийся токопереход в оптическом диапазоне частот.

Основной задачей предлагаемого технического решения является обеспечение связи между буксируемой частью ГАС, опускаемой с борта носителя, и бортовой аппаратурой ГАС без электрического или оптического контакта.

К техническим результатам можно отнести

- отсутствие необходимости герметизации токоперехода;

- повышение надежности путем исключения ненадежных элементов конструкции. Для решения поставленной задачи и обеспечения технических результатов в

гидроакустическую станцию, состоящую из буксируемой части и бортовой аппаратуры, соединенных токопереходом, причем буксируемая часть содержит последовательно соединенные ГПБА и первый гермоблок, включающий модуль формирования цифровых данных (МФ) и кабель-буксир, токопереход содержит подвижную часть, электрически соединенную с кабель-буксиром, и неподвижную часть, электрически соединенную с модулем обработки цифровых данных (МО), входящим в состав бортовой аппаратуры, также в состав гидроакустической станции включено устройство постановки/выборки (УПВ) ГПБА в виде катушки, на которую при ее вращении наматывается/сматывается кабель-буксир с ГПБА и гермоблоком,

дополнительно введены следующие признаки, а именно:

- в состав буксируемой части введен второй гермоблок, в котором размещен передающий электронный модуль, содержащий генератор несущей частоты (ГНЧ), ФМ-модулятор (ФМ), первый усилитель мощности (УМ1) и второй усилитель мощности (УМ2), при этом первый вход ФМ соединен с выходом МФ, второй вход ФМ соединен с первым выходом ГНЧ, второй выход ГНЧ соединен с входом УМ2, выход ФМ соединен с входом УМ1;

- подвижная часть токоперехода выполнена в виде первого излучающего гидроакустического преобразователя (И1) и второго излучающего гидроакустического преобразователя (И2), к входам которых подключены, соответственно, выходы УМ1 и УМ2, причем излучающие преобразователи И1 и И2 размещены соосно с вращающимся валом катушки УПВ и жестко с ним связаны;

- неподвижная часть токоперехода выполнена в виде первого приемного гидроакустического преобразователя (П1), второго приемного гидроакустического преобразователя (П2), акустического экрана и фазового демодулятора (ФД), причем приемные преобразователи П1, П2 и акустический экран установлены соосно с вращающимся валом катушки УПВ и жестко связаны с неподвижными корпусными конструкциями, акустический экран размещен между парами преобразователей И1-П1, И2-П2, при этом первый вход ФД соединен с выходом П1, второй вход ФД соединен с выходом П2, а выход ФД соединен с входом МО;

- И1, И2, П1, П2 и акустический экран находятся в водной среде и размещены таким образом, чтобы обеспечить акустическую связь И1 с П1 и И2 с П2;

- связь ГПБА и бортовой аппаратуры осуществляется без электрического контакта по акустическому полю между И1 и П1, И2 и П2.

Бесконтактная связь (отсутствие электрического контакта), которая в предлагаемом техническом решении осуществляется по акустическому полю и исключает необходимость использования ВОЛС, повышает технологичность и надежность соединения. Технологии передачи информации по акустическому каналу являются давно освоенными и реализуется известными методами и устройствами.

Поскольку токопереход ГАС ПЛ находится в воде, предлагаемая конструкция не требует его герметизации, наоборот, в водной среде акустические сигналы распространяются лучше, с большей скоростью и с меньшим поглощением, чем в воздушной среде.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена обобщенная функциональная схема ГАС с заявленным устройством, и фиг 2, на которой показано устройство и принцип работы акустической части токоперехода.

В состав гидроакустической станции входят (фиг. 1) ГПБА с кабель-буксиром 1, первый гермоблок 2 с расположенным в нем модулем формирования цифровых данных (МФ) 3, второй гермоблок 4 с находящимися в нем электронными блоками: фазовым модулятором (ФМ) 5, генератором несущей частоты (ГНЧ) 6 и усилителями мощности (УМ1, УМ2) 7, 8. УМ1 и УМ2 соединены с акустическими излучателями (И1, И2) 9, 10, которые по акустическому полю связаны с акустическими приемниками (П1, П2) 11, 12. Акустические преобразователи И1, П1 и И2, П2 разделены акустическим экраном 13. Приемники П1, П2 соединены с фазовым демодулятором (ФД) 14, который соединен с бортовым модулем обработки (МО) 16. Блоки ФМ 5, ГНЧ 6, УМ17, УМ2 8, И1 9, И2 10, П1 11, П2 12, экран 13 и ФД 14 в целом образуют токопереход 15. УПВ на фиг. 1 не показано.

На фиг. 2 более подробно представлена акустическая часть токоперехода. ГПБА с кабель-буксиром, который сматывается с катушки 17. На валу 18 катушки закреплены излучатели И1 9 и И2 10. «Щека» 19 катушки 17 является конструктивным элементом, ограничивающим движение наматываемого устройства. На корпусной конструкции 20 жестко закреплены приемник П1 11 и приемник П2 12, а также экран 13. При вращении катушки вместе с нею вращаются И1 и И2, а П1, П2 и экран остаются неподвижными. В качестве акустических преобразователей (П1, П2 - приемники, И1, И2 - излучатели) используются стержневые акустические преобразователи. Пары преобразователей (И1 и П1, И2 и П2) обращены активными поверхностями друг к другу. Конструкции стержневых акустических преобразователей описаны в [Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988 (главы 6, 7)].

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Сигналы, принятые каналами ГПБА, поступают в модуль формирования МФ 3, где выполняется первичная обработка. В зависимости от схемы построения ГПБА в МФ может осуществляться суммирование, частотное уплотнение, фильтрация и другие функции. Аналоговые сигналы от акустических приемных каналов ГПБА оцифровываются и на выходе МФ образуется массив цифровых данных. Этот массив поступает на первый вход фазового модулятора ФМ 5. Генератор ГНЧ 6 формирует высокочастотный сигнал несущей частоты, например, ƒ=1 МГц. В фазовом модуляторе ФМ 5 фаза каждого периода сигнала несущей частоты ƒ, поступающего на второй вход ФМ 5, принимает значение 0° или 180° в соответствии со знаком элемента цифрового массива, сформированного модулем МФ 3, поступающего на первый вход ФМ 5, т.е. осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты ƒ. При ƒ=1 МГц скорость передачи цифровых данных составляет 10⁶ бит/с.

Этот сигнал подается на вход усилителя мощности УМ1 7 и далее на акустический излучатель И1 9. Одновременно сигнал с ГНЧ, в котором фазовая манипуляция не используется, подается на вход усилителя мощности УМ2 8 и далее на акустический излучатель И2 10. Акустический сигнал, излученный И1, попадает через водную среду на акустический приемник П1 11, а сигнал с И2 - на приемник П2 12. Пары И1-П1 и И2-П2 разделены акустическим экраном 13, чтобы исключить прием сигналов приемником П1 от излучателя И2, а приемником П2 от излучателя И1. В процессе работы излучатели И1, И2 вращаются вместе с катушкой 17 УПВ, а приемники П1, П2 и экран остаются неподвижными. Однако активные поверхности излучателей и приемников остаются обращенными в нужном направлении и на постоянном расстоянии.

Фазоманипулированный сигнал с приемника П1 подается на первый вход фазового демодулятора ФД 14, сигнал несущей с приемника П2 подается на второй вход фазового демодулятора ФД 14. Фазовый демодулятор ФД 14 сравнивает фазы сигналов, поступающих на его входы, в результате чего на выходе ФД 14 формируется цифровой массив, идентичный массиву, сформированному модулем МФ. Этот массив подается в модуль обработки МО 16, где выполняется вторичная и последующая обработка сигнала вплоть до представления оператору.

Представленные в заявляемом устройстве введенные блоки выполняются по известным техническим решениям. Фазовый модулятор (ФМ), генератор несущей частоты (ГНЧ), усилители мощности (УМ1, УМ2), фазовый детектор (ФД) являются типовыми радиотехническими устройствами; устройство и параметры акустических излучателей (И1, И2), акустических приемников (П1, П2) представлены в Справочнике [Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988 (главы 6, 7)].

Заявляемое устройство, по сравнению с прототипом, состоит из известных блоков и модулей, токопереход не требует герметизации и, кроме того, обеспечивает связь буксируемой части ГАС и бортовой аппаратуры без электрического контакта.

Предлагаемое устройство может быть использовано в ГАС ПЛ, использующих ГПБА, а приведенная в изобретении конструкция токоперехода может быть применена в гидрофизических станциях донного типа, в которых имеются выпускаемые на кабеле буи для передачи/приема информации по радиотехническому каналу.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в конструкциях гидроакустических систем, использующих выпускаемые на кабеле датчики акустических сигналов, в том числе гибкие протяженные антенны (ГПБА). Сущность: в изобретении предлагается связь ГПБА и бортовой аппаратуры осуществлять без электрического контакта, по акустическому полю. Для этого подвижная часть токоперехода выполнена в виде двух излучающих гидроакустических преобразователей, которые размещены соосно с вращающимся валом катушки устройства постановки-выборки (УПВ) и жестко с ним связаны, неподвижная часть токоперехода выполнена в виде двух приемных гидроакустических преобразователей причем приемные преобразователи установлены соосно с вращающимся валом катушки УПВ и жестко связаны с неподвижными корпусными конструкциями. В состав буксируемой части ГАС введен гермоблок, в котором размещен передающий электронный модуль, формирующий фазомодулированный сигнал, передаваемый на первый излучающий преобразователь, и сигнал несущей частоты, передаваемый на второй излучающий преобразователь, сигналы от приемных преобразователей поступают на входы фазового демодулятора, а после демодуляции передаются в тракт обработки данных ГАС. Технический результат: отсутствие необходимости герметизации токоперехода, который соединяет ГПБА с аппаратной частью ГАС, повышение надежности соединения ГПБА с аппаратной частью ГАС. 2 ил.

Гидроакустическая станция подводной лодки с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА), содержащая буксируемую часть и бортовую аппаратуру, соединенные токопереходом, при этом буксируемая часть содержит последовательно соединенные ГПБА, первый гермоблок, включающий модуль формирования цифровых данных (МФ), и кабель-буксир, токопереход содержит подвижную часть, электрически соединенную с кабель-буксиром, и неподвижную часть, электрически соединенную с модулем обработки цифровых данных (МО), входящим в состав бортовой аппаратуры, также в состав гидроакустической станции входит устройство постановки/выборки (УПВ) ГПБА в виде катушки, на которую при ее вращении наматывается/сматывается кабель-буксир с ГПБА и гермоблоком, отличающаяся тем, что в состав буксируемой части введен второй гермоблок, в котором размещен передающий электронный модуль, содержащий генератор несущей частоты (ГНЧ), ФМ-модулятор (ФМ), первый усилитель мощности (УМ1) и второй усилитель мощности (УМ2), при этом первый вход ФМ соединен с выходом МФ, второй вход ФМ соединен с первым выходом ГНЧ, второй выход ГНЧ соединен с входом УМ2, выход ФМ соединен с входом УМ1; подвижная часть токоперехода выполнена в виде первого излучающего гидроакустического преобразователя (И1) и второго излучающего гидроакустического преобразователя (И2), к входам которых подключены соответственно выходы УМ1 и УМ2, причем излучающие преобразователи И1 и И2 размещены соосно с вращающимся валом катушки УПВ и жестко с ним связаны, а неподвижная часть токоперехода выполнена в виде первого приемного гидроакустического преобразователя (П1), второго приемного гидроакустического преобразователя (П2), акустического экрана и фазового демодулятора (ФД), причем приемные преобразователи П1, П2 и акустический экран установлены соосно с вращающимся валом катушки УПВ и жестко связаны с неподвижными корпусными конструкциями, акустический экран размещен между парами преобразователей И1-П1, И2-П2, при этом первый вход ФД соединен с выходом П1, второй вход ФД соединен с выходом П2, а выход ФД соединен с входом МО, причем И1, И2, П1, П2 и акустический экран находятся в водной среде и размещены таким образом, что И1 обращен активной поверхностью к активной поверхности П1, И2 обращен активной поверхностью к активной поверхности П2; связь ГПБА и бортовой аппаратуры осуществляется без электрического контакта по акустическому полю между И1 и П1, И2 и П2.