RU1841357C - Устройство для контроля шумоизлучения корабля - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к гидроакустической военной технике, а более конкретно – к гидроакустическим устройствам измерения и контроля шумоизлучения кораблей. Устройство для контроля шумоизлучения корабля содержит последовательно-соединенные гибкую протяженную буксируемую антенну, устройство предварительной обработки сигналов, устройство аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации, устройство разуплотнения и запоминания цифровой информации, спектроанализатор и формирователь характеристик направленности, устройство временной и пространственной обработки и устройство индикации и регистрации. При этом в него введены последовательно соединенные схема снижения смещенности оценок сигнала, схема контроля шумоизлучения корабля, схема сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля, причем первый вход схемы снижения смещенности оценок сигнала соединен с выходом устройства временной и последовательной обработки тракта шумопеленгования с гибкой протяженной буксируемой антенной, соответствующим характеристике направленности, направленной на корабль-буксировщик. Второй вход этой схемы соединен с выходом, соответствующим характеристике направленности, отвернутой от корабля-буксировщика, а выход схемы сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля соединен с входом устройства индикации и регистрации. Технический результат – обеспечение возможности осуществления контроля шумоизлучения корабля-носителя буксируемой антенны и сопоставление с шумоизлучением, измеренным при сдаточных испытаниях. 7 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к гидроакустической военной технике, а более конкретно - к гидроакустическим устройствам измерения и контроля шумоизлучения кораблей.

Как известно, шумоизлучение кораблей, в частности подводных лодок, является важным тактическим параметром, характеризующим скрытность боевых кораблей от возможности обнаружения и пеленгования их средствами гидроакустического вооружения вероятным противником. В связи с этим при сдаточных испытаниях и перед выходом кораблей в плавание на полигонах ВМФ производится измерение (контроль) их шумности с помощью аппаратуры, устанавливаемой на судах физических полей (СФП) ВМФ, согласно правилам методик РКШ-64 и РКНШПЛ-80. В процессе эксплуатации корабля механизмы изнашиваются, вибрация и шум возрастают, в связи с чем имеется необходимость контроля шумоизлучения корабля при автономном плавании. Поэтому определение путей решения указанной задачи представляется актуальным.

Известно «Устройство измерения и контроля собственного первичного гидроакустического поля ПЛ при ее движении в подводном положении», содержащее измерительный гидрофон и предварительный усилитель на конце гибкой буксируемой антенны шумопеленгаторной станции, кабель-трос, устройство постановки-выборки, фильтр и блок обработки и анализа информации, устройство определения координат измерительного гидроакустического приемника и схему сравнения. Указанное устройство имеет большую погрешность измерений за счет высокого уровня помех на выходе измерительного приемника; кроме того, оно не позволяет производить контроль в режиме непрерывной буксировки и сравнение с параметрами шумоизлучения корабля, зафиксированными в процессе сдаточных испытаний.

Известны устройства подавления помех (см., например, М. Сколник. Введение в технику радиолокационных систем М.: Мир, 1965, 661 с.), работающие на принципе уменьшения смещенности оценок сигнала путем вычитания выходного напряжения приемника из выходного напряжения вспомогательного приемника в видеотракте перед детектором. Однако указанные устройства подавления (компенсации) помех имеют большую флюктуационную составляющую и для гидроакустической практики не пригодны.

Существенно более высокой помехозащищенностью шумоизлучения корабля является тракт шумопеленгаторной станции с буксируемой антенной, который по техническому построению является наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству.

Наиболее эффективными устройствами для приема шумоизлучения кораблей являются гидроакустические станции (ГАС) с их трактами шумопеленгования, в частности ГАС с буксируемыми антеннами. В трактах ГАС система первичной обработки сигналов обеспечивает прием шумоизлучения кораблей с высокой пространственной избирательностью и помехозащищенностью, усиление и трансляцию сформированных электрических сигналов, а также выполнение операций быстрого преобразования Фурье (БПФ) для выработки данных об энергетической спектральной плотности шумоизлучения. Системы вторичной обработки сигналов в ГАС решают задачи обнаружения и пеленгования целей - шумящих объектов, в частности, кораблей.

Известен тракт шумопеленгаторной системы с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) по журналу США JASA, v 72, №3, Sept. 1982, 983-992 с., а также описанный в журнале «Судостроение за рубежом» №10, Л.: Судостроение, 1984, 34-52 с., используемый в Центре научных исследований по проблемам ПЛО ВМС НАТО для измерения шумов морской среды.

В этом тракте заложены основные принципы обработки сигналов, принятых ГПБА. Он выбран нами в качестве прототипа.

Тракт содержит последовательно соединенные ГПБА, сигналы с которой транслируются на корабль по кабель-буксиру; устройство предварительной обработки сигналов, обеспечивающее усиление и фильтрацию сигналов; устройство аналого-цифрового преобразования (АЦП) и уплотнения информации; устройство разуплотнения и запоминания цифровой информации; спектроанализатор и формирователь характеристик направленности (ХН), реализованные на спецпроцессорах БПФ, обеспечивающих методом двумерного БПФ узкополосный спектральный анализ и одновременно параллельное формирование веера ХН, перекрывающего сектор курсовых углов от 0° до 180°; устройство временной и пространственной обработки, реализованное на мини-ЭВМ и обеспечивающее вычисление:

- оценок спектральной плотности мощности шума в сформированных ХН;

- оценок уровня мощности шума в сформированных ХН по ряду спектральных точек;

- зависимостей полученных оценок от номера ХН;

устройство индикации и регистрации результатов. Здесь не учтены блоки магнитной записи и воспроизведения, калибровочные устройства и устройство обратного быстрого преобразования Фурье, не существенные для процесса шумопеленгования, однако необходимые при измерениях параметров шумов морской среды.

Описанный тракт предназначен только для обнаружения и пеленгования целей, а также исследования параметров шума морской среды и не пригоден для контроля шумности корабля-носителя ГПБА. Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности контроля шумоизлучения корабля в процессе его эксплуатации.

Поставленная цель достигается введением в тракт шумопеленгования с буксируемой антенной последовательно соединенных схемы снижения смещенности оценок сигнала, схемы контроля шумоизлучения корабля и схемы сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля, при этом первый вход схемы снижения смещенности оценок сигнала подсоединен к выходу устройства временной и пространственной обработки, содействующему ХН, "нацеленной" на контролируемый корабль (курсовой угол - 0°), а второй вход - к выходу, соответствующему ХН, "отвернутой" от контролируемого корабля (курсовой угол - 180°), а выход схемы сравнения подается параллельно с основной информацией тракта шумопеленгования с ГПБА на устройство индикации и регистрации.

Авторам и заявителю не известны технические решения с приведенной совокупностью отличительных признаков, следовательно, можно сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность предложенного технического решения поясняется следующими фигурами графического изображения:

Фиг. 1 - блок-схема прототипа.

Фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства.

Фиг. 3 - устройство предварительной обработки информации, блок аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации.

Фиг. 4 - блок-схема снижения смещенности оценок сигнала.

Фиг. 5 - пространственное расположение используемых ХН ГПБА относительно корабля.

Фиг. 6 - схема контроля шумоизлучения корабля.

Фиг. 7 - спектроанализатор и формирователь ХН, устройство временной и пространственной обработки.

Практическое исполнение блоков предлагаемого устройства контроля шумоизлучения корабля известно из технической литературы.

В частности, особенности построения ГПБА (1) и некоторые параметры ГПБА, состоящих на вооружении зарубежных стран, изложены в уже упоминавшейся обзорной статье А.А. Гурвич и др. Гидроакустические системы с ГПБА в журнале "Судостроение за рубежом" №10, Л.: Судостроение, 1984, 34-52 с.

Устройство предварительной обработки сигналов (2), предназначенное для многоканального усиления и фильтрации сигналов с приемников ГПБА (фиг. 3), реализуется с использованием набора малошумных усилителей на полевых транзисторах и фильтров нижних частот. Малошумный усилитель (2а) разработан для усиления сигналов в полосе частот 20 Гц - 20 кГц от пьезоэлектрического преобразователя. Такой усилитель имеет высокое входное сопротивление, малые габариты и потребляемую мощность. Схема подобного усилителя приведена в книге: А.Н. Игнатов «Полевые транзисторы и их применение», М.: Радио и связь, 1984, рис. 4.11. Фильтры нижних частот (2б) используются в виде аналоговых интегральных микросхем (см. Б. Успенский, Активные к RС-фильтры, сборник «В помощь радиолюбителю», вып. 92, М.: ДОСААФ СССР, 1986, 57 с.).

Блок аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации (3) (фиг. 3) строится с использованием последовательно соединенных аналогового коммутатора (3а) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (3б). Эти элементы имеются в виде интегральных микросхем, см. книгу «Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы», под ред. С.В. Якубовского, М.: Радио и связь, 1985, 357, 371 с.

Устройство разуплотнения и запоминания цифровой информации (4) широко используется в цифровой вычислительной технике и является обязательным элементом любой ЭВМ (см., например, книгу «Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение», под ред. А.Ю. Гордонова, М.: Радио и связь, 1981, фиг. 3.1, 3.5, 3.15).

Спектроанализатор и формирователь ХН (5) (см. фиг. 7) реализуются на спецпроцессорах БПФ (блоки 5а) и устройстве запоминания цифровой информации (5б), аналогичном устройству (4). Спецпроцессоры БПФ получили распространение в измерительной технике. Например, устройство типа 2130 фирмы Брюэль и Къер, Дания (см. книгу А.К. Новиков Статистические измерения в судовой акустике, Л.: Судостроение, 1985, 157 с). Особенности построения спецпроцессоров БПФ изложены в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд Теория и применение цифровой обработки сигналов, перевод с английского, М.: Мир, 1978, глава 10 - Специализированные устройства для выполнения БПФ, блок-схемы фиг. 10.18. 10.21. Имеются также отечественные образцы аналогичных спектроанализаторов, реализующих указанную функцию средствами цифровой и аналоговой техники (анализатор спектра вычислительный СКЧ-72/2, ЕЭ1.406.068).

Устройство временной и пространственной обработки (6) (см. фиг. 7) является многоканальным устройством, осуществляющим в каждом канале получение квадрата модуля спектральных составляющих, вычисленных в блоке (5), с помощью квадраторов (6а) и сумматоров (6б) и накопление последовательно полученных величин в накапливающих сумматорах (6в). Указанные элементы устройства реализуются с помощью интегральной микросхемотехники (см. справочник «Интегральные микросхемы», под ред. Б.В. Тарабрина М., Радио и связь, 1983, 59 с).

Обычно цифровые измерительные спектроанализаторы БПФ совмещают в себе АЦП, устройство запоминания цифровой информации, процессор БПФ, блок временной обработки (интегратор) и индикатор, т.е. блоки (3)-(7) в блок-схеме предлагаемого устройства.

Функции блоков (4)-(6) реализуются также средствами программируемой вычислительной техники с использованием мини-ЭВМ или микропроцессоров, как это сделано в прототипе.

Практическое исполнение блоков, вводимых в устройство с целью обеспечения возможности контроля шумоизлучения, также известно из технической литературы. Схемы вычитателей (8а) и (8б) (фиг. 4) приведены в книге: П.П. Орнатский «Автоматические измерения и приборы», Киев: Вища школа, 1980, 122 с. Накапливающий сумматор (8б) описан в книге: А.И. Домарацкий и др. «Дискретная измерительная корреляционная система», Новосибирск: Наука, 1965, 36 с. Блок памяти (9в) - обычное ДЗУ, см., например, Автоматизация производства и промышленная электроника, том 1, М.: Советская энциклопедия, 1964, 407, 412, 413 с. Схема сравнения (10) выполнена аналогично схемам, описанным в книгах А.В. Фреликс «Телеизмерения», М.: Высшая школа, 1975, 174 с. Л.Ф. Ауэн «Проектирование дискретных устройств автоматики», Л.: Энергия, 1980, 10 с.

Работа устройства осуществляется следующим образом. ГПБА (1) (см. фиг. 1) принимает акустический шум в смеси с шумоизлучением корабля. Сигналы, принятые гидрофонами ГПБА, передаются по кабель-буксиру, усиливаются и отфильтровываются в блоке предварительной обработки сигналов (2). Затем через коммутатор (3а) (см. фиг. 3) последовательно опрашиваются АЦП и преобразуются в цифровую форму. Эти операции выполняются в устройстве аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации (3) (см. фиг. 1). Цифровая информация передается в устройство разуплотнения и запоминания (4), где хранится перед дальнейшей обработкой. Затем хранящаяся в устройстве запоминания (4) цифровая информация подвергается двумерному быстрому преобразованию Фурье в спектроанализаторе и формирователе ХН (5) (см. фиг. 7). Операции БПФ проводятся сначала по временным реализациям в каждом канале, а затем по пространственным реализациям в каждой частотной точке. В результате получается пространственно-частотный спектр акустических сигналов, эквивалентный статическому вееру ХН в каждой из частотных точек их узкополосного частотного спектра. Для последовательно получаемых таким способом реализаций пространственно-частотного спектра производится вычисление квадрата модуля спектральных составляющих и усреднение в блоке временной и пространственной обработки (6), полученные оценки спектральных плотностей мощности отображаются на индикаторе (7).

Из сформированных ХН на выходах устройства временной и пространственной обработки (6) выбираются две ХН - "нацеленная" на корабль (12) и "отвернутая" от корабля буксировщика (13) (см. фиг. 5). В первой ХН имеется оценка спектральной плотности мощности шума корабля - буксировщика в смеси со спектральной плотностью помехи на ГПБА

во второй ХН - только оценка спектральной плотности мощности помехи на ГПБА

При этом помехи в двух ХН примерно одинаковы по спектральным плотностям и не коррелированы между собой.

Обе оценки поступают синхронно на входы схемы снижения смещенности оценки сигнала (ССОС) - (8) (см. фиг. 4). В ССОС введены последовательно включенные вычитатель (8а), первый вход которого соединен с выходом устройства временной и пространственной обработки, соответствующим ХН, "нацеленной" на корабль, а второй вход - с выходом, соответствующим ХН, "отвернутой от корабля, и накапливающий сумматор (8б).

В ССОС осуществляется вычитание оценок спектральной плотности

величина является "очищенной" от постоянной составляющей помех оценкой спектральной плотности сигнала - шумоизлучения корабля, буксирующего ГПБА.

При этом флюктуационная погрешность - дисперсия оценки

Для снижения этой погрешности используется накапливающий сумматор (8б), который за n реализаций вырабатывает оценку

Дисперсия этой усредненной оценки

т.е. в n² раз меньше дисперсии одной реализации.

Сигнал из ССОС (8) поступает на схему контроля шумоизлучения корабля (9), выполняющую функции переключения устройства в режим запоминания информации при сдаточных испытаниях корабля и после переключения на режим контроля (определение разности между уровнями шумоизлучения при эксплуатации и при сдаточных испытаниях). В схему контроля шумности (9) (см. фиг. 6) введены последовательно соединенные переключатель (9а), вход которого соединен с выходом ССОС (8), вычитатель (9б), выход которого соединен со входом схемы сравнения (10), а также блок памяти уровня шумоизлучения при сдаточных испытаниях (9в), вход которого соединен со вторым выходом переключателя (9а), а выход со вторым входом вычитателя (9б). Работа схемы контроля шумности (9) осуществляется следующим образом. При сдаточных испытаниях с помощью переключателя (9а) шумопеленгаторной системы с ГПБА спектральная плотность шумоизлучения подается и запоминается в блоке памяти (9в). В процессе эксплуатации с помощью переключателя (9а) на вычитатель (9б) подается спектральная плотность шумоизлучения, замеренная в процессе эксплуатации На выходе вычитателя образуется разность

Эта разность подается на схему сравнения (10) для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля, которая сопоставляет выявленную разность между упомянутыми спектральными плотностями с допустимой величиной заранее специфицируемой для корабля, и выдает на устройство индикации и регистрации (7) данные о возможности дальнейшей эксплуатации корабля или о необходимости проведения мероприятий по обесшумливанию.

Тракт шумопеленгования, принятый за прототип, не позволяет измерить шумоизлучение корабля, кроме того, при сравнении с аналогичными устройствами, разрабатываемыми на нашем предприятии, предложенное техническое решение с использованием трактов шумопеленгования с ГПБА обладает повышенной точностью контроля шумоизлучения корабля и обеспечивает возможность в процессе эксплуатации осуществлять сопоставление с уровнем шумоизлучения, зафиксированным при сдаточных испытаниях корабля.

Техническая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с возможностями прототипа характеризуется следующими оценками. Для тракта шумопеленгования, аналогичного прототипу и разработанного на предприятии-заявителе, величины отношения сигнал/помеха для различных частот при оценке уровня шумоизлучения корабля приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что на частотах 5 ƒ_о и 50ƒ_о контроль невозможен. На частотах 100ƒ_o и 1000ƒ_о контроль и измерения будут выполняться с малой точностью, так как желательно наличие превышения сигнала к помехе более 20 дБ, но не менее 6 дБ.

В предлагаемом устройстве обеспечивается необходимое отношение сигнала к шуму. Флюктуационная погрешность контроля составляет 2÷3 дБ. Цель, поставленная в изобретении, достигается полностью.

Наименование блоков на фигурах графического изображения

1. Гибкая протяженная буксируемая антенна.

2. Устройство предварительной обработки сигналов.

2а. Малошумный усилитель.

2б. Фильтр нижних частот.

3. Устройство аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации.

3а. Аналоговый коммутатор.

3б. Аналого-цифровой преобразователь.

4. Устройство разуплотнения и запоминания цифровой информации.

5. Спектроанализатор и формирователь характеристик направленности.

5а. Спецпроцессор БПФ.

5б. Устройство запоминания цифровой информации.

6. Устройство временной и пространственной обработки.

6а. Квадратор.

6б. Сумматор.

6в. Накапливающий сумматор.

7. Устройство индикации и регистрации результатов.

8. Схема снижения смещенности оценок сигнала.

8а. Первый вычитатель.

8б. Накапливающий сумматор.

9. Схема контроля шумоизлучения корабля.

9а. Переключатель.

9б. Второй вычитатель.

9в. Блок памяти уровня шумоизлучения при сдаточных испытаниях корабля.

10. Схема сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля.

11. Корабль, шум которого контролируется.

12. Характеристика направленности, "нацеленная" на корабль.

13. Характеристика направленности, "отвернутая" от корабля.

Claims (1)

1. Устройство для контроля шумоизлучения корабля, содержащее последовательно соединенные гибкую протяженную буксируемую антенну, устройство предварительной обработки сигналов, устройство аналого-цифрового преобразования и уплотнения цифровой информации, устройство разуплотнения и запоминания цифровой информации, спектроанализатор и формирователь характеристик направленности, устройство временной и пространственной обработки и устройство индикации и регистрации, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности контроля шумоизлучения корабля в процессе его эксплуатации, в него введены последовательно соединенные схема снижения смещенности оценок сигнала, схема контроля шумоизлучения корабля, схема сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля, причем первый вход схемы снижения смещенности оценок сигнала соединен с выходом устройства временной и последовательной обработки тракта шумопеленгования с гибкой протяженной буксируемой антенной, соответствующим характеристике направленности, направленной на корабль-буксировщик, второй вход этой схемы соединен с выходом, соответствующим характеристике направленности, отвернутой от корабля-буксировщика, а выход схемы сравнения для принятия решения о допустимом уровне шумоизлучения корабля соединен с входом устройства индикации и регистрации.

Images