Гидроакустический способ измерения дистанции с использованием взрывного сигнала

Авторы патента:

G01S15/06 - системы для определения местоположения цели

Владельцы патента RU 2546852:

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Концерн "Океанприбор" (RU)

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для обнаружения объектов и измерения дистанции до них при взрывном источнике зондирующих сигналов. Изобретение позволяет определить дальность обнаружения и обеспечить скрытность приемного устройства. Гидроакустический способ измерения дистанции с помощью взрывного источника содержит излучение взрывного источника сигналов, прием эхосигнала от объекта, фильтрацию, детектирование и вывод на индикатор, взрывной источник имеет фиксированную глубину установки и фиксированное время срабатывания Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляется статическим веером характеристик направленности, измеряется уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирается порог, принимается сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до приемного устройства, определяется направление α₀ прихода сигнала прямого распространения, определяется время прихода сигнала прямого распространения Т_пр, определяется дистанция от приемника до источника излучения d=(Т_пр-Т_из)С, где С - скорость звука, принимается эхосигнал, отраженный от объекта, определяется направление β₀ прихода эхосигнала, отраженного от объекта, определяется время прихода Т_эс эхосигнала, отраженного от объекта, определяется время распространения от источника до объекта и до приемника t_c=(Т_эс-Т_из), определяется дистанция распространения от источника до объекта и до приемника R_c=Ct_c, определяется разность углов (α₀-β₀) между направлением на источник излучения и направлением на приемник эхосигнала, определяется дистанция до цели по формуле:

$Д = \frac{R_{c}^{2} - d^{2}}{2 R_{c} - 2 d \cos (α_{0} - β_{0})}$ . 2 ил.

Предлагаемый способ измерения дистанции цели относится к области гидроакустики и предназначен для систем обработки информации в приемных трактах режима активной локации гидроакустических комплексов при использовании зондирующего взрывного сигнала.

Известны взрывные источники гидроакустических сигналов, которые применяются для различных целей: исследование параметров гидроакустического канала, геофизические исследования, акустическая навигация, звукоподводная связь, управление подводными объектами, морская геология, активная гидролокация [1, 2, 3, 5, 6].

Преимущества применения взрывных источников сигнала в гидролокации заключаются в том, что с их помощью можно получить информацию об отражателе в широком диапазоне частот. Кроме того, взрывные источники обладают большой мощностью; не требуется сложной аппаратуры.

Известен [7] способ активной гидролокации, использующий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала, преобразование акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, спектральный анализ этого процесса, представляющего собой смесь полезного сигнала и шумовой помехи, детектирование спектральных составляющих, интегрирование их огибающих и обнаружение сигнала путем сравнения с порогом. В момент превышения выбранного порога определяется время задержки эхосигнала и по нему высчитывается дистанция до цели.

Аналогичный способ активной гидролокации изложен в [9] и включает многоканальную по частоте фильтрацию принятых эхосигналов, детектирование, выделение огибающей и сравнение ее с порогом. По частотному каналу с максимальной амплитудой сигнала определяется смещение спектра, которое пропорционально радиальной скорости цели, а по моменту превышения выбранного порога определяется задержка эхосигнала и дистанция до цели.

Недостатком этих способов обнаружения цели, где предполагается размещение излучателя и приемника на одном носителе (например, ПЛ, НК, вертолет), является отсутствие скрытности носителя, что ставит под угрозу его существование.

Способ локации цели с применением взрывного сигнала изложен в [4]; данный способ выбран в качестве прототипа предлагаемого способа.

Этот способ состоит в том, что одно судно удаляется от второго, приемного судна, сбрасывая в воду через определенные промежутки времени заряды, а приемное судно, с помощью гидроакустических средств, принимает эхосигналы, которые усиливаются, фильтруются, детектируются, интегрируются и фиксируются на индикаторе.

Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения дистанции до цели при имеющем место разнесении излучателя и приемника.

Задачей предлагаемого изобретения является определение дистанции до цели в режиме активной гидролокации с применением взрывных источников звука.

Техническим результатом изобретения является обеспечение измерения дистанции и скрытности носителя ГАК - приемника г/а сигналов, например, ПЛ, НК. При этом скрытность обеспечивается сбрасыванием взрывных источников любыми средством доставки и приведения излучения в любом месте и в любое известное время при приеме эхосигналов. Определение дистанции до объекта обеспечивается заявляемой обработкой принимаемых сигналов.

Для обеспечения указанного технического результата в способ измерения дистанции, содержащий излучение взрывного источника сигналов, прием эхосигнала от объекта, фильтрацию эхосигнала, детектирование, интегрирование, пороговый анализ и вывод информации на индикатор, введены новые признаки, а именно: сигнал взрывного источника излучают на удалении от точки приема на фиксированной глубине и в фиксированное время Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляют статическим веером характеристик направленности, измеряют уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирают порог, принимают сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, определяют направление прихода (пеленг) сигнала прямого распространения α₀, определяют время прихода сигнала прямого распространения Т_пр, рассчитывают дистанцию от точки приема до источника взрывного сигнала d=(Т_пр-Т_из)С, где С - скорость звука в воде, принимают эхосигнал, отраженный от объекта, определяют направление (пеленг) β₀ прихода эхосигнала, определяют время прихода эхосигнала Т_эс, определяется время распространения взрывного сигнала от источника до приемника t_c=(Т_эс-Т_из), определяют дистанцию распространения сигнала от источника до объекта и от объекта до точки приема R_c=C*t_c, определяется разность углов (α₀-β₀) между направлением «приемник - источник излучения» и направлением «приемник - объект», определяется дистанция Д до объекта по формуле:

$Д = \frac{R_{c}^{2} - d^{2}}{2 R_{c} - 2 d \cos (α_{0} - β_{0})}$

Использование взрывного источника не требует вспомогательного оборудования, он обладает большой мощностью, имеет широкий спектр при излучении зондирующего сигнала и не имеет ограничения по глубине, что позволяет его использовать практически всегда при любых условиях распространения.

Взрывной источник может быть установлен вспомогательным судном, сброшен с самолета или вертолета, или доставлен самоходным автономным аппаратом. Удаление взрывного источника от носителя приемной системы обеспечивает скрытность носителя. Глубина срабатывания взрывного источника может быть установлена таким образом, чтобы было обеспечено обнаружение объекта при любом разрезе скорости звука. Таким образом, с помощью взрывного сигнала может быть определена дальность практически до любого объекта. При этом дальность находится решением косоугольного треугольника, стороны и углы которого определяются с использованием предложенной в процедурой.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, где на фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ, на фиг.2 приведены пояснения к способу.

Устройство (фиг.1) содержит источник 1 взрывного сигнала с установкой времени срабатывания. Антенна 2 подключена к приемному устройству 3 через блок 4 формирования статического веера характеристик направленности, первый выход которого соединен с первым входом процессора 5. Процессор 5 содержит последовательно соединенные блок 7 измерения помехи, блок 8 выбора порога, соединенный с первым входом блока 8 измерения времен прихода сигнала, блок 9 измерения угла прихода сигнала прямого распространения, первый вход блока 11 определения дистанции, второй вход которого соединен с блоком 12 исходных данных. Второй выход блока 4 статического веера характеристик направленности соединен со вторым входом блока 6 измерения времен прихода, второй выход которого соединен со вторым входом блока 11 определения дистанции, а третий выход блока 6 соединен через блок 10 измерения угла прихода эхосигнала с третьим входом блока 11 определения дистанции.

Блок статического веера характеристик направленности является известным устройством, которое находит широкое применение в современной гидроакустике. Примеры гидролокационных устройств приведены в [10], где рассмотрена гидроакустическая станция, в которой реализуется статический веер характеристик направленности. Станция имеет также цифровую вычислительную машину, которая обрабатывает принятые эхосигналы.

Пример предложенного способа целесообразно рассмотреть совместно с работой реализующего способ устройства.

Взрывной источник сигнала, установленный предварительно с помощью воздушных и плавательных средств, срабатывает в установленное время, которое хранится в блоке 12 исходных данных. Сигнал от взрывного источника распространяется во все стороны равномерно, в т.ч. в сторону расположения приемного устройства и в сторону нахождения искомого отражателя (объекта). Дистанция от излучателя до приемного устройства меньше, чем суммарная дистанция «излучатель - объект» и «объект - приемное устройство». Сигнал прямого распространения принимается антенной 2, усиливается и фильтруется приемным устройством 3, и через блок 4 статического веера характеристики направленности поступает на спецпроцессор 5. Информация от каждой характеристики направленности поступает на спецпроцессор 5 для измерения помехи в блоке 7 и выбора порога в блоке 8, и непосредственно на блок 6, где происходит обнаружение сигнала прямого распространения и эхосигнала, отраженного от объекта, а также измерение времен прихода Т_пр и Т_эс. Измерение помехи в блоке 7 производится до момента излучения и практически при включении самого устройства. Измеряется значение помехи по всем пространственным каналам и по этому значению вырабатывается порог принятия решения в блоке 8. Величина порога передается в блок 6 для определения наличия эхосигнала и измерения его времени обнаружения. Для сигнала прямого распространения этот порог не имеет существенного значения, поскольку сигнал прямого распространения приходит непосредственно на антенну и имеет большой уровень относительно помехи. В блоке 12 хранятся исходные данные по временам срабатывания поставленных взрывных источников. При этом каждый источник имеет свое фиксированное время срабатывания. Если в блоке 6 измерения времени прихода фиксируется превышение помехи сигналом, имеющим длительность, равную длительности исходного сигнала, то измеряется время приема сигнала прямого распространения, по которому определяется дистанция до источника взрывного сигнала d=(Т_пр-Т_из)С. Одновременно в блоке 9 происходит измерение угла α₀, по которому пришел сигнал прямого распространения. С этого момента ожидается прием сигналов, отраженных от объектов, находящихся в радиусе действия гидролокатора. По каждому сигналу фиксируется время приема эхосигнала Т_эс и направление прихода эхосигнала β₀. По измеренному времени приема эхосигнала определяется суммарное время распространения t_c=(Т_эс-Т_из) и суммарная дистанция R_c=Ct_c. По этим величинам вычисляется в блоке 11 дистанция Д до объекта.

Определение дистанция Д поясняется фиг.2. Приемное устройств (точка приема), взрывной источник и объект составляют косоугольный треугольник, в котором известна одна сторона, равная дистанции между источником излучения взрывного сигнала и приемником, и известна сумма двух других сторон, равная дистанции между источником излучения взрывного сигнала, объектом и точкой приема. Для нахождения стороны косоугольного треугольника необходимо найти хотя бы угол между двумя сторонами. Этот угол можно определить, если известно направление на источник взрывного сигнала α₀ и направление прихода эхосигнала β₀.

Таким образом, используя установку взрывного источника излучения с фиксированным временем срабатывания и пространственную и временную обработку, можно обнаруживать любые подводные объекты, измерять до них дистанцию и обеспечить скрытную работу приемного устройства.

Источники информации

1. Лаврентьев Э.В., Кузян О.И. Взрывы в море. Л., «Судостроение». 1977. Стр. 122-143.

2. Урик Р.Д. Основы гидроакустики. Пер. с англ. Н.М. Гусева и др. Л., «Судостроение». 1978. Стр. 106-118.

3. Физические основы подводной акустики. Пер с англ. под ред. В.И. Мясищева. Сов. Радио. М., 1955. Стр.258-345.

4. Акустика океана. Под ред. акад. Л.М. Бреховских. «Наука». М., 1974. Стр.202-203, 207-209.

5. Коул Р. Подводные взрывы. ИЛ. М., 1950.

6. Вестон Д. Взрывные источники звука. Сб. «Подводная акустика». Пер. с англ. под ред. проф. Л.М. Бреховских. «Мир». 1965. Стр.63-80.

7. Евтютов Е.С., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. «Судостроение». 1981 г. Стр. 77.

8. Справочник по гидроакустике. «Судостроение». 1988. Стр.27.

9. B.C. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. «Судостроение». 1988. Стр.347.

10. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. «Судостроение». Л., 1982 г. Стр.138.

Гидроакустический способ измерения дистанции цели с использованием взрывного сигнала в режиме активной локации, содержащий излучение взрывного источника сигналов, прием эхосигналов от целей, фильтрацию, детектирование, интегрирование, отличающийся тем, что взрывной источник имеет фиксированную глубину установки и фиксированное время срабатывания Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляется статическим веером характеристик направленности, измеряется уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирается порог, принимается сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до приемного устройства, определяется направление α₀ прихода сигнала прямого распространения, определяется время прихода сигнала прямого распространения Т_пр, определяется дистанция от приемника до источника излучения d=(Т_пр-Т_из)С, где С - скорость звука, принимается эхосигнал, отраженный от объекта, определяется направление β₀ прихода эхосигнала от объекта, определяется время прихода эхосигнала, Т_эс, определяется время распространения от источника до объекта и до приемника t_c=(Т_эс-Т_из), определяется дистанция распространения от источника до объекта и до приемника R_c=Ct_c, определяется разность углов между направлением на источник излучения и направлением на приемник эхосигнала (α₀-β₀), определяется дистанция до цели по формуле:
$Д = \frac{R_{c}^{2} - d^{2}}{2 R_{c} - 2 d \cos (α_{0} - β_{0})}$

Изобретение предназначено для использования в системах управления движением судов (СУДС) при осуществлении оператором управления проводкой судна по сложным фарватерам.

Система демодуляции сигнала // 2520357

Система демодуляции сигнала относится к области демодуляции модулированного по фазе или по частоте сигнала и может использоваться для обнаружения движения объекта.

Пеленгатор водолаза // 2494914

Изобретение относится к водолазной технике, а именно к аппаратуре звукоподводной связи и пеленгования, используемой водолазами. Пеленгатор водолаза, совмещенный со станцией звукоподводной связи, состоит из генератора импульсов и двух идентичных приемных каналов импульсов, каждый из которых имеет свою антенну, установленную слева или справа от водолаза.

Система гидролокации целей в условиях мелководья // 2461844

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для обнаружения подводных целей в прибрежных мелководных областях. .

Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы // 2456634

Изобретение относится к области подводной навигации, а именно к определению координат подводного объекта. .

Устройство подповерхностного зондирования // 2433423

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации объектов, и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования внутренних органов человека и животных в процессе ультразвуковых исследований.

Способ определения координат посредством гидроакустической навигационной системы // 2431156

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к гидроакустическим навигационным системам, работающим при наличии отражающих границ раздела, а более конкретно к определению координат преимущественно подводных подвижных аппаратов.

Способ определения местоположения и параметров движения низколетящего над водной поверхностью со сверхзвуковой скоростью объекта по следу на водной поверхности // 2388012

Изобретение относится к области радиолокации, лазерной локации и оптики, в частности к обнаружению, определению параметров движения и сопровождению сверхзвукового малозаметного низколетящего над водной поверхностью объекта (СМНО).

Способ определения горизонтальных координат неподвижного подводного источника гидроакустических навигационных сигналов // 2378663

Изобретение относится к средствам подводной навигации, в частности к определению местоположения или для точной координатной привязки точек постановки стационарных маяков гидроакустических навигационных систем, стартовых точек или точек зависания автономных подводных роботов и других подводных технических средств, оснащенных источниками навигационных сигналов.

Активный гидролокатор // 2346295

Изобретение относится к гидроакустической технике, в том числе к активным гидролокаторам, предназначенным для обнаружения целей, измерения координат и параметров движения обнаруженных целей.

Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы // 2556326

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для мобильного навигационного обеспечения подводных роботов, в том числе работающих в ледовых условиях. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого в процессе навигации подводного робота используется один опорный гидроакустический маяк, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения. 1 ил.

Способ обнаружения и сопровождения целей циклически работающей системой наблюдения, состоящей из нескольких разнородных приемных каналов // 2558276

Изобретение относится к области создания систем наблюдения, состоящих из нескольких разнородных приемных каналов. Существо предлагаемого изобретения состоит в том, что если условию идентичности наблюдаемой и комплексной цели удовлетворяет несколько комплексных целей, то из них выбирается та, которая сформирована из тех же целей в отдельных каналах наблюдения, что и комплексная цель, продолжение траектории которой ищется. В случае отсутствия такой цели за продолжение траектории комплексной цели (ее сопровождение) принимается та комплексная цель, для которой норма вектора разности в среднем минимальная по всем идентифицированным с ней наблюдаемым целям. В результате комплексирование векторов идентификационных параметров наблюдаемых целей производится с выбранной таким образом комплексной целью. Техническим результатом является повышение качества сопровождения целей в системах наблюдения, состоящих из нескольких разнородных приемных каналов.

Система и способ определения местоположения водолаза // 2575045

Использование: изобретение относится к средствам, обеспечивающим безопасность при выполнении водолазных работ различного назначения. Сущность: система определения местоположения водолаза включает аппаратуру двух маяков и судна, дрейфующих в акватории выполнения водолазных работ. Аппаратура судна и маяков включает систему спутниковой навигации, гидроакустические приемопередатчики и приемопередатчики по радиоканалу. Аппаратура водолаза включает гидроакустический приемопередатчик. Маяки передают на судно свои координаты, и на судне определяют дистанции до каждого из маяков. Излучив с судна запросный сигнал по гидроакустическому каналу и получив ответный сигнал от маяков, используя данные о расстояниях судно-маяк, на судне определяют текущую скорость звука. Аппаратура водолаза в автоматическом режиме, приняв излученный с судна сигнал, ненаправленно излучает сигнал, который принимается аппаратурой маяков и судна, причем аппаратура маяков ретранслирует по гидроакустическому каналу принятый от водолаза сигнал вместе с временем приема этого сигнала. Используя значение текущей скорости звука, данные о времени излучения запросного сигнала и времени приема ответных сигналов от водолаза, на судне определяют дистанции между водолазом и маяками и между водолазом и судном. По этим дистанциям определяют координаты водолаза, наносят на дисплей, соединяя координаты водолаза в траекторию его движения. Изобретение может быть использовано не только для профессиональных водолазов, но и для обеспечения погружения дайверов-любителей, которые не имеют полнолицевой маски со средствами телефонной связи с судном обеспечения. Система и способ могут быть также использованы для контроля местоположения группы водолазов и для автоматизированного контроля местоположения подводных аппаратов, работающих в зоне действия гидроакустических средств маяков. Технический результат: обеспечение контроля местоположения водолаза с визуализацией этого местоположения, повышение точности определения координат водолаза и упрощение аппаратуры водолаза. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения координат места пробоя корпуса гермоотсека космического объекта частицей природного или техногенного происхождения и устройство для его реализации // 2583251

Группа изобретений относится к методам и средствам защиты космических объектов от высокоскоростных метеоритных или техногенных частиц. Способ осуществляют устройством в виде набора акустических датчиков (АКД), подключенных к измерительно-расчетному блоку, и высокочастотных антенн. Последние размещены вблизи поверхности гермоотсека, а АКД - в его объеме. При пробое корпуса объекта фиксируют моменты прихода к АКД звуковой волны, а по электромагнитным сигналам антенн - момент пробоя гермоотсека. Координаты места пробоя находят, исходя из системы уравнений, выражающих расстояния места пробоя от АКД, определяемые по указанным моментам времени. Из множества АКД выбирают четвёрки с миним. временами прихода звуковой волны. Технический результат группы изобретений направлен на уменьшение погрешности определения координат места пробоя при ограничении количества АКД. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Локационная система воздушного судна для определения его положения в водных средах // 2620885

Предложены способ и устройство для локационной системы воздушного судна, содержащей конструкцию воздушного судна и множество акустических отражателей, связанных с указанной конструкцией воздушного судна. Множество акустических отражателей выполнено с возможностью генерирования первых звуковых сигналов в ответ на прием вторых звуковых сигналов. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 27 ил.

Способ поиска затонувших объектов // 2645743

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения координат затонувших объектов (летательных аппаратов, кораблей и т.п.). Достигаемый технический результат - снижение временных и материальных затрат на поиск затонувшего объекта и повышение точности определения его координат. Указанный результат достигается за счет того, что предварительно на объект, запланированный для пересечения водной поверхности, устанавливают N≥1 контейнеров, в каждом из которых уложен отражатель электромагнитных волн (ЭМВ) с возможностью его автоматической отстыковки при погружении объекта в водную среду, отстыкованный отражатель саморазворачивается и всплывает на водную поверхность, причем отражатель выполнен в виде сетчатой структуры, в узлах которой установлены металлизированные элементы с положительной плавучестью. В район предполагаемого погружения объекта направляют поисковый летательный аппарат с установленной на нем радиолокационной станцией, которая облучает водную поверхность и по сигналам, рассеянным отражателем ЭМВ, фиксируют координаты затонувшего объекта. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.