ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ Советский патент 2008 года по МПК G01S7/52 G01P3/42 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании или модернизации гидроакустических лагов.

Постоянное совершенствование атомного подводного флота и повышение его стратегической роли требует от отечественной промышленности непрерывного улучшения навигационных средств, обеспечивающих плавание подводных лодок в Мировом океане.

Одним из основных навигационных средств ВМФ являются гидроакустические лаги, позволяющие с высокой точностью измерять вектор истинной скорости корабля.

Блок-схема лага приведена на фиг.1. Сигнал излучения поступает с выхода генератора 1 через коммутатор 2 на акустическую антенну лага 3.

Излучение производится одновременно по четырем направлениям, которым соответствуют четыре луча акустической антенны, формируемые четырьмя автономными акустическими вибраторами.

Прием эхо-сигналов осуществляется раздельно по каждому из 4 лучей. Обработка этих сигналов с целью определения величины допплеровского сдвига выполняется в 4-канальном усилителе приемного тракта 4 с последующим объединением попарно сигналов, несущих информацию о продольной и поперечной составляющих вектора скорости подводной лодки в схеме формирования выходного сигнала продольной составляющей 5 и поперечной составляющей 6.

Далее информация поступает в индикаторное устройство лага 7.

В схеме формирования выходного сигнала 5 или 6 смешиваются сигналы с частотами f₁ и f₂, поступающие из каналов левого и правого бортов или из носового и кормового каналов приемного тракта

f_Δ=f_пр±f_д

f₂=f_пр±f_д,

где f_д - допплеровское приращение частоты, пропорциональное величине составляющей вектора скорости.

На выходе преобразователей установлен фильтр, выделяющий разностную частоту преобразования

где f_пр - частота преобразования.

Такое функциональное построение гидроакустического лага обеспечивает компенсацию ошибок измерения составляющих вектора истинной скорости, возникающих при кренах и дифферентах подводной лодки до 3-4°.

Однако при существующей схеме приемного тракта выход из строя любого из 4 вибраторов акустической антенны лага приводит к отказу работы лага, поскольку на схему формирования выходного сигнала одного из каналов будет поступать сигнал с недостоверным значением допплеровского сдвига частоты.

При этом единственным путем восстановления работоспособности лага является докование подводной лодки-носителя лага и замена в доковых условиях неисправного вибратора акустической антенны.

Как показывает опыт эксплуатации гидроакустических лагов, их преимущественно используют при плавании подводных лодок в подводном положении, когда качка и дифферент корабля, как правило, не превышает 0,5°. При этом допустимо использование одного луча характеристики направленности акустической антенны для определения каждой из составляющих вектора скорости ПЛ.

Как следует из основного соотношения, между допплеровским сдвигом частоты принимаемого отраженного грунтом или ледовым покровом сигнала f_д и величиной составляющей вектора скорости корабля V, лежащей в одной плоскости с лучом акустической антенны

где f_p - частота заполнения импульсных сигналов излучения,

α - угол между горизонталью и осью луча антенны,

С - скорость распространения звука.

При этом ошибка измерения скорости ПЛ однолучевой системой

где Δα - угол качки или дифферента.

При малых значениях

Для современных гидроакустических лагов "ЛА-1" или "Мечта-2" угол , отсюда

Таким образом, при угле качки или дифферента, не превышающем 0,5°, ошибка измерения истинной скорости также не превосходит 1%, и требования к точности измерения при этом обеспечиваются трехлучевой антенной лага или даже антенной с двумя некомпланарными лучами.

Оперативная перестройка приемного тракта лага на выдачу достоверной информации при выходе из строя одного вибратора или даже двух вибраторов, соответствующих разным группам (нос-корма или левый-правый борт) лучей антенны при подводном плавании ПЛ, позволила бы выполнить задачу обеспечения навигации подводной лодки и использования ею оружия.

Эта возможность оперативной перестройки приемного тракта обеспечивается предлагаемым устройством.

Описание предлагаемого устройства

Для обеспечения выдачи правильной информации о составляющих вектора скорости подводной лодки при выходе из строя любого одного акустического вибратора, в каждой из двух групп вибраторов, входящих в состав акустической антенны - "нос-корма" и "левый-правый борт", или блоков одного из 4 каналов приемного тракта предлагается гидроакустический лаг, построенный следующим образом.

Блок-схема предлагаемого лага приведена на фиг.2.

Сигнал излучения с выхода генератора 1 через коммутационное устройство 2 поступает на акустическую антенну 3 и далее в воду.

Принятые антенной 3 эхо-сигналы поступают на четырехканальный усилитель-преобразователь 4 и далее на переключатели 8, позволяющие отключать неисправный канал приемного тракта и подавать на схему формирования выходного сигнала вместо сигнала с выхода неисправного канала соответствующим образом преобразованный сигнал с исправного канала.

Сущность преобразования заключается в том, что, т.к. в противоположных каналах приемного тракта лага (нос-корма или правый-левый борт) знак допплеровского сдвига противоположен, то вместо сигнала с частотой f_пр±f_доп нужно иметь возможность подавать на схему формирования выходного сигнала "приведенный по частоте" к этому виду сигнал с частотой (или наоборот, вместо сигнала с частотой подавать преобразованный сигнал с частотой ).

Сигнал с частотой поступает на преобразователь частоты, на второй вход этого преобразователя поступает сигнал с опорной частотой

где Δf - вспомогательная частота, удобная для фильтрации.

На выходе преобразователя стоек фильтр (11 и 12), выделяющий разностную частоту преобразования

Сигнал с этой частотой поступает на преобразователь частоты, на второй вход которого подается сигнал с опорной частотой

Сигнал суммарной частоты f_пр±f_доп поступает на схему формирования выходного сигнала приемного тракта 5 или 6, а далее на вход устройства индикации 7.

Например, применительно к схеме приемного тракта гидроакустического лага задача обеспечения работы лага при выходе из строя носового канала приемного тракта решается следующим образом.

Если сигнал с выхода носового канала приемника-преобразователя частоты отсутствует, вместо него на преобразователь 9 подается через переключатель 8 сигнал частоты f_доп с выхода усилителя-преобразователя кормового канала, и после смешения с гетеродинной частотой и фильтрации фильтром 6 сигнал разностной частоты +f_доп поступает на второй преобразователь 13. Выходной сигнал суммарной частоты [30], т.е. сигнал с "перевернутым знаком" допплеровского частотного сдвига поступает через переключатель 8 на схему формирования сигнала 5, где смешивается с сигналом кормового канала. Отфильтрованный сигнал разностной частоты ±2f_доп поступает на вход индикаторного устройства 7.

Положительный эффект

Использование лага с таким построением приемного тракта позволяет в условиях длительного подводного плавания ПЛ обеспечивать выдачу лагом необходимой навигационной информации при выходе из строя любого из пары симметричных диаметральной плоскости корабля вибраторов акустической антенны или при выходе из строя блоков соответствующих каналов приемного тракта и невозможности его ремонта в условиях плавания ПЛ.

Применение такого устройства существенно повышает эффективность использования лага на подводных лодках ВМФ.

Возможность использования такого устройства была проверена в период испытаний в реальных условиях опытного образца лага.

Гидроакустический лаг содержит четырехвибраторную гидроакустическую антенну, соединенную через коммутатор приема-передачи с генератором и четырехканальным усилителем-преобразователем, две схемы формирования выходного сигнала, переключатели и индикаторное устройство. Между выходами усилителя-преобразователя и двумя выходами каждой из схем формирования выходного сигнала введены два преобразователя частоты и фильтр разностной частоты. Причем при исправности всех каналов лага выходы усилителя-преобразователя соединены через переключатели со схемами формирования выходного сигнала. При выходе из строя любого из каналов соответствующий ему вход схемы формирования выходного сигнала через переключатель соединен с выходом оконечного преобразователя частоты, а вход первого преобразователя частоты подсоединен к выходу канала, подключенного к вибратору акустической антенны, ось которого лежит в одной плоскости с осью вибратора неисправного канала. Технический результат - повышение надежности лага. 2 ил.

Гидроакустический лаг, содержащий четырехвибраторную гидроакустическую антенну, соединенную через коммутатор приема-передачи с генератором и четырехканальным усилителем-преобразователем, две схемы формирования выходного сигнала, переключатели и индикаторное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности лага, в него между выходами усилителя-преобразователя и двумя входами каждой из схем формирования выходного сигнала, введены два преобразователя частоты и фильтр разностной частоты, причем при исправности всех каналов лага выходы усилителя-преобразователя соединены через переключатели со схемами формирования выходного сигнала, а при выходе из строя любого из каналов соответствующий ему вход схемы формирования выходного сигнала через переключатель соединен с выходом оконечного преобразователя частоты, а вход первого преобразователя частоты подсоединен к выходу канала, подключенного к вибратору акустической антенны, ось которого лежит в одной плоскости с осью вибратора неисправного канала.