Гидроакустические помехи. определение. виды. частотный спектр.

Способ измерения составляющих суммарной помехи работе приемной гидроакустической системы на швартовных испытаниях судна

Предлагаемый способ относится к гидроакустическим измерениям, а более конкретно к измерениям электрической и гидроакустических составляющих суммарной помехи работе гидроакустической станции (ГАС) на швартовных испытаниях судна (на стопе при работающих машинах и механизмах).

Помехи ограничивают дальность действия ГАС. Поэтому определение их составляющих является актуальной задачей, так как позволяет найти основные источники помех и, в случае необходимости, принять меры к их снижению.

Основными составляющими помехи гидроакустического происхождения работе ГАС из-за шума механизмов являются:

— шумовая составляющая помехи, обусловленная шумом механизмов, излученных корпусом судна в районе установки механизмов, а также шумом, проникающим из помещений судна в воду и пришедшим к гидроакустической антенне по водной среде; энергетический спектр шумовой составляющей помехи Gш(f) на выходе приемного тракта антенны;

— виброакустическая составляющая помехи, образующаяся вследствие излучения оболочки обтекателя под воздействием вибраций, распространяющихся по корпусу судна и проникающих на обтекатель через узлы его сочленения с корпусом, а также за счет излучения близлежащих корпусных конструкций; энергетический спектр виброакустической составляющей помехи Gвиб(f) на выходе приемного тракта антенны;

— структурная составляющая помехи — помеха на выходе приемной гидроакустической антенны из-за ее вибрации из-за шума механизмов; энергетический спектр структурной составляющей помехи Gстр(f) на выходе приемного тракта антенны.

Существенное значение на работу ГАС оказывают и электрические шумы, и наводки на электронные тракты ГАС; энергетический спектр электрической составляющей помехи Gэл (f) на выходе приемного тракта антенны.

Для борьбы с помехами нужно определить эти составляющие.

Известен энергетический способ определения составляющих суммарной помехи, основанный на выявлении различий в интенсивности помехи при поочередном включении и выключении механизмов [В.М.Болгов, Д.Д.Плахов, В.Е.Яковлев.

Акустические шумы и помехи на судах. — Л.: Судостроение, 1984. — с.176]. Недостатком этого способа является невозможность определить составляющие суммарной помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Известен спектральный способ определения составляющих суммарной помехи, при котором по несущей и огибающей энергетического спектра помехи определяют отличительные признаки спектров источников помех при работающих и отключенных механизмах [А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. — Л.: Судостроение, 1988. — c.199]. Недостатком спектрального способа является невозможность определить составляющие помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Известен корреляционный способ, который позволяет измерить “бегущую” составляющую спектра суммарной помехи, создаваемую удаленными и близко расположенными источниками помех [А.П.Евтютов и др.

Справочник по гидроакустике. — Л.: Судостроение, 1988. — c.199]. Этот способ также не позволяет различить помехи по способу их распространения, т.е.

не позволяет выделить составляющие помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ раздельного определения энергетического спектра гидроакустической и электрической составляющих помехи работе ГАС на швартовных испытаниях судна (на “стопе”) на выходе приемного тракта гидроакустической антенны G∑ (f); который содержит измерение энергетического спектра суммарной помехи на выходе приемного тракта, замену гидроакустической антенны ее электрическим эквивалентом, определение энергетического спектра электрической составляющей помехи, включающей наводки, на выходе приемного тракта Gэл (f) и определение гидроакустической составляющей помехи в виде:

Определенные таким образом энергетические спектры составляющих суммарной помехи приводят к стандартным условиям (к частоте 1 кГц, полосе 1 Гц, ненаправленному приему в предположении спада спектра 6 дБ на октаву с ростом частоты) по алгоритмам

где

fэт — эталонная частота,

f0 — среднегеометрическая частота фильтрации,

Δf — разрешение спектрального анализа,

k(f) — частотная характеристика коэффициента концентрации гидроакустической антенны,

Этот способ описан в книге А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. — Л.: Судостроение, 1988. — c.197.

Недостатком этого способа-прототипа является невозможность идентифицировать шумовую, вибрационную, структурную составляющие гидроакустической составляющей помехи.

Задачей предлагаемого способа является идентификация наряду с электрической составляющей помехи шумовой, виброакустической и структурной составляющих помехи.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность путем использования новых операций определить (идентифицировать) шумовую, вибрационную и структурную составляющие помехи.

На чертежи приведен график коэффициента прохождения звука через экран в виде слоя пористой резины при потерях ηc=0,1 при значении относительного волнового сопротивления материала слоя пористой резины m=0,1.

Реализация способа осуществляется приемной гидроакустической системой, содержащей последовательно соединенные гидроакустическую антенну, помещенную в корабельный обтекатель, и приемный тракт в виде последовательно соединенных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, спектроанализатора, формирователя характеристик направленности и индикатора.

Рассмотрим реализацию способа на примере идентификации составляющих помех для ГАС надводного судна с плоскими гидроакустическими антеннами, расположенными в обтекателях по левому и правому борту. Размеры каждой из антенн 800×400 мм. Рабочие частоты: от 10 до 40 кГц.

В качестве экрана был применен слой из пористой резины с коэффициентом потерь ηс=0,1 при значении относительного волнового сопротивления слоя пористой резины m=0,1 и скорости звука с=120 м·с-1 Этот слой крепился к обтекателю и антенне на магнитных присосках.

Коэффициент прохождения звука через экран определяется в виде

где Р — акустическое давление в плоской волне, падающей на слой,

Рпр — акустическое давление в прошедшей через слой волне. Аналогично, коэффициент отражения звука определяется в виде

где Рoтр — акустическое давление в отраженной волне. Между В и А существует следующая взаимосвязь:

где L — функция, зависящая от механических потерь в слое и определяющая ту часть энергии, которая поглотится в слое при прохождении звука.

Для слоя с потерями [В.Е.Глазанов. Экранирование гидроакустических преобразователей. — Л.: Судостроение, 1986. — с. 24)]:

где- относительное волновое сопротивление материала слоя;

ρс — акустическое сопротивление материала слоя;

(ρс)B — акустическое сопротивление воды;

— волновое число;

γ=α-iβ — постоянная распространения;

— коэффициент затухания;

— фазовый коэффициент;

ηc — коэффициент потерь по скорости.

Расчет по формуле (8) для нашего случая приведен на чертеже.

В соответствии с предложенным способом после измерения суммарной помехи на выходе приемного тракта при работающих машинах и механизмах гидроакустическая антенна была отключена и на вход приемного тракта был подключен электрический эквивалент антенны, имеющий с ней равное электрическое сопротивление.

Следовательно, нужно выбрать толщину слоя пористой резины

где с — скорость звука в слое пористой резины,

fn — нижняя частота рабочего диапазона.

Тогда толщина слоя пористой резины

Была выбрана толщина пористой резины 1=8 мм.

После этого на гидроакустическую антенну был установлен акустический экран, параметры которого соответствовали расчетным, антенна подключена ко входу приемного тракта и измерена помеха, представляющая собой сумму электрической и структурной составляющих помехи.

Структурная составляющая помехи была определена энергетическим вычитанием из полученной таким образом суммы структурной и электрической составляющих помехи, спектра электрической составляющей помехи, ранее полученного при подключении ко входу приемного тракта электрического эквивалента.

Затем акустический экран был снят с гидроакустической антенны и установлен на наружную поверхность звукопрозрачной части обтекателя и на выходе гидроакустической системы измерен спектр помехи, представляющей энергетическую сумму спектров виброакустической, структурной и электрической помех.

Энергетический спектр вибрационной составляющей помехи был определен энергетическим вычитанием из этой суммы спектров структурной и электрической помехи, а энергетический спектр шумовой составляющей помехи был определен энергетическим вычитанием из энергетического спектра суммарной помехи энергетических спектров виброакустической составляющей помехи, структурной составляющей помехи и электрической составляющей помехи, энергетические вычитания осуществлялись вручную.

В результате выполнения описанных выше операций предложенного способа было установлено, что приведенные значения составляющих помехи следующие:

После этого были приняты меры по улучшению амортизации гидроакустической антенны. После чего приведенные к стандартным условиям составляющие помех оказались следующими:

Приведенная к стандартным условиям суммарная помеха составила:

Пористые резины выпускаются серийно. Поэтому возможность реализации способа сомнений не вызывает.

Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/225/2256886.html

Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах определения класса объекта при разработке гидроакустических систем.

В системах, использующих методы классификации по анализу шумоизлучения морских объектов, используют признаки, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, так называемого портрета (В.С. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. Л,: Судостроение, 1988 г., стр. 322).

Известен способ классификации, описанный в работе В.В. Деева и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком. Л.: Судостроение, 1990 г., стр. 110-111.

Способ содержит следующие операции:

— прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой;

— выделение параметров сигнала шумоизлучения объекта из аддитивной смеси сигнала и помехи S(t)=A(t)+Y(t), где A(t) — мощность сигнала объекта, a Y(t) — мощность помехи (мешающий сигнал);

— деление исходной реализации сигнала S(t) на r отрезков длительности T;

— вычисление спектра Y(ωк) по каждому такому отрезку, т.е. дискретное преобразование Фурье (БПФ) реализации на отрезке конечной длительности T;

— накопление (усреднение) спектров по r реализациям — определение усредненной оценки Y′(ωк);

— усреднение полученной на предыдущем этапе спектрограммы Y′(ωк) по частотам с помощью прямоугольного окна — получение усредненной оценки Y″(ωк);

— определение порога обнаружения α по правилу Неймана-Пирсона при задаваемой вероятности ложного обнаружения Рл;

— нахождение отношения усредненных оценок Y′(ωк) и Y″(ωк) и сравнение с пороговым значением α. Превышение порога обнаружения свидетельствует о наличии дискретной составляющей на данной частоте.

Недостатком этого способа является то, что в нем не учитывается спектр собственной помехи корабля-носителя, непосредственно воздействующий на антенны гидроакустических средств, размещенных на объекте. Поэтому при наблюдении за целью принимается сигнал шумоизлучения в том числе и на фоне собственной помехи.

По своему значению для гидроакустического наблюдения шумовое поле корабля подразделяется на дальнее (внешнее) шумовое поле носителя, характеризующее шумящий объект как источник акустического сигнала для шумопеленгования противника и определения класса объекта, и ходовую помеху — ближнее (собственное) шумовое поле носителя (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства, изд. СПб. ГЭТУ «ЛЭТИ», 2009 г., стр. 231-232).

Гидроакустической антенной сигнал цели (дальнее поле) приниматься на фоне собственной помехи корабля-носителя. Уровень собственной помехи складываться с уровнем обнаруженной цели и вносит дискретные составляющие носителя в спектр принятого шумоизлучения объекта, что искажает результаты классификации объекта.

Задачей изобретения является повышение вероятности правильной классификации шумоизлучения морского объекта.

Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой, обработку принятого сигнала, включающую преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности S(ωk)2, определение порога обнаружения и при превышении порога обнаружения текущего спектра на данной частоте принятии решения о наличии дискретной составляющей, по которой классифицируют морской объект, введены новые признаки, а именно: до начала эксплуатации корабля-носителя создают базу «спектральных портретов» собственных помех корабля-носителя в зависимости от скорости носителя для заданных скоростей. Для записи спектральных портретов носителя сигналы с приемных каналов антенны преобразуют в цифровой вид, проводят спектральную обработку, включающую формирование статического веера характеристик направленности (ХН). После накопления полученных спектров мощности S(ωk)2 для фиксированного значения скорости по всем направлениям статического веера ХН спектры мощностизаписывают в базу. В режиме обнаружения и классификации для выбранного направления на морской объект в базе «спектральных портретов» по собственной скорости Vсоб и № ХН статического веера, соответствующей направлению на морской объект, находят «спектральный портрет» собственных помех, спектр мощности шумоизлучения морского объекта G(ωk)2 определяют каки при превышении порога обнаружения частотами спектра мощности G(ωk)2 классификацию морского объекта производят по дискретным составляющим спектра мощности G(ωk)2.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заметный вклад в собственный шум корабля-носителя вносят как машины и механизмы, так и гребные винты. Шум, создаваемый корабельными машинами, проявляется главным образом на низких частотах в виде тональных составляющих в общем спектре помех.

На малых скоростях хода, когда уровень других видов шума невелик, вспомогательные механизмы корабля часто могут являться источником собственного шума, причиняющим наибольшие неприятности (Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики, изд. Судостроение, Л.

, 1978, стр. 373-375).

Для классификации целей важно учитывать не только уровень собственных помех, воспринимаемый корабельными гидроакустическими станциями, но и особенности спектра помехи, зависящего как от скорости движения, так и от характеристики направленности шумов. Предложенный способ позволяет из спектра сигнала объекта вычесть спектр собственной помехи на скорости носителя и соответствующего направления взятого из банка «спектральных портретов» носителя.

Таким образом, уменьшение влияния уровня собственных акустических помех способствует повышению эффективности гидроакустического наблюдения объекта, так как при этом оказывается возможным регистрировать более слабые сигналы при отсутствии мешающих собственных дискретных составляющих.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит гидроакустическую антенну 1, которая соединена через блок 2 аналого-цифрового преобразования (АЦП) и блок 3 БПФ с блоком 4 формирования характеристик направленности (ФХН) статического веера, выход блока 4 соединен с входом блока 5 накопления. Выход блока 5 соединен с блоком 9 отображения и управления. В блок 10 базы «спектральных портретов» помехи носителя по команде управления «создание базы» из блока 9 отображения и управления поступает сигнал с выхода блока 5 и с выхода блока 11 измерения скорости носителя.

По команде управления «режим обнаружения» блока 9 сигнал с выхода блока 5 поступает на вход блока 6 вычитания спектра помехи носителя, который соединен с блоком 10 базы «спектральных портретов» носителя.

Выход блока 8 соединен с входом блока 9 системы отображения и управления.

Блок 2 может быть выполнен так, как это описано в справочнике «Цифровая обработка сигналов», изд. Радио и связь, 1985 г., стр. 91. Блоки 3 и 4 могут быть реализованы, как описано в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург: Наука, 2004 г.

, стр. 248-250. Блок 5 описан, например, в книге А.А. Харкевича «Борьба с помехой», изд. Наука, Москва, 1965 г., стр. 70-71. Блок 9 может быть выполнен так, как описано в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург: Наука, 2004 г., стр. 255-261.

Блок 11 измерения скорости носителя может быть выполнен так, как это описано в книге А.В. Богородский и др. Гидрометеоиздат, Л., 1984. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана, стр. 127.

Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства (фиг.1).

Сигналы Si(t) приемных каналов антенны с выхода блока 1 поступают на вход блока 2 АЦП, сигнал Si(k) из АЦП в виде дискретных отсчетов поступают соответственно в блок 3 БПФ для получения комплексных спектров Si(ωк) для каждого элемента антенны.

В блок 4 ФХН из блока 3 поступает отсчеты реализации комплексного спектра сигнала для каждого элемента антенны для формирования характеристик направленности статического веера, а с выхода блока 4 ФХН статического веера в блок 5 накопления поступают спектры Sj(ωк) с веера характеристик направленности.

В блоке 5 накопления спектров определяется усредненный (накопленный) спектр мощности.

В блок 10 базы «спектральных портретов» по команде управления «создание базы» блока 9 системы отображения и управления с выхода блока 5 поступают спектры мощности по всем характеристикам направленности (ХН), и с выхода блока 11 измерения скорости носителя поступает скорость носителя (Vнос.)

Блок 10 базы «спектральных портретов» собственных помех носителя, может быть реализован на основе современной универсальной ЭВМ, обладающей способностью работать в реальном времени, возможностью перехода с одной задачи на другую, наличием гибкой адресации к памяти, большой скоростью обработки данных (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника, СПб., изд. «Наука», 2004 г., стр. 284).

По команде управления «режим обнаружения» блока 9 сигнал с выхода блока 5 поступает на вход блока 6 вычитания спектра помехи носителя спектр мощностис направления на морской объект, а из блока 10 базы «спектральных портретов» поступает «спектральный портрет»собственной помехи носителя по направлению объекта и скорости носителя (блок 11). Вычисляется разностный спектр мощности (спектр сигнала объекта):. Разностный спектр мощности передается в блок 7 обнаружения дискретных составляющих для выработки порога обнаружения (A.M. Тюрин. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике, изд. Л., 1963 г., стр. 127-128). Все превысившие порог дискретные составляющие передаются в блок 8 классификации для выработки классификационных признаков по спектру сигнала. Результаты классификации по спектральным признакам передаются в блок 9 системы отображения и управления.

Таким образом, технический результат, заключающийся в устранении влияния спектра собственной помехи корабля-носителя и обеспечении правильного определения классификационных спектральных признаков объекта, достигнут.

Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой, обработку принятого сигнала, включающую преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности S(ω), определение порога обнаружения и при превышении порога обнаружения текущего спектра на данной частоте принятии решения о наличии дискретной составляющей, по которой классифицируют морской объект, отличающийся тем, что до начала эксплуатации корабля-носителя создают базу «спектральных портретов» собственных помех корабля-носителя в зависимости от скорости носителя для заданных скоростей, для записи спектральных портретов сигналы с приемных каналов антенны преобразуют в цифровой вид, проводят спектральную обработку, включающую формирование статического веера характеристик направленности (ХН), после накопления полученных спектров мощности S(ω) для фиксированного значения скорости по всем направлениям статического веера ХН спектры мощности записывают в базу спектральных портретов, в режиме обнаружения и классификации для выбранного направления на морской объект в банке «спектральных портретов» по собственной скорости V и № ХН статического веера, соответствующей направлению на морской объект, находят «спектральный портрет» собственных помех , спектр мощности шумоизлучения морского объекта G(ω) определяют как и при превышении порога обнаружения частотами спектра мощности G(ω) классификацию морского объекта производят по дискретным составляющим спектра мощности G(ω).

Источник: https://edrid.ru/rid/217.015.90c5.html

1.6 Источники помех ГА

При приеме гидроакустических сигналов необходимо учитывать уровень полезного сигнала и маскирующие помехи. Частотный спектр гидроакустических помех перекрывает весь диапазон используемых в гидроакустике сигналов, вследствие чего гидроакустические помехи являются основным фактором, ограничивающим дальность действия гидроакустических средств.

Существует 4 типа ГА помех:

а) Шумы моря;

б) Шумовыносителей;

в) Организованные помехи;

г) Реверберационные помехи.

Шумы моря обусловлены взаимодействием океана и атмосферы, разрушением и подвижками ледового покрова, жизнедеятельностью морской фауны, тектонической деятельностью земной коры, техническими и тепловыми (на высоких частотах) шумами.

Шумы носителей определяются шумами, создаваемыми движителями, вибрациями судовых механизмов и конструкций и гидродинамическими шумами, связанными с обтеканием. Шумы, создаваемые винтами и вибрациями механизмов, имеют выраженные дискретные составляющие, частоты которых кратны числу оборотов механизмов.

Реверберационные помехи — послезвучание в морской среде после выключения источника акустических колебаний, возникающее в результате многократных отражений от поверхности и дна моря, и из-за рассеяний на неоднородностях морской среды.

Для борьбы с реверберационной помехой используют в режиме приема узкополосную фильтрацию, позволяющую выделить движущие объекты, отражения от которых сдвинуты по частоте из-за эффекта Доплера. Различают следующие виды реверберации:

Объемная реверберация образуется температурными, воздушными и биологическими рассеивателями в толще морской среды; она убывает обратно пропорционально времени во второй степени. Интенсивность объемной реверберации в момент начала времени t от начала излучения вычисляется по формуле:

, (1.1)

где — коэффициент объемной реверберации, характеризующий рассеивающую способность моря,

— длительность импульса,

— акустическая мощность источника звука,

— коэффициент концентрации,

коэффициент пространственного затухания.

, (1.2)

где H — толщина поверхности слоя, рассеивающего звуковые волны.

Донная реверберация образуется из-за рассеивания акустической энергии от неоднородностей дна и рассеивателей в придонном слое морской среды. Особенно сильно донная реверберация проявляется в мелком море при слабо поглощающем акустическую энергию дне (камень, твердые грунты).

Она убывает обратно пропорционально в четвертой степени времени, т.е. быстрее объемной и поверхностной ревербераций. В случае движения рассеивателей при объемной и поверхностной реверберациях может наблюдаться эффект Доплера.

Интенсивность донной реверберации в момент времени t вычисляется по формуле:

, (1.3)

где h — глубина моря.

Реверберация, особенно в мелком море, имеет значительную когерентность в вертикальной плоскости за счет того, что сигналы, рассеиваемые под большими углами и определяющие реверберацию на малых расстояниях, постепенно затухают, особенно на мелководье при распространении от дна к поверхности и обратно. В горизонтальной плоскости реверберация слабо когерентна.

Источник: http://radio.bobrodobro.ru/25688

Проблема измерения гидроакустических характеристик морских объектов

С момента образования ВНИИФТРИ (февраль 1955) метрологическое обеспечение гидроакустических измерений – одно из главных научно-технических направлений деятельности института.

ВНИИФТРИ, как головная организация по данной проблеме, ведет научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию эталонной аппаратуры и высокоточных средств измерений в области гидроакустики, в особенности морской гидроакустики, для государственных и ведомственных метрологических служб, для оснащения специальных морских полигонов, судов контроля физических полей, гидроакустических комплексов лабораторий измерительной техники. Наше предприятие осуществляет фундаментальные и поисковые исследования по выявлению новых физических эффектов с целью их использования при создании и совершенствовании методов и эталонных средств измерений в области гидроакустики.

Рассматривается проблема измерения гидроакустических характеристик морских объектов, а также структура, принципы построения и взаимодействия основных узлов современного измерительного комплекса СГАС-496Э, предназначенного для решения задачи контроля параметров гидроакустических полей кораблей и подводных лодок. Аппаратура выполняет измерения шума морских объектов в 1/3-октавных и узких частотных полосах с целью определения его соответствия заданным нормам и требованиям. Измерения выполняются в условиях воздействия фоновых помех акватории, при соотношении сигнал/помеха < 1.

Внешний шум судна, как и любого другого транспортного средства, является источником шумового загрязнения среды. Поэтому в большинстве развитых стран правила нормирования, методы измерения и контроля шума судов (как и других транспортных средств) разработаны, установлены и закреплены в нормативных документах, национальных и международных стандартах.

Методики измерения шумов движущихся транспортных средств используют основной подход, заключающийся в том, что звук принимается приемником, помещаемом на некотором установленном расстоянии от трассы объекта, и анализируется спектральный состав в момент прохода объекта вблизи приемника.

Измеряемыми параметрами являются уровни звукового давления в стандартных (октавных, 1/3-октавных) частотных полосах при контроле, а также в узких частотных полосах при определении причин превышения норм и выявлении источников повышенного шума [1].

Полученные таким образом результаты характеризуют не только уровни подводного шума судна, но и позволяют оценить качество его проектирования и строительства в целом. Кроме того, измеряемые уровни подводного шума являются также показателем качества изготовления, сборки и поддержания эксплуатационных режимов работы отдельных механизмов судна.

Вообще же «…вибрации и шум являются функциональными, конструктивными и технологическими критериями энергетического оборудования, а уровни создаваемого шума по существу могут рассматриваться как важнейший качественный критерий инженерно-технических изделий и сооружений» [2].

Данная информация необходима специалистам кораблестроительной отрасли, поскольку позволяет оценить качество выпускаемой продукции, ее соответствие предъявляемым нормам и требованиям.

Работа по поддержанию акустического качества и соответственно по контролю акустических характеристик военных кораблей и гражданских судов должна вестись постоянно и планомерно, вне зависимости от текущей, сиюминутной политической обстановки. Положительный результат в этой области не может быть достигнут одномоментно, а потеря паритета с вероятным противником чревата самыми трагическими последствиями, такими как полный паралич морской деятельности государства.

Поэтому уровни подводного шума, излучаемого кораблями и подводными лодками, в настоящее время стоят в одном ряду с такими традиционно важными тактико-техническими их характеристиками, как скорость полного хода, живучесть энергетической установки, параметры вооружения и др. В соответствии с этим задача измерения акустических параметров морских объектов является одной из важнейших.

Понимание важности обозначенных задач ведущими мировыми державами подтверждается наличием документов STANAG 1136, STANAG 1090 военного агентства по стандартизации НАТО, регламентирующих стандарты методик проведения и представления результатов измерений подводного шума.

При этом в США данные документы внедрены не только в военно-морском, но и в торговом флоте. Имеется широкая сеть стационарных измерительных полигонов, охватывающая все основные пункты базирования сил флотов стран НАТО, в том числе и на Балтийском море.

Активно разрабатываются и используются мобильные измерительные системы на основе гидроакустических буев. Созданием и развитием средств гидроакустических измерений занимаются практически все ведущие страны НАТО, начиная с США, Германии и заканчивая Норвегией и Голландией.

На акустических полигонах НАТО выполняются измерения не только шумности кораблей и подводных лодок, но и параметров гидроакустических полей морского оружия и подводных аппаратов различного назначения.

В России, которая имеет самую протяженную морскую границу и омывается морями трех океанов, на сегодняшний день функционируют стационарный акустический полигон и специальные измерительные суда. Однако их число, состав и возможности измерительной аппаратуры недостаточны для решения задачи измерения гидроакустических характеристик морских объектов в полном объеме.

– формирование сети измерительных гидроакустических полигонов на основе стационарных систем. Необходимо оснащение стационарными акустическими полигонами районов Баренцева моря, Балтийского и Черного моря, Камчатки и Приморского края;

– развитие мобильных комплексов, базирующихся на судах контроля физических полей, для обеспечения возможности контроля параметров гидроакустических полей кораблей в отдаленных районах мирового океана;

– расширение номенклатуры измеряемых объектов, в том числе и морского оружия, обитаемых и необитаемых подводных аппаратов различного назначения, гражданских судов;

– расширение номенклатуры измеряемых, в том числе и модуляционных характеристик, а в дальнейшем и контролируемых параметров гидроакустических полей объектов на различных режимах эксплуатации, в связи с ростом возможностей систем обнаружения;

– повышение уровня взаимодействия предприятий судостроительной промышленности, научно-исследовательских учреждений и учреждений военно-морского флота для выработки консолидированных решений по проблемам гидроакустических измерений, технических решений в области кораблестроения, а также мероприятий по управлению силами и средствами флота;

– снижение инструментальной и методической погрешности измерений, повышение точностных характеристик измерительных систем;

– повышение помехоустойчивости измерений, связанное со значительным снижением уровней шумоизлучения морских объектов.

Проблема повышения помехоустойчивости измерений требует к себе особого внимания.

Вызвано это тем, что применение направленных приемных гидроакустических систем при решении задачи контроля шумности кораблей недостаточно эффективно по ряду причин принципиального характера, а уровни шумов подводных лодок сопоставимы или ниже собственных шумов акустических полигонов. Это требует значительных затрат времени на ожидание благоприятных погодных условий. В иностранной литературе отмечается, что «…фоновый шум должен быть по крайней мере на 6 дБ слабее источника».

Для успешного решения задачи измерения и контроля акустических характеристик морских объектов необходима надежная аппаратурно-методическая база, обеспечивающая получение данных о параметрах первичного акустического поля.

Во ФГУП «ВНИИФТРИ» создан ряд измерительных комплексов контроля акустических характеристик морских объектов, в том числе специальная гидроакустическая система СГАС-496Э.

Принципиальным отличием СГАС-496Э от всех существующих измерительных комплексов является возможность измерения уровней шумоизлучения подводных лодок при соотношении сигнал/помеха значительно меньше 1 (до –6 дБ; рис. 1).

Высокая помехозащищенность аппаратуры обеспечивается использованием разработанных во ФГУП «ВНИИФТРИ» специальных подходов к обработке измерительной информации, которые прошли широкую апробацию при измерениях малошумных морских объектов в течение ряда лет и показали высокую эффективность и устойчивость. Была также проведена работа по метрологической аттестации методик выполнения измерений и получены соответствующие сертификаты.

Комплекс СГАС-496Э предназначен для решения следующих основных задач:

– измерение уровней шумоизлучения объектов в 1/3-октавных частотных полосах на соответствие заданным нормам и требованиям при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;

– измерение уровней шумоизлучения объектов в узких частотных полосах при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;

– контроль параметров движения объекта в ходе выполнения измерительных проходов.

В состав СГАС-496Э входят выносные измерительные базы и аппаратура обработки и анализа данных.

Выносные измерительные базы (ВИБ) предназначены для измерения уровней подводного шума и обеспечивают преобразование гидроакустического сигнала, действующего в точке расположения гидрофона, в электрический сигнал и передачу его аппаратуре обработки. В состав ВИБ входят:

– носитель аппаратуры (НА) в форме обтекателя сигарообразной формы (рис. 2) с установленным внутри него широкополосным измерительным гидрофоном, магистральным усилителем, датчиком давления;

– малогабаритное подъемно-опускное устройство ПОУ-МР, которое обеспечивает установку НА на требуемую глубину;

– блок сопряжения (на борту корабля);

– якорь-муфта (ЯМ) с маяком наведения и акустическим размыкателем, обеспечивающим отбрасывание донного груза и всплытие ВИБ на поверхность;

– кабельная линия связи (КЛС).

Гидроакустическая головка расположена на пересечении продольной оси НА и вертикальной плоскости, проходящей через точки крепления подвесок, что обеспечивает минимальные перемещения головки при вращении НА, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Выносная измерительная база отличается низким уровнем собственных шумов, может использоваться в режиме дрейфа (рис. 3), а также в режиме постановки на дно акватории (рис. 4).

При этом обеспечивается решение задач измерения уровней подводного шума морских объектов на соответствие нормам шумности и защищенности от обнаружения радиогидроакустическими буями, измерения на соответствие нормам шумности и защищенности от минного оружия, измерения для оценки защищенности от средств дальнего гидроакустического обнаружения и торпедного оружия.

Структура, принципы построения и взаимодействия основных узлов аппаратуры обработки оптимизированы для решения вышеперечисленных основных задач, а также ряда дополнительных, обеспечивающих бесперебойное функционирование комплекса в целом.

Комплекс построен на базе многозвенной распределенной архитектуры.

Принципы взаимодействия основных узлов комплекса описываются следующим образом.

Сигналы подводного шума поступают с выходных блоков подводных устройств на входы аппаратуры спектрального анализа, состоящей четырехканальных 1/3-октавных и узкополосных анализаторов спектров.

Аппаратура спектрального анализа построена по бескоммутационной схеме и выполняет параллельный расчет 1/3-октавных и узкополосных текущих спектров по всем измерительным приемникам в течение всего измерительного прохода.

Всего предусмотрено использование до 4 измерительных подводных устройств.

Текущие спектры, формируемые анализаторами, по локальной сети поступают аппаратуре хранения данных (файл-сервер), где производится их запись в базу данных (БД). Текущие спектры, помимо мгновенных срезов, отображаются также в виде трехмерной поверхности, позволяющей отследить появление некоторых событий, а также предысторию их наступления.

Аппаратура предназначена для обработки двух основных видов сигналов систем измерения дистанций – импульсных и тональных сигналов.

Импульсные сигналы применяются во времяпролетных методах и позволяют не только выполнять расчет параметров движения, но и отслеживать текущие координаты объекта [4], однако приводят к заметным искажениям спектра измеряемого сигнала в широком диапазоне частот.

Использование тональных сигналов минимизирует искажение спектра полезного сигнала и позволяет выполнять расчет скорости и минимальной дистанции на проходе. В состав аппаратуры входят блоки генерации сигналов на основе высокостабильных кварцевых или рубидиевых генераторов для поддержания автономных шкал времени.

Управление работой комплекса производится с Главного командного пульта управления процессом измерений.

Оператор главного пульта создает описание конкретного объекта, осуществляет слежение за процессом накопления данных, выполняет обработку накопленных реализаций при решении задач измерения уровней в 1/3-октавных и узких частотных полосах.

Генерация отчетных форм и представлений, соответствующих действующим нормативным документам, выполняется на основе специализированного генератора отчетов.

Система масштабируема как по количеству обрабатываемых приемных устройств, так и по набору реализуемых метода обработки информации, в состав комплекса входят аттестованные методики выполнения измерений.

Получить нужное количество исходной информации только в процессе натурных измерений невозможно, так как для этого необходима работа судового обеспечения и технических средств в течение длительного времени, что вызывает неоправданные материальные затраты.

Работа по тестированию и отладке аппаратуры должна проводиться планомерно, охватывать различные варианты измерительных ситуаций.

Помимо этого для проверки правильности функционирования разработанного программно-алгоритмического обеспечения, его метрологической аттестации необходимо создание генератора тестовых сигналов, имеющих заранее известные, заданные характеристики. Для успешного решения этих задач создана аппаратура имитации исходных данных. Сигналы, сгенерированные аппаратурой, поступают на вход обрабатывающего комплекса и обеспечивают его функционирование в полном объеме. Аппаратура имитации применяется не только для тестирования работы комплекса, но также для обучения и тренировки операторов.

Кроме того, необходимо продолжение работ по созданию подводных приемных устройств, как судового базирования, так и для оснащения стационарных полигонов.

При решении этой проблемы необходимо обеспечить снижение собственных шумов и инструментальной погрешности измерительных баз при сохранении высокой надежности и удобства эксплуатации оборудования.

Генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ», д.э.н. П.А. КрасовскийНачальник комплекса, д.т.н. С.Г. Цыганков

С.н.с., к.т.н. Г.В. Теверовский

Источник: http://dfnc.ru/arhiv-zhurnalov/c137-2010-3-10/problema-izmereniya-gidroakusticheskikh-kharakteristik-morskikh-ob-ektov/

1

1.Назначение, задачи и общая характеристика ГАР.

         Под ГАР понимается получение информации путем приема и анализа акустических сигналов инфразвукового, звукового, ультразвукового диапазонов, распространяющихся в водной среде от надводных и подводных объектов.

ГАР включает в себя:

·        Разведку шумовых полей работающих гребных винтов и механизмов НК и ПЛ;

·        Добывание информации в изображениях дна и объектов из принимаемых отраженных сигналов;

·        Параметрическую разведку (X, Y, V и др.) объектов, содержащуюся в принимаемых в принимаемых сигналах;

·        Разведку сигналов, создаваемых средствами сооружения НК и ПЛ;

·        Разведку звуковой связи;

ГАР делится на активные (гидролокатора) и пассивные (шумопеленгаторы) средства.

Задачи решаемые ГАР:

1.      Определение параметров первичных шумовых полей объектов для выделения классификационных принципов.

2.      Определение параметров излучения активных гидроакустических средств для организации гидроакустического подавления.

3.      Определение развития гидроакустической техники.

4.      Оопределение гидролокационных характеристик объектов и вооружения.

5.      Картографирование рельефа дна и конструкции подводных сооружений.

6.      Выявление дислокации ВМФ.

7.      Выявление подводных стартов ракет и торпед, определение их мест глубины и количества.

Основными характеристиками аппаратуры ГАР являются:

·        рабочая частота;

·        акустическая мощность;

·        ширина ДНА акустической антенны;

·        диапазон рабочих частот;

       При оценке возможностей ГАР возможную роль играют пространственно- временные характеристики среды:

• распределение температуры и солености воды;
• гидростатическое давление;
• отражающие свойства морской поверхности и дна;

На дальность действия аппаратуры ГАР кроме того, влияют :

• отражающая способность цели (сила цели);
• уровень шумового излучения;
• взаимное расположение аппаратуры и цели;
• уровень акустических помех.

2.Принципы построения гидролокаторов.

В морской среде распространяются акустические волны вследствие объемной упругости среды. Процессы распространения описываются лучевой теорией. Скорость звука в океане близка к 1500 м/с и зависит от трех параметров to, солености и гидроакустического давления.

Звуковая волна может испытывать затухание, отражение и преломление на границе, реверберацию (многократное отражение от поверхностей), рефракцию.

Физическая модель канала учитывает обе границы с неоднородностями границы и среды и представляется при расчетах в виде линейного фильтра с переменными параметрами. Вид этого канала показан на рис.1

                           Рис.1 Модель гидроакустического канала

      Гидроакустическое поле в точке приема является результатом прямых и отраженных сигналов:

                                            ,

  где N – число лучей;  ai – амплитуда;  ti – задержка iго сигнала;  n(t) – помеха.

Движение источника и приемника вызывает смещение сигнала по оси частот за счет эффекта Доплера.

        Обобщенная структурная схема гидролокатора показана на рис.2

           Рис.2 Обобщенная структурная схема гидролокатора.

1.      приемоизлучающая акустическая антенна,

2.      коммутатор,

3.      матрицы формирования ДНА

4.      генератор,

5.      синхронизатор,

6.      блок компрессии динамического диапазона и нормирования сигнала,

7.      схема обработки сигнала,

8.      схема выявления наличия сигнала,

9.      индикатор.

        В гидролокаторе  используют импульсные простые и сложные (ЛЧМ) сигналы, а также сигналы с непрерывным излучением и ЧМ в зависимости от решаемых задач.

Сигнал, выработанный генератором, поступает на матрицу, с помощью которой формируется лепесток ДНА нужной ширины и направления. Аналогичным образом и на прием. Однако в общем случае ДН трактов передачи и приема отличается.

      Принципы действия ГА и РЭС имеют много общего и отличаются в основном только антеннами.

ГА антенны – устройство обеспечивающее пространственно-избирательное излучение или прием звука в водной среде. Она состоит из электроакустических преобразователей, акустических экранов, несущей конструкции и электрокоммуникаций.

     Типичные преобразователи показаны на рис.3

                                   Рис.3 Типовые колебательные системы.

     Это колебательные системы. Они могут быть пьезоэлектрические, электромагнитные, электростатические и другие различной формы.

         При гидролокации применяют различные способы обзора пространства. Наиболее эффективным является способ, при котором пространство облучается вращающимся с постоянной скоростью лепестком ДНА. А для приема используют многоканальный тракт со статически сформированными лепестками ДНА, равномерно перекрывающими весь горизонт или спектр обзора излучения (рис.4).

                                 Рис.4 Способ обзора пространства.

       Такой способ обзора исключает потери энергии сигнала. Неизбежные при сканировании, позволяет сузить полосу пропускания, что делает тракт более помехоустойчивым.

     Для измерения дальности применяют в основном импульсный метод, когда эхо-сигнал имеет вид:

          , где  — время распространения сигнала туда и обратно.

      Возможен частотный метод дальнометрии, основанный на приеме непрерывных ЧМ колебаний.

       3.Принципы построения шумопеленгаторов.

ШП служат для обнаружения и прослушивания шумовых сигналов различного происхождения и определения направления на источник. Обработка сигналов существенно отличается от обработки при гидролокации.

     Обобщенная структурная схема шумопеленгатора показана на рис.5

          Рис.5 Обобщенная структурная схема шумопеленгатора.

1.      – антенна;

2.      – матрица формирования ДН;

3.      – полосовой фильтр;

4.      – детектор;

5.      – осреднитель;

6.      – оператор или вычислительное устройтво;

На вход системы поступают выборки, носящие вероятностный характер. Часть выборок содержит только шумы-помехи, часть – смесь шумов цели и помех. В ходе обработки определяют и сопоставляют функции распределения вероятностей наличия обеих этих частей. При определенном соотношении этих вероятностей, превышающем порог, делается вывод об обнаружении полезного сигнала.

       Обычно используют групповые акустические антенны из большого числа приемников, образующих плоскостную или пространственную решетку разной конфигурации. Управление положением ДН обеспечивается временными задержкам в приемниках. Каждый приемник может участвовать в формировании нескольких лепестков.

   Шумопеленгатор с веером статическисформированных лепестков ДН показан на рис.6. Здесь 1-приемники; 2-входные цеи; 3-регистры сдвига; 4-фильтры; 5-детекторы; 6-выходныецепи.

Рис.6 Принцип формирования лепестков ДН с применением элементов цифровой техники

Основными тактическими показателями ШП являются:

— максимальная дальность обнаружения, которая меняется в широких преде­лах и составляет для современных станций от нескольких единиц до сотен ки­лометров;

— точность пеленгования, составляющая от десятых долей до 1…2°;

— разрешающая способность по направлению;

— помехоустойчивость;

— надежность;

— степень автоматизации работы станции. Основные технические параметры:

— диапазон рабочих частот;

— ширина ДН и коэффициент осевой концентрации антенны;

— полосы пропускания диапазонов;

— коэффициент усиления приемного тракта.

Источник: http://special-for-diana.narod.ru/32.htm