ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА ЗВУКА В МЕЛКОМ МОРЕ

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерения координат источника звуковых волн в мелком море в пассивном режиме с помощью акустических приемников, установленных на морском дне, координаты которых и угловое положение считаются известными.

Известно устройство [Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука, 2003. С.31.] для измерения азимутального угла на источник звука в пассивном режиме, содержащее установленные на дне приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, которые в совокупности образуют акустический комбинированный приемник, а также датчики углового положения локальной системы координат, связанной с акустическим приемником, относительно географической системы координат. В этом устройстве измеряются компоненты вектора интенсивности I_x, I_y в локальной ортогональной системе координат, связанной с акустическим комбинированным приемником, а направление на источник звука определяется по формуле

где φ - азимутальный угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от оси X локальной системы координат, связанной с акустическим комбинированным приемником. При необходимости результаты измерений углового положения источника звука в локальной системе координат пересчитываются в пеленг.

Аналогичным образом можно определить угол места, если акустический комбинированный приемник расположен в ближней зоне источника звука

Недостатком данного измерительного устройства является большая погрешность измерения азимутального угла и пеленга, связанная с недостаточной направленностью акустического комбинированного приемника, которая является дипольной, и малая дальность действия, связанная с недостаточной помехоустойчивостью одиночного акустического комбинированного приемника. Кроме того, если комбинированный приемник находится в дальней зоне источника или в случае если измерительная система работает в мелком море, то формула (2) дает большую погрешность и не может быть использована для измерения угла места источника звука.

Известно устройство [Патент РФ на полезную модель 82972, МПК, H04B 10/00], в котором для устранения этих недостатков используется многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс, содержащий N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, телеметрический блок, вход которого соединен с выходом акустических комбинированных приемников, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования, модулятор и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, а также систему сбора, обработки и отображения информации, содержащую блок сбора обработки и отображения информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, вход которого соединен с выходом блока сбора обработки и отображения информации, и формирователь диаграммы направленности, вход и выход которого соединены со входом и выходом блока сбора обработки и отображения информации. В этом устройстве N акустических комбинированных приемников и программный модуль для формирования диаграммы направленности в режиме реального времени образуют гидроакустическую антенну, которая обладает повышенной помехоустойчивостью и малой погрешностью измерения азимутального угла и пеленга на источник звука по сравнению с аналогом [1]. Данное устройство является наиболее близким к заявленному изобретению.

Недостатком этого устройства является невозможность значительного увеличения числа акустических комбинированных приемников и апертуры антенны из-за значительных дисперсионных искажений акустического сигнала при его распространении в мелком море. Вследствие таких искажений алгоритмы фазирования сигналов, принятых отдельными элементами антенны, которые положены в основу функционирования формирователя диаграммы направленности, и сам алгоритм определения азимутального угла на источник звука по формуле (1) становятся неэффективными. В результате дальность действия измерительной антенны не увеличивается, а погрешность измерения пеленга не уменьшается при увеличении апертуры антенны. Кроме того, при работе измерительного комплекса в мелком море погрешности определения угла места и координат источника звука становятся недопустимо большими.

В основу настоящего изобретения поставлена задача увеличения дальности действия комплекса и уменьшения погрешности измерения азимутального угла, угла места и координат источника звука путем увеличения апертуры его измерительной системы. Для достижения поставленной цели предлагается использовать корреляционные свойства звукового поля по отношению к вертикальной компоненте вектора интенсивности. В соответствии с результатами работы [Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С. Вихри акустической интенсивности в мелком море // Техническая акустика. 2010. №12. http://www.ejta.org] вертикальная компонента вектора интенсивности обладает явно выраженной периодической структурой в звуковом поле, создаваемом источником звука в мелком море на расстояниях, существенно превышающих размер ближней зоны r_б=H²/λ (H - глубина моря, λ - длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот). Это означает высокую коррелированность звуковых полей по отношению к вертикальной компоненте вектора интенсивности, измеренной в различных точках, разнесенных в пространстве на расстояния, существенно превышающие размер ближней зоны. Кроме того, максимальная амплитуда вертикальной компоненты вектора интенсивности точно соответствует горизонту источника.

Для реализации поставленной задачи в гидроакустическом измерительном комплексе, содержащем N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, телеметрический блок, вход которого соединен с выходом акустических комбинированных приемников, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, систему сбора, обработки и отображения информации, содержащую блок сбора, обработки и отображения информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и передачи информации, посредством трех акустических комбинированных приемников П1, П2, П3, образуется донная ортогональная база, в которой базовое расстояние L_x между приемниками П1, П2 ориентировано вдоль оси X, базовое расстояние L_y равно проекции расстояния между приемниками П1, П3 на ось Y локальной ортогональной системы координат, базовые расстояния выбираются из условия L_x≥H²/λ, L_y≥H²/λ, a акустический комбинированный приемник П1 дополняется N акустическими комбинированными приемниками, образующими вертикально ориентированную (N+1)-элементную эквидистантную антенну, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты источника звука Δz, а число акустических комбинированных приемников равно N=H/Δz.

Кроме того, в систему сбора, обработки и отображения информации дополнительно введены (N+1)-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, блок определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, (N+3)-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, (N+1)-канальный блок вычисления азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, вход которого соединен с первым выходом (N+3)-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления усредненного азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, первый вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока вычисления азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, а второй вход соединен со вторым выходом (N+3)-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, причем усредненный азимутальный угол <φ₁> определяется формулой

где φ_n, I_xn, I_yn - азимутальный угол и компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-му акустическому комбинированному приемнику вертикальной (N+1)-элементной антенны, а за горизонт источника принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности. Информация с выхода блока вычисления усредненного азимутального угла и блока определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности поступает на первый вход блока определения координат источника звука.

Кроме того, в систему сбора, обработки и передачи информации включены дополнительно блок вычисления азимутального угла для акустических комбинированных приемников П2 и П3, вход которого соединен с третьим выходом (N+3)-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок определения координат источника звука, первый вход которого соединен с выходом блока определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока вычисления усредненного азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, третий вход соединен с выходом блока вычисления азимутальных углов для акустических комбинированных приемников П2 и П3, за горизонт источника принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, а за горизонтальные координаты источника звука принимаются координаты центра тяжести треугольника, образованного пересечением трех линий положения <φ₁>=const, φ₂=const, φ₃=const, соответствующих трем азимутальным углам <φ₁>, φ₂, φ₃. Такой треугольник называется треугольником невязки, а его размер характеризует погрешность определения координат источника звука. Эта погрешность минимизируется, если за истинные координаты источника звука принимается центр тяжести треугольника невязки. Общеизвестно, что центром тяжести треугольника является точка пересечения его медиан, т.е. центр тяжести определен однозначно для любого треугольника.

В предлагаемом комплексе существенными признаками общими с прототипом являются:

- N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей;

- телеметрический блок, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования, модулятор и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером;

- система сбора, обработки и передачи информации, содержащая блок сбора, обработки и передачи информации, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных.

Отличительными существенными признаками являются:

- посредством трех акустических комбинированных приемников П1, П2, П3 образуется донная ортогональная база, в которой базовое расстояние L_x между приемниками П1, П2 ориентировано вдоль оси X, базовое расстояние L_y равно проекции расстояния между приемниками П1, П3 на ось Y локальной ортогональной системы координат, а базовые расстояния выбираются из условия ,

- N дополнительных акустических комбинированных приемников и приемник П1 образуют донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, a число приемников N=H/Δz,

- (N+1)-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации;

- блок определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности;

- N+3-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации;

- (N+1)-канальный блок вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом (N+3)-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности;

- блок вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока вычисления азимутального угла, а второй вход соединен со вторым выходом (N+3)-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности;

- усредненный азимутальный угол определяется формулой (3)

,

где φ_n, I_xn, I_yn - азимутальный угол и компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-му акустическому комбинированному приемнику,

- за горизонт источника звука (за вертикальную координату) принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности;

- за горизонтальные координаты источника звука принимаются координаты центра тяжести треугольника, образованного пересечением трех линий положения <φ₁>=const, φ₂=const, φ₃=const, соответствующих трем азимутальным углам <φ₁>, φ₂, φ₃.

Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволяет создать гидроакустический измерительный комплекс для измерения координат источника звука, уменьшить погрешность измерения и увеличить дальность действия самого комплекса при работе в мелком море.

Новизна предлагаемого устройства заключается в том, что в нем в качестве измерительного комплекса используется донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а в качестве рабочего сигнала используется вертикальная компонента вектора интенсивности. Именно эта характеристика обладает наибольшей пространственной коррелированностью в звуковом поле в мелком море, в наименьшей степени подвержена влиянию помех и имеет причинно-следственную связь с горизонтом источника.

Кроме того, для определения горизонтальных координат источника звука используется донная ортогональная база, образованная тремя акустическими комбинированными приемниками П1, П2, П3, и избыточная информация об угловом положении источника звука, позволяющая минимизировать погрешность их определения. Именно эта особенность позволяет существенно уменьшить погрешность измерения и увеличить дальность действия всего устройства.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна и тройка акустических комбинированных приемников П1, П2, П3, образующих донную ортогональную базу, т.е. геометрия расположения акустических приемников и источника звука относительно локальной системы координат, на фиг.2 - тройка акустических приемников П1, П2, П3 в горизонтальной плоскости; на фиг.3 - блок-схема гидроакустического измерительного комплекса.

Заявленный гидроакустический комплекс для измерения координат источника звука в мелком море содержит (N+3)-элементную донную антенну I, телеметрический блок II и систему III сбора, обработки и передачи информации.

Донная антенна I содержит тройку акустических комбинированных приемников П1, П2, П3, образующих донную ортогональную базу, и вертикально ориентированную эквидистантную антенну, образованную посредством N акустических комбинированных приемников и приемника П1, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей (на чертеже не показаны). Геометрия расположения акустических приемников и источника звука относительно локальной системы координат поясняется фиг.1 и фиг.2.

Телеметрический блок включает: делители напряжения 1, аналого-цифровую преобразующую схему 2, единую схему 3 электронного мультиплексирования, модулятор 4 и оптический излучатель 5, связанный оптической линией 6 связи с оптическим ресивером 7.

Система III сбора, обработки и передачи информации содержит: блок 8 сбора, обработки и передачи информации, (N+1)-канальный блок 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 8, блок 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, (N+3)-канальный блок 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 8 сбора, обработки и отображения информации, (N+1)-канальный блок 12 вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом (N+3)-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок 13 вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом (N+1)-канального блока 12 вычисления азимутального угла, а второй вход соединен со вторым выходом (N+3)-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности.

Кроме того, в систему сбора, обработки и передачи информации включены дополнительно блок 14 вычисления азимутального угла для акустических комбинированных приемников П2 и П3, вход которого соединен с третьим выходом (N+3)-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок 15 определения координат источника звука, первый вход которого соединен с выходом блока 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока 13 вычисления усредненного азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, третий вход соединен с выходом блока 14 вычисления азимутальных углов для акустических комбинированных приемников П2 и П3, за горизонт источника принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, а за горизонтальные координаты источника звука принимаются координаты центра тяжести треугольника, образованного пересечением трех линий положения <φ₁>=const, φ₂=const, φ₃=const, соответствующих трем азимутальным углам <φ₁>, φ₂, φ₃. Информация о вычисленных координатах источника звука с выхода блока 15 поступает на вход блока 16 устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.

Гидроакустический комплекс работает следующим образом.

Звуковая волна, излучаемая источником звука, принимается акустическими комбинированными приемниками, образующими антенну I, в которой приемники П1, П2, П3 образуют донную ортогональную базу, а приемник П1 дополнен вертикально ориентированной эквидистантной антенной. Все сигналы с выходов акустических приемников поступают на вход телеметрического блока II, а после прохождения через делители напряжения 1, аналого-цифровую преобразующую схему 2 и единую схему 3 электронного мультиплексирования преобразуются в поток цифровой информации, поступающий через модулятор 4, оптический излучатель 5 и оптическую линию 6 связи на оптический ресивер 7. С выхода оптического ресивера 7 информация поступает в цифровом виде на вход блока 8 сбора, обработки и отображения информации, находящегося в системе III сбора, обработки и отображения информации. В блоке 8 сбора, обработки и отображения информации сигналы вновь разделяются по отдельным каналам звукового давления и компонент вектора колебательной скорости и поступают в (N+1)-канальный блок 9 вычисления спектральной плотности S_i(ω, r_i)=ρ(ω, r_i)V_z*(ω, r_i) - вертикального потока мощности. В соответствии с результатами работы [Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С. Вихри акустической интенсивности в мелком море // Техническая акустика. 2010. №12. http://www.ejta.org.] именно эти величины обладают наибольшей пространственной коррелированностью, в наименьшей степени подвержены влиянию помех и связаны наиболее простой связью с горизонтом источника звука в звуковом поле, формируемом в мелком море. Эти свойства поля спектральной плотности вертикального потока мощности используются при дальнейшей обработке акустической информации. Эта обработка сводится к вычислению вертикальной компоненты вектора интенсивности I_z(ω, r_i)=ReS_i(ω, r_i) в блоке 9 для каждого из N+1 акустических комбинированных приемников с последующим нахождением максимального из этих значений в блоке 10. За горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимальное значение вертикальной компоненты вектора интенсивности, а соответствующая информация поступает на первый вход блока 15 определения координат источника звука. Та же сигнальная информация с выхода блока 8 сбора, обработки и отображения информации поступает на вход (N+3)-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, с первого выхода которого численные значения горизонтальных компонент вектора интенсивности I_x(ω, r_i), I_y(ω, r_i) поступают на вход (N+1)-канального блока 12 вычисления азимутального угла. Численные оценки азимутального угла на источник звука, вычисленные по формуле (1) для каждого из (N+1) акустических комбинированных приемников, усредняются в блоке 13 по формуле (3), а усредненные значения азимутального угла передаются на второй вход блока 15 определения координат источника звука. Сама процедура усреднения отдельных значений азимутального угла позволяет уменьшить случайную составляющую погрешности измерения этой величины.

Кроме того, в систему сбора, обработки и передачи информации включены дополнительно блок 14 вычисления азимутального угла для акустических комбинированных приемников П2 и П3, вход которого соединен с третьим выходом (N+3)-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок 15 определения координат источника звука, первый вход которого соединен с выходом блока 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока 13 вычисления усредненного азимутального угла для первого акустического комбинированного приемника П1, третий вход соединен с выходом блока 14 вычисления азимутальных углов для акустических комбинированных приемников П2 и П3, за горизонт источника принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, а за горизонтальные координаты источника звука принимаются координаты центра тяжести треугольника, образованного пересечением трех линий положения <φ₁>=const, φ₂=const, φ₃=const, соответствующих трем азимутальным углам <φ₁>, ω₂, φ₃. Информация о вычисленных координатах источника звука с выхода блока 15 поступает на вход блока 16 устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.