-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...........................................................3
Глава 1. Гидролокационные системы надводных кораблей...............8
1.1 Основные классы гидролокационных устройств...............8
1.2 Базовые принципы обработки данных.......................16
1.3 Постановка задачи работы................................22
Глава 2. Принципы проектирования многоцелевого эхолота-
гидролокатора. Особенности конструкции......................23
2.1 Общие принципы проектирования изделия...................23
2.2 Особенности конструкции антенного блока.................26
2.3 Особенности конструкции электронного блока..............32
Глава 3. Алгоритмы управления и обработки данных..................38
3.1 Особенности алгоритма управления изделием...............38
3.2 Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони............40
3.3 Алгоритмы постобработки.................................48
Глава 4. Технические характеристики многоцелевого эхолота-
гидролокатора...............................................50
4.1 Исходные данные для расчётов и моделирования........... 50
4.2 Результаты моделирования................................51
4.3 Режимы функционирования изделия.........................57
Глава 5. Результаты стендовых и натурных испытаний............... 59
5.1 Условия и методики проведения испытаний.................59
5.2 Испытания изделия в гидробассейне...................... 60
5.3 Натурные испытания. Съёмка рельефа......................64
5.4 Натурные испытания. Поиск и классификация.............. 78
5.5 Автокомпенсация систематических погрешностей............92
Заключение....................................................... 95
Библиографический список......................................... 97
-3-
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие электроники во второй половине XX века обусловило её определяющее влияние на все области науки и техники. В этом смысле, гидроакустика не является исключением. Если 30-50 лет назад функциональные возможности электрорадиоизделий (ЭРИ) во многом определяли облик гидроакустической аппаратуры в целом, то в настоящее время ситуация совершенно иная. На основе современных ЭРИ можно создавать компактные высоконадёжные многоканальные гидроакустические системы (ГАС) на основе фазированных антенных решёток, причём возможности ГАС лимитируются в основном конструктивными особенностями антенн, параметрами гидроакустических преобразователей, возможностями кабельной сети и другими факторами, не связанными с параметрами ЭРИ; могут быть реализованы практически любые алгоритмы управления и обработки данных, поскольку на несколько порядков выросли возможности вычислительных устройств [2,3,5,6].
На современном рынке гидролокационного оборудования надводных кораблей (НК) по-прежнему наиболее широко представлены традиционные устройства — однолучевые эхолоты различного назначения (ОЭ), многолучевые эхолоты (МЛЭ), гидролокаторы бокового обзора (ГБО). Такое разделение сложилось ещё в середине XX в., когда возможности электроники не позволяли создавать многофункциональные устройства с приемлемым соотношением цена/качество. Эта ситуация сохраняется и поныне, несмотря на то, что и ОЭ, и МЛЭ, и ГБО часто используются для решения одних и тех же задач (например, для съёмки рельефа морского дна) [8,27,37].
ОЭ являются самыми недорогими из обозначенных типов устройств; поэтому они широко распространены и имеют высокий уровень продаж не только в России, но и за рубежом. Средняя цена импортного ОЭ в России составляет 300-400 тыс. руб. Цена МЛЭ и ГБО на порядок выше. По всей
-4-
видимости, этим и определяется их относительно слабое (по сравнению с ОЭ) распространение.
Основной круг задач, решаемых гидролокационным оборудованием НК, связан с прибрежной зоной (с глубинами до 500 м). Это поисковые, исследовательские, промерные, промысловые и другие задачи. Все перечисленные задачи сводятся к проблемам обнаружения, пеленгации и идентификации линии дна, а также различных объектов под водой [38, 43, 45]. Методы решения задач ОЭ, МЛЭ и ГБО различны. ОЭ определяет дистанцию до дна или подводного объекта вдоль одной оси (луча), как правило, ориентированной вертикально вниз. МЛЭ определяет дистанции вдоль множества лучей, расположенных равномерно в угловом секторе 90°-150°. Сектор ориентируют вниз и располагают в плоскости шпангоутов (поперёк направления движения НК). ГБО формирует светотеневую эхо-картину морского дна в секторе до 180°, за исключением подкилевой области [8].
В процессе своего развития в конце XX века возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО значительно возросли и стали значительно пересекаться. Так, ОЭ объединяют в группы по 5-20 и более единиц и создают многоканальные эхолоты (МКЭ), МЛЭ оснащают функцией формирования светотеневой картины, современные ГБО обладают возможностью оценки направления на объект. Также нельзя не отметить стремление некоторых разработчиков к комплексированию, т.'е. к совместному применению ОЭ, МЛЭ и ГБО в различных сочетаниях для решения определённых задач [40,41,42].
Анализируя функциональные возможности различных классов гидроакустических устройств, можно обнаружить значительный разрыв между сравнительно дешёвыми однолучевыми эхолотами и сложными системами на основе многолучевых эхолотов, т.е. в продукции ведущих производителей гидроакустического оборудования не представлен «средний класс» устройств, который в функциональном и ценовом плане занимал бы промежуточное положение между однолучевыми и многолучевыми эхолотами [36].
-5-
Более того, по всей видимости, мы можем говорить об объективной потребности в гидроакустическом устройстве, базирующемся на новых принципах и объединяющем функции и возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО для решения задач в прибрежной зоне. Необходимым условием широкого применения устройства нового типа является приемлемое соотношение цена/качество. По оценкам автора, для обеспечения устойчивого спроса цена устройства при мелкосерийном производстве должна превышать цену ОЭ не более чем в три-четыре раза.
Целью настоящей работы является разработка и исследование возможностей многоцелевого эхолота-гидролокатора — компактного гидроакустического устройства нового типа для надводных кораблей на основе фазированной антенной решётки, сочетающего в себе возможности основных типов гидроакустического оборудования судов: промерного (однолучевого) эхолота, многолучевого эхолота и гидролокатора бокового обзора.
Для достижения поставленной цели автором использован ряд методов исследований:
1. Анализ современного уровня техники в части гидролокационного оборудования надводных кораблей (однолучевых эхолотов, многолучевых эхолотов, гидролокаторов бокового обзора).
2. Синтез конструктивных, системных, технико-экономических и других требований к многоцелевому эхолоту-гидролокатору.
3. Моделирование работы изделия, расчёт параметров.
4. Экспериментальное изучение опытного образца многолучевого эхолота-гидролокатора на стендах и в натурных условиях.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:
1. Разработан и исследован многоцелевой эхолот-гидролокатор, обеспечивающий решение задач съёмки рельефа, поиска и классификации и сочетающий в себе возможности традиционных типов устройств — ОЭ, МЛЭ и ГБО.
-6-
2. Разработаны алгоритмы работы МЭГ на основе методов спектрального анализа с повышенной разрешающей способностью, позволяющие обеспечить высокую точность пеленгования в условиях ограниченной апертуры антенны МЭГ.
3. Разработаны программно-алгоритмические решения, позволяющие реализовать в МЭГ функции ОЭ, МЛЭ и ГБО.
4. Разработаны и реализованы алгоритмы постобработки, компенсирующие систематические погрешности при автономном применении устройства.
5. Разработана малогабаритная приёмоизлучающая фазированная антенная решётка, обеспечивающая решение задач МЭГ в двух частотных диапазонах.
6. Разработана управляющая электроника, генерирующая импульсы излучения для двух частотных диапазонов и осуществляющая усиление, фильтрацию и цифровую обработку эхо-сигналов.
7. Проведено экспериментальное исследование многоцелевого эхолота-гидролокатора в стендовых и натурных условиях в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены особенности основных классов гидроакустических устройств надводных кораблей — однолучевого эхолота, многолучевого эхолота, и гидролокатора бокового обзора; проведён сравнительный анализ некоторых зарубежных и отечественных образцов; представлен обзор современных методов обработки гидролокационных сигналов, в том числе методов с высокой разрешающей способностью. На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи работы.
Вторая глава посвящена обсуждению базовых принципов проектирования многоцелевого эхолота-гидролокатора, как устройства, предназначенного для широкого применения на надводных кораблях, а также описанию особенностей
-7-
конструкции основных блоков изделия — антенного блока и электронного блока.
В третьей главе описаны алгоритмы, реализованные в программном обеспечении изделия. Особое внимание уделено алгоритму обработки данных, в частности, методу Прони, позволяющему реализовать повышенное угловое разрешение при ограниченной приёмной апертуре антенной решётки. В главе также представлены алгоритмы постобработки, реализующие возможности изделия в части компенсации систематических погрешностей.
В четвёртой главе изложены исходные данные для расчёта и прогнозирования основных технических характеристик изделия, методики расчёта и моделирования, а также результаты моделирования; приведено описание функционирования изделия в различных режимах.
В пятой главе описаны методики испытаний опытного образца МЭГ; приведены результаты испытаний изделия в гидроакустическом бассейне, а также в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.
Основные результаты работы опубликованы в периодических изданиях, обсуждались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах (Москва 2000 г., 2001 г., 2002 г.; Санкт-Петербург, 2000 и 2006 г; Бристоль 2000 г. ), а также на семинарах в Московском Государственном университете и Московском инженерно-физическом институте.
-8-
ГЛАВА 1. ГИДРОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАДВОДНЫХ
КОРАБЛЕЙ.
В настоящей главе рассмотрены особенности основных классов гидроакустических устройств надводных кораблей — однолучевого эхолота (ОЭ), многолучевого эхолота (МЛЭ) и гидролокатора бокового обзора (ГБО); проведён сравнительный анализ некоторых зарубежных и отечественных образцов; представлен обзор современных методов обработки гидролокационных сигналов, в том числе методов с высокой разрешающей способностью. На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи работы.
1.1 Основные классы гидролокационных устройств
Номенклатура и варианты комплектации современных гидроакустических средств надводных кораблей основных производителей (SIMRAD, RESON, ATLAS ELECTRONIK, FURUNO и др.) чрезвычайно широки [21-24]. Для целей настоящей работы интерес представляют общие черты устройств традиционных классов (ОЭ, МЛЭ и ГБО), предназначенных для изучения рельефа и картографирования морского дна, проведения исследовательских и поисковых работ, а также решения других сходных задач в прибрежной зоне. Понятно, что к гидроакустическому оборудованию надводных кораблей относятся и корреляционные и доплеровские лаги, и гидролокаторы переднего обзора, и средства гидроакустической связи, и многое другое. Эти приборы выходят за рамки нашего исследования, поскольку решают задачи, не связанные со съёмкой рельефа или поиском объектов на дне или вблизи него.
Рассмотрим характерные особенности ОЭ, МЛЭ и ГБО.
Однолучевые эхолоты обычно состоят из электронного блока, включающего в себя все узлы излучающего и приёмного трактов, а также
- Київ+380960830922