Методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем

Реферат
ЗОНА ФРЕНЕЛЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, КРИВИЗНА ФРОНТА ВОЛНЫ, ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ, АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, ФОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ, ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА, КОМПЕНСАЦИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ПОМЕХИ
Объект исследования: Методы обработки гидроакустических сигналов в зоне Френеля для гидроакустических средств подводных объектов.
Цель работы: Обосновать методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем в интересах повышения помехоустойчивости и пространственной разрешающей способности ГАС.
В диссертации рассмотрены методы обработки гидроакустических сигналов с целыо освещения надводной и подводной обстановки, а также механизмы возникновения амплитудной модуляции сигнала повышенного уровня и эффекты, возни-' кающие при гетеродинировании сигнала в высокочастотную область в многоэлементной цилиндрической антенне. Предложена модель возникновения амплитудной, модуляции при формировании реверберационной приемной параметрической антенны и рассмотрена возможность компенсации виброакустических помех в гидроакустических средствах кораблей на основе принципов адаптивной фильтрации; приведены результаты экспериментальной проверки разработанных методов и численного моделирования.
2
Содержание
Реферат.............................................................. 2
Обозначения и сокращения............................................. 8
Введение............................................................. 11
Глава 1. Проблема обнаружения целей в зоне Френеля..................... 25
1.1. Столкновения подводных лодок с морскими целями 25
1.2. Акустическое поле морского объекта в зоне Френеля 32
1.2.1. Модель шумоизлучения корабля......................... 32
1.2.2. Акустическое поле излучателей простых форм
в зоне Френеля....................................... 37
1.2.3. Акустическое поле в морском волноводе................ 42
1.3. Отклик антенны на амплитудно-фазовое распределение акустического поля от морской цели............................ 46
1.3.1. Расчет характеристик направленности антенны
при различном амплитудно-фазовом распределении по апертуре антенны.................................. 46
1.3.2. Отклик приемной антенны, расположенной в зоне Френеля цилиндрического излучателя......................... 47
Выводы по 1 главе.............................................. 54
Глава 2. Помехоустойчивость ГАС и пространственно-временное
гидроакустическое поле......................................... 55
2.1. Повышение помехоустойчивости ГАС за счет пространственной фильтрации сигнала.................................... 56
2.2. Помехоустойчивость ГАС, как представление пространственно-корреляционных связей сигнала и помехи................... 59
2.3. Спектральные представления пространственно-временного
поля....................................................... 63
2.4. Корреляционные свойства помех............................. 68
2.5. Взаимные корреляционные свойства гидроакустических сигналов...................:.................................... 72
2.6. Результаты экспериментальных исследований пространственных взаимных корреляционных свойств гидроакустических сигналов................................................. 75
2.7. Принцип оптимизации пространственного фильтра.............. 79
Выводы по 2 главе............................................... 81
Глава 3. Анализ результатов экспериментальных исследований физических явлений, возникающих при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток........................... 82
3.1. Принципы гетеродинной обработки сигнала при гетеро-динировании его в электронном тракте ГАС....................... 84
3.2. Численное моделирование отклика многоэлементной цилиндрической антенны ........................................ 90
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований в
морских условиях........................................... 94
3.3.1. Общая методика экспериментальных исследований 94
3.3.2. Возможность повышения индекса амплитудной модуляции при гетеродинировании сигнала................... 97
3.3.3. Проверка электронной аппаратуры макетов............. 100
3.3.4. Экспериментальные исследования отклика макета многоканальной цилиндрической антенны в натурных условиях............................................. 108
3.3.5. Экспериментальные исследования отклика многоэлементной цилиндрической антенны в морских условиях. 112
3.4. Компенсация электрических наводок при гетеродинной обработке сигнала............................................ 114
3.5. Формирование отклика линейной эквидистантной антенны.. 116
3.6. Взаимодействие НЧ и ВЧ сигналов в одноканальной части
ГАС....................................................... 120
4
3.7. Помехоустойчивость в одноканальной части тракта обработки ГАС при перегрузке тракта обработки уровнем полезного сигнала............................................. 124
3.8. Обнаружение сигнала с использованием гетеродинирова-
ния в водной среде........................................ 128
3.8.1. Параметрические антенны классического типа.......... 128
3.8.2. Реверберационные приемные параметрические
антенны............................................... 131
3.8.3. Рсверберационная приемная параметрическая антенна на основе линейного взаимодействия НЧ и ВЧ сигналов................................................... 134
3.9. Формирование ближней зоны у многоэлементной приемной антенны при взаимодействии НЧ и ВЧ сигналов в водной срсдс.................................................. 148
Выводы по 3 главе............................................. 153
Глава 4. Повышение эффективности методов освещения обстановки на
основе использования принципов адаптивной фильтрации сигнала 155
4.1. Адаптивная компенсации виброакустической помехи
при гетеродинировании ВЧ сигнала на обтекателе ГАС 155
4.1.1. Адаптивная система как компенсатор помех............. 155
4.1.2. Классификации помех работе ГАС....................... 157
4.1.3. Модуляция ВЧ сигнала колебаниями обтекателя ГАС 161
4.1.4. Модель формирования эталона виброакустической помехи при отражении ВЧ сигнала от колеблющейся поверхности обтекателя Г АС................................ 162
4.1.5. Экспериментальная проверка метода компенсации виброакустической помехи.................................... 172
• 4.2. Освещение обстановки при лоцировании поверхности
моря...................................................... 182
5
4.2.1. Формирование реверберационной приемной параметрической антенны при лоцировании поверхности
моря..................................................... 182
4.2.2. Освещение ближней обстановки по регистрации изменения интерференционной картины акустического
поля с использованием адаптивного фильтра................ 184
4.2.3. Использование адаптивной фильтрации при
мониторинге морской среды................................ 189
4.2.4. Экспериментальная проверка возможности мониторинга с использованием данных, полученных в морских условиях.............................................. 192
4.2.5. Рассеяние акустических сигналов на морской
поверхности.............................................. 198
4.2.6. Оценка возможности обнаружения корабельных
волн при лоцировании поверхности моря.................... 203
Выводы по 4 главе............................................. 208
Глава 5. Предложения по освещению обстановки в зоне Френеля.............. 209
5.1. Метод гетеродинного сканирования акустического
поля при лоцировании его в пассивном режиме.................. 209
5.1.1. Адаптивные системы оптимизации принятия
решения.................................................. 209
5.1.2. Характеристики эффективности поиска.................... 211
5.1.3. Методы оптимизации сложной системы..................... 214
5.1.4. Метод гетеродинного сканирования акустического
поля в пассивном режиме.................................. 218
5.1.5. Оптимизация пространственного фильтра.................. 224
5.2. Алгоритм поиска ближней цели на основе анализа акустического поля в зоне Френеля................................ 226
5.3. Предложения по использованию реверберационной
приемной параметрической антенны.......................
5.3.1. Формирование многоэлементпой ревербераци-онной приемной параметрической антенны при иодировании поверхности моря................................... 232
5.3.2. Многоэлементная цилиндрическая реверберацион-
ная приемная параметрическая антенна..................... 234
5.3.3. Использование параметрических антенн в целях противодействия диверсионным силам и средствам 235
5.4. Предложения по компенсации виброакустической
помехи....................................................... 237
5.5. Использование корреляционной обработки для пеленгования целей в зоне Френеля........................................ 240
Выводы по 5 главе................................................ 244
Заключение ............................................................. 245
Список использованных источников........................................ 250
Приложения.............................................................. 262
7
Обозначения и сокращения
АД - амплитудный детектор
АКФ - автокорреляционная функция
AIIJI - атомная подводная лодка
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
АФ - адаптивный фильтр
АФР - амплитудно-фазовое распределение
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БПФ - быстрое преобразование Фурье
ВМФ - военно-моской флот
ВМС - военно-морские силы
ДД - дальность действия
ДС - дискретная составляющая
Г АС - гидроакустическое средство
ГСС - горизонт слоя скачка
ВЧ - высокочастотный
КВК - коэффициент взаимной корреляции
КЧХ - комплексная частотная характеристика
ЛЗ - линия задержки
НК - надводный корабль
НОА - нормированный отклик антенны
НЧ - низкочастотный
О А - отклик антенны
ПЛ - подводная лодка
ПО - подводный объект
ПВКФ - пространственная взаимоно - корреляционная функция PC - рабочий сектор ГАС
РППА - реверберационная приемная параметрическая антенна СКР - сторожевой корабль
8
с/п - соотношение сигнал / помеха
(S / N)anmetlHbl - отношение сигнал/помеха на выходе приемной антенны
ХН - характерне гика направленности
ЧВС - частотно-волновой спектр
ЧПС - частотно- пространственный спектр
ЧУС - частотно-угловой спектр
УВЧ - усилитель высоких частот
УНЧ - усилитель низких частот
ФВЧ - фильтр высоких частот
ФНЧ - фильтр нижних частот
ФЧХ - фазо-частотная характеристика
ЭАП - элекроакустический преобразователь
М - индекс модулции
R{e) - характеристика направленности антенны /?(г)- корреляционная функция
R(p) - пространственная корреляционная функция
R(r,p) - пространственно-временная корреляционная функция
p(f>p) - частотно-пространственный спектр
Ф(/,ф) - частотно-волновой спектр
R(C0', р) - частотно-угловой спектр
^(г,ф) - волновой спектр
S(co) - амплитудный спектр сигнала (спектральное представление сигнала)
S(t) - временное представление сигнала
(р{со) - фазовый спектр сигнала
/(р) - апертурная функция
Fc - частота сигнала
F3 - частота гетеродина
9
со - круговая частота ВЧ сигнала Г2 - круговая частота НЧ сигнала Кг - коэффициент гармоник К(0 - коэффициент передачи
- распределение звукового давления с расстоянием
р(г,у) - распределение звукового давления с расстоянием и по направлению
Р± - уровень звукового давления на комбинационных частотах (суммарной и разностной)
к - волновое число, к — 2т^Х рс - волновое сопротивление среды р(т) - коэффициент взаимной корреляции
р - радиус-вектор точки на плоскости антенны £/- амплитуда колебательной скорости Ьа-размер антенны
Ні(со) - частотная характеристика канала распространения
Г/ - задержка сигнала в канале
А% - разность коэффициентов помехоустойчивости антенн с равномерным и неравномерным амплитудно-фазовым распределением 3 - коэффициент распознавания 8(І) - функция Дирака
()аа. - коэффициент помехоустойчивости акустической антенны
10
Введение
В настоящее время можно отметить значительный интерес к вопросам пространственно-временной обработки сигналов в радиосистемах, к которым можно отнести и гидроакустические системы.
Несмотря на принципиальную схожесть, преемственность и идентичность обработки гидроакустических сигналов с обработкой в радиолокации, оптике, радиоастрономии и т.д., их специфичность имеет некоторые особенности, которые обусловлены условиями распространения сигналов, формирования помех и их пространственным расположением в водной среде, частотным диапазоном гидроакустических сигналов и т.д.
Эти особенности заставляют искать особые виды обработки, специфичные для гидроакустических сигналов, к которым автор относит предлагаемую гетеродинную обработку гидроакустических сигналов. Одной из особенностей гидроакустического канала распространения сигналов и помех является высокая степень рефракционных явлений и отражений от поверхности моря и дна. Это приводит к интерференционным явлениям, в морском волноводе и требуют их учета при обработке принимаемых гидроакустических сигналов и помех.
К помехам в гидроакустике принято относить шумы дальнего судоходства, биошумы, индустриальные шумы и другие когерентные источники сигналов. Эти источники по статистическим характеристикам схожи с источниками полезного сигнала. Т.е. помехой считается все, что не является сигналом. В этих условиях зачастую практически единственным различительным признаком между помехой и сигналом является кривизна фронта принимаемой волны степень, которой определяется размерами зоны Френеля.
По сути, зона Френеля определяется изменчивостью акустического поля с расстоянием, которое наблюдаются, как показано экспериментально и путем численного моделирования, повсеместно и на больших расстояниях. Фронт волны принимаемого сигнала в таких условиях можно считать плоским по апертуре антенны только с определенной степенью условности. Как показали теоретические и эксперимен-
11
тальные исследования за счет переотражений от поверхности моря и дна, а также за счет рефракционных явлений размеры зоны Френеля в морском волноводе даже для точечного источника сигнала могут составлять десятки и сотни километров.
При этом следует отметить, что приемная антенна работает не только в условиях приема полезного сигнала в зоне Френеля, но и в условиях приема ближних помех, источники которых расположены в зоне Френеля. Так при использовании обтекателя приемных гидрофонов и антенн последние работают в условиях воздействия виброакустических и гидродинамических помех, источники которых расположены в зоне Френеля, как обтекателя, так и приемной антенны. Поэтому второй задачей оптимальной обработки является подавление и компенсация помех, источники которых расположены в зоне Френеля.
Поэтому разработка методов обработки сигналов и помех в зоне Френеля является актуальной.
Наиболее сложная интерференционная картина наблюдается в мелком море. Поэтому томографические методы исследования морской среды в мелком море без учета формирования акустического поля в зоне Френеля не эффективны. При этом следует отметить, что формирование зоны Френеля в морских условиях сопряжено с переотражением сигналов от поверхности моря, что создает дополнительную модуляционную помеху, которую можно компенсировать с использованием принципов адаптивной фильтрации. Адаптивная обработка сигналов может быть полезна и при подавлении виброакустической и гидродинамической помехи.
Одно из направлений в океанологических исследованиях - создание новых технических средств освоения океана. К таким средствам можно отнести приемные параметрические антенны, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными антенными системами. Одной из разновидностей приемных параметрических антенн (ППА) является ППА реверберационного типа (РППА), которые могут быть реализованы на основе возникновения амплитудной модуляции при взаимодействии низкочастотного (НЧ) и дополнительно излученного ВЧ сигнала, рассеянного на неоднородностях морской среды, расположенных в зоне Френеля излучателя РППА.
12
Освоение мирового океана, не возможно без создания подводных объектов, в том числе движущихся. Огромный опыт эксплуатации движущихся подводных объектов (ПО) накоплен в военно-морском флоте при плавании подводных лодок (ПЛ), который показал ряд нерешенных проблем, к одной из которых следует отнести обеспечение безопасности плавания ПЛ от столкновений с надводными и подводными кораблями. Анализ столкновений подводных лодок с кораблями различных видов показывает ряд нерешенных проблем по обнаружению целей в ближней зоне и обеспечению безопасности от столкновений с ними. Так, по данным "Гринпис" за послевоенное время в мире погибло более 30 подводных лодок, в том числе 11 советских (из них 4 атомные), 4 американские (2 атомные), 3 английские и 4 французские. Среди аварий на море имеются несколько десятков столкновений подводных лодок, в том числе 20 столкновений лодок ВМФ с иностранными подводными лодками при нахождении их в подводном положении. Почти все столкновения в полигонах боевой подготовки происходили с атомными подводными лодками (АЛЛ) ВМС США, которые вели разведку на подходах к нашим военно-морским базам и записывали гидроакустические шумовые "портреты" наших АПЛ. В одной из статей [3] главный штурман ВМФ контр-адмирал Алексин отмечал, что «Как правило, американские АПЛ находились в мертвой зоне (зоне тени) гидроакустических средств наблюдения наших АПЛ и не могли наблюдаться последними. При выполнении маневров, связанных с изменением курса или глубины погружения, нашими подводными лодками даже при кратковременном взаимном гидроакустическом контакте столкновения избежать не удавалось, прежде всего, из-за дефицита времени и особенно - информации о пространственной ориентации их относительно друг друга».
Столкновение английской и французской АПЛ 4 февраля 2009 г. в Атлантическом океане подтверждает, что данная проблема не решена и в иностранных государствах стран НАТО до сих пор.
Эта проблема кроме всего прочего, приобретает в настоящее время и экологический оттенок, в связи с наличием на борту ядерных реакторов и ядерного вооружения имеется вероятность столкновений ПО с танкерами и судами, имеющими на
борту экологически опасные грузы в виде нефтепродуктов, ядовитых веществ и т.п.. Поэтому актуальность работы обусловлена не только обеспечением безопасности жизнедеятельности людей, уменьшением экономических потерь, а и необходимостью экологической безопасности морей и океанов.
Поэтому освещение ближней обстановки и обеспечение безопасности плавания при соблюдении скрытности ПЛ требуют разработки новых методов обнаружения морских целей в различных условиях, в том числе и неблагоприятных.
К неблагоприятным условиям, в которых затруднено обнаружение целей, по объективным причинам можно отнести:
- образование зоны тени для гидроакустических средств при наличии слоя скачка;
- многолучевое распространение звука в море;
- постоянно изменяющаяся кривизна фронта волны от сближающейся с ПО цели;
- повышение уровня помех ГАС при движении в турбулентном потоке и на повышенных скоростях хода ПЛ;
- наличие мешающей сильно шумящей дальней цели;
- развитое волнение моря (длина морской волны соизмерима с размерами надводной цели).
Специфичность гидроакустической информации при сближении с морскими целями заключается в том, что существующие гидроакустические средства, предназначены для обнаружения целей в дальней зоне. База гидроакустических антенн в этих средствах сформирована для приема плоского фронта волны. Сигнал от морской цели, находящейся в морском волноводе, за счет рефракционных и интерференционных явлений формирует неплоский фронт волны от цели, что приводит к несфазированному приему сигнала по апертуре приемной антенны. Поэтому при сближении с морской целыо из-за несформированности ХН в ближней зоне происходит уширение отметки от цели, до полного исчезновения её на индикаторе ГАС. «Развал» отметки в этом случае происходит из-за того, что морскую цель нельзя рассматривать как точечный источник, и поэтому фазовое и амплитудное распределение акустического давления в пространстве приводит к несфазированному приему сигнала от цели. Несмотря на принципиальную схожесть, преемственность и
14
идентичность обработки гидроакустических сигналов с обработкой в радиолокации, оптике, радиоастрономии и т.д., их специфичность имеет некоторые особенности, которые обусловлены условиями распространения сигналов, формирования помех и их пространственным расположением в водной среде, частотным диапазоном гидроакустических сигналов и т.д.
В общем плане гидроакустическое средство (ГАС) подвержено воздействию разнородных и вследствие этого различных по пространственным, временным и статистическим характеристикам помех, которые в процессе обнаружения изменяются, и поэтому для эффективного обнаружения цели требуется адаптация приемной антенной системы к изменяющейся сигнально-помеховой обстановке. Кроме этого разнообразие помех требует комплексного подхода для их подавления и эффективного выделения сигнала. Особенностью ГАС является то, что помеха сё работе распределена в пространстве относительно её антенны во всем диапазоне дистанций, начиная с малых - порядка метра (гидродинамическая, вибрационная, структурная) до помех дальнего судоходства - порядка сотен и тысяч километров. Наличие рефракционных явлений в морской среде приводит к тому, что источники как сигнала, так и помех, расположенные на сравнительно больших расстояниях, создают интерференционную зону (за счет появления мнимых источников), которая может рассматриваться как зона Френеля, в которой фронт волны не может рассматриваться как плоский. Источники распределенных корабельных помех (гидродинамическая, вибрационная, структурная) расположенных в зоне Френеля приемной антенны, не могут быть подавленны традиционной путем пространственной фильтрации сигнала с использованием ХН.
В истории науки известны случаи, когда открытие тех или иных явлений, законов природы, закономерностей и технических решений происходило случайно, и не было связано с предметом исследований.
Так в конце 70-х годов прошлого столетия в ходе проведения экспериментальных исследований был отмечен ряд эффектов, и, в частности, что в случае излучения высокочастотного (ВЧ) сигнала малой интенсивности (20-50 Па) в непосредственной близости от приемной антенны повышается эффективность обнаружения
15
сигнала (сужается характеристика направленности (ХН) гидроакустического средства (ГАС) и повышается его помехоустойчивость).
В 80-х годах представителями ведущих организаций Академии наук, Министерства судостроительной промышленности и ВМФ была подтверждена эффективность предложенного способа в рамках специально проведенных морских экспериментов на Тихом океане в вопросах обнаружения и пеленгования целей [1]. Так при испытаниях были получены ХН по тональному сигналу, показанные на рис.01.
Рис. 01. Характеристики направленности, полученные в результате экспериментальных исследований по тональному сигналу: а - в штатном режиме; б - в испытуемом режиме
По шумовому сигналу от НК характеристики направленности представлены на рис. 02.
а) б)
Рис. 02. Характеристики направленности по шумовому сигналу от НК: а - в штатном режиме; б - в испытуемом режиме
Проведенные работы показали его эффективность, в вопросах обнаружения целей и их пеленгования. При этом на выходе ГАС наблюдалось сложное акустическое поле как показано на рис.03.
16
Рис. 03. Характеристика направленности испытуемого тракта в тональном режиме на частоте НЧ сигнала 0,98 кГц
Следует отметить, что к этому времени была разработана и интенсивно развивалась теория нелинейной гидроакустики, основанная на взаимодействии акустических волн в морской среде. Исследованию взаимодействия акустических волн в морской среде посвящен ряд работ советских и американских ученых, таких, как: П. Весгервельт, Дж. Беллин, Р. Бейер, Е.А. Заболотская, Р.В. Хохлов, В.П. Кузнецов, Л.К. Зарембо, В.А. Красильников, О.В. Руденко, С.И. Солуян, К.А.Наугольных, Б.К. Новиков, И.Б. Есипов, и др. На основе работ этих и ряда других ученых возникло новое направление - нелинейная гидроакустика. На основе принципов нелинейной гидроакустики были предложены В.А. Зверевым, А.И. Калачевым, В.И. Тимошенко и другими учеными, а также построены и испытаны параметрические приемные антенны (ППА) и параметрические излучающие антенны (ПИА), позволяющие формировать узкие (по отношению к волновым размерам преобразователей) ХН.
Теория нелинейной гидроакустики и параметрических антенн основывалась на возможности нелинейного взаимодействия акустических волн при излучении интенсивных волн (106-107 Па). Поэтому первоначальное предположение о взаимодействии волн малой интенсивности (20-50 Па) при проведении экспериментальных исследований на Тихом океане не согласовывалось с теорией нелинейной гидроакустики. Экспериментальные работы, проведенные в дальнейшем, не подтвердили утверждения о формировании отклика антенны ГАС на основе нелинейного взаимодействия высокочастотного и низкочастотных (НЧ) сигналов в водной среде на принципах нелинейной гидроакустики.
17
В данной работе показано, что объяснение полученных эффектов в процессе испытаний приставки к ГАС с использованием ВЧ сигнала, излученного в непосредственной близости от приемной гидроакустической антенны, можно объяснить явлением гетеродинироваиия, не входя в конфликт с классической теорией нелинейной гидроакустики. Данный подход позволил разработать предложения по использованию полученных эффектов для освещения надводной и подводной обстановки в зоне Френеля морской цели.
Как показали исследования, описанные в данной работе, при излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от приемной антенны возможны различные механизмы возникновения модуляции ВЧ сигнала (гетеродинирование) НЧ сигналом: .
- возможно нелинейное взаимодействие (гетеродинирование) в тракте обработки, которое, в свою очередь, повышает возможности обработки сигналов приемной антенной;
- возможно гетеродинирование излученного ВЧ сигнала на вибрирующем обтекателе ГАС, что при определенных условиях выбора месторасположения излучающих и приемных преобразователей относительно обтекателя позволяет производить компенсацию виброакусгических помех;
- возможен механизм возникновения амплитудной модуляции (гетеродинирование) с аномально повышенным индексом в приемных параметрических антеннах реверберационного типа (РППА) и сопутствующие этому возможные эффекты повышения помехоустойчивости при малых уровнях ВЧ сигнала (накачки).
Эти механизмы гетеродинироваиия могут быть использованы в методах обработки гидроакустических сигналов, получивших название гетеродинных методов обработки гидроакустических полей по аналогии с гетеродинными методами обработки оптических полей [2].
Результаты испытаний приставки параметрического приема к ГАС, проведенных в 80-х, 90-х годах прошлого столетия, могут быть использованы в решении такой актуальной проблемы, как освещение ближней обстановки ПО в целях обеспе-
18
чения безопасности плавания от столкновений с морскими целями и обнаружения и пеленгования целей в реальных условиях морского волновода.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы.
Одно из направлений океанологических исследований - создание новых технических средств освоения океана. К таким средствам можно отнести антенны с большими апертурами и многопозиционными антенными устройствами. Увеличение апертуры приемной антенны позволяет увеличить дальность действия и направленность гидроакустического средства (ГАС) и, как следствие, улучшить качество исследований. Но при увеличении апертуры приемной антенны увеличивается и её зона Френеля.
Зона Френеля излучающей системы, как показали теоретические и экспериментальные исследования, за счет переотражений излученного сигнала от поверхности моря и дна, а также за счет рефракционных явлений может увеличиться многократно. Фронт волны принимаемого сигнала в таких условиях излучения можно считать плоским по апертуре приемной антенны только с определенной степенью условности.
Следует отметить, что шумы дальнего судоходства, биошумьт, шумы техногенного происхождения и др. по статистическим характеристикам схожи с источниками полезного сигнала. В этих условиях отличительным признаком между помехой дальнего поля и сигналом может быть кривизна фронта волны, степень кривизны которой определяется размерами зоны Френеля.
Помехи ближнего поля могут также находиться в зоне Френеля акустической приемной антенны. К таким помехам следует отнести виброакустическую и гидродинамическую помехи, которые носят распределенный в пространстве характер и не могут быть подавлены традиционно за счет направленных свойств антенны. Поэтому задачей оптимальной обработки является подавление и компенсация помех, источники которых расположены также и в зоне Френеля.
19
Освоение мирового океана, не возможно без создания подводных объектов, в том числе движущихся. Огромный опыт эксплуатации движущихся подводных объектов (ПО) накоплен в военно-морском флоте при плавании подводных лодок (ПЛ), который показал ряд нерешенных проблем, к одной из которых следует отнести обеспечение безопасности плавания ПЛ от столкновений с надводными и подводными кораблями.
Эта проблема кроме всего прочего имеет и экологический оттенок, в связи с наличием на борту подводных лодок ядерных реакторов и ядерного вооружения; имеется вероятность столкновений ПО с танкерами и судами, имеющими на борту экологически опасные грузы.
Поэтому актуальность работы обусловлена не только обеспечением качества океанологических исследований и безопасности плавания ПО, но и необходимостью обеспечения экологической безопасности морей и океанов.
Анализ столкновений ПЛ, находящихся в подводном положении, показал, что при малых расстояниях между двумя ПО они находятся в зонах Френеля излучающих корпусов кораблей и антенных систем обнаружителей. При этом зона Френеля излучающей системы за счет переотражений сигнала от границ моря может увеличиться многократно, что особенно характерно для мелкого моря.
В результате этого методы формирования откликов гидроакустических средств (ГАС), обоснованные применительно к обнаружению объектов в дальней зоне (Фраунгофера), не позволяют решать задачи обнаружения и пеленгования целей. Поэтому возникла необходимость решения проблемы обнаружения и пеленгования целей, находящихся в зоне Френеля приемных и излучающих систем.
Цель работы - обосновать методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем в интересах повышения помехоустойчивости и пространственной разрешающей способности ГАС.
Задачи исследований:
- анализ результатов экспериментальных исследований физических явлений, возникающих при излучении высокочастотного (ВЧ) сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;
20
- разработка физической модели возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии низкочастотного (НЧ) и ВЧ сигналов в водной среде;
- обоснование возможности повышения помехоустойчивости ГАС и сужения характеристики направленности (ХН) при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;
- обоснование метода гетеродинной обработки гидроакустических сигналов;
- обоснование метода освещения надводной обстановки с погруженного ПО при наличии слоя скачка;
- обоснование метода обнаружения морских целей в условиях мелкого моря при развитой структуре интерференционного акустического поля.
- обоснование возможности компенсации и подавления распределенных в пространстве помех, которые расположены в ближней зоне.
- разработка предложений по использованию методов обработки гидроакустических сигналов для обеспечения безопасности плавания ПО.
Методы исследований.
Основными методами для решения поставленных задач явились экспериментальные и теоретические методы гидроакустики с использованием численного и имитационного моделирования. Работа базируется на обширном экспериментальном материале, полученном в период с 1985 по 2009 гг. Кроме экспериментальных исследований, проведенных в различных районах Тихого океана, исследования проводились в мелководных районах с глубинами до 20 м и гидроакустическом бассейне.
Научная новизна:
1. Обоснована физическая модель возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии ВЧ и НЧ сигналов в водной среде.
2. Разработан метод гетеродинной обработки сигнала, в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.
3. Обоснована возможность поиска кривизны фронта волны широкополосного сигнала при пассивном лоцировании пространства.
21
4. Предложен метод освещения надводной обстановки с погруженного ПО в условиях наличия слоя скачка скорости звука при использовании реверберационной приемной параметрической антенны (РППА).
5. Обоснована возможность повышения помехоустойчивости ГАС при излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от акустической антенны ГАС.
6. Разработан метод освещения обстановки в условиях мелкого моря по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля с использованием принципов адаптивной фильтрации.
7. Обоснована возможность адаптивной компенсации виброакустической помехи ГАС на основе использования амплитудной модуляции при формировании эталона распределенной виброакустичсской помехи, формируемой в зоне Френеля приемной антенны.
Разработанные методы имеют подтверждения новизны в виде авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели, а также программу для ЭВМ.
Практическая значимость работы.
Работа показывает пути модернизации ГАС с целью решения задач обнаружения морских объектов в зоне Френеля. Разработанные предложения целесообразно использовать при обеспечении безопасности плавания ПО в сложных гидроакустических условиях, включающих в себя наличие: слоя скачка; повышенной гидродинамической помехи; затененных секторов обзора ГАС; развитой структуры интерференционного акустического поля, характерной для условий мелкого моря и т.п.
Апробация работы. Основные результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы, обсуждались на Межведомственном координационном научно-техническом совете по нелинейной акустике (1987); Межведомственном научно-техническом семинаре в научно-исследовательском институте радиоэлектронного вооружения ВМФ (1989); VII Дальневосточной научно-технической конференции по судовой радиоэлектронике (1994); Российской гидроакустической конференции, Владивосток, ТОВВМУ (1996); б-й Всероссийской акустической конференции (с международным участием), Владивосток ДВГТУ (1998);
22
Всесоюзных и Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях ТОВМИ им. С.О. Макарова (1988-2008); Межвузовской НТК, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Тюлина (1992); сборах руководящего состава РТС ТОФ (1987,1990, 2001, 2007), Научно-техническом совете в/ч 90720 (1987,1989,1991-1994,2001г.г.); НТС в ТОЙ ДВО РАН (1995, 2009); 8-й Международной НТК, ИО им. П.П. Ширшова (2003); 6-й Международной НТК «Проблемы открытого образования», ДВГТУ (2007); 2-й Международной НТК «Проблемы транспорта Дальнего Востока», ДВМА (1997); 11-й и 19-й сессиях АКИН; Н'ГС в Комитете по гидрофизике РАИ, НИЦ РЭВ ВМФ, Военно-морской академии (2008); 3-й Всероссийской НТК «Технические средства освоения Мирового океана» (Институт проблем морских технологий ДВО РАН 2009)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 печатных работы, из них по перечню ВАК (июль 2008 г.) рекомендованных для докторских диссертаций 8 статей, две монографии; получены: один патент на изобретение, два авторских свидетельства на изобретение, одно авторское свидетельство на полезную модель, два патента на полезную модель, одно авторское свидетельство на программу для ЭВМ, зарегистрированную в Гос. реестре; часть материалов диссертации вошли в учебник «Гидроакустические измерения», допущенный в качестве учебника для военно-морских учебных заведений Главнокомандующим ВМФ РФ. Материалы диссертации внедрены в 24 НИР, в двенадцати из которых автор был научным руководителем.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод гетеродинной обработки сигнала в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.
2. Физическая модель возникновения амплитудной модуляции при рассеянии ВЧ сигнала на колеблющейся поверхности, расположенной в зоне Френеля.
3. Метод компенсации виброакустической помехи ГАС на основе формирования эталона помехи в зоне Френеля.
4. Метод освещения ближней обстановки по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля.
23
5. Метод освещения надводной обстановки с погруженного IIO при использовании приемной антенны реверберационного типа.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 168 источников, приложения. Диссертационная работа изложена на 271 странице, включая 133 рисунка.
Работа базируется на результатах, полученных в морских экспедициях, натурных морских экспериментальных испытаниях и исследованиях, полученных при участии автора. Автор признателен начальнику ЦНИИГП Д.Д. Кашубе, сотрудникам В.В.Кравченко, Г.И. Лямину, А.М. Гаврилову, В.П. Телялькову, Д.Г. Кречетову, С.А. Бахареву, Д.Д. Минаеву, Д.А. Алюшину.; представителям НПО «Океаиприбор» И.А. Селезневу, Д.Б. Островскому, В.Б. Железному; Акустического института им. акад. Н.Н. Андреева И.Б. Есипову, В. Зосимову;; в/ч 10729 С.В. Ивлеву, А.П. Прошину, С. Михайлычеву; ТОВМИ им. С.О. Макарова А.Н Крючкову, И.И. Калашникову, А.Г. Сенченко, Р.В.Викторову, Е.С.Емельянову; ТОФ В.П. Даренских и многим другим, принимавшим участие в экспериментальных исследованиях совместно с автором данной работы.
Особая признательность В.Н. Долгих за обсуждение и ряд ценных замечаний при редактировании работы.
!
24
Глава 1. Проблема обнаружения целей в зоне Френеля
1.1. Столкновения подводных лодок с морскими целями
Проблема обеспечения безопасности плавания подводных лодок от столкновений в настоящее время приобретает псе более актуальный и острый характер. Повышение интенсивности судоходства, рост количества подводных лодок в различных странах выдвигают эту проблему на первый план. Повышенный интерес ВМС иностранных государств к действиям наших ПЛ, выявлению стратегии и тактики использования подводных сил приводит к обострению этой проблемы.
Среди аварий на море имеются несколько десятков столкновений подводных лодок, в том числе при нахождении их в подводном положении.
Ниже приводится описание ряда столкновений ПЛ.
В ноябре 1967 года в Беринговом море АПЛ К-131, всплывая с глубины 120 м, получила удар английской ПЛ снизу [4], за счет чего имела деферент до 40°. При этом по докладу акустиков перед столкновением горизонт был чист. После столкновения, по воспоминанию командира ПЛ, «акустики ничего не слышали, ибо в момент аварии у них светился весь экран и определить направление на иностранную ПЛ было невозможно». Достоверность столкновения была подтверждена данными разведки.
8 марта 1968 г. К-129 столкнулась с неизвестной АПЛ и затонула. Глубина в районе - 4500 метров, удаление от побережья Камчатки - около 1230 морских миль.
В июне 1970 г. произошло столкновение в подводном положении у берегов Камчатки АПЛ "Тотог" ВМС США с нашей АПЛ К-108. Наша лодка всплыла на перископную глубину для приема сеанса связи с берегом, оказалась закрытой от следящей за ней американской ПЛ слоем "гидрологического звукового скачка" и через некоторое время погрузилась на прежнюю глубину. Гидроакустики сразу же обнаружили сильный шум турбины иностранной АПЛ по правому борту, пеленг на нее быстро менялся на нос, то есть она обгоняла нашу АПЛ, находясь рядом. Потом внезапно ее шумы стали стихать и почти исчезли. Через минуту последовал удар в
25