книги из ГПНТБ / Аграновский, К. Ю. Основы теории радиоэлектронных систем морских объектов

—станцию AN/BQG-2A для определения дистанции до цели пас­ сивным методом;

—станцию AN/BQG-1 для измерения параметров окружающей среды. Дальность действия комплекса 55—160 км. Электрическая мощность 50 кВт. На малых скоростях подводной лодки-носителя даль­ ность станции увеличивается до 220 км.

Французская гидролокационная система PREMO может служить примером сложной гидролокационной системы. Она обнаруживает цель, определяет ее скорость и местоположение [56]. В системе обеспе­ чивается панорамный поиск или сканирование сектора наблюдения. Акустическая антенна цилиндрической формы состоит из элементов, расположенных в 36 вертикальных рядах. К каждому ряду преобразо­ вателей подводится частотно-модулированный или немодулированный сигнал мощностью 3 кВА на частоте 8 кГц. Общая мощность, подводи­ мая к антенне, равна 120 кВА. Система имеет три индикатора: два — для отображения обстановки в режимах панорамного поиска, третий — для индикации допплеровских сдвигов частоты, служащих для опре­ деления радиальной составляющей скорости цели. Система крепится

кднищу корабля на карданном подвесе.

Создана также гидроакустическая станция типа AN/SQQ-33 для установки на кораблях с подводными крыльями. Для снижения уровня ходовых помех приемно-излучающая система станции выне­ сена за пределы корпуса корабля с возможностью установки различ­ ной глубины погружения.

Буксировка гидроакустической станций осуществляется надвод­ ным кораблем или вертолетом. К вертолетным бортовым станциям относятся станции типа AN/AQS-10 и AN/AQS-13. Гидроакустические станции этого типа позволяют углубить гидрофоны ниже слоя скачка и тем самым значительно улучшить условия обнаружения подводных целей.

Станция AN/AQS-10 обеспечивает определение местоположения подводной цели в ограниченной зоне (примерно 1,5 км).

Усовершенствованный вариант станции AN/AQS-13 работает в ре­ жимах: пассивном, активном и звукоподводной телеграфии и телефон­ ной связи на одной из трех частот 9,25; 10 или 10,75 кГц. Станция выдает данные о дальности и пеленге цели, об угле отклонения троса, температуре воды.

Корабельные буксируемые гидролокаторы с переменной глубиной погружения, например, станция типа VDS (Variable—Depth. Sonar) по дальности и надежности значительно превосходит станции обычного

няется на глубинах до 360 м для обнаружения целей в районах конти­ нентального шельфа. Направленное излучение обеспечивает получение трех полос обследования шириною 135; 305 и 610 м. Результаты наблю­ дения регистрируются на ленте корабельного самописца.

40

Для измерения подводных шумов на глубинах до 6000 м исполь­ зуются буи. Подобный буй был изготовлен лабораторией электроники ВМФ США и оборудован гидроакустической аппаратурой [100]. Буй имеет форму торпеды длиной 1830 мм. Он сбрасывается с борта корабля, выходит на заданную глубину и находится там около 10 ч. При всплы­ тии буя включаются радиомаяк и лампа-вспышка для надежного его обнаружения.

1.3.3. Позиционные системы обнаружения

Основной задачей позиционных систем обнаружения является получение сведений о гидрологической обстановке и шумовом режиме в наблюдаемом районе. Позиционные гидроакустические средства в настоящее время включают как системы активного («Артемис») [13], так и пассивного принципа действия («Цезарь», «Колоссус») [56].

Позиционные системы обнаружения представлены главным обра­ зом радиогидроакустическими буями, передающими информацию по радиоканалам на обеспечивающие корабли или по кабелю на бере­ говые станции. В последние годы в аппаратуру буев включаются запоминающие устройства, в которых хранится регистрируемая ин­ формация. Она выдается по запросу или в заранее установленное время.

Стационарные антенны гидроакустических позиционных средств достаточно громоздки. Их масса доходит до 450 т.

В состав позиционных систем предполагается ввести глубоковод­ ные обитаемые станции. Возможность установки их на глубинах до 2 тыс. м позволит вынести аппаратуру в море на расстояние до 200 миль от побережья.

Существующие посты пассивных позиционных систем гидроаку­ стического обнаружения ведут непрерывную запись шумов. Анализ записей позволяет выявить место возникновения нового источника шума.

Наличие большого числа пунктов сбора информации в позицион­ ной системе усложняет классификацию получаемых сигналов. Для быстрого и надежного отличия ложных сигналов от сигналов подвод­ ных объектов предполагается обработка всей поступающей информации от постов с помощью ЭВМ. Например, система «Лофар» позволяет вести обработку большого числа поступающих данных и сопоставлять полу­ ченные результаты с информацией, накопленной ранее в устройствах памяти.

В конце 1960-х годов в завершающей стадии разработки находи­ лось несколько автоматических позиционных систем. В одной из них буи оборудованы гидрофонами, записывающими устройствами и бы­ стродействующими средствами радиосвязи для передачи информации на самолет или подводную лодку, с которых они были установлены

[ 101].

В другой системе гидрофоны устанавливаются на дне моря или на заданной глубине. Информация от них передается на береговые посты по подводному кабелю.

41

К позиционным системам обнаружения могут быть отнесены также различного типа гидроакустические станции, устанавливаемые на дне моря [51 ]. Пассивные станции подобного типа обеспечивают об­

на посты сбора и обобщения информации.

Разработан подводный маяк-ответчик, устанавливаемый на дне моря. Гидроакустический преобразователь специальным поплавком поднимается на 91 м от уровня дна и используется для приема и излу­ чения. Допускаемая глубина погружения 7,4 км. Радиус действия 9 км. Рабочая частота 10—11 кГц. Длительность импульса запроса 1,5 мс, длительность импульса ответа 3 мс. Акустическая мощность ответных импульсов 58 Вт. Срок службы при непрерывном приеме и выдаче 2 млн. ответов—свыше одного года. Электронная аппаратура и питание раз­ мещаются в двух цилиндрах, опускаемых на дно [13].

1.3.4.Специальные системы обнаружения

Кспециальным системам обнаружения относятся различного рода устройства, использующие новые физические или аппаратурные прин­ ципы действия. Рассмотрим некоторые из них на примерах конкретных образцов или запатентованных способов обнаружения подводных це­

лей.

В1964 г. был запатентован [51 ] управляемый по радио самодвижущийся аппарат. Информация передается от датчиков аппарата по радиоканалу на береговую станцию управления.

В1966 и 1968 гг. в США запатентован способ использования шума самолета, летящего над поверхностью воды, для обнаружения под­ водных целей. Этот шум с помощью специального устройства, согла­

сующего акустические сопротивления воздуха и воды, проникает в воду. Отраженные от цели звуковые сигналы используются для ее обнаружения. Сам шум может быть использован для связи между самолетом и подводным аппаратом [13].

Возможно также использование обратного эффекта — обнаруже­ ние гидроакустическими средствами летящих над водой самолетов по тем «звуковым хлопкам», которые возникают в воде при пролете самолетов [86].

Имеются сведения (1968—1970) о применении инфразвуковой техники для целей обнаружения [6 ] и использования ее в системах самонаведения.1

Большие работы проводятся по применению лазерной техники как для измерения расстояний под водой, так и для обнаружения подвод­ ных целей. Разработан лазер, который можно использовать в подвод­ ных условиях на глубинах до 150 м. Лазер работает в зеленом участке спектра и имеет импульсную мощность 300 кВт. Используется как

1 Патент США, кл. 62—45, № 3372556, 1968. Вальдман М. Сменный крио­ генный узел.

42

дополнение к гидролокатору для измерения расстояний [98]. Ряд ма­ териалов указывает на имеющиеся системы подводного наблюдения на лазерах для обнаружения подводных целей с вертолетов [80].

Лазеры дают возможность получать информацию с высокой раз­ решающей способностью, однако их дальность действия пока ограни­ чена.

Принципиально новой системой подводной связи является спе­ циальная система, использующая в качестве передающей среды землю и воду.

Разработана система подводного обнаружения и определения рас­ стояния SEDAR (Submerged Electrode Detection and Ranging) [113],

основанная на принципе регистрации изменений ионной проводимости воды. Система нечувствительна к помехам искусственного и естествен­ ного происхождения. Преимущества системы проявляются особенно сильно в прибрежных районах на глубинах до 450 м, где работа гидро­ акустических систем затруднена из-за реверберации и отражений.

В США запатентовано устройство для регистрации быстрых из­ мерений давления в морской воде, вызываемых прохождением раз­ личных объектов, например, кораблей.1

Устройство представляет собой дифференциальный гидростат, работающий на глубинах до 300 м, и соединяющийся кабелем с аппа­ ратурой наблюдения, находящейся на поверхности моря. В гидростате применен преобразователь, содержащий гофрированную мембрану, электронное устройство с датчиком давления, выполненным по мосто­ вой схеме, и эластичный надувной баллон, реагирующий на изменение гидростатического давления. Корпус из стеклопластика обеспечивает термоизоляцию чувствительных элементов преобразователя. В корпусе преобразователя имеется перепускной клапан, выравнивающий дав­ ление между полостями, расположенными с внутренней и внешней сторон диафрагмы. В отличие от обычных гидростатов, патентуемое устройство не реагирует на медленное изменение гидродинамического давления, вызываемого приливами и отливами, а регистрирует быстрое изменение давления, возникающее при прохождении корабля.

Имеются сообщения об использовании нового метода обнаружения акустических сигналов на основе бриллюэновского рассеяния монохро­ матического света на звуковых волнах. Предлагаемый метод2 позволяет получать приемники большей чувствительности и направленности по сравнению с обычными гидрофонами.

Устройство состоит из лазера, фотоумножителя и электронной схемы. Основной луч лазера и сигналы, обусловленные бриллюэновским рассеянием, смешиваются в фотоумножителе, в результате чего возникают биения. Полосовой фильтр и анализатор в электронной схеме позволяют отличить' когерентные звуковые сигналы, вызван­ ные шумом обнаруживаемой цели, от постороннего шума и от сигна­

2 Патент США, кл. 250—217, № 3474253, 1969. Кесслер Б. В. Метод и аппа­ ратура для оптических измерений акустической неоднородности.

43

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ

§2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1.1.Общие сведения

Как уже неоднократно отмечалось, проблема изучения и освоения океанских глубин охватывает широкий круг вопросов, требующих дальнейшего развития подводных технических средств. Появились но­ вые, ранее не возникавшие требования к подводным устройствам и ап­ паратам.

Мы условились все многообразие подводных устройств и аппаратов называть морскими объектами. Строительство и эксплуатация гидро­ технических сооружений, аварийно-спасательная служба морского флота, рыбодобывающая промышленность, военно-морской флот — это далеко не полный перечень областей применения различных ти­ пов морских объектов.

Как мы увидим ниже, методы автоматического управления мор­ скими объектами могут быть различными. Однако общая схема управ­ ления независимо от принципов ее конкретной реализации всегда предусматривает наличие двух основных элементов. Такими элементами являются управляющий и управляемый объекты.

Управляющий объект является источником информации, которая используется для целей управления. К управляющим объектам можно отнести аварийную подводную лодку, затонувший предмет, косяк рыбы, морское дно. и т. д. В дальнейшем управляющий объект будет обозна­ чаться на схемах буквой И (источник информации).

Управляемый объект — устройство, один или несколько процессов в котором управляются за счет информации, поступающей от управ­ ляющего объекта. К управляемым объектам относятся подводные ап­ параты, подводные механизмы, поисковые приборы, приборы для под­ водных исследований и т. д. Управляемый объект будет обозначаться буквой П (приемник информации).

Методы автоматического управления морскими объектами в зави­ симости от способа передачи управляющей информации делятся на две большие группы: автономный и неавтономный методы управления.

При автономном методе управления используется информация об отклонении управляемого объекта от заданной программы. Послед­ няя заранее запасается в «памяти» его радиоэлектронной системы. От управляющего объекта информация на управляемый объект не по­ ступает.

Основным преимуществом автономного метода управления является его высокая помехоустойчивость. Однако автономное управление имеет весьма серьезный недостаток. Системы автономного управления не учитывают непредвиденное заранее изменение'обстановки, которое может произойти во время работы управляемого объекта.

44

Для неавтономного метода управления характерна передача ин­ формации на управляемый объект извне от управляющего объекта или иного источника информации. В качестве каналов передачи ин­ формации могут использоваться механические и электрические каналы. Кроме того, информация может передаваться с помощью различных физических полей [65].

Механические каналы применяются для передачи информации на сравнительно небольшие расстояния.

При передаче информации по электрическим каналам применяются проводные линии связи. Преимуществами электрического канала яв­ ляется его хорошая защищенность от помех и относительная простота. Однако связь по проводам имеет сравнительно низкую надежность. При управлении объектами, движущимися с большой скоростью, возможен обрыв проводов.

Передача информации на управляемый объект с помощью физи­ ческих полей имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами передачи. Так, при использовании в качестве каналов пе­ редачи информации физических полей (например, при поиске затонув­ ших предметов) оказывается возможным одновременно обследовать значительный объем пространства. Затонувший предмет можно обна­ ружить даже в том случае, когда непосредственный доступ к нему за­ труднен.

Передача информации с использованием физических полей имеет также преимущества при управлении движением объектов. Она дает возможность осуществлять управление при больших скоростях и слож­ ных маневрах управляемого объекта.

В дальнейшем мы будем рассматривать только методы автомати­ ческого управления морскими объектами, основанные на использовании физических полей в качестве каналов передачи управляющей информа­ ции. Такие поля мы будем называть управляющими.

Радиоэлектронные системы являются составной частью морского объекта. Поэтому основные требования, предъявляемые к таким си­ стемам, развивают и детализируют общие требования, которые предъяв­ ляются к объекту. Эти требования определяют показатели радиоэлект­ ронных систем.

При всем многообразии радиоэлектронных систем можно указать на ряд основных их показателей, характерных для всех радиоэлектрон­ ных систем морских объектов. Укажем на четыре основных показателя: дальность действия, точность действия, быстродействие и помехоустой­ чивость.

Дальностью действия называется то наибольшее расстояние от управляемого до управляющего объекта, в пределах которого обеспе­ чивается срабатывание радиоэлектронной системы. Дальность дей­ ствия определяется параметром срабатывания — минимальным зна­ чением физического поля, вызывающим срабатывание системы при заданном отношении сигнал/помеха. Величина, обратная параметру срабатывания, называется чувствительностью системы. С дальностью действия системы связывается понятие о направленности действия, под которым понимается избирательность системы по направлению.

45

Точность действия характеризует степень выполнения задачи, для решения которой предназначена радиоэлектронная система.

Показателем точности может быть, например, погрешность в опре­ делении координат управляющего объекта.

Быстродействие характеризует быстроту реакции радиоэлектрон­ ной системы на воздействие управляющего объекта. Этот показатель имеет большое значение для систем, работающих при большой отно­ сительной скорости движения между управляемым и управляющим объектами.

Помехоустойчивость определяет степень защищенности радиоэлект­ ронной системы от воздействия различных помех. Помехи могут быть причиной ложных срабатываний системы или нечувствительности системы к полезному сигналу.

2.1.2. Принципы построения радиоэлектронных систем

Активные, полуактивные и пассивные системы. В зависимости от расположения источника управляющего поля все радиоэлектронные системы автоматического управления морскими объектами можно раз­

системы управляемых объектов реагируют на поле, создаваемое управляющим объектом. Они также реагируют на поле среды, изме­ няющееся в присутствии объекта.

Активные, полуактивные и пассивные системы имеют свои преиму­ щества и недостатки. Так например, пассивные системы не имеют эле­ ментов излучения и не демаскируют управляемый объект. К недостатку таких систем относится обычно их низкая чувствительность. У полу­ активных систем источник поля находится вне управляющего и управ­ ляемого объектов. Поэтому бортовая аппаратура последнего оказы­ вается легче и дешевле.

Системы локального и пространственного действия. При автомати­ ческом управлении морскими объектами возникает необходимость ре­ шать следующие задачи:

—включение какого-либо устройства или прибора в момент, когда управляемый объект окажется в пределах области воздействия управ­ ляющего поля;

—управление движением управляемого объекта по информации, поступающей от управляющего объекта.

При решении первой задачи радиоэлектронная система прежде всего должна обнаружить управляющий объект. Процесс обнаружения

46

протекает в ограниченной области, локализованной относительно управляющего объекта. Радиоэлектронные системы, выполняющие эту задачу, являются системами л о к а л ь н о г о д е й с т в и я .

Процесс управления движением объекта протекает в некотором трехмерном пространстве. Поэтому радиоэлектронные системы, пред­ назначенные для управления движением управляемого объекта, яв­ ляются системами п р о с т р а н с т в е н н о г о д е й с т в и я .

При решении задачи управления движением система должна обес­ печить возможность определения либо направления (пеленга) на управ­ ляющий объект (рис. 2.1) угол а и, либо установить местоположение управляющего объекта И относительно управляемого объекта Я. Известны следующие методы определения местоположения управляю-

Рис. 2.2. Определение местоположения объекта

щего объекта: пеленгационный, дальномерный, разностно-дальномер- ный и дальномерно-пеленгационный.

При пеленгационном методе (рис. 2.2, а) местоположение управляю­ щего объекта определяется как точка Ои пересечения направлений двух пеленгов аИ1 и аИ2. П 1 и Я2 — пеленгационные системы.

При дальномерном методе (рис. 2.2, б) местоположение управляю­ щего объекта определяется точкой Ои пересечения двух окружностей, характеризующих расстояние RM1 и RM2 между управляющим и управ­ ляемым объектами. Метод требует применения двух дальномерных систем Д1 и Д2.

При разностно-дальномерном методе местоположение управляющего объекта определяется как точка Ои пересечения двух гипербол (рис. 2.2, в). Метод предполагает применение трех дальномерных си­ стем Д1, Д2, ДЗ.

При дальномерно-пеленгационном методе (рис. 2.2, г) местополо­ жение управляющего объекта определяется как точка 0# пересечения прямой, направленной под углом а и с окружностью радиуса R. Такая

47

радиоэлектронная система должна сочетать в себе свойства пеленгационной и дальномерной систем.

Остановимся теперь на основных принципах построения радиоэлект­ ронных систем. Вначале рассмотрим системы локального действия.

Блок-схема пассивной системы изображена на рис. 2.3. Полезный сигнал управляющего объекта /7И(/) воздействует на входное устрой­ ство системы — приемный блок ПБ. Блок обработки сигналов БОС

обеспечивает необходимое усиление сигнала и его селекцию на фоне помех. В функцию исполнительного блока И Б входит выработка ко­ манд управления для включения соответствующего устройства управ­ ляемого объекта.

И3 б

’Y '

И

Рис. 2.5. Возникновение негативного воздействия

Блок-схема активной системы приведена на рис. 2.4. Система имеет дополнительно излучающий блок И3Б. Он создает вокруг управляе­ мого объекта собственное управляющее поле. Последнее подвергается искажению, когда управляемый объект оказывается в зоне действия управляющего объекта. Отражение или искажение управляющего поля воспринимается приемным блоком ПБ. В нем возникает электри­

Назначением радиоэлектронной системы локального действия является обнаружение управляющего объекта. Рассмотрим основные

48

методы обнаружения, которые можно разбить на два вида: позитивный и негативный.

При позитивном методе обнаружения управляющий объект приво­ дит к появлению или резкому возрастанию полезного сигнала на входе приемного блока. В отсутствие управляющего объекта в пределах дальности действия радиоэлектронной системы полезный сигнал либо вовсе отсутствует, либо он настолько слаб, что не может вызвать сра­ батывание системы.

При негативном методе система испытывает на входе воздействие в течение всего времени своей работы. В случае появления управляю­ щего объекта воздействие ослабляется. Управляющий объект экрани­ рует приемный блок от этого воздействия. Различные способы создания негативного воздействия показаны на рис. 2.5.

Как видно из рисунка, в одних случаях излучатель и приемник радиоэлектронной системы располагаются по разные стороны от управ­ ляющего объекта (рис. 2.5, а). В других случаях для обеспечения не­ гативного эффекта требуется некоторая отражающая поверхность

А — А (рис. 2.5, б).

Каждый из способов создания негативного эффекта имеет опреде­ ленные преимущества и недостатки. Так, в первом случае нет необхо­ димости в отражающей поверхности, что является его преимуществом. Но излучающий блок должен быть вынесен за пределы управляемого объекта. Это является недостатком рассматриваемого способа.

Во втором случае в качестве преимущества можно указать на воз­ можность размещения приемно-излучающей системы на управляемом объекте. Наличие же отражающей поверхности следует отнести к не­ достаткам, тем более что в ряде случаев такое требование вообще является неприемлемым.

Развитием методов обнаружения является распознавание объектов по совокупности определенных признаков. .Процесс распознавания состоит из трех этапов:

—определения численных значений признаков, характеризующих объект;

—сопоставления измеренных величин с эталонными, запасенными

впамяти системы;

—выработки команд управления по результатам сопоставления измеренных величин с эталонными.

Перейдем к системам пространственного действия. Обратимся вна­ чале к дальномерным системам.

По принципу действия дальномерные системы в большинстве слу­ чаев являются системами активного типа.

На блок обработки сигнала поступают два сигнала: отраженный от управляющего объекта и маркерный сигнал, соответствующий по времени моменту излучения зондирующего сигнала. В результате сопоставления обоих сигналов определяется время запаздывания отраженного сигнала, по которому находится искомое расстояние. Обычно маркерными являются импульсы, синхронизирующие работу дальномерной системы. Информация о расстоянии передается на испол­ нительный блок.