Способ обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта

Изобретение относится к области гидроакустики и океанотехники и может быть использовано при разработке средств поиска объектов, находящихся на дне под слоем грунта и невидимых для таких гидролокационных средств, как гидролокатор бокового обзора. Технический результат заключается в повышении эффективности поиска и обнаружения. Способ заключается в том, что с носителя гидролокационной аппаратуры (НГА), имеющего приемоизлучающую антенну гидролокатора бокового обзора (ГБО), излучающую и приемную акустические антенны, излучают антенной ГБО и принимают отраженный сигнал от объекта той же антенной, измеряют время t распространения сигнала и вычисляют расстояние r до объекта, перемещают НГЛА над дном относительно предполагаемого местонахождения объекта и отображают пространственно-временное положение объекта, при этом синхронно с излучением упомянутой антенной ГБО излучают импульсный акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной под углом падения где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, С₁₂=С₁/С₂, ρ₁, С₁, ρ₂, С₂ - плотность и скорость звука в воде и грунте соответственно, принимают отраженный от объекта и переизлученный в водную среду акустический сигнал, перемещают направленную в вертикальной плоскости дополнительную излучающую акустическую антенну на высоте Z₁ над дном, связанной с глубиной Z₂, предполагаемого местонахождения объекта в толще донного грунта, соотношением Z₁=Z₂/ρ₁₂, вычисляют расстояние r до объекта по формуле

.

1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и океанотехники и может быть использовано при разработке средств поиска объектов, находящихся на дне под слоем грунта и невидимых для таких гидролокационных средств, как гидролокатор бокового обзора.

Известен способ обнаружения объекта, находящегося на поверхности дна, с носителя гидролокационной аппаратуры, при котором излучают акустической антенной в водную среду импульсный акустический сигнал в широком диапазоне углов скольжения, принимают отраженный от объекта, находящегося на поверхности дна, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют расстояние r до объекта и отображают пространственно-временное положение объекта, используя движение носителя гидролокационной аппаратуры относительно предполагаемого местонахождения объекта [1].

Недостатком такого способа обнаружения объекта, находящегося на поверхности дна, является невозможность обнаружения объектов, которые находятся в толще донного грунта, т.е. находящихся на дне моря или океана под слоем грунта. Общеизвестно, что находящиеся в толще донного грунта объекты также рассеивают в обратном направлении полезный акустический сигнал, излученный в водную среду акустической антенной гидролокатора бокового обзора, но он маскируется более сильным сигналом, рассеянным в обратном направлении самой поверхностью дна. В результате объекты, находящиеся в толще донного грунта, но не выходящие на его поверхность, остаются невидимыми на гидролокационном изображении дна, полученном с помощью гидролокатора бокового обзора.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, который реализуется гидролокационным комплексом, содержащим гидролокатор бокового обзора, который используется на первом этапе работы, и акустический профилограф, который используется на втором этапе работы [2].

В данном способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, на первом этапе работы с носителя гидролокационной аппаратуры излучают акустической антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону донного грунта импульсный акустический сигнал в широком диапазоне углов скольжения, принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют расстояние r до объекта, отображают пространственно-временное положение объекта, используя движение носителя гидролокационной аппаратуры относительно предполагаемого местонахождения объекта, и визуально определяют на гидролокационном изображении дна, полученном с помощью гидролокатора бокового обзора, возможное местоположение объекта, находящегося в толще донного грунта. На втором этапе работы, используя движение носителя гидролокационной аппаратуры, повторно выходят на место предполагаемого расположения объекта, находящегося в толще донного грунта, излучают акустической антенной акустического профилографа в водную среду в сторону донного грунта импульсный акустический сигнал в вертикальном направлении, принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют глубину Z объекта, находящегося в толще донного грунта, и отображают пространственно-временное положение объекта, находящегося на дне под слоем грунта, в вертикальной плоскости.

Недостатком такого способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, является большая вероятность пропуска объектов, находящихся на дне под слоем грунта, но не выходящих на поверхность дна, а также малая эффективность поиска, связанная с двухэтапным режимом поиска, т.е. с необходимостью использования акустического профилографа на втором этапе для повышения вероятности обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта.

В основу изобретения положена задача разработки способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, позволяющего обнаруживать любые объекты, даже если они не выходят на поверхность дна, с высокой эффективностью поиска и обнаружения, а также отображения их положения в горизонтальной плоскости.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, при котором с носителя гидролокационной аппаратуры излучают приемопередающей акустической антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону дна импульсный акустический сигнал, принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют расстояние до объекта r, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с акустической антенной над дном относительно предполагаемого местонахождения объекта и отображают пространственно-временное положение объекта, на носителе гидролокационной аппаратуры дополнительно устанавливают излучающую и приемную акустические антенны и синхронно с излучением приемопередающей акустической антенной в водную среду в сторону грунта излучают импульсный акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной под углом падения

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, С₁₂=С₁/С₂, ρ₁, С₁, ρ₂, С₂ - плотность и скорость звука в воде и грунте соответственно,

принимают отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта и переизлученный в водную среду акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной приемной акустической антенной под критическим углом приема θ_пр=arcsin С₁₂, перемещают направленную в вертикальной плоскости дополнительную излучающую антенну на высоте Z₁ над дном, связанной с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще донного грунта соотношением Z₁=Z₂/ρ₁₂, вычисляют расстояние r до объекта по формуле

В заявленном способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта;

- излучают приемопередающей акустической антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону дна импульсный акустический сигнал;

- принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной;

- измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала;

- вычисляют расстояние до объекта r;

- перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с акустической антенной над дном относительно предполагаемого местонахождения объекта;

- отображают пространственно-временное положение объекта.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие отличительные признаки:

- на носителе гидролокационной аппаратуры дополнительно устанавливают излучающую и приемную акустические антенны;

- синхронно с излучением приемопередающей акустической антенной в водную среду в сторону грунта излучают импульсный акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной под углом падения

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, С₁₂=С₁/С₂, ρ₁, С₁, ρ₂, С₂ - плотность и скорость звука в воде и грунте соответственно;

- принимают отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта и переизлученный в водную среду акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной приемной акустической антенной под критическим углом приема θ_пр=arcsin С₁₂;

- перемещают направленную в вертикальной плоскости дополнительную излучающую акустическую антенну на высоте Z₁ над дном, связанной с глубиной Z₂ предполагаемого местонахождения объекта в толще донного грунта соотношением Z₁=Z₂/ρ₁₂;

- вычисляют расстояние r до объекта по формуле

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позволила:

- обнаруживать любые объекты в толще донного грунта, даже если они не выходят на поверхность;

- повысить эффективность обнаружения и поиска объектов, находящихся в толще донного грунта, и отображения его положения в горизонтальной плоскости;

- осуществить отображение положения обнаруженных объектов, находящихся в толще донного грунта, в горизонтальной плоскости на материальных носителях.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для использования.

Заявленный способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, поясняется чертежом, на котором представлена схема реализации заявленного способа. На чертеже и в описании приняты следующие обозначения: 1 - приемопередающая антенна гидролокатора бокового обзора; 2 - направленная в вертикальной плоскости дополнительная излучающая акустическая антенна, угол наклона которой относительно вертикали составляет β_из=90°-θ_из; 3 - направленная в вертикальной плоскости дополнительная приемная акустическая антенна, угол наклона которой относительно вертикали составляет β_пр=90°-θ_пр; 4 - объект, находящийся в толще донного грунта; 5 - морское дно; 6 - поверхность морского дна.

Для осуществления заявленного способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, в качестве носителя гидролокационной аппаратуры использовался необитаемый подводный аппарат, который по заданной программе перемещался над контролируемой поверхностью дна моря. Во время движения носителя приемопередающая акустическая антенна 1 гидролокатора бокового обзора и направленная в вертикальной плоскости дополнительная излучающая акустическая антенна 2 в режиме излучения формируют широкий веер лучей, которые порождают отраженные и рассеянные под различными углами водные лучи, часть из них рассеивается в обратном направлении. Импульсный акустический сигнал, направленный в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной 2 под углом падения

возбуждает в придонной части морского дна придонную волну, амплитуда которой достигает максимального значения на горизонте

.

Эта волна, распространяясь в придонной части морского дна, отражается на всех неоднородностях грунта и на объектах, находящихся в толще донного грунта (далее грунтовая волна). Грунтовая волна, отражаясь в обратном направлении, переизлучается в водную среду под критическим углом скольжения

.

В режиме приема эхо-сигналы принимаются приемопередающей антенной 1 гидролокатора бокового обзора и направленной в вертикальной плоскости дополнительной акустической приемной антенной 3, характеристика направленности которой сориентирована в пространстве под углом θ_пр=arcsin С₁₂. Дополнительно введенная приемная акустическая антенна 3 принимает только волну из грунта (грунтовую волну), которая переизлучается в водную среду под критическим углом скольжения β_пр=90°-θ_пр=arccosC₁₂. Высокая направленность в вертикальной плоскости дополнительных излучающей 2 и приемной 3 акустических антенн обеспечивает высокую пространственную избирательность полезных сигналов, которыми и являются сигналы, отраженные от неоднородностей грунта и от объектов, находящихся в толще донного грунта вплоть до горизонта

.

Изменяя горизонт Z₁ буксировки излучающих акустических антенн, можно перестраивать в широких пределах и глубину Z₂ толщи донного слоя, в пределах которого возможна визуализация объектов, находящихся в толще донного грунта, причем глубина залегания значительно превосходит длину волны. Временной интервал их работы совпадает с интервалом приема сигналов приемопередающей антенной 1 гидролокатора бокового обзора.

В заявленном способе обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, и отображения его положения в горизонтальной плоскости искомое расстояние r вычисляется по измеренному времени t распространения сигналов туда и обратно по формуле

которая учитывает тот факт, что грунтовая волна, возбуждаемая в режиме излучения, распространяется со скоростью

грунтовая волна распространяется в обратном направлении со скоростью С₂ в грунте и со скоростью C₁ на конечном участке лучевой траектории.

Синхронное излучение приемопередающей акустической антенной 1 гидролокатора бокового обзора, направленной в горизонтальной плоскости, и направленной в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной 2 позволяет сформировать в направлении угла

излучение, направленное в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что обеспечивает высокое пространственное разрешение объектов, находящихся в толще донного грунта.

Институтом проведены лабораторные и натурные морские испытания заявленного способа обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, с борта автономного необитаемого подводного аппарата. Как показали результаты испытаний данный способ позволил решить поставленную задачу, а именно:

- обнаруживать любые объекты в толще донного грунта, даже если они не выходят на поверхность;

- повысить эффективность обнаружения и поиска объектов, находящихся в толще донного грунта, и отображения его положения в горизонтальной плоскости;

- осуществить отображение положения обнаруженных объектов, находящихся в толще донного грунта, в горизонтальной плоскости на материальных носителях.

Кроме того, при реализации заявленного способа обнаружения объектов, находящихся в толще донного грунта, на базе гидролокатора бокового обзора создана гидроакустическая аппаратура, осуществляющая послойные акустические исследования толщи донного грунта, т.е. выполняющая функции акустического томографа.

Источники информации

1. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике, под редакцией проф. А.Е.Колесникова, Л., «Судостроение», 1989 г., с.65-66.

2. Гидролокационный комплекс «Кедр», адрес сайта в Интернете http://www.ire.rssi.ru - прототип.

Способ обнаружения объекта, находящегося в толще донного грунта, при котором с носителя гидролокационной аппаратуры, излучают приемопередающей акустической антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону дна импульсный акустический сигнал, принимают отраженный от объекта, находящегося в толще донного грунта, в обратном направлении акустический сигнал той же акустической антенной, измеряют время t распространения туда и обратно акустического сигнала, вычисляют расстояние до объекта r, перемещают носитель гидролокационной аппаратуры с акустической антенной гидролокатора бокового обзора над дном относительно предполагаемого местонахождения объекта и отображают пространственно-временное положение объекта, отличающийся тем, что на носителе гидролокационной аппаратуры дополнительно устанавливают излучающую и приемную акустические антенны и синхронно с излучением приемопередающей акустической антенной гидролокатора бокового обзора в водную среду в сторону грунта излучают импульсный акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной излучающей акустической антенной под углом падения

где ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, С₁₂=С₁/С₂, ρ₁, С₁, ρ₂, С₂ - плотность и скорость звука в воде и грунте соответственно,

принимают отраженный от находящегося в толще донного грунта объекта и переизлученный в водную среду акустический сигнал направленной в вертикальной плоскости дополнительной приемной акустической антенной под критическим углом приема θ_пр=arcsin C₁₂, перемещают направленную в вертикальной плоскости дополнительную излучающую акустическую антенну на высоте Z₁ над дном, связанной с глубиной Z₂, предполагаемого местонахождения объекта в толще донного грунта, соотношением Z₁=Z₂/ρ₁₂, вычисляют расстояние r до объекта по формуле