CC BY
57
ПРОМЫШЛЕННОЕ РЫБОЛОВСТВО. АКУСТИКА
УДК 551.465
12 2 1 3
П.А. Стародубцев ' , Е.Н. Бакланов , Е.П. Стародубцев , М.В. Мироненко
1 Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова, 690006, г. Владивосток, Днепровский переулок, 6 Дальневосточный государственный технических рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 526 3Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН, 693023, г. Южно-Сахалинск, ул. Горького, 25
ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ, ШИРОКОМАСШТАБНАЯ, МУЛЬТИСТАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ И ЕЁ ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Рассматриваются вопросы построения широкомасштабной помехоустойчивой мулътистати-ческой схемы мониторинга акваторий на базе измерения разности фаз спектральных компонент акустических сигналов, принимаемых на пространственно разнесённые приёмники. Приводятся технические характеристики и состав аппаратных средств, применяемых для развёртывания гидроакустического полигона мониторинга морской среды.
Ключевые слова: гидролокация, гидрофон, возмущение морской среды, акустический сигнал, параметрическая гидроакустика.
P.A. Starodubtcev, E.N. Baklanov, E.P. Starodubtcev, M.V. Mironenko RESISTANT TO INTERFERENCE, LARGE-SCALE, MULTI-STATIC SCHEME OF
DETECTING PERTURBATIONS OF THE MARINE ENVIRONMENT AND ITS ORGANIZATIONAL, TECHNOLOGICAL AND TECHNICAL CHARACTERISTICS
Issues of construction of a large-scale noise-immune multistatic circuit on the basis of measuring the phase difference of the spectral components of acoustic signals received on spatially separated receivers are discussed. The technical characteristics and composition of the hardware used to deploy the sonar polygon for monitoring the marine environment are presented.
Key words: sonar, acoustic signal, hydrophones, disturbance of marine environment, parametric hydroacoustics.
Мультистатическая схема представляет собой стационарное просветное гидроакустическое поле, сформированное на трассе о. Итуруп (излучатель(и) - мыс Ливенорна, о. Сахалин (приемники) (акватория закрытого Охотского моря), протяженностью, примерно, 345 км (рис.1, 2). Такие измерительные технологии низкочастотной нелинейной просветной гидроакустики как нового научного направления, объединяющего гидрофизику, геофизику и радиофизику, обеспечивают решение задачи дальнего и сверхдальнего параметрического приема волн малых амплитуд различной физической природы, формируемых акустически слабозаметными объектами (возмущения морской среды) на дистанциях до сотен километров.
Рис. 1. Район оборудования стационарной просветной радиогидроакустической системы мониторинга
и контроля морской среды:
* - информационно-аналитический центр расчета спектра, фаз, синхронизации и определения разности фаз спектральных компонент (СК) Аф^ Fig. 1. Area of Stationary luminal radio-acoustic system l oCation:
* - Information and analytical center for calculation of the spectrum, phases, synchronization and determination of the phase difference of the spectral components
На базе данного стационара, проведя несложные дополнительные конструктивные изменения, технологически и технически была реализована активно-пассивная мультистатиче-ская схема (МС), состоящая из:
1. Радиогидроакустического комплекса (два излучателя - подводный акустический маяк ПАМ-6К для формирования параметрических волн суммарной и разностной частот, два горизонтально разнесённых приемника - глубоководная донная автономная станция (ГДАС), открытый радиоканал передачи опорных излученных гидроакустических сигналов и радиосигналов работы системы в целом).
2. Гидроакустического канала распространения сигнала в водной среде в виде виртуальной, объемной, стационарной и бестелесной антенны (антенны бегущей волны).
3. Модулей космической связи с использованием низкоорбитальной системы «Гонец».
4. Радиогидроакустических автономных блоков обмена цифровой информацией от антенных систем ГДАС по каналам системы спутниковой связи «Гонец» на информационно-аналитический центр (ИАЦ) стационара.
5. ИАЦ, обеспечивающего обобщение, анализ комплексной информации и выдачу команд, по открытому радиоканалу или системе «Гонец», на управление работой системы в целом.
Измеряемым параметром в активно-пассивной МС такого стационара, для томографиро-вания возмущений морской среды, является разность фаз спектральных компонент низкочастотных просветных сигналов Афу, принятых на два горизонтально разнесенных приемника,
или спектр разности фаз этих же сигналов.
Рис. 2. Рельеф диа в районе приемной базы стационара Fig. 2. Bottom relief in the area of receiver
Излучающая донная база просветной трассы (стационара) устанавливается на шельфе о. Итуруп (Курильская гряда). Она представляет собой техническую схему формирования необходимого вида просветного сигнала и автономного (неавтономного) излучателя, где в качестве автономного излучателя(ей) для формирования параметрических сигналов разностной и суммарной частот используется подводный акустический маяк ПАМ-6К (рис. 3), который функционирует в водной среде (пресной или морской) на рабочих глубинах до 6000 м во всех климатических зонах Мирового океана и является автономным функционально законченным изделием. В качестве неавтономного излучателя, связанного со схемой формирования вида сигнала, используется низкочастотный гидроакустический излучатель ПЗМ-400.
ПАМ-6К автономно выдает ультразвуковые импульсы с параметрами и частотой заполнения в 37,5±0,5 кГц, что при их параметрическом применении позволяет формировать разностную частоту, близкую к 500 Гц. Излучающая часть радиогидроакустического комплекса МС исполняется в вариантах: стационарном - стационарные излучающие системы о. Итуруп (излучатель(и) - мыс Ливенорна (приемники), о. Сахалин или донные акустические станции; дрейфующем - с использованием активных РГАБ. Все варианты комплектации излучающего тракта обеспечивают двухстороннюю локацию водного пространства исследуемой акватории. Технические характеристики ПАМ-6К представлены в табл. 1.
Рис. 3. Подводный акустический маяк ПАМ-6К Fig. 3. Underwater acoustic beacon ПАМ-6К
Таблица 1
Технические характеристики ПАМ-6К
Table 1
Specifications of ПАМ-6К
Конструктивное исполнение Цилиндр
Габаритные размеры, мм, не более 033x102
Масса, кг, не более 0,255
ПАМ выдает ультразвуковые импульсы с параметрами: частота заполнения, кГц 37,5 ± 0,5
длительность импульс, мс 0,8... 1,2
период следования импульсов, с 8... 12
Среднее значение начальной амплитуды импульса звукового давления на расстоянии 1 м в плоскости оси ПАМ в нормальных условиях Не менее 300 Па
Время непрерывной работы Не менее 720 ч
Диапазон рабочих температур, °С - 4 - +40
Технологические решения, положенные в основу формирования излучающей части радиогидроакустического комплекса МС, определяются процессом формирования возмущенной области морской среды и ее геометрическими размерами. По этим характеристикам она была отнесена к мезомасшабным неоднородностям: в горизонтальной плоскости ~ 20 км, что в 10 раз больше «френелевского» объема виртуальной антенны бегущей волны, где «физический» луч можно заменить геометрическим (перейти к лучевой теории описания процесса распространения акустической энергии); в вертикальной плоскости ~ 500 м, что в 2 раза меньше «френелевского» объема в вертикальной плоскости. Горизонты излучения просвет-ных сигналов выбираются в соответствии с гидролого-акустическими условиями контролируемой акватории и обеспечивают максимальную подсветку всех участков и горизонтов вероятного нахождения возмущений морской среды (рис. 4).
Рис. 4. Пространственное расположение приемников и излучателей мультистатической схемы Fig. 4. Spatial arrangement of receivers and radiators of a multistatic schema
Такая система мониторинга водной среды формирует интенсивные низкочастотные, гармонические, сложные, просветные сигналы от 150 до 500 Гц с уровнем звукового давления, способного обеспечивать отношение сигнал/помеха 10—15 дБ, в полосе частот 1 Гц; высокочастотные - от 2,3 до 3 кГц для обеспечения двухстороннего режима освещения обстановки в проливах, заливах и закрытых бухтах.
Вся система в целом работает в режиме синхронного излучения - приема просветных сигналов близкой частоты f f2. Синхронизация работы системы и параметры «посылок» излучаемых сигналов задаются и определяются в приемном тракте через радиоканал с помощью блока обработки информации и системы единого времени. Длительность посылок т кратна времени их распространения от излучателя к приемнику. Критическими т расстояниями на акватории являются: минимальное расстояние между одним из излучателей и двумя приемниками. Исходя из этих условий, выбирается ширина исследуемой акватории или расстояния между излучателями, а также приемниками. Расстояния между приемниками, а также излучателями определяют площадь исследуемой акватории. При этом расстояние от излучателя до первого приемника должно соответствовать N полных циклов акустического луча, а расстояние от излучателя до второго приемника - N+1 (для получения набега времени (фазы) или разности фаз). Горизонтальное же расстояние между приемниками должно быть равно V2N+T, но не должно превышать ширины «френелевского» объема в горизонтальной плоскости. Сигналы синхронизации формируются и излучаются отдельно от просветных сигналов и передаются по радиоканалу (при большой площади акватории) или подводному кабелю (небольшие бухты, Курильские проливы или подходы к ним).
Излучение близких по частоте акустических волн (вариант ПАМ-6К) приводит к генерации в прилегающей к излучателю морской среде, содержащей газовые пузырьки и другие неоднородности, низкочастотных и высокочастотных параметрических составляющих суммарной и разностной частот. Теоретически и экспериментально доказано, что интенсивность формирования параметрических волн очень низка и составляет единицы или доли процента от исходных (излучаемых) волн.
Усиление интенсивности формирования параметрических волн суммарной и разностной частот может осуществляться не только вблизи излучателя сигналов накачки, но и на более удаленных от него участках среды, содержащих газовые области (завесы).
В этой связи следует напомнить о нелинейных свойствах и больших размерах пузырькового следа от возмущений морской среды. Пространственные размеры, как было отмечено выше, могут составлять в горизонтальной плоскости ~ 20 км; в вертикальной плоскости - ~ 500 м.
Преимущество использования повышенных нелинейных свойств при формировании параметрических сигналов заключается не только в их протяженности и объеме, но и в том, что они могут быть оперативно созданы в заданной точке «прозвучиваемой (исследуемой)» среды, а их продольная ось может быть сформирована в заданном направлении.
В этом случае обеспечивается интенсивное усиление параметрического взаимодействия исходных звуковых волн и формирование (параметрическое переизлучение) инфранизкоча-стотных, а также высокочастотных волн в заданном «прозвучиваемом» направлении, а само возмущение морской среды в этом случае представляет собой виртуальную, объемную, стационарную и бестелесную антенну (антенну бегущей волны).
Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В (рис. 5) распространяется в пределах определенной области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля. На рис. 5 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема «просветных» сигналов. Каждая из зон (на рисунке они обозначены в порядке возрастания - N - К) в пространстве образуют эллипсоиды вращения.
Рис. 5. Пространственная структура зон Фраунгофера между точками излучения-
приема сигналов
Fig. 5. Spatial structure of the Fraunhofer zones between radiation-receiving points
При расположении возмущения морской среды в пределах пространства первой зоны Френеля будет происходить не только экранирование волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на рассеивающих неоднородностях. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной (бестелесной) параметрической антенны бегущей волны с низкочастотной накачкой. При этом относительно классической параметрической антенны бегущей волны, формируемой с использованием ультразвуковой накачки среды в области излучателя или приемника сигналов, рассматриваемая антенна является симметричной (двухсторонней) приемоизлучающей.
Обнаружение возмущений морской среды в мультистатической схеме допустимо при использовании длительных с высокой стабильностью гармонических и сложных сигналов, что обеспечивает возможность их необходимого наблюдения и накопления в узкой полосе частот. Время наблюдения сигнала в этом случае большое. Оно определяется также временем пересечения объектом оси стационара и составляет единицы-десятки минут. То есть величина А/-Т при обнаружении объектов методом подсветки среды, как и для шумопеленгова-ния, может быть достаточно большей. В этом случае имеем:
/ •Т/к52 > 1,8noae.ce «л/к^/ДТ, (1)
где 5 - коэффициент распознавания, выражающий отношение сигнала к помехе на входе прибора;
кз - коэффициент, выражающий для данного прибора отношение сигнал/помеха на его выходе, которое обеспечивает прием сигнала с заданной вероятностью;
А/- частотная полоса пропускания прибора;
Т - время наблюдения принимаемого сигнала.
Выражение (1) определяет максимально необходимые отношения сигнал/помеха на входе системы, основанной на подсветке среды, которые обеспечивают заданные (с учетом вероятности приема) значения этой величины на выходе (индикаторе устройства отображения информации и результатов расчетов). Таким образом, необходимая для реализации мульти-статической схемы величина отношения сигнал/помеха на входе приемного тракта аналогична отношению, полученному для шумопеленгатора.
Возможность длительного узкополосного приема высокостабильных гидроакустических сигналов, получения разности их фазовых спектров и транспонирования в область высоких (МГц) частот, где повторно возможно произведение расчета разности фаз, но уже световых волн, существенно повышает ее помехоустойчивость в целом.
Следует отметить также, что рассмотренная величина помехоустойчивости приема ПС характеризует лишь возможность приема сигналов и дальнейшего выделения информационных признаков возмущений морской среды, например, признаков их искажения движущимся объектом или физическим явлением.
Известно, что использование одного приемного средства и одного излучающего приводит к образованию зоны обнаружения приближенно описываемой овалом Кассини. Уравнение этой замкнутой кривой имеет вид:
(х2 + у2 + а2) - 4а2 х2 = с2. (2)
Уравнение (2) задает геометрическое место точек, для которых произведение расстояний до точек а, о - места излучателя и а, о - места приемника равно с2. Очевидно, что кривая (2) симметрична относительно осей х и у. Уравнение (2) для х > о и у > о можно переписать в виде:
у(х) = [-х2 - а2 + (4а2х2 + с4)^2]/'2. (3)
Следовательно, площадь, освещаемая парой приемник-излучатель, равна:
Л / $ = 4-|[-а2 -х2 + (4а2х2 + с4)Лр (4)
о
Проведенная оценка эффективности такой системы показала, что площадь, освещаемая парой приемник-излучатель, равна по критерию С (стоимость 1 км2 освещаемой площади в год), при предполагаемых геометрических размерах возмущения а = 20 км, протяженности трассы о. Итуруп (излучатель(и) - мыс Ливенорна, о. Сахалин (приемники) - 345 км, примерно 3000 км2.
При необходимости быстрого обмена информацией с наземными постами наблюдения за морской обстановкой или стационарно-дрейфующего варианта формирования МС на базе
донных акустических станций и активных РГАБ используются модули космической связи с использованием низкоорбитальной системы «Гонец».
Российская система спутниковой связи (ССС) «Гонец» (рис. 6) предназначена для обеспечения передачи информации в цифровом виде между стационарными и подвижными абонентами и может быть использована для первоочередных задач информатизации в регионах, где в настоящее время отсутствует надежная связь. ССС «Гонец» обеспечивает предоставление следующих услуг:
- передача любых данных в цифровой форме - телекс, текст, изображение, обмен информацией между базами данных, между компьютерами, сбор телеметрических данных от необслуживаемых датчиков, определение местоположения подвижных объектов;
- засекречивание пользовательской информации по отдельному требованию заказчика.
0 Л
ЦУС
Рис. 6. Структура системы «Гонец».
Fig. 6. Structure of the «Gonets» system
Первые опытные образцы акустических ГДАС серии «Монитор» созданы в 1986-1990 гг. и предназначены для измерения и регистрации фоновых гидроакустических полей на глубинах до 5000 м в автономном режиме работы. Установка ГДАС на дно обеспечивается свободным погружением с помощью балласта на гайдропе и всплытием на поверхность за счет положительной плавучести прочного корпуса при отделении балласта. ГДАС могут работать в комплекте до 5 шт., при этом обеспечивается независимое управление по гидроакустическому каналу и автономное измерение взаимной дистанции после постановки на дно. ГДАС обеспечивает усиление, предварительную обработку и регистрацию на 14-канальный измерительный магнитограф гидроакустической информации с вертикальной гирлянды гидрофонов или с гидрофона на корпусе станции с включением по заданной программе: магнитного регистратора; измерителя глубины (ИГ); системы измерения дистанции; исполнительного механизма сброса балласта (ИМСБ).
Прочный корпус, состоящий из двух полусфер, выполненный из высокопрочного алюминиевого сплава, обеспечивает защиту от гидростатического давления на глубинах до 5000 м. ГДАС в транспортном положении, а также при подготовке и проверке перед постановкой
в море размещается на транспортировочной тележке, оснащенной подъемным механизмом для верхней полусферы (рис. 7).
Рис. 7. Внешний вид ГДАС «Монитор» на монтажно-транспортировочной тележке Fig. 7. Appearance of the acoustic station «Monitor» on the assembly transport trolley
Привязка кода времени, регистрируемого на магнитную ленту, к единой системе точного времени на обеспечивающем судне или на нескольких ГДАС осуществляется от стабильного кварцевого генератора с точностью не хуже 5-10" за 10 сут. По гидроакустической команде, передаваемой с обеспечивающего судна, возможно включение аппарата магнитной записи и механизма сброса балласта (всплытие станции). Опытные образцы ГДАС являются результатом отработки, оптимизации и экспериментальной проверки технических решений в результате проведенных научно-исследовательских работ СКБ САМИ ДВО РАН, выполняемых в последние десятилетия прошлого столетия и по настоящее время.
Состав комплекса глубоководных донных станций (ГДАС) серии «Монитор» приведен на рис. 8, а структурная схема ГДАС серии «Монитор» приведена на рис. 9. Для учета гидрологической обстановки во время работы комплекта ГДАС одна из ГДАС комплекта оснащается датчиками глубины, температуры, скорости звука с микропроцессорной системой сбора и обработки измерительной информации, которая измеряет и заносит в память профиль скорости звука во время погружения станции. Основные характеристики ГДАС серии «Монитор» приведены в табл. 2.
Специализированный комплект судовой аппаратуры для диагностики и предварительной проверки ГДАС обеспечивает оперативность подготовки ГДАС к автономной работе и надежность ее работы в автономном режиме. Основные функции этого комплекта: оперативная перезарядка источника питания ГДАС; сведение опорных генераторов системы измерения дистанции; диагностика аппарата точной магнитной записи; подготовка магнитной ленты для аппарата точной магнитной записи; диагностика цепей питания ГДАС перед постановкой; формирование гидроакустических команд управления ГДАС.
Применение судовой аппаратуры для подготовки ГДАС (рис. 10) в морских условиях технологически обеспечивает время полной подготовки комплекта из 5 ГДАС к автономной работе в течение 4 ч. Комплект специальных устройств постановки и выборки ГДАС с борта судна позволяет производить работы при волнении до 5 баллов, обеспечивая постановку и выборку в течение 10-15 мин.
Рис. 8. Состав комплекса глубоководных донных станций (ГДАС) серии «Монитор» Fig. 8. Composition of the complex of the deep-state denial stations «Monitor»
Рис. 9. Структурная схема ГДАС серии «Монитор» Fig. 9. Structural scheme of the deep-state denial stations «Monitor»
Таблица 2
Основные характеристики ГДАС серии «Монитор»
Table 2
Main characteristics of the acoustic station «Monitor»
Параметр Значение
Предельная глубина постановки, м 5000
Максимальная длительность автономной работы, сут 10
Длительность непрерывной регистрации данных на магнитную ленту в диапазоне частот, ч: 1 ... 500 Гц 1 ... 100 Гц 12 70
Динамический диапазон приемно-регистрирующего тракта, дБ 70
Основная доверительная погрешность приемно-регистрирующего тракта, дБ 2
Погрешность системы измерения взаимной дистанции, м 6
Погрешность измерения глубины постановки, % 2
Автономность, сут 10
Вес на воздухе, кг 200
Диаметр прочного корпуса, мм 925
Рис. 10. Внешний вид судовой аппаратуры для обеспечения работы ГДАС Fig. 10. Appearance of ship's equipment for the operation of the deep-state denial stations
Список литературы
1. Кадыков, И.Ф. Акустика подводных землетрясений / И.Ф. Кадыков. - М.: Наука, 1986.
2. Петроченко, С.П. Конверсионное применение стационарных гидроакустических систем / С.П. Петроченко. - Петропавловск-Камчатский, 1997.
96
3. Ринемак, Т. Предсказание землетрясений / Т. Ринемак. - М.: Мир, 1979.
4. Белавин, Ю.С. Регистрация фаз Т в сигналах землетрясений в северо-западной части Тихого океана / Ю.С. Белавин, И.Ф. Кадыков, С.Л. Соловьев // Вулканология и сейсмология. - 1980. - № 1. - С. 60-69.
Сведения об авторах: Стародубцев Павел Анатольевич, доктор технических наук, профессор, e-mail: spa1958@mail.ru;
Бакланов Евгений Николаевич, доцент, e-mail: baklanoven@mail.ru; Стародубцев Евгений Павлович, e-mail: spa1958@mail.ru;
Мироненко Михаил Владимирович, доктор технических наук, профессор, e-mail: professor@mail.primorye.ru.
