UA30234U - Система ближнього гідроакустичного безперервного моніторингу підводної обстановки територіальних вод морських акваторій - Google Patents

Abstract

Система ближнього гідроакустичного безперервного моніторингу підводної обстановки територіальних вод морських акваторій містить генератор, з'єднаний з акустичним випромінювачем, вихід генератора з'єднаний з дискретною лінією затримок, виходи ліній затримок підключені до перших входів помножувачів, приймальний перетворювач з'єднаний із входом передпідсилювача, вихід якого підключений до входів смугових фільтрів, виходи фільтрів підключені до інших входів помножувачів, виходи помножувачів підключені до входів фільтрів низьких частот. Система містить також генератор безперервного широкосмугового шуму, широкосмуговий акустичний випромінювач, погоджені керовані адаптивні смугові цифрові фільтри...., з'єднані з керуючим процесором відображення R(n) й обчислення поточних спектрів Sблока Б, процесор з'єднаний з блоком прийняття рішень і банком даних.

Description

Опис винаходу

У даній області гідроакустики проблема безперервного моніторингу (контролю) підводної обстановки 2 прибережних вод у конкретних акваторіях моря (бухтах, портах, зонах рибного промислу, видобутку корисних копалин на шельфі - газ, нафта й т.п.) є актуальною. Це пов'язане з необхідністю розробки й створення перспективних гідроакустичних систем ближнього безперервного спостереження морського середовища з високим просторовим дозволом. При цьому система повинна забезпечувати екологічну безпеку за рахунок застосування високих ультразвукових частот (сотні кГц) і зниження спектрального рівня акустичного випромінювання шляхом використання шумового сигналу з великою базою

Вк л де М - смуга частот акустичного випромінювання, Її - тривалість сигналу. Переваги такої системи проявляються ще й у тім, що вона забезпечує максимальне відношення сигнал/шум за рахунок роботи в діапазоні частот, де рівень власних акустичних шумів морського середовища мінімальний. Це дає можливість т додатково знизити рівень акустичного випромінювання при роботі системи. У теж час сучасні гідроакустичні системи ("Паллада", "-ГАСМ МГ-89М", "УПО-09Ф", "Виньетка-ЗМ"), які використовують, як правило, імпульсні або

ЛУМ випромінювання з високою спектральною інтенсивністю. При розробці системи підводного моніторингу для реалізації можливостей (граничної чутливості, що дозволяє здатності, дальності виявлення й т.п.) дуже важливо враховувати акустичні властивості морського середовища (частотну залежність коефіцієнтів поглинання й ослаблення), що впливають на поширення в ній акустичного випромінювання. Пропонована система дозволяє враховувати автоматично ці властивості середовища і їхня мінливість у часі, реалізуючи потенційну чутливість системи.

Найбільш близьким до пропонованої системи (пристрою) технічним рішенням обраний найближчий аналог системи ТАРП (тимчасове автоматичне регулювання посилення). (По пункті Мо3 згадується найближчий аналог 29 до заявленої системи: Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: шщ состояние и актуальнье проблемь. - СПб. Наука. - 41Ос. (см. стр. 89, 238, 249), а также Логинов К.В.

Гидроакустические поисковьіе приборьі. - М., 1971. - 302с. (см. стр.69, 107-112)). Ця система, передбачена в схемах сучасних приладів (гідролокаторів, ехолотах і т.п.), змінює коефіцієнт підсилення прийомного тракту від мінімального (у момент посилки зондувального імпульсу) до максимального значення, обмеженого рівнем - власних шумів морського середовища. Зростаючий у часі коефіцієнт підсилення компенсує убутну інтенсивність «З зондувального імпульсу через розширення фронту хвилі з дистанцією й поглинанням звуку в морському середовищі при поширенні. сч

Суть корисної моделі є підвищення ефективної системи ближнього гідроакустичного безперервного о моніторінгу підводної обстановки теріторіальних вод морських акваторій і забезпечення скритності роботи системи за рахунок широкосмугового сигналу або сигналу з великою базою, тому що сигнал широкосмуговий, а о морське середовище має частотно-залежний коефіцієнт поглинання звуку (приблизно квадратично залежне поглинання звуку від частоти), те в системі пропонується використовувати адаптивну цифрову смугову фільтрацію сигналу залежно від дистанції й частоти. Для одержання максимального відношення сигнал/шум « необхідно цей прийнятий сигнал профільтрувати через смуговий фільтр із комплексної частотної (амплітудною й 70 фазової) характеристикою, дійсна й мнима складова якого сполучена або зворотно тієї що має морське З с середовище, що розглядаємо у вигляді фільтра. Оскільки дистанції до лоцируємого об'єкта міняються, то "з одержуємо фільтр, що описує середовище, зі змінними параметрами. Тому необхідно зробити широкополосну приймальню систему адаптивної до характеристик середовища, що у цій смузі частот робить ці перетворення зворотними. Пропонується здійснити таку систему за допомогою набору цифрових фільтрів і кореляторів з 395 інтеграторами. При цьому використовуємо деякі переваги цифрових фільтрів (ЦФ) у порівнянні з аналоговими: ен 1. ЦФ можуть мати характеристики, одержати які на аналогових фільтрах неможливо, наприклад, дійсно о лінійну фазочастотну характеристику; 2. Якщо фільтр побудований з використанням програмувального процесора, його частотна характеристика кі може настроюватися (перепрограмуватися) автоматично, наприклад, при зміні гідрології морського середовища, со 50 оскільки коефіцієнт поглинання звуку залежить від температури й солоності; 3. Один ЦФ може обробляти кілька вхідних сигналів або каналів без дублювання апаратних блоків; їз 4. Як фільтровані, так і нефільтровані дані можна зберегти для наступного використання; 5. Можливість одержувати невеликі ЦФ зі зниженою споживаною потужністю й більше низькою ціною; 6. На практиці точність, якої можна домогтися при використанні аналогових фільтрів, обмежена; наприклад, 59 загасання в смузі придушення не можна зробити нижче -60-7ОдБ (якщо використовувати стандартні аналогові с компоненти). Точність ЦФ обмежена тільки використовуваною довжиною його вагової функції; 7. Продуктивність ЦФ однакова для всіх пристроїв серії; 8. ЦФ можуть використовуватися у великому діапазоні частот, для чого досить просто поміняти частоту дискретизації; бо 9. ЦФ мають високу відтворюваність і стабільністю частотних характеристик (амплітудних і фазової) і коефіцієнтів передачі.

У відомій системі ТАРП міняється тільки коефіцієнт передачі, а частотна характеристика прийомного тракту залишається незмінної. Пропонована система дозволяє враховувати й компенсувати змінність самої частотної й фазової характеристик морського середовища, оскільки на високих частотах (наприклад, сотні бо кілогерців-мегагерц) коефіцієнт поглинання ультразвуку в морському середовищі залежить від частоти квадратически.

Схема реалізації й суть пропонованого пристрою зображена на кресленні де, ГШ - генератор шуму; ПС - широкосмуговий підсилювач; Вип - широкосмуговий випромінювач ультразвуку; Пр - широкосмуговий прийомний ультразвуковий перетворювач; О - лоцируємий об'єкт (ціль); Х - перемножник; ФНЧ -- фільтр низьких частот; АЦП - аналогово-дифровий перетворювач; (Ц, ф5,...їу - блоки затримки; Ку(ім), Ко(ім), КМ) - погоджені смугові фільтри; гл, Го - відстань до об'єкта від Вип і Пр; І -- інтерфейс.

Пропонована система активної безперервної шумової гідроакустичної локації морського середовища містить багатоканальний прийомний тракт для виявлення відбитих від об'єктів акустичних сигналів, що реалізує 7/0 Концепцію оптимального (потенційного) приймача з максимальним відношенням сигнал/шум. Число каналів прийому визначається числом елементів просторового дозволу по дальності (обумовленого шириною спектра шумового випромінювання) разміщающихся на граничній дистанції.

Система може працювати не тільки "на відбиття" від об'єктів, але й "на просвіт", тобто коли випромінювач спрямований безпосередньо на прийомний ультразвуковий перетворювач, що дає можливість, зокрема, 7/5 Контролювати біоресурси, а також відновлювати гідрологічні й гідрофізичні характеристики морського середовища (температура, солоність, швидкість звуку й т.п.) на акустичній трасі. З метою збільшення дальності виявлення мети й підвищення скритності роботи системи широкосмуговий генератор шуму й акустичний випромінювач випромінюють у морське середовище безперервний шумовий широкосмуговий акустичний сигнал з великою базою, а коефіцієнти передачі й частотні характеристики адаптивних цифрових смугових фільтрів

Кі(Мм), Ко(Мм), 2оКу(Мм/) управляються процесором блоку Б і є погодженими із частотними хароктеристиками морського середовища й власним спектром акустичного шуму середовища, які залежать від дистанції (часів затримок М, ,...їм) і гідрологичних характеристик середовища (температури, солоності), одержаними з банку даних або посредствам окремих прямих вимірів; процесор по максимуму функції кореляції визначає відстань до мети.

Система ближнього гідроакустичного безперервного моніторингу підводної обстановки територіальних вод морських акваторій складається з: генератора широкополосного шуму ГШ, вхід якого з'єднаний з ші випромінювачем Вип ультразвуку в морське середовище й входом аналого-дифрового перетворювача АЦП; широкополосного прийомного перетворювача Пр вихід якого з'єднаний із входом широкополосного малошумливого підсилювача ПС; вихід ПС з'єднаний із входом АЦП2; вихід АЦП2 з'єднаний із входами «г зо погоджених смугових цифрових фільтрів К.(м/), Ко(Мм/), .... Ко(М), виходи, яких підключені до перших входів цифрових перемножників Х. Вихід АЦПІ1 підключений до входу лінії цифрової затримки М, б, .,., їм (зрушеному со регістру); відгалуження від лінії затримки підключені до других входів перемножників Х. Виходи кожного с цифрового перемножника Х підключені до входів ідентичних цифрових фільтрів низьких частот ФНЧ. Виходи

ФНУ підключені до процесора блоку Б. Блоки А и Б можуть бути реалізовані на основі мікропроцесорів або на «2 зв одному потужному процесорі. Процесор блоку Б з'єднаний із блоком прийняття рішень, банком даних і шиною с інтерфейсу И. Інший вихід процесора блоку Б з'єднаний з адаптивними цифровими фільтрами Ку/(їм), Ка(ім/), 2. Кум) для регулювання (установки) їхніх коефіцієнтів передачі й частотних характеристик залежно від дистанції (номера каналів і гідрології).Основні потоки вимірювальної інформації циркулюють у блоках А и Б, а результуюча інформація до зовнішніх споживачів у стислому виді надходить через шину інтерфейсу І. «

Система працює в такий спосіб широкосмуговий сигнал, від генератора шуму ГШ надходить на - с випромінювач Вип, випромінюється в морське середовище, доходить до мети, частково відбивається й вертається на приймач Пр у вигляді ослабленого неуважного сигналу. Після перетворення звуку в Пр в :з» електричний сигнал, він підсилюється й надходить на вхід АЦП2. Далі сигнал у цифровому виді піддається математичній обробці в блоці А. Тобто пропонована система кореляційна, те оцифровиваєм і опорний сигнал за допомогою АЦП. По опорному сигналі від ГШ формуємо затримки М, б, ..., їм (регістр зрушення), а прийнятий с сигнал у цифровому виді з виходу АЦП2 надходить на входи набору цифрових фільтрів К.(іїм/), Ко(ім), ...,

Ку(їм/), у яких по командах процесора блоку Б змінюється залежно від дистанції (номера каналів і гідрології) о коефіцієнт передачі й форма частотної характеристики. Набір ЦФ К.(їм/), Ко(ім), ..., Ку(Їм/), входи, яких з'єднані з з виходом АЦП, а виходи кожного ЦФ з'єднані з першим входом перемножника Х. Гранична дистанція до мети, обмежується умовою, коли рівень шуму рівняється із заданим коефіцієнтом з рівнем прийнятого сигналу. з Перевага кореляційної системи полягає в тому, що вона дозволяє виявляти відбитий неуважний шумовий сигнал ль коли відношення сигнал/шум навіть у багато разів менше одиниці. Сигнали з виходів перемножників Х надходять на входи цифрових ФНЧ. Всі ФНЧ мають ту саму смугу пропущення, тобто вони ідентичні по характеристиках.

Наведені до входу власні шуми самої прийомної системи з ПС і АЦП2 повинні бути багато менше природних ов акустичних шумів морського середовища. Далі вихід кожного ФНЧ з'єднаний із процесором блоку Б. Процесор блоку Б обчислює й відображає просторово-тимчасову кореляційну функцію, що містить М - дискретних відліків. с При цьому дистанція (відстань) до мети (об'єкта) при г4 - го визначають по вираженню є пів , де с-

Гп ж -8Вев-8иК швидкість звуку в середовищі; п - номер каналу, що відповідає максимуму кореляційної функції; бо - крок 60 затримки в зрушеному регістрі. Наприклад: при С-1500м/с, п-200; щ-103 з; одержимо г-150м. Гранична дистанція виявлення мети обмежується при заданому рівні природного акустичного шуму середовища (який на високих частотах мінімальний) величиною бази сигналу Ве Аг ,де Ж - смуга випромінюваного шумового сигналу, обмежена смугою пропущення фільтрів Ку(Їм/), г тривалість, обумовлена граничною частотою смуги бо» пропущення ФНЧ. Наприклад, при лі-4ОкГц, (-1 з, Е-2 одержимо середнє квадратичне відхилення (випадкову погрішність або флуктуаційний поріг чутливості системи) де Ем н 2-М або 195 (тобто -20ОдБ) від рівня

І УА, 200 шуму морського середовища, де Е - шум-фактор прийомного тракту, МУ - сума енергії сигналу й шуму 9 середовища.

Банк даних містить відомості про гідрологічні й акустичні характеристики морського середовища в даній акваторії на сучасний момент часу. Крім цього інформація з виходів 1, 2..М надходить у банк даних для нагромадження відомостей про фонові умови в контрольованій акваторії.

Блок прийняття рішень на основі сигналів з виходів ФНЧ (тобто функції кореляції) і заданих адаптивних порогів виявлення, видає через інтерфейс | споживачеві інформацію про стан середовища й наявність у ній об'єктів, їхню класифікацію й характеристики.

Claims (1)

1. Формула винаходу Система ближнього гідроакустичного безперервного моніторингу підводної обстановки територіальних вод морських акваторій, що містить генератор, з'єднаний з акустичним випромінювачем, вихід генератора з'єднаний з дискретною лінією затримок, виходи ліній затримок підключені до перших входів помножувачів, приймальний перетворювач з'єднаний із входом передпідсилювача, вихід якого підключений до входів смугових фільтрів, виходи фільтрів підключені до інших входів помножувачів, виходи помножувачів підключені до входів фільтрів низьких частот, яка відрізняється тим, що для збільшення дальності виявлення цілі й підвищення скритності роботи системи вона додатково містить генератор безперервного широкосмугового шуму, широкосмуговий акустичний випромінювач, погоджені керовані адаптивні смугові цифрові фільтри кі КЕ (сна) пе 4 Кий) , з'єднані з керуючим процесором відображення К(п) й обчислення поточних спектрів 5 ул блока Б, - процесор з'єднаний з блоком прийняття рішень і банком даних, який дає можливість розпізнавати біоресурси, поновлювати дані гідрологічних і гідроморського середовища. (зе) с о Зо «о

   - . и? о о ко о 60 б5