CC BY
47
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, ПРИБОРЫ, ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ
УДК 681.88:656.7
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ГИДРОСАМОЛЕТОВ НА АКВАТОРИИ ГИДРОАЭРОДРОМА
В.Ю. Волощенко
Обсуждаются вопросы разработки технологии комплексной навигации на акватории летного бассейна гидроаэродрома, предусматривающей использование гидроакустических средств как оценки параметров перемещения днищевых беспилотных гидросамолетов в надводном положении, так и обзора подводного пространства. Рассмотрены физические принципы функционирования, характеристики и структурные схемы высокоточного гидроакустического навигационного оборудования, размещаемого на беспилотном гидросамолете: многочастотного корреляционного лага-эхолота с регулируемой точностью измерения как скорости маневрирования, так и глубин акватории, короткобазисной навигационной системы, обеспечивающей движение беспилотного гидросамолета по требуемому курсу, который задается сетевой системой донных приемоизлучающих антенных устройств.
Ключевые слова: бортовые гидроакустические средства беспилотного гидросамолета, параметрическая излучающая антенна.
Водная транспортная инфраструктура Российской Федерации - моря, реки, озера, водохранилища - позволяет в дополнение к имеющемуся сезонному судоходству сформировать сеть круглогодичных гидроаэродромов для базирования и речных трасс с целью передвижения различных средств гидроавиации, что составит разветвленную амфибийную транспортную систему (АТС) страны. В пределах развития АТС актуальна разработка технологии комплексной высокоточной навигации [1], предусматривающей использование локальных полей и ориентиров, в частности, включающих средства оценки параметров маневрирования при подготовке к выполнению взлетно-посадочных действий гидросамолетов (ГС), в том числе и беспилотных гидросамолетов (БГС), с использованием гидроаку-
3
стических навигационных систем: корреляционно-экстремальных [2,3], доплеровских [4 - 6], короткобазисных [7 - 9], обеспечивающих точное местоопределение в надводном положении на акватории летного бассейна (ЛБ) гидроаэродрома в реальном времени.
С целью обеспечения эффективности взлетно-посадочных действий и маневрирования магистральных днищевых ГС ранее [10, 11] было предложено использовать многопозиционный мониторинг как воздушного, так и водного приповерхностных слоев взлетно-посадочной полосы (ВПП) на акватории ЛБ гидроаэродрома с помощью радиолокационных станций (РЛС) и гидроакустических систем (ГАС) ближнего подводного наблюдения соответственно. В частности, оперативность гидроакустического мониторинга ВПП может быть обеспечена при ультразвуковом зондировании в направлении «снизу вверх» ее частей, отображении и анализе полученных данных. Причем, помехи взаимного влияния соседних приемоизлу-чающих антенных устройств (ПАУ) [12] снижены за счет использования «индивидуальных» наборов частот ультразвуковых локационных сигналов, формирующихся в водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств (самовоздействия и взаимодействия мощных волн накачки).
С целью оперативного прояснения подводной обстановки [10] на ЛБ гидроаэродрома необходимо оборудовать дно прибрежного участка водной акватории стационарными ПАУ-4 (х), являющимися элементами сетевой системы как подводного наблюдения, так и навигации в надводном положении ГС, вспомогательных судов и т.д. ПАУ-4 (х) выполнены из т (192 шт.) одинаковых электроакустических преобразователей (ЭАП), апертуры которых аппроксимируют полусферическую поверхность, а акустические оси - равномерно распределены в полупространстве (80 при уровне 0,7 перекрывания основных лепестков характеристики направленности (ХН) ЭАП из одной точки, являющейся фазовым центром полусферы (диаметр 0,63 м, резонансная частота ЭАП /д = 250 кГц, диаметр ЭАП 0,059 м, 11 рядов ЭАП).
Преимущества отдельных ПАУ-4 (х) при эхопоиске на мелководье подробно описаны в работах [13, 14], кроме того, было отмечено как перспективное комплексное использование донной сетевой структуры из всех ПАУ-4 (х) для решения навигационных задач на акватории. В данном случае может быть полезно использована возможность создания в окружающем водном пространстве каждым ПАУ-4 (х) индивидуальной «частотно-окрашенной» ультразвуковой освещенности, которая квантована по т телесным секторам в полусфере. В результате на заданном участке акватории гидроаэродрома на границе раздела «вода - воздух» будет сформировано индивидуальное распределение «частотно-окрашенных» пятен подводной «засветки», являющихся отдельными точками заданной траектории
движения любого надводного плавсредства, снабженного короткобазисной навигационной системой (КНС), использующей принцип пеленгования источника ультразвукового сигнала методом равносигнальной зоны.
Таким образом, каждое отдельное ПАУ-4 (х) из донной сетевой структуры аналогичных устройств может быть использовано в качестве «всенаправленного» блока из т «приводных» гидроакустических донных маяков (ГДМ), излучение которых обеспечено путем возбуждения каждого г - го ЭАП, где г = (1 ■ т), «индивидуального» бигармонического сигнала с частотами /1г, /2г, находящимися в его полосе пропускания.
Следует отметить, что для каждого из т направлений ультразвукового облучения водной толщи гидроаэродрома можно использовать нелинейный режим генерации «приводных» полигармонических сигналов, включающих «оригинальные» наборы низкочастотных ¥г =| /2г - /г | и высокочастотных /+ = /2г + /ц,2/2г,2/ц,... и/2/,п/ц(п = 2,3,...) спектральных составляющих, формирующихся в водной среде при распространении мощных сигналов накачки с частотами /1г, /2г.
Рассмотрим возможность применения донного ПАУ-4(х) в качестве блока из т ГДМ - элементов сетевой системы для обеспечения местооп-ределения и навигации в условиях ограниченной видимости (низкая облачность, маскирующее действие гидрометеоров, ночное время и т.д.) при надводном движении БГС на акватории ЛБ гидроаэродрома по маршруту, безопасному для плавания, например, при движении по определенному фарватеру в пределах узкости и гавани, при входе в поворот и т.п. Например, для обеспечения движения БГС по отрезку прямолинейной траектории в надводном положении по оси ВПП, обозначенной ПАУ-4(х), можно использовать возможность формирования одновременно как минимум двух ультразвуковых «приводных» пучков сигналов накачки от двух ЭАП каждого от этих «осевых» ПАУ-4(х) (рис.1), [12].
В данном случае горизонтальные проекции акустических осей двух ЭАП будут совпадать как друг с другом, так и осью ВПП, «пятна засветки» от каждого пучка - как друг с другом, так и с траекторией движения на водной поверхности БГС (рис.1). Для обеспечения движения БГС по заданной траектории может быть использован один из вариантов КНС (рис.2) [8,9].
Рассмотрим функционирование КНС [8,9] (см. рис.2), которая установлена на борту БГС. Излучающий тракт береговой гидроакустической службы гидроаэродрома, подключенный через многоканальный коммутатор к г - му ЭАП-5 одного из ПАУ-4 (х), включает в себя источник питания 1, генератор 2, вырабатывающий гармонический сигнал с частотой / , хронизатор-модулятор 3 и усилитель мощности 4. При распространении в водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, мощный им-
5
пульсный ультразвуковой сигнал накачки с амплитудой звукового давления рх и частотой / по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения волнового профиля (самовоздействие), что физически означает генерацию высших гармонических компонент с частотами 2/,3/,...,/?/, амплитуды звуковых давлений которых равны [15].
Рис. 1. Схема применения ПАУ-4(х) как сетевой системы для обеспечения местоопределения на оси ВПП при надводном движении БГС, снабженного многочастотным КЛЭ, и КНС
канал 1 т*- 9
т
п1
10 11
.
10
канал 2
ю
2\
10
11
10 -► 11-1 -
9 f 10 11
12
17
13
г
и
11
те
10 11
9 Г* "
12
16
14
V
л
14
15
14
Рис. 2. Структурная схема КНС
6
Таким образом, ЭАП-5 ПАУ-4 (х) осуществляет излучение в импульсном режиме, формируя необходимые по угловой ширине соосные ультразвуковые пучки как на исходном сигнале накачки, так и на сигналах кратных частот, которые сориентированы в пространстве в заданном направлении (см. рис.1). Приемная бортовая аппаратура БГС функционально включает в себя два п -канальных приемных тракта, в которых обрабатываются электрические сигналы г/1,г/2, вырабатываемые двумя группами приемных ЭАП-6 и ЭАП-7, установленных ниже ватерлинии в носовой части лодки-фюзеляжа (на рис. 1 приемные ЭАП-б и ЭАП-7 обозначены с двухлепестковой результирующей ХН, варианты исполнения КНС описаны в [7 - 9]). Обе группы приемных ЭАП-б и ЭАП-7 имеют идентичные основные лепестки ХН без дополнительных максимумов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2(рис.1 и 3), где <рш = (0,5-0,7)х#07/ > 0О 7/- угловая ширина основного лепестка ХН группы ЭАП-6 (ЭАП-7) для
сигнала накачки по уровню 0,7. Пеленгование методом равносигнальной зоны осуществляется путем определения разности напряжений Аи = и1-и2 (- ° - Г,2', - ° - 1", 2" на рис.3) на выходах двух идентичных каналов приемных трактов, в которых обрабатываются электрические сигналы одинаковых рабочих частот (или /, или 2/ или ;?/), величина которой изменяется при пеленговании «приводного» ЭАП-5 ПАУ-4 (х) путем поворота двухлепестковой результирующей ХН групп ЭАП-б и ЭАП-7 КНС [8, 9] компенсатором 8.
равносигнальное направление на
Рис. 3. Основные лепестки ХН групп ЭАП-6, ЭАП-7 КНС (а) и пеленгационные характеристики (б) метода равносигнальной зоны
на частотах---/; -----2/
При нахождении «приводного» ЭАП-5 донного ПАУ-4 (х) на линии, проходящей через точку пересечения основных лепестков ХН обеих групп ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС и называемой линией равносигнального направления, электрические сигналы обоих каналов равны (или /) = и2(/), или ^1(2/) = и2(2/).....) и напряжение Аи равно нулю, что
и будет регистрироваться устройством отображения информации 16 (см. рис. 2). Напряжение, пропорциональное величине угла поворота А ^ равно-сигнального направления групп ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС [8,9] с дополнительного выхода компенсатора 8, поступает на первый вход устройства отображения информации 16, которое индицирует информацию об угловой координате пеленгуемого ЭАП-5 ПАУ-4 (х). В предлагаемой КНС [8,9] пеленгование осуществляется на нескольких акустических сигналах с частотами /,2/,...,п/, что позволяет регулировать точность пеленгования ЭАП-5 ПАУ путем уменьшения угловой ширины основных лепестков ХН групп ЭАП-6 и ЭАП-7 в режиме приема для более высокочастотных сигналов. Тракт обработки КНС [8,9] (см. рис. 2) объединяет п двухканаль-ных цепочек, содержащих последовательно включенные полосовые фильтры 9, настроенные на частоты / ,2 /,..., п/, усилители 10 и детекторы 11, выходные электрические сигналы с которых подаются попарно через п -входовые аналоговые ключи 12 на входы вычитающего устройства 13. Выход вычитающего устройства 13 соединен со вторым входом устройства отображения информации 16. Выбор обрабатываемого «приводного» сигнала ( / или 2 / ) осуществляется путем подачи с блока управления 17 сигналов на управляющие входы п - входовых аналоговых ключей 12, что, в свою очередь, определяется необходимой точностью определения местоположения ЭАП-5 ПАУ с борта БГС. С выходов детекторов 10 соответствующих п цепочек второго канала видеоимпульсные сигналы и 2( / ),и 2(2/),...., и 2(п/) подаются на входы измерителей амплитуд 14, регистрирующих амплитуды сигналов основной частоты / пеленгуемого ЭАП-5 ПАУ и сформировавшихся высших гармоник 2/,3/,..., п/ в момент точного его пеленгования. По соотношению уровней сигналов и2(/),и2(2/),....и2(п/) (и соответственно звуковых давлений
Р[, Р2, Р3,......Рп) с помощью вычислительного блока 15 можно рассчитать
расстояние г до ЭАП-5 ПАУ. Причем, полученная информация поступает на третий вход устройства отображения информации 16.
Оценим энергетическую дальность действия ПАУ-4(х), т.е. дистанции пеленгации ЭАП-5 ПАУ с борта БГС как блока из т ГДМ-элементов сетевой системы на акватории гидроаэродрома. Расчет минимально обнаруживаемых уровней «приводного» излучения проведем для сигналов: накачки / = 250 кГц, второй гармоники 2/ = 500 кГц, разностной ^ = 20 кГц,
8
генерируемых ЭАП-5 в параметрическом режиме излучения [7]. Примем величины уровней шумов (в дБ) относительно 2х10- 5 Па и приведенное звуковое давление помех на частоте 1 кГц в полосе частот 1 Гц при ненаправленном приеме на частотах: у = 250 кГц ® 30 дБ и рпр( у )= 63,2x10 -
5Па; 2у = 500 кГц ® 25 дБ и рпр(2у)= 35,6х10-5 Па, г = 20 кГц ® 50 дБ и рпр(Г)= 632х10-5 Па [16]. Тогда звуковое давление помех рп , вычисленное для частоты у в полосе частот Ау=100 Гц при направленном приеме (7 п - коэффициент осевой концентрации группы ЭАП 6 КНС при радиусе 0,1м), составит: у = 250 кГц -рП(у)=0,024х10 -5 Па (7П(у) = 9860); 2у
=500 кГц -рП(2у)=0,0034х10-5Па (7П(2у) = 32867); Г =20 кГц - рП(Г) =
=71х10-5Па (уП(2у) =108). В данном случае величины приведенных звуковых давлений с учетом затухания РПР1М (у), РПР1М (2у), РПР1М (Б) акустических сигналов, формируемых ЭАП 5 ПАУ 4 (х) на расстояние одного метра от его поверхности, составят 0,2322-105, 0,0277-105, 0,0008-105 (Пахм) соответственно. Значения коэффициентов затухания а (дБ/м) на соответствующих частотах (1/с) рассчитывались для пресной воды с загрязнениями по соотношению а=2,4х10-10х у15 [16]: у =250 кГц - аг =30 (дБ/км); 2у =500 кГц - а 2 у =85 (дБ/км); г =20 кГц - а р =0,68 (дБ/км), а для морской воды выбирались из таблиц [15]: у =250 кГц - а у =86 (дБ/км); 2 у =500 кГц - а 2 у =172 (дБ/км); Г =20 кГц - а р=1,72 (дБ/км).
Представленных выше данных достаточно для того, чтобы с помощью уравнений пассивного локатора БЬу 2у р - ТЬу 2у р =
= Жу2у р + БТ [17] оценить дальность действия КНС [8,9] на рабочих сигналах: у =250 кГц; 2 у =500 кГц; Г =20 кГц. В уравнениях для сигналов с частотами у ,2у, Г только одно слагаемое - параметр, относящийся к приемному тракту КНС, будет неизменным: порог обнаружения БТ = 201§ 5 = 12 дБ, где 8 =4 - коэффициент распознавания. Остальные же слагаемые (параметры) будут разными: ^Ьу2у г = 20^ Рпр 1ММТ 2у Г) -уровни источников «приводных» сигналов с частотами у ,2 у, Г (дБ) относительно 1 мкПа на акустической оси для удаления 1м от ЭАП-5; ТЬу 2у р = 20(3 + ^ г) + а(у 2у р) • ^ - потери акустической энергии «приводных» сигналов с частотами у ,2 у, Г в среде за счет сферического расширения волнового фронта при «прямом» распространении и затухании (дБ); ^Ьу,2ур = 201ё[Рпо(у,2у,Г) '#"(/,2у,Г)/./>,2у,Г ' у,2у,Г)] - ур°вень Шума на частотах у,2 у, р в месте расположения обоих групп приемных ЭАП-6 и
ЭАП-7 КНС (дБ) относительно 1 мкПа (pnc(у 2f f)" суммарный уровень
помех на частотах f ,2f, F в месте установки антенны, приведенный к стандартным условиям, Па; Df(у 2у f) - ширина полосы пропускания приемного тракта для частот f ,2 f, F, Гц; f- у 2 у f ) - значение рабочей частоты f ,2 f, F пеленгования КНС, кГц; g np - у 2 у f ) - коэффициент направленности (концентрации) при приеме на частотах f ,2 f, F).
Таким образом, левая часть уравнений пассивного локатора - выраженные в децибелах относительно эталонного уровня 1мкПа величины амплитуд звукового давления «прямых» сигналов (Direct Signal Level, DSL) «приводной акустической подсветки» с частотами f ,2f, F на оси полигармонического ультразвукового пучка, которые с учетом сферического расширения волнового фронта и затухания последних может обеспечить ЭАП-5 используемого ПАУ в месте расположения на ГС обеих групп приемных ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС, правая часть - пороговые уровни этих же сигналов, при которых еще обеспечивается надежная работа КНС ГС в указанных условиях. Совокупность численных значений этих параметров для сигналов с частотами f , 2 f , F , нанесенная на поле графиков с осями « DSL у, DSL2 у, DSLf , дБ - дальность z, км», позволит оценить максимальные дальности пеленгации ЭАП-5 ПАУ с борта БГС с помощью КНС [8,9].
На рис. 4 представлена диаграмма параметров КНС [8,9] для пеленгации «приводного» i - го ЭАП-5 используемого ПАУ с борта БГС как в пресной, так и в морской воде, включающая в себя следующие зависимости:
1) кривые DSLf (•-•-•-), DSL2у (---), DSLf (-), отображающие характеристики расчетного режима работы ЭАП-5 используемого ПАУ;
2) прямые NL(F) + DT (•-•-•-), NL(у) + DT (---) и NL(2у) + DT
(-), отображающие при заданном пороге обнаружения DT уровни маскирующей шумовой помехи в месте установки групп приемных ЭАП-6 и ЭАП-7 на движущемся со скоростью u=8 узлов в надводном положении БГС на частотах F , f ,2 f рабочих сигналов КНС при одинаковой ширине полосы пропускания приемных трактов (100 Гц).
Из совместного анализа расчетных графиков, представленных на рис. 4, следует, что КНС [8,9] обеспечивает уверенное пеленгование «приводного» гидроакустического маяка при движении БГС на рабочих частотах: разностной F =20 кГц - с дистанций zf (тах)пресн »20 км (пресная вода) и zf (тах)морск » 12 км (морская вода), накачки f =250 кГц - с дистанций z у (тах)пресн » 4 км (пресная вода) и z f (тах)морск » 2,3 км (морская во-
да), второй гармоники 2/=500 кГц - с дистанций - 2/(тах)пресн ~ 1>5 км (пресная вода) и -2/(тах)морск ~ 0,8 км (морская вода). Причем, энергетическую дальность действия на всех рабочих частотах ограничивает изотропная шумовая помеха: наибольшее ограничение (/\+61 дБ) наблюдается на низкой частоте, а наименьшее - на высоких (/,+4 дБ, 2/,- 8 дБ). Для дистанций до 100 м, т.е. соизмеримых с поперечными размерами ВПП гидроаэродрома как для пресной, так и для морской воды в условиях повышенной шумовой помехи (+160 дБ, +130 дБ, шум мотора самолета в воздушной среде на удалении 5 м составляет +120 дБ) является оптимальным использование высокочастотных сигналов (/, 2/,) соответственно.
Рис 4. Диаграмма параметров КНС для пеленгации «приводного» ЭАП-5 ПАУ с борта БГС как в пресной, так и в морской воде
Важной составляющей решения задачи комплексной высокоточной навигации ГС, в том числе и БГС, при подготовке к выполнению взлетно-посадочных действий является использование корреляционного лага-эхолота (КЛЭ) для одновременной оценки как скорости маневрирования, так и глубины акватории [2,3]. Эффективность использования существующих аналогичных устройств активной локации с «традиционными» моночастотными приемоизлучающими антеннами можно повысить путем приема и соответствующей обработки сигналов донной и объемной ревер-
11
берации на кратных частотах - высших гармонических компонентах излученного сигнала основной частоты, формирующихся при его распространении в водной среде.
Известны результаты экспериментальных исследований пространственных характеристик акустических сигналов кратных частот, полученные для интерференционных антенн рыбопоисковой аппаратуры (РПА) [17]. На рис. 5 представлены ХН антенны РПА «Таймень-М», полученные в двух режимах: 1) (*) - «линейном», соответствующем непосредственному возбуждению антенны на частотах / =50 кГц (*), 2 /=100 кГц (*), 3 / =150 кГц (*); 2) (V) - «нелинейном», соответствующем штатному режиму возбуждения антенны на частоте / =50 кГц (V), что приводит к генерации в водной среде высших гармоник 2 / ,3 / (V).
Итак, антенна РПА «Таймень-М» имеет:
1) в «нелинейном» (V) режиме - на частоте / =50 кГц угловую ширину ХН по уровню 0,7 00 7(/)(У) =14,40 и уровень бокового излучения
РБП(/= (-19 дБ); на частоте 2/ = 100 кГц 00,7(2/=10,8° и
рБП(2/)(V) = (- 23 дБ); на частоте 3/ = 150 кГц 007(3/)^)=8,10 и
Рбп (3 / )^)= (- 23 дБ);
2) в «линейном» (*) режиме непосредственного возбуждения - на частоте / =50 кГц угловую ширину ХН по уровню 0,7 00 7(/)(*)= 14,40 и
уровень бокового излучения Рбп(/)(*) = (-19 дБ); на частоте 2/ = 100
кГц 00 7(2/ )(*)= 7,20 и Рбп (2 / )(*)= (- 19 дБ); на частоте 3 / = 150 кГц
00,7(3/ )(*)= 4,80 и Рбп (3 / )(*) = (- 18 дБ).
Из представленных данных видно, что в «линейном» случае на всех частотах уровень бокового поля практически не изменяется, а угловая ширина главного лепестка уменьшается в соответствии с известными закономерностями.
Т = 3ж
Рис. 5. Характеристики направленности антенны РПА «Таймень-М.» в «линейном» (*) и «нелинейном» ( V) режимах
12
Акустические поля сигналов высших гармоник с частотами 2/,3/,...,п/ обладают интересными пространственными характеристиками: на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой / происходит в наибольшей степени, в связи с чем угловая ширина главного максимума излучения для каждой последующей гармоники меньше, а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте / изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, приводя к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. для каждой последующей гармоники уровень бокового поля меньше, чем у предыдущей [17].
Описанный выше эффект может быть полезно использован для разработки многочастотного корреляционного лага-эхолота (КЛЭ), позволяющего определять скорость БГС как относительно дна, так и относительно звукорассеивающих водных масс, что сопровождается также измерением глубин акватории ЛБ гидроаэродрома по пути следования в надводном положении с требуемой точностью. КЛЭ (рис. 6) [2, 3] функционально объединяет в себе две (нос и корма) эхолотные системы (излучение, прием, отображение и регистрация информации), дополненные общими трактами: корреляционной обработки информации, измерения скорости БГС и управления.
Генератор 1 излучающего тракта эхолотных систем вырабатывает электрический сигнал и1 с частотой / , поступающий на вход хронизато-ра-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние по команде с блока управления 37.
Радиоимпульс и 2 с гармоническим заполнением после усилителя мощности 3 (радиоимпульс и3) поступает через коммутаторы 4 и 5 на приемоизлучающие антенны 6 и 7 (расположены на внутренней поверхности дна в носовой и кормовой частях лодки-фюзеляжа БГС соответственно, см. рис. 5), излучающие непосредственно через дно мощные зондирующие ультразвуковые сигналы в водную среду, обладающую нелинейностью упругих характеристик. Носовая 6 и кормовая 7 приемоизлучаю-щие интерференционные антенны эхолотных систем размещены в диаметральной плоскости вдоль корпуса лодки-фюзеляжа БГС на расстоянии ь и ориентированы акустическими осями вертикально вниз. Причем, их основные лепестки ХН должны иметь такую угловую ширину, чтобы облучаемые области дна не перекрывались. При распространении в среде, обладающей нелинейностью своих упругих характеристик, акустический сигнал конечной амплитуды испытывает накапливающиеся искажения профиля волны, что физически означает генерацию высших гармонических компонент 2/,3/,...,п/ излученного сигнала с частотой /. Полигармонический зондирующий ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами /,2/,3/,...,п/, распространяется в
среде лоцирования, достигает расположенных в среде подвижных (рассеи-ватели, формирующие сигнал объемной реверберации) и покоящихся (дно) относительно нее объектов, отражается от них. Отраженные спектральные компоненты полигармонического ультразвукового сигнала в силу малости амплитуд возмущений при обратном распространении подчиняются законам «линейной» акустики, достигают приемоизлучающих антенн 6 и 7 эхолотных систем.
Таким образом, при движении БГС со скоростью и с помощью обеих эхолотных систем на различных спектральных компонентах /,2/,3/,..., п/ отраженного полигармонического сигнала можно зафиксировать с различной разрешающей способностью подробные рельефы «по-своему неровных» поверхностей морского дна, находящихся на общем
14
маршруте следования, но в данный момент времени в разных его частях -под носовой Н и кормовой К частями движущейся лодки-фюзеляжа БГС. В приемных трактах носовой и кормовой эхолотных систем движущегося БГС осуществляется обработка сигналов и 4Н ,и 4К. В результате этого на выходах приемных трактов носовой и кормовой эхолотных систем после фильтрации (полосовые фильтры 8 (/),9 (2/),...,10 (п/) и 11 (/), 12 (2 /),..., 13 (п/)), усиления (усилители 14, 15, ..., 16 и 17, 18, ..., 19), детектирования (детекторы 20, 21,., 22 и 23, 24,., 25) и соответствующего переключения п - входовых аналоговых ключей 26 и 27 выделяются видеоимпульсные электрические сигналы и5Н и и 5к , соответствующие эхосигналам какой-либо одной выбранной оператором в качестве рабочей спектральной компоненты из набора частот /, 2/ ,3/,..., п/ от облучаемых участков морского дна, находящихся под носовой и кормовой частями корпуса лодки-фюзеляжа БГС. Видеоимпульсные электрические сигналы и5Н и и5к подаются в тракты отображения и регистрации информации -на входы индикаторов 33, 35 и регистраторов 34 и 36, запускаемых подачей синхроимпульсов с выхода блока управления 37. На характер записи рельефа морского дна эхолотными системами влияет формирование результирующих ХН приемоизлучающих антенн 6 и 7 для каждой спектральной компоненты, обусловленных их перемножением: ослабление уровня бокового излучения, - более медленное уменьшение угловой ширины основного лепестка, причем, 0о,7(/)рез > 00,7(2/)рез >......> е0,7(п/)рез .
Маскировка реального рельефа морского дна по пути следования БГС обусловлена сферичностью волнового фронта ультразвуковых зондирующих сигналов, вследствие чего возникает неопределенность в оценке фактической глубины. Причем, неровности на полученной эхограмме изображаются сглаженными. Очевидно, что степень искажения рельефа впадин и возвышенностей дна на эхограмме уменьшается для более высокочастотных спектральных компонент.
Таким образом, по мере движения БГС по заданному курсу непрерывно фиксируются две изменяющиеся во времени функции распределения глубин водоема, т.е. регистрируются несовпадающие в данный момент времени зависимости электрических сигналов и5К{п/)(г) и и5^(п/)(г),
пропорциональные рельефу дна акватории под носовой и кормовой частями корпуса лодки-фюзеляжа БГС. Эти функции регистрируются устройством на любой из рабочих частот /,2/,3/,..., п/ в зависимости от конкретных условий навигации. Они идентичны друг другу и сдвинуты во времени на интервалы %Т 12(п/) = ^и(п/), величины которых можно более точно
определить при наименьшем искажении рельефа дна, т.е. при использовании в качестве рабочих сигналов высокочастотных спектральных компонент.
Для определения величин промежутков времени хП2(п/) = Ь{п/) _ ^1(п/) видеоимпульсные электрические сигналы и5к и
и5Н, соответствующие отраженным сигналам какой-либо одной рабочей спектральной компоненты из набора частот /, 2/,3/ ...., п/ эхолотных систем, поступают на два входа перемножающего устройства 29. Причем, сигнал от носовой антенны - через блок регулируемой задержки времени 28. С интегратора 30 сигнал, пропорциональный коэффициенту Г12(т)(п/)
взаимной корреляции сигналов и5к(п/)(г) и и5н (п/)(г), поступает на
экстремальный регулятор 32 и на измерительный прибор 31. Управляющий сигнал с экстремального регулятора 32 воздействует на блок регулируемой задержки 28, устанавливающий такую задержку т = Тт12(п/), чтобы
на измерительном приборе 31 поддерживался максимум сигнала, т.е. максимум коэффициента г^СГт 12)(п/) корреляции. По величине введенной задержки определяется скорость БГС в надводном положении, которая может быть измерена с необходимой точностью на любой спектральной компоненте /,2/,..., п/ сформировавшегося в водной среде полигармонического сигнала и(п/) = -Ь / тТ ).
Для многочастотного КЛЭ имеется возможность увеличения точностных характеристик и выбора оптимального значения относительной флуктуационной погрешности измерения путевой скорости и(п/) за счет
регулировки (1/00 7) ширины пика взаимокорреляционной функции
(1/ 00 7), что может быть необходимо при маневрировании БГС с малыми
скоростями движения и в узкостях, на акватории гавани и т.д. Так, в случае использования в КЛЭ антенны РПА «Таймень» относительная флук-туационная погрешность измерения скорости может быть уменьшена ~ в 1,84 и 2,2 раза при переходе с первой гармоники на вторую и на третью высокочастотные компоненты соответственно. Практическое использование многочастотного КЛЭ на БГС позволяет, выбирая необходимую угловую разрешающую способность приемоизлучающих антенн, увеличить точность как определения малых значений абсолютной и относительной скоростей движения, так и регистрации глубин шельфа по трассе следования.
Список литературы
1. Официальный сайт "Фонд перспективных исследований" [Электронный ресурс]. URL: http://fpi.gov.ru (дата обращения 10.12.15).
2. Волощенко В.Ю. Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг // Труды 22-й сессии РАО и Сессии Научного Совета РАН по акустике. Москва, 2010. М.: Геос, 2010. Т. 2, С. 325 - 329.
3. Патент РФ 98254. G01S 15/00. Многочастотный корреляционный гидроакустический лаг // В.Ю. Волощенко, А. А. Редин, А.П. Волощенко, С.П. Тарасов. Опубл. 10.10.2010. Бюл. № 28. 2 с.
4. Патент РФ 75062 G01S 15/00. Доплеровская локационная система // В.Ю. Волощенко, В.Н. Максимов, А.П. Волощенко, В.Г. Куповых. Опубл. 20.07.2008. Бюл. № 20. 6 с.
5. Патент РФ 79187 G01S 15/00. Многоуровневая импульсная доплеровская навигационная система // В.Ю. Волощенко, Н.Н. Чернов, А.П. Волощенко, Г.В. Куповых. Опубл. 20.12.2008. Бюл.№35. 5 с.
6. Волощенко В.Ю. Многочастотные навигационные гидроакустические средства // Труды Х Всероссийской конференции ГА-2010 «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб.: Наука, 2010. С. 80 - 83.
7. Патент РФ 86321 G01S 15/00. Многочастотная навигационная система // В.Ю. Волощенко, С.В. Волков, А.П. Волощенко, А.С. Волков. Опубл. 27.08.2009. Бюл №24. 3 с.
8. Патент РФ 2138059 G01S 3/00, 3/80, 15/08. Акустический пеленгатор // В.Ю. Волощенко. Опубл.20.09.1999. Бюл. №26. 3 с.
9. Voloshchenko V.Y. The multifrequency sonic direction and range finder / 17-th Int. Cong. of Sound and Vibr.: Cong. Proc., Cairo 18 - 22 July 2010. P.235 - 239.
10. Патент РФ 2464205 В 64F 1/00. Способ подготовки летного бассейна гидроаэродрома для выполнения взлета и приводнения гидросамолета // В.Ю. Волощенко, А.П. Волощенко, В.Г. Ли. Опубл. 20.10.2012. Бюл. №29. 22 с.
11. Патент РФ 2539039 В 64F 1/00. Способ подготовки взлетно-посадочной полосы летного бассейна гидроаэродрома для выполнения взлета и приводнения гидросамолета // В.Ю. Волощенко, П. Ю. Волощен-ко. Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1. 29 с.
12. Патент РФ 104732 G01S 15/00. Многочастотное гидроакустическое приемоизлучающее антенное устройство // В.Ю. Волощенко, А.П. Волощенко. Опубл. 20.05.2011. Бюл №14. 4 с.
13. Волощенко В.Ю., Волощенко П.Ю., Волощенко Ю.П. Интегрированная радио- и гидроакустическая система наблюдения для взлетно-посадочной полосы гидроаэродрома // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11: в 2 ч. Ч. 2. С. 178 -189.
14. Волощенко В.Ю. Гидроаэродром: повышение безопасности взлетно-посадочных действий на акватории летного бассейна // Изв. вузов. Авиационная техника. 2016. № 2. С. 108 - 113.
15. McDaniel O.H. Journal of the Acoustical Society of America 38. №4. Р. 644 - 647 (1965).
16. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.П. Ляликов, В.Б. Митько [и др.]. Л.: Судостроение, 1982. 344 с.
17. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Пищ. пром., 1978. 312 с.
18. Voloshchenko V.Y. The multifrequency sonar equipment on the self-action nonlinear effect, P.659-668, in Ivan A. Parinov [et al.] (Eds.), Advanced Materials - Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. Springer Proceedings in Physics, V. 175, Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer. 2016. 707 p. ISBN: 978-3-319-26322-9 http://www.springer.com/gp/ book/9783319263229
Волощенко Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, доц., voloshchenko. vadimamail.ru Россия, Таганрог, Инженерно-технологическая академия ЮФУ
THE UNMANNED AMPHIBIAN AIRCRAFT'S SONAR MEANS FOR SAFETY MANEUVERING A T SEADROME'S A VIA TION WA TER AREA
V.Y. Voloshchenko
The problems of the development of technologies for complex navigation on the seadrome 's aviation water area, which provides by using of local ultrasonic fields and guidelines and include the sonar's means application for estimating the parameters of surface position of the unmanned amphibian aircraft and the underwater space ultrasound surveillance, which should increase the safety of maneuvering, taking-off and water landing regimes, are discussed. The physical principles of operation, characteristics and structural diagrams of high-precision sonar navigation equipment located both on the unmanned amphibian aircrafts , so on the bottom surface of the seadrome's aviation water area: - the multifrequency ultrasonic correlation log- echo sounder with adjustable precision measurement of the depth and the speed of movement on it; - the short base sonar navigation system for the required course navigation, which is set by the bottom transmitter-receiver antenna assembly's network system, are considered.
Key words: precision sonar navigation equipment located on the unmanned amphibian aircraft, the parametric transmitting array.
Voloshchenko Vadim Yur 'evich, candidate of technical science, docent, voloshchenko. vadima mail.ru, Russia, Taganrog, Engineering-Technological Academy - South Federal University
