Современный гидролокатор.

Современный гидролокатор.

Захаров Александр Иванович,
Кривцов Александр Павлович,
Седов Максим Вячеславович,
Скнаря Анатолий Васильевич,
Трусилов Владимир Тарасович,
Шаров Владимир Сергеевич

СОВРЕМЕННЫЙ ГИДРОЛОКАТОР  

Первые шаги в гидроакустике.

Истоки многих современных областей техники берут свое начало в отдаленные от нас века, когда были сделаны первые важные фундаментальные открытия в науке и технике.

Не стала исключением из этого правила и гидроакустика.

В конце ХV века Леонардо да Винчи установил, что на стоящем судне с помощью длинной полой трубы, опущенной одним концом в воду, а другим концом приложенной к уху можно услышать находящиеся на большом расстоянии корабли. Также он установил, что звук в воде распространяется с определенной скоростью.

Следующим важным шагом в развитии гидроакустики явилось измерение скорости звука в воде, которое было сделано Д. Колладоном и Ш. Штурмом в 1827 году. Как итог накопленных знаний в этой области в 1877 году лордом Рэлеем была опубликована фундаментальная работа по вопросам излучения, распространения и приема звука – “Теория звука”.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали важное открытие, которое в конечном счете и привело к развитию современного ультразвукового преобразователя. Они заметили, что если давить на кристаллы кварца, то генерируются электрический заряд, величина которого прямо пропорциональна прикладываемой к кристаллу силе.

Кроме того, ими был продемонстрирован и обратный эффект – при прикладывании к кристаллу быстро изменяющегося потенциала он начинал вибрировать.

Изобретенный в 1907 году Ли де Форестом вакуумный триод ознаменовал, с одной стороны, начало века современной электронной промышленности, а с другой – независимость гидроакустической системы от чувствительности человеческого уха. Гибель “Титаника” в 1912 году стала мощным катализатором для дальнейшего развития гидроакустики.

Сразу после этого события Л.Ф. Ричардсон подал в Британское патентное управление заявку на изобретение способа определения расстояния с помощью звукового эхосигнала, распространяющегося в воде.

В 1916 году во Франции русский инженер-электрик Константин Шиловский и французский физик Поль Ланжевен в экспериментах с конденсаторными резонаторами и угольными микрофонами смогли получить эхосигналы от дна и стальной плиты на расстоянии 200 м, то есть впервые создали новый класс гидроакустической аппаратуры – первый гидролокатор.

В годы первой мировой войны гидролокаторы широко использовались враждующими сторонами для обнаружения подводных лодок и надводных кораблей. Это были пассивные шумопеленгаторы. Однако для случая обнаружения подводных лодок они не всегда были эффективными. Кроме того, эти системы не позволяли достаточно точно определять расстояние до цели.

В 1917 году для обнаружения подводных лодок французский физик П. Ланжевен продемонстрировал активный гидролокатор, работавший на частоте 38 кГц. Гидролокатор имел узкую диаграмму направленности и позволял определять с достаточной для практических целей точностью и пеленг на цель и дистанцию до нее.

В России в конце ХIХ – начале ХХ веков также велись интенсивные работы по созданию гидроакустической аппаратуры.

В области акустики и гидроакустики работала целая плеяда известных ученых: Ф.Ф. Петрушевский, А.Г. Столетов, Н.Е. Жуковский и др., а первые успешные практические шаги в прикладной гидроакустике были сделаны адмиралом русского военно-морского флота С.О. Макаровым.

Благодаря его работам, а также работам М.Н. Беклемишева, Р.Н. Ниренберга и А.Н. Крылова российский флот имел гидроакустическое оборудование, позволявшее ему вести успешные боевые действия против кораблей ВМС Германии. Однако для дальнейшего развития системного подхода к конструированию и анализу гидроакустических систем необходимо было более глубокое и всестороннее изучение акустической среды.

Особенности распространения акустических волн в воде

Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военного времени.

Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и были обобщены в ряде монографий.

В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, расходимость, отражение и рефракция. Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей.

Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй – преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания.

Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить до 90%.

Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.

Наличие границ раздела вода-воздух и вода-дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо песчаное и каменистое.

На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния.

Изменение величины скорости звука в воде приводит к искривлению звуковых “лучей”. Это есть рефракция. Рефракция акустических волн в воде определяет формирование специфических условий их распространения, которые приводят к образованию четырех типов особых зон: звукового канала, изотермического слоя, поверхности с отрицательным градиентом и поверхности с положительным градиентом.

Кроме того, существует явление расхождения в пространстве акустического излучения, в результате чего его интенсивность ослабевает пропорционально квадрату расстояния от излучателя.

Современное состояние гидролокаторов.

Последнее десятилетие ознаменовалось дальнейшим развитием гидролокационных систем (ГЛС), которое опиралось на успехах, достигнутых в ряде областей науки, в частности, в области цифровых методов формирования и обработки сигналов.

Существенное влияние на развитие ГЛС оказало и развитие элементной базы. Гидролокаторы стали “умнее”, существенно уменьшились их массогабаритные характеристики, а функциональные возможности расширились.

Изменилось и само понятие – гидролокатор. Если раньше под гидролокаторами понимались эхолокационные приборы для обнаружения подводных лодок, то теперь – аппаратурные комплексы для определения положения подводных и плавучих объектов с помощью акустических сигналов, то есть в более широком значении.

К гидролокационным устройствам можно отнести большое разнообразие комплексов: гидролокаторы с острой диаграммой направленности, эхолоты, гидролокаторы кругового обзора, опускаемые с вертолета, буксируемые гидролокаторы, гидроакустические радиобуи, береговые станции акустической пеленгации и обработки эхо-сигналов.

В настоящее время с помощью гидролокаторов успешно решаются как задачи военного назначения, так и сугубо мирные, гражданские: поиск, обнаружение и классификация подводных объектов, обеспечение связи между объектами, обнаружение и изучение подводных месторождений, обеспечение безопасности плавания и т.д.

На сегодняшний день в мире существует множество как крупных, так и мелких фирм выпускающих разнообразные гидролокационные устройства в большом количестве, и в статье не представляется возможным дать их полный обзор. Ограничимся описанием только небольшого количества гидролокаторов, придерживаясь перечисленных выше основных разновидностей.

Обзор начнем с гидролокаторов бокового обзора (ГБО).

Эти локаторы имеют узкую диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости (1 – 3 градуса) и широкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости (40 – 60 градусов). В итоге получается, что диаграмма направленности приемо-передающей антенны имеет ножевидную форму и направлена перпендикулярно к линии движения.

Приемо-передающая антенна может располагаться как на борту судна, так и на специальном буксируемом аппарате. По мере движения носителя на дне “освещается” полоса, размеры которой по ширине (перпендикулярно к линии движения) составляют 10 – 14 глубин на оба борта.

ГБО позволяют получать высококачественное акустическое изображение морского дна и находят широкое применение в первую очередь при поиске объектов, таких как затонувшие корабли, кабели, полезные ископаемые и т.д.

Данные гидролокаторы выпускает фирма EdgeTech (США).

Она производит буксируемые ГБО нескольких моделей, среди которых выделим две – DF-1000 Townfish и 272 Townfish. Первая модель работает на двух частотах 100 и 500 кГц, а вторая – на частоте 100 кГц. Эти ГБО применяются при обследовании дна на глубинах до 1000 метров. Наличие канала 500 кГц позволяет различать на дне предметы, имеющие размеры в несколько сантиметров.

Для обеспечения безопасности плавания в сложной обстановке, а также для быстрого поиска подводных плавающих объектов применяются гидролокаторы кругового и секторного обзора.

Фирма Interphase (США) выпускает целую серию сканирующих гидролокаторов – Twinscope, Probe, Outlook (фото 1), Sea Scout, Vista, PC View, PC 180.

Эти гидролокаторы отличаются друг от друга способом сканирования окружающего подводного пространства и дальностью действия.

Twinscope сканирует в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, имеет дальность 365 м вперед и 244 м по глубине. Сканирующий луч имеет угол раскрыва 1 градус. Локатор Probe сканирует только в вертикальной плоскости и имеет те же параметры по дальности и глубине.

Последняя модель – PC 180 – сканирует впереди движущегося судна в горизонтальной плоскости 180 градусный сектор обзора 12 градусным лучом и имеет дальность 365 м и 244 м по глубине.

Фото 1. Сканирующий гидролокатор
Outlook фирмы Interphase, США

Кроме фирмы Interphase есть еще две крупные фирмы, которые также выпускают целую гамму гидролокаторов кругового и секторного обзора Furuno и Simrad.

Эти гидролокаторы разработаны для поиска и обнаружения скоплений рыб, однако это не мешает использовать их и для поиска других подводных объектов, поскольку их потенциал позволяет обнаружить даже отдельную особь.

Эти модели успешно работают на малых (100 м) и на больших (2800 м) дистанциях, отличаются частотным диапазоном работы и способом обзора пространства.

Модель CSH-5 MARK-2 фирмы Furuno (фото 2) позволяет контролировать обстановку под водой в секторе 360 градусов с возможностью углового сканирования луча. Модель CH-26 (фото 3) той же фирмы позволяет вести обзор в секторе с шагом в 6 градусов в зависимости от обстановки на одной из трех частот – 60, 88 или 150 кГц.

Модель SP70 фирмы Simrad (фото 4) является всенаправленным низкочастотным гидролокатором.

Он дает возможность пользователю выбрать одну из девяти частот в диапазоне от 22 до 30 кГц и просмотреть окружающее пространство одновременно как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Фото 2. Гидролокатор CSH-5 MK-2
фирмы Furuno, США

Фото 3. Модель SP70
фирмы Simrad, Норвегия

Гидролокаторы кругового обзора нашли широкое применение и для обнаружения подводных лодок.

Так, для этих целей на борту первого всепогодного противолодочного американского вертолета S-61/SH-3 был установлен опускаемый гидролокатор AN/ASQ-14, а на борту российского вертолета КА 27 – ВГС-3. Наличие на борту гидролокаторов кругового обзора существенно повышает эффективность поиска подводных лодок и позволяет за 1 ч исследовать площадь до 2000 км2.

В последнее время получили дальнейшее развитие и эхолоты, издавна использовавшиеся для обеспечения безопасности плавания.

Основное назначение однолучевых эхолотов – определение глубины под килем судна.

Наряду с развитием однолучевых эхолотов, в настоящее время разработан новый класс приборов – многолучевые эхолоты, которые позволяют получать значение глубин не только под килем судна, но и сбоку от него в полосе до 3 – 4 глубин.

Эти гидролокаторы находят широкое применение при построении карт глубин, для обеспечения безопасности плавания, выбора трасс прокладки кабелей связи, трубопроводов, для проведения изыскательских работ при строительстве портовых сооружений и т.д.

В таких акустических системах с помощью специальной конструкции приемо-передающей антенны и обработки эхо-сигналов получаются много (более сотни) узких лучей, расположенных веером по направлению вбок от линии движения носителя антенн (как правило, это само судно).

Наиболее известными многолучевыми эхолотами являются эхолоты Sea Beam и Seabat.

У этих эхолотов примерно идентичные характеристики с той лишь разницей, что последние имеют модели, работающие на более высоких частотах – вплоть до 455 кГц. (Seabat 9001, 9003), в то время как эхолоты Sea Beam работают в диапазоне частот от 12 до 180 кГц.

В качестве примера можно рассмотреть модель Sea Beam 2112 (фото 5), которая работает на частоте 12 кГц, формирует 149 лучей с диаграммой направленности каждого луча около 1 градуса, имеет диапазон рабочих глубин от 700 м до 11000 м и обеспечивает полосу съемки в зависимости от глубины от 2 до 3 глубин.

В свое время в СССР уделялось большое внимание развитию гидроакустики, что диктовалось обеспечением безопасности страны и решением народно-хозяйственных задач. В стране были созданы крупные научные и производственные центры по разработке и изготовлению гидролокаторов, проводились в большом объеме фундаментальные исследования в этой области. Однако распад СССР и последовавшие за этим события негативно сказались на развитии гидроакустики.

Но, несмотря на все трудности, в настоящее время в нашей стране эти работы продолжаются: разрабатывается новое поколение гидролокаторов. Однако отсутствие достаточной информации об отечественных разработках в этой области приводит к тому, что многие потребители данной продукции обращаются к заграничным, как правило, более дорогим разработкам, хотя на сегодняшний день многие отечественные образцы по важнейшим параметрам нисколько им не уступают.

Необходимо также отметить и еще один очень немаловажный фактор: поддержка в эксплуатации. Как правило, заграничные системы являются полностью “закрытыми”, и их “доводка под заказчика требует значительного времени и дополнительных средств.

Среди отечественных разработок на сегодняшний день можно отметить разработки Дальневосточного отделения РАН, где реализованы несколько проектов:

• разработка буксируемого гидролокатора бокового обзора с полосой обзора на два борта до 1500 м, разрешением по дальности 30 см и по углу 1,5 градуса,
• разработка гидролокатора секторного обзора с сектором обзора от 10 до 360 градусов, разрешением по дальности 10 см и по углу 1 градус и дальностью действия до 75 метров.

ЦНИИ “Гидроприбор” также разработал высокочастотный буксируемый гидролокатор бокового обзора с полосой обзора 120 метров и разрешением 3 см.

Гидролокатор “Гидра ”, разработанный и изготовленный совместно “Экран” и НИИП им. В.В. Тихомирова может служить еще одним примером. Как указывалось выше, с помощью ГБО можно получать высококачественные акустические изображения дна.

Однако, поскольку акустическое изображение зависит и от формы рельефа дна и от типа грунтов, то возникает неоднозначность в интерпретации акустического изображения дна. Эту неоднозначность можно разрешить, если сопоставить акустическое изображение дна и данные о его рельефе.

В связи с этим представляет большой интерес разработка и создание единого комплекса, с помощью которого можно было бы одновременно получать и акустическое изображение дна и его рельеф.

В частности в состав такого комплекса может входить ГБО с фазовыми или интерферометрическими каналами.

При этом для получения высокой точности измерений необходим обязательный учет ряда дестабилизирующих факторов, таких как точность координирования судна и буксируемого аппарата, скорость распространения и рефракции акустических волн в воде, крена-дифферента, точность измерения параметров эхо-сигнала.

Большие объемы обрабатываемой информации и сложность алгоритмов обработки для решения данной задачи требует широкого применения средств автоматизации комплекса с использованием цифровых методов формирования и обработки сигналов.

Гидролокатор “Гидра” предназначен для получения высококачественного акустического изображения дна и его рельефа и сочетает в себе гидролокатор бокового обзора и интерферометр.

Он является первым из серии планируемых к выпуску подобных приборов, предназначенных решать как гидрографические задачи при исследовании дна на глубинах от единиц до 1500 метров, так и задачи поиска и обнаружения подводных объектов.

При разработке данного гидролокатора ставилась цель создать малогабаритный, удобный в эксплуатации автоматизированный комплекс для проведения работ на реках и шельфе с использованием цифровых методов формирования и обработки сигналов и современной элементной базы. Комплекс может устанавливаться как на борту небольших катеров, так и на борту судов большого водоизмещения.

В состав гидролокатора входят: антенный блок (фото 4), блок усилителей мощности, блок приема и преобразования сигналов и ПЭВМ.

Все блоки, кроме ПЭВМ, а также плата формирования зондирующих сигналов и импульсных последовательностей были разработаны вновь.

В качестве ПЭВМ используется стандартный IBM PC компьютер. Весь гидролокатор, кроме ПЭВМ, помещается в таре размером 700х700х300 мм.

Питание комплекса осуществляется либо от сети переменного тока 220 В, либо от бортовых аккумуляторов.

Фото 4. Антенный блок
гидролокатора “Гидра”, Россия

Антенный блок состоит из приемо-передающих антенн левого и правого бортов, работающих на частоте 240 кГц, и приемных антенн интерференционных каналов.

Общий вес антенного блока вместе с кабелем около 10 кг.

В антенном блоке предусмотрена возможность изменения угла наклона плоскости антенн относительно вертикали в диапазоне от 0 до 30 градусов.

В состав блока мощности входят усилители мощности обоих бортов, система защиты и источники питания.

Вес блока около 6 кг, а его размеры 300х300х160 мм.

Блок обработки ан на основе ПЭВМ со специальной платой формирователя, которая вырабатывает зондирующие сигналы и импульсные последовательности, синхронизирующие работу всего комплекса.

Для увеличения энергетического потенциала, необходимого при проведении работ на шельфе, в комплексе предусмотрено использование зондирующего сигнала с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ).

Программное обеспечение (ПО) гидролокатора работает под системой WINDOWS и позволяет управлять работой гидролокатора в диалоговом режиме.

ПО состоит из программ первичной и вторичной (камеральной) обработки.

Первичная обработка обеспечивает отображение информации на экране монитора в реальном времени, ее архивирование на жестком носителе и позволяет оператору в диалоговом режиме осуществлять как управление, так и диагностику работы комплекса.

Наличие в составе гидролокатора каналов бокового обзора с высоким разрешением позволяет использовать комплекс и для решения задач поиска и классификации малоразмерных объектов, таких как кабели, затонувшие лодки и корабли и др. на дне.

При вторичной обработке с учетом дестабилизирующих факторов, таких как навигационные данные, данные о распределении скорости акустической волны по глубине, крена-дифферента производится расчет по каждому галсу глубин в полосе съемки, устранение геометрических искажений акустического изображения дна, сшивка отдельных галсов и выкладка результатов обработки в единый планшет.

В качестве примера на рис. 1 приведен один из вариантов представления данных, полученных после вторичной обработки.

Рис. 1. Один из вариантов представления результатов вторичной обработки данных. Цифры на рисунке обозначают расстояние в метрах.

Таблица 1

Технические характеристики гидролокатора “Гидра”

Гидролокатор может использоваться для разных целей:

— исследование дна с целью подготовки прокладки трубопроводов и кабелей, строительства мостов и других подземных сооружений;
— исследование фарватеров;
— исследование состояния подводных сооружений;
— поиск затонувших и других подводных объектов;
— контроль за подводными подвижными объектами;
— наблюдение подводной обстановки при движении в неизвестных водах на катере, яхте или большом судне.

Можно порекомендовать несколько способов применения гидролокатора для решения различных задач.

Так, если стоит задача исследования рельефа дна, то наиболее подходит информация интерферометра.

Пользователь может получить трехмерное изображение рельефа дна (см. рис. 1), по которому можно оценить возможности судоходства.

Имея такой инструмент оперативного получения карты дна, легко получить информацию о возможности швартовки в незнакомой местности в походе на катере или яхте.

Если стоит задача обнаружения малоразмерного объекта, то удобнее использовать в основном акустическое изображение, которое дает контрастную картинку от предметов разной плотности.

К малоразмерным объектам относятся не только некоторые предметы, такие как кабели, камни, коробки и т.д., но и, например, трещины в подводном сооружении.

Комбинирование обоих информационных массивов может дать дополнительную информацию. Так можно обнаруживать пловцов или крупных морских животных.

На этой основе становится возможным строить системы защиты пляжей от акул или различных объектов от подводных диверсантов.

Как указывалось выше, системы бокового обзора работают с борта движущегося судна.

Однако есть ряд задач, которые было бы желательно решать с неподвижной точки, например с берега. Это задачи охраны и задачи мониторинга состояния акватории.

Для таких задач могут быть предложены системы со сканирующими антеннами, которые пока находятся в разработке.