CC BY-NC
78
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-127-132 УДК 681.883:551.501.816
В.И. Поленин
ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», Санкт-Петербург, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИДАРОВ В СИСТЕМЕ НАБЛЮДЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ ПОДВОДНОГО ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА
Объект и цель научной работы. Объектом научной работы является физическое явление наблюдаемости лидаром гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта, подтвержденное научным открытием, зарегистрированным Российской академией естественных наук (РАЕН). Цель работы состоит в кратком изложении сущности явления и обосновании возможности создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров. Материалы и методы. Материалами работы являются описание открытия рассматриваемого явления и публикации, подтверждающие его достоверность. Метод обоснования возможности создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров состоит в модельном представлении этой системы в виде группы рассредоточенных стационарных лидаров, фиксирующих моменты времени прохождения подводного движущегося объекта, с решением навигационной задачи определения его координат и параметров движения.
Основные результаты. Результаты демонстрируют точное решение задачи, реализованное в системе программирования MATLAB, что подтверждает адекватность модели и корректность ее программной реализации. Заключение. Достигнута цель работы, состоящая в обосновании возможности создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров. Постановка и методика решения навигационной задачи определения координат и параметров движения объекта по данным регистрации моментов наблюдения лидарами гидрофизических возмущений являются новыми научными результатами. Гипотетическая система подводного наблюдения с применением лидаров при условии экспериментального подтверждения достаточно больших дальностей действия лидаров является перспективной.
Ключевые слова: лидары, подводный движущийся объект, гидрофизические возмущения, система подводного
наблюдения, координаты движения, параметры движения.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-127-132 UDC 681.883:551.501.816
V. Polenin
Naval Academy, St. Petersburg, Russia
APPLICATION OF LIDARS IN THE MONITORING SYSTEM OF HYDROPHYSICAL DISTURBANCES FROM MOVING OBJECTS
Object and purpose of research. The object of this research study is a physical phenomenon of lidar observation of hydrophysical disturbances from an object moving underwater confirmed by the scientific discovery registered with Russian Academy of Natural Sciences (RANS). The purpose is to briefly present the phenomenon essence and to validate the feasibility of underwater monitoring system involving lidars.
Materials and methods. The work materials is the phenomenon description and publications confirming its reliability. The feasibility of underwater monitoring system employing lidars is validated by model representation of this system as a group of distributed fixed lidars, which record time instants when a moving underwater object is passing by. The navigation task of locating its coordinates and parameters of motion is solved.
Для цитирования: Поленин В.И. Применение лидаров в системе наблюдения гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 3(397): 127-132. For citations: Polenin V. Application of lidars in the monitoring system of hydrophysical disturbances from moving objects. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 3(397): 127-132 (in Russian).
Main results. The results demonstrate exact solutions to the problem implemented in MATLAB programming system, which confirms that the model is adequate and its software implementation is correct.
Conclusion. The purpose of the work to examine the feasibility of lidar underwater monitoring system is achieved. The new scientific results are the problem formulation and the method of solving a navigation problem to find coordinates and parameters of motion from lidar-detected instants of hydrophysical disturbances. A hypothetical lidar-based monitoring system, if verified experimentally that lidars are sufficiently long-range instruments, is a promising idea.
Keywords: lidars, underwater moving object, hydrophysical disturbances, underwater monitoring system, motion coordinates, motion parameters. The author declares no conflicts of interest.
Предмет и объект теории
Subject and object of theory
Рассматривается известное явление наблюдаемости области гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта при осуществлении в подводной среде лидарного зондирования путем лазерного излучения в сине-зеленой части спектра и получения сигнала обратного рассеяния приемником, включающим объектив и фотодетектор. Это знание подтверждено научным открытием [3], зарегистрированным РАЕН (Поленин В.И. Явление флуктуации уровня обратного рассеяния излучения при зондировании водной среды: Диплом № 515).
Практическая значимость открытия состоит в том, что оно приводит к идее создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров. Вместе с тем применение лидаров в перспективных системах подводного наблюдения является гипотетическим, поскольку экспериментальных данных, подтверждающих достаточно большую дальность обнаружения лидарами поля гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта, пока не имеется. Излагаемая в статье система подводного наблюдения с использованием лидаров также является гипотетической.
Краткое описание явления наблюдаемости лидарами поля гидрофизических возмущений
Brief description for the phenomenon of Lidar observability of the hydrophysical disturbances field
В отсутствие подводного движущегося объекта дипольное поле молекулярных водных структур является квазистационарным и однородным. Квазистационарность обусловливается морским (океанским) течением, охватывающим толщу воды, а однородность - силами Лоренца, упорядочивающими направление векторов электростатической напряженности диполей в магнитном поле Земли.
В этих условиях сигнал обратного рассеяния лазерного луча, принимаемый стационарными лидарами, является постоянным по уровню, с флуктуа-циями, обусловленными случайными изменениями теплового, планктонного и других факторов. При этом речь идет о «средных» лидарах [1], способных не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей и поглощающей свет.
В области, прилегающей к подводному движущемуся объекту, возбуждаемые им гидрофизические возмущения нарушают стационарность дипольного поля, что обусловливает изменение обратного рассеяния лазерного луча и фиксируется лидаром как признак обнаружения подводного объекта. Таким образом, возникает предположение о возможности создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров, которое имеет перспективу реализации при экспериментальном подтверждении достаточно большой дальности обнаружения.
Природа обтекания подводного движущегося объекта такова, что гидрофизические возмущения морской водной среды, созданные подводным движущимся объектом, характеризуются двумя частями: ореольной областью и корабельным, или кильватерным, следом [2, 4, 6].
В ореольной области возмущений проявляется уединенная стоячая волна или волна сопровождения, которая может распространяться на значительные расстояния, вследствие чего она получила название волны-предвестника, или солитона. Кильватерный след представляет собой область возмущений гидрофизических полей, расположенную на горизонте движения подводного объекта и вытянутую вдоль оси его прохода. Он проявляется как корабельный турбулентный спутный след в объемном конусе Маха с выходом на поверхность в виде клина Кельвина [2, 4, 6] (рис. 1).
Для волн на глубокой воде (когда глубина превосходит длину волны) движение волн в толще водной среды в вертикальном и горизонтальном направлениях равно по амплитуде и убывает с рас-
Рис. 1. Волновой след подводного движущегося объекта в толще водной среды
Fig. 1. Underwater moving object wake in the water column
стоянием по горизонту и вертикали по экспоненциальному закону [2].
Известно, что подводная пространственная структура волны Кельвина - Маха имеет форму конуса с углом полураствора [6, 7]:
у = агсБт ^ С ^, (1)
где V - скорость подводного объекта; С - скорость распространения волны (С < V).
Выбор значения скорости распространения волны производится с учетом числа Фруда
Р = V, где Ь - длина подводного объекта [2, 8]. Для малых значений числа Фруда (до 0,5), характерных для подводных движущихся объектов, направление цуга волн составляет с направлением движения судна постоянный угол (угол полураствора клина Кельвина) 19,5° (С/V = 0,334).
В целом возможна регистрация гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта в форме:
■ корабельного или кильватерного следа на поверхности моря по следу Кельвина, в подводной среде - по конусу Маха, с углом полураствора клина Кельвина 19,5°;
■ пространственной ореольной области ламинарного гидродинамического обтекания, регистрируемый объем которой определяется чувствительностью приемника;
■ уединенной стоячей волны, волны-предвестника или солитона во фронтальной части области гидрофизических возмущений.
При достаточности регистрации лидарами только самого факта прохождения подводного объекта в области, размеры которой определяются уровнем гидрофизических возмущений,
превышающим порог чувствительности приемного канала, луч лидара может быть неподвижным и иметь любую ориентацию. При этом лидарные датчики регистрируют только момент времени прохождения фронта волны гидрофизических возмущений, а стационарная система подводного наблюдения - только факт обнаружения подводного объекта и ориентировочное место его нахождения.
Если требуется определение координат и параметров движения объекта-цели (КПДЦ), то необходимо применять лидары с горизонтальной ориентацией и сканированием луча по горизонту. При этом направление на объект-цель определяется по положению луча, в котором принимаемый сигнал обратного рассеяния является максимальным и (или) обнаруживается раньше. В силу небольших размеров области прозрачной среды и сравнительно малого градиента уровня гидрофизических возмущений регистрация направления на объект-цель может быть осуществлена лишь приближенно, с точностью порядка десятков градусов.
Постановка и решение задачи определения координат и вектора скорости подводного объекта по данным наблюдения группой рассредоточенных стационарных лидаров
Formulation and solution of the problem for determining the coordinates and the velocity vector of an underwater object from observation data by a group of dispersed stationary lidars
При условии достаточно больших дальностей обнаружения гидрофизических возмущений от подвод-
ных движущихся объектов, что должно быть подтверждено экспериментально, на основе группы пространственно распределенных лидаров с фотоприемниками может быть создана стационарная система подводного наблюдения. В этой системе должны быть известны координаты лидаров и организован постоянный мониторинг данных наблюдения всей сетью лидарных датчиков.
Геометрический образ задачи локализации подводного движущегося объекта по данным наблюдения гидрофизических возмущений группой рассредоточенных стационарных лидаров с учетом скорости распространения волны возмущения представлен на рис. 2.
Модель формируется в прямоугольной правой географической системе координат. Подводный дви-
жущийся объект проходит в районе расположения группы п рассредоточенных стационарных лидаров. На схеме показаны два лидарных датчика М1 и М2, расположенные в точках с координатами (хм, ум), (хт, Ум). Объект-цель движется с угрожаемого направления курсом K и проходит в зоне наблюдаемости лидарами.
Когда волна, возбужденная в точке ОВi (г = 1,..., п) в момент tB,i, распространяясь со скоростью С, в момент р достигает лидара Мг, объект-цель, двигаясь курсом K со скоростью V, оказывается в точке ОРг на расстоянии Si = К^д - В) от исходного положения ОВг.
Угол АВг - азимутальный угол направления с лидаров на объект в моменты времени возбуждения и одновременно азимутальный угол направления прихода волны возмущений:
Рис. 2. Схема наблюдения фронта волны гидрофизических возмущений объекта-цели группой рассредоточенных стационарных лидаров. Обозначения «М» на схеме имеют смысл «meter» (англ. «измеритель»)
Fig. 2. Scheme of observing the wave front of hydrophysical disturbances of target object by a group of dispersed stationary lidars. Designations "M" on the diagram mean "meter"
ABi =
K + — + y 2
при нахождении лидара с л/б объекта-цели; при нахождении лидара
г
K +--y
2 с пр/б объекта-цели.
(2)
Угол ЛР1 - азимутальный угол направления с лидаров на объект-цель в моменты времени регистрации сигнала:
АР; =
K + Y K - y
при нахождении лидара с л/б объекта-цели; при нахождении лидара с пр/б объекта-цели.
(3)
(4)
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
О Датчики регистрации волны • Объект при возбуждении волны О Объект при регистрации волны
Набл. конечн. коорд. объекта А истин.конечн. коорд. объекта
- К объекта набл. = 30 -V объекта набл. = 5
С) б? О
р о о
m
- К объекта V объекта и ст. = 30 — ст. = 5
-5000 0 5000 10000
Волна Кельвина - Маха с расчетным конусом
Как отмечалось выше, лидарами с горизонтальным сканированием луча обеспечивается регистрация азимутального угла ориентировочного направления прихода волны возмущений. С учетом знания угрожаемого направления появления подводного объекта, это позволяет определить борт объекта-цели и осуществить выбор варианта расчетных формул (2), (3).
По содержанию эпизода можно составить следующие уравнения баланса координат лидаров M1(i = 1,..., nM) с номерными индексами i, координат и параметров движения объекта-цели и распространения волны возмущения, отражающие существенные закономерности модели в географической системе координат (рис. 1):
хОР,г = x0,0 + V sm K(Гр1,, - T0P,i ) + (xM,i - xOB,i) + +(xM,г - хор,г);
УОР,, = У0,0 + V cos K(Тр',г - T0P,i ) + (Ум,г - УОВ, ) + + (Ум,г - УОР,, )■ Здесь: x00, y00 - координаты условной начальной точки движения объекта-цели; xobj, Уов,г, xop,i, Уор,г -координаты объекта-цели в моменты возбуждения и регистрации волны гидрофизических возмущений; xM,i, yu,i - координаты лидаров; K, V - курс и скорость объекта-цели; TMP,г - моменты времени регистрации лидарами волны гидрофизических возмущений; т0Р,г - время движения объекта-цели из условной начальной точки в точку регистрации волны гидрофизических возмущений.
Известными исходными данными в задаче являются координаты лидаров (xMi, yM,,) и моменты (TP,,) регистрации ими волны возмущения. Задача состоит в определении неизвестных КПДЦ: координат x00, У00 условной начальной точки и параметров движения K, V объекта.
Рис. 3. Результаты решения задачи для варианта группы из 6 лидаров
Fig. 3. Results of solving the problem for variant of a group of 6 lidars
Получены и реализованы в среде программирования пакета MATLAB расчетные формулы, обеспечивающие решение навигационной задачи определения координат и вектора скорости подводного движущегося объекта.
Результаты решения задачи по одному из модельных вариантов расположения в районе системы подводного наблюдения шести стационарных лида-ров и прохождения через район подводного объекта-цели приведены на рис. 3.
Эти результаты, демонстрирующие точное решение задачи, получены с использованием истинных значений КПДЦ объекта-цели в качестве априорных начальных данных. Тем самым подтверждаются адекватность модели и корректность ее программной реализации.
К сожалению, решение навигационной задачи обладает низкой устойчивостью оценок КПДЦ по отношению к погрешностям задания начальных условий. Этот недостаток характерен для систем нелинейных трансцендентных уравнений. Снижение степени его влияния является дальнейшей задачей моделирования и анализа данных.
Заключение
Conclusion
Таким образом, на основе явления наблюдаемости области гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта при осуществлении в подводной среде лидарного зондирования обоснована идея создания системы подводного наблюдения с использованием лидаров.
Разработаны постановка и решение навигационной задачи определения координат и параметров движения подводного объекта-цели, прохождение которого наблюдается группой из не менее 5 стационарных «средных» лидаров путем регистрации моментов времени обнаружения фронта волны гидрофизических возмущений, создаваемых объектом-целью.
Результаты решения задачи подтверждают возможность определения КПДЦ подводного объекта-цели лидарной системой подводного наблюдения и ее перспективность при условии экспериментального подтверждения достаточно больших дальностей обнаружения гидрофизических возмущений от подводных движущихся объектов.
Аналогов постановки и решения этой навигационной задачи не существует, т.е. она обладает абсолютной новизной.
Методика реализована в программных кодах среды программирования пакета MATLAB. Адекватность постановки и решения задачи и корректность программного кода подтверждены модельным экспериментом.
Список использованной литературы
1. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли / Под общ. ред. Б.Л. Кащеева, Е.Г. Прошкина, М.Ф. Лагутина. Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники; Бизнес Ин-форм, 2002. 426 с.
2. Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях. Москва: Мир, 1981. 603 с.
3. Поленин В.И. Явление наблюдаемости и характеристики области гидрофизических возмущений от подводного движущегося объекта при осуществлении лидарного и радарного зондирования водной среды // Технологические инновации и научные открытия: сборник статей IV Международной научно-практ. конференции. Уфа: Вестник науки, 2020. C. 15-30.
4. Stefanick T. The nonacoustic detection of submarines // Scientific American. 1988. Vol. 258, № 3. P. 41-47. URL: www.jstor.org/stable/24989015 (Accessed: 10.06.2021).
5. Харченко В. Теория вихревого движения [Электронный ресурс] // Эфиродинамика: [сайт]. URL: http:// etherdynamic.ru/etherdynamic/225-teoriya-vihrevogo-dvizheniya.html (Дата обращения: 10.06.2021).
6. Черкесов Л.В. Корабельные волны в вязкой жидкости // Доклады АН СССР. 1963. Т. 153, № 6. С. 1288-1290.
7. Чижиумов С.Д. Основы гидродинамики. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2007. 108 с.
8. RabaudM., MoisyF. Ship Wakes: Kelvin or Mach Angle? // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110, № 21. P. 214503, 5 p. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.214503.
References
1. Remote methods and means of studying processes in the Earth's atmosphere / Under the general editorship of B.L. Kashcheeva, E.G. Proshkina, M.F. Lagutin. Kharkiv: Kharkiv National University of Radio Electronics; Business Inform, 2002. 426 p. (in Russian).
2. J. Lighthill. Waves in liquids. Moscow: Mir, 1981. 603 p. (Russian translation).
3. V.I. Polenin. The phenomenon of observability and characteristics of the hydrophysical disturbances area from underwater moving object in the implementation of lidar and radar sounding of the water medium // Technological innovations and scientific discoveries: collection of articles of the IV Int. Scientific and Practical Conference. Ufa: Bulletin of Science, 2020. P. 15-30 (in Russian).
4. T. Stefanick. The nonacoustic detection of submarines // Scientific American. 1988. Vol. 258, № 3. P. 41-47. URL: www.jstor.org/stable/24989015 (Accessed: 10.06.2021).
5. V. Kharchenko. Theory of vortex motion [Electronic resource] // Efirodinamika: [site]. URL: http:// etherdynamic.ru/etherdynamic/225-teoriya-vihrevogo-dvizheniya.html (Accessed: 10.06.2021) (in Russian).
6. L.V. Cherkesov. Ship waves in a viscous fluid // Reports of the USSR Academy of Sciences. 1963. T. 153, No. 6. P. 1288-1290 (in Russian).
7. S.D. Chizhiumov. Fundamentals of hydrodynamics. Komsomolsk-on-Amur: KnAGTU, 2007.108 p. (in Russian).
8. Rabaud M., Moisy F. Ship Wakes: Kelvin or Mach Angle? // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110, № 21. P. 214503, 5 p. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.214503.
Сведения об авторе
Поленин Владимир Иванович, д.воен.н, к.т.н., профессор ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 197342, Россия, Санкт-Петербург, Ушаковская наб., д. 17/1. Тел.: +7 (921) 348-85-12. E-mail: polenin@mail.ru.
About the author
Vladimir I. Polenin, Dr. Sci. (Mil.), Cand. Sci. (Eng.), Professor. Naval Academy. Address: 17/1, Ushakovskaya nab., St. Petersburg, Russia, post code 197342. Tel.: +7 (921) 348-85-12. E-mail: polenin@mail.ru.
Поступила / Received: 12.05.21 Принята в печать / Accepted: 23.07.21 © Поленин В.И., 2021
