ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА, ИЗМЕРЕНИЯ АЗИМУТАЛЬНОГО УГЛА НА ИСТОЧНИК И ГОРИЗОНТА ИСТОЧНИКА ЗВУКА В МЕЛКОМ МОРЕ

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения движущегося источника звука, измерения азимутального угла на источник и горизонта источника в мелком море в пассивном режиме с помощью акустических приемников, установленных на морском дне, координаты которых и угловое положение считаются известными.

Известно устройство - многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс [Патент РФ на полезную модель 82972, МПК, H04B 10/00, 2008 г.] для измерения азимутального угла на источник звука и угла места в пассивном режиме, в котором 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 измеряются компоненты вектора интенсивности I_x, I_у, I_z 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 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 сами алгоритмы определения азимутального угла на источник звука по формуле (1) и угла места по формуле (2) становятся неэффективными. В результате дальность действия измерительной антенны не увеличивается, а погрешность измерения пеленга не уменьшается при увеличении апертуры антенны. Кроме того, недостатком этого устройства является большая погрешность измерения горизонта источника с использованием формулы (2) при работе измерительного комплекса в мелком море и малая дальность обнаружения источника звука.

Известен также гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося источника звука, измерения азимутального угла на источник и горизонта источника звука в мелком море (Патент РФ №2488133), в котором для увеличения дальности действия и уменьшения погрешности определения координат источника звука 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 N акустических комбинированных приемников образуется донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников N=H/Δz.

Кроме того, в систему сбора, обработки и отображения информации дополнительно введены N-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-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, N-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления азимутального угла, а второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, причем усредненный азимутальный угол определяется формулой

где ϕ_n, I_xn, I_yn - азимутальный угол и горизонтальные компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-му акустическому комбинированному приемнику, 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 и второй входы устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.

Кроме того, для увеличения дальности обнаружения движущегося источника звука и поддержания с ним акустического контакта в систему сбора, обработки и отображения информации дополнительно введены сумматор, на вход которого поступают сигналы с выхода N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, анализатор спектра комплексной огибающей, вход которого соединен с выходом сумматора, вычислитель максимума спектра комплексной огибающей, вход которого соединен с выходом анализатора спектра комплексной огибающей, а выход соединен с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных. Это устройство по технической сути является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Его недостатком является сравнительно малая помехоустойчивость вертикального канала и дальность действия канала обнаружения при работе в мелком море, где основным источником помех являются шумы, генерируемые на поверхности моря ветровым волнением. Это объясняется тем, что элементарный приемник вертикальной компоненты вектора интенсивности является дипольным приемником, направленность которого максимальна для вертикальных углов падения, направленных либо в сторону поверхности моря, либо в сторону морского дна.

Целью настоящего изобретения является дополнительное повышение помехоустойчивости вертикального канала элементарного комбинированного приемника и всего комплекса в целом, а также увеличение дальности действия за счет формирования односторонне направленного приема по вертикальному потоку мощности в каждом элементарном приемнике. Для этого вертикальный поток мощности расщепляется на два потока, один из которых, отрицательный, направлен в сторону поверхности моря и не содержит помеху, генерируемую на поверхности моря, другой поток, положительный, направлен в сторону морского дна и содержит помеху, генерируемую на поверхности моря. Использование в канале обнаружения полезного сигнала, в котором поток мощности направлен в сторону поверхности моря и не содержит помехи, генерируемой на поверхности моря, увеличивает помехоустойчивость канала и дальность действия системы в целом.

Для достижения указанной задачи в гидроакустический комплекс, содержащий N акустических комбинированных приемников, образующих донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников N=H/Δz (где H - глубина моря), 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, систему сбора, обработки и передачи информации, содержащую блок сбора, обработки и передачи информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, N-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, выход которого соединен с первым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, N-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления азимутального угла, второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, а выход соединен со вторым входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, сумматор, анализатор спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом сумматора, вычислитель максимума спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом анализатора спектра комплексной огибающей, а выход соединен с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных, причем усредненный азимутальный угол определяется формулой

,

где ϕ_n, I_xn, I_yn - азимутальный угол и горизонтальные компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-му акустическому комбинированному приемнику, за горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, а в качестве признака обнаружения движущегося источника звука принимается степень превышения максимума спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, принимаемая в качестве предварительно определенного порога обнаружения, над уровнем спектральной плотности фоновой шумовой помехи, дополнительно введена N-канальная подсистема формирования односторонне направленного приема по вертикальному потоку мощности.

Эта подсистема содержит N-канальный блок квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом N-канального блока сбора, обработки и передачи информации; N-канальный блок формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом N-канального блока квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, а второй выход соединен со входом сумматора, N-канальный блок интеграторов, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности, а выход соединен со входом блока определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности,

На выходе N-канального блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности вычисляются величины

I_zn, ν_zn - вертикальная компонента вектора интенсивности и вертикальная компонента вектора колебательной скорости соответственно, относящиеся к n-му акустическому комбинированному приемнику.

На выходе интеграторов в N-канальном блоке интеграторов вычисляются усредненные величины

где , μ_p, μ_ν чувствительность приемника звукового давления и приемника колебательной скорости на частоте ω соответственно, T-предварительно определенный интервал усреднения.

В предлагаемом гидроакустическом 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 сброса, обработки и передачи информации, содержащая блок сбора, обработки и передачи информации, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных,

- акустическими комбинированными приемниками образуется донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна, в которой расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников N=H/Δz,

- N-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,

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

- N-канальный блок вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности,

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

усредненный азимутальный угол определяется формулой

,

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

- горизонт источника звука принимается равным горизонту акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности,

- сумматор,

- анализатор спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом сумматора,

- вычислитель максимума спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом анализатора спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности,

- в качестве признака обнаружения движущегося источника звука принимается степень превышения максимума спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, принимаемая в качестве предварительно определенного порога обнаружения, над уровнем спектральной плотности фоновой шумовой помехи.

Отличительными существенными признаками являются:

N-канальная подсистема формирования односторонне направленного приема по вертикальному потоку мощности, содержащая:

N-канальный блок квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и передачи информации;

N-канальный блок формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, а второй выход соединен со входом сумматора,

N-канальный блок интеграторов, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока формирования направленности по вертикальному потоку мощности, а выход соединен со входом блока определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности.

Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволяет создать гидроакустический измерительный комплекс для измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника, увеличить помехоустойчивость вертикального канала за счет формирования односторонней направленности по вертикальному потоку мощности и увеличить дальность обнаружения источника звука при работе измерительного комплекса в мелком море.

Новизна предлагаемого устройства заключается в том, что в нем с использованием смешанных алгоритмов аддитивно-мультипликативной обработки сформированы в вертикальной плоскости в каждом комбинированном приемнике два пространственных канала с характеристиками направленности вида

где θ - угол места, с пониженным уровнем помехи в канале с отрицательным потоком мощности, который и используется далее в канале обнаружения. 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 схема расположения акустических приемников и источника звука относительно локальной системы координат; на фиг. 2 представлена блок-схема гидроакустического измерительного комплекса.

Заявленный гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося источника звука, измерения азимутального угла на источник звука и горизонта источника в мелком море содержит донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну I, телеметрический блок II и систему III сбора, обработки и передачи информации.

Донная вертикально ориентированная эквидистантная антенна I образуется посредством N акустических комбинированных приемников, 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.

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-канальный блок 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 8, блок 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, N-канальный блок 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 8 сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок 12 вычисления азимутального угла, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок 13 вычисления усредненного азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока 12 вычисления азимутального угла, а второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности. Информация с выхода блока 13 вычисления усредненного азимутального угла и блока 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности поступает на первый и второй входы устройства 14 доступа к цифровым сетям передачи данных.

Для решения проблемы обнаружения источника звука с повышенной помехоустойчивостью в систему III сбора, обработки и передачи информации включена N-канальная подсистема формирования односторонне направленного приема по вертикальному потоку мощности IV, содержащая N-канальный блок 18 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, вход которого соединен с выходом блока 8, N-канальный блок 19 формирования направленности по вертикальному потоку мощности, первый вход которого соединен с выходом блока 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, второй вход соединен с выходом блока 18 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости, а второй выход соединен со входом сумматора 15, N-канальный блок интеграторов 20, вход которого соединен с первым выходом блока 19 формирования направленности по вертикальному потоку мощности, а выход соединен со входом блока 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности. Сформированные в блоке 19 односторонне направленные отрицательные потоки мощности, направленные в сторону поверхности, поступают на вход сумматора 15 канала обнаружения, который содержит анализатор 16 спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом сумматора 15, вычислитель 17 максимума спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом анализатора 16 спектра комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности, а выход соединен с третьим входом устройства 14 доступа к цифровым сетям передачи данных.

Гидроакустический комплекс работает следующим образом.

Звуковая волна, излучаемая источником звука, принимается акустическими комбинированными приемниками, образующими донную вертикально ориентированную эквидистантную антенну I. 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 после применения быстрого преобразования Фурье (БПФ) поступают в виде соответствующих спектральных плотностей p(ω, r(t)), ν_z(ω, r(t)), ν_x(ω, r(t)), ν_y(ω, r(t)) в соответствующие блоки для последующей обработки.

С первого выхода блока 8 сигналы поступают в N-канальный блок 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности для каждого из N акустических комбинированных приемников и в N-канальный блок 18 квадратичных детекторов вертикальной компоненты вектора колебательной скорости с последующим формированием односторонне направленных вертикальных потоков мощности в N-канальном блоке 19. Сформированные в блоке 19 односторонне направленные потоки мощности усредняются в N-канальном блоке интеграторов 20, а усредненные в N-канальном блоке интеграторов 20 сигналы поступают в блок 10 для нахождением максимального из этих сигналов. За горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимальное значение вертикальной компоненты вектора интенсивности, а соответствующая информация поступает на первый вход устройства 14 доступа к цифровым сетям передачи данных. Та же сигнальная информация с выхода блока 8 сбора, обработки и отображения информации поступает на вход N-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, с первого выхода которого численные значения горизонтальных компонент вектора интенсивности I_x(ω, r(t)), I_y(ω, r(t)) поступают на вход N-канального блока 12 вычисления азимутального угла. Численные оценки азимутального угла на источник звука, вычисленные по формуле (1) для каждого из N акустических комбинированных приемников, усредняются в блоке 13 по формуле (3), а усредненные значения азимутального угла передаются на второй вход устройства 14 доступа к цифровым сетям передачи данных.

Кроме того, с выхода блока 19 формирования направленности по вертикальному потоку мощности сигналы, соответствующие отрицательному потоку мощности, подаются на вход сумматора 15, с выхода которого суммарный сигнал вертикальной компоненты вектора интенсивности, соответствующий отрицательной направленности, поступает на вход анализатора 16 спектра комплексной огибающей, выполняющего вторичную спектральную обработку комплексной огибающей сигнала вертикальной компоненты вектора интенсивности.

С выхода анализатора 16 спектра комплексной огибающей сигнал поступает на вход вычислителя 17 максимума спектра комплексной огибающей, выход которого соединен с третьим входом устройства 14 доступа к цифровым сетям передачи данных. В качестве критерия обнаружения движущегося источника звука берется обычно степень превышения максимума спектральной плотности комплексной огибающей вертикальной компоненты вектора интенсивности по отношению к уровню спектральной плотности фоновой шумовой помехи. Сама степень превышения обычно измеряется в децибелах и называется порогом обнаружения, который предварительно задается оператором.