CC BY
119
ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СТАНЦИЙ ОБНАРУЖЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Казаков М.Н. Email: [email protected]
Казаков Михаил Наумович - инженер, пенсионер, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье рассматривается соотношение дальностей действия гидролокатора (ГЛ) и станции обнаружения гидроакустических сигналов (станции ОГС), предназначенной для перехвата излучений активных гидроакустических средств. Показано, что дальность действия станции ОГС в несколько раз больше дальности действия ГЛ, в особенности на низких частотах. Это объясняется тем, что эхо -сигнал ГЛ проходит двойной путь по сравнению с сигналом, принимаемым станцией ОГС, а также тем, что при отражении от цели происходит рассеяние принимаемого ГЛ сигнала. ПЛ, находящаяся в зоне звуковой тени, невидима для ГЛ, а работа ГЛ наблюдается с ПЛ, оснащённой станцией ОГС.
Ключевые слова: обнаружение сигналов, гидролокатор, дальность действия, излучение сигналов, рассеяние сигналов, зона тени.
THE RANGE OF THE DETECTION STATIONS OF HYDROACOUSTIC
SIGNALS Kazakov M.N.
Kazakov Mikhail Naumovich - Engineer, Pensioner, ST. PETERSBURG
Abstract: the article discusses the ratio of the range of the sonar (HL) and the station for the detection of sonar signals (OGS stations), designed to intercept the emissions of active sonar assets. It is shown that the range of the OGS station is somewhat longer than the range of the GL, especially at low frequencies. This is explained by the fact that the GL echo .signal travels a double path compared to the signal received by the OGS station, and also because the reflection of the received GL signal occurs when reflecting from the target. The submarine, located in the zone of the sonic shadow, is invisible to the GL, and the GL operation is observed with the submarine equipped with the OGS station.
Keywords: signal detection, sonar, range, signal emission, signal scattering, shadow zone.
УДК 623.983
Станции обнаружения гидроакустических сигналов (станции ОГС, тракты ОГС гидроакустических комплексов) предназначены для перехвата сигналов активных гидроакустических средств и прежде всего для перехвата сигналов гидролокаторов (ГЛ) [1]. Станции ОГС необходимы на подводных лодках (ПЛ) для уклонения от надводных кораблей (НК), осуществляющих поиск ПЛ, и для противодействия им. При этом важнейшей характеристикой станций ОГС является дальность действия в сравнении с дальностью действия ГЛ. Широко распространено мнение (см., например, [2]), что дальность действия станции ОГС лишь вдвое больше дальности действия ГЛ. Станции ОГС обнаруживают прямые сигналы ГЛ, сам же ГЛ принимает отражённые от цели сигналы. Действительно, сигналы, принимаемые ГЛ, проходят двойной путь. Однако, кроме этого, при отражении от цели происходит рассеяние сигналов. Поэтому фактическая дальность действия станции ОГС может более чем вдвое превосходить дальность действия ГЛ [3]. Покажем это в данной статье, сопоставляя дальности действия станции ОГС и ГЛ, которые установлены на ПЛ и НК соответственно.
В [4] приведено дифференциальное уравнение, описывающее излучение звука поршнем, помещенным в воду:
jra*(m+ms)*Z1 + (V^Z '+ Z'/jfflCM = F0j , (1)
где:
z1 - колебательная скорость поршня, Fejmt - сила, движущая поршень, m - масса поршня,
m, - соколеблющаяся масса, масса несжатой жидкости, движущейся вокруг поршня из-за его конечных размеров и не принимающей участие в излучении звука,
гтр - коэффициент, учитывающий механическое трение при движении поршня (коэффициент трения),
rs = pc*S - активное волновое сопротивление, S - площадь поршня, рс - волновое сопротивление среды (коэффициент, определяющий соотношение между давлением и колебательной скоростью в волне, полученный в результате решения волнового уравнения [4]),
См- гибкость пружины, возвращающей поршень в исходное состояние, ю - круговая частота.
Для излучения максимальной мощности гибкость пружины выбирается такой, чтобы реактивное сопротивление всей механической системы было равно нулю: (m + m,) ю0 - 1/ю0См = 0
В этом случае система работает на резонансе, ю0 - частота резонанса. Как правило, коэффициент полезного действия излучателей, работающих на резонансе, высокий, поэтому коэффициентом трения r^ в формуле (1) можно пренебречь по сравнению с активным волновым сопротивлением rs. В отсутствие реактивных сил и при малом трении вся энергия поршня затрачивается на излучение сигнала:
pc*S*Z1 = F0ej"t.
Часто в качестве излучателей используются полые пьезокерамические цилиндрические излучатели. Гибким элементом является цилиндрическая поверхность. Излучатели экранированы с тыльной стороны, лицевые стороны излучателей формируют излучающую поверхность.
Реальному излучателю ГЛ ставится в соответствие его сферический эквивалент. При этом интенсивность принимаемого ГЛ отраженного от цели сигнала определяется формулой [4], [5], [6]:
J = [Pa*y*R3A2*AA4/16*n*rA4*10A12]*10A(-0.2*P*r), (2)
где:
Pa - мощность, излучаемая ГЛ, вт, у - коэффициент концентрации энергии, R3 - эквивалентный радиус цели, м, r - расстояние до цели, м, в - коэффициент затухания звука, дб/км, A - аномалия распространения звука.
Учитывая, что квадрат давление звука равен pA2 = 2*pc*J, и используя (2), определяем давление эхо-сигнала:
ргл=[P0*10A(-6)*(Rg/2)*AA2)/rA2]*10A(-0.1*P*r), (3)
где:
P0 - давление сигнала ГЛ на расстоянии 1м от излучателя, Па, r - расстояние до цели, км.
Давление прямого сигнала ГЛ, принимаемого станцией ОГС, равно:
39
Рогс= [Ро*10л(-3)*А/г]*10л(-0.05*Р*г). (4)
При сравнении дальностей действия ГЛ и станции ОГС, будем считать, что среда бесконечна и однородна (А = 1). В дальнейшем учтём особенности распространения звука.
Составляем уравнение в относительных единицах (дб) для определения дальности действия ГЛ:
УИ - ПРгл + СЦ = ПОгл, (5)
где:
УИ - уровень излучения,
ПРгл - потери уровня сигнала при пороговом обнаружении,
СЦ - сила цели (ПЛ),
ПОгл - пороговый сигнал ГЛ. Пороговый сигнал и уровень излучения отсчитываются от давления 2*10л(-5) Па.
Аналогично составляем уравнение для определения дальности действия стации ОГС:
УИ - ПРогС = ПОгл + АПОогс, (6)
где:
ПРогс - потери уровня сигнала при пороговом обнаружении,
ЛПОогс - поправка, учитывающая, что значение порогового сигнала станции ОГС может быть большим по сравнению с пороговым сигналом ГЛ.
При гидролокации точно известны параметры излучаемого сигнала, поэтому приёмный тракт ГЛ согласован с ожидаемым сигналом (возможен корреляционный приём). При приёме сигналов станцией ОГС параметры сигналов не известны, поэтому возможен только энергетический приём (по мощности, точнее квадрату давления сигнала) [6], [7], [8]. Кроме того, станция ОГС должна принимать сигналы со всех возможных направлений и в широком диапазоне частот, что при автоматическом обнаружении для обеспечения необходимых вероятностей ложных тревог и пропусков сигнала вызывает увеличение порогового сигнала. С другой стороны, уровень акустических помех НК - носителя ГЛ могут быть значительно выше помех ПЛ. Произведем расчет дальностей при нескольких значениях ДПОогс.
Определяя ПОгл из формулы (6) и подставляя полученное значение в (5),получаем уравнение, позволяющее сопоставить дальности действия ГЛ и станции ОГС:
- ПРгл + СЦ = - ПРогс- ЛПОогс (7)
Исходя из формул (3) и (4), находим:
ПРгл = 120 + 40*Ья Ггл + 2*Р*Ггл , (8)
ПРогс = 60 + 20*Ья Гогс + Р*Гогс (9)
Внесем значения ПРгл и ПРогс в формулу (7), при этом выполним следующее:
- выразим дальность действия станции ОГС через дальность действия ГЛ
г = п*г
огс гл
- примем[4] р = 0.036*^(3/2) дб/км, где f - частота сигнала, кГц. Сжимаемость (объёмная упругость) - обратимое явление, никаких потерь энергии при собственно сжатии среды не происходит. При распространении звука происходит его затухание, но оно обусловлено другими причинами: присутствием солей в морской воде, наличием воздушных пузырьков, рассеянием на температурных неоднородностях [4], [5],
- учтём, что дальность действия ГЛ зависит от частоты излучаемого сигнала. С повышением частоты увеличивается коэффициент концентрации и уменьшается уровень помех, но увеличивается затухание сигнала с расстоянием. Есть оптимальная частота, при работе на которой, при заданной мощности, достигается наибольшая дальность. В [4] приведено значение оптимальной частоты для заданной дальности действия ГЛ:
f = (275/ггл)л(2/3)кГц. Откуда ггл = 275/^(3/2)км (см. рис. 1),
- примем эквивалентный радиус цели [4] равным Яэ = 6*^(1/2)м, откуда сила цели равна СЦ = 20*Ья Яэ/2 дб.
В результате получаем трансцендентное уравнение:
-98.6 + 40*^ f + ЛПО = -20^ п - 9.9*(п - 2) (10)
40
1x10
г
100
10
I1-1-1-1-
0 10 20 30 40
Г
Рис. 1. Зависимость дальности действия гидролокатора от частоты сигнала
В результате решения уравнения (10) на рисунке 2 представлены значения отношений дальностей действия станции ОГС и ГЛ п в зависимости от частоты сигнала f при различных значениях превышения порога обнаружения станции ОГС над порогом обнаружения ГЛ ДПОогс.
10|-1-1-т-
На рисунке 2 кривые п1, п2, п3, п4 соответствуют следующим значениям превышения порога обнаружения стации ОГС над порогом ГЛ: 0, 6, 12 и 20 дб. Только тогда, когда порог станции ОГС больше порога ГЛ в 10 раз (АПОогс = 20 дб, кривая п4), отношение дальности действия станции ОГС к дальности действия ГЛ на верхних частотах диапазона приближается к 2, на частотах ниже 5 кГц отношение больше 5. При других значениях ДПОогс отношение дальностей больше приведенных значений.
Когда дальность станции ОГС до работающего ГЛ меньше, чем предельная, уровень сигнала УС, принимаемого станцией ОГС, выше порогового уровня. Его величина относительно порогового уровня, равна величине уменьшения потерь при распространении, и составляет:
где:
п -значение п из рисунка 2 на частоте сигнала,
пфакт - фактическое значение п (отношение фактического расстояния между ПЛ и НК к дальности действия ГЛ из рис. 1).
Превышение сигнала над порогом позволяет наблюдать работу ГЛ с ПЛ из зон акустической тени, которые непреодолимы для ГЛ.
2
0 10 20 30 40
Рис. 2. Превышение дальности действия станции ОГС над дальностью действия ГЛ в зависимости от частоты сигнала
УС = 20*ЬМ (п/пфакт) + 9.9*(п - пфакт), (11)
Представим себе, что ПЛ находится под слоем скачка скорости звука. Условия следующие: глубина тени 20 - 30 дб [5], частота сигнала 20 кГц, из рисунка 2 при ДПОогс = 20 дб n = 3.8, принимаем = 1. Уровень сигнала УС = 31.4 дб, рассчитанный по формуле (11), превышает глубину тени, следовательно, ПЛ «видит» работу ГЛ, находясь под слом скачка.
Предположи, что ПЛ и НК находятся в глубоком море. Структура звукового поля зональная: освещенные зоны шириной 10 км следуют с интервалом 50км, между ними зоны тени. Другие условия: глубина тени 20 дб [5], частота сигнала 3 кГц, n = 6 при ДПОогс= 20дб, по кривой рисунка 1 определяем дальность действия ГЛ ггл = 70 км. Рассчитаем уровни сигнала на дальних границах четвёртой и пятой зон тени, находящихся на расстояниях 195 км и 245 км от ГЛ, которым соответствуют пфакт=195/70 = 2.8 и пфакт=245/70 = 3.5. Эти уровни (11) равны 38.3 дб и 29.4 дб, они превышают глубину тени. Таким образом, практически при зональной структуре поля для ПЛ нет зон тени, существует сплошная освещенность.
Как видно из изложенного, дальность действия станции ОГС в несколько раз (при ДПОогс= 20дб от 3 до 7раз в зависимости от частоты сигналов) превышает дальность действия ГЛ. Вследствие меньших потерь при распространении, станция ОГС обнаруживает сигналы ГЛ и тогда, когда ПЛ находится в зоне звуковой тени, ГЛ в этих условиях ПЛ не обнаруживает.
Список литературы /References
1. Казаков М.Н. Автоматическое обнаружение гидроакустических сигналов // Вестник науки и образования, 2019. № 4 (58). Часть 1. С. 20-23.
2. Обнаружение подводных лодок. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru-wiki.org/Обнаружение_подводных _лодок/ (дата обращения: 17.04.2019).
3. ГАС обнаружения сигналов гидролокаторов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nvs.rpf.ru/nvs/forum/archive/104/104662.htm/ (дата обращения: 17.04.2019).
4. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л. Судостроение, 1966. С. 295.
5. Евтютов Ф.П. и др. Справочник по гидроакустике. Л. Судостроение. 1988. С. 550.
6. Свердлин Г.М. Гидроакустика. Л. Судостроение, 1976. С. 280.
7. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы. М. Вузовская книга, 2007. С. 351.
8. Казаков М.Н. Оценка целесообразности использования приёмников колебательной скорости в многоканальных гидроакустических системах. // Наука, техника и образование, 2018. № 5 (46). С. 19-22.
9. Казаков М.Н. Оценка оптимальности использования приёмников звукового давления в многоканальных гидроакустических системах. // Наука, техника и образование, 2018. № 10 (51). С. 11-14.
